Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Химических загрязняющих веществ в биосфере




Лекция 4. Общие закономерности распределения

Возникновение геосфер – концентрически расположенных слоев, различающихся по химическому составу и агрегатному состоянию, – связано с дифференциацией вещества при формировании и в ходе последующей эволюции нашей планеты. С географических позиций выделяют внутренние и внешние геосферы. В число первых входят земная кора, мантия и ядро, заключающие в себе почти всю массу планеты. Некоторые общие характеристики геосфер приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Строение Земли и некоторые характеристики геосфер

Геосфера Расстояние нижней границы от поверхности Земли на уровне моря, км Объем, 1018 м3 Масса, 109 Гт Доля массы геосферы от массы планеты, %
Атмосфера (до высоты 2000 км)     0,005 10-6
Гидросфера 11,02 1,4 1,4 0,02
Земная кора 5–70 10,2 28,5 0,48
Мантия до 2900 896,6   67,2
Ядро   175,2   32,3

Вся область распространения жизни: нижняя атмосфера до высот примерно 6-7 км, вся толща гидросферы, самый верхний слой земной коры с подземными водами, – а также области геосфер, в той или иной степени преобразованные деятельностью биоты в предшествующие периоды, называется биосферой. Таким образом, биосфера объединяет живые организмы и всю среду их современного (и былого) обитания.

Каждая из планетарных оболочек является сложной с точки зрения химии и динамической системой, характеризующейся как внутренними, так и внешними (межгеосферными) взаимодействиями. К числу последних относится, например, обмен газами между атмосферой и гидросферой, атмосферой и биотой. Относительно недавно выяснилась решающая роль живых организмов в функционировании уникальных по своим масштабам и сбалансированности биогеохимических циклов.

В условиях постоянного притока солнечной радиации благодаря биоте происходит непрерывное движение биофильных элементов (С, N, Н, О, S, Р, Са, Fe) через состояния с высоким химическим потенциалом, когда эти элементы входят в состав живых тканей, к состояниям с низкими уровнями энергии – по мере разложения тканей. Таким образом, возникает своеобразный, интерактивный по своей природе планетарный метаболизм – совокупность взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов. Именно такая совокупность процессов определяет химический состав атмосферы, гидросферы и земной поверхности и, в конечном счете, все характеристики окружающей природной среды, делающие ее пригодной для существования современных нам форм жизни на планете. К числу таких характеристик относятся, прежде всего, радиационный режим и климат Земли.

Познание механизма «планетарного метаболизма», количественная оценка динамики глобальных биогеохимических циклов и характеристика их устойчивости по отношению к внешним воздействиям (прежде всего, антропогенным) относятся к наиважнейшим задачам современного естествознания, в том числе экологической химии. При этом важно отметить, что распознание тех или иных негативных изменений возможно лишь в случае достаточно хорошего знания «фоновых» («нормальных») характеристик геосфер и циклов элементов.

Атмосфера. Состав атмосферы приведен в табл. 4.2. Отличительной чертой атмосферы является высокая подвижность. Время вертикального перемешивания в слое толщиной 11 км – около 2,5 месяцев. Еще одна важная характеристика атмосферы – это постоянство состава главных компонентов и чрезвычайно высокая изменчивость множества малых примесей воздуха.

Таблица 4.2 Состав атмосферы

Компонент Объемная доля, % Компонент Объемная доля, %
Азот 78,084 Аммиак <10-4
Кислород 20,948 Оксид азота (II) <10-4
Аргон 3,65×10–2 Оксид азота (I) 3,04×10–5
Диоксид углерода 1,818×10–3 Ксенон 8,7×10–6
Неон 1,818×10–3 Диоксид серы <7×10–6
Гелий 1,72×10–4 Озон <2×10–6(зимой)
Метан 1,14×10–4   <120×10–6(летом)
Криптон 1,14×10–4 Оксид азота(IV) <2×10–6
Водород 5×10–5 Оксид углерода (5–8) 10–6

Рис. 4.1. Вертикальное распределение температуры и давления в атмосфере

Термическое строение атмосферы представлено на рис. 4.1. Как видно, отдельные слои выделяют на основании хода температуры, неоднократно изменяющего свой знак с высотой во всей толще атмосферы; давление монотонно и равномерно уменьшается с высотой.

Некоторые характеристики этих зон приведены в табл. 4.3. Следует отметить, что границы отдельных слоев, разделяемых узкими переходными зонами, называемыми паузами, строго не фиксируются. Их положение зависит главным образом от экзогенного (внешнего) фактора - активности Солнца и уровня поступающей от него радиации. Высота тропопаузы меняется примерно от 8 км над полюсами до 16-18 км над экватором.

Таблица 4.3. Основные зоны атмосферы

Зона Нижняя и верхняя границы, км над уровнем моря Температурный градиент, К/км Температура, °С
Нижняя граница Верхняя граница
Тропосфера 0-(8-18) -6,45   -56
Стратосфера (8-18)-(50-55) +1,38 -56 -2
Мезосфера (50-55)-(80-85) -2,56 -2 -90
Термосфера (80-85)-1000 +3,13 -92  

Солнечная радиация и вертикальная структура атмосферы. Источником почти всей энергии на Земле служит Солнце. Солнечная постоянная – полный поток радиации, поступающий за 1 мин на 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, за пределами атмосферы, – равна 8,2 Дж/(см2×мин).

Максимальная интенсивность приходится на длину волны 470 нм, т.е. на видимую часть спектра (рис. 4.2). Земная атмосфера прозрачна преимущественно в УФ-видимом диапазоне.

Рис. 4.2. Интенсивность солнечного излучения за пределами атмосферы (1) и на уровне моря (2) в зависимости от длины волны радиации. Заштрихованы участки, соответствующие линиям поглощения указанных компонентов

Водяные пары являются одним из основных поглотителей теплового излучения как Солнца, так и земной поверхности. Эта малая и переменная по количеству (от 3 до 2×10–5%) составляющая поглощения оказывает решающее влияние на термический режим тропосферы.

Тепловой режим стратосферы определяется в основном содержанием в ней другого переменного компонента – озона. Коротковолновое УФ-излучение Солнца, поглощаемое в процессах, трансформируется в тепловую энергию, выделяющуюся в реакциях. Озон присутствует во всей толще стратосферы, однако наибольшие его концентрации, в зависимости от сезона и географической широты, приходятся на высоты 20-40 км, причем благодаря большому коэффициенту поглощения в УФ-области (максимум при 255 нм) практически полностью поглощает излучение в диапазоне волн 210-290 нм. По абсолютной величине количество озона очень невелико – на высоте от 25 до 30 км его объемная доля составляет около 10 млн–1 (в тропосфере около 0,04 млн–1).

Выделение тепловой энергии при разрушении озона приводит к изменению знака высотного градиента, называемому температурной инверсией. В мезосфере концентрации озона и паров воды ничтожны, поэтому температура в ней ниже, чем в тропосфере и стратосфере. Рост температуры в термосфере связан с поглощением жесткой составляющей (длина волны менее 120 нм) солнечной радиации молекулами O2 и N2. Инверсия температуры в термосфере, так же как и в стратосфере, препятствует развитию конвективных потоков и, следовательно, выхолаживанию этих слоев атмосферы.

Тепловой баланс атмосферы и подстилающей ее поверхности. На рис. 4.3 представлена обобщенная схема теплового баланса и показаны потоки радиации между атмосферой и подстилающей ее поверхностью.

Рис. 4.3. Термический баланс атмосферы и земной поверхности. Потоки радиации приведены в ккал/(см2×год)

Из 1050 ккал энергии, поступающей ежегодно на единицу площади
(1 см2) на верхней границе атмосферы, 275 ккал отражается облаками и 75 ккал – подстилающей поверхностью (главным образом ледяными шапками континентов и плавающими льдами). В самой атмосфере молекулами различных газов и частицами аэрозолей поглощается энергия, эквивалентная 250 ккал.

Значительная часть коротковолновой радиации [450 ккал/(см2×год)] достигает подстилающей поверхности и поглощается ею. Выделившаяся в результате этого энергия переизлучается в атмосферу в форме более длинноволновой ИК-радиации, а также расходуется на испарение воды и конвективное движение масс воздуха. На долю последних процессов в годовом исчислении приходится в сумме 300 ккал энергии.

Вся она в конечном счете идет на разогрев атмосферы, поскольку затраченная на испарение воды теплота выделяется при конденсации. Таким образом, приходная часть теплового баланса атмосферы включает [в ккал/ (см2×год)]:

Коротковолновое излучение Солнца 250

Конденсация воды 220

Конвекция 80

ИК-излучение подстилающей поверхности 1075

Итого: 1625

Расходная часть баланса состоит из рассеиваемой в космосе радиации самой атмосферы (625 ккал) и переизлучаемой в направлении подстилающей поверхности энергии (1000 ккал). В сумме это составляет 1625 ккал/ (см2×год). Как видно из рис. 4.3, более 2/3 из 1450 ккал/см2, поглощаемых ежегодно подстилающей поверхностью, поступает из атмосферы. Другими словами, главным источником теплоты для земной поверхности служит атмосфера.

Тропосфера настолько хорошо перемешивается ветрами и воздушными течениями, что за исключением временных локальных изменений концентрации она в основном гомогенна, что справедливо также и для элементного состава стратосферы (до 50 км) и всей атмосферы в целом. Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем внутри этих слоев атмосферы из-за наличия промежуточного слоя тропопаузы. Время жизни аэрозолей составляет, например, в тропосфере от нескольких дней до месяцев, а в стратосфере – годы.

В то время как в тропиках тропосфера содержит около 4% воды по массе, в стратосфере концентрация воды составляет лишь 3 млн–1.

Уже по этой весьма упрощенной картине структуры и реакций в атмосфере можно представить себе определенные возможности ее долгосрочных изменений. Изменения солнечной активности (с периодами
11 лет и 250 млн. лет), космическое излучение (91% протонов, 8% ядер гелия, остальное – самые разнообразные атомные частицы) и вулканическая пыль (до высоты 120 км) влияют не только на процессы в нижних слоях атмосферы. В настоящий момент едва ли можно оценить, какое долгосрочное влияние оказывают эти воздействия на состояние земли.

Гидросфера – водная оболочка Земли (включая подземные воды, воду атмосферы и живых организмов). Важнейшее свойство гидросферы – единство всех видов природных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое проявляется в процессе круговорота воды в природе. Движущими силами этого глобального процесса служат поступающая на поверхность Земли тепловая энергия Солнца и сила тяжести, обеспечивающие перемещение и возобновление природных вод всех видов.

Под воздействием тепловой энергии Солнца с поверхности Мирового океана и континентов ежегодно испаряются 577 км3 воды (слой 1130 мм), перемещаемой вместе с воздушными массами. Часть воды возвращается в Мировой океан в виде выпадающих атмосферных осадков, формирующих звено малого круговорота воды в природе. Другая часть также в виде атмосферных осадков перемещается воздушными течениями на континенты, образуя звено большого круговорота воды в природе, в котором участвуют, испарение с поверхности суши и атмосферные осадки, а также речной сток, частично возвращающийся в Мировой океан. Большой и малый круговорот воды в природе обеспечивают единство всех видов воды в гидросфере. Большую часть поверхности суши (около 78%) составляют периферийные области, сообщающиеся с Мировым океаном, а 22% приходится на долю областей внутреннего замкнутого стока, влага которых попадает в Мировой океан в общем, потоке атмосферного водяного пара.

Испарение с поверхности Мирового океана и с земной поверхности является начальным звеном круговорота воды в природе, обеспечивающим не только возобновление наиболее ценного его компонента — пресных вод суши, но и их высокое качество.

Морская вода, так же как и все природные воды, представляет собой раствор, содержащий некоторое количество неорганических и органических веществ. Содержание основных ионов в морской воде, как отмечалось, характеризуется данными табл. 4.4.

Таблица 4.4 Содержание основных ионов в морской воде, % масс.

Cl Na+ SO42– Mg2+ Ca2+ K+ CO32– Br
55,2 30,6 7,7 3,8 1,2 1,1 0,2 0,2

Все остальные ионы, в т.ч. золото, серебро, медь, фосфор, йод и др., составляют меньше 0,1% общего количества веществ, растворенных в воде. Наличие в морской воде солей натрия придает ей соленый, магния – горький вкус.

Состав морской воды резко отличается от состава речных вод (табл. 4.5). В морской воде преобладают хлориды, довольно много сульфатов и очень мало карбонатов. В речной воде хлориды, напротив, содержатся в очень малых количествах, сульфаты – в количестве, относительно меньшем, чем в морской воде, зато очень много карбонатов.

Таблица 4.5. Состав морской и речной воды, % масс.

Основные соединения Морская вода Речная вода
Хлориды Сульфаты Карбонаты Соед. азота, фосфора, кремния и органич. в-в 88,7 10,8 0,3 0,2  

Соленость морских вод меняется с глубиной. Эти изменения в различных частях океанов и морей происходят неодинаково. Они обусловливаются величиной солености поверхностных вод, перемешиванием водных масс. Последнее охватывает сравнительно небольшую толщу воды, примерно до глубины 1500 м, ниже которой соленость остается почти постоянной (на глубине 2500 м примерно 34,7-34,9‰). Накопленные материалы наблюдений позволяют выделить четыре типа изменения солености с глубиной: экваториальный, субтропический, умеренных широт и полярный.

Температура воды океанов и морей изменяется в результате нагревания и охлаждения. Основным источником тепла, получаемого поверхностью морской воды, является солнечная радиация – прямая и рассеянная. Часть этого тепла отражается водной поверхностью, часть излучается в атмосферу и межпланетное пространство. Большое количество его море теряет на испарение. Известно, что на испарение каждого грамма морской воды затрачивается свыше 580 кал. Отсюда нетрудно представить, какое большое количество тепла теряют поверхностные слои воды, например, в области пассатов, где испарение очень велико. В высоких широтах нагревание и охлаждение морской воды связано с ледовыми явлениями. В осенне-зимний период при образовании льда всегда выделяется скрытая теплота ледообразования, которая затрачивается на нагревание воды. Весной при таянии льда происходит, наоборот, охлаждение морской воды. Дополнительным источником поступления тепла в море являются речные воды. Наконец, большая роль в нагревании и охлаждении морских вод принадлежит морским течениям.

Температура океанических вод, как правило, с глубиной понижается (табл. 4.6), но это понижение неодинаково в различных широтах. Обмен поверхностных вод достаточно активен, а придонных слоев Мирового океана – сильно замедленен.

Течения, холодные и теплые, являются постоянным компонентом Мирового океана и способствуют постоянному уравниванию состава воды в океане, так что разница в составе вод океана – это результирующая трех основных процессов: испарения, течений и стока рек в океан.

Таблица 4.6 Изменения температуры (Т, °С) и градиентов температур
(dT, °С) в водах Мирового океана с глубиной между 50° с.ш. и 50° ю.ш.

Глубина, м T, °С dT, °С Глубина, м T, °С dT, °С
  16,0 0,25   3,8 0,65
  15,5 0,90   3,1 0,07
  13,7 1,90   2,8 0,03
  9,9 2,40   2,6 0,02
  5,1 1,35   2,5 0,01

Земная кора. Верхняя оболочка Земли, как уже отмечалось, получила название «земная кора». Вместе с атмосферой и гидросферой значительная ее часть заселена различными организмами, а потому она входит в состав биосферы, подвержена антропогенному воздействию и в экологических курсах ей уделяется особое внимание.

Образование земной коры продолжается и в настоящее время. Так, океаническая кора формируется в рифтовых и разломных зонах срединно-океанических хребтов, а континентальная – в зоне перехода от океана к континенту: островные дуги по периферии океанов – это фрагменты сформировавшейся континентальной земной коры. Верхняя часть земной коры является слоистой структурой, состоящей из многочисленных осадочных пород, иногда перемежаемых вулканическими или кристаллическими породами, образующимися в результате различных движений, в первую очередь, материковых плит, что привело за время существования коры к образованию самого разнообразного рельефа. Однако нижняя часть ее является кристаллической, магматического происхождения. Толщина осадочных пород сильно варьирует и достигает нескольких километров. Табл. 4.7 дает представление и об общем распространении магматических пород.

Таблица 4.7 Распространение магматических горных пород
на территории бывш. СССР и территории США, %

Интрузивные породы Территория Эффузивные породы Территория
СССР США СССР США
Кислые 48,7   Кислые 13,5 12,5
Основные 2,3   Основные 35,1  
Щелочные 0,4

Выветривание магматических пород, их переотложение и последующие преобразования привели к формированию осадочных пород. Можно было бы считать, что состав магматических и осадочных пород аналогичен, но при выветривании кристаллических пород и формировании осадочных происходил вынос ряда элементов с водами в океан (Nа, К и др.), а часть элементов (их соединений) концентрировалась только в определенных типах пород. Весьма существенной в этом процессе была роль живых организмов.

Все это привело к довольно высокой степени дифференциации веществ в осадочных породах, среди которых выделяются три главные группы: глинистые, песчаные и карбонатные. На их долю приходится примерно 95-99% общей массы осадочных пород, а их соотношение – 5:3:2. Большая часть магматических и осадочных пород перекрыта почвами. Мощность почвенного слоя также во многом определяется рельефом. Все наименьшие величины (а часто и практическое отсутствие) характерны для горных районов.

Благодаря наличию рельефа в значительной мере перераспределяются на земной поверхности радиационная энергия Солнца. Рельеф также является перераспределителем влаги и растворенных веществ на земной поверхности. Почвы склонов в одной и той же климатической обстановке получают как правило меньше атмосферных осадков, чем почвы равнинных, особенно пониженных элементов рельефа. В результате возникает различный водный режим, что в конце концов привело к образованию различных почв.

Геохимические и геофизические процессы, которые на протяжении всей геологической истории планеты привели ее к современному химическому, биологическому и энергетическому состоянию, включают в себя как упорядочивающие процессы, связанные с затратой энергии, так и диссипативные процессы, сопровождающиеся ее выделением. К ним можно отнести: землетрясения, вулканическую деятельность, выветривание, эрозию и осадочные процессы, периодические изменения климата. Особенно большое влияние оказывали в последние 250 млн. лет ледниковые периоды с промежуточными теплыми и влажными периодами, а следовательно, изменяющимися условиями протекания химических реакций. Все эти процессы привели к локальному концентрированию некоторых элементов в земной коре.

Предполагается, что глобальные скорости эрозии и седиментации (осаждения) в настоящее время выше, чем миллионы лет назад. Эрозия распадающихся горных пород за всю геологическую историю планеты оценивается в 2×1018 т, т.е. примерно 300 кг/см2 земной поверхности. Годовое количество растворенных веществ, которое реки выносят в моря всего мира, составляет на сегодня около 4 млрд. т. Примерно 1 млрд. т солей каждый год поступает в атмосферу в результате разбрызгивания воды на поверхности морей и океанов. При этом в процессе рециркуляции около 90% этих солей снова поступает в океан. Ежегодно, например, 100 млн. т натрия (соответственно 300 млн. т морской соли) переносится по воздуху на сушу. В то время как годовое накопление осадков (седиментация) в океанах принимают равным примерно 4 млрд. т, в краткосрочном плане расход – поступление растворенных солей в океанах находится в относительном равновесии. Однако в контексте всей геологической истории земли осадконакопление не является необратимым процессом. Океанические донные осадки содержат на данный момент только от 15 до 24% материалов, которые откладывались на дно океанов с момента их возникновения. В долгосрочном плане процессы эрозии — седиментации представляют собой круговой процесс.

В ходе геологической истории земли происходят долгосрочные, до некоторой степени ритмичные изменения ее климата. Так как климат представляет собой результат сложного взаимодействия многих факторов, специфическое влияние которых до настоящего времени выяснено не полностью, специфические причины изменений климата в ходе геологической истории земли нельзя считать достоверно известными.

Для расчета баланса излучения принимается, что в среднем за год, поглощенное земным шаром солнечное излучение и отдаваемая системой земля/атмосфера в космическое пространство энергия равны, при этом в процессе теплообмена между атмосферой и поверхностью земли поглощаемая и отдаваемая энергии также равны. В данном случае не учитываются долгосрочные изменения энергетического состояния земли.

Энергообмен биологических процессов на земном шаре составляет в среднем 1,55 Дж/см2×сут, т.е. лишь 0,2% суммарного баланса излучения на единицу поверхности земли. Доля потока энергии из глубины земли к ее поверхности составляет примерно треть от биологической энергии, 0,55Дж/см2×сут в среднем по планете. Обе эти величины лежат в пределах довольно большой погрешности в определении глобального баланса энергии, и ими можно пренебречь. В среднем за год около 20% теплового излучения земли затрачивается на нагревание атмосферы: очевидно, эта энергия представляет собой разность между полученной землей солнечной энергией и излучением земли в космос.

Материальный состав окружающей среды в значительной мере определяет условия жизнедеятельности, очень важным является знание физико-химических предпосылок возникновения жизни. Теории и гипотезы о химических процессах, приводящих к возникновению жизни, а жизнь характеризуется обменом веществ и размножением, освещают лишь отдельные аспекты этих явлений и мало убедительны вследствие трудностей в постановке длительных экспериментов. Следует подробнее остановиться на процессе появления в атмосфере кислорода и увеличения его содержания до современного уровня вследствие большого значения этого процесса для биосферы. Кроме того, с химической точки зрения появление кислорода в атмосфере в существенной степени изменило состояние окружающей среды в тот момент. Если основываться на современных представлениях о праатмосфере и химических процессах, которые протекали примерно 1,8-2 млрд. лет назад, то и до настоящего времени не должно было бы существовать свободного кислорода и, следовательно, не было бы возможно кислородное дыхание. Если исходить из предположения, что она образовалась в результате газообразования при остывании раскаленной земной оболочки, то состав этих газов должен быть сходен с составом продуктов вулканической деятельности, т.е. около 80% водяных паров, 10% диоксида углерода, 5-7% сероводорода, 0,5-1% водорода, азота и оксида углерода, а также следы метана, хлороводорода и благородных газов. По другой схеме содержание метана должно быть значительно выше. Единственно бесспорным является только то, что в составе этих газов отсутствовал свободный кислород. Доказательством этому служит находка в руслах прежних рек отшлифованных голышей, состоящих из уранинита (главным образом UO2) и пирита (FeS2) с возрастом 2,5 млрд. лет. Если бы атмосфера того времени содержала свободный кислород, то эти легко окисляющиеся соединения не смогли бы сохраниться в составе минералов. Только при появлении на планете организмов, осуществляющих процессы фото синтеза, стало возможным расщепление воды на водород и кислород. При этом водород связывается с углеродом, образуя органические соединения, а свободный кислород, в молекулярной форме, накапливается в атмосфере. Первоначально свободный кислород растворялся в водах Мирового океана, где и осуществлялись все процессы фотосинтеза. Однако по мере насыщения воды кислородом последний начал выделяться и постепенно накапливаться в атмосфере. В настоящее время земная атмосфера состоит примерно из 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, 0,4-4% водяных паров, 0,03-0,034% диоксида углерода и следов других газов.

С другой стороны, если предположить, что условия солнечного излучения не изменились, то разложение воды под действием УФ-излучения происходило бы в том же объеме, как и сегодня, и даже в большей степени из-за отсутствия поглощения высокоэнергетического УФ-излучения кислородом и озоном. Возникавший при этом кислород в полном объеме тратился бы на окисление газов в атмосфере (H2S, SO2, NH3, CO) и на окисление выветривающихся горных пород. То же относится и к кислороду, образовавшемуся за эти же 1,8 млрд. лет в результате фотосинтеза. Примерно к этому времени появляется избыточное количество кислорода, т.е. кислорода образуется больше, чем затрачивается на окисление неорганических материалов. Избыточный кислород биотического и абиотического происхождения, остающийся после его абиотического потребления и использования живыми организмами (появившимися примерно
1,3 млрд. лет назад) в процессе кислородного дыхания, постепенно медленно накапливался примерно до раннего палеозоя (400 млн. лет назад) до его содержания в атмосфере около 11%. Затем избыток кислорода существенно увеличился, и его концентрация в атмосфере стала более резко возрастать. Поглощающий УФ-излучение озоновый слой, вероятно, существует по крайней мере 600 млн. лет и является важным фактором, определяющим развитие биосферы в тот период.

Огромное влияние на материальный состав окружающей среды в глобальном масштабе оказали накопление свободного молекулярного кислорода в атмосфере (и растворенного в гидросфере), а также снижение температуры (при зарождении жизни глобальная температура составляла еще около 80°С).

В настоящее время уровень образования кислорода в процессе фотосинтеза оценивают в 6,8×1015 моль ежегодно. Однако основная масса образовавшегося кислорода связывается снова в неорганические соединения в процессе кислородного дыхания животных и гниения их остатков. Ежегодно остается неиспользованной незначительная часть биотического кислорода, примерно 3×1010 моль. Если учесть, что в настоящее время около 90% этого кислорода затрачивается на естественное неорганическое окисление (выветривание), атмосфера имеет положительный баланс 3×109 моль или около 105 т кислорода ежегодно. Значит, потребовалось бы около 10 млрд. лет для того, чтобы достичь современного уровня содержания кислорода в атмосфере, которое составляет 1015 т (3,7×1019 моль). Однако если принять меньшую скорость минерализации органических веществ в ходе геологической истории земли (седиментация составляла лишь 1/10000 от современного уровня, то для такого накопления кислорода потребовалось бы лишь 1,8 млрд. лет.

Другой подход к составлению баланса кислорода на земле исходит из предпосылки, что средняя концентрация органических горючих ископаемых в осадочных породах составляет в глобальном масштабе 0,4%. При этом в 2×1018 т осадочных пород аккумулировано 8×1015 т углерода из биотических остатков, накопившихся с момента зарождения жизни. Для образования такого количества углерода необходимо фотосинтетическое восстановление 29×1015 т СO2. Баланс биосинтеза кислорода и его минерализации (т.е. расходования на окисление) приводит к избытку кислорода 21×1015 т. Для обеспечения современного содержания кислорода в атмосфере достаточно менее 5% от этого количества. Остальные 95% используются для естественного окисления неорганических соединений. Еще один расчет баланса кислорода возможен на основе нетто-энергетического потребления биосферы 1,55 Дж/см2×сут и теплоты сгорания ископаемого углерода.

Имеется несколько возможностей провести глобальные ретроспективные расчеты, имея в виду известный результат, однако наих основе нельзя сделать никаких заключений о действительных количественных закономерностях, поскольку даже небольшие ошибки в оценках (например, на 10–2%) седиментации веществ биологического происхождения (с 4,4×10–4% на 10–2%) полностью изменяют результаты расчетов. Более убедительными являются аналогичные расчеты материального баланса на более короткие периоды времени.

По оценкам только 1/1000 часть ископаемого углерода и его соединений образуют 6,5×1012 т месторождений, доступных для эксплуатации. При их полном сгорании было бы использовано 6,5×1012×8/3 = 17,3×1012 т кислорода, что соответствует 1,7% имеющегося в атмосфере кислорода, иными словами, его содержание в атмосфере упало бы с 20,9 до 20,6%.

В настоящее время годовое потребление горючих ископаемых соответствует количеству углеродного материала, которое в соответствии с представленными выше расчетами накапливалось в течение 500000 лет.

Определенная граница между веществами в окружающей среде, которые подвергаются глобальным изменениям в долгосрочном плане, и веществами, запасы которых могут истощиться за десятилетия или столетия, могла бы быть установлена на уровне потребления кислорода при сгорании всех доступных для эксплуатации запасов горючих ископаемых, т.е. около 20×1012 т. Это означает, что возможны краткосрочные глобальные изменения вещества в количестве менее 20×1012 т, независимо от того, вызваны они природными явлениями или связаны с деятельностью человека. По порядку величины 1012 т такая верхняя граница мировых запасов, изменяющихся под влиянием деятельности человека, кажется весьма реалистичной (например, глобальное повышение концентрации СO2 в атмосфере); сжигание горючих ископаемых практически в полном объеме – это антропогенный фактор.

Природные краткосрочные изменения материального состава окружающей среды являются следствием землетрясений и вулканической деятельности, постоянно идущей эрозии, а также эрозии, вызванной бурями и наводнениями. Климатические явления, такие как засухи, морозы, колебания уровня рек, имеют общеизвестные последствия. В результате этих процессов изменения состава окружающей среды имеют локальный, региональный и даже глобальный характер, они могут быть кратковременными, но могут оказывать влияние и в течение геологически значимых периодов времени.

Локальные загрязнения биосферы. Основные очаги антропогенного воздействия на природу расположены в регионах с развитой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интенсивным сельскохозяйственным производством. Такие загрязнения, обычно наблюдающиеся вокруг какого-либо промышленного предприятия, крупного рудника, населенного пункта, называются локальными. Их химизм определяется, с одной стороны, отраслевой принадлежностью источника загрязнения, с другой – рельефом, климатическими особенностями и другими природными условиями места загрязнения. Так, почва вокруг рудников полиметаллических руд и комбинатов по выплавке цветных металлов всегда содержит повышенное количество тяжелых металлов – меди, цинка, свинца, кадмия. Такое же локальное загрязнение почвы свинцом наблюдается вдоль автострад с напряженным движением.

В районах с открытой добычей полезных ископаемых всегда наблюдается локальное загрязнение атмосферы и почвенного покрова пылью, а на территориях, прилегающих к нефтепромыслам и нефтеперерабатывающим заводам, – нефтяными углеводородами.

В местах разрешенного сброса коммунально-бытовых и производственных сточных вод поверхностные воды всегда отличаются повышенным уровнем загрязнения. Сброс стоков регламентируется «Правилами охраны поверхностных вод» от загрязнения сточными водами с учетом «...степени возможного смешения и разбавлении сточных вод водой водоема на пути от места выпуска сточных вод до створа ближайшего пункта питьевого, культурно-бытового или рыбохозяйственного водопользования». Практически это означает, что река или водоем могут быть чистыми не на всем протяжении, а лишь на отдельных участках, главным образом в местах водозабора. Кроме того, эти правила часто нарушают, и реки загрязняются подчас на десятки километров, т.е. локальное загрязнение поверхностных вод переходит в региональное. Это происходит на многих крупных реках страны, протекающих в густонаселенных местностях.

Так, Волга загрязнена стоками крупных промышленных городов Ср. и Нижн. Поволжья почти на всем своем протяжении. В водах Дона во второй половине лета наблюдается интенсивное «цветение» вследствие сбросов коллекторных вод оросительных систем загрязненных биогенными элементами смытых с полей удобрений.

Примером локального загрязнения атмосферы являемся смог – опасное во многих отношениях облако загрязнений различного типа, характерное для некоторых городов, где сочетание загрязнения воздуха транспортными и промышленными газами, атмосферные явления и солнечное излучение создают возможности для его образования. Различают смог влажный («лондонского типа»), представляющий собой сочетание пылевых частиц и капель тумана, и смог сухой, или фотохимический («лосанджелесского типа»), возникающий в результате воздействия ультрафиолетовой составляющей солнечного и излучения на загрязняющие вещества, находящиеся в атмосфере. Компонентами сухого смога являются озон О3, оксид углерода СО, оксиды азота NOx, различные радикалы и другие токсичные компоненты.

При нормальных условиях температура воздуха понижается с высотой. Теплый воздух, поднимаясь вверх, рассеивает загрязняющие примеси, выбрасываемые у поверхности земли. Однако иногда в долинах, котловинах и других отрицательных формах рельефа наблюдается явление атмосферной температурной и газовой инверсии – смещение охлажденных слоев воздуха вниз и их скопление под слоями теплого воздуха. В этом случае изменение температуры атмосферы обратно нормальному и все загрязняющие примеси накапливаются в инверсионном слое, «накрывая» город, пока не изменятся метеорологические условия.При возникновении сильного ветра начинается смещение холодного воздуха и смог рассеивается.

Различают локальное загрязнение техническое, или эксплуатационное, вызываемое нормальной работой промышленного оборудования или использованием продуктов промышленного производства, и аварийное, вызванное резким и неожиданным нарушением работы предприятия, связанным с выбросом в атмосферу, сбросом в водную среду, разливом по почве большого количества вредных для биосферы и населения веществ. Техническое загрязнение, как правило, остается локальным, тогда как аварийное нередко переходит в региональное, а в исключительных – катастрофических случаях – в глобальное. Примером катастрофического загрязнения окружающей среды может служить авария на ЧернобыльскойАЭС.

Региональное загрязнение биосферы. Региональным загрязнением окружающей среды называют загрязнение, обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всю планету. Причиной регионального загрязнения окружающей среды может стать эксплуатационное поступление загрязняющих веществ в биосферу, если оно достаточно длительно, а выбросы поступают в подвижные компоненты биосферы – в атмосферу и природные воды. Переход локальных загрязнений в региональные может быть связан с расширением территорий городов, которые постепенно превращаются в гигантские мегаполисы с многомиллионным населением.

Атмосферные выбросы большого города (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологическую напряженность регионального масштаба, сбросы больших объемов сточных вод приводят к загрязнению речных бассейнов, массовое использование удобрений на прилегающих к мегаполису территориях – к загрязнению почвенного покрова и водной среды избытком биогенных элементов. Региональные загрязнения вызываются также массовой добычей полезных ископаемых или массовым использованием веществ, опасных для природной среды.

Как уже упоминалось, страшным примером регионального загрязнения биосферы радионуклидами стала авария на Чернобыльской АЭС. Степень радиоактивного загрязнения почвенного покрова, максимальная вблизи эпицентра аварии, сильно изменялась в зависимости от атмосферной циркуляции. Уровень локального загрязнения был настолько высок, что со всей окружающей территории было эвакуировано население, и она на десятки лет превратилась в запретную зону. Радиоактивные выпадения произошли не только в обширном регионе нескольких областей Украины, Беларуси, но и над странами практически всей Европы и вызвали интенсивное загрязнение почв (табл. 4.8).

Таблица 4.8. Радиоактивные выпадения в странах Зап. Европы
и Сев. Америки после Чернобыльской аварии

Страна Максимальные выпады, кБк/м2 Максимальные/средние выпады
общий Cs 131I общий Cs 131I
Швеция        
Норвегия >100 >9
Италия   ~500    
ФРГ        
Австрия ~60   ~2,6 5,8
Швейцария     5,1 4,9
Финляндия ~30   ~3,3 3,7
Греция     5,3 2,6
Ирландия     4,4 2,3
Великобритания        
Нидерланды ~9   3,3 1,2
Франция 7,6  
Люксембург 7,3   1,8 ~2,1
Дания 4,6 4,2 2,7 2,5
Бельгия 3,0   2,3 2,6
Турция 0,9     9,1
Исландия 0,1 Следы
Испания 0,04 0,09    
Португалия 0.01 0,01   2,6
Канада 0,07 0,24 1,5 2,4
США Следы >1,9 >1,3

Глобальные загрязнения биосферы. Глобальными называют загрязнения, которые обнаруживают практически в любой точке планеты. Как правило, глобальные загрязнения переносятся атмосферными потоками, поскольку атмосфера является наиболее открытым компонентом природной среды, связанным процессами энерго- и массообмена с биосферой, гидросферой и космосом

Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода, серы и азота, углеводороды и взвешенные частицы. Накоплены статистические данные, позволяющие оценить вклад материков и отдельных групп стран в глобальное загрязнение атмосферы этими соединениями (табл. 4.9). Сводные данные о количестве наиболее распространенных выбросов свидетельствуют о том, что их подавляющая часть приходится на промышленно развитые страны Сев. Америки и Европы и в меньшей степени Азии.

Таблица 4.9. Количественная оценка выбросов в
атмосферу загрязняющих веществ млн. т/год

Регион SO2 CO NOx Углеводороды Взвешенные частицы
Сев. Америка 18,111 77,268 11,284 9,042 5,951
Латинская Америка 01,785 09,044 01,196 1,063 1,207
Европа 21,613 21,356 07,700 2,637 6,678
Азия 07,521 08,506 03,281 1,289 4,309
Африка 01,578 02,470 00,745 0,328 0,410
Австралия и Океания 02,121 02,425 00,696 0,296 0,349

Необходимо отметить особую роль запыления атмосферы. Выбросы взвешенных частиц с середины 50-х гг.XX в. возросли настолько, что вопреки теории «парникового эффекта» средняя температура на нашей планете несколько понизилась, так как резкое увеличение запыленности атмосферы привело к уменьшению поглощения солнечной радиации поверхностью земли. Количество выбрасываемой в атмосферу пыли, образующейся вследствие сжигания топлива и различных технологических процессов, составляет до 10% (по другим данным до 20%) от общего количества поступающих в атмосферу твердых частиц, причем большая часть атмосферных аэрозолей остается в тропосфере и 80% из них – на высоте не более 1 км. Время их пребывания в атмосфере зависит от размеров частиц и обычно ограничивается тремя днями на высоте не более
1 км и тридцатью днями в верхних слоях атмосферы.

Основная доля мирового выброса взвешенных частиц – около 94% – приходится на северное полушарие, максимальное их количество выбрасывается в атмосферу промышленностью развитых стран. Основная опасность глобального загрязнения атмосферы пылью заключается в том, что возрастает запыленность приземного слоя, достигающая в урбанизированных районах 40-400 мкг/м3.

К глобальным загрязнениям биосферы следует отнести и радиоактивные выпадения.Их отличительным свойством является характер распределения по географической широте: максимальные радиоактивные выпадения отмечены около 40° с.ш. К северу и экватору радиоактивное загрязнение постепенно снижается.

Естественные источники воздействия на природную среду. При изучении проблем, связанных с воздействием на окружающую среду, прежде всего, следует отметить, что они не являются такой четко очерченной областью, как это представляется на первый взгляд. Конечно, в некоторых случаях эти вопросы решаются достаточно однозначно. Так, например, утечка из хранилища на химическом предприятии высокотоксичного соединения 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксина (ТХДД) в 1976 г. (Севезо, Италия), приведшая к трагическим результатам для людей и животных, несомненно, должна рассматриваться как прямое воздействие на природу. Но как быть с образованием оксидов азота при работе автомобильного двигателя? Естественное поступление оксидов азота в атмосферу во много раз превосходит вклад, обусловленный антропогенной деятельностью. Можно ли в этом случае говорить о существенном воздействии на природу? Проблема усложняется также и тем, что условия жизни на нашей планете не сохраняются постоянными, а непрерывно изменяются во времени.

Изменение состава земной атмосферы, климатических условий, теплового режима земной поверхности и окислительные процессы в горных породах в свою очередь привели к глубоким изменениям и преобразованию жизненного пространства вплоть до исчезновения некоторых форм и видов живых организмов и появления новых. Хотя это зачастую связано и с генетическими процессами, несомненна роль изменения окружающей среды в подобной смене видов. Так, например, существовавшие в конце карбонового периода (около 280 млн. лет назад) многочисленные формы папоротников, плаунов и хвощей, давшие впоследствии огромные отложения каменных углей, постепенно исчезли по мере наступления в европейской зоне холодного и сухого климата. Мировая история показывает, что смена форм и видов живых организмов, связанная с изменением внешней среды, – вполне естественное явление.

Сравнение результатов антропогенного вмешательства и естественных изменений природной среды. Чтобы ответить на сформулированные выше вопросы, необходимо сопоставить результаты изменений окружающей среды, вызванные деятельностью человека и естественными причинами. При этом следует использовать три критерия: количественный фактор, фактор времени и токсичность продуктов, возникающих в результате антропогенной деятельности.

Давая чисто количественную оценку антропогенному вмешательству в природную среду, следует, прежде всего, отметить, что оно не идетни в какое сравнение с изменениями, вызываемыми естественными причинами в атмосфере и литосфере, как это уже было вкратце описано. Содержание газов антропогенного происхождения в атмосфере составляет обычно 10–6-10–9, т.е. лежит в области следовых концентраций. В больших городах и промышленных районах загазованность значительно выше,чем в среднем по всей планете, однако и здесь она лежит в области миллионных долей. Такая же картина наблюдается и в литосфере, и в гидросфере. Только на отдельных участках земного и водного пространства загрязнения могут достигать величины порядка процентов. Так, например, содержание солей в Байкале повысилось от 0,8% до 2,7% в результате чрезмерного использования вод озера для сельскохозяйственных целей.

Хотя в глобальном масштабе изменения природной среды, вызванные деятельностью человека, количественно незначительны, они заметно отличаются по скорости своего протекания от изменений, вызванных естественными причинами. Антропогенное вмешательство проявляется весьма быстро, что особенно заметно в последнее столетие. Обогащение земной атмосферы кислородом от 1% до 21% продолжалось от одного до полутора миллиардов лет, что составляет, примерно, 0,004% в 200-300 тыс. лет. В то же время в результате человеческой деятельности содержание СО2 в воздухе увеличилось на 0,004% в течение нескольких последних десятилетий. Естественные изменения происходят столь медленно, что для всего живого на Земле сохраняется возможность генетически приспособиться к изменениям окружающей среды, в то время как антропогенное вторжение в природу не оставляет никаких шансов на это приспособление, особенно для высших организмов.

Другая особенность антропогенного воздействия на природу состоит в том, что при этом образуется ряд высокотоксичных продуктов, опасных и для человека, и для всего живого. Возникновение токсичных загрязнений может быть связано как с накоплением природных элементов или соединений, обладающих токсичностью, так и с получением новых веществ, представляющих опасность для биосферы. В первом случае примером служит загрязнение природной среды солями тяжелых металлов (свинец, хром, кадмий и др.). Во втором – синтез пестицидов, некоторых галогенсодержащих органических соединений и т.п.

Сравнительная оценка факторов воздействия на природную среду. Часто приходится сталкиваться с мнением, что активное вмешательство человека в природу способствует росту его благосостояния. Однако это односторонний подход. Если вмешательство в природу и не угрожает непосредственно человеку, все же в результате страдают другие живые существа на нашей планете; помимо ущерба, наносимого биосфере, при этом возможны и иные изменения на поверхности планеты, в частности, перемена климата. Все связанные с этим перемены, не оказывая прямого действия на организм, постепенно изменяют жизненное пространство, что неизбежно сказывается на жизнедеятельности человека. Рассмотрим ряд примеров.

Нормальное состояние человеческого организма определяется помимо прочего, достаточным наличием продуктов питания растительного происхождения. Для выращивания сельскохозяйственных культур нужны плодородная почва, вода, солнечный свет при умеренном ультрафиолетовом облучении, подходящая температура и пр. Все изменения, происходящие при этом, например в почве, отражаются на человеке. Химикаты, поглощаемые растениями, в дальнейшем попадают в организм человека с продуктами питания. Поэтому необходимо обратить особое внимание на то, чтобы вещества, вносимые в почву для питания растений, не были вредными для организма человека либо перерабатывались растениями в такую форму, которая была бы приемлема для человека. Неважно, идет ли здесь речь об удобрениях, пестицидах или других препаратах, поглощаемых растениями, так как растения усваивают любые вещества, будь это, например, соединения кадмия или радиоактивный цезий. Поэтому необходимо предусмотреть природу и характер всех веществ, которые могут прийти в соприкосновение с растениями. Все направления и особенности нарушений природной среды можно проследить, только тщательно изучая отдельные этапы взаимодействия между организмами в общем цикле превращений. Ограничиваясь указанием на сложность и многогранность всей проблемы вторжения в природную среду, переходим к рассмотрению ее чисто химических аспектов.

Концепции и критерии изучения веществ. Концепция оценки веществ по их свойствам в экологической химии пригодна как для органических, так и для неорганических веществ. Тем не менее имеются принципиальные различия в применении этой концепции к органическим и неорганическим соединениям. Так как в отличие от органических веществ поведение обычно присутствующих в биосфере неорганических ионов хорошо известно, можно с большой степенью достоверности прогнозировать причинно-следственные связи между неорганическими веществами, если они не переходят в органические, как, например, ртуть – в метилртуть.

Известно, что поведение элементов и соответствующих ионов в окружающей среде прогнозируется более надежно, чем привнесенных органических соединений, однако определениеих количественных соотношений и потоков оказывается более затруднительным. В то время как объем промышленной продукции точно указывается в статистической отчетности, характер использования ионов и объем биопродукции природных веществ во времени и пространстве можно вычислить лишь из аналитических данных. Тем самым оказывается очень трудно количественно оценить циклические биогеохимические процессы, протекающие в окружающей среде. Для того чтобы оценить влияние человека на эти процессы, необходимы данные, характеризующие за длительный период естественное развитие биосферы, флуктуации, химические факторы окружающей среды, а также интенсивность биологических процессов, в том числе и с применением палеографического метода..

В концепции экологической химии, основанной на изучении химических продуктов, в качестве критериев изменения материального состава окружающей среды можно использовать следующие шесть параметров: 1) объем производства; 2) области применения; 3) распространение в окружающей среде; 4) устойчивость и способность к разложению; 5) превращения; 6) экотоксикологические свойства.

На основе этих параметров может быть охарактеризовано значение и дана оценка количественного влияния отдельных веществ на окружающую среду.

Объем производства. Этот критерий поставлен в начале перечня лишь потому, что он наиболее доступен для определения, а не потому что наиболее значим для изменения состава окружающей среды.

Любой материал или процесс его превращения, независимо от того, производится ли человеком или происходит в результате природных явлений, отражает изменение качества среды. Насколько такие изменения велики, желательны или нежелательны, зависит от масштаба и длительности применения и от свойств материала в окружающей среде. Легче всего это показать на примере органических ксенобиотиков, объем производства которых прямо пропорционален масштабам изменений окружающей среды, связанных с ними. Объем производства как один из критериев эколого-химической концепции, основанной на изучении химических материалов, должен включаться в оценку антропогенного использования и оборота неорганических веществ, а также органических веществ природного происхождения; на фоне глобальных природных процессов объем антропогенного использования и оборота веществ можно определить лишь с малой степенью достоверности.

Целый ряд товарных и промежуточных продуктов почти сразу же полностью потребляется, напр., растворители. По некоторым оценкам из 73 млн. т (на 1970 г.) мировой продукции органических химических продуктов примерно 20 млн. т (из них 10 млн. т растворителей, гликолей и моющих средств) непосредственно без всякой переработки поступают в окружающую среду.

Загрязнения (примеси) промышленных химических продуктов, естественно, зависят от способаих производства (метода синтеза). Зная схему производства и условия синтеза, легко определить возможные примеси и степень загрязнения целевого продукта вредными компонентами на каждой стадии производственного процесса. В качестве примера можно привести производство пентахлорфенола (мировая продукция в 1984 г. составила от 35 до 40 тыс. т), который содержал до последнего времени около 13% примесей, преимущественно изомеров тетрахлорфенолов.

Этот пример наличия нежелательных примесей показывает, что данные об объеме производства большого числа химических органических препаратов необходимо подвергать экспериментальной проверке. Для некоторых пестицидов, используемых уже в течение десятилетий, к настоящему времени выделены и идентифицированы лишь основные компоненты (для альдрина такой анализ был проведен лишь несколько лет назад). Из пестицидов, состав которых еще не полностью известен, можно назвать, например, токсафен и технический хлордан. Так как одни и те же загрязнения могут содержаться в разных продуктах, – например, хлорированные дибензофураны в хлорфеноле и хлорированных бифенилах, – с практической точки зрения (идентификация источников нежелательных изменений) было бы целесообразно учитывать не только основные химические продукты, но и их примеси.

Таблица 4.10. Глобальныеэмиссияиз природных источников
и в результате человеческой деятельности

Вид эмиссии Природные источники, млн. т/год Человеческая деятельность
млн. т/год % общей эмиссии
CO2 600 000 22 000 03,5
CO 003 800 00 550 13,0
Аэрозоли 003 700 00 246 06,0
Углеводороды 002 600 00 090 03,0
CH4 001 600 00 110 06,0
NH3 001 200 00 007 00,6
NO, NO2 000 770 00 053 06,5
Соединения серы 000 304 00 150 33,0
Из них SO2 000 020 00 150 88,0
N2O 000 145 00 004 03,0

Для поступающих в окружающую среду веществ, которые могут иметь как природное происхождение (продукты жизнедеятельности живых организмов), так и производиться человеком, интересно провести сравнение эмиссии (выделения)их из природных объектов и эмиссии, связанной с деятельностью человека. В табл. 4.10 приводится такое сравнение. Из табл. видно, что в соответствии с современным состоянием наших знаний доля веществ, образующихся в результате деятельности человека, составляет значительно менее 50% за исключением лишь диоксида серы. Так, например, СО продуцируется водорослями, а углеводороды – лесной растительностью и микроорганизмами. К 2600 млн. т углеводородов, указанным в табл. 4.10, которые, по нашим оценкам, продуцируются растительностью и микроорганизмами, следует добавить метан, который в больших количествах образуется при анаэробном разложении органических веществ. Вследствие низкой химической активности метана, а следовательно, длительного срока существования, его содержание в атмосфере оценивается в 4800 млн. т, а средняя естественная концентрация в атмосфере – примерно 1,5 млн–1. Жвачные животные ежегодно прибавляют к этому количеству несколько миллионов тонн, поскольку примерно 7% потребляемой ими энергии выделяется в виде метана. Терпеновые углеводороды выделяются главным образом лесной растительностью. Их характерной особенностью является способность к агрегированию (полимеризации) в аэрозоли. Антропогенным прямым выделением углеводородов в воздух является использование ископаемого горючего в качестве топлива.

Данные об объеме производства тесно коррелируют с другими критериями, рассматриваемыми в следующих главах, особенно значимо для химических продуктов, производимых в больших объемах. Например, все исследованные в США 50 химических продуктов, которые можно рассматривать как 50 наиболее распространенных в мире веществ, вследствие высокой их концентрации могут превысить уровень содержания, обеспечивающий способность природных сред к самоочищению, характерную для соответствующей структуры соединений, а также снизить эффект биологической очистки и системы подготовки питьевой воды. Таким образом, и другие обсуждаемые ниже критерии нужно исследовать, учитывая объемы производства соответствующих химических продуктов.

Области применения. Изучение критерия «объем производства» непосредственно подводит к проблемам применения химических продуктов. Понятие «области применения» имеет различные толкования, которые мы поясним ниже на отдельных примерах. «Области применения» понимают как количественный учет использования отдельных химических продуктов на конечной стадии их потребления. Технологическое применение в домашнем хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве, продуктах питания и т.д. определяет направления распространения химических веществ в окружающей среде.

Знание областей применения химических продуктов, отчасти соответствующих отраслямих производства (например, пигменты, пластмассы, поверхностно-активные вещества), и тех природных сред, в которые они поступают, является основой для оценки возможных изменений окружающей среды. С этой точки зрения было бы целесообразно подразделить воздействие получаемых пестицидов не только при использовании по целевому назначению как инсектицидов, гербицидов и фунгицидов, но и по применению в сельском хозяйстве и в службе здравоохранения. Применение в сельском хозяйстве можно в свою очередь подразделить на защиту запасов при хранении (зерна, овощей и т.п.) и защиту растений, а в здравоохранении – применение в борьбе против вредных насекомых в зданиях и при противоэпидемических мероприятиях, например при обработке больших площадей против переносчиков малярии.

Знание количественных данных о применении отдельных химических соединений позволяет рассчитать и оценить степень первичного загрязнения окружающей среды, при этом важное значение имеет характер применения, является ли такое применение закрытым и тем самым контролируемым (т.е. позволяющим в случае необходимости осуществлять повторное использование или уничтожение химического продукта) или открытым (т.е. имеется возможность распространения химического продукта в окружающую среду).

Таким образом, критерий «области применения» прежде всего дает представление о первичном, часто локальном накоплении исследуемого химического продукта, например фторхлоруглеводородов (в воздухе), детергентов – моющих средств (в воде), пластифика




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-05; Просмотров: 1439; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.126 сек.