Химические аспекты проблемы охраны окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru

Предмет и задачи химии окружающей среды

В основе процессов, обусловливающих современное состояние биосферы, лежат химические превращения веществ. Химические аспекты проблемы охраны окружающей среды формируют новый раздел современной химии, названный химией окружающей среды. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биосфере, процессы миграции и трансформации химических соединений природного и антропогенного происхождения в атмосфере, литосфере и гидросфере, дает характеристику основных химических загрязнителей и способов определения уровня загрязнения, разрабатывает физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды и др.

Происхождение и эволюция Земли

Принято считать, что Вселенная возникла в один момент в результате огромного взрыва, обычно называемого Большим взрывом. Планеты нашей Солнечной системы образовались, по-видимому, из облака горячих газов, остатков взрыва сверхновой звезды. Сконденсировавшиеся пары образовали твердые частицы, объединившиеся в небольшие тела, в результате срастания которых возникли плотные внутренние планеты (от Меркурия до Марса). Крупные внешние планеты, будучи более удаленными от Солнца, состояли из газов меньшей плотности, конденсация которых происходила при гораздо более низких температурах.

Когда молодая Земля выросла примерно до своей современной массы, она нагрелась, в основном за счет радиоактивного распада нестабильных изотопов и частично путем улавливания кинетической энергии от столкновений крупных осколков. В результате такого нагрева расплавились железо и никель, а их высокая плотность позволила им погрузиться в центр планеты, образовав ядро. Последующее охлаждение способствовало затвердеванию оставшегося материала в виде мантии.

Образование земной коры и атмосферы

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. За счет этих процессов сформировалась оболочка из породы толщиной менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, эволюционировал во времени прежде всего за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной коры (рис.1) показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием и другими элементами с образованием силикатов.

земля атмосфера жизнь фотосинтез гидрологический

Рис. 1. Схематичный разрез Земли

Можно предположить, что летучие элементы выделились (дегазировались) из мантии в результате извержений вулканов, сопровождавших образование коры. Некоторые из этих газов удержались и образовали атмосферу, когда поверхностные температуры стали достаточно низкими, гравитационное притяжение достаточно сильным.

Рис.2. Процентный состав основных элементов коры Земли

Эволюция атмосферы и происхождение жизни

Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н₂, было много других газов, таких, как СН₄, NH₃ и Н₂О (рис.3).

Рис. 3. Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца

Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан, состоящий из жидкой воды. Углекислоты Н₂СО₃ было мало, так как ее восстанавливали соединения Fе³⁺, содержавшиеся в земной коре. Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановительной, имелись возможности для процессов абиогенного образования и накопления многих соединений.

На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и полимеры. Ввиду того, что окисления не происходило, водоемы обогащались аминокислотами, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, сахарами, карбоновыми кислотами, липидами. Образовался «первичный бульон». Происходили процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхностях минералов (глина, горячая лава) -- дальнейшие синтетические процессы (рис.4). Это подтверждается результатами анализа древних земных химических ископаемых и их сравнением с внеземным органическим веществом (метеориты), а также многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке энергии действительно происходят процессы синтеза органических веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины, сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины.

По мере возрастающей потери Н₂ в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества N₂ (из NH₃), СО₂ (из вулканических газов и из СН₄) и паров воды.

Рис. 4. Возможности химической эволюции на Земле

Около 3,5 млрд. лет назад появились хлорофиллоносные организмы, способные осуществлять фотосинтез, т. е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Эти организмы преобразовывали солнечную энергию в биохимическую.

CO_2(г) + H₂O_(ж) > CH₂O_(тв) + O_2(г) (1)

«Изобретение» фотосинтеза способствовало повышению содержания кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной атмосферы.

В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Сначала кислород (O₂) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость его поступления (уже преимущественно в процессе фотосинтеза) превысила потребление и О₂ начал постепенно накапливаться в атмосфере. Около 500 млн лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни и на современной Земле.

Предполагают, что жизнь на Земле началась в океанах около 4,2--3,8 млрд. лет назад. Древнейшие из известных ископаемых -- бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно развитого обмена веществ, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:

CO_2(г) + 2H₂S > CH₂O_(тв) + 2S_(тв) + H₂O_(ж) (2)

^{(органическое вещество)}

Содержание углекислого газа (СО₂) в четвертичной атмосфере на порядок превышало современный уровень, затем уменьшилось в такой степени, что 500 млн лет назад оно стало заметно ниже современного уровня и достигло его лишь значительно позже.

Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О₃), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организмам выйти на сушу.

Итак, происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Эволюция атмосферы происходила (и происходит) под влиянием следующих факторов:

· аккреции вещества межпланетного пространства;

· выделения газов при вулканической деятельности;

· химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы;

· диссоциации молекул газов, составляющих воздух, под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения;

· биогенных процессов в живом веществе биосферы;

· антропогенной деятельности.

Гидросфера

Вода - ключевой компонент в поддержании жизни на Земле. Вода в своих трех состояниях -- жидкость, лед и водяные пары -- широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд км³. Почти вся эта вода (> 97 %) находится в океанах, а большая часть из оставшейся образует полярные ледяные шапки и ледники (около 2 %). Континентальные пресные воды представляют менее 1 % общего объема, в основном это подземные воды (глубинные -- 0,38 %, поверхностные -- 0,30 %); озера 0,01%, почвенная влага 0,005%, реки 0,0001%, биосфера 0,00004%. Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров) - 0,001 %. В целом эти резервуары воды называют гидросферой.

Когда поверхность молодой Земли остыла до 100 С, водяные пары, дегазирующиеся из мантии, могли сконденсироваться. По существованию погруженных в воду осадочных пород известно, что океаны образовались около 3,810⁹ лет назад.

Круговорот между резервуарами воды в гидросфере называется гидрологическим циклом. Хотя объем водяных паров, содержащихся в атмосфере, мал (около 0,01310⁶ км³), вода постоянно движется через этот резервуар. Она испаряется с поверхности океанов (0,42310⁶ км³/год) и суши (0,07310⁶ км³/год) и переносится с воздушными массами (0,03710⁶ км³/год). Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (обычно 10 дней), среднее расстояние водопереноса составляет около 1000 км. Водяные пары затем возвращаются либо в океаны (0,38610⁶ км³/год), либо на континенты (0,110 10⁶ км³/год) в виде снега или дождя.

Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения и пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды (9,510⁶ км³); остальная вода течет по поверхности в виде рек (0,1310⁶ км³) или вновь испаряется в атмосферу. Поскольку общее количество воды в гидросфере постоянно во времени, процессы испарения и осаждения сбалансированы для Земли в целом, несмотря на большие локальные различия между регионами.

Очень малое количество водяных паров проникает из атмосферы в космос, поскольку на высоте около 15 км низкие температуры вызывают их конденсацию и выпадение на более низкие уровни.

Быстрый перенос воды в атмосфере обусловливается поступающим солнечным излучением. Почти все излучение, достигающее коры, идет на испарение жидкой воды и образование атмосферных водяных паров. Энергия, используемая для этого преобразования, которая затем содержится в парах, называется скрытой теплотой испарения. Большая часть из оставшегося излучения поглощается корой, причем эффективность этого процесса уменьшается с увеличением широты, в основном из-за сферической формы Земли.

Рис. 5. Изменение относительного количества солнечного излучения с широтой. На нижнем рисунке -- поперечные сечения лучей Солнца, попадающих на поверхность Земли

Солнечные лучи нагревают поверхность Земли под углом 90° на экваторе, но с увеличением широты под все меньшими углами, приближаясь к 0° на полюсах. Таким образом, одинаковое количество излучения распространяется на большие площади в высоких широтах по сравнению с экватором (рис.5). Изменение с широтой количества поступающего излучения не сбалансировано излучением с поверхности Земли, таким образом, результатом является общий радиационный дисбаланс. Однако полюса не становятся все более холодными, а экватор -- теплее, поскольку тепло перемещается в направлении полюсов с теплыми океаническими течениями, а также существует направленное к полюсам движение теплого воздуха и скрытой теплоты испарения водяных паров.

Контрольные вопросы