Круговорот веществ в биосфере

Введение

Экология (от греч. “ekos” – дом и “logos” – учение: “наука о доме, месте обитания”) – наука о взаимоотношении живых организмов с окружающей средой. В зависимости от объекта и угла зрения под которым он изучается бывают направления:

1. В зависимости от размерности объекта делят:

а) Аут-экология – взаимодействие организма и среды.

б) Популяционная экология - популяция и ее среда.

в) Синэкология – сообщество и среда.

г) Глобальная экология – изучает биосферу.

2. В зависимости от объекта: растений, животных, человека, промышленности и тд:

а) Экология человека – научная дисциплина изучающая взаимодействие человека со средой обитания.

б) Промышленная экология – научная дисциплина занимающаяся принципами создания экологически чистых технологий.

Учение о биосфере

В первые понятие “биосфера” введено в науку в 19 в. французским ученым Ламарком, но основы науки были разработаны русским ученым Вернадским (1863-1945 гг.). Согласно учению Вернадского биосфера представляет собой оболочку Земли включающую как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Вещество биосферы состоит из 7 компонентов:

1) Живое вещество – совокупность всех живых организмов на планете: растения, животные и т.д.

2) Биогенное вещество – вещество создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении биологической истории: уголь, нефть и т.д.

3) Косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещества неорганического происхождения, образующиеся в процессах в которых живое вещество не участвует.

4) Биокосное вещество – вещество создаваемое одновременно в процессе жизнедеятельности живых организмов и неорганической природы, живые организмы играют ведущую роль (вода биосфера, почвы, илы и т.д.).

5) Вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада.

6) Рассеянные атомы непрерывно образующегося из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения.

7) Вещество космического происхождения: пыль, остатки метеоритов и т.д.

 

5 основ функции живого вещества:

1) Энергетическая – выполняется растениями, в основе - фотосинтез.

2) Газовая – обеспечивает газовый состав биосферы.

3) Концентрационная – живые организмы могут служить для человека источником как полезных веществ (витамины, аминокислоты), так и опасных для здоровья (тяжелые металлы, ядохимикаты).

4) Деструктивная – процессы разложения мертвой органики, химически разрушают горные породы.

5) Средообразующая – состоит в трансформации химических параметров среды в условии благоприятные для существования организмов, обеспечение газового состава атмосферы, химического состава гидросферы, литосферы.

Появление человека привело к тому, что биосфера начинает преобразовываться и подвергаться активному вмешательству человека. В настоящее время в отличии от первичной биосферы выделяется новое состояние природы – биотехносфера, для нее характерны:

1) некоторые отклонения от газовых параметров атмосферы,

2) изменение в гидросфере,

3) непрерывно возрастающее потребление ресурсов привело к их истощению,

4) загрязнение природной среды отходами хозяйственной деятельности человека.

Очевидно, что нужно так управлять процессами между человеком и биосферой, чтобы они были взаимовыгодными. Вернадский полагает, что в настоящее время человечество должно создать новую оболочку Земли – ноосферу (разумную оболочку) – закономерный этап развития биосферы, этап регулирования, разумного взаимодействия человека и природы.

 

 

Строение биосферы

- включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние слои литосферы. Границы этих элементов биосферы определяются условиями, при которых возможно существование живых организмов. Нижней границы биосферы опускаются на 2-3 км от поверхности на суши и на 1-2 км ниже дна океана. Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой с максимальной плотностью на высоте 20-25 км. Выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование жизни. Протяженность биосферы по вертикали 33-35 км. В пределах биосферы выделяется биогеосфера – пленка жизни – своеобразная оболочка Земли где сконцентрировано практически все живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и верхней частью водной оболочки Земли. Толщина биогеосферы колеблется от нескольких метров в степях и пустынях, до сотен метров в горах и морях.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, массой 5,9*10¹⁵ тонн. Состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, между которыми располагаются переходные зоны.

Тропосфера. На ее долю приходится ¾ всей земной атмосферы. Толщина ее 7-18 км. Температура воздуха по высоте уменьшается примерно на 0,6⁰ на каждые 100 метров, колеблется примерно от +40⁰ до -50⁰ С.

Стратосфера. Протяженность примерно 40 км. Температура воздуха на высоте 20-30 км постоянно около -50⁰С, затем начинает повышаться и на высоте 50 км достигает -10⁰С. В пределах стратосферы имеется озоновый слой. Высота его у полюсов примерно 7-8 км, у экватора 17-18 км. Максимальная высота присутствия озона 45-45 км. Озоносфера в следствии большого содержания озона поглощает ультрафиолетовые лучи, что и обуславливает повышение температуры.

Мезосфера. Количество озона уменьшается, средняя температура порядка -80⁰С.

Ионосфера. С увеличением высоты температуры увеличивается и на высоте 500-600 км примерно составляет 1600⁰С.

Экзосфера. Высота 800 км, еще обнаруживается газы атмосферы в атомарном состоянии. Силы притяжения Земли недостаточны для удержания материальных частиц, которые рассеиваются в космосе.

Химический состав воздуха до 100 км практически неизменен и состоит: 78,1% азота, 20,9% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% диоксида углерода. Выше 600 км в атмосфере преобладает гелий, а выше 2000-3000 км - водород.

Гидросфера – водная оболочка, включает совокупность поверхностных вод, воду в литосфере и атмосфере. Основная часть поверхностных вод в мировом океане, занимающие 71% поверхности Земли и включает примерно 96% всей воды. Доля пресных вод – 2,5%, однако 70% этой воды в ледниках. Вода в атмосфере главным образом - водяной пар и его конденсат.

Свободные воды гидросферы по вертикали делятся на 2 зоны. Верхняя зона эуфотическая – определяется глубиной проникновения солнечного света примерно 200 м. В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов. Афотическая зона – не протекает солнечный свет, обитают живые организмы использующие готовые органические вещества, которые синтезировали организмы эуфотической зоны.

Литосфера – внешняя прочная оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю часть мантии Земли. Жизнь в литосфере концентрируется в почве. Соотношение 3х фаз в почве: твердых минеральных веществ, жидкости, воды – определяющих основ физических свойств почвы как среды обитания живых организмов.

 

Типы взаимоотношений между различными категориями организмов в экосистеме

1) Пищевые – являются важнейшими между организмами. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другими и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Продуценты, консументы, детритофаги – разные звенья этой цепи называемой пищевой или трофической.

2) Мутуалистические – под этим видом взаимоотношений понимают, что один из видов извлекает выгоду, а другому наносится вред. Однако существует не мало случаев когда виды вступают во взаимовыгодные отношения (мутуализм). Классический пример: цветок и насекомое.

3) Конкурентные – растущие бок о бок растения должны конкурировать между собой за воду, биогены, свет и пространство. Конкуренция между растениями различного типа может существенным образом отражаться на характере экосистемы в целом. В стабильной экосистеме животные если конкурируют то редко, конкуренция сводится к минимуму счет того, что разные виды животных приспособлены к питанию разной пищей в разных местах в разное время.

Абиотические факторы

- химические и физические факторы среды. Все факторы действуют на организм одновременно. Степень присутствия или отсутствия каждого из них существенно отражается на жизнеспособности организмов, но не одинаково для разных видов, что существенно влияет на экосистему в целом. На пример: некоторые растения предпочитают влажную почву, а некоторые сухую.

Воздействие абиотических факторов на примере температуры:

8-18 – зона усиливающегося стресса,

8-38 – диапазон устойчивости (толерантности),

8-28 – зона оптимума.

Результаты показывают, что по мере повышения температуры от некоторой точки до которой рост невозможен, растения развиваются все лучше и лучше и достигает максимального уровня. Затем при дальнейшем превышении температуры (28-38) растение будет себя чувствовать все хуже и хуже, появляются нарушения и оно погибает. Температура, при которой наблюдается максимальный рост (18-28) – зона оптимума. Весь интервал температуры, когда возможен рост, называется диапазоном устойчивости (толерантности). Точки, ограничивающие его - предел устойчивости. Подобные эксперименты были проведены и для других абиотических факторов. Результаты аналогичные. Это позволило сформулировать фундаментальный биологический принцип. Для каждого вида растений и животных существует оптимум, стрессовые зоны и пределы устойчивости в отношении каждого фактора среды. Лабораторные исследования позволили сделать еще один вывод, т.к. в ходе исследования менялся один фактор, а остальные оставались в зоне оптимума, то, следовательно, наблюдали действие закона лимитирующих факторов, а именно даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию, а за пределом устойчивости к гибели. Такие факторы лимитирующие. Это относится к любому влияющему на рост параметру, которого слишком много или слишком мало. Так стресс и гибель растения вызывают как чрезмерный полив и избыток удобрений, так и их недостаток. И так, в своем развитии любой организм ограничен минимальным количеством какого-либо компонента для жизнедеятельности и добавление другого компонента не заменит недостаток лимитирующего.

 

Экологические пирамиды

Графически структуру экосистемы представляют в виде экологической пирамиды (пирамида Элтона). Также существуют пирамиды чисел, биомасс, энергий. Пирамида чисел представляет собой первое приближение к изучению трофической структуры. Установлено основное правило, согласно которому, в любой среде растений больше чем животных, травоядных больше чем плотоядных, насекомых больше чем птиц. Можно констатировать, что при переходе одного трофического уровня к другому число особей уменьшается, а размеры из увеличиваются.

Пирамида биомасс более полно отображает пищевые взаимоотношения, тк она показывает биомассу в данный момент времени, на каждом уровне пищевой цепи.

Пирамида энергии показывает эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей. Она стремится путем подсчета количества энергии аккумулированной единицей поверхности и за единицу времени, и которое используется организмом на каждом трофическом уровне. Расчет теоретической экосистемы сведенный к одной элементарной пищевой цепи провел американец Одум. Исходная продукция люцерна посеянная на 4 га. Люцерной можно прокормить 4-5 телят, которыми питается 12-летний мальчик.

Расчеты проведенные на основе этих показателей свидетельствуют о том, что эффективность всех 3х уровней невысокая. Так люцерна использует 0,24% всей солнечной энергии, телята 8% и только 0,7% энергии накопленной телятами приходится на рост и развитие мальчика. Очевидно, что для мальчика достаточно 1/10⁶ части всей солнечной энергии, которая поступает на 1 га занятой люцерной в поле. Таким образом КПД при переходе от одного звена пирамиды ее вершины значительно уменьшается. Это всеобщее явление: зеленые растения используют 0,1-1,2% солнечной энергии, фитофаги 3-10%, консументы 2-го порядка от 2-12%.

Нельзя не принимать во внимание то, что существенная часть энергии расходуется на удовлетворение энергетических потребностей организма. Следует отметить, что биомасса выпавшая из цепи питания не теряется для экосистемы, она служит основой других цепей питания.

 

Формирование экосистем

Экосистемы формируются под воздействием биотических и абиотических факторов. Абиотические факторы: 2 абиотических фактора среды (температура и количество осадков) определяют размещение на земной поверхности основных наземных популяций. Влага – основной фактор определяющий разделение экосистем на лесные, степные и пустынные. Это происходит следующим образом: годовая сумма осадков ниже 1000 мм соответствует стрессовой зоне для многих видов деревьев, а предел устойчивости для них составляет около 750 мм в год. В тоже самое время у злаков предел устойчивости ниже 250 мм в год, а кактусы способны произрастать при 50-100 мм в год. Соответственно в местах с количеством осадков более 750 мм в год развиваются леса, от 250-750 мм – степи, в других случаях пустыни.

Температура также важна для определения характера экосистемы, однако ее роль меньше в сравнении с осадками. При количестве осадков 750 мм в год температура лишь определяет какой именно лес будет формироваться в регионе. От температуры зависит скорость испарения воды: чем теплее, тем быстрее теряется выпавшая влага, поэтому в жарких регионах пустыни сменяются лесами при большей сумме осадков, чем надо.

Действие других абиотических факторов (рельеф, ветер, тип почв) происходит опоследовательно через температуру и влажность. В ряде случаев в качестве лимитирующего факторов выступает не только температура и осадки, но и другие абиотические факторы. Например: высокую засоленность берега море выдерживают не многие виды растений.

В роли лимитирующего фактора нередко выступают и биотические факторы, те путем воздействия одних видов на другие. Так при годовой сумме осадков выше 750 мм в год условие для развития злаков весьма благоприятны, однако такая же влажность способствует и росту деревьев затемняющих злаки, что приводит к гибели последних. Таким образом, фактор препятствующий развитию злаков на территории является биотическим, а именно конкуренцией растений может так же ограничиваться грибами – паразитами и животными.

Физические барьеры – море, горные хребты, пустыни. Именно их наличие объясняет тот факт, что экосистемы, развивающиеся на разных континентах, на далеких от них островах в сходных абиотических условиях могут сильно отличаться по своему видовому составу. Необходимо отметить, что не один из факторов не действует в одиночку. Например, засуха может привести к гибели птиц, а это вызовет рост насекомых, повлечет за собой массовое поражение растений, которые служат пищей других консументов.

Существование экосистемы поддерживается очень тонким взаимодействием лимитирующих факторов, влияющих на все виды организмов. Нельзя изменит какой-либо фактор не затронув существование всех элементов экосистемы. Следовательно, изменение любого (биотического или абиотического) фактора должно неизбежно приводить в действие цепную реакцию с далеко идущими последствиями.

 

Устойчивость экосистемы

Основой равновесия является равновесие популяций.

Популяцией называется группа особей скрещивающихся друг с другом и таким образом размножающихся. Стабильность популяции означает, что рождаемость в ней уравновешивается смертью. Другим фактором ведущим к росту популяции является способность животных мигрировать, а семян рассеиваться в подходящем для жизни месте на новых территориях. Наличие у популяций защитных механизмов – следующий фактор и устойчивость их к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Совокупность всех этих факторов называется биотическим потенциалом. При благоприятных условиях среды биотический потенциал достаточен для стремительного увеличения численности популяции, так называемый популяционный взрыв. В естественных условиях такое бывает редко. Обычно один или несколько абиотических факторов (температура, кислотность, влажность) или биотических (присутствие хищников, нехватки пищи), становится лимитирующим. Сочетание таких лимитирующих факторов называется сопротивление среды. Таким образом, изменение популяции какого-либо вида – результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением среды. Устойчивость экосистем в целом, определяется равновесием биотического потенциала и сопротивления среды Равновесие в природных системах поддерживается в пределах некоторого диапазона, те фактор сопротивления среды зависит от плотности популяции. Если плотность растет, сопротивление среды усиливается, в связи с этим увеличивается смертность и рост численности прекращается или даже сменяется ее спадом, и наоборот.

Рассмотрим на примере хищник - жертва. Когда численность жертвы невысокая, пищи и удобных укрытий достаточно, численность популяции начинает расти, не смотря на присутствие хищника. С ростом популяции жертвы улучшаются условия для хищника и его численность растет. Вскоре популяция жертвы начинает испытывать сопротивление среды (нехватка пищи, множество хищников) и их численность начинает уменьшаться. Выживают только сильные особи жертвы. Шансы их поймать у хищников снижаются. Они испытывают недостаток пищи и численность хищников уменьшается, начинается рост популяции жертвы и процесс продолжается и тд. Тоже самое в равновесии продуцент – фитофаг.

Воздействие человека на природу нередко приводит к вымиранию популяции, тк сила воздействия не зависит от их плотности. Разрушение человеком экосистем, изменение мест обитания, загрязнение среды и чрезмерная эксплуатация ресурсов одинаково влияют на популяцию как с низкой так и с высокой плотностью.

Например. В Австралию в 1980-х годах завезли кроликов для спортивной охоты. После дождей выросло много травы, что вызвало рост популяции кроликов, которые и уничтожили всю траву и посевы. Местных хищников для кроликов нет.

 

Изменение экосистем

Естественные экосистемы существуют длительное время и обладают определенной стабильностью, но любая экосистема испытывает медленное, но постоянное изменение во времени. Постоянно происходит вытеснение одних видов другими – субцессия.

Первичная субцессия – процесс развития и смены экосистемы на незаселенных ранее участках. Пример: замена озерной экосистемы лесом. Так ручьи и реки впадая в водоем приносят частицы почвы, которые оседают на дно, когда донные отложения оказываются близки к поверхности воды, появляются кувшинки, корни которых хорошо скрепляют наносы. Наконец наносов становиться столько, что он обнажается из под воды, что он становится доступным для заселения деревьями и травами – наземная экосистема постепенно заменяет озерную. Постепенно озеро полностью зарастает лесом.

Вторичная субцессия – процесс восстановления экосистемы, когда-то существовавшей на этой территории. Например, если поле на месте вырубленного здесь леса перестать обрабатывать, то обычно за несколько стадий здесь вновь сформируется лесная экосистема типичная для данного района.

Как для первичной, так и для вторичной субсцессии необходимы семена и споры растений, а так же животные которые могут заселить экосистему. Для вторичной субсцессии необходимо чтобы с самого начала был плодородный слой почвы. Если он уничтожен, то субсцессия пойдет по пути первичной. Субсцессия завершается стадией когда все виды экосистемы размножаясь сохраняют относительную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему климаксовой.

В различных абиотических условиях формируются различные климаксовые экосистемы. В жарком климате – пустыни и тд. Насколько быстро меняются экосистемы (за годы или 1000-летия) зависит от степени сдвига равновесия. При субсцессиях изменение происходит медленно и постепенно, однако возможны и внезапные резкие изменения, вызывающие популяционный взрыв некоторых видов за счет гибели большинства других. В таких случаях говорят об экологическом нарушении. Оно возможно, например при вторжении в экосистему новых видов (про кроликов, сброс в воду нечистот – вызывает бурный рост водорослей). Наконец изменения могут быть столь резкими, что не один компонент экосистемы не сохраняется – говорит о ее гибели. На освобождающимся месте в последствии могут поселится другие виды, которые способны выдержать новые условия, они начинают новую субсцессию. Важно отметить, если не считать извержения вулканов, землетрясения, то все изменения экосистем протекают постепенно по типу субсцессии. Тогда как вмешательство человека бывает резким, приводящим к гибели экосистемы.

 

Экосистемы человека

Формирование и развитие

Первобытные люди жили мелкими племенами охотников – собирателей, охотясь на животных и собирая различную пищу, и покидали территорию по мере истощения пищи. Такие охотники-собиратели ничем не отличались от других всеядных консументов естественных экосистем. Однако примерно 10000 лет назад произошло важное событие – появилось сельское хозяйство. Люди стали создавать свою собственную экосистему, отличную от естественной. У человека появилась возможность обеспечивать себя пищей, человек научился производит продовольствие, бороться с хищниками, строить жилище. Таким образом избавление от природных лимитирующих факторов (пища, вода, хищники) позволило человеческой экосистеме вырасти и распространятся по всей земле. Этот процесс продолжается до сих пор.

Сейчас наша экосистема находится на стадии быстрого роста, но мы не в состоянии изменить закон лимитирующих факторов и избежать его воздействия. Когда запасы воды, почвы истощаться, неизбежно возникнут социальные войны, голод, разрушение цивилизации. Земля снова станет необитаема.

 

Статистические показатели:

Плотность населения – количество человек на 1 км². Численность – количество человек в пределах некоторой пространственной единицы. Численность человеческой популяции определяется путем переписи населения всего государства. Плотность населения определяется без учета неравномерности распределения по площади. Показатели структуры: половой (соотношение полов), размерным (соотношение людей разных размеров), возрастной.

Динамические показатели:

Рождаемость – число людей рождаемых в единицу времени. Смертность число людей погибших в единицу времени. Убыль и прибыль – зависят не только от рождаемости и смертности, но и от скорости эмиграции и иммиграции. Уменьшение или убыль – зависит от смертности и эмиграции.

Продолжительность жизни: различают физиологическую и максимальную продолжительность жизни.

Физиологические – определяются только физиологическими возможностями организма.

Максимальная продолжительность жизни - та, до которой может дожить лишь малая доля в реальных условиях среды.

Смертность и рождаемость существенно изменяются с возрастом. Только увязав смертность и рождаемость с возрастной популяцией можно вскрыть механизм общей смертности и определиться со структурой продолжительности жизни. Эту информацию можно получить из демографической таблицы, которая содержит сведения о характере распределения смертности с возрастом.

Демография - изучает размышление, численность, состав и динамику народонаселения, а таблицу используют для определения ожидаемой продолжительности жизни.

С древнейших времен до начала 19 века численность народонаселения колебалась около нескольких сотен миллионов человек, то медленно возрастая, то снижаясь из-за эпидемий и волн голода. Однако за последние 200 лет ситуация заметно изменилась. Население перешло от состояния медленного роста к эпохе взрыва подобного увеличения. В настоящее время численность населения ежегодно увеличивается на 90 миллионов человек. В течении 2х последних десятилетий темпы прироста начинают снижаться. По прогнозам в середине этого столетия численность населения стабилизируется порядка 10 миллиардов. С проблемой народонаселения придется решать проблему изменения климата и истощения ресурсов.

По степени истощения

Истощение природных ресурсов с эколог точки зрения – несоответствие между безопасными нормами изъятия природного ресурса из природных систем и потребностями человека.

Неисчерпаемые: солнечная энергия и вызванные ей природные явления.

Исчерпаемые: имеют количественные ограничения, но одни из них могут возобновляться (очистка воды, воздуха), однако другие нет: топливо, железная руда – конечные и не возобновляются. Одним из важнейших факторов выживания человека – является ограниченность и исчерпаемость важнейших для него ресурсов.

Ресурсообеспеченность.

-соотношение между величиной ресурсов и размерами их использования. Она выражается либо количеством лет на которое должно хватить данного ресурса или запасами - лет на душу населения. На показатели ресурсообеспечености прежде всего влияет богатство или бедность территории ресурсами, но не меньшее значение играют и масштабы потребления. По ресурсообеспеченности нельзя судить о размерах запасов, надо учитывать извлечение и т.д. Потребление природных ресурсов человеком обусловлено тем, что человек хочет снизить влияние лимитирующих факторов и развить свою антропогенную экосистему.

Атмосфера.

Кислотные осадки

- называется дожди, туманы, снег, которые имеют pH меньше 7 из-за содержания в них соединений содержащих серную и азотистую кислоты. Источники: продукты сгорания топлива, выбросы химических и металлургических предприятий. Время пребывания SO₂ в атмосфере около 15 дней. Во влажной атмосфере диоксид серы образует сернистую кислоту, которая с озоном дает серную. Основное самоочищение атмосферы происходит за счет выпадения дождей и снега, а также при сухом осаждении кислых осадков в виде SO₂ или газа абсорбируемого на пыли или SO₂ растворенного в каплях тумана, которым медленно образуется аэрозоль серной кислоты. Оксиды азота NO и NO2 служат источником образования атмосферной азотной кислоты. В отличии от серной азотная дольше остается в атмосфере в газообразном состоянии, тк она плохо конденсируется. Пары азотной кислоты поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозолей. Значение pH среды значительно важно, тк во-первых это прежде всего процессы которые идут в живых организмах особенно у обитателей водоемов адаптированных к pH7. В более кислотной среде они погибают. Таким образом изменение затрагивает пищевые цепи, сокращая популяции птиц питающихся обитателями вод, а потом хищников Во-вторых, кислотные осадки вызывают деградацию лесов. Кислота, попадая на листья нарушает восковой покров делая растения уязвимыми для бактерий. Третье, попадая на почвенные покровы, начинается процесс выщелачивания биогенов. При pH4 резко снижается активность продуцентов и азотофиксаторов. При попадании в почву кислоты выщелачивают алюминий и тяж металлы, раньше находившиеся в нерастворимом состоянии. В четвертом, под воздействием кислотных осадков ускоряется процесс коррозии в строительных мет конструкциях.

Нарушение озонового экрана

Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое излучение солнца в диапазоне волн меньше 310нм. Известно, что более 99% ультрафиолетового излучения солнца поглощается слоем озона на высоте в среднем 25км от поверхности Земли. Озон образуется в стратосфере где под воздействием ультрафиолетового излучения молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомарного кислорода. На высоте 30-35км атомарный кислород взаимодействует с кислородом с образованием озона.

О₂=О+О Q+O=O₃

Естественные процессы кругооборота озона нарушаются из-за его разрушения оксидами азота и атомами хлора. Оксид азота – ДВС, высокотемпературные технологические установки. Атомарный хлор образуется в ходе фотохимического разрушения CF₂Cl₂ и CFCl₃ содержащийся в холодильниках и аэрозолях.

Уменьшение озонового слоя толщина которого в среднем составляет 2-3мм может привести к нарушению теплового баланса, оказывает влияние на биологические процессы (ожоги, разрушение иммунной и генной системы)

Парниковый эффект

Понимается специфическое явление, которое означает следующее. Солнечная радиация падающая на землю частично поглощается поверхностью суши и океаном, а 30% ее отражается в космос, причем поглощенная энергия солнечная радиации преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистая атмосфера прозрачна для инфракрасного излучения, а атмосфера содержащая пары парниковых газов (3х атомных - вода, углекислый газ, оксиды серы и т.д.) поглощает инфракрасные лучи благодаря чему происходит разогрев воздуха. Поэтому парниковые газы выполняют функцию стеклянного покрытия как в теплицах. Естественный парниковый эффект создает прирост средней температуре на 30⁰ С. При его отсутствии средняя температура земли составляет в наст время 15⁰ С снизилась бы до -15⁰ С, те началось бы обледенение. Природное равновесие содержания в атмосфере парниковых газов претерпело серьезные изменения. В наст время ежегодный прирост СО₂ увеличивается на 3,4% в год. Увеличение содержания углекислого газа на 60% по сравнению с современным уровнем вызовет рост температуры на 2 градуса. Это значит что если до 2050 года потребление ископаемых топлив не сократится то концентрация СО₂ в атмосфере удвоится и температура поверхности земли увеличится на 3⁰ С. К сожалению возрастает дополнительный вклад аммиака, фреонов, метана. Если темпы их роста сохранятся на современном уровне, то к 2020 году их действие будет эквивалентно удвоению концентрации углекисл газа в атмосфере. Потепление на земле по мнению климатологов за счет роста температуры на 0,1⁰ С считается значительным и до 3⁰ С критическим. Таяние полярных льдов приведет к повышению уровня мирового океана на 100м изменение перепада температуры между зонами полюсов и экватора нарушит естественную циркуляцию атмосферы и произойдет глобальное изменение климата.

Метод абсорбции.

-часто называют скрубберным процессом. Очистка заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких компонентов (абсорбантов) абсорбентом (жидким поглотителем) с образованием раствора. Этот метод широко используется для очистки от СО,СО₂,SO₂,H₂S, оксидов азота, аммиака, галогенов. Решающее условие растворения абсорбантов в абсорбенте. Для удаления таких газов как NH₃,HCl и тд целесообразно применять воду, т.к. их растворимость в воде составляет сотни грамм на кг воды. При поглощении такого газа как сернистый ангидрид расход воды будет значителен, тк их растворимость в воде сотые граммы на кг воды. Иногда вместо воды применяют растворы сернистой кислоты – для улавливания паров воды. Для улавливания паров ароматических углеводородов используют вязкие масла. Все аппараты этого метода называют скрубберы. Организация контакта газа с жидким растворителем осуществляется пропусканием газа через осадочную колонну, либо распылением жидкости, либо бормотажем газа через слой абсорбирующей жидкости.

Метод хемосорбции

- основан на поглощении газа или пара твердым или жидким поглотителем с образованием малолетучих и малорастворимых соединений. Примером хемосорбции может служить очистка газа от углеводорода с использованием мышьякового щелочного ряда: Na₄As₂S₅+O₂+H₂S=Na₄As₂S₆O+H₂O. Регенерацию раствора проводят путем окисления кислородом: Na₄As₂S₆O+H₂O₂=Na₄As₂S₅O₂+S↓. Хемосорбция один из распространенных методом очистки газов от оксидов азота путем их абсорбции бикарбонатами щелочных металлов. Основными аппаратами являются: насадочные башни, пенные бормотажные скрубберы и распылительные аппараты Вентури.

Метод адсорбции

- основан на физических свойствах твердого поглотителя с ультра микроскопической структурой. Селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, селикогель, цемент. Адсорбенты нельзя использовать для очистки очень влажных газов. некоторые адсорбенты иногда пропитывают соответствующими реактивами повышающими эффективность адсорбции, т.к. как на поверхности адсорбентов происходит хемосорбция.

Адсорбционная установка для удаления СО₂ из топочного газа

1 – адсорбер, заполненный активированным углем. Топочный газ проходит через камеру охлаждения 2 и подогревает воздух поступающий в топку. Затем он поступает в адсорбер 1 где происходит улавливание из топочного газа SO₂. Очищенный газ из верхней части адсорбера выбрасывается в атмосферу. Адсорбент после насыщения SO₂ пересыпается в десорбер 3, где при подогреве до 300⁰-600 ⁰С очищается от SO₂, те происходит регенерация активированного угля. Восстановленный адсорбент поступает в бункер 4, а затем по элеватору в адсорбер 1.

Адсорбцию широко используют для очистки SO₂, сероводорода активированным углем, для очистки паров растворителей из воздуха при окраске автомобилей, паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве гидроцелюлозы, очистке выхлопов автомобилей.

Термическая нейтрализация

-основан на способности горючих токсичных компонентов окислятся до менее токсичных при наличии кислорода и высокой температуры. Область применения ограничивается образующимися при окислении продуктов реакции. Так при сжигании газов содержащих фосфор, серу образующиеся продукты во много раз по токсичности превышают исходный газовый состав. Исходя из этого, метод термической нейтрализации применим для выбросов, которые содержат токсичные органические вещества, но не содержащие серу, галогены, фосфор. Различают 2 метода термической нейтрализации:

1) прямое дожигание производится непосредственно в факеле, либо в топках. Это используется когда исходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии для процесса.

2) термическое окисление - применяют когда отходящие газы имеют высокую температуру, но мало кислорода, либо когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты необходимой для поддержание пламени. Если у отходящих газов высока температура, то дожигание производят путем подмешив