Современная экология и ее проблемы

    Выполнила: студентка группы М-2-13 Кателкина А.Е.

    Проверила: Худощина М.Ю

Известно, что с 1650 г. население нашей планеты увеличивается в соответствии с экспоненциальным законом, то есть удваивается через определенные промежутки времени. В XX веке оно растет со скоростью 2,1% в год и удваивается через каждые 33 года. Не менее стремительны и темпы роста числа недоедающих, голодающих и умирающих от голода людей. Их количество уже приближается к половине миллиарда.

По мнению ученых, в течение обозримого будущего основным источником пищевого и кормового белка будет оставаться сельское хозяйство. Это означает, что для решения белковой проблемы необходимо повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Наибольший эффект здесь достигается за счет всемерного расширения средств химизации сельского хозяйства. Так, в настоящее время около трети населения планеты питается за счет урожая, выращенного с использованием химических удобрений. Почти 80—90% всех минеральных удобрений потребляется в Европе, Японии и Северной Америке. На остальные 2/3 человечества приходится только 10—20% их мирового производства.

Однако роль химизации сельского хозяйства не сводится только к использованию удобрений. Огромные средства могут оказаться затраченными впустую, если не защитить урожай от возбудителей болезней, насекомых и сорняков. Еще до сбора урожая сорняки, болезни и вредители наносят сельскому хозяйству ущерб, достигающий 30—40%. Если бы удалось избавиться от половины этих потерь, то человечество стало бы получать дополнительно такое количество зерновых, которого хватило бы для решения продовольственной проблемы. Стремление к использованию столь мощного резерва обусловило широкое применение пестицидов. Объем использования синтетических пестицидов в мире достиг 5 млн. тонн в год, т.е. в среднем почти по 1 кг на каждого человека Земли. В бывшем СССР и США эта цифра в два раза больше. Но, по подсчетам специалистов, требуется пестицидов в пять раз больше, чем их используется, т.е. 20—25 млн. т. Однако такие масштабы их использования породили бы столь же масштабную проблему химического загрязнения природной среды. Чтобы избежать этого, ученые-химики уделяют много внимания разработке таких пестицидов, которые бы быстро разрушались и не образовывали опасных для человека и животных веществ. В сельском хозяйстве уже наметился переход от очень опасных и устойчивых препаратов типа ДДТ к быстроразлагающимся фосфорорганическим карбаматам и пиретроидам.

В решении продовольственной проблемы химическая наука предлагает и совершенно новые подходы, связанные с получением белков, жиров, углеводов и витаминов из несъедобных растений, одноклеточных организмов и бактерий или прямо из молекул. Однако на пути их широкого использования зачастую встают трудности как экономического, так и экологического характера.

Влияние транспорта на литосферу. Транспорт существенно уменьшает общую площадь используемой земли, в том числе и общую площадь плодородной земли. Эрозия почвы происходит довольно быстро, а для воссоздания плодородного слоя глубиной 1 см необходимо около 100 лет. Крупный аэропорт требует для организации всех служб площадь, равную 25 — 50 км2. Еще большая площадь вокруг аэропорта становится непригодной для проживания людей из-за высокого уровня шума и условий безопасности полетов.

Сохранению почв служат такие главные направления в развитии транспорта, как выделение под транспортные сооружения менее ценных в сельскохозяйственном отношении земель; сохранение традиционных гидрологических режимов в районе транспортных сооружений; сокращение (лучше прекращение) загрязнения почв вредными компонентами работы транспортных средств.

За рубежом и в нашей стране накапливается опыт экономного использования земли с развитием транспорта. Так, в Москве построены два гаража: один большой многоярусный подземный на 1840 машин, другой — подземный гараж на улице Неждановой в самом центре Москвы. Планируется создание многих новых подземных сооружений. Имеются уже их проекты, но пока останавливает одна трудность — высокая стоимость их строительства.

Однако экономия на транспорте — вещь весьма разорительная;

в будущем она обернется значительно большими расходами, если ее осуществлять непродуманно. Так, 1 км хорошей дороги с твердым покрытием стоил в 1990 г. от 1 до 1,5 млн. р. Однако отсутствие такого покрытия (например, в сельской местности) приводит к прямому разрушению и эрозии почвы. Передвижение транспорта по бездорожью выводит из использования большие площади земли. Часто в весенние и осенние распутицы старые, разбитые дороги забрасываются, а движение осуществляется по новым участкам земли, вплоть до засеянных пашен. Важно и то, что пыль, поднимающаяся с непокрытых дорог, попадает на придорожные растения и существенно снижает урожайность. К сожалению, неухоженные дороги в нашей стране являются отличительной чертой, которая связана и с развитием автомобильного транспорта. На сегодняшний день важно решить проблему: как использовать неудобные земли и осушенные морские территории для нужд транспорта. В США в Чикаго на берегу озера Мичиган на осушенной территории создан аэродром. Здесь был использован метод осушения территории с помощью дамб, который много веков с успехом используется в Голландии. Существует (в основном за рубежом) опыт создания плавучих топливных хранилищ и емкостей на морском дне. Конечно, одно из основных требований к этим хранилищам — надежно обеспеченная герметичность. Здесь следует отметить, что осушение территорий и создание подводных (или надводных) хранилищ топлива — во многом спорное (особенно в отношении хранилищ) направление освоения земной поверхности. Дело в том, что осушение прибрежных зон (литорали) может привести к серьезным нарушениям сложившихся экологических систем и связей водных обитателей. Кроме того, даже при сверхнадежной работе проектировщиков и строителей невозможно гарантировать полную безаварийность. После этого ясно, что спешки в освоении неудобий в нашей стране нельзя допускать. Эффективное освоение этих земель требует создания условий для обеспечения высокой экологичности проектов и наличия высокоразвитой и современной строительной индустрии.

Утилизация твердых транспортных отходов. Многие транспортные предприятия оставляют отходы (шлаки, мусор, отходы металлов, резин, пластмасс). Мусор рассеивается на довольно больших площадях вдоль железных и автомобильных дорог. Самый эффективный способ утилизации — переработка транспортного мусора (как и всякого другого) на специальных заводах, где производится сортировка этого мусора. В процессе сортировки магнитные сепараторы отделяют магнитные материалы от немагнитных. Из последних выделяются тяжелые компоненты — цветные металлы и стекло. Оставшийся мусор используется как топливо для производства электроэнергии. Существуют проекты и уже действующие установки по переработке органического мусора в синтетическое топливо.

Транспорт и гидросфера. Для технических целей транспорт (в первую очередь автомобильный и железнодорожный) расходует очень большие количества пресной воды. На загрязнение воды существенно влияют морские и речные суда. Нефть и нефтепродукты — это наиболее распространенные загрязнители воды. Нефтяная пленка, образующаяся на ее поверхности, снижает интенсивность фотосинтеза и образования биомассы в океане, так как задерживает до 40% ультрафиолетового излучения. Подсчет показывает, что 1 т нефти поглощает весь кислород, растворенный в 400 тыс. т воды. Из-за этого человечество сейчас недополучает от 5 до 20% морепродуктов (по разным оценкам).

Существенно и другое: нефтяная пленка на поверхности воды серьезно снижает испарение, уменьшает количество водяных паров в атмосфере. Это влияет на климат, в частности, может повысить вероятность засухи.

Основная задача конца XX в. в области влияния транспорта на гидросферу — прекращение (или существенное сокращение) сбросов загрязнителей (в первую очередь нефти и нефтепродуктов), использование оборотных систем водоснабжения. Так, Волжское пароходство 36% своих потребностей обеспечивает оборотным водоснабжением. Этот, казалось бы, не очень хороший показатель, к сожалению, является одним из лучших в нашей стране.

Транспорт и атмосфера. Автомобильный транспорт — основной источник загрязнения атмосферы среди других транспортных средств. Наиболее велик вклад транспорта в загрязнение атмосферы окисью углерода, поэтому создание экологически чистых передвижных средств — очень важная проблема.

Нормы токсичности веществ в отработанных газах в нашей стране и за рубежом различны, у нас они даже несколько выше. Государственным стандартом определены среднесуточные предельно допустимые концентрации СО (1 мг/м3), N0x(0,085 мг/м3), СН (0,035 мг/м3). Содержание серы и свинца ограничено стандартами на топливо. Общемировая тенденция заключается в снижении этих норм, что сдерживается экономическими и техническими причинами. В сравнении с автомобильным, другие виды транспорта существенно меньше загрязняют атмосферу. Например, движение на крупных железнодорожных станциях в нашей стране переведено на электротягу.

Автомобильный транспорт загрязняет атмосферу отработанными газами, картерными и углеводородами. Происходит испарение топлива из бака, карбюратора и трубопровода. В отработанных газах в процентах к объему содержатся: окись углерода (0,5-10%), окислы азота (до 0,8%), углеводороды (до 3%), альдегиды (до 0,2%), сажа.

Количество загрязняющих веществ пропорционально расходу топлива, поэтому более экологичны двигатели, расходующие меньше топлива. Сокращение расхода топлива можно добиться уменьшением массы автомобиля. Легко рассчитать, что расход топлива автомобилем прямо пропорционален его массе. Особенно сильно масса влияет на расход топлива при разгоне и торможении. На многих моделях автомобилей сталь и чугун заменяют легкими сплавами, композитами и пластмассами. Даже блоки цилиндров делают сейчас из легких сплавов. Другой резерв экономии топлива — более полный учет аэродинамического сопротивления автомобиля. Наиболее существенная экономия топлива может быть получена для большегрузных автомобилей и автопоездов. Другая проблема (не только экономическая, но и сугубо экологическая) — сокращение холостого пробега. Автомобиль, "возящий воздух", не только зря "сжигает деньги", но и отравляет атмосферу.

В повышении экологичности автотранспорта важно следить за его техническим состоянием. Одна неработающая свеча карбюраторного двигателя повышает расход топлива на 15 — 20%, неисправность одной форсунки дизельного двигателя увеличивает расход топлива еще больше — до 28%. Плохо отрегулированный карбюратор ведет к росту образования окиси углерода до 15%.

Значительная перспектива в повышении экологичности двигателей внутреннего сгорания связана с поиском принципиально новых технических решений. Эти усовершенствования и поиски идут по целому ряду направлений. На них следует остановиться особо.

Изменения в системе зажигания должны значительно повысить экологичность автомобильного транспорта. Одна из основных причин загрязнения воздуха автомобильными двигателями — несовершенство системы зажигания. Разрабатываются новые принципы и схемы зажигания:

— бесконтактное электронное зажигание (оно ставится на многих двигателях, в том числе и советских) обеспечивает стабильность работы при более интенсивном разряде на свечах;

— форкамерное (или факельное) зажигание позволяет уменьшить выброс в атмосферу всех токсичных компонентов, экономит до 10% топлива. Работа форкамерного зажигания основана на том, что в малой форкамере обычной электрической искрой поджигается богатая бензиновая смесь. Факел, образующийся при возгорании, зажигает остальную, более бедную часть смеси. Сгорание топлива улучшается при таком зажигании.

Улучшение систем подачи топлива осуществляется следующими путями:

— изменением клапанного механизма для лучшего распыления и перемешивания смеси при ее поступлении в цилиндры;

—установкой двух карбюраторов (вместо одного) на двигателе. Один карбюратор обеспечивает работу двигателя на обедненной смеси в холостом режиме, другой работает при возрастании мощности на рабочих режимах. Существуют модели карбюраторов, совмещающие в едином блоке устройства, обеспечивающие оба режима работы;

— заменой карбюратора системой форсунок, осуществляющей впрыскивание топлива во впускной трубопровод или в цилиндры. Такая система позволяет достаточно равномерно распределить топливо внутри цилиндра, так как идет хорошее перемешивание топлива с воздухом.

Сложность внедрения этих систем состоит в том, что они могут быть установлены только на вновь выпускаемых автомобилях.

Усовершенствование ими старых двигателей практически нереально.

Нейтрализация выхлопных газов заключается в установке небольших приборов, обеспечивающих дожигание и разложение продуктов неполного сгорания (нейтрализаторов) на выхлопную трубу. Такие нейтрализаторы, как правило, обеспечивают разложение окислов азота NOx на составные элементы — азот и кислород. Существуют два основных вида нейтрализаторов — термические и каталитические.

Термические нейтрализаторы осуществляют пламенное дожигание окиси углерода СО, превращая ее в двуокись углерода СО2, а также тех альдегидов и углеводородов, которые не сгорели в цилиндре. Это сгорание происходит при температурах 500 — 600°С.

Каталитические нейтрализаторы дожигают СО, альдегиды, углеводороды, а также N02 Выполняются они по двухкамерной схеме с дополнительной подачей воздуха. Лучший, но очень дорогой катализатор — платина. Окись алюминия используется в нейтрализаторах, производимых в нашей стране. Эти нейтрализаторы ставятся на карбюраторные и дизельные двигатели. На схеме 1 показана схема каталитического нейтрализатора.

Схема 1

В мировом автомобилестроении достаточно широко используются найтрализаторы. Здесь есть свои недостатки: удорожание автомобиля, неполное (даже в очень хороших нейтрализаторах) сгорание отработавших газов, некоторое ухудшение характеристик двигателя (при некоторых схемах нейтрализаторов). Но требования чистоты воздуха заставляют все шире использовать их для очистки выхлопов автомобилей, несмотря на многие недостатки.

Кроме доработки существующих схем карбюраторного двигателя, осуществляются разработки новых типов двигателей, прежде всего для легкового автомобильного транспорта.

Дизельные двигатели, традиционно применяемые на грузовых автомобилях и автобусах, все шире находят применение в легковом автомобилестроении. Их преимущества: меньшая по сравнению с карбюраторными двигателями суммарная токсичность выхлопных газов (хотя по ряду показателей — сажа, сернистые соединения — дизельные двигатели более токсичны), более высокий КПД (до 35%), возможность работы на более дешевом топливе.

Газотурбинный двигатель давно испытывается на автотранспорте и, прежде всего, на грузовиках и автобусах. Преимуществами этого типа двигателей являются существенно меньшая токсичность отработанных газов, малая масса, высокая удельная мощность (т.е. мощность на единицу массы), плавность работы, низкий уровень шума. Однако распространение этого типа двигателей сдерживают два основных недостатка: низкая топливная экономичность, т.е. относительно большой расход топлива при той же мощности двигателя, плохие эксплуатационные характеристики, например сложности остановки и торможения.

Электрические двигатели проходят испытания во многих странах. Первые образцы электромобилей были созданы еще в конце XIX в. Считается, что электромобиль — это экологически чистое транспортное устройство. Он идеален в эксплуатации в условиях города. Строго говоря, абсолютно чистого экологически технического устройства быть не может. Что касается электромобиля, то неясной проблемой во многих отношениях остается воздействие создаваемых им электрических полей на организм человека, что касается и вообще всех электрических приборов, окружающих нас. Очевидны и многократно доказаны экологические достоинства электромобиля: отсутствие выхлопов, очень малый шум. Есть и чисто технические и эксплуатационные преимущества: легкость управления, хорошие тяговые характеристики, отсутствие сложных трансмиссий. Но в реальной практике все эти плюсы электромобиля перечеркиваются его существенным недостатком — низкой энергоемкостью электрических батарей (для сравнения: энергоемкость свинцово-кислотной батареи — 40 Вт-ч/кг, а бензина — 11 тыс.Вт-ч/кг). Для пробега без подзарядки около 400 км масса батареи должна быть порядка 1,0 — 1,5 т. Обычному легковому автомобилю для такой поездки нужно от 25 до 40 л бензина.

Создано несколько десятков различных видов аккумуляторов:

никель-железные, никель-цинковые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые и др. Они имеют различные сроки службы, измеряемые в количестве циклов зарядки — от 200 до 3000. После этого батарею необходимо менять. Важным показателем является время зарядки: для свинцово-кислотной батареи оно равно приблизительно 6 ч, а для никель-кадмиевой — несколько минут.

Все действующие модели электромобиля работают в городе, расстояние их пробега между двумя подзарядками — от 60 до 100 км. Существуют гибридные автомобили, включающие как двигатели внутреннего сгорания, так и электродвигатели. Несмотря на все очевидные преимущества, широкое внедрение таких автомобилей ограничивается их очень высокой стоимостью.

Еще один вариант — электромобиль, работающий от солнечных батарей. Такие автомобили интересны в настоящее время с исследовательской стороны. Реальное их транспортное использование ограничено малой мощностью, небольшим пробегом (10 — 20 км), высокой стоимостью.

Другая альтернатива автомобилю — транспорт на магнитной подвеске. В ФРГ и Японии уже работают подобные линии. Но у автомобиля в его традиционном понимании в сравнении с транспортом на магнитной подвеске есть немаловажное преимущество:

гораздо более высокая относительная автономность. Так что транспорт на магнитной подвеске — это скорее альтернатива железнодорожному транспорту, метро, трамваю и др.

Но не только в изменении конструкций двигателей, поиске их новых типов заключается прогресс автомобилестроения. Надежды (прежде всего экологические) связаны с разработкой новых видов топлива. Первое направление — использование примесей и присадок, снижающих токсичность двигателя. Токсичность существующих видов топлива определяется тем, что большинство применяемых бензинов являются этилированными, т.е. содержащими тетраэтил-свинец (0,4 — 0,8 г/л). Это соединение свинца позволяет поднять степень сжатия смеси в цилиндре, т.е., избежав взрыва, увеличить мощность двигателя. Свинец, являющийся антидетонатором, —одно из самых вредных веществ в выхлопных газах, поэтому ведется поиск новых смесей и присадок. Одна из них —антидетонатор на основе марганца, имеющий существенно меньшую токсичность. Добавление этого антидетонатора в бензин значительно повышает октановое число.

Еще одно направление в повышении экологичности двигателя — поиск новых смесей, например водобензиновых. Добавление воды в бензин приводит к некоторому росту мощности двигателя и существенному снижению токсичности выхлопных газов (особенно окисей углерода и азота). Возможно использование газового топлива (первые модели автомобилей в XIX в. работали на газе, лишь затем предпочтение было отдано более энергоемкому бензину).

Используются разные газы, наиболее распространена смесь пропана и бутана (октановое число более 100). Два безусловных преимущества есть у газовых автомобилей: достаточно чистые выхлопные газы, возможность применения более высоких степеней сжатия (за счет более высокого октанового числа). Еще один, правда, существенно менее распространенный вид топлива — природный газ (смесь метан-этан), имеющий октановое число также больше 100. Но трудность использования природного газа в больших масштабах определяется необходимостью охлаждать сжиженный газ при хранении. Создание криостатов удорожает и усложняет использование природного газа. Идеальным же газом для двигателей (с точки зрения экологии) является водород.

Наконец, последнее (из наиболее разрабатываемых) направление в повышении экологичности двигателей — использование синтетических спиртов (метилового и этилового). Их применение также снижает токсичность выхлопных газов. Метанол, как правило, используется в качестве добавки к бензину. Он ядовит, что заставляет при его использовании быть предельно осторожным. Кроме того, его ресурсы весьма ограниченны. Этанол имеет более высокую энергоемкость по сравнению с метанолом. Отработавшие газы двигателей, работающих на этаноле, содержат меньше углеводородов (по сравнению с метиловым спиртом). В последние годы шире используется топливо из сахарного тростника (особенно в Бразилии).

Важной экологической проблемой, связанной с развитием различных транспортных средств, является высокий уровень шума. Сейчас транспорт — основной источник шума на планете. Наиболее шумны дизельные автопоезда: до 95 дБ(Л), железнодорожные поезда: до 100 дБ(А), самолеты на взлете: до 150 дБ(Л). Рост мощности и скоростей транспортных средств приводит к еще большему росту шума: наружный шум растет по закону квадрата, шум под колесами — по закону куба. На городских транспортных магистралях шум постоянно в течение дневного времени составляет (в среднем ) 90 дБ(Л).

Наиболее эффективные направления снижения "шумового загрязнения", создаваемого транспортом, таковы: правильное техническое содержание транспорта (неисправный двигатель шумит в несколько раз сильнее исправного), снижение шума исправных транспортных средств, например разработка малошумных трансмиссий, создание малошумящих дизелей, применение амортизирующих материалов. В метрополитене все шире применяют пути со сварными рельсами.