ЧЕЛОВЕК, АТМОСФЕРА И ЕЕ ОХРАНА - 11 класс

Тип урока: урок-конференция.

Интеграция предметов: физика — химия — география — экология. На доске эпиграф к конференции:

Вокруг Земли воздушный слой.

Удобнее сказать молекулярный рой.

Все это атмосферою зовут.

Достаточно ли строго берегут

Воздушный слой Земли?

Ведь от него зависит жизнь — дилемма:

Жизнь или смерть? Что выберем — проблема.

На другой доске план проведения конференции:

1) Строение воздушной оболочки Земли, состав атмосферы.

2) Атмосферная пыль.

3) Защитные функции атмосферы и ее роль в некоторых процессах, происходящих на Земле.

4) Источники и виды загрязнений атмосферного воздуха.

5) Последствия промышленного загрязнения воздуха.

6) Охрана земной атмосферы.

Оборудование:

1) Плакат с эпиграфом конференции.

2) План конференции (на листе ватмана).

3) Кодоскоп.

4) Плакат строения земной атмосферы.

5) Таблица состава земной атмосферы.

6) Слайды с рисунками, схемами, чертежами.

Ход урока

Учитель (ведущий). В наши дни современная естественнонаучная картина не мыслима без отражения экологических проблем. В наши дни взаимодействие общества и природы благодаря появлению новых отраслей науки, техники, производства и расширению сферы влияния трудовой деятельности людей на окружающий мир стало настолько тесным, что вторжение человека в природу уже не может быть хаотичным и безграничным. Оно должно определенным образом регулироваться, иначе человечество окажется перед лицом глобальной экологической катастрофы. Для предотвращения возможных отрицательных последствий вторжения человека в природу необходимо решение ряда научно-технических, социально-политических, экономических и других проблем, среди которых одно из первых мест занимают воспитательные, поскольку подрастающее поколение должно быть подготовлено к научно обоснованному и бережному отношению к окружающей природной среде. Вы, молодые, должны знать, что окружающий нас мир — это целостный мир природы, так как все протекающие в ней процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Сегодня мы поговорим о взаимодействии человека и природы и нарушении вследствие этого некоторых природных процессов. Речь пойдет о защите атмосферы от всякого рода загрязнений, о возможности применения научных идей и открытий для «нейтрализации» отрицательных последствий научно-технического прогресса.

Тема нашей научной конференции «Человек, атмосфера и ее охрана» (объявляется план конференции).

(В ходе конференции учитель объявляет тему выступлений, представляет докладчика и подводит резюме после каждого выступления.)

Докладчик 1. Земная поверхность окружена воздушной оболочкой — атмосферой, которая по современным данным простирается над ней примерно на 2000 км, то есть высота атмосферы составляет около 1/2 радиуса Земли. Однако следы атмосферного воздуха обнаружены и на высоте 20 000 км. Атмосфера Земли, соответственно распределению температуры с высотой, разделяется на три основных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Ионосфера в свою очередь делится на три слоя: мезосферу, термосферу и экзосферу (см. рис. 1).

Рис. 1. Вертикальный разрез атмосферы Земли

Тропосфера представляет собой ближайший к земной поверхности слой атмосферы. Ее высота достигает над экватором 18 км, а над полюсами снижается до 9 км.

В тропосфере сосредоточено до 80% массы атмосферы, в том числе почти весь водяной пар, поэтому в ней совершаются все физические процессы, определяющие погоду. Температура воздуха в тропосфере понижается с высотой примерно на 0,6'С на каждые 100 м и достигает -60 °С на ее границе.

Стратосфера располагается над тропосферой и простирается ло высоты в 60 км над поверхностью земли. Но граница между ними (тропопауза) непостоянна — летом она выше, чем зимой, над циклонами ниже, чем над антициклонами. В стратосфере температура воздуха начинает повышаться с высотой и у верхней ее границы приближается к +20 °С. Стратосфера заключает в себе около 20% массы всей атмосферы.

Мезосфера лежит над стратосферой и доходит до высоты 90 км. Температура воздуха в мезосфере сначала понижается до -80 °С, но близ ее верхней границы начинается повышение температуры, неуклонно продолжающееся и далее за ее пределами. В верхних слоях мезосферы иногда появляются особые атмосферные образования — серебристые облака. Они возникают при резких охлаждениях воздуха и состоят из мельчайших кристалликов льда, в которых обнаружены пылинки метеоритного происхождения. Серебристые облака наблюдаются на средних географических широтах в летние сумерки в виде белых сверкающих струй, волн и вихрей. Изучение серебристых облаков позволяет объяснить динамические процессы, происходящие в верхней атмосфере.

Термосфера находится выше 90 км и тянется до высоты примерно 800 км. Здесь температура продолжает быстро расти и у верхнего края атмосферы достигает +1000 °С.

Термосфера содержит менее 0,05 % массы атмосферы.

Экзосфера, находясь за пределами термосферы, простирается до высоты примерно 2000 км над земной поверхностью. В ней атмосферные частицы находятся на очень больших расстояниях друг от друга и скорости их так велики, что многие из них, преодолевая земное притяжение, улетают в межпланетное пространство. Атмосфера поглощает около 38 % падающей на землю солнечной энергии, которая и определяет температуру воздуха. Повышение температуры в стратосфере обязано присутствию озона, наибольшая концентрация которого наблюдается на высотах 20—30 км.

Плотность атмосферы уменьшается с высотой. Так на высоте около 6 км она в 2 раза меньше, чем у поверхности Земли, а на высоте в сотни километров в 1000000 раз меньше, чем у поверхности Земли. Выше, до нескольких радиусов Земли, имеется в основном водород с концентрацией частиц порядка тысяч атомов в объеме 1 см³. Почти половина всей массы воздуха сосредоточена в пределах первых километров от поверхности Земли (95 %).

Воздушная оболочка Земли состоит из механической смеси газов, представленных в следующем процентном отношении (см. таблицу ниже).

Таблица

Процентное соотношение газов, составляющих воздушную оболочку Земли

Азот	78,09 %
Кислород	20,95 %
Аргон	0,93 %
Углекислый газ	0,03 %
Неон	1,8 · 10-3 %
Гелий	5,24 · 10-3 %
Криптон	1 · 10-6 %
Ксенон	8 · 10-6 %
Водород	5 · 10-5 %
Озон	1 · 10-6 %

В атмосфере Земли всегда содержится водяной пар, количество которого непостоянно и колеблется от 0 до 4 % по объему, а также пыль.

Учитель. Процентное соотношение в земной атмосфере газов, влаги и пыли подвержено изменениям во времени. Эти изменения обусловлены, с одной стороны, природными процессами, а с другой — хозяйственной деятельностью человека. В земной атмосфере есть пыль. Откуда она? Об этом пойдет речь в следующем выступлении докладчика.

Докладчик 2. Атмосферная пыль представляет собой мельчайшие твердые взвешенные в воздухе частицы размером 10^-4—10^-3 см. Она образуется в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, вулканических извержений. Известен случай, когда в результате извержения вулкана Кракатау образовалась пыль на высоте 8—24 км и ее слой толщиной 16 км держался в воздухе около 5 лет. Пыль образуется и от лесных, степных и торфяных пожаров, дробления космических тел.

Атмосферная пыль имеет большое значение для процессов, происходящих на земле: она способствует конденсации водяных паров, а следовательно, и образованию осадков, рассеивает солнечное излучение и защищает тем самым землю от чрезмерного нагревания.

К природному пылевому фону атмосферы в крупных городах и промышленных центрах присоединяется огромное количество разнообразной промышленной пыли и вредных газов. Учеными экспериментальным путем определено, что в городе в 1 см³ воздуха содержится около 100 000 штук пылинок, тогда как над океаном — 200 штук. На высоте 5 км пыли в 1000 раз меньше, чем на высоте 2 м, то есть в слое, в котором живет человек.

Загрязнение атмосферы вредно для здоровья человека, поскольку пыль и вредные газы могут проникнуть в организм человека, если диаметр частиц маленький. В легкие попадают частицы, диаметр которых менее 5 мкм, а если диаметр частиц менее 0,3 мкм, то они могут проникнуть и в альвеолы. Атмосферная пыль и вредные газы могут попадать в организм человека и животных и с водой, пищей.

Учитель. Из слов докладчика мы узнали, как образуется пыль в земной атмосфере и какое значение она имеет для процессов, происходящих на Земле. Наличие атмосферы — одно из необходимых условий существования жизни на Земле. Но земная жизнь уязвима и нуждается в постоянной защите от космических воздействий.

Поэтому следующий доклад будет о том, каковы защитные функции атмосферы и ее роль в некоторых земных процессах.

Докладчик 3. Будучи внешней оболочкой Земли, атмосфера, как любой покров, осуществляет и защитные функции. Ученые определили, что не будь ее, на каждый квадратный километр поверхности Земли за 3 — 5 дней приходилось бы по метеориту. Благодаря атмосфере метеориты не долетают до Земли, сгорая в воздухе.

Солнце посылает на землю энергию, чем предопределяет саму возможность жизни, но «жизненную» дозу солнечной энергии «отмеряет» именно атмосфера. Если бы ее не было, то днем Солнце раскаляло бы земную поверхность до 100 °С, а ночью она остывала бы до -100 °С. Без атмосферы суточные колебания температуры на планете достигали бы 200 °С.

Кроме того, на верхнюю границу атмосферы ежесекундно обрушивается поток солнечных и космических излучений широкого диапазона волн, несущих энергию. Это не только видимый свет, но и рентгеновское излучение, γ-излучение, ультрафиолетовые лучи, инфракрасное излучение и радиоволны.

Если бы все они достигли земной поверхности, то их убийственная энергия в считанные мгновения испепелила бы все живое. Но сквозь атмосферу проникают лишь некоторые радиоволны, а также видимый свет и частично ультрафиолетовые и инфракрасные (тепловые) лучи.

Главную защитную роль играет ионосфера и озоновый «экран». Озоновый слой находится на высоте от 20 до 50 км, значит, толщина его не более 30 км. Хотя кислород здесь крайне разряжен, тем не менее он поглощает большую часть энергии ультрафиолетового излучения, под действием которого его молекулы (O₂) разрушаются и соединяются в молекулу озона (O₃) (см. рис. 2).

Рис. 2. Разрушение молекулы кислорода и преобразование в молекулу озона под действием энергии УФ-излучения

Атмосфера служит:

1) «кладовой» кислорода, так необходимого для жизнедеятельности людей, животных, для сжигания любого горючего.

2) «кладовой» сырья: азота, аргона, углекислоты для химической промышленности.

3) источником ряда элементов и химических соединений для образования органических веществ и функционирования организмов.

4) средством получения энергии, например ветродвигателями.

5) средством передвижения воздушного транспорта и исследовательских аппаратов.

6) для осуществления связи, в частности звуковой, без атмосферы мы бы не могли слышать друг друга.

7) Для сброса газообразных и пылевидных отходов промышленности.

В атмосфере происходят разнообразные акустические, оптические и электрические явления.

Изменение физических и химических свойств атмосферы может отрицательно сказаться на растительном и животном мире нашей планеты, на здоровье людей, их работоспособности и продолжительности жизни.

Учитель. Атмосфера, как и вода — незаменимый ресурс, воспроизведение которого силами человека хотя принципиально и возможно, но практически не осуществимо, так как для это требуется колоссальная энергия. Строжайшая охрана, содействие естественному воспроизводству воздуха, очистка его обеспечат все потребности общества и природы в чистом воздухе.

И тем не менее атмосфера нашей планеты сильно загрязнена. Сейчас прослушаем сообщение о том, каковы же источники и виды загрязнений атмосферного воздуха.

Докладчик 4. Сильное загрязнение атмосферного воздуха происходит в результате выброса промышленными предприятиями газов и твердых частиц различного происхождения. Широкое использование горючих ископаемых, угля, нефти, торфа приводит к увеличению в атмосфере количества углекислого газа, дополнительным источником которого служат также лесные и степные пожары. По подсчетам ученых, ежегодно в атмосферу поступает примерно 1,3 · 10¹² кг углекислого газа. Вместе с тем в результате активной деятельности человека резко сократились площади, занятые лесами — основными поглотителями углекислого газа на суше. Замена лесов посадками сельскохозяйственных культур, с точки зрения поглощения углекислого газа, не равноценна. Все это влечет за собой превышение поступления углекислого газа в воздух над его потреблением растениями.

Кроме того, сжигание топлива ведет к накоплению в атмосфере оксида углерода, представляющего яд для человека и животных. По исследованиям ученых, из 1 тонны бензина образуется при сгорании 60 кг оксида углерода. Загрязнение воздуха оксидом углерода, а также соединениями тяжелых элементов, в частности, свинца и других продуктов неполного сгорания бензина при работе автотранспорта, приобретает все большие масштабы во всех экономически развитых странах. К тому же каменный уголь и нефть содержат в своем составе еще и значительное количество серы. В топках эта сера превращается в сернистый газ, который, попадая в легкие человека или животного, растворяется и превращается в сернистую, а затем в серную кислоту. В результате действия серной кислоты на организм человека развивается кислородная недостаточность, иначе — удушье, что может привести в тяжелых случаях к смерти.

Кроме того, дымовые газы содержат взвешенные частицы твердых веществ — золу, несгоревшие кусочки угля, сажу.

Химический состав выбросов в атмосферу различен. Он зависит от вида топлива и способа его сжигания, состава производственного сырья, технологии производства. Так, выплавка чугуна сопровождается образованием колосниковой пыли, мельчайших частиц шихта, выбрасываемых вместе с доменным газом, который в свою очередь содержит смолы, оксиды и другие соединения. В дым от суперфосфатных заводов входит фтороводород и фториды. Заводы по выплавке цветных металлов поставляют в атмосферу сернистый газ и пыль, содержащую медь, кварц, соединения сурьмы, кадмия, висмута, мышьяка и ряд других элементов. Сильными источниками загрязнения атмосферы являются ТЭС, которые потребляют наиболее низкосортное топливо, богатое золой и серой, сжигаемое к тому же в пылевидном состоянии (см. рис. 3). При этом с дымовыми газами в атмосферу выбрасывается 85—93 % золы.

У промышленной пыли ничтожная скорость падения, поэтому самоочищение атмосферы от нее происходит крайне медленно. Большую часть времени пыль остается во взвешенном состоянии, распространяясь в подветренном направлении от источника выброса.

Рис. 3. Загрязнение атмосферы от ТЭС

Размеры вмешательства человека в атмосферные процессы в настоящее время измеряются «астрономическими» величинами. Так, за один рейс суперреактивный лайнер сжигает 35 тонн кислорода, а легковой автомобиль потребляет за 1500 км пробега годовую норму кислорода для человека. При ускоренных темпах технического прогресса сокращение запасов кислорода на планете на 1/3 произойдет, как полагают ученые, через 160—180 лет.

Учитель. Кажущаяся беспредельность атмосферы и колоссальные запасы кислорода создали у людей уверенность в неисчерпаемости воздушного бассейна. Но как видно из выступления докладчика, естественный баланс между продуцированием и потреблением кислорода нарушается, ибо существенная часть производимого растениями кислорода стала тратиться на сгорание разнообразного топлива. В связи с этим проблема охраны, радикального использования и воспроизводства жизненно необходимых элементов атмосферы приобрела в наше время исключительно важное значение.

Каковы же последствия промышленного загрязнения воздуха? Ответ на этот вопрос мы получим из выступления следующего докладчика.

Докладчик 5. Атмосферные загрязнения оказывают вредное воздействие на человека, животных, растения, а также на микроклимат. Дым и сажа поглощают и рассеивают солнечный свет, уменьшая освещенность городов и жилищ. Кроме того, их частицы являются центрами конденсации и повышают тем самым облачность, уменьшая количество солнечных дней.

В ясные дни в «дымовых шапках», окутывающих промышленные центры, теряется значительная часть ультрафиолетовых лучей, представляющих наибольшую ценность для живой природы. При этом нарушается нормальное развитие растений, увеличивается число микробов, а сопротивляемость организма человека заболеваниям падает.

Ультрафиолетовая недостаточность часто становится причиной заболевания рахитом и авитаминозом.

Пепел и другие твердые частицы оседают на поверхности Земли, а находящиеся во взвешенном состоянии проникают в жилища, оседают на стенах, потолках, занавесках, мебели, впитываются в одежду, кожу, легкие.

Они усиливают коррозию металлов, разрушение зданий. Оксид кремния и свободный кремний, содержащийся в летучей золе, могут привести к тяжелому заболеванию легких у горняков, работников коксохимической промышленности, цементных и ряда других предприятий.

Загрязнение воздуха промышленными отходами тяжело сказывается на здоровье людей: появляются головные боли, общее недомогание, снижается работоспособность. Особенно сильно действие на человека загрязнения атмосферы тогда, когда метеорологические условия способствуют застою воздуха. В этом случае туман и мельчайшие взвешенные частицы твердых веществ образуют смог — токсический туман. Наиболее тяжелые последствия смог вызвал в Лондоне в 1952 году. В связи с низкой температурой и полным отсутствием ветра столица Великобритании 5 дней была окутана почти непроницаемым туманом. За это время погибло около 4000 человек и 10 000 человек заболели.

Заслуживает внимания и экономический аспект проблемы. Вместе с промышленными выбросами теряются вещества, которые могли бы быть возвращены в производственный оборот. При использовании серы, содержащейся в отходящих газах цинковых и медеплавильных заводов, можно ежегодно получать до 1,5 млн. тонн серной кислоты, которую называют «хлебом» химической промышленности.

Промышленные выбросы в атмосферу приводят к порче множества материалов. Достаточно самого малого количества газообразного сероводорода, чтобы обесцветить поверхность, покрытую краской, в состав которой входит свинец.

Известняк портится, когда в воздухе повышается содержание углекислого газа, так как при высокой влажности образуется угольная кислота, разъедающая известняк. Сернистый газ, вступая в реакцию с водой, образует пары серной кислоты, которая вызывает интенсивную коррозию стали.

Учитель. Мы узнали, каковы последствия загрязнения атмосферы, поэтому становится ясным, почему охрана окружающей среды является весьма важной проблемой. Охрана атмосферы — составная часть охраны природы — представляет собой систему мероприятий местных, государственных, международных по воспроизводству, рациональному использованию, очистке воздуха и контролю за его состоянием.

Докладчик 6. Работа по охране воздуха и его очистке ведется во всех странах с развитой промышленностью. Охрана земной атмосферы включает:

1) Уменьшение и полное прекращение загрязнений физических, механических, химических и биологических.

2) Сохранение и увеличение биомассы производителей кислорода и поглотителей углекислого газа.

3) Сохранение и восстановление оптимальной циркуляции атмосферы в региональном масштабе, а в будущем — и в планетарном.

Охрана чистоты воздуха осуществляется (особенно в европейских странах) весьма широко и последовательно.

1) В городах не разрешается располагать промышленные объекты, сильно влияющие на состав атмосферного воздуха.

2) Химические, металлургические и другие предприятия, распространяющие пыльные и газообразные выбросы, строят на значительном расстояния от жилых массивов и располагают (от жилых массивов) по отношению к ближайшему жилому району с подветренной стороны господствующих ветров.

3) Вокруг предприятий устраиваются санитарно-защитные зоны, то есть территории этих зон озеленяют.

4) Для уменьшения задымления, запыления и отравления газами воздуха промышленные объекты, загрязняющие атмосферу, строят как правило на возвышенных местах, хорошо обдуваемых ветрами, снабжают трубами значительной высоты, позволяющими выбрасывать дымы и газы в более высокие слои атмосферы.

5) Уголь и нефть подвергаются на обогатительных фабриках специальной обработке, в результате которой они освобождаются от воды и серы.

Одна их основных мер по охране атмосферного воздуха — это строительство очистительных сооружений и устройств.

Все большее значение приобретает введение на всех промышленных предприятиях замкнутых технологических циклов, исключающих загрязнение атмосферы. Повышению эффективности охраны атмосферы способствуют и другие мероприятия:

1) герметизация установок, с помощью которых получается и транспортируется пылевидное топливо;

2) прекращение использования без специальной обработки топлива, при сгорании которого образуются вредные вещества;

3) прекращение сжигания попутных нефтяных газов в факелах;

4) широкое внедрение в городах, рабочих поселках и на промышленных предприятиях электрических средств транспорта (троллейбусов, электричек, электрокар и т. д.);

5) расширение использования энергии солнечного света, ветра, подземных горячих вод, течений, приливов и отливов;

6) строительство дорог с твердым покрытием, особенно в населенных пунктах;

7) борьба с ветровой эрозией почв и обусловленными ею пылевыми бурями;

8) охрана растительности как производителя кислорода и потребителя углекислого газа;

9) очистка выбросов из заводских труб и выхлопных труб автомашин и других устройств;

10) борьба за прекращение испытаний атомного, химического и бактериологического оружия.

Учитель. Влияние загрязнения воздуха на человеческий организм, на животный и растительный мир огромно. Стратосферное потепление, разрушение озонового «экранного слоя» атмосферы земли чреваты опасностью для всего живого на земле.

Для создания атмосферы природе понадобились миллионы лет; человеку достаточно несколько десятилетий, чтобы ее разрушить, так как биосфера не в состоянии справиться с нагрузкой, приспособиться к ней, нейтрализовать ее отрицательное воздействие при помощи самоочищения.

Увеличивающееся загрязнение приобрело глобальный характер, угрожающий здоровью человека и среде его обитания необратимыми изменениями.

Проблемы охраны окружающей среды, рационального природопользования и воспроизводства природных ресурсов требуют глобального знания законов природы и умелого их использования человеком в интересах нынешних и будущих поколений.