Техносферная безопасность: физико-химические процессы в техносфере

ТЕХНОСФЕРНАЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ

физико-химические

процессы в техносфере

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва

ИНФРА-М

202Н.В. ГУСАКОВА

Рекомендовано 

федеральным государственным бюджетным образовательным 

учреждением высшего профессионального образования 

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» 

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению подготовки 23.03.01 «Техносферная безопасность»

Регистрационный номер рецензии 2989 от 27 февраля 2015 г. (МГУП)

Гусакова Н.В.

Техносферная безопасность: физико-химические процессы 

в техносфере : учебное пособие / Н.В. Гусакова. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 185 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/10267. 

ISBN 978-5-16-018747-1 (print)
ISBN 978-5-16-101480-6 (online)

Рассмотрены физико-химические аспекты проблемы охраны 

окружающей среды, процессов миграции и трансформации соединений природного и антропогенного происхождения в атмосфере, 
литосфере и гидросфере, характеристики основных загрязнителей, 
методы борьбы с загрязнением окружающей среды.

Приведены биогеохимические круговороты наиболее важных 

макро- и микроэлементов, а также некоторых загрязнителей окружающей среды.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Техносфер
ная безопасность и природообустройство», может быть полезно для 
специалистов в области защиты окружающей среды, мониторинга 
и экологической экспертизы.

УДК 504.054(075.8) 
ББК 502.7я73

Г96 

Р е ц е н з е н т ы:

д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой 

«Охрана окружающей среды и химия» 

Северо-Кавказского федерального университета М.Ф. Маршалкин;

доц., канд. техн. наук, зав. кафедрой 

«Природа обустройства и охрана окружающей среды» 

Калмыцкого государственного университета П.П. Чимидов

УДК 504.054(075.8)
ББК 502.7я73
 
Г96 

Подписано в печать 28.04.2023.

Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,625. 

ППТ12.ТК 283800-2053224-250315

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru 

http://www.infra-m.ru

ISBN 978-5-16-018747-1 (print) 
ISBN 978-5-16-101480-6 (online) 
©  Гусакова Н. В., 2015

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Предисловие

Содержание учебного пособия «Техносферная безопасность: физико-химические процессы в техносфере» соответствует требованиям 
ФГОС и предназначено для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям 200301: «Техносферная безопасность 
и природообустройство»; «Безопасность жизнедеятельности»; «Водные ресурсы и водопользование»; «Защита окружающей среды»; 
«Природообустройство».
В пособии отражены физико-химические аспекты основных экологических проблем (антропогенный «парниковый эффект», разрушение озонового слоя, формирование фотохимического смога, образование кислотных дождей, «металлизация» биосферы), а также 
рассмотрены процессы, протекающие в техносфере, основные биогеохимические циклы элементов и антропогенное их изменение, 
обсуждены процессы трансформации техногенных и антропогенных 
загрязнений в атмосфере, гидросфере и почве.
Студент, изучивший дисциплину «Физико-химические процессы 
в техносфере», должен:
знать: сходство и различие биосферы и техносферы; факторы, 
определяющие устойчивость биосферы; физико-химические и химические процессы, протекающие в техносфере, физическое и химическое загрязнение окружающей среды и его влияние на экологическое 
равновесие, характеристики основных химических загрязнителей 
и способов определения уровней загрязнения; пути миграции загрязнителей в пределах одной геосферы и переноса их в сопредельные 
геосферы, физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды;
уметь: выполнять расчеты накопления, распространения, рассеивания загрязняющих веществ в различных природных средах.
Пособие способствует формированию следующих компетенций 
по ФГОС ВПО по направлению подготовки «Техносферная безопасность и природообустройство»:

 
♦
владение культурой безопасности и риск-ориентированным мышлением, при котором вопросы безопасности и сохранения окружающей среды рассматриваются в качестве важнейших приоритетов в жизни и деятельности (ОК-7);

 
♦
способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении 
профессиональных задач (ОК-11);

 
♦
способность к абстрактному и критическому мышлению, исследованию окружающей среды для выявления ее возможностей 

и ресурсов, способность к принятию нестандартных решений 
и разрешению проблемных ситуаций (ОК-12);

 
♦
способность пропагандировать цели и задачи обеспечения безопасности человека и природной среды в техносфере (ПК-11);

 
♦
способность ориентироваться в основных проблемах техносферной безопасности (ПК-19).
Пособие содержит четыре главы (физико-химические процессы 
в нижних слоях атмосферы, земной коре, природных водах и процессы распространения и трансформации и накопления веществ 
в техносфере), включая контрольные вопросы и вопросы для самостоятельной подготовки, может быть полезно специалистам, работающим в области защиты окружающей среды, экологического мониторинга, экологической экспертизы.
Автор с благодарностью примет замечания и отзывы, присланные 
по электронной почте: gusakova@sfedu.ru

введение

Изменение веществ во времени и пространстве. Для целостного 
понимания техносферы как глобальной системы важно изучение 
как природных, так и антропогенных процессов, происходящих 
в ней.
Для предсказания того, как эта система может измениться в будущем в результате человеческой деятельности или воздействия других факторов, необходимо сопоставить изменения, связанные с чисто природными процессами и с деятельностью человека. Важно 
выяснить временной масштаб изменений: быстрые (краткосрочные) 
или очень медленные (порядка геологических периодов) они.
Понятия «краткосрочные» или «долгосрочные» относительны. 
Для естественных процессов эволюции изменения в течение нескольких тысячелетий можно было бы назвать краткосрочными, в то же 
время антропогенные изменения в течение десятилетий можно считать долгосрочными.
Необходимо также изучение пространственного распространения 
изменений содержания веществ (локальных, региональных, глобальных), так как экосистемы открыты, то большие локальные изменения 
в долгосрочном плане приводят к региональным изменениям.
Естественные (природные) изменения. Качественный и количественный масштаб естественных долгосрочных изменений на Земле 
характеризует изменения геохимических, геофизических и метеорологических параметров за геологические периоды времени, эволюцию живых организмов, обитающих в воде и на суше, а также изменения однородности биосферы в климатическом, химическом и биологическом отношении.
В соответствии с законами термодинамики вся Вселенная стремится к состоянию с большей энтропией, а установление состояния 
с большим порядком (меньшей термодинамической вероятностью) 
связано с затратами энергии. Для Земли с большой степенью вероятности принимается непрерывное увеличение энтропии. В соответствии с физико-химическими свойствами элементов для нашей планеты этот процесс идет постепенно, а поступление солнечной энергии еще в большей степени замедляет его.
Геохимические и геофизические процессы, которые на протяжении всей геологической истории планеты привели ее к современному 
химическому, биологическому и энергетическому состоянию, включают в себя как упорядочивающие процессы, связанные с затратой 
энергии, так и диссипативные процессы, сопровождающиеся ее выделением.

Землетрясения за короткий промежуток времени изменяют картину окружающего мира. Хотя причины их возникновения не полностью изучены, их можно было бы объяснить химическими реакциями, протекающими при нагревании и повышении давления 
в горных породах, а также возникающими при этом изменениями 
упругости при фазовых переходах.
Вулканическая деятельность внесла большой вклад в многообразие 
геологических формаций. С высокой степенью вероятности можно 
полагать, что большая часть океанской воды и газов атмосферы появилась в результате вулканических извержений. Типичные вулканические газы содержат (по объему) 79% водяного пара, 12% СО2, 
7% SO2, 1% N2 и 1% приходится на СО, Н2S, НС1, СН4 и Аr.
В результате этих длительных изменений земной коры сформировалась весьма разнообразная по своему составу твердая оболочка 
Земли. Локальные колебания концентрации отдельных элементов различаются в ней на три и более порядка.
Выветривание, эрозия и осадочные процессы в течение по крайней 
мере миллиарда лет определялись также периодическими изменениями 
климата. Особенно большое влияние оказывали в последние 250 млн 
лет ледниковые периоды с промежуточными теплыми и влажными 
периодами, т.е. с изменяющимися условиями протекания химических 
реакций.
Вода в современных океанах медленно перемешивается (например, на большой глубине коэффициент вертикального перемешивания составляет около 10 см2/с), поэтому океаны значительно однороднее, чем твердая земная кора. Вода в разных частях океана различается по содержанию солей: разная концентрация солей и твердых 
веществ в водах, поступающих в океаны; вертикальный перепад 
температуры; различия в скоростях испарения; образование льда 
и его таяние; различное количество осадков над районами океана; 
постоянные океанические и морские течения. Эти факторы обусловливают локальные различия и в составе донных осадков.
Критериями оценки природных и антропогенных веществ по степени их воздействия на изменение окружающей среды являются 
количество, объем запасов, частота появления и распространенность. 
Учет изменений окружающей среды при отслеживаниии локального, 
регионального и глобального распространения веществ облегчает 
идентификацию источников их появления, оценку риска при их использовании.
Локальные краткосрочные естественные изменения окружающей 
среды — результат, например, землетрясений, наводнений, бурь; 
флуктуации плотности популяций различных видов экосистемы, 
изменения микроклимата. Региональными природными краткосроч

ными изменениями являются, например, засухи и извержения вулканов.
Антропогенные локальные изменения окружающей среды можно 
рассматривать как результат непосредственной деятельности человека по изготовлению, применению, выбросам химических продуктов на некоторой ограниченной территории. Накопленные локально 
концентрации веществ могут оказывать нежелательные и тяжелые 
воздействия на человека и живые организмы.
Локальные и региональные изменения вызывают вещества, относительно широко распространенные и используемые на больших 
территориях (например, сельскохозяйственные препараты; при авариях в воздух или воду выбрасывается одновременно большое количество химических веществ, например нефти при авариях нефтетанкеров вблизи побережий).
Оценка роли антропогенной деятельности в региональном и глобальном накоплении природных веществ затрудняется тем, что фоновое содержание этих веществ в различных географических зонах 
значительно различается. Кроме того, доля антропогенного воздействия зависит от таких естественных и непредсказуемых факторов, 
как, например, климатические изменения, которые могут за короткий срок сильно повлиять на масштабы накопления химических 
веществ. Основой для определения возможных региональных или 
глобальных влияний являются оценки локальных накоплений веществ.
Оценка распространения в окружающей среде синтезированных 
человеком веществ включает оценку физико-химических свойств 
этих веществ, физические процессы, связанные с их переносом, биологические процессы, принимающие участие в глобальных процессах круговорота веществ в природе, а также в циклических процессах, 
происходящих в отдельных экосистемах.
Причиной неконтролируемого глобального и регионального накопления химических продуктов является тенденция к распространению, т.е. свойство выходить за пределы района их применения и тем 
самым появляться во всей окружающей среде. Это приводит к их 
непреднамеренному и, как правило, нежелательному накоплению. 
Физические, химические и биологические механизмы, которые обусловливают такие процессы распространения, сложны и многообразны.
Скорость первой стадии распространения, а именно выход за пределы района применения, зависит от вида применения, насколько оно 
является открытой или закрытой системой, кроме того, от физикохимических процессов, которые происходят на месте применения, 
от естественных процессов обмена между районом применения 

и прилегающей территорией, а также от химической структуры исследуемого вещества.
В этой связи в понятие «применение» входит также технология 
применения, например осуществляется распыление пестицида с 
Земли или с помощью авиации (соответственно техника с большим 
или малым хранилищем распыляемого вещества), наносится слой 
краски распылением или просто кистью. За счет таких отличий в технологии применения изменяется количество вещества, поступающее 
в окружающую среду с места применения.
После того как химические материалы вышли за пределы района 
их применения, происходит дальнейшее распространение. Этот процесс зависит в основном от объема производства и устойчивости 
химических продуктов, что позволяет обнаружить эти вещества повсеместно в результате природных процессов переноса.
Важными стадиями, определяющими подвижность и распределение в окружающей среде веществ, являются перенос (миграция) 
между различными природными средами (водой, почвой и воздухом), 
их потребление и накопление в организмах, а также перенос веществ 
в этих средах, в частности живыми организмами.

Глава 1 
Физико-химические Процессы 
в нижних слоях атмосФеры

Атмосфера — это газовая оболочка Земли, связанная с ней силой 
тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении, 
характеризуется резко выраженной неоднородностью строения и состава. Атмосфера — самый маленький из геологических резервуаров 
Земли (рис. 1.1). Именно ограниченные размеры делают атмосферу 
такой чувствительной к загрязнению. Даже внесение небольшого 
количества вещества может привести к значительным изменениям 
в ее поведении.

Рис. 1.1. Относительные размеры основных резервуаров Земли, 1024 г  
(по Дж. Андрузу)

Следует заметить, что время перемешивания атмосферы очень 
мало. Такое перемешивание, распространяя загрязнители на большие 
площади, в то же время ослабляет их действие. В противоположность 
этому распространение загрязняющих веществ в океане идет намного 
медленнее, а в других резервуарах Земли происходит только в геологических временных масштабах, равных миллионам лет.

1.1.  
Эволюция атмосФеры и Происхождение жизни

Аккреция (притяжение) вещества из космоса привела к временному разогреву его 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 большое 
количество газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. 
В ней, кроме Н2, было много других газов, таких как СН4, NH3 и Н2О 
(рис. 1.2).
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), 

Рис. 1.2. Возможности химической эволюции на Земле (по Р.В. Каплану)