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 соеди-
нений 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 окру-
жающей 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 техносфер-
ной 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 бу-
дущем в результате человеческой деятельности или воздействия дру-
гих факторов, необходимо сопоставить изменения, связанные с чи-
сто 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 несколь-
ких тысячелетий можно было бы назвать краткосрочными, в то же 
время антропогенные изменения в течение десятилетий можно счи-
тать долгосрочными.
Необходимо также изучение пространственного распространения 
изменений содержания веществ (локальных, региональных, глобаль-
ных), так как экосистемы открыты, то большие локальные изменения 
в долгосрочном плане приводят к региональным изменениям.
Естественные (природные) изменения. Качественный и количе-
ственный масштаб естественных долгосрочных изменений на Земле 
характеризует изменения геохимических, геофизических и метеоро-
логических параметров за геологические периоды времени, эволю-
цию живых организмов, обитающих в воде и на суше, а также изме-
нения однородности биосферы в климатическом, химическом и би-
ологическом отношении.
В соответствии с законами термодинамики вся Вселенная стре-
мится к состоянию с большей энтропией, а установление состояния 
с большим порядком (меньшей термодинамической вероятностью) 
связано с затратами энергии. Для Земли с большой степенью веро-
ятности принимается непрерывное увеличение энтропии. В соответ-
ствии с физико-химическими свойствами элементов для нашей пла-
неты этот процесс идет постепенно, а поступление солнечной энер-
гии еще в большей степени замедляет его.
Геохимические и геофизические процессы, которые на протяже-
нии всей геологической истории планеты привели ее к современному 
химическому, биологическому и энергетическому состоянию, вклю-
чают в себя как упорядочивающие процессы, связанные с затратой 
энергии, так и диссипативные процессы, сопровождающиеся ее вы-
делением.

Землетрясения за короткий промежуток времени изменяют кар-
тину окружающего мира. Хотя причины их возникновения не пол-
ностью 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 вул-
канов.
Антропогенные локальные изменения окружающей среды можно 
рассматривать как результат непосредственной деятельности чело-
века по изготовлению, применению, выбросам химических продук-
тов 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, от-
носительно широко распространенные и используемые на больших 
территориях (например, сельскохозяйственные препараты; при ава-
риях в воздух или воду выбрасывается одновременно большое коли-
чество химических веществ, например нефти при авариях нефтетан-
керов вблизи побережий).
Оценка роли антропогенной деятельности в региональном и гло-
бальном накоплении природных веществ затрудняется тем, что фо-
новое содержание этих веществ в различных географических зонах 
значительно различается. Кроме того, доля антропогенного воздей-
ствия зависит от таких естественных и непредсказуемых факторов, 
как, например, климатические изменения, которые могут за корот-
кий срок сильно повлиять на масштабы накопления химических 
веществ. Основой для определения возможных региональных или 
глобальных влияний являются оценки локальных накоплений ве-
ществ.
Оценка распространения в окружающей среде синтезированных 
человеком веществ включает оценку физико-химических свойств 
этих веществ, физические процессы, связанные с их переносом, био-
логические процессы, принимающие участие в глобальных процес-
сах круговорота веществ в природе, а также в циклических процессах, 
происходящих в отдельных экосистемах.
Причиной неконтролируемого глобального и регионального на-
копления химических продуктов является тенденция к распростра-
нению, 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 обу-
словливают такие процессы распространения, сложны и много-
образны.
Скорость первой стадии распространения, а именно выход за пре-
делы района применения, зависит от вида применения, насколько оно 
является открытой или закрытой системой, кроме того, от физико-
химических процессов, которые происходят на месте применения, 
от естественных процессов обмена между районом применения 

и прилегающей территорией, а также от химической структуры ис-
следуемого 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 тех-
нологии 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 про-
цесс зависит в основном от объема производства и устойчивости 
химических продуктов, что позволяет обнаружить эти вещества по-
всеместно в результате природных процессов переноса.
Важными стадиями, определяющими подвижность и распреде-
ление 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 со-
става. 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 геоло-
гических временных масштабах, равных миллионам лет.

1.1.  
Эволюция атмосФеры и Происхождение жизни

Аккреция (притяжение) вещества из космоса привела к времен-
ному разогреву его и легких молекул первичной атмосферы, прежде 
всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. 

Последующее понижение температуры в результате сильного излу-
чения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулка-
низм 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)