Лекция Парниковый эффект Парниковым эффектом называется

Лекция

Парниковый эффект

Парниковым эффектом называется повышение температуры внутри слоев атмосферы и поверхности планеты, обусловленное тем, что атмосфера более прозрачна для падающего солнечного излучения, чем для уходящего теплового излучения (и своего собственного)

Парниковый эффект определяется разницей ΔТ между температурой поверхности планеты Ts и средней эффективной температурой планеты Te, определяющей величину теплового потока, излучаемого в космическое пространство

Солнечное излучение сконцентрировано в более коротковолновой части спектра, чем тепловое излучение планеты. 75% энергии солнечного излучения приходится на диапазон длин волн от до 0, 4 до 1, 5 мкм, а 75% энергии теплового излучения при температуре Т=300 К (примерно соответствует земным условиям) – на диапазон 8 -28 мкм, т. е. обратное излучение поглощенной солнечной энергии происходит в инфракрасном диапазоне. (Диапазон длин волн видимого света 0, 40 -0, 76 мкм)

Причины появления парникового эффекта Инфракрасное излучение способно поглощаться некоторыми газами, имеющимися в атмосфере. Сильные полосы поглощения таких газов, как углекислый газ СО 2 , водяной пар Н 2 О, сернистый газ SO 2, NH 3 и некоторые другие находятся как раз в инфракрасном диапазоне.

Парниковый эффект не играет заметной роли в формировании климата на тех планетах, где имеется большой поток тепла из недр, сравнимый с солнечным. К таким планетам относятся, например, Сатурн и Юпитер.

На Земле Ts = 288 K Te = 249 K (При содержании углекислого газа в атмосфере 0, 035 об. %). Таким образом, парниковый эффект повышает температуру поверхности Земли примерно на 40 К и играет первостепенную роль в формировании климата планеты.

Сжигание 1 кг топлива приводит в среднем к образованию 3 кг углекислого газа (или примерно 5 куб. м) С + О 2 = СО 2 ( из 12 кг С – 44 кг СО 2) Каждый год сжигается около 2 млрд тонн ископаемого топлива, значит в атмосферу попадает около 6 млрд тонн углекислого газа. Еще приблизительно 1, 7 млрд тонн попадает в атмосферу за счет естественных процессов окисления органического вещества почвы (гумуса).

Если в начале 20 -го века концентрация СО 2 составляла только 0, 029 об. %, то сейчас она уже 0, 035 об. %, т. е. выросла на 20%.

Методы борьбы с отрицательным влиянием парникового эффекта Ограничение выброса парниковых газов в атмосферу (Киотский протокол) Использование возобновляемых видов топлива, участвующих лишь в коротком цикле круговорота углерода

АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОСФЕРУ

Вода сосредоточена на Земле в гидросфере. Собственно гидросфера представляет собой прерывистую оболочку Земли, состоящую из соленой воды (моря, океаны), пресной воды (реки, озера, водохранилища), а также воды в твердом состоянии (снежный покров, ледники).

Однако нужно иметь в виду, что и в составе атмосферы, и в составе литосферы воды тоже немало. Поэтому в более широком смысле под гидросферой можно понимать непрерывную оболочку системы вода-пар, которая включает собственно гидросферу, а также пронизанную водой или парами воды литосферу и атмосферу.

Общая масса воды в гидросфере составляет примерно 2. 1018 т. (масса атмосферы составляло 5. 1015 т, т. е. масса гидросферы на три порядка больше массы атмосферы). Вода занимает 71% всей поверхности Земли и является самым обильным и самым распространенным природным ресурсом. Если бы имеющуюся на Земле воду поровну распределить между всеми жителями Земли, то на каждого из нас пришлось бы по 280 миллиардов литров воды.

Общая масса воды в гидросфере составляет примерно 2. 1018 т. (масса атмосферы составляло 5. 1015 т, т. е. масса гидросферы на три порядка больше массы атмосферы). Вода занимает 71% всей поверхности Земли и является самым обильным и самым распространенным природным ресурсом. Если бы имеющуюся на Земле воду поровну распределить между всеми жителями Земли, то на каждого из нас пришлось бы по 280 миллиардов литров воды.

Вода рек в результате стока обновляется в среднем 1 раз в 12 суток. Вода озер обновляется 1 раз в 10 лет. Воды мирового океана – каждые 3000 лет и даже самая малоподвижная воды в ледниках обновляется каждые 8500 лет.

Больше всего на Земле воды в океанах (примерно 97%). Эта вода имеет повышенное содержание различных солей (в океанской воде, так же как и в литосфере, содержится практически вся таблица Менделеева). К сожалению из-за этого океанская вода непригодна ни для питься, ни для непосредственного промышленного или сельскохозяйственного использования (за исключениям, пожалуй использования в качестве охлаждающей жидкости и то, с ограничениями).

Лишь 3% мировых запасов воды приходится на долю пресной воды. Но человечество может использовать из этой воды лишь 0, 003%, так как остальные количества пресной воды либо слишком сильно загрязнены, либо залегают на слишком большой глубине, либо содержатся в составе айсбергов, полярных льдов, в атмосфере, в почве. Если, например, предположить, что весь водный запас планеты равен 100 л, то на долю воды, пригодной для потребления придется лишь 3 мл, т. е. чуть больше половины чайной ложки.

Вода обладает уникальными свойствами, которые и обусловливают ее роль в природе.

Самая высокая теплоемкость по сравнению с теплоемкостью всех твердых и жидких веществ, кроме жидкого аммиака это свойство воды препятствует чрезмерным перепадам температуры, обеспечивает хороший перенос теплоты при движении воды, а также стремление к поддержанию одинаковой температуры тел. Для изменения температуры воды требуется относительно большое количество теплоты, поэтому температура воды изменяется гораздо медленнее, чем температура воздуха.

Самая высокая (кроме аммиака) теплота плавления это свойство обеспечивает эффект термостатирования в точке замерзания за счет поглощения или выделения теплоты.

Самая высокая удельная теплота испарения это свойство чрезвычайно важно в кругообороте воды в атмосфере, а также для регулирования температурного режима человека.

Аномально высокие температуры кипения и замерзания (100 и 0 С) по сравнению с ближайшими аналогами воды по молекулярной массе. Точка кипения воды примерно на 180 градусов выше той, которая должна была бы быть в соответствии с ее молекулярной массой. Не будь этого вода кипела бы при – 80 С, т. е. жидкой воды в земных условиях не существовало бы.

Аномальное поведение при тепловом расширении. Известно, что максимальную плотность вода имеет при температуре 3. 94 °С, т. е. выше точки замерзания. Поэтому плотность льда меньше плотности воды и он всплывает на поверхность. Это означает, что вода должна промерзать сверху вниз. Однако, когда поверхностный слой воды охлаждается, она становится более плотной и, следовательно, опускается на дно, замещаясь более легкой и более теплой водой из нижних слоев. Это замещение протекает непрерывно до тех пор, пока температура всего слоя воды не достигнет 4 градусов.

Слой льда, существующий на поверхности воды, является, таким образом, тепловым барьером и предохраняет все озера (кроме самых мелководных) от полного промерзания. Дополнительным важным для жизнедеятельности водных организмов следствием этого свойства является то, что в результате такого переноса питательные вещества могут перемещаться со дна водоемов в приповерхностные слои. Этот фактор является важным и при учете роли загрязняющих веществ, таких как фосфор, поступающих в водные системы вместе с отходами.

Наиболее высокое по сравнению с другими жидкостями поверхностное натяжение благодаря этому свойству образуются и сохраняют свою форму капли воды, сохраняются границы клеток.

Способность растворять очень большое количество веществ благодаря этому через водные растворы в растительные и животные организмы могут, в частности, попадать многие питательные вещества; это же свойство обеспечивает многие детали круговорота биогенных элементов в природе. С другой стороны, способность воды растворять многие вещества, в частности техногенные отходы, является причиной таких отрицательных явлений как кислотные дожди, загрязнение природных водоемов токсичными отходами и т. д.

Вода является возобновляемым ресурсом. Примерно постоянное количество воды обеспечивается n во-первых, благодаря круговороту воды в природе, n во-вторых, в результате сочетания химических реакций, идущих с расходованием воды как реагента, с одной стороны, и идущих с образованием воды как продукта, прежде всего это реакции горения.

ВОДНЫЕ МЕСТООБИТАНИЯ Водные местообитания различаются по содержанию в них солей (солоноводные и пресноводные), а также в зависимости от наличия или отсутствия течения (реки с быстро текущей водой, озера, водные заводи и др. ).

Пресноводные местообитания Наиболее важные физические характеристики пресных водоемов – мутность, температура, течение (или его отсутствие) и количество растворенных веществ (нитраты, фосфаты, кислород, двуокись углерода). В озерах и водохранилищах, прудах и речных заводях живут организмы, приспособленные к жизни в спокойной воде.

В зависимости от зоны проникновения солнечного света, различаются виды живых организмов. В верхнем слое озер, куда проникает свет, обитают мельчайшие растения и животные, называемые в совокупности планктоном, и рыбы. Планктон это микроскопические организмы, населяющие толщу воды до глубины, куда проникает свет. Различают фитопланктон и зоопланктон. Фитопланктон включает многочисленные виды водорослей и является продуцентом для водных экосистем. Наряду с фитопланктоном продуцентами являются и водные растения, укорененные в прибрежной зоне озер и прудов. Хотя отдельные особи фитопланктона несопоставимо малы по сравнению с такими растениями, они необыкновенно быстро размножаются и поэтому являются основным источником органического вещества в водных системах.

На глубине, где проникает еще солнечный свети, но мало биогенов – обитают бентосные организмы. (от бентос – глубина) Эти растения развиваются, прикрепившись к дну или укоренившись на дне. Они выживают в бедной биогенами воде, так как получают необходимое питание из донных отложений, но в тоже время нуждаются для проникновения сквозь толщу воды света, необходимого для фотосинтеза.

В более глубоких слоях воды и на дне, где недостаточно света для фотосинтеза, обитают организмы, которые питаются мертвым органическим веществом (детритофаги – пожиратели отбросов).

Различают пресноводные водоемы - Олиготрофные (бедные биогенами), -эвтрофные (богатые биогенами) - мегатрофные водлемы. Процесс эвтрофизации происходит вследствие поступления в водоемы в результате эрозии почвы и процессов выщелачивания больших количеств биогенов.

Морские местообитания По составу растительных и животных организмов существенно различаются прибрежная и глубоководная зоны океанов. Хотя концентрация того же фитопланктона в глубоководной зоне существенно ниже, чем в прибрежной, но за счет огромных размеров океана фотосинтезирующие организмы открытого океана играют огромную роль в мировом балансе кислорода и углекислого газа.

Антропогенное влияние на гидросферу Значительно влияние на воды суши (реки, озера) развивающейся энергетики, транспорта и промышленности.

Проблема кислых дождей – это одновременно и проблема загрязнения поверхностных водоемов кислыми осадками. Значительно загрязнение водных бассейнов соединениями фосфора, поступающими в стоках, содержащих синтетические моющие средства. Много поверхностных стоков, содержащих минеральные удобрения, пестициды и т. п. Они попадают в результате смыва их атмосферными осадками.

Загрязнение вод мирового океана происходит за счет n поступления сбросов с речными стоками и с атмосферными осадками, n захоронения на морском дне загрязняющих веществ (прежде всего радиоактивных отходов); n утечек с морских судов; n аварий, особенно аварий нефтяных танкеров; n добычи полезных ископаемых с морского дна

Основные виды загрязнений. . n Неорганические химические вещества (наибольшую опасность представляют тяжелые металлы – ртуть, кадмий и т. д. ), нитраты … n Органические химические вещества (пестициды, канцерогенные вещества – ) n Болезнетворные микроорганизмы (возбудитель тифа, холерный эмбрион, вирус полиомиелита)

ПОЧВА Почва – верхний слой литосферы, та среда, где взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода, воздух и живые организмы. Под этим тонким слоем, включающим в себя деликатный организм, называемый почвой, находится планета такая же безжизненная, как и луна. Дж. Джекс, Р. Уайт

Почва дает практически всю пищу, которую мы едим, от овощей и фруктов до мяса. Почва обеспечивает нас древесиной, бумагой, хлопком, гравием и другими важными материалами и, что тоже очень важно, помогает очистить воду, которую мы пьем.

Почва удерживается на одном месте растительным покровом. Она накапливает воду, не давая ей излиться всесорущающими потоками, и расходует ее по каплям для питания растений. Микроорганизмы разлагают органические и неорганические вещества почвы, вырабатывая химические вещества, необходимые для жизни живых организмов.

Почвенные бактерии разлагают практически почти все виды выбрасываемого нами мусора. На почве построены дома, дороги, заводы, электростанции…

Структура почвы Почва – это сложная смесь неорганических минералов (преимущественно глины, ила и песка), разложившегося органического вещества (детрита), воздуха, воды и миллиардов живых организмов.

Компоненты почвы располагаются слоями, так называемыми почвенными горизонтами. Каждый горизонт имеет свою собственную мощность, цвет, структуру химический состав, который меняется в зависимости от типа почв. Большинство почв имеет по крайне мере три горизонта. Всего различают шесть почвенных горизонтов.

1. Поверхностный горизонт, подстилка - состоит из свежеопавших частично разложившихся, а частично еще не разложившихся листьев, веток, остатков животных, грибов и других органических веществ. Он обычно окрашен в темный цвет – коричневый или черный.

2. Гумусовый горизонт представляет собой пористую смесь частично разложившегося органического вещества (гумуса), живых организмов и некоторых неорганических минеральных частиц. Обычно этот горизонт более темный и рыхлый, чем нижние горизонты.

Главным компонентом этого горизонта является гумус. Он образуется в результате медленного разложения органических веществ двух верхних горизонтов. Большая часть гумуса не растворяется в воде и помогает удерживать в почве воду и растворимые в воде питательные вещества.

Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Основные функции гумуса сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только основные биогенные элементы азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве.

В двух верхних горизонтах сконцентрированы также бактерии, грибы, дождевые черви и мелкие насекомые. Больше всего в этих горизонтах бактерий и других микроорганизмов-деструкторов. Они полностью или частично разлагают сложные органические и неорганические соединения верхних горизонтов до более простых питательных веществ, растворимых в воде, и, следовательно становящихся доступными для всех растений. Почвенная вода, содержащая эти растворившиеся питательные вещества, всасывается корнями растений и перемещается по стеблям к листьям.

3. Следующий горизонт – зона выщелачивания, в которой происходит перемещение растворенных или взвешенных веществ. 4. Под ней находится горизонт, называемый подпочвой. В нем содержится основная неорганическая часть почвы, представляющая собой различные комбинации песка, ила, глины и гравия, образовавшиеся в результате разрушения горных пород. 5. Под этими горизонтами лежат почвообразующая материнская порода (слабо затронутая почвообразованием горная порода) и 6. Коренная порода (по существу уже верхний слой горной породы).

Итак, почва – сложная система, целостность которой позволяет обеспечивать ее существование и плодородие. Плодородие почвы определяется и содержанием в почве гумуса, и механической структурой почвы, и характером антропогенного влияния.

ЭРОЗИЯ ПОЧВЫ Эрозия почвы представляет собой процесс перемещения почвы, главным образом ее верхних наиболее плодородных горизонтов. Основными факторами естсественной эрозии являются ветер и поверхностные воды. Обычно от такой естественной эрозии почву защищают корни растений.

Хозяйственная деятельность человека, приводящая к уничтожению растительного покрова – распашка земель, вырубка лесов, строительство и т. д. – в значительной степени ускоряет эрозию. Эрозию делят на плоскостную (когда поверхностные воды стекают по склону сплошным потоком), струйчатую (когда с большой скоростью текут узкие ручейки) и овражную (когда отдельные ручейки сливаются воедино).

Для восстановления плодородного слоя толщиной в 2 -2, 5 см в тропических и средних широтах требуется от 200 до 1000 лет. Если средние темпы эрозии превышают средние темпы почвообразования, то происходят необратимые изменения и почва на этом участке земной коры переходит в разряд невозобновимых ресурсов.

Основные причины антропогенного ускорения эрозии Выпахивание - для уничтожения сорняков, верхний слой почвы переворачивают, засыпают и как бы удушают сорняки. Но при этом почва открывается воздействию водной и ветровой эрозии. Почва может при этом оставаться незащищенной в течение значительной части года. Кроме того распаханная земля больше теряет влаги вследствие испарения, что понижает водоудерживающую способность почвы.

Перевыпас. Угодья, где выпадает слишком мало осадков для выращивания культурных растений традиционно используют для выпаса скота. Но если трава съедается быстрее, чем может возобновляться, почва обнажается и становится подверженной эрозии.

Сведение лесов. Лесной покров наиболее приспособлен для сохранения целостности почвы. Сведение лесов может происходить в силу необходимости освоения новых территорий для сельского хозяйства, получения древесины для строительства, деревообработки и бумажной промышленности, для использования в качестве топлива. Если леса вырубаются быстрее, чем происходит новое лесоразведение, результатом является ускоренная эрозия почв.

Проблемы орошения и засоления почв. Без дополнительного орошения многие почвы не могут быть в достаточной степени плодородными, особенно в засушливых районах. Однако искусственное орошение может привести к засолению почв, т. е. увеличению уровня солесодержания в них до уровня не переносимого растениями. Происходит это потому, что даже лучшая поливная вода содержит по меньшей мере 0, 02 -0, 05% солей, перешедших в нее из грунта. Соль вымывается и из минеральных частиц самой орошаемой почвы. По мере того, как вода теряется на испарение, остающиеся в растворе соли могут накапливаться в количестве, препятствующем развитию растений.

Пути предотвращения эрозии, засаливания и опустынивания n n n n новые технологии вспашки – например, вспашка земли перпендикулярно склону узкополосный посев (например, чередование, пшеницы или кукурузы и травы) полезащитные полосы беспахотное земледелие ограничение выпаса восстановление лесов создание системы искусственного дренажа почвы для предотвращения засоления.

Дополнительные проблемы Применение удобрений n Применение пестицидов n Атмосферные загрязнения n Неконтролируемые свалки n