Тема 13. Гідрографічні фактори середовища

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Властивості води.

2. Забруднення водного середовища.

3. Методи вимірювання параметрів води та стічних вод.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища.- К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища.- К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Властивості води

 

Гідрографічні фактори (фактори водного середовища) - фізичні та хімічні властивості води як середовища мешкання живих організмів.

Вода - найпростіша стійка хімічна сполука водню й кисню, при нормальних умовах - безбарвна рідина без запаху. Вода є найбагатшим компонентом біосфери і водночас - найважливішим, оскільки служить основним середовищем для будь-яких метаболічних процесів. З точки зору екології вода використовується для вилучення й розчинення більшості природних і антропогенних відходів. Деякі фізичні властивості води мають безпосередній зв’язок з еволюцією навколишнього середовища та функціонування в ньому живих організмів.

 

Механічні властивості

Вода є єдиною сполукою, яка під час охолодження розширюється; отже, густина льоду менша, ніж густина води. Через це лід знаходиться на поверхні водойм, що дає можливість зберігати життєдіяльність водних організмів за умов охолодження.

 

Гідродинамічні властивості

Вода - добрий розчинник, здатний розчинювати велику кількість сполук. З точки зору охорони навколишнього середовища ця властивість води сприяє кращому постачанню поживних речовин в живі організми та виведенню відходів.

Вода відзначається високим поверхневим натягом (72,75∙10-3 Н/м при 20оС). Завдяки цьому відбуваються капілярні явища в порах ґрунту та в стеблах рослин, що зумовлює перенесення поживних речовин з ґрунту в рослину.

 

Теплофізичні властивості

Вода характеризується унікальними теплофізичними властивостями, а саме:

1. Температура замерзання води становить 273,16 К (0оС), а температура кипіння 373,16 К (100оС).

2. Вода має надзвичайно високу теплоту випаровування (2,26 ∙ 106 Дж/ кг). Це означає, що молекули води поглинають велику кількість теплоти під час випаровування завдяки дії сонячного випромінювання та вивільнюють велику кількість теплоти за конденсації та опадів на земну поверхню. Кожен день сонце змушує близько 1230 км3 води через випаровування з поверхні морів, озер, річок і ґрунту, а також транспірацію (дихання) рослин залишати тепло. Нагрівання сонячним випромінюванням водойм та водяної пари атмосфери приводить до зміни погодних і кліматичних умов.

3. Вода має надзвичайно високу теплоємність (4186 Дж/кг ∙ К), що в три-чотири рази вища за теплоємність ґрунту. Вода потребує більше тепла, ніж грунт, для однакового нагрівання, тому вона дуже повільно нагрівається й охолоджується; отже, великі водні масиви позбавлені впливу швидких змін температури, що підтримує помірний клімат на Землі.

4. Здатність води проводити тепло характеризується коефіцієнтом теплопровідності, який дорівнює 0,599 Вт/м ∙ К при 20оС і перевищує коефіцієнт теплопровідності повітря (0,0257 Вт/м ∙ К при 20оС). Завдяки цьому між ґрунтом (коефіцієнт теплопровідності якого дорівнює 0,125...0,209 Вт/м ∙ К при 20оС) та вологим повітрям атмосфери утворюється теплоізоляційний шар сухого повітря, що зумовлює виникнення парникового ефекту.

5. Специфічною властивістю води як середовища є безперервний рух частинок води й турбулентне їх перемішування. Завдяки цьому відбувається передача теплоти у глибокі шари.

 

Електричні властивості

Важливою характеристикою води є її висока діелектрична проникність. Ця ознака свідчить про те, що електричні сили між розчиненими в воді речовинами слабкі.

Крім того, з точки зору електричних властивостей вода як неполярна молекула - це диполь, тобто сукупність двох рівних, але протилежних за знаком зарядів, що перебувають на певній відстані й характеризуються дипольним моментом. Дія зовнішнього електричного поля пропорційна моменту диполя; звідси виникає здатність неполярних молекул води поглинати довгохвильове випромінювання земної поверхні та брати участь у парниковому ефекті.

 

Оптичні властивості

Вода є прозорим тілом для оптичного випромінювання видимого діапазону. Коефіцієнт поглинання дистильованої води характеризується мінімумом в межах 400...50 нм; коефіцієнт розсіювання демонструє спад від короткохвильової до довгохвильової області спектра (рис. 13.1).

 

Рис. 13.1. Спектри поглинання (а) і розсіювання (б) води

 

Саме тому оптичне випромінювання проникає на значні глибини, що зумовлює нагрівання води в шарі товщиною в кілька метрів. На оптичні характеристики води можуть впливати розчинені в ній солі та органічна речовина(SiO2, Fe203, А12О3), бактеріо-, фіто- і зоопланктон, змулена речовина. Оптичні характеристики води пов’язані з її каламутністю, що в свою чергу залежить від розсіювання і поглинання оптичного випромінювання на частинках глини, бруду, кремнію, іржі, а також на водоростях і бактеріях. Вплив наявних у воді розчинених речовин, забруднень та мікроорганізмів на спектральні параметри води може бути використаний для дистанційного зондування водойм.

 

2. Забруднення водного середовища

 

Забруднення води - зміна фізичного або хімічного стану поверхневих чи підземних вод, що негативно впливає на живі організми.

 

Класифікація забруднень

До основних забруднювачів води відносять біологічні, хімічні, механічні, радіоактивні та теплові.

Біологічні забруднювачі включають патогенні мікроорганізми: бактерії, віруси, найпростіші, водорості.

До хімічних забруднювачів належать побутові відходи, гній, продукти розпаду рослин, індустріальні відходи, важкі метали, фосфати й нітрати, нафтопродукти, пестициди, сполуки хлору.

Механічні забруднення містять викиди нерозчинних твердих мінеральних речовин, що утворюються при розробці шахт та кар’єрів. Причиною механічного забруднення водойм є також пластикові вироби.

Радіоактивні забруднення включають природні радіоактивні матеріали, відходи внаслідок видобування, збагачення копалин, обробки та експлуатації ядерного палива.

Теплові забруднення спричинюються розсіюванням у довкіллі вихідної енергії у вигляді підігрітої води та гарячих газів внаслідок експлуатації теплових та атомних електростанцій. Підвищення температури води призводить до зміни кисневого режиму, збільшення випаровування з поверхні, змін умов існування гідрофауни, гідрофлори і бентосу водойми, викликає «цвітіння» води, зумовлює акумуляцію стійких забруднювачів. Крім того, з підвищенням температури води пов'язане зменшення вмісту розчинених у ній кисню, азоту, вуглекислого газу. Всі ці зміни гідрологічних, гідрохімічних і гідробіологічних показників можуть спричиняти несподівані наслідки для водних організмів і загальну зміну екологічного стану водного об’єкта.

 

Стічні води

Водні ресурси можуть забруднюватися через каналізаційні або індустріальні викиди. Муніципальні стічні води - складна суміш води (понад 99%) із органічних та неорганічних забруднювачів, суспендованих або розчинених у воді. Основними компонентами стічних вод є:

- мікроорганізми;

- тверді речовини;

- неорганічні компоненти;

- синтетичні хімічні препарати;

- органічні речовини.

 

Евтрофікація водойм

Процес підвищення рівня первинної продукції водойм внаслідок збільшення в них концентрацій біогенних речовин (азоту, фосфору) називаютьевтрофікацією. Під первинною продукцією слід розуміти насамперед продукцію зелених рослин. Можна виділити такі основні етапи евтрофікації. Спочатку в водоймі накопичуються значні кількості мінеральних солей, що приносяться водами річок, струмків та внаслідок природної ерозії. Збагачення вод поживними елементами сприяє інтенсивному росту водоростей; виникають потужні спалахи фітопланктону. Водночас можлива послідовна зміна популяцій водоростей з переважанням синьо-зелених і зелених водоростей. Збільшення біомаси фітопланктону спричинює погіршення прозорості води; фотосинтез протікає лише в при поверхневому шарі, оскільки тільки в ньому водорості забезпечуються сонячною енергією. Далі відбувається відмирання значної маси водоростей, що супроводжується значним зменшенням кисню в нижніх шарах водойми. Після повного зникнення кисню починається процес анаеробного (без участі повітря) бродіння.

Запобігти процесу евтрофікації можна завдяки застосуванню сучасних методів очистки стічних вод від фосфатів, забороні або обмеженню використання фосфатів як компонента побутових детергентів та миючих засобів, контролю за забрудненням місцевості гноєм та агрохімікатами, за потраплянням стічних вод у швидкі потоки або моря, очищенню дна водойми від седиментів, видаленню надлишкової маси водоростей з водойми, забезпеченню аерації водних резервуарів та озер.

 

3. Методи вимірювання параметрів води та стічних вод

 

Сучасні методи вимірювання параметрів води та стічних вод діляться на:

- спектроскопічні;

- електрохімічні;

- хроматографічні;

- радіохімічні.

В основі методів оптичної спектроскопи лежить аналіз оптичного випромінювання, що взаємодіє з об’єктом дослідження за поглинання, пропускання, відбивання, розсіювання, пере випромінювання з подальшим аналізом тих змін, яких набуває оптичне випромінювання. Розрізняють такі методи:

- емісійна спектроскопія (вивчення спектрів випромінювання атомів та молекул);

- атомно-абсорбційний аналіз (випаровування речовини й пропускання через пару речовини оптичного випромінювання);

- оптико-акустична спектроскопія (перетворювання залишку енергії збуджених молекул речовини в тиск, що реєструється);

- інфрачервона спектроскопія (вивчення спектрів поглинання в інфрачервоній області спектра);

- флуоресцентна спектроскопія (збудження та реєстрація випромінювання флуоресценції).

Ряд інших спектроскопічних методів ґрунтується на взаємодії електромагнітного випромінювання з магнітним полем (спектроскопія на основі ядерно-магнітного резонансу), створенні іонних пучків з їх подальшим розподілом за масою в електричному та магнітному полях (мас-спектрометрія)емісії електронів (рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, спектроскопія Аугера); розсіюванні оптичного випромінювання молекулами речовини(спектроскопія комбінаційного розсіювання) або частинками речовини, суспендованими в рідині (нефелометрія, турбідиметрія); реєстрації кута повертання площини поляризації оптичного випромінювання (поляриметрія) та залежності цього кута від довжини хвилі оптичного випромінювання (дисперсія оптичного обертання).

Електрохімічні методи ґрунтуються на аналізі процесів, що відбуваються на електродах і в між електродному просторі з подальшою реєстрацією залежності потенціалу (потенціометрія), струму (вольтамперометрія або полярографія), заряду (кулонометрія) або електропровідності (кондуктометрія).

Хроматографічні методи передбачають розділення, знаходження й визначення речовин завдяки неоднаковості їх поведінки в системі з двох фаз, що не змішуються.

Радіохімічні методи використовують реєстрацію випромінювання під час радіоактивного розпаду.

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»