6. 4. Технология проведения тепловой диагностики.

Применение тепловой экодиагностики строится на сочетании следующих основных принципов: многократности и регулярности получения информации, узкой направленности ее, оперативности и связи с потребителями информации.

При этом учитывается время наблюдений, частота наблюдений, дешифрование результатов измерений или съемок.

6. 5. Применение тепловой экодиагностики.

Аэрокосмическая съемка. Она осуществляется в видимом и ближнем ИК – диапазонах длин волн с помощью фотографических, телевизионных и оптико – электронных сканирующих систем. При аэрокосмосъемках регистрируются различные количественные характеристики поля электромагнитного излучения, солнечной радиации, отраженной от поверхности Земли, и собственного теплового излучения системы земная поверхность – атмосфера.

Выявление утечки из подземных теплопроводов возможно практически единственным методом дистанционной тепловой диагностики.

6.5. 1. Тепловая диагностика атмосферы.

В настоящее время возможности наблюдения за выбросами загрязнений в атмосферу весьма ограничены. Теоретически возможно выделение в тепловом поле радиационно – температурно – контрастных выбросов. Однако практически при выполнении тепловой аэросъемки слабоконтрастные загрязнения атмосферы всегда теряются на фоне теплового поля земной поверхности. Поэтому объектами наблюдения могут быть только высокотемпературные выбросы занрязнений, непрозрачных в рабочих спектральных диапазонах. Такими объектами являются, в первую очередь, выбросы из дымовых труб ТЭЦ, котельных, промышленных предприятий, жилых зданий.

6. 5. 2. Тепловая диагностика гидросферы.

Особую актуальность разработка новых методов исследования температурного поля водной поверхности приобретает в связи с поисками полезных ископаемых и геологическим картированием обширных шельфовых зон. В этом случае тепловая аэросъемка является практически единственным быстрым и эффективным методом регистрации и исследования гидродинамических процессов на шельфе, определяющих существенные особенности его геолого – геоморфологичекого строения.

Несомненно важна тепловая аэросъемка для обнаружения и изучения очагов подводного вулканизма и излияния ювенильных вод из мантии, при изучении загрязнений водной среды в случае наличия в них тепловых составляющих и т. д.

Часть 7. Химико-аналитический экологический мониторинг.

7. 1. Влияние химических продуктов на окружающую среду.

Экологическая химия - наука о химических процессах и взаимодействиях в окружающей среде (экосфере), а также о последствиях таких взаимодействий. В отличие от экологической химии химическая экология ограничивается изучением природных материалов, применением материалов только в природных условиях, исследованием обменных процессов и механизмов регулирования в организмах.

В экологической химии наряду с биологическими применяют также химические методы.

Исследованием влияния антропогенных химических веществ на биологические объекты окружающей среды занимается Экотоксикология. Задачей экотоксикологии является изучение воздействия химических факторов на виды, живые сообщества, абиотические составляющие экосистем и на их функции.

В отличие от токсикологии в ней не рассматриваются вопросы отравления конкретного организма. Влияние на человека происходит косвенно через ухудшение жизненных условий из-за вредных воздействий на окружающую среду.

Токсикологические и экотоксикологический свойства веществ обусловлены их химическим составом.

Эколого-химическое поведение веществ, методы их применения и объемы поступления в биосферу определяют уровень экспозиции. Последний в комплексе с экотоксикологическими свойствами вещества является основой для оценки воздействия вещества на окружающую среду.

Для объективной оценки влияния химических продуктов на окружающую среду не обходимо иметь абсолютную шкалу измерения качества окружающей среды. Однако поскольку не все факторы, влияющие на состояние окружающей среды, можно измерить количественно, а также поскольку неизвестно оптимальное состояние окружающей среды для человека, в настоящее время проводятся оценки только изменений ее состояния относительно некоторой исходной ситуации.

Идеальным решением было бы изучение всех химических продуктов в отдельности, определение их содержания и поведения в окружающей среде, исследование биологических последствий их воздействия.

Имеющиеся в настоящее время аналитические методы и приборы диагностирования позволяют выявить локальные концентрации химических веществ, попадающих в окружающую среду, и предпринять необходимые меры для снижения их содержания.

В глобальном масштабе загрязнения вредными веществами, если и могут быть снижены, то только с большими затратами и до некоторого порога безопасности. Поэтому при внедрении прогрессивной технологии или технологического процесса необходимо предусматривать применение таких химических материалов и продуктов, глобальное накопление которых не может привести к вредным последствиям для всей экосферы, частью которой является и человек.

Химические продукты часто выпускаются в виде сложных смесей, причем продукт одной фирмы является исходным сырьем для получения продуктов другой фирмой, так что фирме-производителю часто неизвестно, какие вещества будут получены из ее продукта. В процессе производства и промышленного применения такие вещества находятся под контролем, и на предприятиях соблюдаются промышленно-санитарные нормы и правила. Однако использование их потребителями часто не поддается контролю или какому-либо регламентированию.

Несвойственные окружающей среде (посторонние) химические продукты - это химические вещества, поступающие в природную среду в результате деятельности чело века, в отдельных случаях достигающие таких концентраций, которые оказываются вредными для абиотических составляющих экосистем, для живых существ и особенно для самого человека. К таким продуктам относятся химические элементы, неорганические и органические соединения (синтетические или природного происхождения).

Понятие " живые существа" объединяет человека и весь окружающий его живой мир - животных, растения и микроорганизмы.

К настоящему времени на всем земном шаре идентифицировано около 400 тыс. видов растений и около 1,2 млн видов животных.

Загрязняющие химические продукты классифицируют по источникам поступления, областям применения и характеру воздействия:

биоциды (например, инсектициды, героициды, фунгициды), являются значимыми для окружающей среды химическими продуктами, поскольку длительное время применя­ются в окружающей среде, а по своему назначению их действие направлено против живых существ;

добавки к пищевым продуктам и косметическим средствам, имеют также большое значение, поскольку они непосредственно используются человеком;

удобрения, моющие средства и хлорированные растворители (химчистка), также важ­ны, поскольку они широко потребляются и в больших количествах.

Химические продукты классифицируют на природные и несвойственные окружающей среде вещества (ксенобиотики). Ксенобиотиками называют вещества, по своей структуре и биологическим свойствам чуждые биосфере и полученные исключительно в результате химического синтеза.

На основе эпидемиологических исследований и многочисленных экспериментов с животными очевидно, что многие химические вещества сопряжены с высокой степенью риска для здоровья человека и могут нанести непоправимый вред живым организмам, если их концентрация в окружающей среде будет возрастать. К таким химическим продуктам относятся различные тяжелые металлы, асбест, полициклические углеводороды и нитрозоамины.

Для многих химических веществ не имеется достаточных экспериментальных данных об эффектах их длительного воздействия на организм, что не позволяет сделать никаких выводов о степени потенциального риска при их использовании.

Ориентировочно, в настоящее время во всем мире производится около 80 тысяч видов химических продуктов.

Если учесть, что во всем мире используется около 250 млн т органических химических продуктов, значительная часть которых после использования бесконтрольно попадает в окружающую среду, то становится очевидным, что данные продукты сами по себе могут изменить материальный состав окружающей среды во всем мире.

Под понятием материальный состав окружающей среды понимается химический состав биосферы (литосферы, гидросферы и атмосферы с находящимися на них живыми существами). Материальный состав окружающей среды устанавливается аналитическими методами. Понятие качество материального состава окружающей среды включает также оценку этой среды, т. е. принимается во внимание непосредственное состояние экосистемы - воды воздуха и почвы, а также продуктов питания и жилья человека. Значение состава окружающей среды для человека определяется различным объемом суточного потребления - в среднем около 10 кг воздуха, 2 л воды и 1 кг твердых продуктов питания.

Следует учитывать также влияние изменений в соответствующих средах на биологическое использование этих веществ, под которым понимают количество вещества, поступившее в организм за какое-то время и участвующее в обмене веществ. Пути проникновения вещества в организм (через кожу, органы дыхания или пищеварительный тракт) соответствуют различным возможностям его биологического использования.

Для разработки мероприятий по защите окружающей среды изучается первично загрязненная природная среда - переносчик вещества. В качестве примеров можно назвать исследование реакционноспособных углеводородов в воздухе, органических соединений, разлагающихся в воде (биологическое потребление кислорода) или веществ, загрязняющих питьевую воду. Затем изучается (преимущественно классическими аналитическими методами) загрязнение природных сред экзосферы - воды, почвы, воздуха, а также живых организмов.

Однако для многих групп веществ и материалов методы количественного анализа недостаточно чувствительны и надежны.

Наряду с концепциями исследования среды распространения вредных веществ комплексное изучение химических продуктов должно включать рассмотрение технологии их производства в различных отраслях промышленности. При этом польза от применения различных видов химических продуктов (например, инсектицидов в сельском хозяйстве, добавок к пищевым продуктам, отбеливателей в моющих средствах) обязательно должна сопоставляться с риском, связанным с их производством и применением.

В концепции изучения отдельного вещества основное внимание уделяется изучению не только его полезных свойств, но и его поведения при воздействии на окружающую среду. При этом исследуется его предполагаемая или реально создаваемая концентрация, а также ее воздействие на материальный состав окружающей среды.

При методологии исследований, ориентированных на вещество необходимо составление долгосрочного баланса распределения в окружающей среде применяемых химикатов, их количества, области применения, переноса вещества в средах и между ними, разлагаемость химического продукта, а также его накопление.

Подобным же образом экотоксикологическое исследование направлено на количественную оценку потенциальных воздействий на видовой состав, плотность популяции и сообществ живых организмов в экосфере.

В соответствии с современным уровнем знаний основная задача экологической химии состоит в исследовании взаимоотношений между химическими продуктами, живыми и неживыми составляющими экосферы:

выявление загрязнения окружающей среды;

снижение загрязнения окружающей среды и изучение возможных последствий этого.

При исследовании загрязнений окружающей среды проводится экодиагноз, в котором можно выделить следующие этапы исследований:

содержание химиката в окружающей среде и объем производства;

области применения;

распространение в окружающей среде;

поступление и накопление в окружающей среде;

экотоксичность и токсичность;

устойчивость и разлагаемость;

реакции дальнейших превращений.

Объем производства и содержание химического продукта в окружающей среде основные аргументы для определения методологии и объема первоочередных диагностических исследований. Для изучения и оценки изменений материального состава окружающей среды предлагается несколько параллельных схем:

сопоставление изменений, связанных с чисто природными процессами (биогеохимия, химическая экология) и с деятельностью человека;

выяснение временного масштаба изменений: быстрые (краткосрочные) или очень медленные (порядка геологических периодов). Понятия краткосрочности или долгосрочности относительные. 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;

пространственное распространение изменений содержания веществ - локальное, региональное, глобальное; так как экосистемы открыты, большие локальные изменения в долгосрочном плане приводят к региональным изменениям;

классическая классификация по изменениям качества сред экосферы.

Естественные (природные) изменения геохимических, геофизических и метеорологических параметров за геологические периоды времени, эволюция живых организмов обитающих в воде и на суше, а также изменения гомогенности биосферы в климатическом, химическом и биологическом отношении характеризуют качественный и количественный масштаб неантропогенных долгосрочных изменений на земле.

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.

Эколого-химическая концепция, направленная на изучение веществ, особенно эффективна для прогнозирования региональных и глобальных изменений окружающей среды, вызванных применением химических продуктов.

В концепции экологической химии, основанной на изучении химических продуктов, в качестве критериев изменения материального состава окружающей среды используют следующие параметры:

объем производства;

области применения;

распространение в окружающей среде;

устойчивость и способность к разложению и превращению;

экотоксикологические свойства.

На основе этих параметров может быть охарактеризовано значение и дана оценка количественного влияния отдельных веществ на окружающую среду.

Объем производства - критерий эколого-химической концепции, основанной на изучении химических материалов, должен включаться в оценку антропогенного использования и оборота неорганических веществ, а также органических веществ природного происхождения.

Следует отметить, что обсуждаемые критерии состояния окружающей среды относятся только к определенным химическим продуктам и смесям веществ, которые можно оценивать и по другим перечисленным выше критериям, т. е. все параметры следует учитывать в совокупности. Например, бетон, камень, цемент и сталь, объем производства которых составляет более 85 % общего объема производства, оказывают химическое воздействие на окружающую среду только в том отношении, что их производство сопровождается вредными выбросами, а для их производства используют некоторые химические продукты.

Во всем мире ежегодно производится 300 млн т химических веществ.

Примерно 90 % органических химических продуктов производится из нефти.

Глобальные эмиссии из природных источников и в результате человеческой деятельности показаны в табл. 7. 1.

Существует 50 наиболее распространенных в мире веществ, которые вследствие высокой их концентрации могут превысить уровень содержания, обеспечивающий способность природных сред к самоочищению, характерную для соответствующей структуры соединений, а также снизить эффект биологической очистки и системы подготовки питьевой воды.

"Области применения" понимают как количественный учет использования отдельных химических продуктов на конечной стадии их потребления. Технологическое применение в домашнем хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве, продуктах питания и т.д. определяет направления распространения химических веществ в окружающей среде.

Таблица 7. 1.

Глобальные эмиссии из природных источников

Вид эмиссии	Природные источники, млн т/год	Человеческая деятельность
		Млн т/год	% общей эмиссии
С02	600000	22000	3,5
СО	3800	550	13
Аэрозоли^1	3700	246	6
Углеводороды^2	2600	90	3
СН4	1600	110	6
NH3	1200	7	0,6
NO, NO2^3	770	53	6,5
Соединения серы^4: из них SO2 N2O	304 20 145	150 150 4	33 88 3

¹ Включая тонкую пыль.

² Без метана.

³ Рассчитано на NO₂.

⁴ Рассчитано на SO₂.

Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами, причем, разумеется, факторы окружающей среды играют решающую роль.

В настоящее время с помощью математических моделей предпринимаются попытки рассчитать концентрации этих веществ в соответствующих средах. В моделях учитываются такие физико-химические свойства химических веществ, как молекулярная масса, давление пара и растворимость в воде. Для прогноза концентрации вещества в соответствующей среде определяют его фугитивность (летучесть).

В настоящее время имеются математические уравнения процессов перехода веществ из одной среды в другую, которые позволяют на основании физико-химических свойств веществ при определенных внешних условиях дать количественную оценку концентраций веществ и полупериода процесса их переноса.

Перенос химических продуктов, загрязняющих окружающую среду, на границе раздела почва - вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искусственного орошения и собственно переноса этих веществ в почве, например, в виде водных растворов. Загрязнение вод может происходить как водой, стекающей по поверхности почвы, так и водой, проникающей на всю глубину почвы.

Для всех переходов химических продукты через границу почва - водная фаза основную роль играют процессы адсорбции.

В понятии адсорбции объединяются различные стадии процессов локализации химического вещества на отдельных участках поверхности и распределение адсорбирующегося вещества в объеме (водная фаза и органическое вещество почвы).

Десорбция адсорбированных веществ водой или солевыми растворами никогда не идет до конца. Это означает, что адсорбция обычно обратима не полностью. Недесорбирующаяся часть состоит из прочно связанных молекул, которые можно снять с поверхности только интенсивной экстракцией органическими растворителями, и не экстрагируемого остатка".

Адсорбция играет основную роль в процессе перемещения химических соединений в почве, а также при их испарении из почвы и поглощении растениями.

Адсорбция замедляет массоперенос в почве. Массоперенос растворенных химических веществ является функцией диффузии, конвекции и дисперсии веществ, а также их разложения абиотическими и биотическими реакциями.

Диффузия (диффузионный массоперенос) является физическим процессом, в ходе которого молекулы, атомы или ионы в результате теплового движения (броуновское движение) перемещаются из области большей концентрации в меньшую. Этот процесс происходит независимо от течения воды. Диффузионный массоперенос растворенных веществ в свободном объеме жидкости представляет собой произведение (со знаком минус) коэффициента диффузии и градиента концентрации в направлении, перпендикулярном некоторой воображаемой плоскости раздела.

Коэффициент диффузии измеряется в м²/с и зависит как от молекулярных свойств растворенного вещества (например, относительной молекулярной массы и молярного объема), так и от свойств воды и других внешних условий.

Сумма всех замедляющих диффузию факторов количественно оценивается импедансом. Последний является коэффициентом пропорциональности между коэффициентами диффузии, измеренными в почве и в свободной жидкости. Он изменяется в зависимости от вида растворенных молекул и типа почвы.

Конвекция (конвективный массоперенос) представляет собой принудительное перемещение растворенных веществ потоком воды. Она оценивается как произведение объемного потока воды (скорость фильтрации) и концентрации растворенных веществ в воде.

Дисперсией (дисперсионный перенос) называют перераспределение (соответственно перемешивание) растворенных веществ в движущейся в порах воде, вызванное неоднородностью поля скоростей потока в каждом отдельно взятом объеме воды в поре.

Дисперсия определяется как произведение (со знаком минус) объемного содержания воды в почве, градиента концентрации в перпендикулярном направлении к воображаемой плоскости раздела и дисперсионного коэффициента (м²/с). Последний зависит от средней скорости движения воды в порах; коэффициент пропорциональности называют дисперсионостью (м).

Сумму дисперсионного коэффициента и коэффициента диффузии в перовом пространстве почвы называют гидродинамическим дисперсионным коэффициентом. Переход вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду; оба понятия относятся не к равновесным, а к динамическим процессам.

Скоростью улетучивания называют поток массы вещества, проходящий через границу вода - воздух; она определяется как количество вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени. Эта скорость пропорциональна разности концентраций соответствующего вещества в обеих фазах:

F = Kc,

где F - поток вещества, выраженный в единицах массы за единицу времени на единицу площади; с - разность концентраций вещества в воде и газовой фазе.

Коэффициент пропорциональности К - общая скорость переноса (м/с или см/ч).

Летучесть химических веществ из почвы в атмосферу зависит и от других условий окружающей среды, например, от свойств почвы, температуры и скорости ветра. Сухое осаждение химических веществ из атмосферы на почву происходит по тем же законам, что и улетучивания из почвы.

Другим путем уноса вещества из почвы в атмосферу является перенос с пылью (ветровая эрозия), а в обратном направлении - влажным осаждением, например, при их вымывании из воздуха дождем. Так же, как в случае перехода вода/воздух, доля каждого направления переноса зависит от физико-химических свойств вещества, а также типа почвы и климатических условий.

Любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступление и выделение из организма происходят с одинаковой скоростью; установившаяся при этом в организме концентрация называется концентрацией насыщения. Если она выше наблюдающейся в окружающей среде или продуктах питания, говорят об обогащении и аккумуляции (накоплении) в живом организме.

Под коэффициентом обогащения или аккумуляции понимают отношение концентрации вещества в организме к концентрации того же вещества в окружающей среде или в пище. Коэффициент аккумуляции ниже единицы можно представить себе как абиотическое накопление данного вещества в окружающей среде.

При обсуждении процессов усвоения и накопления химических веществ в водных организмах используют понятия биоконцентрирования, биоумножения и биоаккумуляции, которые оцениваются соответствующими коэффициентами обогащения, а также экологического обогащения - прироста концентрации какого-либо вещества в экосистеме или цепи питания при переходе от низкого к более высокому трофическому уровню.

Превращения посторонних химических веществ - это изменения их химической структуры под воздействием факторов окружающей среды. Если речь идет об абиотических факторах воздействия (кислород, свет и т.д.), то говорят об абиотических превращениях. Если превращения вызываются живыми организмами или продуцируемыми ими ферментами, то говорят о биотических превращениях.

Химический состав чистого сухого воздуха приведен в табл.7. 2. В ней указаны не только концентрации газов в атмосфере (в %), но и их общее количество в атмосфере. Из таблицы следует, что воздух состоит в основном из азота, кислорода и относительно меньшего количества аргона. Все остальные имеющиеся в атмосфере газы содержатся лишь в следовых количествах.

Таблица 7. 2.

Концентрация и общее количество газов в атмосфере

Вещество	Концентрация в чистом сухом воздухе на уровне моря	Обшее количество в атмосфере, 10^9 т
Азот N2 Кислород O2 Аргон Аг	78,084 %* 20,9476 % 0,934 %	3900000 1200000 67000
Водяной пар Н 3О	Не учитывается	14000
Оксид углерода СОа	346 млн'^1	2600
Неон Ne	18,18 млн -'	65
Криптон Кг	1,14 млн'^1	17
Метан СН«	2 млн'^1	4
Гелий Не	5,24 млн-'	4
Озон Оз летом	< 0,07 млн'^1	3
зимой	< 0,02 млн'^1
Ксенон Хе	0,087 млн'^1	2
Оксид азота N2 0	0,5 млн'^1	2
Моноксид углерода СО	Следы	0,6
Водород Н2	0,5 млн'^1	0,2
Аммиак NHs	Следы	0,02
Оксид азота NO2	< 0,02 млн'^1	0,013
NO	Следы	0,005
Диоксид серы SO2	< 1 млн ^-1	0,002
Сероводород H2 S	Следы	0,001

* По объему.

Время жизни следовых газов в атмосфере колеблется от 1 года до 100 лет для таких устойчивых соединений, как N₂ 0.

Для оценки поведения пыли и аэрозолей в атмосфере и их влияния на состав и качество окружающей среды следует учитывать целый ряд физико-химических свойств частиц: их форму и агрегатное состояние (твердые, жидкие, газообразные или сорбированные на твердых материалах), для жидких аэрозолей - кинетику образования, состав частиц, минералогическую структуру, влияние этих веществ на солнечное излучение, температуру, диффузионные процессы, дисперсию.

За исключением асбеста (переработка асбеста) и частиц солей свинца (автотранспорт), а также пылевых выделений специфических производственных процессов пыль в атмосфере может иметь любой состав: от чистого кварца до смеси только органических соединений. Частицы более 10 мкм быстро оседают, от 5 до 0,1 мкм образуют устойчивые суспензии, а менее I мкм ведут себя подобно газам.

Все имеющиеся на земле органические и неорганические вещества поступают в атмосферу в виде аэрозолей и газов. Вредными основными веществами считаются: диоксид серы, оксиды азота (окислители), угарный газ (монооксид углерода) СО, углеводороды и пыль.

Эмиссия приводит к установлению определенной устойчивой концентрации вредных веществ в воздухе.

Антропогенная эмиссия вредных веществ в воздух, как правило, происходит локально, так что вследствие быстрого перемешивания в атмосфере и малой длительности выбросов вредных веществ вредные эмиссионные концентрации наблюдаются в основном вблизи источника эмиссии. Основные источники эмиссии в черной металлургии приведены на рис. 4.3.

Для антропогенных химических веществ, находящихся в атмосфере, отношение газообразных и связанных в аэрозоли форм колеблется в пределах от 0 до 100 %. Нафталин и бифенил, например, полностью находятся в газообразном состоянии; периленикоронен количественно связаны в аэрозоли, а флоуорантенипирен содержатся в обеих формах примерно поровну.

Естественное значение рН дождя вследствие наличия в атмосфере углекислого газа равно 5,6. Дожди с меньшим значением рН называют кислотными. Понижение рН связано с появлением в атмосфере SO2 и оксидов азота.

Долговременным глобальным следствием антропогенной эмиссии в атмосферу считается повышение содержания в ней диоксида углерода вследствие увеличения объема сжигаемого ископаемого топлива от 315 млн^-1 примерно 25 лет назад до более 340 млн^-1 в настоящее время.