авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине

1.1. Вид деятельности выпускника

Дисциплина охватывает круг вопросов, относящихся к виду деятель-

ности выпускника:

экспертная, надзорная и инспекционно-аудиторская;

– научно-исследовательская.

Задачи профессиональной деятельности выпускника

1.2.

В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профес-

сиональной деятельности выпускника:

– анализ опасностей техносферы, – участие в исследованиях воздействия антропогенных факторов и стихийных явлений на промышленные объекты.

Перечень компетенций, установленных ФГОС 1.3.

Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

общекультурные:

– способность к абстрактному и критическому мышлению, исследова нию окружающей среды для выявления ее возможностей и ресурсов (ОК 12);

профессиональные:

– способность использовать методы определения нормативных уров ней допустимых негативных воздействий на человека и природную среду (ПК-14), – способность ориентироваться в основных проблемах техносферной безопасности (ПК-19), – способность принимать участие в научно-исследовательских разра ботках по профилю подготовки: систематизировать информацию по теме исследований, обрабатывать полученные данные (ПК-20).

Перечень умений и знаний, установленных ФГОС Студент после освоения программы настоящей дисциплины должен:

знать:

– естественные процессы, протекающие в атмосфере, гидросфере, ли тосфере, – факторы, определяющие устойчивость биосферы, – характеристики возрастания антропогенного воздействия на приро ду, – методы анализа взаимодействия человека и его деятельности со сре дой обитания, – основные понятия, законы и модели химических систем, реакцион ную способность веществ;

уметь:

– осуществлять в общем виде оценку антропогенного воздействия на окружающую среду с учетом специфики природно-климатических усло вий;

владеть:

– методами предсказания протекания возможных химических реакций и их кинетику.

2. Цели и задачи освоения программы дисциплины Цели дисциплины:

– формирование целостного представления о процессах и явлениях физико-химического взаимодействия загрязнителей с компонентами окру жающей среды (атмосферы, гидросферы, педосферы) и их прогнозирова ния.

Задачи дисциплины:

– изучить пути, скорости и закономерности физических явлений и хи мических процессов в окружающей среде, протекающих под воздействием естественных и антропогенных факторов;

– дать представление о сложных физико-химических процессах ми грации и трансформации естественных и антропогенных полютантов в различных компонентах биосферы и техносферы.

3. Место дисциплины в структуре ООП Для изучения дисциплины, необходимо освоение содержания дисцип лин: химии, математики, физики, экологии, географии.

Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содер жания дисциплины, будут использоваться при изучении дисциплин: мони торинг среды обитания, химия окружающей среды, ноксология, экология техносферы.

4. Компетенции обучающегося, формируемые освоением дисци плины (результаты освоения дисциплины) В результате освоения программы настоящей дисциплины у обучаю щегося будут сформированы дополнительно следующие профессиональ ные компетенции:

– способность ориентироваться в физико-химических процессах ми грации и трансформации естественных и антропогенных соединений в различных компонентах биосферы, – способность объективно оценивать и прогнозировать естественные и под действием антропогенных факторов изменения в различных компо нентах биосферы.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

уметь:

– оценивать развитие негативной ситуации в среде обитания, вызван ной трансформацией или миграцией загрязнителей, находить пути мини мизации их негативного действия, – прогнозировать влияние негативных процессов на качество природ ных ресурсов и климат планеты;

знать:

– основные физические законы и явления, действующие в атмосфере, гидросфере, педосфере, сохраняющие их устойчивость, – состав, свойства, источники образования и стоки компонентов атмо сферы, гидросферы, педосферы, – закономерности, условия и процессы (реакции) взаимодействия за грязнителей и их производных между собой, с компонентами окружающей среды и объектами техносферы, – пути миграции загрязнителей, этапы их трансформации и нейтрали зации, – проблемы мирового загрязнения и пути трансграничного переноса загрязняющих веществ в техносфере;

владеть:

– расчетами концентраций компонентов среды обитания, – расчетами скоростей химических процессов, – навыками работы с учебно-методическим и информационным обес печением дисциплины.

5. Основная структура дисциплины Таблица 1 – Структура дисциплины Трудоемкость, часов Вид учебной работы Всего Семестр Общая трудоемкость дисциплины 108 Аудиторные занятия, в том числе: 51 лекции 17 практические/семинарские занятия 34 Самостоятельная работа 57 Вид итоговой аттестации зачет зачет 6. Содержание дисциплины 6.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины Введение. Техногенез – его эволюционное развитие к техносфере.

Цели и задачи дисциплины «физико-химические процессы в техносфере».

Раздел I. Физико-химические процессы в атмосфере.

1.1. Физические характеристики атмосферы.



1.2. Химия основных загрязнителей атмосферы, их влияние на климат планеты.

1.2.1. Общие сведения о кинетике реакций, фотохимических процес сах и фотооксидантах – реакционно-способных частицах атмосферы.

1.2.2. Неорганические и органические компоненты атмосферы, их фо тохимические реакции, источники и стоки. Опасность вторичного загряз нения атмосферы. Аэрозоли: химический состав, влияние на климат плане ты.

1.2.3. Глобальные экологические проблемы биосферы: парниковый эффект, проблемы озонового слоя, кислотные дожди.

Раздел II. Физико-химические процессы в гидросфере.

2.1. Физические характеристики мирового океана. Гидрологический режим океаносферы. Химический состав природных вод.

2.2. Антропогенное загрязнение вод мирового океана. Трансформация и опасность загрязнителей в гидросфере.

Раздел III. Физико-химические процессы в педосфере.

3.1. Строение, химический состав земной коры и процессы ее транс формации. Планетарный почвенный покров. Геохимия загрязнителей.

Раздел IV. Заключение. Миграция загрязнителей в биосфере. Законы жизнедеятельности биосферы - основа существования техносферы.

6.2. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины ВВЕДЕНИЕ Техногенез – его эволюционное развитие к техносфере Техносфера – это пространство геосфер Земли, находящееся под воз действием производственной деятельности человека и занятое ее продук тами, это современная искусственно созданная человеком среда его оби тания. Техносфера – это глобальная совокупность орудий, объектов, мате риальных процессов и продуктов общественного производства, привне сенная в результате активной деятельности, особенно в ХХ и в ХХI вв., че ловеком в природную среду – биосферу. В результате в биосфере уже час тично искажены или полностью заменены течения некоторых процессов, присущих ей от природы.

Современному этапу общественного развития предшествовала дли тельная история становления средств производства, техники и технологий – техногенез.

Длительное время, человек и создаваемое им общество взаимодейст вовали только с естественной средой обитания. Развиваясь и совершенст вуясь на протяжении тысяч лет человек до сих пор остается зависимым от состояния биосферы и изменений, происходящих в ней. Естественная сре да, кроме позитивного влияния на человека, всегда обладала рядом нега тивных воздействий (опасностей), способствовавших потере здоровья и гибели людей.

Человек, сохраняя жизнь своей популяции, всегда пытался защититься и противостоять негативным действиям природных факторов. С появлени ем огня (около10 тыс. лет назад) человек переходит от собирательства и охоты к началу аграрной цивилизации, существенно повышая свои воз можности в быту (появление очага и жилища) и в сфере деятельности (скотоводство и подсечно-огневое земледелие на землях, полученных за счет выжигания территорий лесов и лугов). В этот период проявляются первые техногенные негативные воздействия деятельности человека на природу.

Этапу аграрной цивилизации (8 тыс. лет назад и до середины Х1Х в.) соответствует взаимодействие человека со средой обитания, основанное главным образом на принципах естественного развития природы и обще ства. Вместе с тем в этот период увеличилась численность населения Зем ли, возросла энерговооруженность человека, развивались и совершенство вались орудия труда, транспорт, связь;

возникали города и поселки, что существенно улучшило условия обитания людей. В период аграрной циви лизации в биосфере появились и стали развиваться регионы техносферы, непрерывно нарастало антропогенное воздействие на природу и человека.

В переходный период (с середины ХIХ в. до 30 годов ХХ столетия) существенно возросло техническое оснащение человека (паровые, бензи новые и электрические двигатели, гидроэлектростанции), которое непре рывно наращивалось и на этапе научно-технической революции (НТР) с 30-х годов ХХ в. до конца ХХ столетия. В годы НТР техническая осна щенность человека и общества достигла наивысшего уровня, а техноген ные и антропогенные опасности стали определяющими во взаимодействии человека со средой обитания. Широкое развитие и применение в ХХ сто летии получили химические и биохимические процессы, энергетические системы, электронные средства получения и передачи информации. Техно сфера стала для человека основной средой обитания.

Формирование техносферы существенно повысило комфортность и коммуникабельность человека, но привело к росту негативного техноген ного влияния среды обитания на человека и природную среду.

Целью изучения дисциплины «физико-химические процессы в техно сфере» является формирование целостного представления о современном состоянии и физико-химических процессах в техносфере, о трансфрмации техногенных и антропогенных загрязнений в атмосфере, гидросфере, педо сфере и влиянии этих процессов на качество природных ресурсов и климат планеты. Освоение дисциплины позволит сформировать представление о проблеме мирового загрязнения и научиться оценивать и прогнозировать развитие негативной ситуации в среде обитания.

РАЗДЕЛ 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ Физические характеристики атмосферы 1.1.

Атмосферой называется газовая оболочка Земли, вращающаяся вместе с нею. Она составляет примерно 1/1000 массы гидросферы и около 1/ массы земной коры. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте около 1000 км над уровнем моря;

выше располагается так называемая корона земли, простирающаяся на расстояние 20 тыс. км. Более 99% массы атмо сферы сосредоточено в нижнем слое толщиной 40 км (50% в слое толщи ной 5,5 км).

Состав и строение атмосферы. Отличительной чертой атмосферы является ее высокая подвижность (время вертикального перемещения в слое толщиной 11 км около 2,5 месяцев), а также постоянство состава главных компонентов и чрезвычайно высокая изменчивость множества малых примесей, содержание которых сильно варьируют как во времени, так и в различных частях атмосферы. В приземном слое на 99,9% по объе му воздух состоит (%) из азота (78,084), кислорода (20,948), аргона (0,934) и углекислого газа (0,03). К постоянным компонентам относятся также во дород (5·10-5) и инертные газы – гелий (5,24·10-4), неон (1,818·10-3), ксенон (8,7·10-6) и криптон (1,14·10-4). Присутствуют также метан (1,72·10-4), окси ды азота (3,04·10-5), серы ( 7·10-6). До высоты 20-30 км в атмосфере со держатся пары воды.

Атмосфера имеет сложное строение. Она состоит из ряда оболочек (слоев), которые различаются в зависимости от высоты расположения прежде всего температурой, давлением и степенью ионизации молекул:

это тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (ионосфера), экзо сфера (межпланетное пространство). Отдельные слои атмосферы выделя ют на основании хода температуры, неоднократно меняющего свой знак с высотой атмосферы. Границы зон разделены узкими переходными зонами, называемыми тропопаузами. Они строго не фиксируются.

Свойства атмосферы. Давление в атмосфере равномерно уменьшает ся с высотой. Для описания поведения атмосферных газов в первом при ближении может быть использовано уравнение состояния идеального газа (уравнение Бойля-Мариотта PV = RT). Если V=M, то давление (Р, Н/м2) связано с плотностью соотношением:

Р = RT/М, где – плотность газа, кг/м ;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/ (К.моль);

T– температура, К;

М – средняя молекулярная масса га за, кг/кмоль.

Солнечная радиация. Источником почти всей энергии на Земле слу жит Солнце. Солнечная постоянная – полный поток радиации, поступаю щей за 1 мин на 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению солнеч ных лучей, за пределами атмосферы. Она равна 8,2 Дж/(см2мин). Основное количество энергии Солнца поступает в виде коротковолновой радиации.

Земная атмосфера прозрачна для УФ-радиации в диапазоне 320- нм. При поглощении радиации в этом спектральном диапазоне подсти лающая поверхность (суша, поверхность океанов) нагревается и, как вся кое нагретое тело, в свою очередь излучает в инфракрасном диапазоне.

Интенсивность (I) уходящего излучения определяется законом Стефана – Больцмана для абсолютно черного тела: I = T4, где – универсальная по стоянная Стефана, равна 5,67.10-8 Вт/(м2.К4).

Тепловой баланс атмосферы и подстилающей поверхности. Равно весная температура Земли может быть рассчитана на основании величины солнечной постоянной, отражательной способности (альбедо) и закона Стефана – Больцмана. Поглощенная земной поверхностью энергия равна:

Eп = r3 J (1-A), где J – интенсивность приходящего солнечного излучения;

r – радиус Зем ли;

А – доля отраженного излучения (альбедо).

Излучаемая энергия равна: Eи = 4 r3 T Так как имеет место термическое равновесие Eп = Eи, то T = [J (1-A)/4]1/ Равновесная температура нашей планеты, вычисленная по последнему уравнению, составляет 254 К, что на 34 К ниже реального значения. Рас хождение объясняется тем, что это выражение не учитывает влияния атмо сферы на тепловой баланс Земли (излучаемая Землей энергия, рассчитан ная в приближении абсолютно черного тела, имеет намного меньшую ин тенсивность, чем приходящая от Солнца).

Из 1050 ккал энергии, поступающей ежегодно на единицу площади (1см ) на верхней границе атмосферы, 275 ккал отражается облаками и ккал - подстилающей поверхностью (главным образом ледяными шапками континентов и плавающими льдами). В самой атмосфере молекулами раз личных газов и частицами аэрозолей поглощается энергия, эквивалентная 250 ккал.

Значительная часть коротковолновой радиации [450 ккал/(см2 в год)] достигает подстилающей поверхности и поглощается ею. Выделившаяся в результате этого энергия переизлучается в атмосферу в форме более длин новолновой ИК-радиации, а также расходуется на испарение воды и кон вективное движение масс воздуха.

Общая циркуляция атмосферы. Неравномерность нагревания зем ной поверхности, зависящая от угла падения солнечных лучей, является основной причиной градиента температуры между высокоширотными (по лярными) и экваториальными областями. Наличие такого градиента, а также вращение Земли служат причиной циркуляции атмосферы - сложной системы воздушных течений. Некоторые из них сравнительно устойчивы, тогда как другие постоянно меняют свое направление.

Роль циркуляционных процессов в формировании климатической сис темы Земли очень велика: благодаря им сглаживаются контрасты темпера туры, осуществляется перенос водяного пара с океанов на континенты, а также усредняется состав основных компонентов воздуха.

В экваториальных широтах воздушные массы перемещаются в верти кальном направлении. На больших высотах они поворачивают к полюсам и потом вновь опускаются в субтропических широтах. Таким образом, в обоих полушариях формируются замкнутые циркуляционные (пассатные) ячейки, разделенные в районе экватора так называемой внутритропической зоной конвергенции. Ширина ее составляет несколько сотен километров, в течение года она перемещается в полушарие, в котором в настоящее время лето. Эта зона характеризуется ослаблением ветра и усилением конвекции и служит препятствием обмену воздушными массами между полушария ми. Пассаты – это устойчивые воздушные течения.

В умеренных широтах преобладают течения с запада на восток, вклю чающие крупные вихри – циклоны и антициклоны.

В стратосфере возникают струйные течения со скоростями ветра до 100-150 м/с. Ширина таких течений составляет несколько сотен километ ров. Они переносят огромные массы воздуха. В нижних слоях стратосферы существуют течения в направлении от экватора к полюсам – это как бы стратосферное продолжение пассатных ячеек циркуляции.

В высоких широтах обоих полушарий происходит вращение атмосфе ры вокруг полюсов в направлении с запада на восток. Над Антарктидой в зимний период формируется мощный циркумполярный вихрь, изолирую щий южную полярную стратосферу и препятствующий поступлению воз духа из более низких широт.

Под устойчивостью атмосферы понимают стремление и способность смещенной в вертикальном направлении ячейки вернуться в первоначаль ное положение.

Ионосфера – это часть верхней атмосферы, расположена выше 50 км.

Верхней границей ионосферы является магнитосфера Земли. Ионосфера представляет собой природное образование разряженной слабоионизиро ванной плазмы (атомные и молекулярные ионы), находящейся в магнит ном поле Земли и подвергающейся воздействию ионизирующего излуче ния Солнца. Благодаря ионосфере возможно распространение радиоволн на далекие расстояния.

Образование ионосферы происходит за счет двух конкурирующих процессов ионизации частиц до ионов и их рекомбинации: днем – под дей ствием коротковолнового излучения Солнца, ночью – галактических кос мических лучей, а также корпускулярных потоков (энергия электронов 30-40 кэВ).

Движение потоков заряженных частиц в ионосфере приводят к воз никновению турбулентных неоднородностей электронной концентрации.

Движение ионизированных масс и турбулентность ионосферы влияют на распространение радиоволн. Изучает ионосферу наука – аэрономия.

Геомагнитное поле Земли и радиационные пояса. Выше ионосфе ры расположена магнитосфера Земли или геомагнитное поле (заполнено плазмой), которое экранирует поверхность Земли от потоков космических лучей и является геомагнитной ловушкой для заряженных частиц, источ ником которых являются космические лучи, солнечный ветер (особенно во время солнечных бурь). Она заполнена частицами высоких энергий, обра зующими радиационные пояса Земли. Частицы, захваченные в геомагнит ную ловушку, совершают колебательные движения из одного полушария в другое, двигаясь вдоль силовых линий, одновременно прецессируя вокруг них и дрейфуя по долготе из-за неоднородности геомагнитного поля. Вре мя колебаний частиц составляет от 10-3 до 10-1с.

1.2. Химия основных загрязнителей атмосферы, их влияние на климат планеты 1.2.1. Общие сведения о кинетике реакций, фотохимических процессах и фотооксидантах – реакционно-способных частицах атмосферы Химическая кинетика дает ценную информацию о числе молекул или иных частиц, участвующих в реакции, и о промежуточных стадиях про цесса, т. е. сведения, без которых невозможно судить о механизме реакций.

Основное ее положение заключается в том, что скорость реакции пропор циональна произведению концентраций реагентов. Запишем уравнение ре акции в виде aA + bB =cC +dD тогда скорости прямой (V1) и обратной (V2) реакций будут равны V1 = k1 [A]a [B]b V2 = k2 [C]c [D]d Коэффициенты k1 и k2 в этих уравнениях называются константами скорости.





При химическом равновесии отношение произведения молярных кон центраций, получившихся веществ, к произведению молярных концентра ций исходных веществ представляет собой постоянную величину, назы ваемую константой равновесия. Она показывает во сколько раз скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции k2 / k1 = [A]a [B]b/ [C]c [D]d Показатель степени, в которую возводится концентрация реагента, на зывается порядком реакции по данному реагенту. Сумма показателей сте пеней (a +b) называется суммарным порядком реакции. В зависимости от значения этой суммы различают моно-, би- и тримолекулярные реакции.

Мономолекулярная реакция разложения АВ А + В описывается уравнением первого порядка V = k1[AB] = -d[AB]/dt Обратной бимолекулярной реакции А + В АВ соответствует кине тическое уравнение второго порядка V = k2[A] [B] = -d[A]/dt = -d[B]/dt.

Скорость химической реакции зависит от температуры. Один из ос новных законов химической кинетики – уравнение Аррениуса – связывает константу скорости с температурой Т k = Ae-E/RT, где R – универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль · К)];

А и E – константы реакции. Первая из них называется предэкспонен циальным множителем;

размерность ее такая же, как у константы скоро сти. Ее называют также частотным фактором, так как она показывает число столкновений в 1 см3 за 1 с при концентрации 1 моль/см3.

Константа Е называется энергией активации (Дж/моль) реакции. Мо лекулы вступают в реакцию, только если их энергия равна Е или превыша ет ее. Энергия активации – это избыток энергии, который необходим моле кулам реагентов для прохождения реакции. Активация молекул осуществ ляется благодаря бимолекулярным столкновениям, которые тем чаще, чем выше температура.

Реакции, в которых активация частиц осуществляется в результате по глощения кванта света, называются фотохимическими. Поглощая энергию УФ-излучения, молекулы могут переходить в возбужденное (синглетное) состояние, подвергаться диссоциации и ионизации.

Возбужденное состояние молекул. Образовавшаяся в результате по глощения кванта света частица имеет избыточную электронную энергию и как следствие высокую реакционную способность.

Фотоны или кванты обладают энергией Е = h, где h – постоянная Планка, – частота световой волны. Молекула будет поглощать только те кванты, энергия которых соответствует разнице между двумя ее собствен ными дискретными энергетическими уровнями, то есть должно выпол няться равенство h = ЕК – Е0 (ЕК – возбужденный уровень, Е0– основной уровень).

Почти все устойчивые органические молекулы имеют четное число электронов. Электроны попарно занимают низшие энергетические орбиты молекулы таким образом, что все электронные спины спарены (все элек троны образуют пары с противоположными спинами). Молекула, в кото рой все спины спарены, не обладает суммарным магнитным моментом и находится в основном энергетическом состоянии (S0 – синглетное состоя ние).

Когда молекула поглощает видимый или ультрафиолетовый свет, один из электронов возбуждается и переходит с заполненной орбитали на свободную с более высокой энергией без изменен6ия знака спина. Это со стояние называется первым возбужденным синглетным состоянием (S1).

Каждому возбужденному синглетному состоянию соответствует триплет ное состояние (Т1), отличающееся тем, что у возбужденного электрона ме няется знак спина на противоположный.

Молекулы веществ из возбужденного состояния могут переходить в основное состояние. Переход с изменением спина электрона, сопровож дающийся испусканием кванта энергии, называется флюоресценцией, а без изменения спина – фосфоресценцией (люминисценцией).

С точки зрения энергетики, наиболее выгодно устойчивое состояние S0. Состояние S1 обладает наибольшим избытком энергии и соответствен но менее стабильно, а состояние Т1 занимает промежуточное положение.

Когда в результате фотооблучения молекула оказывается в состоянии Т1, реализуется возможность протекания фотохимической реакции.

Помимо дезактивации с испусканием кванта света, возбужденные час тицы могут дезактивироваться в результате перехода энергии электронно го возбуждения в энергию колебаний атомов. В большинстве случаев воз буждение молекул приводит к гомолитическому разрыву тех или иных хи мических связей с образованием частиц – свободных радикалов (высокоре акционных частиц), имеющих по одному неспаренному электрону X• + Y• Х:Y гомолитический свободные разрыв радикалы При гетеролитическом разрыве (гетеролиз) ковалентной связи могут образовываться электрофильные (положительно заряженные) и нуклео фильные (отрицательно заряженные) частицы X+ Y Х:Y гетеролитический электрофил (е) нуклеофил (n) разрыв Фотооксиданты – реакционноспособные частицы атмосферы Аэробная атмосфера земли обладает огромным окислительным по тенциалом, определяющим скорости окисления не только естественных, но и антропогенных компонентов. При этом ключевая роль принадлежит не молекулярному кислороду, а кислородсодержащим частицам, таким как радикал гидроксила, пероксидный радикал, атомарный кислород, озон, ко торые называют фотооксидантами, так как они образуются в реакциях, инициируемых солнечной энергией. От их наличия и состава зависит окислительно-восстановительный потенциал атмосферы.

Молекула кислорода представляет собой бирадикал с неспаренными электронами. Энергия диссоциации молекулярного (триплетного) кисло рода (3О2) на атомы составляет 496 кДж/моль. Эта высокая величина слу жит кинетическим фактором относительной химической инертности ки слорода, что является одной из причин нахождения кислорода в свободном состоянии в атмосфере.

Молекулярный синглетный кислород (1О2). Квант энергии молеку лярный кислород может получать как из солнечного потока, так и заимст вовать у сенсибилизатора, образуя энергетически активную синглетную форму молекулярного кислорода О2+h 1О Если происходит процесс образования молекулярного синглетного кислорода в биологических системах, то это может приводить к поврежде нию структуры биомембран, к гемолизу эритроцитов, инактивации фер ментов, появлению загара и др. В стратосфере он образуется при фотолизе озона одновременно с атомарным кислородом О3+h 1О2+ О Атомарный кислород (О) [О(1D), O(3P) – его различные возбужденные состояния], в атмосферных процессах имеет гораздо более важное значение, так как участвует в образовании и разложении озона как в стратосфере, так и в тропосфере.

Гидроксильный радикал (НО•). Нитриты, находящиеся в воздухе в со ставе аэрозолей или на поверхности твердых частиц (пыли), за счет фотохи мической реакции могут быть источником образования очень сильного окис лителя гидроксильного радикала НОNО + h NО + НО• Гидроксильный радикал HO обладает высокой реакционной активно стью и способствует очищению атмосферы, играя роль детергента, превра щающего газы в растворимые вещества, которые легко удаляются из атмо сферы с осадками.

Гидропероксидный радикал (НОО•) в тропосфере может образовывать ся за счет реакции НО•+Н2О2 НО2• +Н2О.

Гидропероксид (Н2О2) это слабая кислота, которая в щелочной и ней тральной средах диссоциирует на протон и супероксидный радикал Н-О-О-Н О•2 + 2Н Супероксид-радикал (О•2) может образовываться при переносе электро на на кислород. Это очень активная и высокотоксичная частица.

Таким образом в атмосфере присутствует шесть активных форм кисло рода: озон O3, атомарный кислород О, гидроксильный радикал НО•, гидро пероксидный радикал НО2•, супероксидный радикал О•2 и синглетный кисло род 1О2.

Тропосферный озон. Из всех упомянутых фотооксидантов в наиболь ших количествах в атмосфере Земли присутствует озон. Поэтому он опреде ляющим образом влияет на общую окислительную способность. По проис хождению тропосферный озон может быть экзогенным или эндогенным.

Свыше 90% молекул озона образуется в стратосфере, главным образом над экваториальным и тропическим поясом, откуда он переносится по направле нию к полюсам. В нижней атмосфере образование озона происходит в за грязненной оксидами азота среде:

NО2 + h NО + O(3P) O(3P) + О2 + М О3+М*.

Влияние фотооксидантов на живые организмы Фотооксиданты оказывают на живые организмы прямое и косвенное воздействие. Первое из них связано с поглощением и химическим взаимо действием этих токсикантов с биомолекулами тканей.

Сильнейшим из фотооксидантов является озон. Биохимическое дейст вие озона обусловлено его высокой реакционной способностью по отно шению к липопротеидам клеточных мембран и многих энзимов, имеющих в составе молекул двойные углерод-углеродные связи и сульфгидрильные группировки —SН. Повреждая мембраны, он влияет на скорость поглоще ния диоксида углерода из атмосферы листвой растений, поражает ткани легких животных. В клетках образуются свободные радикалы, легко всту пающие в реакции с элементами биомолекул, при этом происходят про цессы, аналогичные наблюдаемым под действием проникающей радиации.

Длительное воздействие озона при концентрациях, типичных для воздуха многих городов мира (около 200 млрд -1), вызывает быстрое старение кле ток животных. Озон оказывает негативное воздействие на многие поли мерные материалы, в том числе резину, хлопчатобумажные ткани. Он взаимодействует и со многими красителями на основе синтетических ор ганических соединений, используемыми в текстильной промышленности, с масляными красками и др. В результате изделия из этих материалов быст ро теряют свою прочность, ткани постепенно изменяют свой цвет, появля ется угроза утраты многих ценнейших произведений искусства, таких как картины и фрески. Преждевременное старение резины и тканей приносит огромные убытки.

1.2.2. Неорганические и органические компоненты атмосферы, их фотохимические реакции, источники и стоки Диоксид углерода (СО2). В жизнедеятельности биосферы огромную роль играет углекислый газ. Биосфера за счет взаимодействия автотрофов, (используют СО2 в процессе фотосинтеза) и гетеротрофов уже на протяже нии многих тысяч лет поддерживает постоянный баланс между кислоро дом и углекислым газом. Содержание углекислого газа в атмосфере приня то считать в пределах 0,03%.

Метан атмосферы (СН4) – основной органический компонент атмо сферы Земли. Он химически инертен и поэтому содержится в атмосфере в наибольших количествах. Содержание его в значительной степени опреде ляет окислительные свойства атмосферы и, тем самым, судьбу многих дру гих малых газовых составляющих.

Метан присутствует во всей толще тропосферы и стратосферы. Наи большие вариации концентраций отмечены над континентами, над терри ториями, в недрах которых имеются крупные залежи ископаемого топлива – каменного угля, нефти и природного газа. В Южном полушарии концен трации СН4 оказываются на 8-10 % ниже, чем в Северном. В стратосфере с высотой содержание метана быстро убывает. Внутригодовые вариации ме тана проявляются с наиболее выраженным минимумом в летнее время.

Наблюдаются тенденции увеличения содержания метана в атмосфере.

Метан поступает в атмосферу из разных источников: природных, ан тропогенных и квазиприродных.

Природные источники. В природных условиях метан образуется вы сокоспециализированными анаэробными микроорганизмами – метано генами. Субстратами для метаногенов служат уксусная кислота, метанол, метиламин, метилмеркаптан и смесь СО2 + Н2., например, СН3SН+Н2 СН4+Н2S;

СО2+4Н2 СН4+2Н2О.

Наиболее активно микробиологический синтез СН4 протекает в бога тых органическим веществом и бедных кислородом донных отложениях пресноводных водоемов, морей и переувлажненных почвах. Основная часть метана не достигает дневной поверхности вследствие поглощения аэробными метанокисляющими бактериями метанотрофами («бактериаль ный фильтр»). Совокупность микробиологического образования и окисле ния метана называют циклом Зенгена по имени микробиолога, впервые описавшего эти процессы. Наибольшая часть метана выделяется в атмо сферу на континентальных экосистемах: из переувлажненных почв, миг рируя через корневую систему и стебли сосудистых растений – осоки, ка мыша и т. п.

В качестве потенциально важного источника атмосферного метана в последние годы рассматриваются также так называемые метановые газо гидраты (клатраты). По некоторым оценкам, общее содержание метана в морских газогидратах составляет 10 Тт.

Квазиприродные источники метана сопряжены главным образом с сельскохозяйственным производством, например в результате деятельно сти микроорганизмов-метаногенов в почвах, занятых под выращивание риса, а также обитающих в пищеварительном тракте сельскохозяйствен ных животных и некоторых видов насекомых-фитофагов.

Антропогенные источники. Заметный вклад в глобальный поток СН вносят свалки твердых бытовых отходов, предприятия по переработке бы товых стоков и отходов животноводства, а также иловые площадки накопители осадков сточных вод. Антропогенная эмиссия метана связана и с добычей ископаемого топлива – угля, нефти и природного газа, а также с процессами горения как ископаемого топлива, так и сырой биомассы (степные, лесные пожары, выхлопы автомобилей).

Расчет показывает, что на долю чисто природных источников СН приходится только 30% средней величины глобальной эмиссии, тогда как вклад квазиприродных и антропогенных составляет 43% и 27%, соответст венно.

Стоки метана. Стоки метана определяются двумя процессами: по глощением почвами с последующей микробиологической ассимиляцией метанотрофами и окислением в атмосфере в химических реакциях, ини циируемых, главным образом, радикалами гидроксила.

Общая реакция окисления метана «в чистом воздухе» приводит к об разованию углекислого газа и пероксида водорода СН4 + 2НО + 2НО2• + О2 СО2 + 2Н2О2 + Н2О В присутствии оксидов азота (в загрязненном воздухе) общий резуль тат окисления метана сильно изменяется: накапливаются озон и радикалы гидроксила - окислительный потенциал атмосферы увеличивается СН4 + 10О2 СО2 + 5О3 + Н2О + 2НО• Поскольку радикалы гидроксила образуются под действием солнечно го света, окисление метана наиболее интенсивно происходит в летнее вре мя. Этим объясняется летний минимум внутригодового хода концентраций СН4 в тропосфере. Большая часть (около 70%) эмиссии метана сейчас на ходится под прямым или косвенным контролем человека.

Монооксид углерода атмосферы. Единственная реакция, в которую включается атмосферный СО – это взаимодействие его с радикалом гидро ксила. В результате образуется СО2, однако выход других продуктов зави сит от условий протекания реакции. В «чистой» атмосфере (содержание NО на уровне 10-20 трлн-1), общий итог процесса заключается в стоке ра дикалов СО + НО• + НО2• СО2 + H2О2.

Оксид азота(1) атмосферы. В атмосферном воздухе всегда есть ок сид азота(1) (N2О). Естественное образование и поступление его в атмо сферу, так же как и NО, NО2, происходит, главным образом, за счет про цессов, связанных с грозовыми явлениями.

Антропогенные источники N2О связаны главным образом с высоко температурным окислением молекулярного азота в процессе горения раз личных видов топлива. Можно предполагать также, что широкое исполь зование азотных (нитратных и аммонийных) удобрений влияет на потоки N2О из возделываемых почв. Изменениям его содержания в тропосфере соответствует небольшой, но устойчивый положительный тренд. Совре менный поток N2О в атмосферу оценивается как 9,0–40,5 МтN/год.

Вследствие высокой химической инертности и малой растворимости в воде среднее время жизни оксида азота(1) в тропосфере равно 120–150 го дам. Поэтому эта малая газовая составляющая равномерно распределена во всей толще тропосферы.

Предполагается, что существует небольшой сток N2О в почву, где этот оксид поглощается некоторыми видами микроорганизмов. Однако в качестве главного стока из тропосферы рассматривают перенос в страто сферу и последующую фотолитическую диссоциацию в средних ее слоях под действием солнечной радиации с длиной волны менее 200 нм N2O + h NO + N.

N2O + h N2+ O(3P)..

Фторхлоруглеводороды. Считается, что фторхлоруглеводороды – исключительно антропогенные примеси атмосферы. Однако значительные концентрации фреона-11(СFС13) и фреона-12 (СF2Сl2) и некоторых других соединений этого класса были зарегистрированы в газовых выбросах дей ствующих вулканов и в газах гидротермальных источников в сейсмически активных районах.

Размеры природной эмиссии фторхлоруглеводородов до настоящего времени не определены, но, безусловно, они заметно уступают антропо генным выбросам, наиболее быстрый рост которых пришелся на 1950– 1970-е г. и связан с производством фреонов.

В настоящее время считается, что практически единственным стоком галогенуглеродов служит перенос в стратосферу, где они подвергаются фотолитическому разложению СFС13 + h СFС12 +С1•.

Органические компоненты атмосферы. В глобальных масштабах главный источник Сорг – это биота. Выделение органических соединений в окружающую среду, в том числе в атмосферу, характерно для всех жи вых организмов. Из различных источников (включая микробиологическую продукцию метана) в атмосферу ежегодно поступает 1,5–2 Гт органиче ских соединений.

Наибольшие количества Сорг выделяются растительностью конти нентов в виде изопрена С5Н8 и монотерпенов С10Н16. Изопрен – главный органический компонент, выделяемый многими лиственными растениями (дуб, осина, ива, тополь и др.), а терпены – преобладающие компоненты летучих выделений хвойных растений.

Среди компонентов, образующих «фитогенный фон» атмосферы, можно назвать многие реакционноспособные углеводороды С2–С15 (алка ны и алкены), ароматические соединения и их производные: карбонильные соединения, спирты, сложные эфиры и др.;

кислород-, азот- и серосодер жащие органические соединения. Последние могут образовываться непо средственно в тропосфере в результате окисления углеводородов.

Основная часть этих соединений в каскадных реакциях окисляется в пограничном слое атмосферы. Окисление в загрязненной оксидами азота атмосфере приводит к образованию очень токсичных вторичных загряз няющих компонентов - озона, фенолов и их производных, высоко реакци онноспособных алкилрадикалов, алкилнитратов (RONO2), пероксиацил нитратов (ПАН) (RС(О)ООNО2), различных пероксидных соединений, нитрозаминов и т. д.

Совместное действие ПАН, пероксида водорода и алкилпероксидов служит причиной интенсивного поражения растительности и наносит большой ущерб как естественным экосистемам, так и агрофитоценозам.

Атмосферной химии производных углеводородов сейчас уделяется боль шое внимание.

Аэрозоли – коллоидная система атмосферы Под атмосферным аэрозолем понимают коллоидную систему, образо ванную взвешенными в водной фазе частицами вещества с размерами, превышающими молекулярные (радиусом более 10-9 м), в дисперсной сре де, представленной воздухом. То есть атмосфера Земли представляет со бой гигантскую коллоидную систему с развитой межфазной поверхностью раздела и высоким значением удельной свободной энергии.

Химический состав и распределение частиц аэрозоля в атмосфере за висят как от деятельности источников атмосферного аэрозоля, так и от особенностей атмосферного переноса в тех или иных регионах земного шара. В тропосфере с высотой содержание аэрозолей уменьшается. Полное обновление аэрозоля происходит примерно 100 раз в год.

Тропосферный аэрозоль. По происхождению и химическому составу различают ряд аэрозолей.

Океанический аэрозоль (1500 Мт/год) образуется главным образом при разрушении пузырьков воздуха на гребнях волн. В качестве превали рующего компонента содержит NаС1 со значительной примесью таких элементов как Pb, Cu, Mn, Fe, Cd, Hg, Ag, Zn.

Терригенный аэрозоль (750 Мт/год) возникает при выветривании поч вы и горных пород и поднятии пыли и песка пустынь, которые переносятся на тысячи километров в виде струеобразных пылевых облаков, вытяги вающихся на несколько сотен километров и имеющих ширину 30–120 км.

Терригенный аэрозоль содержит минералы на основе силикатов и алюмо силикатов со значительной примесью магнетита, карбоната кальция, атомы тяжелых металлов (V, Cr, Mn, Ni, Cu, Pb, Ti, Zn) и переменные количества относительно высокомолекулярных биогенных органических соединений фитогенной природы, которые могут играть роль поверхностно-активных веществ ПАВ.

Вулканический аэрозоль (50 Мт/год) по химическому составу близок к наиболее распространенным магматическим породам – базальтам, андези то-базальтам и андезитам. В составе пепла, особенно самых мелких его фракций, значительны примеси тяжелых металлов (в %): V, Cu, Со, Ni, W, Hg, Zn, As, Se, Sb и др. Вулканический пепел (частицы размером от 1 мкм до 0,01 мкм), образуют "скрытую массу" пепла и участвует в крупномас штабном атмосферном переносе. Изверженные породы обладают высокой каталитической активностью, сравнимой с активностью промышленных катализаторов Фишера – Тропша.

Разрушение метеорного материала дает около 1Мгт/год аэрозоля.

Антропогенный аэрозоль (340 Мгт/год). В число антропогенных ис точников включают промышленные предприятия, транспорт и различные виды деятельности, связанные со сжиганием биомассы: инициируемые че ловеком степные и лесные пожары, использование растительности для отопления и уничтожение огнем отходов сельскохозяйственного произ водства.

Вторичный аэрозоль сельских и городских районов. Появление аэро зольных частиц в атмосфере может быть обусловлено не только их выбро сом различными поверхностными источниками, но и образованием в ре зультате определенных химических и физико-химических процессов из га зообразных предшественников. Вторичных аэрозолей различают два: это летний (лосс-анджелесский) и зимний (лондонский) смог.

Лондонский смог возникает в крупных городах при неблагоприятных погодных условиях (маловетрие), когда дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Такой смог в 1952 г. в Лондоне с 2 по 9 декабря привел к гибели более 4 тыс. человек.

Лосс-анджелесский или фотохимический смог также опасен. Он воз никает летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воз дух, перенасыщенный выхлопными газами. При полном безветрии в атмо сфере происходят сложные фотохимические реакции с образованием но вых токсичных загрязнителей, (озона, нитриты, перекиси, альдегиды и др.).

Стратосферный аэрозоль. Стратосфера Земли содержит переменные количества вещества в конденсированной фазе. Наиболее интенсивное по ступление аэрозольных компонентов происходит в результате взрывных извержений вулканов. При этом формируются стратосферные вулканиче ские облака, плотность, ширина, протяженность и химический состав ко торых изменяются во времени.

В стратосфере вулканический диоксид серы окисляется до триоксида под действием солнечной энергии и подвергается нуклеации с образовани ем серной кислоты. В реакциях с участием диоксида азота происходит также образование нитрозилсерных кислот NOHSO4 и NOHS2O7. На высо те 18–20 км над уровнем моря всегда присутствует слой сернокислотного аэрозоля (капли концентрированной серной кислоты, твердые гранулы сульфатов аммония) – слой Юнге. Сернокислотный аэрозоль – постоянная составляющая стратосферы Земли, определяющая в основном степень ее гетерогенности.

Свойства аэрозолей. Интерес к химическому составу и физико химическим свойствам аэрозолей связан с их участием в ряде важнейших процессов, протекающих в атмосфере. В их числе формирование радиаци онного режима планеты. Аэрозоли, в зависимости от размера и состава частиц, вносят существенный вклад в отражение, рассеяние и поглощение коротковолновой радиации Солнца и восходящего потока теплового излу чения подстилающей поверхности. Поэтому изменение содержания взве шенных частиц в атмосфере может вызывать значительные климатические изменения.

Химические процессы с участием атмосферного аэрозоля. Аэрозоли играют важную роль и в формировании гидрологического режима атмо сферы. В их присутствии конденсация молекул Н2О из пара или кристал лизация воды происходит при относительной невысокой влажности. На поверхности аэрозольных частиц происходит конденсация многих других компонентов атмосферы - соединений тяжелых металлов, неорганических и органических газов и паров малолетучих соединений, которые вместе с аэрозолем попадают на подстилающую поверхность (канцерогенные поли ядерные ароматические углеводороды, полихлорированные соединения различных классов – пестициды, бифенилы, дибензол-диоксины и дибен зофураны). При трансграничном переносе на поверхности аэрозольных частиц во времени происходит изменение нерастворимых в воде соедине ний многих тяжелых металлов: за счет постепенного накопления на аэро зольных частицах кислот металлы переходят в раствор, в наиболее токсич ную ионную форму. При этом оказываются на значительных расстояниях от источника выброса. В мелких фракциях аэрозолей они способны прони кать глубоко в дыхательный тракт и, далее, в кровеносную систему, что очень опасно для человека.

На поверхности аэрозолей могут протекать различные темновые и фо тохимические реакций, скорости которых во многом определяются катали тическими свойствами поверхности.

1.2.3. Глобальные проблемы биосферы Парниковый эффект, его природа и влияние на климат В системе «атмосфера – подстилающая поверхность» циркулирует большее количество энергии, чем приходит от Солнца. Это происходит из за так называемого парникового эффекта, обусловленного присутствием в воздухе молекул, поглощающих восходящее ИК-излучение.

Главным поглотителем теплового излучения Солнца и земной по верхности служит вода, присутствующая в атмосфере в виде паров и обла ков. Молекулы воды почти полностью поглощают радиацию с длинами волн менее 7,6 мкм и с длинами волн более 17 мкм. Между этими грани цами, а также в диапазоне 3,5–4,5 мкм, находятся «окна прозрачности» в спектре поглощения водяного пара. Через них проходит менее 7% излу чаемой земной поверхностью радиации. Эти «окна» сужаются из-за при сутствия в атмосфере молекул СО2, имеющих интенсивную полосу погло щения, закрывающую область 13,7–16,7 мкм.

За период 1860–1990 г. средняя глобальная температура атмосферы увеличилась на 0,6 К, и эта тенденция сохраняется до настоящего времени.

Многие исследователи считают это потепление следствием усиления пар никового эффекта, главным образом, за счет накопления в атмосферном воздухе диоксида углерода.

Современный положительный тренд концентраций СО2 и появление в атмосфере «избыточного» СО2 однозначно связывают с хозяйственной деятельностью человека, которая приводит к возрастающему потреблению (сжиганию) ископаемого топлива – угля, нефти и газа. Другой крупный ан тропогенный источник диоксида углерода – это изменение растительного и почвенного покрова континентов за счет вырубки, выжигания лесов, рас пашки целинных земель и общей интенсификация земледелия, приводя щей к более быстрому извлечению углерода из гумуса почв, снижению продуктивности фотосинтеза.

Роль парниковых газов могут выполнять любые газовые компоненты, поглощающие в «окне прозрачности» и обладающие достаточным време нем жизни и концентрацией: метан, закись азота, фторхлоруглероды, атмо сферные аэрозоли, причем их вклад в парниковый эффект значительно больше, чем СО2. Для многих из них наблюдается положительный времен ной тренд концентраций.

Однако существует иная точка зрения, согласно которой наблюдае мые особенности изменения температуры находят достаточно убедитель ное объяснение в рамках циркуляционной гипотезы. Сторонники этой ги потезы указывают на существование периодов значительно более сильно выраженных (на 1,5–2 К) потеплений в историческом прошлом (VIII–XII вв., первая половина XVI и XVIII вв.), которые едва ли могут объясняться антропогенным воздействием.

Климатологи считают значимым изменение средней глобальной тем пературы уже на 0,1 К, если оно сохраняется длительное время. Неконтро лируемое увеличение содержания в атмосфере парниковых газов неизбеж но приведет к существенным перестройкам в климатической системе Зем ли, влекущим за собой серьезные последствия.

Проблемы озонового слоя Земли Озон постоянно образуется и разлагается в атмосфере в ходе естест венных фото- и термохимических реакций. В среднем скорости его обра зования и разрушения уравновешены в неком циклическом процессе, ко торый в 1930 г впервые описал Чепменом в форме следующих уравнений:

О2 + h О(1D) + O(3P) O(3P)+ О2 + М О3 + М* О3 + h O2+ O(3P) О3 + O(3P) 2О2+ 392 кДж Стратосферный озон регулирует поток УФ-квантов, задерживая наи более опасную часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм и зна чительно ослабляя излучение в УФ- диапазоне (285–315 нм). Кроме того, экзотермическое разложение озона приводит препятствует выхолажива нию нижней атмосферы за счет конвективного переноса теплоты.

Глобальное распределение общего содержания озона характеризуется пространственно-временной асимметрией. В стратосфере Северного по лушария содержится больше озона, чем Южного. В вертикальном направ лении наибольшие концентрации озона приходятся на высоты от 15 до км с максимумом при 24–27 км над экватором и 13–15 км над полярными областями обоих полушарий. Из внешних факторов, на величину общего содержания озона, более всего влияют вариации солнечной активности. В ходе 11-летнего цикла поток солнечной радиации в УФ-диапазоне сущест венно изменяется, что сказывается на скорости образования озона и увели чении его количества.

В 1985 г. Дж. Фарман и соавт. сообщили о наблюдаемой ими сезонной убыли общего содержания озона над антарктической научной станцией Хали-Бей. Стратосферный озон в циклических процессах может разру шаться активными частицами различных химических компонентов: НО•, NО, Cl•, Вr•. Однако эти источники не создают в стратосфере концентра ций, достаточных для заметного влияния на озоносферу, даже несмотря на высокую эффективность (особенно хлорного) циклов. Внимание было привлечено к хлорфторуглеродам (ХФУ) СFС1з и СF2Сl2 как к источникам хлора для этих реакций.

Впервые ХФУ (хладагенты) были синтезированы в конце XIX в.

Свартсом и запатентованы в начале 1930-х гг. фирмой Дюпон под названи ем фреонов-11 и 12 и производились в больших количествах. ХФУ, инерт ные в условиях тропосферы (время жизни составляет десятилетия), посте пенно переносятся воздушными течениями в верхнюю атмосферу, где под действием излучения с =214 нм разлагаются с образованием радикала хлора СFСl3 +h.СFС1•2 + Сl• СF2С12 + h.СF2Cl• + Сl• и далее включаются в хлорный цикл разрушения озона Cl• + Оз СlO• + О СlO• + O(3P). Сl• + О2.

Скорость взаимодействия радикалов хлора с озоном на три-четыре порядка выше, чем с активным кислородом или пероксидным радикалом.

В результате цепной реакции один атом хлора способен разрушить до тыс. молекул озона. Безопасные для человека они оказались опасными для озонового слоя.

В отношении «озоновой дыры» над Антарктидой в настоящее время сложилось представление о том, что она возникает вследствие уникальных особенностей динамики и физико-химических процессов, отличающих стратосферу Антарктиды от высоких слоев атмосферы в других регионах планеты. Однако разрушение (утончение) озонового слоя стали наблюдать над многими территориями, особенно хорошо развитых промышленных стран. Поэтому обнаружение феномена антарктической "озоновой дыры" решающим образом повлияло на принятие международных соглашений об ограничении и последующем полном прекращении производства, исполь зования и замены ХФУ на хлорфторуглеводороды и фторуглеводороды, с подобными потребительскими свойствами, но не представляющие такой серьезной опасности для озоносферы.

Кислотные дожди Одной из важных экологических проблем, с которой связывают окис ление природной среды считают кислотные дожди. Производственная дея тельность человека не сопровождается прямым выбросом в атмосферу сколько-нибудь значительных количеств кислот. Однако во второй поло вине последнего столетия резко возрос поток в атмосферу газов, высту пающих в качестве прямых предшественников сильных кислот, прежде всего, оксидов серы и азота. Кроме того, увеличилась скорость образова ния радикалов (НО2•, RО2• и др.), являющихся ускорителями естественных процессов окисления. Все это значительно влияет на состояние среды ат мосферы.

«Кислотными» принято называть атмосферные осадки с водородным показателем ниже 5,6 (это рН дождевой воды). Реально водородный пока затель дождевой воды, отобранной в разных районах мира, лежит в преде лах 2 рН 9. Пробы дождевой воды, отобранные в Европейской части в 30-40-х годах имели рН 5,5. В настоящее время в Западной и Центральной Европе обычны дожди с рН 5, причем до 60-65% их кислотности опреде ляется содержанием серной и до 30-35% - азотной кислоты.

В качестве основных предшественников серной кислоты и кислых сульфатов атмосферы рассматриваются выбросы диоксида серы и биоген ная сера в составе диметилсульфоксида (ДМСО), высокие эмиссии по следней наблюдаются при микробиологическом разложении остатков пи щи в мусоронакопителях и, особенно, на свалках бытовых отходов. Здесь же выделяются и другие дурнопахнущие соединения серы: метил-, этил- и пропилмеркаптаны, диметилдисульфид, сероуглерод.

Предшественниками азотной кислоты в атмосфере являются аммиак и оксиды азота(II) и (IV) (NО и NО2). Аммиак образуется главным образом при разложении биогенных азотсодержащих соединений – белков и моче вины. Источником NОx является производство электроэнергии и теплоты, химические предприятия, транспорт, лесные и степные пожары.

Значительный вклад в кислотность атмосферных осадков вносят низ шие карбоновые кислоты, которые появляются в атмосфере почти исклю чительно в результате окисления органических соединений.

Окисление предшественников кислот происходит под действием ра дикальных частиц СНзОО•, НОО• и НО•, которые генерируются в газовой фазе атмосферы на свету SО2 + НО• + Н2О Н2S04 + НО2• NО + НОО• NО2 + НО•.

NО2 + НО• НNО3.

Растворенные в атмосфере воды кислотообразующие компоненты вы падают с каплями дождя. Этот процесс реализуется в случае организации достаточно крупных агрегативных частиц с диаметром более 10 мкм. Дру гой канал стока кислотных компонентов - это сухое осаждение и сухое по глощение подстилающей поверхностью, за счет процессов адсорбции, аб сорбции или хемосорбции. Интенсивность такого стока кислотных компо нентов зависит от конкретных свойств подстилающей поверхности.

В распространении кислотных осадков большую роль играет транс граничный перенос. В процессе перемещения воздушных масс за время переноса около 50 ч происходит постепенное окисление SO2 и NО до SO3 и NО2, которые при обводнении будут давать сильные (серную и азотную) кислоты. При этом рН осадков может составить 4,15. Эти кислые осадки выпадут далеко от источников их предшественников, а в условиях Европы - часто за пределами национальных границ стран, на территории которых происходит выброс этих предшественников.

Экологические последствия кислотных осаждений. Негативные эффекты в окружающей среде, вызываемые кислотными осаждениями и фотооксидантами, заметно переплетаются и взаимно усиливаются. Закис ление атмосферного воздуха приводит к деградация лесных экосистем, ки слотным сдвиги в почвенных ценозах, нарушению равновесия в пресно водных экосистемах, разрушению материалов и строений, в том числе со ставляющих культурное наследие человечества памятников ваяния и зод чества, наконец, это прямое токсическое воздействие на людей. Все это выводит изменение окислительных свойств атмосферы в ряд приоритет ных проблем эколого-химических исследований и природоохранных ме роприятий. Общие потери продукции растениеводства в Западной и Цен тральной Европе за год составляют 1093 тыс. т, а потери лесного хозяйства – 584 тыс. м3 древесины.

РАЗДЕЛ 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОСФЕРЕ 2.1. Физические характеристики мирового океана. Гидрологический режим океаносферы. Химический состав природных вод Под гидросферой Земли понимают прерывистую водную оболочку, образованную совокупностью океанов, морей и поверхностных вод суши (рек, озер, болот). Гидросфера включает также подземные воды, лед, снег высокогорных и полярных районов. Основная часть воды гидросферы (93%) сосредоточена в морях и океанах (океаносфере);

второе место при ходится на долю подземных вод (5%), и около 2% объема гидросферы об разовано льдом и снегом. Поверхностные воды континентов и островов составляют всего 0,03% общего объема гидросферы. Общий объем воды, находящейся в свободном состоянии, оценивается в 1,4 млрд куб м.

Мировой океан – непрерывная водная оболочка Земли, окружающая континенты и острова, занимает около 70,8% земной поверхности. Океа нические воды распределены между полушариями неравномерно: в Север ном они покрывают 66%, а в Южном – 81% поверхности. По географиче ским особенностям Мировой океан делят на четыре части - четыре океана:

Тихий (50% по занимаемой площади), Атлантический (25%), Индийский (21%), Северный Ледовитый океан (4%).

Несмотря на обширную площадь Мирового океана, он остается лишь тонкой пленкой на поверхности Земли. Дно океана фактически не является впадиной, оно выпуклое, а не вогнутое. Чтобы оно было вогнутое, нужны глубины в 800 км и более. То, что мы называем гидросферой, в масштабах Земли представляет собой оболочку, которая на глобусе была бы не толще наклеенной на него бумаги.

Гидрологический режим океаносферы складывается из теплового и водного баланса и общей циркуляции вод. Удельная теплоемкость воды в четыре раза выше теплоемкости воздуха, поэтому океаны служат круп нейшим аккумулятором поступающей к Земле солнечной радиации. Полу чаемая океаносферой энергия частично отражается, а остаток расходуется на испарение (около 80 %), турбулентный обмен с атмосферой и на тепло обмен между поверхностными и глубинными слоями.

Общепланетарная роль турбулентного обмена с атмосферой состоит в сглаживании контрастов климата за счет того, что в низких широтах на континенты поступает относительно холодный воздух, а в высоких широ тах с океанов на сушу приходят более теплые воздушные массы. Средне годовая температура поверхностных вод равна 17,5 °С, но в зависимости от широты составляет от 2,9 до 27 °С.

Подавляющая часть солнечной радиации (около 94%) поглощается верхним слоем воды толщиной всего лишь 1 м, поэтому с глубиной темпе ратура понижается. Наиболее заметное уменьшение температуры происхо дит до глубины примерно 400 м;

в слое 400–1500 м наблюдается менее крутое уменьшение (до 3–7 °С), а ниже 1500 м температура воды почти не изменяется и равна 4 °С. Водный баланс складывается из расхода воды при испарении и поступления ее с осадками и речным стоком.

Океанические воды находятся в непрерывном движении, что связано с различными факторами: вращением Земли и Луны, атмосферной циркуля цией, землетрясениями и извержениями подводных вулканов и т. п. Мас штабы их различны. Так приливные явления охватывают всю массу воды от поверхности до дна;

а, например, ветровые волны затрагивают лишь верхний слой до глубины 50–60 м. Благодаря этим движениям происходит выравнивание гидрологических и гидрохимических характеристик океани ческой воды. В сравнении с атмосферой, круговорот в океаносфере проис ходит гораздо медленнее: время полного перемешивания воды оценивается примерно в 1600 лет.

Химический состав природных вод Морская вода представляет собой сложный комплекс минеральных и органических компонентов и растворенных газов. Химический состав во ды определяется совокупностью геохимических и биологических процес сов.

Солевой состав. Вода поверхностного континентального стока по стоянно привносит в океаны минеральные компоненты. В результате в океане накопилось огромное количество солей – 4,7 107 Гт. Основные из них NaCl, MgCl2, MgSO4, CaSO4, K2SO4, CaCO3., а также элементы Вr, F, В и Sr. По составу минеральных компонентов океанические воды очень одно родны. В открытых частях океанов массовое содержание солей в среднем составляет 34,7 %0 (32,0–37,5 %о). Между основными химическими эле ментами морской воды существует довольно строгая связь, выражающаяся законом Дитмара (1884): в воде открытых районов океана соотношения между главными компонентами основного солевого состава постоянны и не зависят от их абсолютных концентраций.

Растворенные газы. Содержание растворенных газов (определяется законом Генри) в разных частях Мирового океана значительно варьирует, и зависит от деятельности внутренних источников (продукции и потребле ния газов морской биотой), температуры и процессов межфазного распре деления. Концентрации газов, активно участвующих в биотических про цессах (СО2, О2, СH4, Н2S), часто значительно отклоняются от равновес ных.

Диоксид углерода при растворении в воде образует угольную кислоту, содержание которой составляет около 1% от равновесной концентрации СО2. Содержание карбонатных компонентов может быть выражено в виде суммы CО2 = [СО2 + Н2СО3] + [НСО3-] + [СО32-].

Продукты диссоциации и взаимодействия с некоторыми другими компонентами воды создают буферную карбонатную систему со слабоще лочной (рН 7,6-9,0) реакцией.

Источником неорганического углерода для океаносферы служит реч ной сток, приносящий карбонаты и силикаты. Поведение последних зави сит от содержания в морской воде СО2. При достаточно высокой концен трации диоксида углерода карбонаты и силикаты кальция растворяются с образованием гидрокарбонатов СаС03 + С02 + Н20 Са2+ + 2НС03- Са(НС03)2;

СаSi03 + С02+ Н20 Si02+НС03-+Са2++Н0-.

Из приведенных уравнений видно, что Мировой океан может служить буферной системой, регулирующей содержание СО2 в атмосфере.

Метан. Из других соединений углерода в наибольших количествах в морской воде содержится метан. В открытых районах океана поверхност ные воды содержат метан в концентрациях близких (несколько ниже) к равновесным, тогда как во внутренних морях и водах прибрежных районов часто наблюдается превышение равновесных концентраций на 30–80%. На больших глубинах в насыщенных сероводородом водах концентрации ме тана на несколько порядков выше равновесных. Однако в самых верхних горизонтах концентрации падают до значений ниже равновесных, вследст вие биохимического окисления поднимающегося из зоны анаэробного синтеза метана метанотрофными микроорганизмами.

Органическое вещество морской воды. Кроме метана в Мировом океане содержатся переменные количества многих других органических соединений. По своему происхождению они делятся на автохтонные, об разовавшиеся непосредственно в океане, главным образом, в результате биологических процессов, и аллохтонные (от греч. аллос – чужой), посту пающие в океаносферу из других источников, включая антропогенные.

Основным источником органического вещества морской воды служат автотрофные (фото- и хемосинтезирующие) организмы - фитопланктон и некоторые виды бактерий. В совокупности они образуют начальное звено трофической цепи Мирового океана. Общая первичная продукция фито планктона оценивается величиной 44 Гт С/год, что составляет примерно 32% от продукции органического углерода (Сорг) растительным покровом континентов (141,1 Гт С/год). В ходе этого процесса из морской воды из влекаются огромные количества растворенного СО2 и выделяется свобод ный кислород.

Органическое вещество подразделяют на растворенное, содержащееся в составе взвесей и в составе донных отложений. Общее содержание орга нического углерода, накопленного в донных отложениях за время после ледникового периода (голоцена), составляет примерно 2,2•103 Гт. Возвра щение этого углерода в глобальный круговорот может происходить только через многие миллионы лет.

Поверхностные пресные воды в отличие от морской, содержат солей не более 1%. Запасы пресной воды сосредоточены в реках, озерах, в под земных горизонтах и составляют менее 1% от мирового объема вод, при чем 2/3 ее сосредоточено в ледниках Антарктиды, Гренландии, айсбергов и относятся к потенциальным ресурсам. Уникальное хранилище пресной во ды оз. Байкал. Он содержит воды в 11 раз больше, чем во всех реках мира – 23 тыс. куб. км, причем пресную воду самого высокого качества. Озеро образовалось в тектонической впадине, которая продолжает расти.

Пресная вода в природе никогда не бывает химически чистым веще ством. Она универсальный естественный растворитель, поэтому содержит множество других веществ и газов (O2, CO2, N2), катионы Na+, K+, Mg+, Ca+;

анионы Cl-, SO32-, HCO3-), взвешенные частицы.

Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры: в порах, трещинах, пещерах, пустотах и др. Они могут нахо диться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Подземные воды имеют различную температуру, отвечающую температуре ее вместилищ.

Если же она находится вблизи магматических очагов, то при выходе на по верхность Земли представляет собой горячие источники и гейзеры. Прохо дя сквозь горные минеральные породы, вода частично их растворяет, в ре зультате чего содержание минеральных веществ (солей калия, натрия, же леза и др.) и газов (сероводорода, углекислого газа) в таких водах значи тельно повышается. Многие из таких минеральных вод используются как лечебные.

2.2. Антропогенное загрязнение вод мирового океана. Трансфор мация и опасность загрязнителей в гидросфере Антропогенное загрязнение вод мирового океана. В водные экоси стемы поступают загрязняющие вещества как природного, так и антропо генного происхождения. Загрязняющие вещества природного происхожде ния поступают из почв и горных пород в результате микробиологического выщелачивания минералов с паводковыми и дождевыми водами, а также при осаждении из атмосферы пылевых частиц и аэрозолей. Значительный вклад в загрязнение водных экосистем вносит деятельность человека. Ос новной причиной современной деградации природных вод Земли является антропогенное загрязнение. Его источниками служат:

– сточные воды промышленных предприятий (предприятия энергети ки, горнодобывающая и перерабатывающая химическая промышленность);

– сточные воды коммунального хозяйства городов и населенных пунктов (они составляют 20% стоков);

– стоки систем орошения, поверхностные стоки с с/х полей;

– атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов, ливневые стоки, которые приносят техногенные терраполлютанты.

В поверхностных водах континентов обнаружены многие тысячи ор ганических соединений. Часть из них относится к категории автохтонных, появляющихся в воде в результате естественных биологических процессов.

Эти вещества легко подвергаются биодеградации;

их присутствие не ухудшает качества вод и не представляет опасности для живых организ мов, гидробионтов и обитателей суши. Однако огромное множество орга нических компонентов поверхностных вод относится к числу загрязняю щих.

Органические соединения аллохтонного происхождения составляют группу приоритетных токсикантов. Около 60% приоритетных загрязняю щих компонентов относится к хлор- и бромсодержащим соединениям. Они отличаются высокой персистентностью и липофильностью, поэтому про исходит их накопление в водных экосистемах и биоаккумулирование. В воде рек густонаселенных районов постоянными примесями сейчас явля ются нефтепродукты, алкилфенолы, жирные кислоты и их эфиры, эфиры фталевой кислоты и диэтиловые эфиры двухосновных алифатических кар боновых кислот (пластификаторы и стабилизаторы пластмасс и резиновых изделий). Токсичность некоторых органических примесей проявляется по разному в зависимости от содержания в воде гумусовых соединений, кото рые образуют ассоциаты с этими соединениями и содержание в воде сво бодно растворенных ПАУ уменьшается.

Кроме химического загрязнения водоемов определенное значение имеют также механическое, термическое и биологическое загрязнения. Та ким образом, антропогенное загрязнение гидросферы приобрело в настоя щее время глобальный характер и существенно уменьшило доступные экс плуатационные ресурсы пресной воды на планете.

Биосфера защищает свое естественное состояние за счет глобального круговорота воды – испарения – конденсации – выпадения осадков. В про цессе круговорота происходит очистка воды.

Поведение загрязняющих веществ в водной среде и химические процессы в природных водах. В условиях активной антропогенной дея тельности загрязнение природных вод тяжелыми металлами стало особой проблемой.

В эту группу «тяжелых металлов» кроме свинца, ртути и кадмия сей час включают и другие элементы: серебро, олово, сурьма, барий, талий, алюминий, мышьяк и др., которые токсичны во всех своих формах в ще лочных, кислых, и нейтральных растворах.

Химические реакции в гидросфере. Наиболее важными химически ми процессами, протекающими в водной среде с металлами являются:

окиcление, восстановление, гидролиз и комплексообразование.

Окисление. В окислении и восстановлении лидирующая роль в водных экосистемах принадлежит энзиматическим реакциям, протекающим в клетках водных микроорганизмов (микробиозонтоса). В условиях нор мального содержания кислорода в воде металлы окисляются до макси мальной степени окисления, которые последние плохо растворимы в воде и могут выпадать в осадок, снижая, таким образом, токсичность и загряз ненность воды. В отсутствии кислорода протекают биохимические про цессы, которые снижают окислительный потенциал системы и протекает обратная реакция, в результате чего резко возрастает токсичность вод.

Гидролиз. Растворение солей металлов чаще всего сопровождается гидролизом. Это химическое взаимодействие ионов соли с ионами водоро да или гидроксилами воды, что приводит к сдвигу химического равновесия – изменению концентрации ионов.

Комплексообразование. Гидролитические процессы приводят к обра зованию моно- и полиядерных гидроксокомплексов типа [Ме(ОН)]+, [Ме(ОН)2], [Ме2ОН)]3+, [Ме2(OH6]2-. Лигандами в комплексах могут быть не только анионы гидроксила, но и молекулы воды [Ме(H2О)6]2+ или дру гие доступные в данной среде анионы [Ме(НСО3)+, [Ме(СО3)], [Ме(H2O)5Cl]+. Интенсивность этих процессов связывания ионов металлов зависит от общей концентрации атомов металлов в воде, рН среды и кон курирующих процессов. Это процесс приводит к увеличению растворимо сти металлов.

В качестве комплексообразователей могут выступать растворенные в воде органические соединения - гуминовые и фульвокислоты, аминокис лоты и белковоподобные вещества и углеводы. Ионы металлов могут быть включены в состав неорганических полифункциональных сорбентов – взвесей и коллоидов.

В результате ряда химических и микробиологических процессов ртуть, свинец, олово, сурьма, мышьяк, селен в водных экосистемах под вергаются полному или частичному метилированию. В частности, двухва лентные ионы ртути превращаются в ионы метилртути СН3Hg и в гидро фобную и летучую диметилртуть (СH3)2Hg. Из-за способности легко пре одолевать различные физиологические барьеры (плацентарный, гемато энцефалический и другие гистогематические барьеры), эти формы ртути наиболее опасны для животных.

Эвтрофирование водных экосистем Несмотря на остроту проблемы загрязнения поверхностных вод хими ческими соединениями-токсикантами, основную угрозу для водных экоси стем несет все же антропогенное эвтрофирование. Обычно выделяют три трофических состояния: олиготрофное, трофное и эвтрофное. В этой по следовательности отражается увеличение содержания в экосистеме био генных элементов и повышение биопродуктивности. Даже естественное эвтрофирование со временем неизбежно приводит к гибели водоема. Од нако этот процесс может занимать десятки тысяч лет и более. Хозяйствен ная деятельность резко ускоряет процесс. Связано это с накоплением в водных экосистемах биогенных элементов – азота, фосфора, серы, железа, калия, кремния и др. Решающую роль в эвтрофировании играет, очевидно, фосфор, главными доступными для водных растений его формами этого стали полифосфатные ионы, например трифосфаты (РзО105-), одним из ис точников которых являются синтетические моющие средства. Последстви ем эвтрофирования водоемов является возникновение анаэробных зон (за моры), «цветение» воды, исчезновение многих биологических видов, включая ценных промысловых рыб.

РАЗДЕЛ III. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЕДОСФЕРЕ 3.1. Строение, химический состав земной коры и процессы ее трансформации Самая верхняя из твердых оболочек нашей планеты носит название земной коры;

вместе с верхней мантией она образует литосферу. Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, слагается в основном из восьми химических элементов: кислорода, железа, кремния, магния, алю миния, кальция, натрия, калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанных состояниях, в основном в виде оксидов металлов. В земной коре обнаружено около трех тысяч видов минералов, однако, примерно на 90% ее масса состоит из силикатов и алюмосиликатов. Для характеристики распространенности химических элементов в земной коре используют понятие кларка – среднего значения относительного содержания химических элементов.

Различия в кларках химических элементов очень велики. Условно элементы делят на две группы: главные, с содержанием не менее 0,1% (са мостоятельные химические соединения – минералы) и рассеянные – менее 0,1%. Особенность распределения рассеянных элементов в земной коре за ключается в их способности образовывать скопления (месторождения), в которых их содержания в сотни и тысячи раз превышают кларковые.

Среднее содержание рассеянного химического элемента в данном ре гионе формирует его геохимический фон. Участки с повышенной, по срав нению с региональной, концентрацией элемента называют геохимическими аномалиями. Часто они связаны с залежами руд, окруженными ореолами рассеяния, как главных рудообразующих элементов, так и элементов спутников.

Важной составляющей литосферы являются подземные воды. Вода присутствует в земной толще как в свободном виде, так и в связанной форме, а также в различных агрегатных состояниях: в виде паров, жидко сти и льда. Подземные воды представляют собой сложную физико химическую систему, находящуюся в динамическом равновесии с вме щающими породами.

Основной объем подземной гидросферы приходится на долю соленых (минерализация до 35 г/л) и рассольных хлоридных вод (до 500–600 г/л), а также солоноватых вод (до 10 г/л). Среди них различают гидрокарбонат ные, сульфатные и хлоридные воды.

По мере увеличения глубины залегания в подземных водах увеличи вается концентрация газов глубинного генезиса (СО2, Не, СН4 и др.). В ли тосфере Земли кроме растворенных в подземных водах содержатся боль шие количества других газообразных компонентов. Это свободные газы микротрещин и пор, а так же сорбированные минералами и горными поро дами С02, СН4, N20, Н2, НС1, HF, Н2S.

Процессы трансформации земной коры под действием внешних и внутренних факторов Земная кора постоянно подвергается воздействиям как внутреннего (эндогенного), так и внешнего (экзогенного) характера. Движущей силой эндогенных процессов является внутренняя энергия Земли, под действием которой происходит перемещение огромных масс вещества, фазовые пере ходы, циркуляция тепловых потоков и электрических токов. Глубинные эндогенные процессы определяют, в частности, тектонику земной коры вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных ее участков и блоков. Внешние, экзогенные факторы, воздействующие на земную кору, - это лунно-суточные приливные движения, проявляющиеся в изменении уровня подземных вод;

это взаимодействие с ионосферой Земли, индуци рующее электрические токи в глубинных слоях планеты;

это процессы вы ветривания горных пород, изменение рельефа реками, движущимися лед никами и т. д.

Поверхность континентов покрыта продуктами гипергенеза горных пород. Это минералы глин – каолинит, монтмориллонит, метагалаузит, гидрослюды. Эта внешняя оболочка литосферы суши мощностью от де сятков сантиметров до десятков и даже сотен метров служит главным ис точником рассеянных химических элементов, циркулирующих в биосфере.

Такое преобразование сопровождалось высвобождением (выщелачивани ем) рассеянных химических элементов и их переходом в гидросферу.

Химическое выщелачивание обусловлено тем, что стекающие со склонов вулканов и содержащие минеральные кислоты (H2SO4, НСl, HF) воды уносят с собою большие количества рассеянных элементов. Замет ную роль в разрушении некоторых типов минералов на дневной поверхно сти играют фотохимические процессы: минералы многих тяжелых метал лов образованы их сульфидами, являющимися полупроводниками n-типа, которые легко подвергаются разрушению под действием солнечного света.

Под действием света на поверхности таких минералов возникают носители зарядов - фотоэлектроны и дырки. Фотохимическое разрушение сульфидов может быть описано в общем виде следующими реакциями МеS + hMeS((е-, h+) МеS + 2h+* Ме2 + S° МеS + 2е- Ме° + S2-.

Биологическое выщелачивание рассеянных элементов и включение их в миграционные процессы происходит при активном участии живых ор ганизмов. Более других древесные растения, извлекают с помощью корне вой системы из глубин рудные элементы, включая тяжелые металлы. По следующее разложение лиственного опада и мертвой древесины приводит к обогащению поверхностного слоя почвы этими элементами. Следова тельно, можно говорить о функционировании своеобразного геохимиче ского, а точнее биогеохимического насоса, благодаря которому на поверх ности зачастую образуются геохимические аномалии. Кроме того, в ре зультате разложения растительного опада образуются водорастворимые кислые метаболиты и гумусовые кислоты, которые легко выщелачивают слабосорбированные на дефектах кристаллов элементы, разрушают раз личные минералы, растворяют различные соли. Их способность растворять сульфиды тяжелых металлов изменяется в ряду Ni Zn Cu Со Mn.

Иной порядок изменения растворимости в присутствии гумусовых соеди нений карбонатов этих же металлов: Mn Cu Zn Ni Co.

Микробиологическое выщелачивание. Скорость его примерно в раз превышает скорость химического разрушения минералов и горных по род. Этот процесс осуществляется высокоспециализированными тионовы ми бактериями рода Thiobacillus, которые, используя в качестве источника энергии реакцию окисления серы, разрушая железосодержащие сульфид ные минералы (пирит Fe2S, халькопирит CuFeS2, арсенопирит FeAsS).

Антропогенные факторы. Мощным экзогенным фактором, воздей ствующим на земную кору, стала в настоящее время деятельность челове ка, связанная с добычей полезных ископаемых (нефти, газа, угля, руд) и воды для питьевого водоснабжения. Следствием этого являются индуци рованные землетрясения с магнитудой до 7–8 баллов. Образование депрес сионных воронок наблюдается под крупными городами как в результате увеличения механической нагрузки на подстилающие породы, так и вслед ствие интенсивного использования подземных вод для нужд населения и промышленных предприятий. Особенно сильное влияние на геодинамиче ские и гидрологические процессы оказывают подземные ядерные взрывы.

Планетарный почвенный покров В наибольшей степени человеческая деятельность влияет на состоя ние самого верхнего горизонта твердой Земли - ее педосферы (почвенный покров). Почва рассматривается как особое природное тело, играющее ключевую роль в глобальных биогеохимических процессах. По отноше нию к литосфере она служит защитным слоем, замедляющим эрозию. С другой стороны, в ней наиболее активно происходит изменение минерало гического и гранулометрического состава подстилающих горных пород.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.