Физико-химические процессы в техносфере

С.А. Медведева, С.С. Тимофеева 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  

В ТЕХНОСФЕРЕ  

Учебное пособие 

Инфра-Инженерия 
Москва-Вологда 
2017 

УДК 658.345 
ББК 20.18 
        М 42 

Рецензенты: 
Е.Ю. Ларионова – д-р хим. наук, профессор кафедры информационноправовых дисциплин ФГКОУ ВПО ВСИ МВД России; 
лаборатория водной токсикологии НИИ биологии ФГБОУ ВПО «ИГУ» 

ISBN 978-5-9729-0149-4 

 Медведева С.А., Тимофеева С.С.   
М42   Физико-химические процессы в техносфере: учебное   
           пособие. – М.: Инфра- Инженерия,  2017.- 224 с. 

Пособие соответствует требованиям ФГОС ВО по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность и природообустройство». 
Изложены основные сведения о физико-химических процессах в 
техносфере. Даны представления о процессах трансформации природных и 
антропогенных загрязнений в атмосфере, гидросфере, педосфере. Рассмотрены физико-химические механизмы парникового эффекта, разрушения 
озонового слоя, формирование фотохимического смога, образование кислотных дождей, загрязнения техносферы тяжелыми металлами. Внимание 
уделено внимание уникальному источнику пресной воды озеру Байкал. 
Представлены практические работы. 

Предназначено  для  студентов  высших  учебных  заведений,  обучаю- 
щихся  по  профилям  подготовки:  «Безопасность  технологических  процес- 
сов  и  производств»,  «Охрана  природной  среды  и  ресурсосбережение», 
«Безопасность жизнедеятельности в техносфере». 

© Медведева С.А., Тимофеева С.С., авторы  2017 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2017 

ISBN 978-5-9729-0149-4 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 6 

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОСФЕРЕ  
 
ГЛАВА 1. Техносфера, биосфера, Земля .......................................................... 8 
1.1. Техногенез, его эволюционное развитие к техносфере ....................... 8 
1.2. О геосферах Земли ................................................................................. 10 
1.3. Краткие сведения о биосфере и ее свойствах ..................................... 11 
1.4. Главные постулаты и законы деятельности биосферы  
и развития техносферы ................................................................................. 13 
ГЛАВА 2. Физико-химические процессы в атмосфере ................................ 16 
2.1. Строение и состав атмосферы .............................................................. 16 
2.2. Физические свойства  атмосферы ........................................................ 19 
2.3. Ионосфера и геомагнитное поле Земли ............................................... 25 
2.4. Химия основных загрязнителей атмосферы, их влияние 
на климат планеты ......................................................................................... 28 
2.4.1. Общие сведения о кинетике реакций  
и фотохимических процессах ...................................................................... 28 
2.4.2. Фотохимические процессы и реакции в атмосфере ........................ 29 
2.4.3. Фотооксиданты – реакционноспособные частицы атмосферы ...... 34 
2.4.4. Озон, образование, роль и функции .................................................. 39 
2.4.5. Каталитические циклы разрушения стратосферного озона ........... 43 
2.4.6. Озоновая дыра. Особенности и проблемы ....................................... 47 
2.4.7. Атмосферная химия некоторых заменителей ХФУ ........................ 51 
2.4.8. Экологические последствия увеличения содержания  
фотооксидантов в тропосфере ..................................................................... 53 
2.5. Некоторые компоненты атмосферы, их источники и стоки .............. 55 
2.5.1. Диоксид углерода ................................................................................ 55 
2.5.2. Метан атмосферы ................................................................................ 58 
2.5.3. Монооксид углерода ........................................................................... 61 
2.5.4. Оксиды азота ....................................................................................... 63 
2.5.5. Оксиды серы ........................................................................................ 65 
2.5.6. Фторхлоруглеводороды ...................................................................... 67 
2.5.7. Органические соединения тропосферы атмосферы ........................ 67 
2.6. Климат планеты ...................................................................................... 69 
2.6.1.  Глобальные изменения климата планеты и роль  
парникового эффекта .................................................................................... 69 
2.6.2. Парниковый эффект ............................................................................ 74 
2.6.3. Кислотные дожди ................................................................................ 78 
2.7. Аэрозоли – коллоидная система атмосферы ....................................... 83 

2.7.1. Фотохимический смог ........................................................................ 90 
ГЛАВА 3. Физико-химические процессы в гидросфере ............................... 94 
3.1. Гипотезы происхождения воды на Земле ............................................ 94 
3.2. Свойства воды ........................................................................................ 95 
3.3. Воды Мирового океана .......................................................................... 96 
3.4. Гидрологический режим гидросферы .................................................. 97 
3.5. Химический состав природных вод ..................................................... 99 
3.5.1. Химический состав океанической воды ........................................... 99 
3.5.2. Поверхностные воды и подземная гидросфера ............................. 104 
3.5.3. Озеро Байкал – уникальное хранилище пресной воды………….106 
3.6. Антропогенное загрязнение вод Мирового океана. 
Трансформация и опасность загрязнителей в гидросфере ..................... 115 
3.7. Оценка качества и загрязненности воды ........................................... 118 
3.8. Поведение и миграция загрязняющих веществ в водной среде ...... 119 
3.9. Факторы, определяющие миграцию и биодоступность  
тяжелых металлов ....................................................................................... 121 
3.10. Эвтрофирование водных экосистем ................................................. 123 
ГЛАВА 4. Физико-химические процессы в литосфере ............................... 126 
4.1. Физические процессы в земной коре и ее строение ......................... 126 
4.2. Химический состав земной коры ....................................................... 130 
4.3. Процессы трансформации земной коры под действием 
внешних и внутренних факторов............................................................... 131 
4.4. Педосфера – планетарный почвенный покров .................................. 133 
4.5. Основные физико-химические процессы, протекающие в почвах . 137 
4.6. Техногенные потоки веществ в педосфере ....................................... 138 
4.7. Деградация педосферы и наземных экосистем ................................. 142 
ГЛАВА 5. О взаимодействии компонентов биосферы и  миграции 
     загрязнителей в техносфере ...................................................................... 149 

 
РАЗДЕЛ 2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ  
ДЛЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ  
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОСФЕРЕ 

 
1. Свойства, состав и строение атмосферы…………….………………..153 
2. Определение физических характеристик приземного слоя  
Атмосферы ................................................................................................... 160 
3. Определение количества антропогенных газов, поступающих  
в тропосферу  ............................................................................................... 162 
4. Расчет выбросов газообразных веществ  
при аварийных ситуациях .......................................................................... 166 
5. Содержание атомарного кислорода в атмосфере и опасность фреонов  
для озонового слоя Земли ........................................................................... 170 
6. Расчет площади осаждения аэрозолей .................................................. 174 

7. Поступление оксидов азота и серы с выбросами тепловых электро 
станций, работающих на угле .................................................................... 176 
8. Расчет времени полувыведения оксидов азота .................................... 179 
9. Окислительные превращения диоксида серы в атмосфере………….183 
10. Расчет скорости выведения из атмосферы углеводородов 
 по радикальному механизму ..................................................................... 188 
11. Изучение состава природных вод ........................................................ 191 
12. Кислотно-основное равновесие в природных водоемах  .................. 193 
13. Окислительно-восстановительные свойства природных вод  .......... 202  
14. Расчет гранулометрического состава почвы  ..................................... 204 
15. Расчет содержания воды в почвах  ...................................................... 206 
16. Расчет порозности, аэрируемости 
и содержания кислорода в почвах  ............................................................ 209 
17. Расчет содержания и потерь органического вещества почв ............. 213 
18. Расчет содержания соединений азота в почвах  ................................ 215 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 219 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК  ...................................................... 221 
 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Физико-химические параметры биосферы, позволившие появиться 
живому веществу, формировались в процессе длительной эволюции планеты и поддерживаются уже на протяжении сотен тысяч лет. Они стабилизируются за счет многогранных, в том числе трансконтинентальных взаимодействий компонентов биосферы и зависят от факторов  космического 
происхождения.  
В последнее столетие, в связи с возросшим масштабом воздействия 
человека на окружающую среду и созданием новой среды обитания – техносферы, со значительно возросшим количеством загрязняющих веществ 
антропогенного происхождения, поднимаются вопросы о сохранения жизненно необходимых свойств биосферы.  
Техническая оснащенность человека и общества достигла наивысшего уровня, а техногенные и антропогенные опасности стали определяющими во взаимодействии человека со средой обитания. Широкое развитие и 
применение получили химические, биохимические процессы, энергетические системы, электронные средства получения и передачи информации.  
В результате человек очень много привнес в окружающую его природную 
среду новых не свойственных ей процессов и веществ.  
Неспособность пока организовать процессы хозяйственной деятельности подобно природным (смоделировать процессы круговоротов, метаболизма и др.) уже грозит изменением параметров биосферы, веками сложившихся на Земле. 
Изменения природной среды, вызванные антропогенным вмешательством человека, отличаются высокими скоростями. Особенно заметны изменения в состоянии атмосферы и климата в целом. При этом следует отметить, что если скорость естественных изменений позволяет всему живому на Земле генетически приспособиться к изменениям в окружающей 
природной среды, то антропогенные возмущения практически исключают 
такую возможность, особенно для высших форм организмов. 
Знания натурных физико-химических процессов, протекающих в 
биосфере, и процессов с участием антропогенных компонентов в техносфере, необходимы для обеспечения безопасности человека, окружающей 
его среды и планеты в целом. 
Глобальная задача достичь гармонизации отношений человек – общество – природа предполагает не только реализацию стратегии экологически ориентированного роста и технологические прорывы, но и подготовку квалифицированных кадров, способных решать эту задачу. 
Современному специалисту по направлению «Техносферная безопасность» необходимо уметь предвидеть последствия внедрения новых 
технологий, знать особенности поведения различных химических соеди

нений в техносфере. В технологических процессах образуются и выделяются в среду обитания многие химические вещества, которые претерпевают физико-химические изменения, приводящие к появлению более токсичных веществ, к коррозии технологического оборудования и возникновению аварийных (нештатных) ситуаций. Специалист по техносферной 
безопасности должен иметь представления о возможных физикохимических процессах в атмосфере, в материалах, обращаемых в технологических процессах, а также знать суть физико-химических методов исследования веществ. 
Формирование у специалистов целостного представления о современном состоянии и процессах в техносфере, явлениях и процессах химического взаимодействия загрязнителей с компонентами окружающей среды и выполняет дисциплина «Физико-химические процессы в техносфере». Дисциплина обеспечивает освоение студентами соответствующих 
профессиональных компетенций, позволяющих им осознать проблемы мирового загрязнения, ориентироваться в сложных процессах, протекающих 
в техносфере, и прогнозировать развитие негативной ситуации в среде 
обитания, вызванной переносом загрязнителей.  

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ  
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОСФЕРЕ 
 
ГЛАВА 1. ТЕХНОСФЕРА, БИОСФЕРА, ЗЕМЛЯ 
 
Техносфера – это часть биосферы, находящаяся под воздействием 
производственной деятельности человека и уже коренным образом преобразованная с помощью прямого и косвенного воздействия технических 
средств, особенно в ХХ и в ХХI вв., (научно-технической революции) в 
целях наилучшего соответствия социально-экономическим потребностям 
человечества.  
Техносфера содержит искусственные технические и техногенные сооружения, которые изготавливаются и используются человеком – это глобальная совокупность орудий и объектов (здания, дороги, механизмы и 
др.), материальных процессов (в том числе связанных с использованием  
природно-ресурсного потенциала территории) и продуктов общественного 
производства. В результате активной деятельности человека в биосфере 
уже частично искажены или полностью заменены течения некоторых процессов, присущих ей от природы. Техносфера становится современной искусственно созданной средой обитания человеком. 
Современному этапу общественного развития предшествовала длительная история становления средств производства, техники и   технологий – техногенез. 
 
1.1. Техногенез, его эволюционное развитие к техносфере 
Длительное время, человек и создаваемое им общество взаимодействовали только с естественной средой обитания. Развиваясь и совершенствуясь на протяжении тысяч лет, человек оставался зависимым от состояния биосферы и изменений, происходящих в ней. Естественная среда, кроме позитивного влияния на человека, всегда обладала рядом негативных 
воздействий (опасностей), способствовавших потере здоровья и гибели 
людей. К ним, прежде всего, следует отнести: 
– факторы неживой природы (абиотические факторы): изменение 
климата, переменную освещенность земной поверхности, рельеф местности, геоаномалии, атмосферное электричество, лесные и степные пожары, 
извержения вулканов и др.; 
– социальные факторы (антропогенные опасности): угрозы, связанные с войнами, дезинформацией, переносом заразных заболеваний, вредных привычек и др. 

Человек, сохраняя жизнь своей популяции, всегда пытался защититься и противостоять негативным действиям природных факторов. С появлением огня (около10 тыс. лет назад) человек переходит от собирательства и охоты к началу аграрной цивилизации, существенно повышая свои 
возможности в быту (появление очага и жилища) и в сфере деятельности 
(скотоводство и подсечно-огневое земледелие на землях, полученных за 
счет выжигания территорий лесов и лугов). В этот период проявляются 
первые техногенные негативные воздействия деятельности человека на 
природу. 
Этапу аграрной цивилизации (8 тыс. лет назад и до середины ХIХ в.) 
соответствует взаимодействие человека со средой обитания, основанное 
главным образом на принципах естественного развития природы и общества. Вместе с тем в этот период увеличилась численность населения Земли, возросла энерговооруженность человека, развивались и совершенствовались орудия труда, транспорт, связь; возникали города и поселки, что 
существенно улучшило условия обитания людей. В период аграрной цивилизации в биосфере появились и стали развиваться регионы техносферы, 
непрерывно нарастало антропогенное воздействие на природу и человека. 
В переходный период (с середины ХIХ в. до 30 годов ХХ столетия) 
существенно возросло техническое оснащение человека (паровые, бензиновые и электрические двигатели, гидроэлектростанции), которое непрерывно наращивалось и на этапе научно-технической революции (НТР) с 
30-х годов ХХ в. до конца ХХ столетия. В годы НТР техническая оснащенность человека и общества достигла наивысшего уровня, а техногенные и антропогенные опасности стали определяющими во взаимодействии 
человека со средой обитания. Широкое развитие и применение в ХХ столетии получили химические и биохимические процессы, энергетические 
системы, электронные средства получения и передачи информации. Техносфера стала для человека основной средой обитания. 
Формирование техносферы существенно повысило комфортность и 
коммуникабельность человека, но привело к росту негативного техногенного влияния среды обитания на человека и природную среду.  
Чтобы понять грандиозную опасность негативного вмешательства 
человека в природные процессы и их изменения, которые непосредственно 
связаны с физико-химическими процессами, и избежать негативные последствия становления и наступления техносферы, необходимо оценить 
возможности и способности деятельности самой биосферы и выявить закономерности развития техносферы.  

Биосфера существует в географических пределах деятельности живого вещества, а техносфера формируется в географических пределах деятельности человека на Земле.  

1.2. О геосферах Земли 
Наша планета Земля – одна из девяти основных планет Солнечной 
системы. Она относится к средним по массе планетам и стоит на третьем 
месте от Солнца. Это самая большая планета в подгруппе земных планет, 
ее средний радиус составляет 6371 км; средняя плотность – 5,52 г / см3 . 

 
Средний радиус Земли   
6371 км; 

Средняя плотность  
 
5,52 г / см3; 

Масса 
 
5.98∙1024  кг. 

 
Земля имеет форму, близкую к эллипсоиду, она сплющена у полюсов 
и растянута в экваториальной зоне (рис. 1.1). 

 

 

Рис. 1.1. Геосферные оболочки Земли  

 

Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических 
оболочек – геосфер, различающихся по химическому составу и агрегатному состоянию, что связано с дифференциацией вещества, происходившей 
при формировании и последующей эволюции нашей планеты. С географической точки зрения различают внешние и внутренние оболочки. К внутренним оболочкам относят ядро, мантию, и литосферу, которые заключают в себе почти всю массу планеты. К внешним оболочкам относят земную кору – верхнюю часть литосферы, атмосферу, гидросферу.