Химическое загрязнение биосферы

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. До определенного этапа развитие человеческого общества, в частности индустрии, в природе существовало экологическое равновесие. То есть деятельность человека не разрушала основных природных процессов или очень незначительно влияла на них. Экологическое равновесие в природе с сохранением естественных экологических систем, существующих миллионы лет и после появления человека на Земле. Так продолжалось до конца 19 – го века. Двадцатый век вошел в историю как век небывалого технического прогресса, бурного развития науки, промышленности, энергетики. Одновременно как сопровождающий фактор росло и продолжает расти вредное воздействие индустриальное деятельности человека на окружающую среду. В результате происходит в значительной мере непредсказуемое изменение и всего облика земли.

Биосфера земли в настоящее время подвергается нарастающему атропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно – бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее 20% его общей поверхности. Нефтяные загрязнения таких размеров могут вызвать существенные нарушения газо – и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического почвы пестицидами и её повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.

Проблемы экологии требуют решения не только самими экологами, но и математиками, физиками, историками, экономистами. Неудивительно, что в настоящее время пристальное внимание уделяется проблеме удаления первопричин возникновения таких нежелательных явлений, как выбросы в атмосферу.

Цель наших исследований показать с помощью математического аппарата области ( ареалы ) загрязнения окружающей среды во временном поселке Таксимо. В данной работе тематика проблемы сознательно ограничена рамками газовых выбросов, так как сжигание угля является одним из основных источников опасных примесей.

Данная работа условно состоит из двух основных частей, приложений и списка использованной литературы.

В первом разделе отражен анализ химического загрязнения биосферы, где подробно рассматривается проблема загрязнения воздуха. Многие из вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, превышают предельно допустимую норму, что крайне неблагоприятно сказывается на здоровье человека.

Во второй части строится математическая модель расчета зоны загрязнения, создаваемой котельными постоянного поселка.

В приложениях размещены, некоторые характеристики исследуемых объектов.

Химическое загрязнение биосферы

В основном существует три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнано, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяются на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних.

Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения является следующие.

Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующем с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете и созданию парникового эффекта. Кроме этого связывает гемоглобин крови и при больших концентрациях опасен для жизни.

Сернистый ангидрит. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или при переработке сернистых руд. Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Сернистый ангидрит оказывает раздражающее действие на слизистую оболочку дыхательных путей, кроме того, губителен для многих видов растений.

Серный ангидрит. Образуется при окислении сернистого ангидрита. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека.

Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются нефтеперерабатывающие, химические предприятия, а также нефтепромыслы.

Оксиды азота, соединения фтора, которые характеризуются токсическим эффектом. Оксиды азота особенно опасны при взаимодействии с углеродами выхлопных газов, где образуют фотохимический туман. Повышенная концентрация NO приводит к отеку легких. Могут вызвать респираторные заболевания и бронхит у новорожденных, способствуют чрезмерному разрастанию водной растительности, что приводит к истощению запасов кислорода в воде, к гибели рыбы и ухудшению качества воды. Основные источники – двигатели внутреннего сгорания и реактивных самолетов, предприятия химической промышленности, лесные пожары.

Соединения свинца. Добавляются в бензин, чтобы повысить устойчивость к детонации, и поэтому содержится в выхлопных газах. В организм через органы дыхания поступает примерно 50% соединений свинца. Под действием свинца нарушается синтез гемоглобина, возникает заболевание дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы. Свинец нарушает работу сердечно – сосудистой системы. Особенно опасны соединения свинца для детей дошкольного возраста.

Аэрозольное загрязнение атмосферы. Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Они имеют как органическую, так и не органическую природу происхождения. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозолей составляет 1 – 5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км. пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и туманы. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ. Промышленная пыль органического происхождения – это угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и др. Дымы образуются при сжигании топлива и его деструктивной переработки, а также в результате химических реакций. Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распыления жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из кислоты: серной, фосфорной и других.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭЦ, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, различные заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего встречаются соединения кремния, кальция и углерода, реже – оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Ещё большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих и других подобных предприятиях.

При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия – расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования фотохимического тумана (смога). По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Цель исследования

В настоящее время в мире проявляется все большая озабоченность проблемами экологии и чистоты окружающей среды. Многие ученые занимаются этой проблемой, изобретают новые приборы, приспособления, помогающие улавливать вредные вещества. Проводятся экологические экспертизы на вредных производствах, при проектировании новых объектов. Одним из таких сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации которых необходимо учитывать экологические требования являются сооружения для получения тепла. В городах это как правило большие ТЭЦ, работающие на твердом или жидком топливе. В небольших населенных пунктах – котельные, работающие на угле, газе, щепе и другом твердом топливе. В нашем поселке для выработки тепла и подачи его в жилые дома и прочие здания построено полтора десятка котельных, все они работают на твердом топливе, в основном на угле. Некоторые из них обслуживают 1 – 2 здания, более крупные – целые жилые микрорайоны. В каждой котельной установлен свой тип оборудования, разные котлы, разная подача угля. При строительстве промышленных зданий, в частности котельных, важно учитывать ряд особенностей. Топливо сгорает не полностью, несгоревшие частицы попадают в атмосферу и оседают на поверхности земли. Размещать котельные нужно так, чтобы как можно меньше негативных воздействий оказывалось на жизнь людей. Необходимо учитывать продолжительность отопительного периода, направление господствующих ветров, среднюю и максимальную скорость ветра.

Рассмотрим следующую задачу: рассчитать зону загрязнения на примере котельной СМП – 694, обслуживающей жилые дома по своему микрорайону, другие здания и сооружения.

Математическая модель решения проблемы

Из всего потока газа выберем одну частицу, относительно которой будут производиться все расчеты. Направим две оси: ось Х горизонтально и ось У вертикально, начало координат на уровне земли в точке О. в начальный момент частица движется со скоростью V, на ось Х она дает проекцию Vх, равную скорости ветра, на ось У проекция Vу, равная скорости вылета из трубы. Расстояние ( R ), пройденное частицей по оси Х находится по формуле R = Vх ∙ t (1).

Высота ( S ) частицы определяется по формуле S = Н + Vу∙ t + g ∙ (2), где Н – высота трубы, g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения. Из формулы (2), решая квадратное уравнение, находим t.

Подставляя данное выражение в (1), получаем формулу для расчета искомого расстояние полета частицы: R = ( 3).

Как найти скорость Vх ? очевидно, она зависит от разницы давлений. Эта разница возникает в результате перепада высот между началом и концом трубы ( Р1, Р2 ).

Р = Р2 - Р1. таким образом, в результате нагревания частица при вылете из трубы приобретает скорость Vу = , где т – масса исследуемых частиц, а S – площадь поперечного сечения трубы. После преобразований, формула (3) принимает вид: R = (4).

Результаты исследований

В процессе математического моделирования анализировалось уравнение (4).

Результаты исследования были применены к котельной СМП 694, характеристические данные которой следующие:

Количество труб 2;

Высота трубы Н = 33 метра,

Диаметр трубы Д = 1,2 метра.

Выбрасываемые частицы: окись серы, окись азота, окись углерода, аэрозоли.

По предложенной формуле были произведены расчеты. Результаты следующие:

1. Радиус рассеивания дыма ( оксид углерода, сажа ) составил приблизительно 4200 – 5000 метров.

2. Тяжелые частицы оседают на землю на расстоянии до 1250 метров.

3. В случае штиля ( скорость ветра 0,2 м / с ) радиус загрязнения равен 140 метров.

Однако нашу модель нельзя назвать идеальной, так как в ней не учитывается сила сопротивления воздуха при падении частиц, угол разлета при хаотичном движении молекул, действие движущихся масс воздуха во время штиля и другие, незначительные на наш взгляд физические характеристики, хотя они играют немаловажную роль в решении экологических проблем.

Заключение

По исследуемой модели можно сделать следующие выводы:

1. Основными загрязнителями являются отопительные системы, так как сжигание угля является одним из основных источников опасных примесей. Однако не стоит забывать и про транспорт, потому что он тоже является опасным источником загрязнения.

2. Анализируя входные данные по направления и скорости ветра, можно определить зону загрязнения от источника; в неё попадает значительная часть зданий поселка, что негативно сказывается на здоровье таксимовцев.

3. Из формулы видно, что скорость частиц зависит от высоты трубы и скорости ветра.

4. Согласно полученных данных расположение школ № 1 и №2, ДДТ «Радуга»выбрано непродуманно. Поэтому в связи с нарастающим количеством выбросов здоровье школьников подвергается всё большей опасности.

5. Количество выбрасываемых вредных веществ можно было бы сократить, если на предприятиях использовались пылеуловители.