Влияние выбросов тепличных (оранжерейных) газов на состояние

Биосферы земли

Для глобальных преобразований на Земле очень большое значе­ние имеют углерод и его соединения. Эмиссия углерода в атмосферу обусловлена природным циклом и антропогенной деятельностью. Основная масса углерода в форме диоксида углерода (около 94 % всей массы) вносится в атмосферу из природных источников и только 6 % в результате деятельности человека (в 1970 г. роль человека в глобаль­ной эмиссии СО2 составляла 4 %). К.основным газообразным соеди­нениям углерода относятся метан (СН4), диоксид углерода (СО₂), оксид углерода (СО) и большое количество различных летучих тяже­лых углеводородов, выделяющихся в биосферу при добыче нефти, природного газа, тяжелых нефтепродуктов (битумы, озокерит и т.п.) и в процессе жизнедеятельности растений.

Все газообразные природные и антропогенные соединения угле­рода (СО2, CH4, СО и более тяжелые углеводороды) играют весьма активную роль в локальном и глобальном загрязнении атмосферы Земли, приводящему к изменению состава и свойств атмосферы пла­неты. По негативному влиянию на окружающую среду (биосферу Земли) с соединениями углерода могут сравниться только токсичные газы: хлористый и фтористый водород, диоксид серы, сероуглерод, органические канцерогенные газы, аэрозоли асбеста и тяжелых ме­таллов. Но объемы антропогенных выбросов соединений углерода (особенно СО₂) значительно превышают другие загрязнения.

На основе качественной геохимической оценки земного углерод­ного цикла установлена динамика соотношения природной и антро­погенной эмиссии углерода и содержание углерода в литосфере и ат­мосфере (табл. 1.5).

В биосфере Земли действуют следующие виды круговорота: газа, т.е. движение различных газов в земной коре и в приземном слое био­сферы; энергетический, основанный на использовании солнечной

Таблица 1.5 Содержание углерода в биосфере Земли

 

Коллектор углерода	Масса углерода
109 т	г/см2 поверхности Земли
Животные		0,0015
Растения		0,1000
Атмосфера		0,1250
Мировой океан		7,5000
Основные породы		33,0000
Граниты и диориты		567,0000
Угли и сланцы		663,0000
Кристаллические породы		2000,0000
Карбонатные породы		2500,0000
Итого:	32- 1015

 

энергии в процессах фотосинтеза и аккумуляции в горных породах; воды, т.е. циркуляция вод в земной коре (литосфере), атмосфере и гидросфере.

В газовой (верхней) и твердой оболочках атмосферы действует основной механизм обмена веществ и энергии; газовый режим био­сферы определяется двумя главными круговоротами в геосистеме «ат­мосфера—земная кора»: биоатмосферными взаимодействиями био­сфера— атмосфера и биолитосферными взаимодействиями биосфе­ра—литосфера. В первом случае большую роль в газовых реакциях иг­рают свободные газы атмосферы и газы, выделяемые животными организмами биосферы; во втором — газы, поступающие из глубин земной коры в ходе ее дегазации и термодинамических процессов, в том числе выделяющиеся при добыче полезных ископаемых.

В биолитосферных взаимодействиях, разнообразных по генезису, геохимическим реакциям и физическим процессам, участвуют все виды геологического круговорота вещества и потоков земной энер­гии, в первую очередь гипергенез (выветривание), эндогенез, тектогенез, гидрогенез и биогенез.

В развитии и эволюции окружающей среды и в первую очередь биосферы (в процессах фотосинтеза, метаболизма и дыхания живых организмов, в аэробных и анаэробных процессах) большую роль иг­рает газовый состав, геохимические и геофизические свойства ат­мосферы. Так, преимущественно в тропосфере протекают геофизи­ческие процессы, определяющие температуру, давление, влажность, инсоляцию и другие свойства атмосферы, с которыми связаны жизнь на планете и хозяйственная деятельность человеческого об­щества.

Солнечная радиация, поступающая на поверхность планеты через тропосферу, является основным источником тепловой энергии прак­тически всех природных процессов в биосфере планеты. Часть теп­ловой солнечной энергии, достигшей поверхности планеты (прямая солнечная радиация), распределяется в зависимости от широты и рельефа участка поверхности Земли. Поток солнечной радиации на среднем расстоянии от Земли приблизительно равен 41,9 • 10⁹ Дж/м² в год.

Баланс солнечной радиации состоит из отраженной, равной 40 % всей солнечной энергии; поглощенной земной поверхностью, равной 44 %, и поглощенной атмосферой Земли. Следовательно, поверх­ность Земли совместно с атмосферой получает 60 % всей солнечной радиации, разность между приходом и расходом которой составляет рациональный баланс планеты. Таким образом, в атмосфере встреча­ются два потока длинноволновой радиации: излучение поверхности Земли и излучение атмосферы.

Эффективная радиационная температура Земли определяется из условия равновесия между инфракрасным излучением планеты и поглощенной солнечной радиации.

Тропосфера Земли, достаточно мутная для инфракрасного излуче­ния, обеспечивает конвективную устойчивость радиационного верти­кального градиента температуры, дающую толчок атмосферным дви­жениям, которые вносят вклад в вертикальный перенос тепла.

Солнечная радиация представляет собой поток быстродвижущихся электрически заряженных частиц, состоящих примерно на 90 % из ионизированных атомов водорода и на 10 % из атомов гелия. Область околоземного пространства, включающая верхние слои ат­мосферы, называется магнитосферой. Солнечная радиация вызыва­ет на Земле два круговорота веществ: геологический (большой), про­являющийся в циркуляции атмосферы и круговороте воды, и биоло­гический (малый), проявляющийся в обеспечении воспроизводства живого вещества и в активном влиянии на биосферу. Оба круговоро­та тесно взаимосвязаны и взаимозависимы и представляют собой еди­ный процесс.

В развитии окружающей среды (в процессах фотосинтеза, метабо­лизма, в окислительных и восстановительных реакциях, в аэробных и анаэробных процессах и придыхании живых организмов) и в пер­вую очередь биосферы большую роль играют газовый состав, геофи­зические и геохимические свойства атмосферы и трансформация свойств литосферы, гидросферы и атмосферы в пределах биосферы.

Молекулы атмосферы находятся в состоянии непрерывного бес­порядочного движения со скоростью, возрастающей с повышением температуры. В более плотных нижних слоях атмосферы происхо­дят очень частые столкновения движущихся молекул. Поэтому из толщи плотной нижней атмосферы движущиеся молекулы из-за частых столкновений не могут в заметных количе­ствах «пробиться» в верхние слои атмосферы.

Масштабы молекулярных и турбулентных движений различают­ся на несколько порядков.

Поэтому газы, находящиеся в атмосфере до высоты примерно 100 км (т.е. в пределах гомосферы), вследствие их полного турбулентного перемешивания не разделяются по молекулярным весам и до высоты 100 км состав атмосферы практически неизменен, хотя парциальное давление газов резко уменьшается по мере удаления от земной повер­хности.

Попадание в атмосферу метана и тяжелых газообразных углеводо­родов обусловливает протекание окислительных реакций: с иониза­цией атмосферы связано образование озона и кислорода, а с окисле­нием углеводородов — разрушение озона. Однако процессы образо­вания и разрушения озона неоднозначны. Так, при выбросе в атмос­феру газообразных углеводородов одновременно с оксидами азота окислительные процессы, интенсивно проходящие под действием солнечной радиации, вызваны в основном не разрушением озона, а образованием его. При этом наиболее важна реакция разложения диоксида азота на NО и О2. Побочным продуктом атмосферного окисления антропогенных органических веществ оказывается озон, который в атмосфере городов с высокой интенсивностью автомо­бильного движения имеет концентрацию в приземном слое до 0,60 млн-¹. Иными словами, диоксид азота является источником атомар­ного кислорода, который, соединяясь с молекулярным кислородом, и образует озон.

Образование озона зависит от типа углеводородов, присутствующих в атмосфере; окисление олефинов происходит в 3...4 раза быстрее окисления парафинов.

Поступление в атмосферу природных газов, сопровождающих до­бычу полезных ископаемых, и ионизация воздуха в нижних (до высоты 60 км) и верхних сло­ях атмосферы обусловливают протекание различных окислительных реакций. С окислением метана, оксида углерода и сероводорода в атмосфере связаны весьма важные геохимические процес­сы на Земле.

Например, ионизация воздуха приводит к образованию в атмосфере озона (Оз) и кислорода (О₂), причем озон — весьма ак­тивный окислитель даже при обычной температуре. Участие озона в окислительных реакциях углеводородов приводит к его разрушению и в конечном счете к уменьшению его концентрации в атмосфере.

Тяжелые углеводороды (ТУ).

Углеводороды в атмосфере Земли и горных выработках представлены метаном (СН4) и тяжелыми пре­дельными (насыщенными) и непредельными (ненасыщенными) угле­водородными газами. К предельным природным тяжелым углеводо­родным газам относятся этан (С2Н6), пропан (СзН8) и бутан (С4Н10), которые сравнительно редко встречаются в природных газах угольных пластов, но постоянно присутствуют в газах нефтяных и озокеритовых месторождений. К непредельным (ненасыщенным) тяжелым га­зообразным углеводородам относятся ацетилен (С2Н2), этилен (С₂Н₄), пропилен (С₃Н₆) и бутилен (С4Н₈), которые в природных га­зах встречаются редко и в малых количествах. Непредельные ТУ об­разуются при термическом разложении углей, при крекинге нефти и нефтепродуктов, а также при синтезе углеводородов из СО и Н2

Время полупревращения углеводородов в атмосфере при фотоокис­лении метана очень велико: этана (С₂Н6) — дни; пропана (СзН₈) — 6…8 ч; пропилена (СзН6) — 2...3ч; бутилена (C4H8) — 1...2дня.

Тяжелые газообразные углеводороды содержатся в угольных пла­стах от сотых долей до З...4мл на 1 т угля. В шахтном воздухе содер­жание природных тяжелых углеводородов редко достигает 5... 6% и только в свободных газовых скоплениях угольного генезиса — до 50%. Предельные тяжелые углеводородные газы метанового ряда обладают высокой растворимостью в нефти и озокеритах: под дав­лением в десятки мегапаскалей в 1 м³ нефти растворяются сотни кубометров газа.

С увеличением молекулярного веса газа их раство­римость в нефти повышается. По мере увеличения массы молекул ТУ уменьшается нижний предел взрывоопасной концентрации газа в смеси с воздухом.

Бесцветные, обладающие запахом бензина или сырой нефти, тя­желее воздуха в 3 раза и более, пары ТУ грубо можно подразделить на пары бензина и жидкие ТУ. В СНГ они встречаются в основном в при­родных газах нефтяных (Ухта) и озокеритовых (Украина) месторож­дений.

Наиболее опасное для здоровья человека загрязнение биосферы газообразными углеводородами связано с ароматическими (ареновыми), метановыми (алкановыми), парафиновыми и нафтеновыми (поли­метановыми) углеводородами, а основную угрозу для здоровья челове­ка представляют загрязняющие атмосферный воздух искусственно образуемые полициклические углеводороды: бензопирен, пероксиды, терпеновые и производные бензина, являющиеся канцерогенными веществами. Ароматические ТУ очень опасны для человека, посколь­ку совместно с определенными вирусами оказывают интенсивное на­правленное канцерогенное воздействие: в живых организмах аккуму­лируются сильные канцерогенные полициклические ароматические соединения типа 3,4-бензопирена и бензантрацена. Среднее содер­жание 3,4-бензопирена в выхлопных карбюраторных ДВС достигает 0,5мкг/м³. Кроме того, он поступает в атмосферу при сжигании ми­нерального топлива (уголь, сланцы, нефть).

При низкой температуре и плохих условиях сжигания минераль­ного топлива обычно образуется мало углеводородов. При сжигании топлива отмечается также наличие высокомолекулярных углеводоро­дов — полициклических ароматических соединений, выбрасываемых практически из всех сжигающих устройств независимо оттого, содер­жит ли сжигаемое топливо эти вещества или нет. При этом концент­рация полициклических углеводородов тем больше, чем хуже условия горения топлива.

Среднее содержание ТУ в атмосфере Земли составляет 10...7 %, а глобальная эмиссия газообразных ТУ из природных и антропоген­ных источников оценивается в(590...650)-10⁶т/год, в том числе гло­бальная эмиссия их из антропогенных источников достигла (195...200)-10⁶ т/год.

Метан.

В природных условиях из газообразных органических со­единений наиболее широко распространены метановые (парафино­вые) углеводороды, или алканы, с общей формулой С_пН2_П+2, относя­щиеся к классу ациклических органических соединений. Гомологи­ческие ряды углеводородов, аналогичных углеводородам метанового ряда, например ряд этиленовых (С_пН_2п) и других углеводородов с от­крытыми цепями, встречаются редко.

Метан (СН₄) простейшая основная составляющая природных и антропогенных углеводородных газов. Как первый член ряда предель­ных углеводородов — алканов, это наиболее стабильный компонент соединений углерода и водорода и основной компонент газов, обра­зующихся в органоминеральном слое, где происходит окисление свы­ше 99 % биомассы, ежегодно образующейся живыми организмами при фотосинтезе. Подавляющая часть этого метана поступает в атмосфе­ру Земли, где значительная доля подвергается окислению. На долю ископаемого метана в атмосфере приходится всего около 20 %, т.е. свыше 80 % метана атмосферы является продуктом деструкции орга­нического вещества в органоминеральном слое.

Метан характеризуется только связью С—Н, энергия которой со­ставляет 87 ккал/моль, и отсутствием углеродной связи С—С, при­сущей всем другим углеводородам. Отношение числа водородных к углероду составляет 4 в метане, 3 в этане, 2,66 в пропане, прибли­жается к 2 в высокомолекулярных парафиновых углеводородах и к 1 в ароматических. Следовательно, метан самый восстановленный из всех углеводородов. Исключительное положение метана в зем­ной коре и повсеместное его распространение объясняется также тем, что метан обладает минимальным уровнем свободной энергии (-12,14 ккал/моль), минимальными значениями энтальпии — теп­лосодержания (-17,89 ккал/моль) и теплоемкости при постоянном давлении (8,536 ккал/моль-град), а также максимумом энтропии (44,5 ед. энтропии). Эти свойства метана в сочетании с очень неболь­шими значениями критической температуры (-82,4°С) и высокими значениями критических давлений (4,58 МПа) означают его низкую реакционноспособность.

В атмосферных условиях метан может окисляться озоном (Оэ), особенно под действием небольшого электрического разряда. Окис­лы азота могут также способствовать окислению метана.

Основные объемы метана на Земле приурочены к осадочным поро­дам земной коры, причем кроме самих пород метан находится и в под­земных водах. Метан — обязательный спутник угольных и нефтяных месторождений. Среднее содержание метана в породах осадочного чех­ла, вес которого составляет 2- 10^!8т, не превышает 48,5 г/т (67 см³/кг), а относительное содержание его в кристаллической оболочке Земли примерно 0,09 г/т (0,12 см³/кг).

Повсеместное распространение метана отмечено и в земной коре. В литосфере содержится около 1800000-10⁹т метана в песках и 97000-10⁹ т в осадочных породах, из которых 68000-10⁹ т, или 70 %, приходится на угольные месторождения.

В недрах Земли окисление метана затруднено из-за термодинами­ческих условий, но на больших глубинах в процессе вулканической деятельности, сопровождаемой высокими температурами, возможен процесс полного окисления метана до воды и диоксида углерода:

 

Лекция № 7, (2 часа).

 

n Охрана водных ресурсов.

Существование биосферы и человека всегда было основано на использование воды. На нынешнем этапе развития техносферы, когда увеличивается потребление воды, а соответственно её загрязнение и природные ресурсы в значительной степени утратили свои защитные свойства, необходимы новые подходы, экологизация мышления в отношении такого страшного зла как – загрязнение и истощение вод.

Основные загрязнители воды.