Ответы на вопросы: Ответы физико-химические процессы в техносфере

Ответы физико-химические процессы в техносфере

Ответы на вопросы «Ф.Х.процессы в техносфере»

1. Тепловой баланс системы «поверхность Земли – атмосфера». Отражение, поглощение, собственное излучение земной поверхности и атмосферы.

Тепловой баланс Земли, соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе Земля - атмосфера. Основным источником энергии для подавляющего большинства физических, химических и биологических процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является солнечная радиация, поэтому распределение и соотношение составляющих Т. б. характеризуют её преобразования в этих оболочках.

Т. б. представляют собой частные формулировки закона сохранения энергии и составляются для участка поверхности Земли (Т. б. земной поверхности); для вертикального столба, проходящего через атмосферу (Т. б. атмосферы); для такого же столба, проходящего через атмосферу и верхние слои литосферы или гидросферу (Т. б. системы Земля - атмосфера).

Уравнение Т. б. земной поверхности: R + P + F₀ + LE =0 представляет собой алгебраическую сумму потоков энергии между элементом земной поверхности и окружающим пространством. В число этих потоков входит радиационный баланс (или остаточная радиация) R - разность между поглощённой коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением с земной поверхности. Положительная или отрицательная величина радиационного баланса компенсируется несколькими потоками тепла. Так как температура земной поверхности обычно не равна температуре воздуха, то между подстилающей поверхностью и атмосферой возникает поток тепла Р. Аналогичный поток тепла F₀ наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы или гидросферы. При этом поток тепла в почве определяется молекулярной теплопроводностью, тогда как в водоёмах теплообмен, как правило, имеет в большей или меньшей степени турбулентный характер. Поток тепла F₀ между поверхностью водоёма и его более глубокими слоями численно равен изменению теплосодержания водоёма за данный интервал времени и переносу тепла течениями в водоёме. Существенное значение в Т. б. земной поверхности обычно имеет расход тепла на испарение LE, который определяется как произведение массы испарившейся воды Е на теплоту испарения L. Величина LE зависит от увлажнения земной поверхности, её температуры, влажности воздуха и интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое воздуха, которая определяет скорость переноса водяного пара от земной поверхности в атмосферу.

Уравнение Т. б. атмосферы имеет вид: R_a + L_r + P + F_a = DW.
Т. б. атмосферы слагается из её радиационного баланса R_a; прихода или расхода тепла L_r при фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г - сумма осадков); прихода или расхода тепла Р, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; прихода или расхода тепла F_a, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, который связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение T. б. атмосферы входит член DW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба.

Уравнение Т. б. системы Земля - атмосфера соответствует алгебраической сумме членов уравнений Т. б. земной поверхности и атмосферы. Составляющие Т. б. земной поверхности и атмосферы для различных районов земного шара определяются путём метеорологических наблюдений (на актинометрических станциях, на специальных станциях Т. б., на метеорологических спутниках Земли) или путём климатологических расчётов.

2. Критические элементы Баланса, определяющие среднюю температуру поверхности Земли. Роль альбедо атмосферы и земной поверхности. Изменение альбедо вследствие аэрозольных загрязнений.

Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в А., является солнечная радиация. Главная особенность радиационного режима А. — т. н. парниковый эффект: А. слабо поглощает коротковолновую солнечную радиацию (большая её часть достигает  земной   поверхности ), но задерживает длинноволновое (целиком инфракрасное) тепловое излучение  земной   поверхности , что значительно уменьшает теплоотдачу  Земли  в космическое пространство  и  повышает её  температуру .

Приходящая в А. солнечная радиация частично поглощается в А. главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном  и  аэрозолями  и  рассеивается на частицах аэрозоля  и  на флуктуациях плотности А.  Вследствие  рассеяния лучистой энергии Солнца в А. наблюдается не только прямая солнечная, но  и  рассеянная радиация, в совокупности они составляют суммарную радиацию. Достигая  земной   поверхности , суммарная радиация частично отражается от неё. Величина отражённой радиации определяется отражательной способностью подстилающей  поверхности , т. н.  альбедо (Альбе́до (лат. albus — белый) — характеристика отражательной (рассеивающей) способности поверхности. Например: Нормальное альбедо чистого снега составляет ~0,9, древесного угля ~0,04.).За счёт поглощённой радиации  земная   поверхность  нагревается  и  становится источником собственного длинноволнового излучения, направленного к А.(см.рис.)

Непоглощающий  аэрозоль  увеличивает  альбедо  атмосферы  и,  следовательно  уменьшает   количество  солнечной  радиации,  достигающей  поверхности  Земли. Если  аэрозоль  поглощает  в  коротковолновой  области  спектра,  то поглощенная  энергия  солнечного  излучения  передается  атмосфере.  Это приводит  к  нагреванию  атмосферы  и  охлаждению  подстилающей  поверхности.

Если  аэрозоль  поглощает  и  соответственно  испускает  энергию  в инфракрасной  области  спектра,  то  это  приводит  к  противоположному результату,  т.  е.  энергия  выводится  из   тропосферы ,  что  приводит  к охлаждению  воздуха  и  усилению  парникового  эффекта  у  поверхности  Земли. Общий  эффект  зависит  от  соотношения  коэффициентов  поглощения  в  видимой и  инфракрасной  области,  а  также  от  альбедо  поверхности.  Изменение радиационных  потоков  в  аэрозольной  атмосфере  приводит  к  изменению  ее температурной  стратификации,  а  также  к  изменению  температуры  земной поверхности.

Влияние  аэрозоля  на  климат  наиболее  ощутимо  в  промышленных  районах  вследствие   того,  что  воздействие  его  на  радиационные  потоки   приводит к  нагреванию  атмосферы  и   стабилизации   конвективных  процессов, что приводит к  усилению температурных  инверсий  и  тем  самым  к  накоплению  промышленного  выброса.

3. Общие сведения о фотохимии загрязнителей. Окисление оксидов азота озоном в присутствии углеводородов. Фотохимический или «летний» смог.

Для фотохимических реакций требуется световая энергия. Некоторые загрязнители атмосферы - окислы азота и углеводороды - вступают в фотохимические реакции. В результате образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Эти новые загрязнители в сумме определяют фотохимическое загрязнение воздуха, поскольку они появляются в результате фотохимических реакций. Сжигание ископаемых видов топлива в двигателях и топках создает такое интенсивное нагревание, что из обычных природных компонентов воздуха - азота и кислорода - образуются загрязнители атмосферы - окислы азота. Они возникают при высоких температурах. развивающихся в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, используемых, например, в автомобилях. Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления в цилиндрах двигателя. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их воздухом оксид азота превращается в диоксид и т.д. Эта же реакция происходит в топках, установленных на тепловых электростанциях. Большая часть данных о влиянии окислов азота на здоровье относится к двуокиси азота. Оксид азота NO - бесцветный газ, диоксид азота NO2 - газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. 4NO2+2H2O+O2 = 4HNO3. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 cпособствует развитию заболеваний легких Исходно двуокись азота составляет лишь 10% выбросов всех окислов азота в атмосферу; однако в ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе значительная часть окиси азота превращается в двуокись азота - гораздо более опасное соединение. Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога.

   К фотохимическим процессам относятся процессы образования пероксиацетилниратов (ПАН).

Так как бензин представляет собой смесь жидких углеводородов (пентана, гексана, гептана, октана, нонана, декана) с температурами кипения 20—180°С, а дизельное топливо — углеводородов с длиной цепи от С13 до С25, температуры кипения которых лежат в интервале 220—370°С,то теоретически при сгорании и того и другого топлива в присутствии кислорода должны образовываться лишь диоксид углерода и вода: C_nH_2n+2 + O₂ = CO₂ + H₂O, где n составляет 5—10 для бензинов и 13—25 для дизельного топлива. В действительности же продуктов сгорания в выхлопных газах гораздо больше. Причина этого — неравновесные условия горения топлива, присутствие в нем разных примесей (в том числе органических производных азота и серы), остающихся при перегонке нефти, а также добавление в качестве антидетонатора тетраметил- и тетраэтилсвинца.

При окислении углеводородов и дальнейшем взаимодействии с диоксидом азота образуется пероксиацетилнитрат , вызывающий, как и озон, слезотечение и раздражение дыхательных путей:

RH + OH + O₂ = RO₂ + H₂O

RO₂ + NO₂ = RO₂NO₂, где R = CH₃CO. Это известный в литературе фотохимический (или лос-анджелесский) смог. Кислый (лондонский) смог обусловлен взаимодействием оксидов азота и серы с влагой воздуха: NO₂ + OH = HNO₃   и    SO₂ + H₂O + 1/2 O₂ = H₂SO₄.

Оксиды азота и серы — это источник кислотных дождей. Попадая в почву, они вымывают соединения магния, калия и кальция, в результате растения не получают эти вещества в достаточном для фотосинтеза количестве и листья желтеют. Раньше других от такого голода страдают хвойные. Ослабленные деревья становятся чувствительнее к резким колебаниям температуры, подвергаются болезням, на них нападают насекомые-вредители.

4. Воздействие загрязняющих веществ на объекты техносферы. Воздействие оксидов серы, оксидов азота, озона, кислот, аэрозолей и других загрязняющих веществ на строительные и конструкционные материалы, памятники культуры.

Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. Ежегодно в атмосферу поступают сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенопроизводных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт.

Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. Попадая на поверхность биологических объектов, строительных конструкций и других предметов, загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов.

Кислотный дождь может также причинять вред металлам, различным зданиям и памятникам. В первую очередь подвержены опасности памятники, построенные из песчаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры. В Италии, Греции и других странах сохранявшиеся на протяжении сотен и тысяч лет памятники старины и различные предметы за последние десятилетия сильно разрушились в результате действия выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ.

5. Влияние кислотных дождей на объекты гидросферы. Буферная емкость естественных водоемов. Диаграммы динамики pH водоемов с ложами, образованными вулканическими и осадочными горными породами.

Закисление прёсных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. На значительных территориях при повышении определенных значений кислотности осадков поверхностные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способность нейтрализовать кислоты, то значение рН может снизиться на 1, 5, а в крайних случаях — даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под действием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смываемых с территории водного бассейна.

Особенно интенсивно происходит закисление озер в Скандинавских странах и в Канаде. Большинство скандинавских озер имеют гранитное или бедное известняками ложе. Такие озера обладают гораздо меньшей способностью к нейтрализации кислот, чем озера, расположенные на территориях, богатых известняком. Это связано с тем, что из известняковых почв выделяется ион гидрокарбоната, который обеспечивает щелочную среду и, следовательно, способность к нейтрализации кислот. Например, рН воды в оз. Балатон (Венгрия) больше 8. Поскольку в химии атмосферы для нейтральной среды принято значение рН = 5,6, то воду этого озера следует отнести к щелочной.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз.

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.

2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната.Значение рН тогда падает ниже 5,5. Наиболее чувствительные виды живых организмов начинают погибать уже при рН = 6, 5

3. При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают гибнуть уже при зачениях рН <6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни.

    Буферная емкость естественных водоемов. 1) способность природной воды (водоёма ) сохранять активную реакцию среды (pH) при действии кислот и щелочей; 2) способность воды к самоочищению от загрязнителей.  Буферная   ёмкость  природных вод зависит, в основном, от видового разнообразия и нормального функционирования (гомеостаза) водной экосистемы.