Физико-химические процессы в техносфере


2017
2022

УДК 504.062
ББК 20.18
Т69
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра «Физико-химическая технология защиты биосферы»
Уральского государственного лесотехнического университета
(заведующий кафедрой профессор И.Н. Липунов);
В.М. Киселев — доктор технических наук, профессор кафедры физики
Уральского государственного университета им. А.М. Горького;
Л.А. Ширкин — кандидат химических наук, доцент кафедры экологии
Владимирского государственного университета;
А.В. Невский — доктор технических наук, профессор;
Т.А. Чеснокова — кандидат химических наук, доцент кафедры общей
химической технологии (секция экологии и безопасности жизнедеятельности)
Ивановского государственного химико-технологического университета
Трифонов К.И., Девисилов В.А.
Т69
Физико-химические процессы в техносфере : учебник / К.И. Три:
фонов, В.А. Девисилов. — 2-е изд., испр. и. доп. — Москва : ФОРУМ  
ИНФРА-М,
2022. — 256 с. — (Высшее образование).
ISBN 978-5-00091-002-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-010425-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102267-2 (ИНФРА-М, online)
В учебнике изложены основные сведения о физико-химических процессах в техносфере. Даны представления о процессах трансформации
техногенных и антропогенных загрязнений в атмосфере, гидросфере и
педосфере.
Рассмотрены
физико-химические
механизмы
парникового
эффекта, разрушения озонового слоя, формирования фотохимического
смога, образования кислотных дождей, загрязнения техносферы тяжелыми металлами. Изложены основные сведения о радиационно-химических
процессах в техносфере и взаимодействии ионизирующего излучения с ее
компонентами.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность».
УДК 504.062
ББК 20.18
© Трифонов К.И.,
Девисилов В.А., 2006, 2015
ISBN 978-5-00091-002-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-010425-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102267-2 (ИНФРА-М, online)
© Издательство «ФОРУМ», 2006, 2015

Введение
Последние десятилетия убедили нас в том, что вторжение человека в природу — прямое или косвенное — наносит ей не только непосредственный ущерб, но и вызывает ряд новых процессов, влияющих тем либо иным образом на всю окружающую среду. Это относится к большому количеству химических реакций,
протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере и вызванных
продуктами антропогенной деятельности. Некоторые из этих
процессов характеризуются образованием токсичных продуктов,
но в ряде случаев, напротив, происходит распад или обезвреживание загрязняющих природу веществ. Известно, что на ход химических превращений, приводящих к образованию вредных для
окружающей среды веществ, оказывают влияние климатические
условия, состояние почвы, уровень развития производства, рельеф местности, уровень и длительность солнечной активности
и т. п. Это еще раз убеждает в том, что такая сложная проблема,
как физическая химия процессов взаимодействия продуктов антропогенной деятельности и естественных источников с окружающей средой, не может рассматриваться односторонне и при
ее изучении необходим многоплановый подход. Он поможет ответить на вопрос — может ли вмешательство человека в дела природы создать такие условия, что не сработает механизм естественного саморегулирования и обновления и в какой степени наблюдаемые изменения внешней среды вызваны антропогенной
деятельностью.
Дать ответ на поставленный вопрос можно посредством сопоставления результатов изменения окружающей среды, вызванных, с одной стороны, антропогенной деятельностью, а с другой — естественными причинами. Наиболее наглядно это прослеживается при использовании количественной оценки, учете
фактора времени и токсичности продуктов, образующихся при
различных видах деятельности человека.

Введение
Количественная оценка вмешательства человека в природу
указывает, что оно ничтожно мало по сравнению с влиянием естественных причин на масштабы изменений в атмосфере, гидросфере и литосфере (за редким исключением — появление в биосфере веществ, имеющих исключительно антропогенное происхождение). Здесь следует отметить, что концентрации газов в
атмосфере, имеющих антропогенное происхождение, лежат в области следовых значений, что соответствует миллионным-миллиардным долям (10
6—10
9). Подобная ситуация наблюдается и
в гидро-, и в литосфере. Отклонения от этой картины, достигающие величин порядка долей процента, могут наблюдаться
лишь в виде аномалий на отдельных участках земного и водного
пространства.
При учете изменений в природной среде, вызванных как человеческим вмешательством, так и естественными причинами,
наиболее показательными и представительными являются результаты оценки скорости протекания наблюдаемых изменений в
зависимости от источника этих возмущений. Изменения природной среды, вызванные естественными причинами, характеризуются чрезвычайно низкой скоростью и в сравнении с длительностью жизни человека внешне практически незаметны. Так, повышение концентрации кислорода в земной атмосфере с 1 до 21 %
длилось приблизительно 1—1,5 миллиарда лет, что соответствует
приросту концентрации 0,004 % за 200 000—300 000 лет. Скорость
изменений в составе атмосферы, вызванных человеческой деятельностью, характеризуется заметно более высокими значениями, что особенно заметно для последних столетий прошедшего
тысячелетия. Так, в результате антропогенной деятельности содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе увеличилось
на те же 0,004 % всего лишь за несколько последних десятилетий.
Здесь же уместно отметить, что скорость естественных изменений
позволяет всему живому на Земле генетически приспособиться к
изменениям в окружающей природной среде, в то время как антропогенные возмущения в природе практически исключают такую возможность, особенно для высших организмов.
Любой вид человеческой деятельности сопровождается образованием различного вида продуктов и сопутствующих им отходов, зачастую опасных для человека и всего живого. Появление и
накопление различных токсичных загрязнений в окружающей
среде может определяться как природными элементами и соеди

Введение
5
нениями, так и образованием новых веществ, опасных для биосферы. В качестве примера можно привести угрожающее загрязнение биосферы соединениями тяжелых металлов, а также появление в природной среде веществ исключительно антропогенного
происхождения — пестицидов, диоксинов и других галогенсодержащих органических веществ.
Дисциплина «Физико-химические процессы в техносфере»
предназначена для формирования у специалистов, занимающихся обеспечением безопасности жизнедеятельности человека, соответствующих профессиональных компетенций.
Эти компетенции позволяют специалистам ориентироваться
в довольно сложных физико-химических процессх миграции и
трансформации естественных и антропогенных поллютантов в
различных компонентах биосферы и техносферы.
Дисциплину следует рассматривать как базовую в формировании профессионально-ориентированных компетенций специалиста.
Дисциплина ориентирована прежде всего на направление
подготовки дипломированных специалистов 280100 «Безопасность жизнедеятельности». Содержание изложенного в учебнике
материала позволяет также использовать его для подготовки бакалавров, специалистов и магистров в области защиты окружающей среды.
Авторы будут благодарны за любые замечания по содержанию учебника, которые будут учтены в дальнейшем. Мнения и
замечания следует направлять в издательство на имя авторов.

Глава первая
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В АТМОСФЕРЕ
1.1. Основные компоненты
глобального экологического кризиса
Атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей по
сравнению с другими компонентами биосферы — высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, своеобразие физико-химических процессов. Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли. Атмосфера (слой
озона) защищает нашу планету от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца.
Состав атмосферы находится в состоянии динамического
равновесия, поддерживаемого в результате деятельности живых
организмов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека. Главными компонентами атмосферы являются азот
(78 %), кислород (21 %) и аргон (0,9 %) — в приземном слое.
Доля остальных компонентов несмотря на их очень важное значение не превышает 0,1 %.
До высоты 100 км ее подразделяют на четыре оболочки: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Мощность тропосферы оценивается величиной 8—10 км в полярных областях и
16—18 км у экватора. Температура здесь опускается с высотой
до 6 на каждый километр. Верхняя граница ее представлена слоем, обычно называемым «тропопаузой», температура в которой
составляет примерно 220 К. Стратосфера, расположенная над
тропосферой, также подразделяется на две зоны: нижнюю, с температурой, характерной для тропопаузы, и достигающую высоты
25 км, и верхнюю, простирающуюся до высоты 50 км и называе

1.1. Основные компоненты глобального экологического кризиса
7
мую областью инверсии. В этой области температура начинает
возрастать и, достигая 273 К, остается неизменной в плоть до высоты 55 км. Эта узкая область постоянной температуры — стратопауза — является верхней границей стратосферы. В стратосфере
на высотах 25—35 км расположен озоновый защитный слой.
Выше стратосферы располагается мезосфера, достигающая высоты 80 км. В мезосфере происходит понижение температуры и на
ее верхней границе («мезопауза») достигает примерно 180 К. После мезопаузы температура вновь начинает возрастать. Эта область атмосферы мощностью около 900 км называется термосферой, которую иногда называют ионосферой. В ее верхней части
температура достигает 1000 К. Внешней оболочкой атмосферы
является экзосфера, начинающаяся с высоты 1000 км. Экзосфера
является областью диссипации атмосферных газов. Диссипация — это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли, т. е. процесс рассеивания вещества в космосе.
Тропосферу и стратосферу обычно объединяют в нижние
слои атмосферы, которые существенно отличаются по составу от
верхних слоев (ионосферы). В нижних слоях сосредоточена основная масса атмосферы (50 % общей массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км, а масса слоя высотой 30 км составляет 99 % всей массы атмосферы).
Тропосфера — неравновесная химически активная система.
Большинство газообразных примесей, выделяемых с поверхности
Земли в тропосферу в результате геологических, биологических
процессов и антропогенной деятельности, находится в восстановленной форме или в виде оксидов с низкой степенью окисления:
H2S, NO, NH3, CO, NO2, CH4, SO2 и др. Анализ атмосферных
осадков показывает, что возвращаемые на поверхность Земли
примеси представлены в основном соединениями в высокой,
чаще всего в высшей, степени окисления — H2SO4, HNO3, нитраты, сульфаты, CO2, SO3 и т. д. Таким образом, тропосфера играет
на планете роль глобального окислительного резервуара.
Возросшая интенсивность хозяйственной деятельности человечества в XX в. проявилась в глобальном загрязнении Земли
разнообразными отходами промышленного производства, сельского хозяйства, продуктами жизнедеятельности человека, что
является грозным предвестником грядущего экологического кризиса планетарного масштаба. Его проявления наблюдаются в настоящее время в отдельных регионах планеты в изменении ха

Глава первая. Физико-химические процессы в атмосфере
рактеристик природной среды, и при неразумном осуществлении
всей совокупной деятельности человеческого сообщества может
привести к негативным последствиям глобального масштаба. Наблюдаемые признаки подступающего глобального экологического кризиса в наибольшей мере реализуются в проявлении таких
аномальных явлений, как кислотные дожди, парниковый эффект, так называемые озоновые дыры и загрязнение поверхности
планеты супертоксичными продуктами, появляющимися исключительно в результате антропогенной деятельности.
Под кислотными дождями понимаются атмосферные осадки,
значение водородного показателя которых ниже величин, отвечающих содержанию углекислоты в атмосфере, т. е. рН < 5,5. Появление аномалий данного типа связывается, в первую очередь, с
выносом в атмосферу значительных количеств оксидов серы и
азота, различных галогенсодержащих соединений в результате антропогенной деятельности. Взаимодействие кислотных дождей с
биосферой, сооружениями, техникой, культурными ценностями
характеризуются для них губительными последствиями.
Парниковый эффект проявляется в повышении температуры
нижних слоев атмосферы в результате нарастающего поглощения «парниковыми газами» (СО2, СН4, N2O и др.) инфракрасного теплового излучения Земли. Последствия парникового эффекта могут привести к изменению климата, что сопровождается
повышением частоты катастрофических природных явлений.
Значительную экологическую опасность представляет загрязнение биосферы веществами, имеющими преимущественно антропогенное происхождение и характеризующимися весьма высокой степенью
токсичности. К ним относятся галогенсодержащие органические
вещества — диоксины, бифенилы, полициклические ароматические углеводороды, пестициды и т. д., ряд тяжелых металлов (ртуть,
кадмий, свинец), долгоживущие радионуклиды и т. д.
Под «озоновыми дырами» понимается сезонное уменьшение
толщины озонового слоя над Антарктидой и другими областями
земной поверхности. Озоновый слой является своеобразным
фильтром, отсекающим опасное для живых существ ультрафиолетовое излучение Солнца с длиной волны менее 285—315 нм.
Вследствие этого существенное понижение концентрации озона
(уменьшение толщины слоя) представляет серьезную экологическую опасность, которая может быть спровоцирована и человеческой деятельностью.

1.2. Характеристики загрязнения атмосферы
9
Для выяснения причин появления данных проблем необходимо глубокое понимание комплекса физических, физико-химических и химических процессов, протекающих в тропосфере и
стратосфере, следует также учитывать солнечно-земные связи,
процессы дегазации Земли, потоки техногенных и эндогенных
газов, попадающих в атмосферу, и многие другие факторы.
Говоря о процессах, протекающих при взаимодействии различных компонентов атмосферы как антропогенного, так и естественного происхождения, необходимо выделить те ее составляющие, которые отличны от ее естественной газовой основы,
т. е. те вещества, которые объединяются понятием загрязнения.
К вредным выбросам, загрязняющим атмосферу и являющимся
источником различных процессов, протекающих в ее объеме, и
оказывающим влияние на климат, тепловой режим и экологическую обстановку как в региональном, так и планетарном масштабах, относятся атмосферная пыль, газы и пары.
1.2. Характеристики загрязнения атмосферы
1.2.1. Пыль и аэрозоли
Атмосфера вблизи поверхности Земли (как тропосфера, так
и стратосфера) содержит частицы во взвешенном состоянии.
Любая двухфазная система, в которой одна фаза дисперсионно
распределена в другой, называется коллоидом. Если дисперсионной средой служит газ или смесь газов, а дисперсной фазой
являются взвешенные жидкие либо твердые частицы, то такая
коллоидная система называется аэрозолем.
Вся атмосфера Земли заполнена аэрозольными частицами.
В столбике атмосферы с основанием площадью в 1 см2 содержится около 2  1010 аэрозольных частиц, а газовых молекул в
этом же объеме присутствует более 1025, из чего следует, что на
одну аэрозольную частицу приходится примерно 1015 газовых
молекул. Тем не менее роль их в появлении и поддержании жизни на Земле огромная. Аэрозольные твердые и жидкие частицы
рассеивают и отражают около 30 % солнечной радиации, поступающей в околоземное пространство. Вследствие этого средняя
температура земной поверхности составляет 15 C вместо 50 C,

Глава первая. Физико-химические процессы в атмосфере
которая наблюдалась бы при отсутствии аэрозолей в атмосфере,
что делало бы проблематичным существование белковых форм
жизни на нашей планете.
Распределение аэрозольных частиц на вертикальном срезе
атмосферы представляет собой чередование слоев с высокой и
низкой их концентрацией. Обнаружены три зоны их весьма высокого содержания. Это облачный слой, инверсионный слой и
слой Юнге (по имени ученого, зафиксировавшего его в середине
XX в.).
Первый сгущенный слой аэрозольных частиц представлен
обычно на высоте 1,5—5 км облаками, которые большую часть
времени присутствуют в атмосфере и выполняют существенную
функцию ослабления потока солнечной энергии. Главная компонента слоя облаков — вода, но вместе с ней в облаках всегда
присутствуют множество других соединений, которые в этих условиях проявляют повышенную химическую активность. В соответствии с классификацией, принятой более 100 лет назад Международным метеорологическим съездом, выделяют 10 родов
облаков, от перистых до кучево-дождевых. С других позиций облака подразделяют на тропосферные (ниже 13 км) и стратосферные (перламутровые — на высоте 20—30 км и серебристые — на
высоте 60—70 км).
По физико-химическим свойствам облака классифицируют
как
коллоидально-устойчивые
и
коллоидально-неустойчивые.
Первый тип представлен облаками с переменчивыми и одновременно четко выраженными граничными очертаниями, содержащими капли близких размеров с отсутствием тенденции к их коалесценции. Размеры водяных капель в устойчивых облаках почти
одинаковы и составляют около 1 мкм. Содержание воды в 1 килограмме массы таких облаков близко к 1 грамму. Таким образом, устойчивое облако представляет собой воздушную среду с
распределенными в ней на расстояниях 20—30 мкм друг от друга
капелек воды одинакового размера.
Второй тип представлен облачным продуктом в виде серой
тучи с расплывчатыми краями, в которой присутствуют как капельки различных размеров, так и кристаллики льда. Это состояние проявляется повышенной неустойчивостью, что реализуется выпадением осадков в виде дождя или града.
Выше облачного слоя находится зона атмосферы, где число
аэрозольных частиц резко уменьшается, их состав и состояние