Загрязнение гидросферы

  Введение

 

   Вода -  самое   распространенное  неорганическое  соединение  на  нашей

планете. Вода -  основа  всех  жизненных  процессов,  единственный  источник кислорода  в  главном  движущем  процессе  на  Земле  -  фотосинтезе.   Вода присутствует во всей биосфере: не только в водоемах, но и  в  воздухе,  и  в почве, и во всех живых существах. Последние  содержат до 80-90% воды в  своей биомассе. Потери 10 - 20% воды живыми организмами  приводят к их гибели. В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей.  В  ней растворены различные газы и соли, находятся  взвешенные твердые  частички.  В 1 литре пресной воды может содержаться до 1 грамма солей.

   Большая часть  воды сосредоточена в морях  и океанах.  На  пресные  воды

приходится всего 2% . Большая  часть  пресных  вод  (85%)  сосредоточена  во льдах полярных зон  и  ледников.  Возобновление  пресных  вод  происходит  в результате круговорота воды.

С  появлением  жизни  на  Земле  круговорот  воды  стал  относительно

сложным, так как к простому явлению физического испарения (превращения  воды в пар) добавились более сложные  процессы,  связанные  с  жизнедеятельностью живых организмов. К тому же роль человека по мере  его  развития  становится все более значительной в этом круговороте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Свойства воды и круговорот воды в природе

Свойства  воды.

   Чистая вода - прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха. Молекулярная масса воды равна 18,016 а.е.м. Молекула воды нелинейна, угол между связями H-О-H составляет 104°27'. Связи H-О ковалентные полярные, электронная плотность смещена к атому кислорода. Поэтому атом кислорода способен притягивать атом водорода соседней молекулы воды, образуя водородную связь. Из-за высокой полярности молекул вода является уникальным растворителем других полярных соединений. 

   Таким образом, каждая молекула воды может образовать четыре водородных связи - с участием двух несвязанных электронных пар атома кислорода и двух поляризованных атомов водорода.  
Многие свойства воды аномальны, что как раз и вызвано особенностями строения молекулы воды.. Так, вода имеет наибольшую теплоемкость среди жидкостей – 4,1868 кДж/кг, что почти вдвое превышает таковую растительных масел, ацетона, фенола, глицерина, спирта, парафина; и она в 10 раз больше, чем у железа. У воды от 0оС до 37оС градусов теплоемкость снижается, а с 37оС градусов и выше – растет. Получается, что легче всего она нагревается и быстрее всего охлаждается при температуре 37оС градусов.

   Эта особенность пока не объяснена, как утверждает академик А. М. Черняев, однако совпадение с нормальной температурой здорового человека (36,6оС –37,0оС) невольно наводит на размышления. Предположим, если бы вода не обладала этим удивительным качеством, что бы произошло с человеком, состоящим в большем объеме из воды. Тогда бы просто столь высокоорганизованная система не была защищена от воздействия высоких температур. Вряд ли целебные свойства бани-сауны были бы здесь уместны. Уже при 42оС градусах белок необратимо разрушается. Остается только восхищаться, что вода снабдила человека наилучшим режимом теплового саморегулирования.

   Аномально изменяется и плотность воды при нагревании-охлаждении. При понижении температуры от 100оС до 3,98оС вода непрерывно сокращается в объеме, и ее плотность составляет порядка 1 г/мл. Но после пересечения границы 3,98оС наступает обратное явление. При кристаллизации плотность резко уменьшается и для льда составляет 0,91 г/мл. Таким образом, единица объема воды при 3,98оС весит больше, чем при 0оС. При охлаждении ниже четырех градусов образуется лед, он всплывает, но под ним всегда остается вода. Создается некий термос жизнеобеспечения. Не обладай этим свойством вода, все естественные хранилища воды промерзли бы, и все живое исчезло.       Вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди всех жидкостей (за исключением ртути). Вода - слабый электролит и диссоциирует в очень малой степени. Поэтому дистиллированная вода не проводит электрического тока.

   Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 80 - это очень высокая величина, чем и объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

   Природная вода всегда представляет собой раствор различных химических соединений, большей частью солей. В воде, кроме различных солей, растворены также и газы. Современными методами анализа в морской воде найдено две трети химических элементов таблицы Менделеева и, надо полагать, с ростом технических возможностей остальная треть будет обнаружена.

   Вода разлагает соли на отдельные ионы. При этом образующиеся ионы могут соединяться с водой в более сложные группы, находящиеся в состоянии диссоциации. Так как молекулы воды являются диполями, то они неизбежно присоединяются к другим частичкам, несущим электрический заряд, и образуют более сложные группы, изменяя структуру воды.

   Жесткость воды определяется присутствием в воде солей кальция и магния. При нагревании такой воды на стенках сосуда выделяется осадок. Дождевая вода является наиболее мягкой. Жесткую воду смягчают кипячением или добавлением химических реагентов. Вода является одной из причин коррозии.

Круговорот воды в природе

   Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) — процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков.

   Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше — положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

   Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую — пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.

    На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

   Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Виды образования  от разных изменений:

Различают несколько видов  круговоротов воды в природе:

1. Большой, или мировой, круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная — очищается.
2. Малый, или океанический, круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.
3. Внутриконтинентальный круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

В конце концов, осадки в процессе движения опять  достигают Мирового океана.

Скорость

Среда	Среднее время  обновления
Океаны	3 200 лет
Ледники	от 5 до 10 лет
Сезонный снежный покров	от 2 до 6 месяцев
Почвенная корка	от 1 до 2 месяцев
Грунтовые воды: паводок	от 100 до 200 лет
Грунтовые воды: углубленные	10 000 лет
Озера	от 15 до 17 лет
Реки	от 17 до 19 дней

Скорость переноса различных  видов воды изменяется в широких  пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также  разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей  и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через  восемь дней.

   Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше — около 9 700 лет.

Полное обновление вод  Мирового океана происходит примерно в 2 700 лет.

За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды равную всей гидросфере.

 

Глава 2. Загрязнение Мирового океана, истощение и использования материковых  вод

   В наше время, «эпоху  глобальных проблем», Мировой океан  играет всё большую роль в  жизни человечества. Являясь огромной  кладовой минеральных, энергетических, растительных и животных богатств, которые - при рациональном их  потреблении и искусственном  воспроизводстве - могут считаться  практически неисчерпаемыми. Океан способен решить одни из самых остро стоящих задач: необходимость обеспечения быстро растущего населения продуктами питания и сырьём для развивающейся промышленности, опасность энергетического кризиса, недостаток пресной воды.

Основной ресурс Мирового океана –  морская вода. Она содержит 75 химических элементов, среди которых такие важные как уран, калий, бром, магний. И хотя основной продукт морской воды всё ещё поваренная соль - 33 % от мировой добычи, но уже добываются магний и бром, давно запатентованы методы получения целого ряда металлов, среди них и необходимые промышленности медь и серебро, запасы которых неуклонно истощаются, когда как в океанских водах их содержится до полмиллиарда тонн.

Загрязнение мирового океана.

Нефть и нефтепродукты

Нефть представляет собой вязкую маслянистую  жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно  из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

а).Парафины (алкены). (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

б). Циклопарафины. (30 - 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

в).Ароматические углеводороды. (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол) , затем бициклические ( нафталин) , полициклические ( пирон).

г). Олефины (алкены). (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими  веществами в Мировом океане. К  началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т. нефти, что  составляло 0, 23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962-79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т. нефти. За последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т. /год . Со стоками промышленности ежегодно попадает 0, 5 млн. т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности.

Нефтяная пленка изменяет состав спектра  и интенсивность проникновения  в воду света. Пропускание света  тонкими пленками сырой нефти  составляет 11-10% (280 нм), 60-70% (400нм). Пленка толщиной 30-40 мкм 0полностью полностью  поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую нефть в воде и обратную вода в нефти . Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

Пестициды

Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для  борьбы с вредителями и болезнями  растений. Пестициды делятся на следующие  группы:

- инсектициды для борьбы  с вредными насекомыми,

- фунгициды и бактерициды  - для борьбы с бактериальными  болезнями растений,