Aplinkos fizika

ĮVADAS Aplinkos fizikos objektas Aplinkos fizika tai mokslų apie aplinką dalis greta aplinkos chemijos, aplinkos biologijos, aplinkos ekonomikos ir t.t. Dabar, kai dar neaišku kas paims viršų, ar žmogaus proto sukurtas progresyvus produktas ar neigiamos pasekmės kuriant tą produktą, mokslas apie aplinką užima labai svarbią poziciją kitų mokslų tarpe. Aplinkos fizika tai taikomosios fizikos dalis. Apibrėžimas.Aplinkos fizika - fizikos taikymas tiriant aplinką. Aplinkos fizika įvertina fizikines aplinkos problemas. Čia taip pat taikomi kitose fizikos kryptyse naudojami tyrimo metodai, įrenginiai bei matematinis aparatas. Čia, žinoma turime omenyje žmogaus aplinką, tai yra kiek siekia žmogus erdvėje. Gamta žymiai platesnė sąvoka. Labai nedidelė dalis gamtos konkrečiai veikia žmogų ir žmogus veikia ją. 2. Saulės energija 2.1. Energija ir gyvybė Kaip žinoma, gyvybės egzistavimas Žemėje palaikomas išimtinai tik Saulės energijos.Yra daug faktorių tame tarpe ir nemažai fizikinių, kurie apsprendžia gyvybės egzistavimą Žemėje. Svarbiausi iš jų, galbūt, yra šie: 1. Saulės paviršiaus temperatūra apie 5800K, todėl Saulės spinduliuotės spektro maksimumas ties 500 nm, tai atitinka fotono energiją 2,48 eV. Ši energija atitinka specifinę jonizacijos energiją, kuri tinka fotocheminėms reakcijoms. 2. Atstumas tarp Žemės ir Saulės (1,49.1011 m) ir Žemės spindulys (6,4.106 m) nusako dalį Saulės energijos, kuri nukreipta į Žemę - 0,46.10-9. Kadangi Saulės radiusas 6,96.108 m, paviršiaus temperatūra 5800K ir, įskaitant nukreiptą į Žemę energijos dalį, gautume, kad į kiekvieną Žemės kvadratinį metrą patenka 1399 W Saulės energijos. Vidutinė Žemės paviršiaus temperatūra apie 288K (15oC); 3. Žemės masė (6.1024 kg) ir jos radiusas yra tokie, kad Žemė sugeba išlaikyti atmosferą, gravitacija pakankama, kad išlaikytų dujų molekules. Tai, kad šie parametrai labai mažai kito praeityje (prieš milijardą metų) ir kad praktiškai nekinta dabar, ir sudarė galimybę gyvybei suklestėti Žemėje. Daug kitų nemažai ir fizikinių veiksnių lėmė dabartinę gyvybės formą Žemėja, ir pasikeitus jiems kartais ir visa mažai, gyvybė gali nutrūkti. 2.2. Energijos srautai Į kiekvieną Žemės kvadratinį metrą patenka 1399 W Saulės energijos. Tai, taip vadinama, Saulės konstanta S. Dažnai naudojamas dydis S = 1353 W m-2 Energijos srautas F patekęs į aplinką transformuojasi (2.2.1 pav.). Dalis energijos atsispindi Fr , kita dalis sugeriama aplinkoje Fa ir lieka praėjusi energija Fd. 2.1 pav. Srautas per aplinką. Kadangi Fr + Fa + Fd = F 2.1 Iš čia , 2.2 , 2.3 . 2.4 Tai trys svarbūs dydžiai: absorbcijos koeficientas a , atspindžio koeficientas r ir skaidrumo koeficientas d . Atspindžio koeficientas dažnai vadinamas albedu. Albedas arba atgalinės sklaidos faktorius išreiškia paviršių sugebėjimą atspindėti, tai atspindėjusios nuo dvi terpes skiriančio paviršiaus ir krintančios spinduliuotės srautų dalmuo (matuojamas dalimis arba procentais). Šviežiai iškritusio sniego albedo siekia 0,9, o spygliuočių miškų nežymiai viršija 0,1. Atmosferos energetikai svarbus parametras debesų albedas jis svyruoja nuo 0,3 iki 0,9 ir labai priklauso nuo formos. Jeigu a = 1 ir tuo pačiu r = d = 0, tai tokį kūną vadiname absoliučiai juodu kūnu. Gamtoje absoliučiai juodų kūnų nėra, bet daugelių atvejų galima naudotis lygtimis absoliučiai juodam kūnui, kai a artimas vienetui. 1900 metais fizikas Plankas rado spinduliuojamos energijos priklausomybę nuo spinduliotės bangos ilgio ir spinduliuojamo kūno temperatūros: , 2.5 kur: c1=3,7418.10-16 Wm2; c2=1,438786.10-2 m.K; T - temperatūra;  - bangos ilgis. 2.2 ir2.3 pav. pateikti Saulės ir Žemės kaip absoliučiai juodų kūnų spinduliuotės spektrai paskaičiuoti pasinaudojant 2.5 išraiška. 2.2 pav. Saulės kaip absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektras. 2.3 pav. Žemės kaip absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektras (prie skirtingų paviršiaus temperatūrų). Bangos ilgis (m) energetiniame spektre, kuris atitinka didžiausią spinduliuojamą energiją, išreiškiamas: 2.6 kur: c’=0,28478.10-2 m.K. Tai Vino dėsnis. Saulės energetiniame spektre m atitinka mėlyną spalvą. Žmogaus akis jautriausia artimai Saulės m. spalvų sričiai. Ankščiau už Planką buvo Stefano ir Bolcmano atrastas dėsnis 2.15 kur  = 5.67*10-8 W/(m2K4), nusako ryšį tarp spinduliuojamos energijos ir paviršiaus temperatūros, šią priklausomybę galime gauti iš 2.5 išraiškos. Galime paskaičiuoti Saulės spinduluojamą energiją. The radiant flux from the sun P can be computed from the irradiance: P = A B = 4  R2sunT4 = 3.84x1026 W Rsun = 6.95x108 m Tsun = 5780K In the distance earth has from the sun, the solar irradiance is called the solar constant Fearth Fearth = Psun / Asphere = Psun /4  R2earth-sun=1376 W m-2 Rearth-sun = 1.49x1011 m For a planet in arbitrary distance, the radiant flux P received is P= rF/R2 P : solar radiant flux absorbed by the planet r : radius of planet _ : reflectivity or albedo of the planet R :distance of the planet from the sun, normalized to the sun-earth distance = 1 FEarth : solar constant Stacionariu atveju Žemės gauta iš Saulės ir išspinduliuota į erdvę energijos lygios. Pirmoji nusakoma Saulės konstanta S = 1353 Wm-2, Saulės energija tenkančia vienam kvadratiniam metrui, statmenam Saulės krypčiai. Visas Saulės spindulių spektras skirstomas į dalis (2.1 lentelė). Didžiausias energijos kiekis tenka matomai ir infraraudonajai sričiai. Ultravioletinių bangų gauname 9%, o likusioms sritims tenka žymiai mažiau už 1 %. 2. 1 lentelė. Saulės energijos spektro sritys. Spinduliuotės pavadinimas Bangos ilgis, m Energijos dalis, %  spinduliuotė 3000 - 7.6.7 pav. Žmogaus odos sugerties spektras Global Solar Radiation   Spectral Distribution Of Global Solar Radiation Radiation Range E[W/m2] % UV-C >1, galime dalelių sąveiką su šviesa nagrinėti kiekvienos atskirai, nepriklausomai nuo kitų dalelių. Kitu atveju tai būtų daugkartinis išsklaidymas, kurio nagrinėjimas žymiai sudėtingesnis. Depending on the ratio of the size of the scattering particle (r) to the wavelength () of the light: Mie parameter = 2r / , different regimes of atmospheric scattering can be distinguished: Treatment of scattering: in analogy to absorption, however with a scattering coefficient Pagal teoriją molekulinės sklaidos koeficientas: 2.9 kur:N - molekulių kiekis tūrio vienete. n - lūžio rodiklis Kaip matome, molekulinė sklaida labai priklauso nuo bangos ilgio ir proporcinga dydžiui 1/4. Trumpesnių bangų šviesa labiau išsklaidoma atmosferos dujų molekulėmis - tuo paaiškinama žydra dangaus spalva. Aerozolio sklaida užrašomas taip: 2.10 kur: k(,m) - sudėtinga parametro  = 2a ir kompleksinio lūžio rodiklio m funkcija. Didelėms , k2 ir tada: 2.11 Pilnas sklaidos koeficientas: 2.12 2.3.1 lentelė. Dujų i ir aerozolio j sklaidos koeficientų dydžiai skirtingose aukščiuose virš žemės paviršiaus. aukštis z, km 0 2 10 20 103 i km-1 12 10 4 0,8 103 j km-1 150 30 3 1,5 Lentelėje pateikti apytikriai šviesos (=0,55 m) sklaidos koeficientų dydžiai skirtinguose aukščiuose. Iki 3 km šviesos sklaidą lemia aerozolis, aukščiau šie dydžiai daugiau ar mažiau artimi ir priklauso nuo aerozolio koncentracijos ir jo dalelių dydžių. Aerozolio dalelių parametrai labiau kinta su laiku ir erdvėje negu oro molekulių. Tiesioginė ir išsklaidyta saulės spinduliuotė. . Saulės pastovioji apibrėžta kaip vidutinės Saulės spinduliuotės energijos kiekis tenkantis 1 m2 ploto už Žemės atmosferos ribų. Saulės spinduliuotės pasiskirstymas po Žemės ritulį neįskaitant jos pokyčius atmosferoje. Žemės atstumas nuo Saulės kieta, todėl keičiasi ir energijos srautas. Kadangi apibrėžiant dydį imamas vidutinis atstumas nuo Saulės tai visas Saulės energijos srautas: ir esant kitam atstumui kur I0 Saulės spinduliuotės srautas į statmeną spinduliams 1 m2 plotą už atmosferos ribų. Taigi šis dydis bus kintamos metu bėgyje ir 1 m hS Pav. Saulės spinduliai į Žemę krenta tam tikru kampu (pav.). Taigi tas pats energijos kiekis I0 esant kampui hs 17 m, o tarp  = 8,512 m sugeria labai mažai. Tokios spektro dalys vadinamos skaidrumo langais. Atmosferos energetikoje svarbūs tie sugerties ar skaidrumo langai, kurie yra arčiau maksimo (  10 m) Žemės spinduliuotės energijos spektre. 2.7 pav. parodytos atskirų dujų sugerties sritys. Anglies dvideginio sugertis ties bangų ilgiais 12,9  17,1 m irgi pakankamai svari. Ozonas turi keletą sugerties juostų. Didžiausią reikšme turi juostų su centru ties 9,65 m, nes ji yra vandens skaidrumo lango viduryje. Debesys taip pat stipriai įtakoja ilgabangės spinduliuotės srautą. Atmosfera sulaiko ilgabangę Žemės spinduliuotę, tokiu būdu stipriai paveikdama aplinkos šiluminį režimą. 2.6. Atmosferos dujų sugertis. Taigi Žemė, gavusi energiją per trumpabangę Saulės spinduliuotę, netenka jos skleisdama ilgabangę, kurios nemaža dalis sugeriama atmosferoje. Savo ruožtu dalis atmosferoje sugertos energijos grįžta į žemės paviršių. Pažymėsime BA tokios spinduliuotės kiekį į žemės ploto vienetą. Kadangi žemė ne absoliučiai juodas kūnas, o tik pilkas, sugeriamoji dalis bus BA. ir tokiu būdu efektyvų žemės išspinduliavimą galime užrašyti: 2.5.3 Kadangi daugelių atvejų Bo > BA,, tai Žemė dėl spinduliavimo beveik visada netenka energijos. Atmosferai galime užrašyti: 2.5.4 kurT1 temperatūra aukštyje z1; a 450 Tropopauzė Stratopauzė Mezopauzė Termopauzė Fizikinės atmosferos savybės netolygios ir vertikalia ir horizontalia kryptimi. Kinta šie parametrai: temperatūra, tankis, sandara ir drėgmė, aerozolio kiekis, vėjo greitis, kryptis, turbulenciškumas, elektrinės charakteristikos, debesuotumas, jų struktūra ir t.t. Vertikalia kryptimi atmosfera dalinama į sferas pagal keturis požymius: 1) temperatūros kitimas pagal aukštį; 2) oro sandara (tame tarpe ir įkrautų dalelių); 3) sąveika su žemės paviršiumi; 4) poveikis į skraidymo priemones. Dažniausiai naudojamas padalinimas pagal temperatūrą (3.1 lentelė). Pereinami sluoksniai vadinami pauzėmis. Jų aukščiai priklauso nuo platumos metų laiko, meteorologinės situacijos ir kt. Pavyzdžiui, tropopauzės aukštis kinta nuo 8 iki 18 km. Pagal oro sandarą atmosfera skirstoma į homosferą (iki 95 km), ??? todėl santykinė molekulinė masė irgi nekinta, ir heterosferą. Homosferoje oro sudėtis nekinta. Heterosferoje greta N2 ir O2 atsiranda atominės dujos O ir N ir todėl molekulinė masė mažėja su aukščiu. Išskiriama taip pat ozonosfera (20-55 km), kur sutelktas didžiausias kiekis O3. Virš 50-60 km atmosferoje ryškiai padidėja elektra įkrautų dalelių (jonų ir elektronų). Todėl šį sluoksnį, kuriame dėl mažo oro tankio dalelių susidūrimai pakankamai reti ir didžioji jų dalis lieka įkrautos, vadiname jonosfera. Pagal sąveiką su žemės paviršiumi atmosfera dalinama į paribio (trinties) sluoksnį ir laisvą atmosferą. Paribio sluoksnį (1-1,5 km) stipriai veikia žemės paviršius ir turbulencinės sąveikos. Paribio sluoksnyje yra pažemio sluoksnis (50-100m), kur meteorologiniai parametrai (temperatūra, vėjo greitis, santykinė drėgmė) ypač stipriai kinta su aukščiu. 3. 1 pav. Vertikali temperatūros eiga atmosferoje Skraidymo aparatų atžvilgiu atmosfera dalinama į tankius atmosferos sluoksnius ir priežemio kosminę erdvę (nuo 150 km). Temperatūrinį padalinimą iliustruoja idealizuotas temperatūros pasiskirstymas pagal aukštį 3. 1 pav. Troposferoje temperatūra kinta su aukščiu (vidutiniškai 0,65 K / 100 m  0,3 K / 100 m. Visi procesai, ką mes vadiname orų kaita, vyksta troposferoje, kurioje yra 75% visos atmosferos oro masės. Troposfera taip pat dalinama į žemutinę (iki 1,5 km), vidurinę (iki 6-8 km) ir viršutinę iki tropopauzės. Ties tropopauze temperatūros kritimas nutrūksta ir toliau stratosferoje vyksta oro terminis temperatūros augimas ( a , tai reiškia, kad temperatūra su aukščiu kinta greičiau negu 1C/100m. Perkelsime dalelę į kitą lygį vertikalia kryptimi. Kiekviename lygyje dalelę veikia dvi jėgos - svorio jėga gi ir Archimedo jėga ge. .Jos veikia vertikaliai bet priešingomis kryptimis. Jų skirtumas g(i - e.) nukreiptas į viršų, jeigu i e. Veikiant šioms jėgoms oro dalelė įgauna pagreitį , 3.18 arba, 3.19 Taigi pakėlus oro dalelę į viršų nuo pradinės padėties, aukščio z0, kur buvo Ti0  Te0 į aukštį z2 kur tampa Ti2 > Te2 ir pagal 3.19 lygtį pagreitis teigiamas. Todėl toliau oro dalelė greitės judėdama ta pačia kryptimi. Jeigu dalelė buvo perkelta iš lygio z0 žemyn į lygį z1 pagreitis neigiamas, nes Ti0 a ) vadinama nepastovia. Atmosferos fizikoje temperatūros gradiento skirtumas lyginant su sauso oro adiabatiniu gradientu (a  1 C/100m) vadinamas stratifikacija ir dažnai naudojamas įvertinant atmosferos stabilumą. 2.   a , tai reiškia, kad temperatūra su aukščiu kinta 1 C/100m greičiu. Šiuo ribiniu tarp  > a ir  a – absoliutus nestabilumas Praktikoje dar išskiriami du sauso oro adiabatinių stratifikacijų atvejai, kai   0 (temperatūra nekinta su aukščiu) ir 80 km aukštyje) dėl labai mažo oro tankio elektrinius krūvius turi atskiros molekulės atomai ir elektronai. Dėl palydinti didelės elektronų koncentracijos jonosfera laidi elektrai. Žemės paviršius ir jonosfera – lyg kondensatoriaus elektrodai. Manoma, kad elektrinį lauką šiame atmosferos elektriniame kondensatoriuje sukuria perkūnijos debesys. Aerojonai Atmosferos jonai, įelektrintos dalelės (aerojonai) atmosferos ore. Jie atsiranda jonizacijos procese, kai oro molekulė ar aerozolio dalelė įgauna krūvį. Oro molekulė įgauna teigiamą krūvį, netekdama elektrono, o neigiamą - prisijungdama elektroną. Aerojonai skirstomi į keturias grupes pagal jų dydį ir tuo sąlygotą jų judrumą (3.7.1 lentelė). 3.7.1 lentelė. Aerojonų klasifikacija. Aerojonai Judrumas, cm2/Vs Dydis, m Lengvieji Vidutiniai Sunkieji Ultrasunkieji 1.0  0.01 0.01  0.001 0.001  0.00025 5.7*10-2 Lengvą joną sudaro jonizuota molekulė apsupta grupe molekulių. Vandens molekulės lengviau poliarizuojasi, todėl manoma, kad aerojono apsuptyje dažniausiai būna 10 -12 H2O molekulių. Netekęs elektrinio krūvio toks jonas suyra ir nelieka jo egzistavimo pėdsakų. Vidutiniai, sunkieji ir ultrasunkieji jonai - tai teigiamai arba neigiamai įkrautos aerozolio dalelės. Vidutiniai ir sunkieji jonai dažniausiai turi vieną, rečiau du ir dar rečiau kelis elementarius krūvius. Atskiras atvejis - elektrėtai. Tai dalelės turinčios net iki kelių tūkstančių elementarių krūvių. Elektrėtai atsiranda plastmasių gamybos technologinių procesų metu. Elektrėtai atmosferoje nėra dažnas reiškinys. Jonizacija Aerojonų susidarymą atmosferoje sąlygoje įvairūs procesai. Fotoelektriniai procesai lemiamą vaidmenį atlieka viršutinėje atmosferos dalyje jonosferoje, o spinduliai, kurių kvantų energija pakankama dujų jonizacijai, iki žemesnių sluoksnių nebeateina. Jūros pakrantėje bangų mūšos zonoje susidaro aerojonai atitrūkstant vandens lašeliams. Visai atmosferai šis jonizavimo būdas mažai efektyvus. Perkūnijų metu susidarę aerojonai taip pat nesudaro bent kiek žymaus indėlio. Žemesniuose elektros sluoksniuose jonai atsiranda veikiant radioaktyviems spinduliams ir kosminiam spinduliavimui (apie 20%). Jonosferoje jonizacija vyksta ultravioletiniais saulės spinduliais ir dalinai kosminiais spinduliais. Jie atsiranda jonizacijos procese, kai oro molekulė ar aerozolio dalelė įgauna krūvį. Oro molekulė įgauna (teigiamą) krūvį, netekdama elektrono arba prisijungdama (neigiamą) elektroną. Laikoma, kad vidutinis jonizacijos intensyvumas pažemio sluoksnyje yra apie 10 porų jonų/cm3 s. Apie 20% iš jų - kosminio spinduliavimo rezultatas. Tokiu būdu 8 poros jonų/cm3 s yra oro ir žemės paviršiaus radioaktyvumo rezultatas. 3.7.2 lentelėje parodytas jonizacijos intensyvumo pasiskirstymas. Toks pasiskirstymas nėra vienodas atskiroms vietovėms arba sezonams. Virš okeanų jonizacijos intensyvumas kelias dešimtis kartų mažesnis lyginant su sausuma. Jonosferoje (aukščiau 80 km) jonizacija vyksta daugiau ultravioletiniais saulės spinduliais. Aerojonai ir elektronai (jonosferoje) atmosferos elektros srovės nešėjai. 3.7.2 lentelė.Jonizacijos intensyvumo pasiskirstymas. Oras Dirva Spinduliuotė Jonizacijos intensyvumas, poros/cm3s Spinduliuotė Jonizacijos intensyvumas, poros/cm3s    Bendra 4.4 0.03 0.15 4.58    Bendra 0 0.3 3.2 3.5 Kadangi radioaktyvumo šaltiniai arčiau žemės paviršiaus, jonizacijos intensyvumas greit mažėja su aukščiu ir 3 km aukštyje praktiškai lieka vien tik kosmogeninė jo komponentė. Kosminės spinduliuotės efektyvumas su aukščiu didėja. 12 km aukštyje jonizacijos intensyvumas maksimalus, apie 50 porų jonų/cm3 s. Kol nėra stambių atominių elektrinių avarijų, arba branduolinių sprogimų dirbtinių radionuklidų jonizacija nykstamai menka netgi tokios stambios atominės elektrinės, kaip Ignalinos aplinkoje. Jonizacijos intensyvumas su aukščiu iki 3 km mažėja, toliau auga iki 72 km aukščio ir toliau vėl mažėja. Su aukščiu mažėja radionuklidų ir auga kosminio spinduliavimo įtaka jonizuojant ore. Rekombinacija tai piešingų ženklų aerojonų susijungimas ir tokiu būdu krūvio neutralizavimas. Veikiant radioaktyvaus spinduliavimo ar antrinių kosmoso spindulių atsiranda jonų poros su teigiamu ir neigiamu krūviu. Dėl difuzijos susidūrę teigiami ir neigiami krūviai bekombinuoja (krūvių nešėjai lieka neutraliais). Jonizacijos ir rekombinacijos procesai vyksta atmosferoje nuolatos. Jų dinaminė pusiausvyra apsprendžia aerojonų kiekį atmosferoje. Elektra debesyse Kamoliniai debesys viršutinėje savo dalyje turi padidintą koncentraciją teigiamų elektrinių krūvių, o apatinėje dalyje neigiamų. Debesų lašelyje krūvių atskyrimas vyksta jam užšąlant, atskyla nedidelė jo dalis nešanti teigiamą krūvį. Krūviai toliau atsiskiria, kylantys aukštyn oras neša mažas (dažniau teigiamas) daleles, žemyn krenta susidarę (dažniau neigiami) lašai. Todėl debesys veikia kaip galingi elektrostatiniai generatoriai. Debesys, ypač galingi, keičia atmosferos elektrinį lauką. Perkūnijos debesyse potencialo gradientai iki 105 V/m, dėl to kyla elektros išlydis (žaibas) tarp debesies dalių arba tarp debesies ir Žemės paviršiaus. Atmosferos laidumas elektrai prie žemės paviršiaus prilygsta gerų izoliatorių laidumui (10-19-10-18 S/m). Jo dydis priklauso nuo teigiamų ir neigiamų atmosferos jonų krūvio, judrumo ir koncentracijos. Atmosferos laidumas troposferoje pagrindinai sąlygojamas lengvųjų jonų o jonosferoje elektronų koncentracijos (dėl jų žymiai didesnio judrumo). Giedru oru dėl radionuklidų kaupimosi pažemio sluoksnyje oro laidumas nakties metu didėja. vidutiniškai vasarą didesnis negu žiemą. Kylant aukštyn dėl lengvų jonų koncentracijos didėjimo ir oro retėjimo, laidumas didėja. 15 km aukštyje atmosferos laidumas dešimtis kartų didesnis negu prie žemės paviršiaus. Oro tarša dėl aerozolio dalelių koncentracijos padidėjimo mažina lengvų aerojonų kiekį ir tuo pačiu laidumą. Lengvieji jonai prisijungdami prie aerozolio dalelių sukuria stambesnius aerojonus kurių judrumas žymiai mažesnis, todėl laidumas esant tai pačiai jonų koncentracijai sumažėja. Jonosferoje dėl didelio kiekio elektronų laidumas žymiai didesnis negu kituose atmosferos sluoksniuose. Oro tarša dėl aerozolio dalelių koncentracijos padidėjimo mažina lengvų aerojonų kiekį ir tuo pačiu laidumą. Fotosintezė Fotosintezė  neorganinių medžiagų (vandens ir anglies dvideginio) virtimas organinėmis (angliavandeniais). Fotosintezė vyksta veikiant Saulės šviesai, kurią sugeria turintys chlorofilo augalų audiniai. Ypač intensyviai fotosintezė vyksta, veikiant raudoniesiems spinduliams (  0,68 m). Apskaičiuota, kad Žemės augalai fotosintezės būdu per metus pagamina apie 450 mlrd. tonų organinių medžiagų ir apie 500 mlrd. tonų deguonies. Taigi augmenija yra ne tik žmogaus ir gyvulių maisto bei kuro šaltinis, bet ir savotiškas oro grynintojas: fotosintezės metu iš atmosferos oro augalai sugeria anglies dvideginį ir praturtina jį deguonimi. Junginių susidarymas dėl šviesos poveikio žaliuose augaluose ir kai kuriose bakterijose. Pvz. iš CO2 ir H2O Sintetinasi : angliavandeniliai Įjungiant azotą, fosforą, sierą ir kt. Organinės rūgštys, baltymai, riebalai O į atmosferą išsiskiria O2 h absorbuoja chlorofilas ir kiti fotosintetinantys pigmentai. Fotosisntetinantis augalo organas lapas vyksta sudėtingi procesai iki šiol ne visai ištirti. Fotosintezė palaiko gyvybę Žemėje. Saulės šviesos energija “gamina” organinius junginius, kuriuos visi organizmai naudoja medžiagų apykaitoje. Per metus žalieji augalai per fotosintezės procesą įjungia į organinius junginius 200 milijardų Visas O2 žemės atmosferoje “pagamintas” tik per fotosintezę. Dėl fotosintezės vyksta CO2 ir O2 atsinaujinimo ciklai: CO2 kas 300 metų, O2 kas 2000 metų. Vandenyje: Paros O2 apykaitą lemia ne tik šiluminiai procesai, bet ir fotosintezė. Ji prasideda švintant ir baigiasi sutemus. Šio proceso, o drauge ir deguonies išskyrimo intensyvumą lemia apšviestumas ir žaliųjų dumblių (fitoplanktono) kiekis. Gali būti atvejų, kai aktyvios fotosintezės dėka viršutinis vandens sluoksnis tiesiog persotinamas deguonimi ir jis iš vandens ima skirtis į atmosferą. Viršutinis vandens sluoksnis, kuriame žalieji dumbliai, maitindamiesi biogeninėmis medžiagomis, išskiria deguonies daugiau negu suvartoja, vadinamas fotosintezės zona. Kadangi šias sąlygas geriausiai atitinka viršutinis 70 m storio vandens sluoksnis, jame ir yra didžiausia deguonies koncentracija. Labai svarbu, kad fitoplanktono išskiriamas O2 kiekis butų subalansuotas su jo suvartojimu organizmų kvėpavimui ir oksidacijai, kuri vyksta visuose vandens horizontuose. Tokie subalansuoti procesai reguliuojami ne tik apšviestumo, vandens skaidrumo, bet ir fitoplanktono kiekio. Dėl to subalansuoto deguonies išskyrimo ir sunaudojimo sluoksnio storis gali svyruoti labai plačiai – nuo 1 iki 100 ir daugiau metrų. Kadangi į didesnį negu 200 m gylį šviesa beveik visai nebeprasiskverbia, ten nebėra žaliųjų dumblių ir fotosintezės metu nebeišskiriamas deguonis. Vandens telkiniai Vertikalus temperatūros pasiskirstymas Mūsų planetos vidutinė paviršiaus temperatūra apie 15 oC, o vidutinė okeaninės vandens masės temperatūra yra gana žema – tik 3,5 oC. Šilumos pasiskirstymą nuo paviršiaus iki dugno daugiausia lemia paties paviršinio sluoksnio šiluma, kuri dėl konvekcinio maišymosi, bangavimo, srovių bei kitų dinaminių reiškinių paplinta visoje vandens storymėje. Jeigu šiluma sklistų tik dėl molekulinės difuzijos ir vandens paviršius iš pradžių turėtų 0oC temperatūrą, tai prireiktų 1000 metų, kad vanduo nuo Saulės radiacijos 300 m gylyje įšiltų iki 3oC. Dėl dinaminių pernašos veiksnių paros temperatūros kaitos ciklas jaučiamas iki 25-30 m gylio. Normali metinė temperatūros kaita dažniausiai jaučiama iki 400-500 m gylio. Po viršutinių gerai bangų ir srovių išmaišytu vandens sluoksniu vasarą susidaro palyginti nestoras sluoksnis, kuriame didėjant gyliui temperatūra keičiasi labai staigiai (pav., termoklina). Tai temperatūros šuolio sluoksnis, dažnai vadinamas tiesiog termoklina. Po stipresnių bangavimų šis sluoksnis gali kiek nusileisti, susilpnėti arba visai išnykti. Žiemą jis silpnesnis, o vasarą vidutinėse platumose gali būti toks ryškus, kad dėl jo kartais sustoja vandens apykaita tarp viršutinių ir apatinių vandens sluoksnių. Atmosferoje kaip virš sausumos taip ir virš atvirų vandenų per parą gan smarkiai svyruoja, o vandens temperatūros keitimosi amplitudės būna daug mažesnės. Taip yra dėl palyginti didelio vandens šilumos imlumo. Dieną vanduo gauna didesnį Saulės radiacijos kiekį, bet ir daug daugiau šilumos sunaudoja garuodamas. Naktį vanduo daugiau šilumos išspinduliuoja į erdvę. Vanduo atšąla, todėl ant jo paviršiaus ima kondensuotis drėgmė iš oro, ir per kondensacijos vyksmą vanduo vėl gauna šilumos. Srovės Svarbiausias sroves sukeliančias priežastis galima skirstyti į išorines ir vidines. Išorinėms priežastims priskirtina vėjas, atmosferos slėgio pokyčiai, upių nuotėkis, krituliai, garavimas, potvynius ir atoslūgius sukeliančios jėgos. Vidinė priežastis – horizontalūs slėgio pasiskirstymo skirtumai. Be minėtų pagrindinių, t.y. pirminių priežasčių, egzistuoja gana daug antrinių, turinčių nemažos įtakos srovių režimui. Tai Koriolio, trinties bei išcentrinės jėgos. Mūsų planetos kampinis sukimosi greitis visur vienodas, tačiau Koriolio jėgos nukreipiamasis efektas į dešinę (Šiaurės pusrutulyje) ir į kairę (Pietų pusrutulyje) priklauso nuo geografinės platumos bei srovės greičio. Esant tam pačiam srovės greičiui, ekvatoriaus zonoje jis bus lygus 0, o maksimalų dydį turės poliarinėse srityse. Trinties jėgos, susidarančios tarp judančių ir nejudančių vandens sluoksnių arba tarp judančių sluoksnių ir dugno bei krantų, vandens judėjimą Kadangi srovių tekėjimo pobūdis skiriasi, jos būna meandruojančios, tiesiaeigės, cikloninės ir anticikloninės. Iš meandruojančių labiausiai ištirtos Kurosijo ir Golfo srovės. Jose pasireiškia dažni pagrindinio srauto išsilenkimai. Tiesiaeigėmis galima priskirti pasatines sroves, susidarančias prie tiesių kranto atkarpų, sąsiauriuose. Cikloninį arba anticikloninį judėjimo pobūdį dažniausiai turi ne atskiros srovės, o jų sistemos arba atskirų jūrinių baseinų srovės. Žemose platumose dažniau susidaro anticikloninė vandens masių cirkuliacija, o aukštose – cikloninė. Lyginant sroves pagal jų fizines ir chemines savybes, išskiriamos šiltosios ir šaltosios, padidėjusio ir sumažėjusio druskingumo srovės – atsižvelgiant į jas supančios akvatorijos temperatūrą bei druskingumą. Šaltosios srovės dėl mažesnio vandens garavimo dažniau būna mažesnio druskingumo negu šiltosios, be to, jos teka iš rajonų, kur didesnis kritulių kiekis, dėl ledų tirpsmo gėlesnis vanduo. Susitikus šiltajai ir šaltajai srovėms, susidaro labai sudėtingi turbulenciniai frontai. Dažniausiai šaltoji srovė panyra po šiltąja, nes šaltosios srovės vandens tankis didesnis. Kai kuriais atvejais, kai dėl druskingumo šiltoji vandens masė yra tankesnė, ji gali panirti po šaltąja. Taip, pavyzdžiui, atsitinka druskingiems Atlanto vandenims įsiveržus į Arkties vandenyną. Periodiškos srovės dažniausiai susijusios su potvyniais ir atoslūgiais, nors joms iš dalies galima priskirti ir musonų sukeltas sroves. Šiltoji El Ninjo srovė. Pasauliniame vandenyne periodiškai susiformuoja ir epizodinės temperatūrų anomalijos. Ryškiausias jų pavyzdys – šiltoji El Ninjo srovė, dėl pietryčio pasato susilpnėjimo susidaranti maždaug kas 7 metai Peru pakrantėje. Tada šilti ekvatoriniai vandenys pasuka į pietus, labai susilpnindami šaltąją Peru srovę. Jei El Ninjo srovė labai intensyvi – išsireguliuoja visas gamtos kompleksas: vėjai ima pūsti ne iš pietryčių, o iš vakarų, nešdami į pakrantės dykumą Ramiojo vandenyno drėgmę. Sumažėjus šaltų, maistingomis druskomis įsotintų vandenų kilimui į paviršių, pradeda masiškai žūti žuvys ir jūros paukščiai. Pasaulinis vandenynas, turintis tik 3,8oC vidutinę vandens temperatūrą, yra šalta sfera. Nepaisant to, dėl didžiulio šios sferos šilumos imlumo viršutinis vandenyno sluoksnis žemosiose platumose sorbuoja šilumą, kurią atiduoda aukštosiose platumose. Be to, didesnį šilumos kiekį okeanas sugeria vasarą ir atiduoda žiemą, išlygindamas tiek platuminius, tiek sezoninius temperatūrų skirtumus. Taip Pasaulinis vandenynas švelnina ir reguliuoja visos Žemės planetos temperatūras. Vandens temperatūros pasiskirstymo ir terminių ypatybių pažinimas praplečia mūsų supratimą apie daugelį globalinių procesų, vaidina svarbų praktinį vaidmenį viršvandeninei, povandeninei bei oro navigacijai, hidrometeorologinėms prognozėms ir kitai ūkinei žmonių veiklai vandenyne. Ledo susidarymas ir savybės Jūrinio vandens užšalimo temperatūra priklauso nuo druskingumo. Kuo jis didesnis, tuo užšalimo temperatūra žemesnė. Druskėti vandenys, kai druskingumas mažesnis negu 24,7, užšąla taip pat, kaip ir gėli, tik kiek žemesnėje temperatūroje. Be to, jie kaip ir gėli, atvėsdami pirmiausia pasiekia didžiausią tankį ir tik po to, toliau krintant temperatūrai, užšąla (12 pav.). Okeano vandenims, kurių druskingumas didesnis negu 24,7, atvėstant iki pat užšalimo, vis didėja jų tankis. Iki pat užšalimo čia vyksta labai aktyvus konvekcinis vandens judėjimas, išlyginantis viso sluoksnio temperatūrą ir trukdantis užšalti paviršiui. Šis procesas tęsiasi ir užšalimo metu. Užšąlant vandenyno paviršiui, iš ledo išstumiamos druskos ir po ledu esantis vanduo tampa druskingesnis. Kartu pažemėja to vandens užšalimo temperatūra. Be to, druskingesnis vanduo būna didesnio tankio ir ima grimzti gilyn, o į jo vietą pakyla kiek šiltesnis giluminis vanduo. Susidaro konvekcinis vandens judėjimas, kuris vėl lėtina jau prasidėjusį užšalimo procesą. Vandenyne ištirpusios dujos Jūriniame vandenyje visada yra tam tikras ištirpusių dujų kiekis. Nors šis kiekis nėra didelis, bet kai kurios dujos (deguonis, azotas, anglies dvideginis) yra nepaprastai svarbios gyvybiniams procesams palaikyti. Dujų kiekis vandenyje priklauso nuo vandens druskingumo, hidrostatinio slėgio ir svarbiausia – nuo temperatūros. Kuo žemesnė temperatūra ir mažesnis druskingumas, tu daugiau dujų gali ištirpti vandeny. Be jau minėtų dujų, okeane ištirpsta ir sieros vandenilis, amoniakas, metanas, argonas ir kt. Į vandenyną dujos patenka įvairiais keliais: atnešamos su upių vandeniu, kaupiasi povandeninio vulkanizmo dėka, išsiskiria į vandenį vykstant cheminiams ir biologiniams procesams. Didžiausia dujų dalis į vandenyną patenka iš atmosferos. Nepaisant labai aktyvios dujų apykaitos tarp šių sferų, atskirų dujų santykis vandenyje išlieka pastovus, nors atmosferoje ir okeanosferoje proporcijos ir skiriasi. Atmosferoje azoto pagal tūrį beveik 4 kartus daugiau negu deguonies, o okeane – tik du kartus. Tokį proporcijų skirtumą galima paaiškinti tuo, kad O2 tirpsta vandenyje geriau negu azotas. Kadangi vandens prisotinimas dujomis priklauso ir nuo temperatūros, tai dujų apykaitoje tarp vandenyno ir atmosferos gerai išryškėja paros bei metų sezonų ciklai. Be to, ši apykaita skirtingose klimato zonose turi skirtingą pobūdį: šaltojoje dujos pereina į vandenyną, o šiltojoje jos iš vandenyno pereina į atmosferą. Ši apykaita ypač svarbi gyvybiniams procesams, nes juose dalyvauja deguonis. Deguonies apykaitą greitina bangavimai, nes jų metu padidėja vandens ir oro sąlyčio plotas. Druskingumo kaitą vandens storymėje, kaip minėta lemia tos pačios priežastys, kaip ir paviršiuje. Pavyzdžiui, dėl padidėjusio garavimo paviršiuje padidėjęs druskingumas padidina vandens tankį. Dėl to paviršiaus vanduo ima grimzti, t.y. prasideda konvektyvus maišymasis, kol visame sluoksnyje druskingumas išsilygina. Konvekcijos apimto sluoksnio apatinėje riboje gali susidaryti druskingumo šuolio (haloklinos) sluoksnis. Tokie sluoksniai formuojasi dėl daugelio priežasčių. Krituliai, ledo tirpsmas, upių vandenų prietaka paviršinio sluoksnio druskingumą mažina, o garavimas arba ledo susidarymas didina. Dėl bangų ar srovių permaišos haloklina gali nusileisti giliau, o kartais ir visai išnykti. Druskingumo šuolio gradientas nėra didelis. Paprastai, pasikeitus gyliui 1 metru, druskingumas pakinta tik tūkstantąja promilės dalimi. Išimtį sudaro druskingumo šuolio sluoksniai, kurie susiformuoja ten, kur susiliečia paviršinis pagėlėjęs ir giluminis vanduo. Druskingumo šuolio sluoksniuose gradientai siekia jau dešimtąsias promilės dalis ir ilgai išlieka gana pastovūs. Tai būdinga upių žiočių rajonams. Baltijos jūrai bei kai kurioms kitoms akvatorijoms. JONIZUOJANTI SPINDULIUOTĖ APLINKOSE Svarbi vidinės ir išorinės gamtinės apšvitos ypatybė yra ta, kad jos poveikis visiems Žemės gyventojams ir dabar, ir prieš tūkstančius metų yra beveik nepakitęs. Per metus žmogus vidutiniškai gauna apie 2 mSv vidinės ir išorinės gamtinės apšvitos dozės. Vidinė apšvita beveik du kartus viršija išorinę. Gyvybę ir jos raidą nuolat veikia kosminė spinduliuotė ir jonizuojančioji žemės spinduliuotė, kurią skleidžia žemės plutoje, atmosferoje ir vandenyse esantys radionuklidai. Žemės plutoje aptinkama per 60 gamtinių radionuklidų, iš jų 32 radionuklidai priklauso trims radioaktyviosioms eilėms – urano – radžio, urano – aktinio ir torio[1]. Iš aplinkos, per kvėpavimo takus ir per biologinę mitybos grandinę, radionuklidai tampa vienu iš žmogaus radiacinės apšvitos šaltinių. Laisvieji radikalai, susidarę dėl jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio, ardo įvairių audinių ląstelių apvalkalus, o taip pat gali pažeisti ir pačias ląsteles. Net maži radionuklidų kiekiai gali pakenkti žmogaus organizmui, todėl reikia stengtis, kad papildoma jonizuojančiosios spinduliuotės apšvita būtų kiek įmanoma mažesnė. 5.1 Radioaktyvumas Radioaktyvumas - tai savaiminis atomo branduolių skilimas, kurio metu pakinta atomo mumeris arba masės skaičius. To paties cheminio elemento atomai besiskiriantys masės skaičiumi vadinami izotopais (pavyzdžiui 12C ir 14C). Nuklidas paprastai užrašomas nurodant masės skaičių viršuje iš kairės cheminio elemento simbolio, o atomo numeris nurodomas apačioje (irgi iš kairės). Pavyzdžiui, stroncio nuklidas žymimas taip - 3890Sr. Medžiagos turinčios savyje radioaktyvių nuklidų (radionuklidų) vadinamos radioaktyviomis. Po radioaktyvaus skilimo pasikeitus atomo masės skaičiui atsiranda jo izotopas. Radioaktyvaus skilimo procese atsiranda elektriškai įkrautos ir neįkrautos dalelės:  - daleles,  daleles ir  kvantai. Šios dalelės jonizuoja ir kitaip veikia aplinką. Todėl radionuklidų susidarymo, migracijos aplinkoje bei poveikio gamtai tyrimai aktualūs. Nuklido aktyvumas - fizikinis dydis, charakterizuojantis radioaktyvių skilimų skaičių per laiko vienetą. Skilimų skaičius per laiko vienetą proporcingas atomų skaičiui N: 5.1 kur  - konstanta nusakanti skilimų tikimybę Iš 5.1 lygties seka: 5.2 kur N(o) ir N(t) atomų skaičius pradiniu momentu ir po laiko t. Sujungus 5.1 ir 5.2 lygtis gausime: 5.3 Vidutinis radionuklido gyvavimo laikas  = 1/, tai laikas, per kurį atomų skaičius sumažėja e kartų (e = 2.718). Pusiau skilimo periodas (laikas, per kurį radionuklido aktyvumas sumažėjo du kartus) T0,5 = 0,693/. Pagal gyvavimo laiką radioizotopai skirstomi į trumpaamžius ir ilgaamžius. Toks skirstymas sąlyginis. Aplinkos fizikoje trumpaamžiais radioizotopais laikomi izotopai, kurių pusiau skilimo periodas žymiai mažesnis už metus. Radioaktyvumo vienetas sistemoje - bekerelis. Bekerelis - vienas skilimas per sekundę. Naudojami taip pat nesisteminiai vienetai - kiuri. 1 kiuri = 3.7*1010 skilimų per sekundę. Įvertinant radiacinį efektą naudojami dozimetrijos dydžiai ir vienetai (5.1 lentelė). 5.1 lentelė. Pagrindiniai dozimetrijos dydžiai ir jų vienetai Dydis SI vienetai Dalelių srauto tankis 1/s m2 Spinduliavimo intensyvumas (energijos srauto tankis) W/m2 Sugertoji dozė Gy (grejus) Ekspozicijos dozė Gy/s Dozės galia W/kg Ekvivalentinė dozė J/kg Kosminiai spinduliai Cosmic rays Didelės energijos (>105 eV) elementariosios dalelės ir atomų branduoliai, skriejantys Visatos erdvėje greičiais, artimais šviesos greičiui. Tai pirminiai kosminiai spinduliai, izotropiškai pasiskirstę Visatos erdvėje. ~99% jų srauto sudaro vandenilio ir helio branduoliai (protonai ir helionai), ~1% elektronai ir pozitronai; sunkesnių chem. elementų atomų branduolių yra visai mažai. Pirminius kosminius spindulius skleidžia Saulė (dalelių energija ~1010 eV), Galaktikos objektai - supernovos, pulsarai, žybsinčios žvaigždės (1010-1016 eV), užgalaktiniai objektai - aktyviosios galaktikos, radijo galaktikos, kvazarai (>1017 eV). Susidūrę su Žemės atmosferos dujų atomais ir molekulėmis, pirminiai kosminius spinduliai sukelia brand. reakcijas. Dėl to susidaro (žemiau kaip 20 km aukštyje) antriniai kosminiai spinduliai. Juos sudaro lengvieji atomų branduoliai ir įvairios elementariosios dalelės (hiperonai, protonai, neutronai, pionai, miuonai, elektronai, pozitronai, neutrinai, jų antidalelės, gama kvantai). Elektringąsias kosminių spindulių daleles veikia Žemės magnetinis laukas. Jis iškreipia dalelių trajektorijas ir sukelia geomagn. reiškinius: platumos reiškinį (kosminių spindulių intensyvumas Žemės pusiaujo srityse mažesnis negu ašigalių srityse), ilgumos reiškinį (intensyvumas didžiausias virš Atlanto vandenyno, mažiausias Ramiojo vandenyno vakaruose), rytų - vakarų reiškinį (Žemės magnetinis laukas teigiamas kosminių spindulių daleles kreipia į rytus, neigiamas - į vakarus). Žemės magnetiniame lauke pagautos kosminiai spindulių dalelės sudaro radiacijos juostas. Dalelių iš kosmoso srautas >105 eV Vidutinė energija ~1010 eV 10.000 MeV Maksimali energija ~1019-1020 eV Pirminiai vandenilio ir helio branduoliai 93% Šaltiniai: Saulė 1011 eV ,už Galaktikos >1017 eV Žemiau 20 km tik antriniai. Po smūgio susidaro elementarios dalelės: piperonai, protonai, neutronai, pionai, minonai, elektronai, -kvantai arba fotonai. Sukuria kosmogeninius radioizotopus. Pirminiai protonai dėl sąveikos netenka pusės savo energijos The cosmic-ray particle flux at the top of the atmosphere amounts to approximately 1000 particles m-2 s-1 and may be considered isotropic. The energy spectrum of the primary cosmic radiation has a similar behaviour for all the chemical species. In particular, it has a maximum at about 0.5 GeV per nucleon, and decreases at higher energies with the following exponential law: where E is the kinetic energy per nucleon and the factor has a value of about 2.7 The median energy for muons at sea level is about 2 GeV The stopping power of 2 GeV muons in water is approximately 2 MeV per cm In water, as opposed to air, the average energy required to produce an ion pair (one ionized atom) is 22 eV. Data show that the cosmic ray induced ionising intensity at sea-level and ground-level (

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!