SPIS TREŚCI
1. Wstęp
1 .1 . Ogólna charakterystyka podstawowych składników środowiska
.3 . Pierwiastki chemiczne i kosmos
2 3 Pochłanianie promieniowania słonecznego przez atmosferę i pochodzenie
2 .5 . Chemia stratosfery i troposfery
2 .6 . Reakcje chemiczne wpływające na stężenie wody w atmosferze
2 .7 . Reakcje z udziałem tlenków azotu, węgla oraz metanu
2 .8 . Reakcje fotochemiczne przebiegające w jonosferze
2 .9 . Fotosynteza i chemosynteza – podstawy istnienia życia . Ekosystemy chemosyntetyczne
2 .10 . Środowiska ekstremalne a powstanie życia
2 .11 . Chemia zanieczyszczonej atmosfery
2 .12 . Aerozol atmosferyczny – powstawanie i właściwości fizykochemiczne
3. Hydrosfera
3 .1 . Pojęcia podstawowe
3 .2 . Właściwości fizykochemiczne wody
3 3 Struktura wody i jej osobliwości
3 .4 . Struktura wody w wielkiej skali . Hydraty gazowe
3 5 Wnęki w strukturze wody
3 .6 . Woda nanorurkowa
3 .8 . Woda w naturalnych ciałach porowatych i w układach dyspersyjnych
3 9 Rola wody w procesach wietrzenia minerałów
3 .10 . Skład chemiczny hydrosfery
3 11 Mikrowarstewka powierzchniowa oceanu
3 .12 . Ciecze tkankowe
3 13 Krążenie wody w przyrodzie
3 .14 . Bilans wodny
3 15 Ocean światowy i morza
3 .16 . Dynamika wody morskiej . Wielkoskalowa cyrkulacja termohalinowa wód . Prądy morskie
3 17 Rzeki i jeziora
3 .18 . Wody podziemne i gejzery
3 19 Lodowce i stała pokrywa śnieżna
3 .20 . Zanieczyszczenia hydrosfery
3 21 Kwaśne deszcze i ich wpływ na środowisko przyrodnicze
3 .22 . Węglowodory ropopochodne w środowisku morskim – źródła i metody usuwania
3 .23 . Ochrona wód przed zanieczyszczeniami
4. Litosfera
4 .1 . Rodzaje litosfery
4 .2 . Płyty litosfery . Typy subdukcji
4 .3 . Wulkany . Rodzaje magmy i lawy
4 .4 . Przebieg historyczny dryfu kontynentów
4 .5 . Grunty skorupy ziemskiej
4 .6 . Gleba . Profil glebowy
4 .7 . Procesy glebotwórcze
4 .8 . Skład chemiczny skorupy ziemskiej
4 9 Podstawowe minerały litosfery
4 .10 . Historia minerałów
4 11 Skład chemiczny skał górskich
4 .12 . Właściwości minerałów
13 Zastosowanie minerałów
4 .14 . Palne kopaliny naturalne:
4 15 Wielopierścieniowe
Biosfera
Do XIX wieku uważano, że wszechświat i środowisko ziemskie w całości są niezmienne i istnieją wiecznie. W połowie tegoż wieku Ch.R. Darwin przedstawił teorię ewolucji w biologii, która stwierdzała, że gatunki zmieniają się w czasie, a w końcu przetrwają tylko „najsilniejsze” cechy danego gatunku organizmów (ryc. 1.13). Darwin przedstawił swoją teorię w książce „O powstaniu gatunków” (ang. On the Origin of Species) wydanej w 1859 roku.
Do pierwszej ćwierci XX wieku teorii tej nie odnoszono do innych dziedzin wiedzy, łącznie z fizyką. W 1922 roku, po opracowaniu ogólnej teorii względności przez Alberta Einsteina (ryc. 1.14), rosyjski fizyk Aleksander Friedman rozwiązał równania ogólnej teorii względności dla wszechświata jako całości. Zadziwiające w tym rozwiązaniu było to, że wszechświat nie może być stacjonarny. Musi się rozszerzać. Praca Friedmana została opublikowana w czasopiśmie Zeitschrift für Physik. Początkowo Einstein sceptycznie ocenił tę pracę i nawet wprowadził do równań swojej teorii człon Λ, żeby zabezpieczyć stacjonarność wszechświata. Jednak później Einstein przyznał rację Friedmanowi. W tym okresie wybitny astronom E. Hubble obserwował nowe, coraz odleglejsze galaktyki. W wyniku tych obserwacji doszedł do wniosku: wszystkie galaktyki oddalają się od naszej z prędkością (V) tym większą, im w większej odległości (r) dana galaktyka od naszej się znajduje. Wniosek ten ma postać prawa Hubble’a (1926 rok), zapisywanego w postaci:
V = H r
gdzie: H to stała Hubble’a, V – szybkość galaktyki, r – odległość od obserwatora. Im większa jest odległość galaktyki, tym większa jest szybkość jej oddalania się od obserwatora. Wykorzystując prawo Hubble’a, można obliczyć wiek wszechświata (tH) według wzoru:
tH = r/V = 1/H
Długo przyjmowano, że wszechświat istnieje ok. 14,4 miliarda lat. Obecnie uważa się, że jest on o około miliard lat młodszy. Wszechświat nie istnieje wiecznie, ma swój początek. Współcześnie, jego powstanie opisuje teoria Wielkiego Wybuchu. Zupełnie nowy etap w rozwoju współczesnej kosmologii ewolucyjnej wiąże się z nazwiskiem amerykańskiego fizyka G.A. Gamowa, dzięki któremu w 1948 roku weszła do nauki koncepcja gorącego wszechświata oparta na teorii Friedmana o rozszerzającym się wszechświecie. Według Friedmana, na początku był wybuch kosmicznego promieniowania (ryc. 1.15). Wybuch wystąpił we wszechświecie jednocześnie i wszędzie, wypełniając przestrzeń bardzo gęstą substancją, z której w ciągu miliardów lat powstały wszystkie tworzące go obiekty – Słońce, galaktyki, gwiazdy i planety, w tym Ziemia i wszystko, co na niej występuje. Gamow twierdził, że substancja pierwotna wszechświata była gęsta i bardzo gorąca. Zachodziły w niej reakcje jądrowe, prowadzące do powstania pierwiastków chemicznych.
Niektóre organizmy wodne akumulują pewne pierwiastki chemiczne. Na przykład ciało meduzy zawiera 32 000 razy więcej Zn2+ niż woda morska (ryc. 3.18 A), guban (ryba – Labroides dimidiatus) – 22 000 razy więcej Ag+ (ryc. 3.18 B), ascidia (rodzaj żachw z rodziny Ascidiidae, z rzędu Enterogona) –28 000 razy więcej V (ryc. 3.18 C), a grzebyczek morski – 2 260 000 razy więcej Cd2+ (ryc. 3.18 D).
W hydrosferze znajdują się gazy, które pochodzą z atmosfery i litosfery lub tworzą się w zbiornikach wodnych w wyniku reakcji chemicznych i procesów biochemicznych. Z atmosfery absorbowane są składniki powietrza: N2, O2, CO2, Ar oraz gazy będące jego zanieczyszczeniami: SO2, NOx, NH3 i inne. Rozpuszczalność tych gazów w wodzie zależy głównie od trzech czynników: ciśnienia parcjalnego gazu, temperatury i zasolenia wód. Stężenie gazu w wodzie (c) zależy od jego ciśnienia nad powierzchnią wody, zgodnie z równaniem Henry’ego:
c = k p,
gdzie k – stała Henry’ego, p – ciśnienie gazu. Stała Henry’ego jest różna dla różnych gazów, dlatego stosunki ilości gazów w wodzie różnią się od stosunków ich zawartości w atmosferze. Na przykład CO2 rozpuszcza się w wodzie lepiej niż O2, natomiast ten ostatni rozpuszcza się lepiej niż N2. Rozpuszczalność gazów w wodzie jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury i zasolenia wody. Przykłady przedstawiono w tabeli 3.7.
TABELA 3.7.
Mikrowarstewka powierzchniowa znajduje się na granicy oceanu i atmosfery. Ma ona grubość ok. 10 μm i wykazuje pewne właściwości inne niż woda pod powierzchnią. Temperatura mikrowarstewki jest znacznie niższa niż wody w głębi. Jest to skutek wymiany ciepła powierzchni wody z atmosferą. Parowanie wody odbywa się z wykorzystaniem energii cieplnej wody w mikrowarstewce. Temperatura krzepnięcia wody w mikrowarstewce jest niższa niż wody w całej objętości i wynosi od –4 do –14°C. Woda morska w objętości krzepnie w temperaturze –2°C. Lepkość wody w mikrowarstewce jest o 5–20% większa niż w jej całej objętości. W mikrowarstewce gromadzą się kompleksy metali, głównie metali ciężkich. Najwięcej jest kompleksów Al, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Pb i U.
Kropla wody, np. deszczu, spadając pod wpływem przyciągania ziemskiego, doznaje oporu powietrza i już po kilku metrach przebytej drogi osiąga prędkość końcową. Wynikiem padania deszczu na powierzchnię zbiornika wodnego jest nagromadzenie w pewnych warunkach pęcherzy – białych baranków, które tworzą się również w głębi zbiornika a potem wypływają
Ropa naftowa zawiera około tysiąca związków chemicznych, z których większa część to węglowodory ciekłe w liczbie ponad 500 substancji, w ilości 80–90% masowych. Zawartość heteroatomowych związków organicznych może sięgać 4–5%. Wśród nich przeważają związki zawierające siarkę –ok. 250, azotowe – ponad 30, tlenowe – ok. 85, a także związki metaloorganiczne – głównie wanadowe i niklowe. Resztę stanowią węglowodory gazowe (CH4 – C4H10) rozpuszczone w ropie, w ilości od dziesiątych części procenta do 4%, woda w ilości od śladów do 10%, sole mineralne, głównie chlorki, od 0,1 do 4000 mg/L (rzadko więcej), roztwory soli organicznych i inne.
Siarka w ropie naftowej występuje w postaci merkaptanów (RSH), monoi disiarczków (R–S–R`, R–S–S–R) oraz tiofenów.
Związkami zawierającymi azot w ropie naftowej są przeważnie homologi pirydyny, chinoliny, indolu, karbazolu, pirolu, a także porfiryny – znajdują się one głównie we frakcjach ciężkich i szczątkowych. Do związków chemicznych zawierających tlen należą kwasy naftenowe, fenole i substancje żywicowo-asfaltenowe. Znajdują się one zwykle we frakcjach o wysokich temperaturach wrzenia.
W ropie naftowej stwierdzono obecność ponad 50 pierwiastków chemicznych. Do najczęściej występujących należą: węgiel (82–87%); wodór (11–14,5%); siarka (0,01–6%); azot (0,001–1,8%); tlen (0,005–0,35%). W śladowych ilościach występują np. wanad (10–5–10–2%), nikiel (10–4–10–3%) i chlor (od śladów do 2 10–2%).
Istotnymi składnikami ropy naftowej są związki parafinowe, których zawartość mieści się zwykle w granicach 30–35%, rzadziej 40–50% oraz naftenowe w ilości 25–75% masowych. W mniejszych ilościach występują związki aromatyczne (10–20%, rzadziej 35%), a także związki o budowie mieszanej, np. parafinowo-naftenowej i naftenowo-aromatycznej. W ropie występują także związki policykliczne, które można znaleźć w mazucie (ciężkim oleju opałowym używanym jako paliwo) i gudronie (dziegciu, mazi pogazowej) – frakcjach zawierających szczątki roślin i zwierząt razem z drobnymi okruchami mineralnymi (ryc. 4.79).
Pod względem wydobycia ropy naftowej na świecie dominują Arabia Saudyjska, Rosja, Stany Zjednoczone, Iran, Chiny, Meksyk, Kanada, Wenezuela i Kazachstan. W mniejszych ilościach wydobywa się ją również w Libii, Norwegii, a także w Polsce. Najstarszy na świecie istniejący szyb naftowy znajduje się w Polsce we wsi Siary pod Gorlicami (ryc. 4.80 A). Został on wykopany ręcznie w 1852 roku i dał początek wydobyciu ropy naftowej w kopalni założonej przez Stanisława Jabłonowskiego. Za twórcę przemysłu naftowego w Polsce uważa się Ignacego Łukasiewicza, który jako pierwszy na świecie przeprowadził przemysłową destylację ropy naftowej i oficjalnie uruchomił pierwszą kopalnię tego surowca (ryc. 4.80 B).
