Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергетические загрязнения биосферы. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
В.А. Солопова
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
БИОСФЕРЫ
Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский
государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по программам высшего образования по направлению подготовки
20.03.01 Техносферная безопасность
Оренбург
2016
УДК 504.6 : 574 (075.8)
ISBN 978-5-7410-1504-9
© Солопова В.А., 2016
© ОГУ, 2016
С 60
ББК 20.18 я 73
С 60
Рецензент - кандидат технических наук, доцент А.И. Байтелова
Солопова, В.А.
Энергетические загрязнения биосферы : учебное пособие / В.А. Солопова;
Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2016. – 111 с.
ISBN 978-5-7410-1504-9
В учебном пособии рассмотрены предмет и задачи дисциплины
«Энергетические загрязнения биосферы», даются ее основные понятия и
терминология. Защита человека от негативного воздействия шума, вибрации,
теплового излучения, электромагнитных полей, ионизирующих излучений –
основные темы учебного пособия.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
программам высшего образования по направлению подготовки 20.03.01
Техносферная безопасность
УДК 504.6 : 574 (075.8)
ББК 20.18 я 73
2
Содержание
Введение………………………………………………………………….....
5
1 Взаимодействие человека со средой обитания………………………..
11
2 Виброакустическое загрязнение биосферы…………………………….
19
2.1 Источники виброакустических воздействий………………………..
19
2.2 Характеристики и биологическое действие виброакустических
колебаний……………………………………………………………………
21
2.2.1 Акустические колебания…………………………………………….
21
2.2.2 Вибрация……………………………………………………………..
25
2.3 Нормирование виброакустических колебаний……………………..
27
2.4 Защита от виброакустических воздействий…………………………..
29
3 Инфразвук и ультразвук ………………………………………………….
33
3.1 Инфразвук………………………………………………………………
33
3.2 Ультразвук………………………………………………………………
35
3.3 Методы и приборы для измерения шума, инфразвука, ультразвука и
вибраций …………………………………………………………………….
36
4 Электромагнитное излучение……………………………………………
38
4.1 Электромагнитное загрязнение биосферы…………………………..
38
4.2 Биологическое действие электромагнитных полей…………………
41
4.3 Нормирование электромагнитных полей……………………………
42
4.4 Защита персонала от радиоволнового облучения……………………
47
4.5 Мероприятия защиты населения от электромагнитного
излучения………….…………………………………………………………
49
5 Лазерное излучение………………………………………………………
53
5.1 Краткая характеристика различных типов лазеров и их
применение.................................................................................................
55
5.2 Воздействие лазерного излучения на человека………………………
57
5.3 Нормирование и дозиметрия лазерного излучения…………………
59
3
5.4 Средства защиты от лазерного излучения……………………………
60
6 Излучения оптического диапазона……………………………………
62
6.1 Тепловое загрязнение…………………………………………………
62
6.2 Инфракрасное излучение………………………………………………
63
6.3 Защита от теплового излучения………………………………………
66
6.4 Ультрафиолетовое излучение………………………………………….
68
7 Рентгеновское излучение……………………………………………….
72
7.1 Получение и использование рентгеновского излучения……………
72
7.2 Методы регистрации рентгеновского излучения……………………
76
7.3 Биологическое действие рентгеновского излучения…………………
77
7.4 Методы защиты от рентгеновского излучения……………………….
78
8 Ионизирующие излучения………………………………………………..
81
8.1 Некоторые понятия и единицы измерения……………………………
81
8.2 Биологическое действие ионизирующего излучения………………..
85
8.3 Естественный радиационный фон Земли…………………………….
87
8.4 Техногенное радиационное загрязнение биосферы…………………
88
8.5 Экологические последствия радиационного загрязнения
биосферы…………………………………………………………………….
93
8.6 Защита человека и окружающей среды от ионизирующих
излучений……………………………………………………………………
94
9 Энергетические загрязнения биосферы и здоровье человека………….
100
10 Вопросы для самоконтроля……………………………………………
107
Список использованных источников……………………………………….
109
4
Введение
Основная задача настоящего учебного пособия – вооружение будущих
специалистов способностью анализировать механизмы воздействия опасностей на
человека, определять характер взаимодействия организма человека с опасностями
биосферы с учетом специфики механизма энергетического воздействия.
В настоящее время в общем потоке негативных антропогенных воздействий
на биосферу все возрастающую роль приобретает её физическое загрязнение.
Последнее связано с изменением физических параметров внешней (окружающей)
среды, то есть с их отклонением от параметров естественного фона.
Наибольшую опасность представляют изменения электромагнитных и
виброакустических параметров (условий) окружающей среды. Как правило, в
литературе они рассматриваются как волновые или энергетические загрязнения.
Спектр частот известных сегодня электромагнитных колебаний чрезвычайно
широк: от близких к нулю до 3·10
22
Гц (рентгеновское излучение). В связи с этим
обстоятельством и различием способов получения и регистрации, а также в связи с
многообразием проявлений электромагнитных колебаний весь спектр разбит на
несколько диапазонов:
- радиоволны возбуждаются при движении электрических зарядов в
системах, образованных телами макроскопических (надмолекулярных) размеров,
частоты от 0 до 6·10
12
Гц, длина волны более 5·10
-5
м; согласно международному
регламенту радиосвязи длины (частоты) радиоволн делятся на 12 диапазонов,
начиная с крайне низких частот (от 3 до 30 Гц), заканчивая гипервысокими
частотами (от 0,3 до 3 ТГц);
- оптические волны (излучения) возбуждаются при движении электрических
зарядов в системах атомно-молекулярных размеров. Спектр частот от 31011 до
31016 Гц (границы условные), при этом длина волны от 10-3 до 10
-8
м. Весь спектр
оптического излучения разделён на три диапазона: инфракрасное, видимое и
ультрафиолетовое излучение;
5
- рентгеновское излучение возникает при взаимодействии заряженных
частиц и фотонов с атомами вещества, частота колебаний от 31015 до 31022 Гц,
длина волны от 10
-8
до 10
-14
м;
- гамма-излучение, генерируется возбуждёнными ядрами атомов при
радиоактивных превращениях и ядерных реакциях, при распаде частиц и т.п., имея
частоту колебаний более 310
18
Гц , длину волны менее 10
-10
м.
В настоящее время наибольший вклад в энергетическое загрязнение биосферы
вносят изменения её электромагнитных параметров в диапазонах частот,
соответствующих областям радиоволн инфракрасного или теплового излучения
(тепловое загрязнение), рентгеновского и гамма-излучения, которые вместе с - и
- частицами (испускаются радионуклидами – нестабильными ядрами радиоактивных
элементов: уран, торий, полоний, радий и др.), являются причиной радиоактивного
загрязнения биосферы, а также изменения виброакустических параметров
(виброакустическое загрязнение) [1,2].
Самым главным мероприятием в комплексе мер по защите человека от
энергетических загрязнений является их нормирование или установление того
уровня, превышение которого недопустимо при организации в данном месте нового
производства или при реконструкции прежнего. Если при химическом загрязнении
этим предельным уровнем является предельно допустимая концентрация (ПДК), то
при энергетическом загрязнении введён предельно допустимый уровень (ПДУ)
энергетического загрязнения [4]. Его смысл соответствует смыслу ПДК. Как и в
случае ПДК, ПДУ устанавливается отдельно для техносферы (для рабочей зоны) и
для окружающей среды (населённой местности). Последний всегда меньше, чем
ПДУ для рабочей зоны. В большом числе случаев это различие составляет десятки
раз, что можно объяснить двумя обстоятельствами. Во-первых, в рабочей зоне, то
есть на производстве, заняты, выражаясь эколого-биологическим языком,
оформившиеся (физически и биологически) человеческие особи. Их устойчивость к
воздействию вредных факторов (диапазон толерантности) выше, чем у другой части
населения: детей, пожилых и престарелых людей, а также просто физически слабых
6
людей. Во-вторых, в значительной мере это различие предопределено тем, что в
большинстве случаев вредный фактор формируется именно в рабочей зоне, где он
имеет максимальные значения; по мере распространения в окружающем
пространстве он уменьшает свою интенсивность, так что вне производственной
территории его интенсивность априорно меньше, чем в рабочей зоне. Получается,
что в определённой степени это двойное нормирование лишь фиксирует
объективное распределение интенсивности вредного фактора в пространстве (речь
идёт и о химическом, и об энергетическом загрязнении).
Конечно, в глубинной основе сегодняшнего нормирования вредных
экологических факторов лежат и экономические соображения. В идеале лучше всего
сделать так, чтобы и концентрация вредных веществ, и интенсивность
энергетических факторов были пренебрежимо малыми. Истоки Глобального
экологического кризиса заключаются в том, что не всегда удаётся оформить
технологию производства так, чтобы полностью исключить её вредные воздействия.
Рынок, по большому счёту, в принципе антиэкологичен. Рыночному производителю
необходимо либо вкладывать большие средства в доводку технологии до устранения
вредных воздействий, либо нести в рынок шлейф экологических издержек. Но эти
экологические издержки обычно согласуются с надзорно-контрольными
экологическими органами на основе компромиссной концепции ПДК и ПДУ.
Реальный и действенный инструментарий защиты окружающей среды на
сегодня – компромиссная концепция ПДК и ПДУ. И она найдёт свое место в
процессе реализации концепции устойчивого развития. Направленность этого
развития: уровни ПДК и ПДУ должны снижаться. Жизнь, то есть практика
реализации концепции устойчивого развития, подскажет, каким должен быть темп
ужесточения экологических нормативов. Разумеется, он должен быть оптимальным:
ни излишне быстрым, ни слишком медленным. Он будет таким, каким его
определит Коллективный Разум мирового сообщества – с постоянным учётом темпа
развития Глобального экологического кризиса.
При этом дело будет заключаться не только в постоянном ужесточении
экологических нормативов в их сегодняшнем виде. Скорее всего, будут изменяться
7
и критерии самих экологических нормативов, в частности, нормативов для
энергетических загрязнений.
В соответствии с современными представлениями о взаимодействии
энергетического фактора с организмом 3 можно обозначить следующую логику
определения (поиска) ПДУ. Например, применительно к акустическому (шумовому)
фактору.
Пройдя длительный эволюционный процесс, человек адаптировался к
реальному спектру акустических воздействий. В ходе эволюции оказалось
нецелесообразным для слухового аппарата человека регистрировать звуковые
сигналы с плотностью потока энергии акустических колебаний воздушной среды,
меньшей чем 10
-12
Вт/м2 (зона превентивного торможения) 3: по-видимому все
явления окружающего мира, сопровождаемые эмиссией звуковых сигналов с
плотностью потока энергии, меньшей, чем 10
-12
Вт/м2 (пороговая чувствительность),
не играли значимой роли в жизнедеятельности наших доисторических предков и
поэтому инстинктивно «обрезались».
Более энергоёмкие сигналы несли более значимую информацию, в итоге наш
слуховой аппарат воспринимает звуковые сигналы в чрезвычайно широком
диапазоне плотностей потока энергии, который образует информационную зону.
Все звуки в этой зоне помогали доисторическому человеку (и помогают нам)
ориентироваться в окружающем мире. Правая (верхняя) граница этого диапазона
плотностей потока звуковой энергии, и более высокие её значения, по-видимому,
соответствовали тем реальным звуковым сигналам, которые также реально не несли
значимую информацию (иначе слуховой аппарат приспособился бы к ним). Эта
область энергосодержаний звуковых волн - зона запредельного торможения,
поскольку эти сигналы специфически восприниматься не могут, так как нарушают
нормальную саморегуляцию организма, и последний вынужден защищаться от их
действия охранительным торможением.
В качестве верхней границы информационной зоны естественно принять
величину, сопоставимую с энергией основного обмена организма, пересчитанную на
8
эквивалент плотности потока энергии 5. Энергия основного обмена, практически
дБ107
10
105
Lg10L
12
2
одинаковая для всех теплокровных животных, составляет 1000 кал/м
(постоянная Рутберга) или 510
-2
Вт/м2. Если выразить эту величину в децибелах по
2
в сутки
отношению к порогу чувствительности, т.е. уровень звука
, то получим усреднённый уровень звукового
давления на верхней границе информационной зоны. Она соответствует энергии
основного обмена в состоянии организма между покоем и интенсивной мышечной
работой. В последнем случае энергия основного обмена может возрасти в 5 - 8 раз,
то есть примерно на порядок величины 2. Для этого случая L = 117 дБ 120 дБ.
Соответственно, для состояния покоя L 100 дБ. Одновременно это нижняя граница
зоны запредельного торможения или зоны энергетического воздействия.
Таким образом, величина энергии основного обмена, точнее спектр величин
этой энергии, соответствующий спектру состояний организма между покоем и
интенсивной мышечной работой (в децибелах этот спектр выражается как 120 дБ),
может рассматриваться как исходная величина при установлении теоретических
ПДУ энергетических загрязнений (воздействий). Причём это может быть отнесено к
каждому энергетическому воздействию: в ходе эволюции организмы
адаптировались ко всем энергетическим воздействиям, по каждому из них
организмы имеют информационную зону и, соответственно, верхнюю границу этой
зоны, сопоставимую с энергией основного обмена. Естественно поэтому в качестве
некоторого приближения ПДУ того или иного энергетического воздействия
рассматривать его параметры, соответствующие энергетике основного обмена.
Приведённая логика установления ПДУ энергетических загрязнений – один из
вариантов подхода, в основу которого положена идея о существовании некоторого
энергетического порога подобных воздействий, при превышении которого
биосистемы претерпевают необратимые изменения, ведущие к ущербу их
жизнедеятельности. В сущности, работы по эколого-гигиеническому нормированию
энергетических воздействий на биосферу представляют собой фрагмент общего
9
фронта исследований взаимодействия физических полей с живым веществом.
Однозначных решений в части ПДУ в настоящее время не существует. Можно
сказать, что в результате исследований в этой области сформировалась
определённая методология, позволяющая практике экологического нормирования
(а таковая есть в каждой стране, так как всесторонние экологические нормативы
являются насущной потребностью общества) развиваться в рамках современных
научных представлений в данной области.
В данном учебном пособии на основе современных научных данных
раскрываются механизмы и последствия антропогенного воздействия на
природную среду и человека. Структура учебного пособия знакомит будущих
специалистов с различными видами энергетического загрязнения биосферы,
интенсивностью их образования, с основными характеристиками виброакустичеких
колебаний, теплового излучения, электромагнитных волн и радиации, а также
методами защиты от них.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]