ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Что такое химия окружающей среды из "Введение в химию окружающей среды" Вероятно, будет правильным сказать, что термин химия окружающей среды не имеет четкого определения. Для разных людей он означает разное. Мы не собираемся предлагать новое определение. Ясно, что специалисты по химии окружающей среды принимают участие в решении важных вопросов по состоянию окружающей среды — истошению озонового (Оэ) слоя стратосферы, глобальному потеплению и им подобных. Кроме того, установлена роль химии окружающей среды в проблемах регионального и локального масштабов — например, влиянии кислотных дождей и загрязнении водных ресурсов. Это краткое обсуждение иллюстрирует четкую связь в нашем сознании между химией окружающей среды и существованием человечества. Для многих людей химия окружающей среды безоговорочно связана с загрязнением . Мы надеемся, что эта книга продемонстрирует ограниченность такого взгляда и покажет, что предмет химии окружающей среды гораздо шире. [c.13] Такие термины, как разного рода загрязнения, имеют мало смысла вне рамок для сравнения. Как можно надеяться понять поведение и влияние химических загрязнителей без понимания того, как действуют природные химические системы В течение многих лет сравнительно небольшая группа ученых неуклонно разгадывала тайну действия химических систем Земли — как в настоящее время, так и в геологическом прошлом. Обсуждение в этой книге обрисовывает лишь небольшую часть этого материала. Наша цель — продемонстрировать различные масштабы, скорости и типы природных химических процессов, встречающихся на Земле. Мы также пытаемся показать существующее или возможное влияние, которое человек может оказать на природные химические системы. Значение антропогенных воздействий обычно наиболее понятно, если возможно прямое сравнение с нетронутыми природными системами. [c.13] В ОСНОВНОМ в книге рассматривается Земля в современном ее состоянии или какая она была в течение последних нескольких миллионов лет, а химия воды на ее поверхности — это тема, к которой мы периодически возвращаемся. Здесь подчеркивается связь между природными химическими системами и живыми организмами (не только человеком), поскольку вода является ключевым компонентом поддержания жизни. Мы начнем с объяснения того, как возникли основные околоповерхностные компоненты Земли — кора, океаны и атмосфера — и как эволюционировал их общий химический состав. Поскольку все химические вещества построены из атомов отдельных элементов (вставка 1.1), мы начинаем с происхождения этих основных химических компонентов. [c.14] Атомы электронейтральны, поскольку имеют одинаковое количество (2) протонов и электронов. Величина Z известна как атомный номер, отражающий химические свойства элемента. [c.15] Атомный вес одного атома определяется его массовым числом основная масса атома сосредоточена в ядре. [c.15] В общем, когда число протонов и нейтронов в ядре почти одинаково (т. е. различается на 1 или 2) — изотопы стабильны. По мере того как числа Л/ и 2 становятся менее похожими, изотопы склонны к нестабильности и разрушаются в процессе радиоактивного распада (обычно отдавая тепло) до более устойчивых изотопов. [c.15] Принято считать, что Вселенная возникла в один момент в результате огромного взрыва, обычно называемого Большим Взрывом ( big bang ). Астрономы до сих пор находят свидетельства этого взрыва в движении галактик и микроволновом фоновом излучении, приписываемом первородной вспышке. В первые доли секунды после Большого Взрыва установилось отношение вещества и излучения порядка 1 10. Минутами позже определилось относительное содержание водорода (Н), дейтерия (D) и гелия (Не). Более тяжелые элементы должны были ждать образования и переработки этих газов внутри звезд. Такие тяжелые элементы, как железо (Fe), могли быть созданы в ядрах звезд, в то время как звезды, оканчивающие свое существование как взрывающиеся сверхновые, производили гораздо более тяжелые элементы. [c.15] Когда молодая Земля выросла примерно до своей современной массы, она нагрелась, в основном за счет радиоактивного распада нестабильных изотопов (см. вставку 1.1 частично путем улавливания кинетической энергии от столкновений плане-тезималей. В результате такого нагрева расплавились железо и никель (N1), а их высокая плотность позволила им погрузиться в центр планеты, образовав ядро. Последующее охлаждение способствовало затвердеванию оставшегося материала в виде мантии с составом М ре810з (рис. 1.2). [c.17] Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. В настоящее время формирование океанической коры происходит в срединных хребтах океанов и сопровождается выходом газов и небольщих количеств воды. Подобные процессы отвечали, по-видимому, и за образование коры на молодой Земле, за счет них сформировалась оболочка из породы толщиной менее 0,0001% объема всей планеты (см. рис. 1.2). Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, эволюционировал во времени прежде всего за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной коры (рис. 1.3) показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием (А1) и другими элементами с образованием силикатов. [c.18] Процентный состав основных элементов коры Земли. [c.18] Вода в своих трех состояниях — жидкость, лед и водяные пары — широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд. км . Почти вся эта вода 91%) находится в океанах, а ббльшая часть из оставшейся образует полярные ледяные шапки и ледники (около 2 %). Континентальные пресные воды представляют менее 1 % общего объема, в основном это подземные воды (глубинные — 0,38 %, поверхностные — 0,30 % озера 0,01 %, почвенная влага 0,005 %, реки 0,0001 %, биосфера 0,00004%). Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров) (0,001 %). В целом эти резервуары воды называют гидросферой. [c.19] Источник воды при образовании гидросферы неясен. Некоторые метеориты содержат до 20 % воды в связанных гидроксильных (ОН) группах, в то же время бомбардирование прото-Земли кометами, обогащенными водяными парами, представляет другой возможный источник. Как бы это ни происходило, но когда поверхность Земли остыла до 100 С, водяные пары, дегазирующиеся из мантии, могли сконденсироваться. По существованию погруженных в воду осадочных пород известно, что океаны образовались около 3,8 10 лет назад. [c.19] Очень малое количество водяных паров проникает из атмосферы в космос, поскольку на высоте около 15 км низкие температуры вызывают их конденсацию и выпадание на более низкие уровни. Очень небольшое количество воды дегазируется в настоящее время из мантии. Исходя из этих наблюдений, можно предположить, что после основной фазы дегазации общий объем воды на земной поверхности мало изменялся в течение геологического времени. [c.19] Неизвестно, какие случайные события вызвали синтез органических молекул или сборку способных к метаболизму само-копирующихся структур, которые мы называем организмами, но можно догадаться о некоторых необходимых условиях и ограничениях. В 1950-е годы был большой оптимизм по поводу того, что открытие дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и лабораторный синтез подобных примитивным биомолекул из экспериментальной атмосферы, богатой метаном (СН4) и аммиаком (КНз), покажет ясную картину происхождения жизни. Однако сейчас кажется более вероятным, что синтез биологически важных биомолекул происходил в ограниченных, специфических средах, таких как поверхности глинистых минералов, или в подводных вулканических выходах. [c.21] Прежде всего, стрелка указывает на то, что реакция идет в одном направлении (это будет продемонстрировано позже при обсуждении энергии, необходимой для осуществления реакций). Далее видно, что реакция уравновешена, т. е. мы имеем по четыре атома железа и шесть атомов кислорода в обеих частях уравнения. При протекании химических реакций атомы ни приобретаются, ни теряются. Наконец, указанные в скобках символы определяют состояние химических форм. В этой книге ж — жидкость, г — газ, тв — твердое вещество, водн — водные формы, т. е. компонент растворен в воде. [c.22] Важно понимать, что эти реакции обычно являются упрощением настоящих химических превращений, которые происходят в природе. В уравнении (1) ржавое, или окисленное, железо представлено как РегОа, минерал гематит. В природных условиях ржавый металл представляет собой сложную смесь гидроксидов железа и молекул воды. Таким образом, реакция (1) суммирует ряд сложных стадий взаимодействия. Она показывает продукт, образование которого мы можем скорее всего ожидать, без необходимого описания стадий реакции или сложностей, с которыми мы сталкиваемся в природе. [c.22] Обратная реакция (справа налево) показывает кристаллизацию соли из раствора. [c.22] Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Сначала кислород (Оз) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость поступления превысила потребление и Оз начал постепенно накапливаться в атмосфере. Первичная биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта (О2) была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни на современной Земле. Постепенно возникла атмосфера современного состава (см. табл. 2.1). К тому же кислород в стратосфере (см, гл. 2) претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организмам колонизовать сушу континентов. [c.23] В последние десятилетия некоторые ученые доказывали, что Земля действует скорее как единое живое существо, чем как управляемая случайным образом геохимическая система. Вокруг этой проблемы, часто называемой гипотезой Геи, а позже теорией Геи, возникло множество философских споров. Согласно этому подходу, предложенному Джеймсом Ловелоком, биология контролирует способность планеты быть обитаемой, делая атмосферу, океаны и сушу удобными для поддержания и развития жизни. У этой геянской точки зрения пока немного последователей, но идеи Ловелока и других ученых стимулировали активные споры о роли организмов как посредников в геохимических циклах. Многие специалисты используют термин биогеохимические циклы , в котором признается влияние организмов на геохимические системы . [c.23] В современной литературе биогеохимические циклы связаны с именем В. И. Вернадского, о книге которого Биосфера (1926 г.) Д. Ловелоку не было известно, что впоследствии он и признал. Представление о Земле как огромном организме (системе) было сформулировано С. Н. Винофадским в 1896 г. — Прим. ред. [c.23] Вернуться к основной статье