Семестровая работа по «Химия окружающей среды»

Министерство образования РФ

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

 

 

 

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Химия окружающей среды»

Вариант 13

 

 

Выполнил:

студент группы ХТ-445

Ракитин Л. С.

Проверила: доц. каф. ПЭБЖ

Хохлова Т.В

 

 

 

Волгоград  2011

1 Причины, приводящие к температурным инверсиям. Связь значения температурного градиента в тропосфере с устойчивостью атмосферы.

 

Одной из наиболее важных характеристик атмосферы  является ее устойчивость, т. е. ее способность препятствовать вертикальным движениям воздуха и сдерживать турбулентность. Когда небольшой объем воздуха перемещается в атмосфере вверх, он оказывается в слоях с более низким давлением и испытывает расширение с понижением температуры. Обычно такое расширение происходит достаточно быстро, т. е. можно предположить отсутствие теплопередачи между рассматриваемым объемом воздуха и окружающей атмосферой (адиабатическое расширение).

Рассмотрим  атмосферу в приближении сухого идеального газа. В отсутствие трения и инерционных эффектов соотношение между изменениями давления Р и высоты Н для элементарного объема газа V в гравитационном поле имеет вид:

 

где р — плотность атмосферы (предполагается постоянной): g — ускорение силы тяжести; G — гравитационная постоянная.

Первый закон  термодинамики для замкнутой  системы, состоящей из идеального газа, может быть записан в виде:

 

где dQ — количество передаваемого тепла; U — внутренняя энергия системы; W — работа, совершаемая системой; Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении системы.

В случае адиабатического  процесса уравнение (1.10) преобразуется  к виду:

 

Тогда

 

Если пренебречь изменением g и Ср с высотой, то, подставляя численные значения g = 9,806м/с2, G = 1, Ср = 1,005 кДж/(кг • К) (при температуре 18-25°С), получим:

 

Это соотношение  удобно для определения отрицательного температурного градиента в атмосфере. Он определяется как сухоадиабатический вертикальный градиент температуры и обозначается специальным символом Г:

 

            Если воздух содержит водяные пары, температурный градиент может существенно отличаться от значения 1 К/100 м. Так, адиабатический вертикальный градиент температуры для насыщенной парами воды атмосферы равен примерно 0,6 К/100 м. При точной оценке вертикального температурного градиента необходимо учитывать его зависимость от температуры воздуха. Для сравнительных целей применяется международная стандартная атмосфера, определенная на основании средних метеорологических данных. Осредненная температура в средних широтах уменьшается линейно с высотой до 11 км. При этом средняя температура на уровне моря и на высоте 11 км принимается равной 288 и 217 К соответственно. Стандартный, или нормальный адиабатический вертикальный, температурный градиент исходя из этого равен:

Устойчивость  атмосферы проявляется в отсутствии в ней значительных вертикального движения и перемешивания. В этом случае загрязняющие вещества, выброшенные в атмосферу вблизи земной поверхности, будут иметь тенденцию задерживаться там. К счастью, перемешиванию воздуха в тропосфере способствует много различных факторов, среди 3 которых следует выделить температурный градиент и механическую турбулентность, обусловленную взаимодействием ветра с поверхностью Земли.

Рис. 1.

Градиент температуры и устойчивость атмосферы:

______ градиент  температуры в окружающем воздухе;

------- нормальный адиабатический вертикальный градиент температуры

Интенсивность теплового  перемешивания определяют, сравнивая  температурный градиент, реально наблюдаемый в атмосфере, с нормальным адиабатическим вертикальным градиентом температуры Г (рис. 1.)

Когда температурный  градиент в окружающей среде больше, чем Г, атмосферу называют сверхадиабатической. Рассмотрим точку А на рис. 1.2, а. Когда небольшой объем воздуха с температурой, соответствующей точке А, переносится быстро вверх (случай турбулентной флюктуации в атмосфере), его конечное состояние может быть описано точкой Б на прямой адиабатического градиента. В этом состоянии его температура в точке Б (Т\) выше реальной температуры окружающей среды (Ti в точке В). Поэтому рассматриваемый объем воздуха будет иметь меньшую плотность, чем окружающий воздух, и, следовательно, будет продолжать движение вверх.

Если же элементарный объем воздуха А начнет случайно двигаться вниз, он подвергнется адиабатическому сжатию при температуре Тз (точка Д), которая ниже, чем температура окружающего воздуха Т\ (точка Е). Обладая вследствие этого более высокой плотностью, рассматриваемый объем будет продолжать движение вниз. Таким 4 образом, атмосфера, для которой характерен сверхадиабатическии градиент температуры, является неустойчивой, поскольку любое возмущение в вертикальном направлении имеет тенденцию усиливаться. Когда градиент температуры окружающего воздуха примерно равен адиабатическому вертикальному градиенту (рис. 1, б), устойчивость атмосферы называют безразличной. Любой объем воздуха, который по какой-либо причине сместился относительно исходной высоты, будет иметь ту же температуру, что и окружающий воздух на новой высоте. Как следствие, отсутствует побудительная причина для любого дальнейшего вертикального перемещения. Если температурный градиент окружающего воздуха меньше, чем адиабатический вертикальный градиент, то атмосферу называют подадиабатической (рис. 1.2, в). Используя аргументацию, подобную приведенной выше при рассмотрении сверхадиабатического случая (см. рис. 1, а), можно показать, что подадиабатическая атмосфера устойчива, т. е. элементарный объем воздуха, случайным образомперемещенный в вертикальном направлении, будет стремиться вернуться в свое первоначальное положение.

Если температура  повышается с ростом высоты, то атмосферные  условия определяются как инверсия (рис. 1.2, в). В этом случае атмосфера оказывается весьма устойчивой. Наличие инверсии в значительной степени замедляет вертикальное перемещение загрязняющих веществ и, как следствие, увеличивает их концентрацию в приземном слое. Наиболее часто наблюдается инверсия, возникающая при опускании слоя воздуха в воздушную массу с более высоким давлением либо при радиационной потере тепла земной поверхностью в ночное время. Первый тип инверсии обычно называют инверсией оседания. Инверсионный слой в этом случае обычно располагается на некотором расстоянии от земной поверхности, а формируется инверсия путем адиабатического сжатия и нагревания слоя воздуха в процессе его опускания вниз в область центра высокого давления.

Значение Ср для воздуха практически не зависит от температуры в достаточно большом температурном диапазоне. Однако в связи с изменением барометрического давления плотность воздуха на верхней границе слоя инверсии меньше, чем у его основания, т.е.

 

 

Это означает, что  верхняя граница слоя нагревается  быстрее, нижняя. Если опускание слоя продолжается в течение длительного времени, в слое будет создаваться положительный градиент температуры. Таким образом, опускающаяся воздушная масса является как бы гигантской крышкой для атмосферы, расположенной ниже слоя инверсии.

Слои инверсии оседания обычно оказываются выше источников выбросов и, таким образом, не оказывают существенного влияния на явление короткопериодного загрязнения атмосферного воздуха, однако такая инверсия может просуществовать несколько дней, что сказывается на долговременном накоплении загрязняющих веществ. Случаи загрязнения с опасными последствиями для здоровья людей, наблюдавшиеся в городских районах в прошлом, часто были связаны с инверсиями оседания.

Рассмотрим  причины, приводящие к возникновению  радиационной инверсии. В этом случае слои атмосферы, расположенные над поверхностью Земли, в течение дня получают тепло за счет теплопроводности, конвекции и излучения от земной поверхности и в итоге нагреваются. В результате температурный профиль нижних слоев атмосферы обычно характеризуется отрицательным температурным градиентом. Если затем следует ясная ночь, то земная поверхность излучает тепло и быстро остывает. Слои воздуха, прилегающие к земной поверхности, охлаждаются до температуры расположенных выше слоев. В результате дневной температурный профиль

преобразуется в профиль обратного знака, и слой атмосферы, прилегающий к земной поверхности, прикрывается устойчивым инверсионным слоем. Этот тип инверсии наиболее развит в дневные часы и характерен для периодов ясного неба и безветренной погоды. Инверсионный слой разрушается восходящими потоками 6 теплого воздуха, возникающими при нагревании поверхности лучами утреннего солнца. Радиационная инверсия играет важную роль в загрязнении атмосферы, так как в этомслучае инверсионный слой располагается внутри слоя, который содержит источники загрязнения (в отличие от инверсии оседания). Кроме того, радиационная инверсия наиболее часто происходит в условиях безоблачных и безветренных ночей, когда мала вероятность очищения воздуха от загрязнения осадками или боковыми ветрами. Интенсивность и продолжительность инверсий зависят от сезона. Осенью и зимой, как правило, имеют место продолжительные инверсии, и число их велико. На инверсии оказывает влияние и топография местности. Например, холодный воздух, скопившийся ночью в межгорной котловине, может быть «заперт» там теплым воздухом, оказавшимся над ним.

Возможны и  другие типы локальных инверсий, например инверсии, связанные с морским бризом при прохождении теплого воздушного фронта над большим континентальным участком суши. Прохождение холодного фронта, перед которым расположена область теплого воздуха, также приводит к инверсионной ситуации. Инверсии — обычное явление для многих районов. Например, на западном побережье США они наблюдаются в течение почти 340 дней в году.

Степень устойчивости атмосферы можно определить по величине градиента «потенциальной» температуры:

 

где dH/dT—изменение температуры по высоте, наблюдаемое  в окружающей среде. Отрицательное значение градиента «потенциальной» температуры (Гпот < 0) свидетельствует о сверхадиабатическом характере профиля температуры и неустойчивых условиях в атмосфере. В случае, когда Гпот > 0, атмосфера устойчива. В случае, если потенциальный градиент температур приближается к нулю (Гп0т = 0), атмосфера характеризуется как безразличная. Необходимо отметить, что помимо рассмотренных случаев температурной инверсии, 7 которые носят локальный характер, в атмосфере Земли наблюдаются две инверсионные зоны глобального характера. Первая от поверхности Земли зона глобальной инверсии начинается с нижней границы тропопаузы (11 км для стандартной атмосферы) и заканчивается на верхней границе стратопаузы (примерно на высоте 50 км). Эта инверсионная зона препятствует распространению примесей, образовавшихся в тропосфере или выделяющихся с поверхности Земли, в другие области атмосферы.

Вторая зона глобальной инверсии, расположенная  в термосфере, в определенной степени препятствует рассеянию атмосферы в космическое пространство.

 

2. Что происходит  с экологической системой водоёма на различных этапах его закисления.

 

Водородный показатель рН

 

Содержание  ионов водорода (вернее, гидроксония) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и  ее ионов.

CO₂ + H₂0 <---> H⁺ + HCO₃^- <---> 2 H⁺ + CO₃^2-

Для удобства выражения  содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком: 
pH = - lg[H⁺].                   
Для поверхностных вод, содержащих небольшие количества диоксида углерода, характерна щелочная реакция. Изменения pH тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления CO₂ водной растительностью). Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в почвах. Гидролиз солей тяжелых металлов играет роль в тех случаях, когда в воду попадают значительные количества сульфатов железа, алюминия, меди и других металлов:

                 Fe²⁺ + 2H₂O --> Fe(OH)₂ + 2H⁺

Значение pH в  речных водах обычно варьирует в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина pH для большинства речных вод составляет 6.8-7.4, летом 7.4-8.2. pH природных вод определяется в некоторой степени геологией водосборного бассейна. 
В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения величина pH не должна выходить за пределы интервала значений 6.5-8.5.pH воды - один из важнейших показателей качества вод. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.

В водоеме можно  выделить несколько этапов процесса их закисления:

1.      на первом этапе рН практически не меняется (ионы бикарбоната успевают полностью нейтрализовать ионы Н⁺). Так продолжается до тех пор, пока общая щелочность в водоеме не упадет примерно в 10 раз до величины менее 0.1 моль/дм³.

2.      на второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5.5 в течение всего года. О таких водоемах говорят как об умеренно кислых. На этом этапе закисления происходят значительные изменения в видовом составе живых организмов.

3.      на третьем этапе закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН<5 (обычно рН=4.5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществ и соединений алюминия в водоемах и почвенном слое.

Природные воды в зависимости от рН рационально  делить на семь групп:

сильнокислые  воды	рН < 3	результат гидролиза  солей тяжелых металлов (шахтные  и рудничные воды)
кислые воды	рН = 3...5	поступление в  воду угольной кислоты, фульвокислот и  других органических кислот в результате разложения органических веществ
слабокислые воды	рН = 5...6.5	присутствие гумусовых  кислот в почве и болотных водах (воды лесной зоны)
нейтральные воды	рН = 6.5...7.5	наличие в водах Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2
слабощелочные воды	рН = 7.5...8.5	то же
щелочные воды	рН = 8.5...9.5	присутствие Na2CO3 или NaHCO3
сильнощелочные  воды	рН > 9.5	то же