Физика и экология
материал по физике

VI Региональный Конкурс

«Истина где-то рядом»

Номинация № 3:

«Думай глобально – действуй локально»

Физика и экология

Жеманова Екатерина Сергеевна

МОУ СОШ№3 им. В.Н.Щеголева ЗАТО Светлый

Физика - наука о природе. Поэтому все связанное с природой можно рассматривать с точки зрения физики. Говоря о природе, сразу вспоминаем, об экологии. Начиная с первых уроков физики, я стараюсь знакомить с экологическими проблемами и показывать пути их решения.

Ежегодно проходит «Час Земли» и в 8 классе при изучении темы «Работа и мощность электрического тока» проходит экспериментальное задание по расчету электроэнергии и ставится проблема об экономии.

Вообще с экологией связаны многие вопросы из разных предметов и через эту связь можно соединить физику и экологию, а так же физику и другие предметы.

Рассмотрим несколько примеров взаимосвязи экологии с физическими явлениями при изучении отдельных тем  в 7 – 11 классах.

Диффузия.

Важна роль диффузионных процессов в снабжении водоёмов кислородом. В процессе обмена веществ, при правильном распаде питательных веществ на более простые элементы освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов. Наличие вредных примесей в воздухе отрицательно влияет на доступ кислорода к воде и может привести к гибели её обитателей.

Архимедова сила.

Известно, что благодаря почти одинаковой плотности живых организмов, населяющих водную среду, и плотности воды, происходит уравновешивание их веса архимедовой силой. Но случающиеся катастрофы судов, перевозящих продукты нефти, существенно изменяют водную среду, образуют толстостенный слой вредных веществ.

Нарушается доступ воздуха на большие глубины, вследствие чего меняются химические реакции поглощения газов жидкостями. Примером служит экологическая катастрофа в  Керченском проливе. В результате штормового ветра и сильного волнения на море  11 ноября 2007 г. затонули 4 судна, еще одна баржа затонула 12 ноября. Сорвались с якорей и сели на мель 6 судов, получили повреждения 2 танкера. В воду попало около 3 тыс. т мазута, а также около 6,8 тыс. т технической серы. По данным специалистов Росгидромета, в районе порта «Кавказ» нефтепродуктов в море содержалось в 50 раз выше предельной нормы. Силами МЧС России была доставлена 21 т сорбента для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Влажность воздуха. Испарение.

Масштабы испарения воды растениями впечатляющие. За вегетационный период растение кукурузы испаряет около 200 кг воды. Для этого необходима мощная корневая система  - около 14 млн. корней общей длиной 600 км. Но немногие растения способны переносить длительные перепады водоснабжения, наступает полное высыхание. Загрязнение окружающей среды выхлопными газами ведёт к нарушению теплового баланса нашей планеты. Содержание углекислого газа в атмосфере за последние годы увеличивается за счёт сжигания топлива на ТЭС, выбросов отходов промышленного производства. Сокращение зелёных насаждений, бесконтрольная вырубка лесов влечёт за собой увеличение площади пустынь. Глобальное потепление надвигается за счёт интенсивности атмосферного парникового эффекта, уровень мирового океана поднялся более чем на 10 см.

Использования экологически чистого топлива из промышленных и бытовых отходов, как пример альтернативных источников энергии.

В последние годы всё более ясным становится энергетический кризис, особенно в части углеводородного топлива. Традиционные виды топлива получают из нефти, газа и угля. Эти природные ресурсы конечны, хватит их не более чем на 100 лет, при этом стоимость их добычи постоянно растёт.

Альтернативным видом экологически чистого топлива является  топливо из биомасс.

Сырьём для получения этого топлива являются растительные отходы, которые имеются в достатке: шелуха подсолнечника, гречихи, проса, солома, опилки мягких и твердых пород древесины, и другие. В последние годы реализуется программа   строительства заводов по изготовлению топливных брикетов с использованием лигнина. Программа позволяет решить сразу две проблемы: во-первых, экологическую (вывозимые на свалку отходы в летнее время имеют способность к возгоранию, в осенне-зимний период тлеют, создавая неприятные запахи), во-вторых,- экономическую.

Иногда, казалось бы, довольно безобидные отходы, попадающие в море по халатности людей, вызывают вредные последствия. Бутылки, пакеты из синтетических материалов используются для обитания различными моллюсками, рачками и водорослями. Подводные течения переносят их на новые участки, приводя к неблагоприятным нарушениям сложившейся экологической системы, происходит сдвиг природного равновесия. Новые химические соединения в отходах производства, смытые дождями с полей удобрения и ядохимикаты опасны для всего живого. По данным медиков, на земном шаре от болезней, вызванных нехваткой чистой питьевой воды, страдает около 800 миллионов человек.

Сырьём для производства биоэтанола (вид биотоплива) являются  различные сельскохозяйственные культуры с большим содержание крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень, а также  различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки. Применение этанола в качестве добавок к бензину способствует:

- более полному сгоранию бензина и уменьшению выбросов окиси углерода на 30%, выбросу ЛОС на 25%;

-снижению на 50% содержания твердых частиц и 21% токсичности в выхлопных газах автотранспорта.

Альтернативные источники энергии.

В современном мире в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без неё. Но ведь неоспоримо, что производство энергии оказывает воздействие на природу и окружающую  среду. Человечество  все больше   внимания заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств.

Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии, важно получить ответы на следующие вопросы: какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики; можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии; каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым. Причин, указывающих на важность скорейшего перехода к ним, несколько: глобально-экологическая, политическая, экономическая, социальная, эволюционно-историческая. Энергии Солнца, воды, ветра, гидротермальная и геотермальная энергии экономят дорогостоящее топливо традиционных видов станций, ресурсы доступны и практически неисчерпаемы.

Оптические явления.

Свет необходим живой природе, так как  является для неё источником энергии. При поглощении солнечной энергии водной и воздушными оболочками Земли происходит их нагревание. Вследствие задымления и загрязнения этих оболочек изменяется их прозрачность,  следовательно и способность к прогреванию, а это ведёт к необратимым тепловым изменениям на Земле. Нарушенный отражательный и поглощаемый баланс Солнечной энергии лесами, пустынями, водоёмами нарушает привычный климат, что незамедлительно сказывается на развитии живых организмов.

Атомная энергетика.

Атомные электростанции, являющиеся наиболее современными,  имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций. Известно, что из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля. АЭС практически не загрязняют среду, а энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и другие) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и другие). Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям.

Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 году до сих пор не ликвидированы. В результате взрыва четвертого блока ЧАЭС в окружающую среду попало около 7,4 тонн радиоактивного вещества, большие дозы облучения отдельных органов были обусловлены действием радиоактивного йода-131.

Другой проблемой ядерной энергетики является захоронение отработанных радиоактивных отходов – топлива реакторов  АЭС, подводных лодок, надводных кораблей ВМФ. Учёными разных стран разрабатываются проекты по их уничтожению на глубине 600 метров в грунте вечной мерзлоты.