CuprinsPREFA INTRODUCERE Capitolul I. PROBLEME DE PROTECIE A MEDIULUI AMBIANT 1.1.Biosfera i originea vieii pe Pmnt 1.2.Echilibrul energetic i material al biosferei 1.3.Aciunea antropic asupra mediului ambiant 1.4.Limita rezervelor naturale 1.5.Energetica i ecologia 1.5.1.Centrale termoelectrice 1.5.2.Centrale hidroelectrice 1.5.3.Centrale atomoelectrice 1.5.4.Surse alternative de energie 1.5.4.1.Utilizarea energiei solare 1.5.4.2.Energia termonuclear 1.5.4.3.Energia vntului 1.5.4.4.Energia mareelor 1.5.4.5.Energia geotermal 1.5.4.6.Alte surse alternative 1.6.Problemele sociale i economice de protecie a mediului ambiant 1 5 5 9 15 21 22 23 23 24 27 27 28 29 29 30 30 31

Capitolul II. MONITORINGUL STRII MEDIULUI AMBIANT I METODE 35 DE ANALIZ A SUBSTANELOR POLUANTE 35 2.1.Monitoringul ca sistem de observare i control a strii mediului ambiant 42 2.2.Procese de transport a poluanilor n mediu 2.3.Metode de control a subtanelor poluante din mediul ambiant 44 45 2.3.1.Metode spectrale de analiz 2.3.2.Metode electrochimice de analiz 51 2.3.3.Metode cromatografice de analiz 53 Capitolul III. CIRCUITUL SUBTANELOR N BIOSFER 3.1.Circuitul oxigenului, fotosinteza 3.2.Circuitul azotului 3.3.Circuitul fosforului i sulfului Capitoluyl IV. PROCESELE ECOCHIMICE DIN ATMOSER 4.1.Proprietile fizico-chimice ale atmosferei 4.2.Procesele chimice din straturile superioare ale atmosferei 4.3.Procesele chimice din troposfer cu participarea radicalilor liberi 57 57 63 65 69 69 71 76

III

4.4.Apa n atmosfer 4.5.Probemele locale i globale de poluare a atmosferei 4.5.1.Poluarea cu dioxidul de carbon i alte gaze care produc efectul de ser 4.5.2.Poluarea atmosferei cu compui ai sulfului. Ploile acide 4.5.3.Poluarea atmosferei cu compui ai azotului 4.5.4.Oxidul de carbon i subtanele organice ca poluani ai atmosferei 4.5.4.1.Oxidul de carbon 4.5.4.2.Hidrocarburile i produsele lor de oxidare 4.5.5.Poluarea cu metale grele 4.6.Metode de epurare a emisiilor gazoase 4.6.1.Epurarea gazelor de particule solide 4.6.2.Epurarea emisiilor de impuriti gazoase Capitolul V. ECOSISTEMELE SOLULUI I POLUAREA LOR 5.1.Resursele solului 5.2.Bazele fizico-chimice de fertilitate a solului 5.3.Solul i apa, eroziunea solului 5.4.Problemele de poluare a ecosistemelor solului 5.5.Poluarea solurilor cu pesticide 5.6.Utilizarea i prelucrarea deeurilor solide 5.6.1. Prelucrarea deeurilor menajere solide 5.6.2. Utilizarea deeurilor tehnologice solide Capitolul VI. CHIMIA I ECOLOGIA APELOR NATURALE 6.1.Elemente de hidrochimie i hidrobiologie 6.2.Eutrofizarea antropogen a bazinelor acvatice 6.3.Tipul de liganzi i forma de existen a ionilor metalelor tranziionale n apele naturale 6.4.Circuitul peroxidului de hidrogen n hidrosfer i starea redox a mediului acvatic 6.5.Rolul depunerilor de fund n formarea calitii mediului acvatic Capitolul VII.PROCESE DE AUTOPURIFICARE A ECOSISTEMELOR ACVATICE 7.1.Tipurile de poluani i cile de autopurificare a sistemelor acvatice 7.2.Procesele fizico-chimice la limita de separare a dou faze 7.3.Autopurificarea microbiologic 7.4.Autopurificarea chimic 7.4.1.Hidroliza 7.4.2.Fotoliza 7.4.3.Oxidarea 7.5.Iniierea biogen a proceselor de autopurificare cu radicali liberi 7.6.Radicali liberi n apele naturale 7.6.1.Proveniena radicalilor liberi primari 7.6.2.Proprietile radicalilor O2-, OH 7.6.3.Formarea i proprietile radicalilor organici liberiIV

81 85 86 87 90 92 92 93 95 96 97 100 109 109 110 113 115 119 122 122 126 128 128 132 137 145 152 157 157 157 161 163 163 164 168 169 173 173 179 181

7.7.Modelarea comportrii subtanelor poluante n apele naturale Capitolul VIII. PROCESE REDOX-CATALITICE CU PARTICIPAREA OXIGENULUI I PEROXIDULUI DE HIDROGEN 8.1.Oxigenul molecular ca oxidant Formarea i proprietile complecilor metal-oxigenai 8.2.Mecanismul de activare a peroxidului de hidrogen, formarea i proprietile ionilor metalici n stare maxim de oxidare 8.3.Mecanismele tipice ale proceselor catalitice de oxidare cu participarea O2 i H2O2 8.4.Perspectivele utilizrii industriale a O2 i H2O2 ca oxidani ecologic puri 8.5.Procesele redox intracelulare cu participarea O2 i H2O2 Capitolul IX. ACIUNEA TOXIC A SUBTANELOR POLUANTE 9.1.Informaii generale despre structura i funciile celulelor. 9.2.Tipuri de influien toxic a substanelor poluante 9.3.Biotestarea n aprecierea polurii mediului acvatic Capitolul X. PROCESE CHIMICO-BIOLOGICE N APELE UZATE 10.1.Caracteristica apelor uzate i tipuri de impuriti 10.2.Cerinele ecochimice de purificare a apelor uzate 10.3.Particularitile epurrii biologice a apelor uzate 10.3.1.Procese aerobe de purificare 10.3.1.1.Lacurile biologice 10.3.1.2.Purificarea apelor uzate oreneti n aerotancuri. 10.3.1.3.Biofiltre 10.3.2.Tratarea anaerob a nmolurilor 10.3.3.Procese biologice cu participarea formelor minerale a azotului

184 188 188 193 196 199 202 208 208 218 220 223 223 227 231 233 234 235 241 243 245

Capitolul XI. METODE FIZICO-CHIMICE I MECANICE DE TRATARE I EPURARE A APEI 251 11.1.Condiionarea apei potabile 251 11.1.1.Instalaii de purificare a apei potabile 252 11.2. Utilizarea clorului, ozonului i peroxidului de hidrogen pentru 255 potabilizarea apei i epurarea apelor uzate 11.2.1.Clorul ca agent de oxidare i dezinfecie 256 258 11.2.2.Ozonizarea apei 11.2.3.Peroxidul de hidrogen ca oxidant ecologic pur 260 11.2.4.Epurarea fotochimic i radiochimic a apei 266 267 11.3.Metode de preepurare a apelor uzate 11.3.1.Metode mecanice de epurare 268 270 11.3.2.Metode fizico-chimice de epurare 11.3.3.Metode destructive de epurare 279 Anexa 1. Programul de simulare TARCHIM Anexa 2. ProblemeV

282 285

Anexa 3. Tehnici de epurare a apelor uzate Anexa 4. Metode de depoluare a emisiilor gazoase cu coninut de particule Solide BIBLIOGRAFIE

291 292 293

VI

PREFA In condiiile progresului tehnico-tiinific i a creterii continuie a produciei industriale, protecia mediului ambiant a devenit una din principalele probleme ale contemporaneitii. Rezolvarea acestei probleme este legat de ocrotirea sntii oamenilor, generaiei de azi i a celei de mine. Dezvoltarea forelor de producie a societii i intensificarea procesului de intrebuinare a resurselor naturale contribuie la poluarea mediului ambiant cu deeuri industriale i nrutete mediul de trai al organismelor vii. La etapa actual, grija pentru pstrarea naturii nu cuprinde numai respectarea legilor despre ocrotirea Pmntului i adncurilor lui, pdurilor i apelor, aerului, lumii animale i vegetale, dar i cunoaterea legitilor care determin legturile dintre diferite forme de activiti omeneti i schimbrile ce au loc n natur. Deoarece orice schimbare din mediul ambiant determin o reflectare a schimbrii orientrii proceselor chimice i chimico-biologice, cunoaterea legitilor proceselor naturale i reglarea nivelului de influen a omului asupra acestora se recomand ca probleme prioritare ale chimiei. Pentru rezolvarea complet a problemelor de ocrotire a mediului este necesar pregtirea specialitilor cu profil larg, n deosebi n domeniul chimiei mediului ambiant. Pn la nceputul anilor 80, pregtirea acestor specialiti nu era posibil, una din cauze fiind vastitatea acestei probleme. Dj.Bocris, autorul crii "Chimia mediului ambiant", a spus, c problema este att de vast ca i singura tiin chimic". Monorgafiile, aprute n ultima vreme nu lichideaz aceste lacune. In legtur cu aceasta, a devenit necesar scrierea manualului pentru studenii seciilor chimice axate pe problemele ocrotirii mediului ambiant, cu att mai mult, c intensificarea produciei agricole i industriale sunt de nenchipuit fr prognozarea urmrilor ecologice legate de poluarea chimic a mediului ambiant. Cartea de fa ncearc s examineze procesele chimice i chimico-biologice din mediul ambiant, s dea reprezentri generale despre starea mediului nconjurtor i despre influena activitilor omeneti asupra acestuia, despre necesitatea ntrebuinrii raionale a resurselor naturale. Aceste probleme alctuiesc de fapt obiectul tiinei aprute la hotarul dintre ecologie i chimie - chimiei ecologice. n cartea de fa se discut comportarea substanelor poluante n mediul ambiant de pe poziia conceptelor contemporane ale chimiei fizice i chimiei biologice, se prezint metodele de prevenire a impurificrii mediului cu impuriti chimice precum i schimbrile din biosfer, care au loc, n general ca rezultat al polurii mediului ambiant. Dintre toate mediile de abitare - atmosfera, solul, apa - ultimul este cel mai puternic supus influenei omului. Apa este componenta integrant a ecosistemelor solurilor i umiditii atmosferice. Impuritile, evacuate n atmosfer sau introduse n sol, vor ajunge mai devreme sau mai trziu, n form transformat sau neschimbat n bazinele de ap. De aceea n carte se acord o atenie deosebit proceselor din mediul acvatic. Alturi de teoriile generale despre procesele chimice i biologice ce decurg n mediul ambiant, n carte se acord o mare atenie i metodelor inginereti de purificare a apelor reziduale i emisiilor gazoase. S-a ncercat astfel s se cuprind un cerc larg de probleme teoretice i practice din domeniul proteciei mediului ambiant de pe poziiile chimiei ecologice.

VII

Prima ediie a crii a fost scris n 1995 n limba rus i editat la editura Visaia cola din Moscova. Ea este alctuit pe baza cursului, prezentat ntre anii 1985-1997 studenilor facultii de chimie a Universitii de Stat din Moldova, de asemenea, studenilor colegiului chimic superior din Moscova (1991) i studenilor facultii de ingenerie de la Universitatea din Roma La Sapienza(1991-1995). Sunt folosite pe larg materialele simpozioanelor i seminarelor republicane i Internaional de chimie ecologic (Chiinu 1985,1995-1997), Erevan - 1988, Alma-Ata - 1990) pregtite prin iniiativa i cu participarea activ a autorilor. De asemenea sunt folosite materialele obinute dup proiectele "Formele i cile de migrare a pesticidelor i chimicatelor", Studiul mecanismelor de autopurificare a mediului acvatic i EPT Moldova n cadrul colaborrii pe problemele mediului ambiant cu USA, Rusia, Italia i Romania. La scrierea crii au luat parte: eful catedrei de chimie industrial i ecologic, conductorul centrului de tehnologie chimic i chimie ecologic a Universitii de Stat din Moldova, membrul corespondent al A RM, profesorul Gheorghe Duca, eful laboratorului proceselor hidroecochimice a Institutului de fizic chimic, membru corespondent al Academiei de tiine naturale din Rusia, profesorul Iurie Scurlatov, decanul facultii de inginerie a Universitii din Roma profesorul Aurelio Misiti Au conlucrat la scrierea crii profesorul dr. ing. Matei Macoveanu, eful catedrei de Inginerie a Madiului i ef lucr. dr. chimie M.Surpaeanu, efa laboratorului de Chimie a Mediului a Catedrei de Inginerie a Mediului a Universitii Tehnice Gh. Asache din Iai. Autorii ii exprim recunotina coautorilor reali ai crii, care au jucat rolul principal n devenirea chimiei ecologice ca o materie tiinific de sine stttoare i care au acordat un ajutor nepreuit la scrierea acestui material - profesorilor A.Sycev i A.Purmali, doctorilor n tiine chimice E.tamm, S.Travin, M.Duca i M.Gona.

VIII

INTRODUCERE Una din particularitile situaiei actuale const n aceea c schimbrile din mediul ambiant sunt mai rapide dect timpul de dezvoltare a metodelor de control i prognozare a strii acestuia, astfel nct omul doar constat fenomenele ecologice nefavorabile i nu le poate preveni. Este necesar un mod calitativ nou de tratare a mediului ambiant ca un sistem chimico-biologic. Cercetrile tiinifice din domeniul proteciei mediului trebuie s fie indreptate spre micorarea urmrilor negative posibile a diferitelor activiti i spre elaborarea unor metode efective de purificare a emisiilor gazoase, apelor reziduale i deeurilor solide , elaborrii normelor de influen permis asupra ecosistemelor naturale. Sunt necesare date despre aceea cum se comport, ce transformri sufer i la ce urmri duc diversele substane chimice ce ajung n biosfer. De la constatrile schimbrilor ce se petrec n natur este necesar s se treac la prognozarea lor i la reglarea calitii mediului ambiant. Totoadat, metodele tradiionale de analiz fizicochimic i chimico-biologic servesc la aprecierea strii i caracteristicilor dinamice ale ecosistemelor naturale. n aceast situaie crete rolul chimiei n protecia naturii. Ca urmare, se impune ecologizarea produciei chimice, aplicarea metodelor i realizrilor chimiei n rezolvarea problemei purificarii apelor reziduale, i emisiilor gazoase, utilizarea i prelucrarea deeurilor cu aplicarea metodelor fizico-chimice pentru aprecierea nivelului de poluare i a concentraiilor maximal admisibile ale poluanilor. n afar de aceasta, trebuie de avut n vedere c la baza proceselor vitale, ca i la baza schimbrii componenei chimice a mediului ambiant, st actul chimic, care reprezint transformarea substanelor iniiale n produsele lor metabolice sau finale. Orice proces chimicobiologic reprezint totalitatea actelor chimice ce determin mecanismul procesului. n mod corespunztor, pentru descrierea i gestionarea dinamic-echilibrat a ecosistemelor n condiiile creterii activitii antropice este necesar cunoaterea mecanismelor chimice de interaciune dintre om, mediu i sistemele ecologice. Aspectul biologic al acestei interaciuni este studiat de ecologia chimic, ca "tiin despre interaciunile chimice ntre organismele vii sau dintre natura vie i cea moart" (Barbie). Aspectul chimic al acestor interaciuni este legat de compoziia calitativ i cantitativ a impuritilor chimice i de transformrile lor n mediul ambiant. Aceste probleme sunt de competena chimiei ecologice. Termenii de ecologie chimic i chimie ecologic subliniaz legtura dintre chimie i ecologie, fiecare din ele contribuind cu domeniul tiinific propriu. Ecologia din tiin despre legitile de interaciune a organismelor vii cu mediul ambiant, s-a transformat n tiina despre structura naturii. Chimia, ca tiin despre structura substanelor i transformrile lor, descrie compoziia i proprietile mediului ambiant la nivel atomo-molecular. Ambele discipline, completndu-se una pe alta, sunt chemate s pun bazele tiinifice ale utilizrii i ocrotirii naturii, s contribuie la optimizarea interaciunii omului cu natura. n aspectul celor spuse, chimia ecologic trebuie considerat ca tiina despre procesele ce determin compoziia i proprietile chimice a mediului ambiant, adecvat valorii biologice de abitare. La baza chimiei ecologice st examinarea proceselor din mediul ambiant sub aspectul lor chimic, lund n

1

consideraie influena aciunilor antropice asupra componenilor biotici i abiotici ale mediului: Aciunea antropic Diversitatea speciilor Bioproductivitatea Parametrii fizici Compoziia chimic

Biota

Mediul ambiant

Biota, componentul viu al mediului (flora i fauna) i mediul ambiant se gsesc intr-un echilibru dinamic. n acelai timp, diversitatea speciilor i bioproductivitatea ecosistemelor reprezint indici ai valorii biologice a mediului comparativ cu ecosistemele, care n-au fost supuse influenei antropice (influenei din partea omului). Starea mediului ambiant poate fi apreciat dup totalitatea parametrilor fizicochimici. Sub influena aciunilor antropice pot aprea schimbri att a parametrilor fizici (temperatur, intensitatea luminii, parametri hidraulici i de difuzie) ct i a compoziiei chimice a mediului. La cercetarea compoziiei chimice a mediului este necesar s se aib n vedere dou situaii posibile. Prima este aceea cnd coninutul substanei analizate este determinat de procese fizico-chimice echilibrate. Coninutul acestor substane n mediu este stabilit de factorii geochimici i de poluarea de fon, caracteristici pentru regiunea dat. Alt situaie se ntlnete cnd coninutul substanei este determinat de viteza de intrare i de dinamica pierderii ulterioare (transportul de mas, transformrile chimice, biodegradarea etc.). La instalarea echilibrului viteza de intrare i viteza pierderii sunt egale i atunci n sistem se stabilete o situaie staionar. n acest caz concentraia "momentan" a substanei n mediu este puin informativ deoarece n urmtorul "moment" ea va fi alta. De aceea pentru caracterizarea compoziiei mediului, este necesar cunoaterea parametrilor cinetici de formare i transformare a substanelor sau efectuarea unui control nentrerupt a coninutului lor. n limitele unei astfel de examinri "cinetice", se deschide posibilitatea de a prognoza comportarea substanelor n mediul ambiant i consecinele aciunilor antropice asupra strii mediului ambiant. Chimia ecologic este strns legat cu alte materii tiinifice:

2

Mecanismele de transformare a substanelor poluante Cinetica chimic Mecanismele moleculare de influen a substanelor poluante asupra proceselor vitale Biochimia

Procesele de transport a substanelor ]n mediul ambiant

Chimia fizic

Chimia ecologic

Metode fizicochimice de analiz, chimia analitic

Controlul polurii

Dup cum se vede, disciplinele tiinifice, care stau la baza formrii chimiei ecologice sunt: chimia fizic, cinetica chimic, chimia analitic i biochimia. Includerea acestor discipline nu lipsete chimia ecologic de posedarea unor particulariti proprii despre procesele din mediul ambiant. Ea este chemat s descrie dinamica proceselor ecochimice din mediul ambiant, prognoznd i reglnd problemele ecologice, rezultate ale aciunilor antropice asupra mediului ambiant. n domeniul de studiu a chimiei ecologice se gsesc urmtoarele direcii: 1) elaborarea recomandaiilor cu scopul diminurii nivelului de poluare chimic a mediului cu cele mai nocive substane. 2) perfecionarea proceselor tehnologice de prelucrare a materiei prime, utilizarea deeurilor, purificarea emisiilor gazoase i a apelor reziduale. 3) prognozarea comportrii impuritilor chimice n mediul ambiant sub influena factorilor naturali i antropici. 4) prelucrarea metodelor de dirijare a strii obiectelor mediului natural n plan practic se pot indica 3 probleme principale ale chimiei ecologice, de rezolvarea crora depinde protejarea mediului ambiant. Prima i cea mai important problem este modificarea i schimbarea tehnologiilor, ndreptarea lor spre diminuarea cheltuielelor energetice i a cantitilor de deeuri, atingerea minimului de emisii n atmosfer i hidrosfer. Este vorba despre aplicarea unor tehnologii avansate i modificarea tehnologilor existente, lund n3

consideraie nu n ultumul rnd protecia mediului. Rezolvarea acestei probleme poate avea loc pe dou ci: 1.Ingenereti (folosirea combinat a materiei prime, producerea fr deeuri, reciclarea apei, .a.); 2.Chimico-tehnologice (ridicarea selectivitii i optimizarea proceselor, desfurarea reaciilor n alte condiii, elaborararea noilor catalizatori, ecologizarea unor etape separate ale proceselor .a.). Cea de-a doua problem o constituie purificarea gazelor de emisie i a apelor reziduale. Cheltuielele de tratare a deeurilor depind de nivelul de purificare. Exist o anumit limit a epurrii, determinat de economie, dup care ntreprinderea devine nerentabil. Apare problema creterii eficacitii instaliilor de epurare, concomitent cu micoarea cheltuielilor de purificare. Rolul chimiei n acest caz devine foarte important i posibilitaile nu sunt epuizate. Este vorba att despre tratarea deeurilor industriale, ct i despre purificarea apelor reziduale comunale i utilizarea deeurilor menagere. Problema a treia este legat de influena substanelor poluante asupra mediului ambiant. Aici apar dou aspecte: pe de o parte toxicitatea substanelor poluante care ptrund n mediul ambiant, iar pe de alt parte migrarea i transformarea substanelor sub influena factorilor naturali. Rolul chimiei ecologice const in evaluarea vitezei de transformare a a substanelor poluante n funcie de factorii de mediu. Parametrii cinetici pot fi folosii n modelele de prognozare a comportrii substanelor poluante n mediul ambiant.

4

CAPITOLUL I. PROBLEME DE PROTECIE A MEDIULUI AMBIANT 1.1. Biosfera i originea vieii pe Pmnt Apariia vieii pe Pmnt este strns legat de evoluia planetelor. De aceea, pentru a discuta aceast problem vom ncepe cu apariia sistemului solar, care a avut loc cu aproximativ 5,5 miliarde de ani n urm. Noile cercetri din domeniul astrofizicii permit avansarea ipotezei unei explozii iniiale, urmat de condensarea substanei interstelare. Astfel interaciunea forelor centrifuge i de gravitaie a dus la concentrarea i stratificarea substanelor cu formarea Soarelui i a norilor gazoi, considerai precursori ale viitoarelor planete. Pe Soare, n condiiile comprimrii dense i temperaturilor nalte, au nceput procese termonucleare nsoite de degajarea unei cantiti mari de energie n form radioactiv i a ntregului spectru de radiatii electromagnetice. Temperatura Soarelui n interior atinge 15 000 000 K, iar la suprafa temperatura plasmei ajunge pn la 6 300 K. n procesul comprimrii gravitationale substana stratificat pe orbite s-a concentrat, determinnd formarea planetelor la distane diferite de soare. n funcie de distana de soare, compoziia chimic a planetelor difer. Cele mai deprtate planete (Pluton, Neptun, Uranus) reprezint concentrarea celor mai uoare elemente i a unor substane chimice simple, ca de exemplu: hidrogen, heliu, amoniac, ap, metan, diferii oxizi i hidroxizi. Temperatura pe suprafaa acestor planete este de 40-55 K. Atmosfera lor (n afar de Pluton, cruia i lipsete atmosfera) este alcatuit n special din heliu i hidrogen. Mercur, planeta cea mai apropiat de Soare, este format n deosebi din elemente grele. Pe planeta Mercur lipseste de asemenea atmosfera. Suprafaa acestei planete este supus fie aciunii radiaiei solare, cnd temperatura se ridic pn la cteva sute de grade, fie, dimpotriv, aciunii temperaturii joase a cosmosului. Temperatura medie de 4000K face inadmisibil existenta vieii pe aceast planet. Venus, planeta furtunilor, este situat la o deprtare de 110 milioane km de la Soare. Atmosfera dens a acestei planete conine o mare cantitate de bioxid de carbon (90%). Aici, din cauza puternicului efect de ser, temperatura atinge 7000K ,iar presiunea se ridic la aproximativ 300 atmosfere. Apa ca atare lipsete practic iar norii atmosferici sunt constituii din acid sulfuric sub form de cristale, fapt cruia i se atribuie efectul de strlucire deosebit a lui Venus pe bolta cereasc. Pe Marte (230 milioane km deprtare de la Soare) se ntlnete un alt tablou. Temperatura medie pe suprafaa planetei este de 2000K i are o atmosfer foarte rarefiat. Apa, a crui coninut n atmosfer este destul de mic, se gsete fie sub form de cureni reci fie sub form de cciulie polare de zpad. Pentru planeta Pmnt, condiiile s-au dovedit optime: situat la distana de 50 milioane km de Soare i incluznd practic totalitatea elementelor chimice dintre care cel mai rspndit este oxigenul. Oxigenul reprezint 89% din cantitatea total de ap i 50% din masa de baz a scoarei terestre (alctuit din nisip, argil, calcar, roci, minerale, metale, etc.) Aspectul cel mai important este acela c pe Terra exist o cantitate mare de ap care, datorit regimului de temperatur, se prezint n toate cele trei stri de agregare. Vrsta Terrei numar n prezent 4,6 miliarde de ani. Dup scara geologic Kaldar ("Pmntul nelinitit", 1975), conform careia 100 milioane de ani se privesc ca un singur "an", Pmntul are n prezent 46 de ani.

Anul naterii Pmntului este determinat pe baza msurrii coninutului izotopilor de Pb n rocile strvechi, care conineau U-238. Pmntul iniial era cu totul altfel dect n prezent. Se presupune c activitatea vulcanic era foarte intens. Gazele eliminate prin erupii vulcanice n decursul primilor 500 milioane de ani de existen ai planetei conineau hidrogen, vapori de ap, metan, CO2 i compui ai sulfului. Vaporii de ap i substanele gazoase eliminate au contribuit treptat la formarea atmosferei dense din jurul Pmntului care se rcea. Condensarea vaporilor de ap, ce a dus la formarea oceanului mondial, a avut loc cu 4 miliarde de ani n urm. Procesele de evaporare a apei i cderea ei pe uscat sub form de precipitaii, apoi ntoarcerea n ocean (ciclul hidrologic) au dus la dizolvarea multor sruri minerale. Dizolvarea n ap a CO2, cu formarea carbonailor insolubili, constituie un proces pentru generarea diferitelor tipuri de precipitate. De asemenea se dizolv n ap i alte gaze atmosferice, iar cele mai uoare (hidrogenul, heliul) disipeaz cu timpul n cosmos. Cea mai important particularitate a atmosferei timpurii a Pmntului este lipsa oxigenului liber. Acesta nu putea s se acumuleze n atmosfer, n condiiile unei intense activiti vulcanice, din cauza cantitilor mari de gaze cu proprieti reductoare (H2, CH4, H2S .a.) i mai ales datorit prezenei n ap a unor concentraii ridicate de ioni metalici n stare redus (ndeosebi ioni Fe2+). Se poate imagina un reactor chimic gigantic, gaz-lichid, reprezentat de atmosfera Pmntului i oceanului planetar, prin care radiaia solar ultraviolet ajungea aproape fr piedici la suprafaa pmntului. Pe fondul unor radiaii ionizante intense i n condiiile temperaturilor nalte (1170-1370 K), cauzate de descrcrile electrice din atmosfer i de activitile vulcanice, se nfptuiau, n reactorul imaginar, nenumrate reacii chimice. Nu este de mirare faptul, dovedit i prin experienele similare n laborator, c n condiii anaerobe, sub inluena tuturor acestor factori, decurgeau efectiv procese abiotice de suntez, din gaze simple, a diferitor substane chimice, inclusiv a unor compui organici cu hidrocarburi, aldehide, acetone, aminoacizi i acizi carboxilici. Ca rezultat al evoluiei chimice a materiei, a circuitului compuilor organici, se formau compui cu structuri tot mai complicate, cauzate de lipsa proceselor de destrucie a compuilor organici ce decurgea cu formarea bioxidului de carbon i a apei aa cum are loc astzi n atmosfer, n prezena oxigenului. Sub aciunea luminii UV, ca rezultat al ruperii legturii i a procesului de ionizare se petrecea descompunerea moleculelor n diferite fragmente (radicali liberi), ce serveau ca material de construcie pentru formarea altor compui. Astfel, energia radiaiei solare se acumula treptat sub form de substan organic cu o structur tot mai complicat. Procesul destructiei substanelor organice n mediu apos, sub influena razelor ultraviolete dure, nu decurge att de energic ca n atmosfer, astfel nct concentraia staionar a substanelor organice n condiiile formrii i distrugerii lor a fost probabil considerabil. Astfel avea loc selectarea abiotic a moleculelor n direcia complicrii structurii moleculare i acumulrii n ocean a celor mai rezistente din ele. Dup relatrile specialitilor i innd cont de randamentele cuantice cunoscute din reaciile fotochimice de sintez ale amino- i oxiacizilor din gaze simple, coninutul substanelor organice n apele Oceanului "primitiv", puteau ajunge pn la 1 %. n orice caz, concentraia substanelor organice, "zeama" Oceanului, s-a dovedit a fi de ajuns pentru apariia i meninerea, n primele stadii de evoluie, a primelor forme de via.

6

Dup prerea lui Folsom (1982), naterea pe cale chimica a macromoleculelor ce se reproduceau i transmiteau informaia "ereditar" a avut loc cu 3,8 miliarde de ani n urm: aceasta este vrsta rocilor care au pstrat rmiele microorganismelor primitive. Dup scara Kaldar, Terra ar fi avut atunci, numai 8 "ani". De atunci, viaa n Ocean a nceput sa se dezvolte energic, la aceasta contribuind foarte mult concentraia ridicat a diferitelor substane dizolvate. Prin urmare aciunea radiaiei solare, factorul mutagen puternic, a iniiat evoluia vieii pe Pmnt. La nceput, viaa lua din mediul ambiant totul de-a gata, energia fiind obinut prin asimilarea substanei organice rezultat din suntezele abiotice. De exemplu organismele heterotrofe, nefotosintetizatoare, n special bacteriile. Au aparut apoi i bacteriile autotrofe fotosintetizatoare, ce au utilizat energia luminii solare pentru a oxida n ap gazele solubile. n calitate de oxidani, aceste bacterii au folosit CO2, N2, SO42-, NO3- i ali compui bogai n energie. Ca donori de electroni au servit CH4, NH3, H2S i unele substane organice solubile n ap. Cu aproximativ 3,5 miliarde de ani n urm, potrivit unor legi obiective ale evoluiei vieii biologice, unele bacterii s-au "nvat" s foloseasc apa n calitate de donor. Aceasta a dus la apariia organismelor autotrofe fotosintetizatoare ce produc i elimina oxigen molecular n mediul extern. Pn la acest moment oxigenul liber aprea n atmosfer doar pe baza descompunerii vaporilor de ap de ctre radiaia ultraviolet. Rezultatul activitii unor asemenea microorganisme fotosuntetizatoare s-a concretizat restructurarea compoziiei chimice a atmosferei Pmntului. Astfel cianobacteriile sau algele albastru-verzui au nceput s absoarb bioxidul de carbon i s elimine oxigen n atmosfer. La rndul lui oxigenul oxid treptat echivalenii reductori din ap i aer. Momentul trecerii de la atmosfera anaerob (reductoare) la cea aerob (oxidativ) a putut fi stabilizat pe baza resturilor minerale ale organismelor strvechi i datorit schimbrii proceselor de formare a rocilor sedimentare. Procesul de "titrare" a atmosferei a continuat aproare 2 miliarde de ani, principalul consumator de oxigen fiind ioni de Fe2+ dizolvai n cantiti mari n apele oceanului planetar. Compuii solubili ai Fe2+ intrau n compoziia mineralelor scoarei terestre i erau antrenai n procesele migrationale, datorit aerrii i eroziunii. De fapt ionii de Fe2+ au servit drept catalizatori n procesele de oxidare cu oxigen molecular a substanelor cu proprieti reducatoare evidente. Este clar c formarea atmosferei aerobe a Pmntului a nceput atunci cnd toate rezervele de substane reducatoare coninute n ap au fost oxidate i viteza de ptrundere a oxigenului molecular n mediul nconjurtor a depit viteza de reducere a ionilor de Fe sau a altor catalizatori metalici. Coninutul de oxigen din atmosfer a nceput treptat s creasc. Pe parcursul a 1,5 miliarde de ani vieuitoarele Pmntului s-au adaptat la existena n mediul aerob. Apariia oxigenului molecular n atmosfera Pmntului a fost factorul care a contribuit la dezvoltarea organismelor pluricelulare. Speciile de organisme pluricelulare (dintre care multe exist i astzi), descoperite n rezervele prescombrianului superior, atest faptul c geneza lor s-a produs cu aproximativ 700 milioane de ani n urm. Creterea cantitii de oxigen din atmosfer a dus la apariia stratului de ozon care protejaza suprafaa Pmntului de radiaia solar.

7

Acest fapt a determinat o nou direcie n evoluia vieii: cu 400 milioane de ani n urm viaa a ieit pe uscat i suprafaa Pmntului, la cei 42 de "ani", dup Caldar, s-a acoperit cu vegetatie bogat, au aprut animalele. Apariia vegetaiei a intensificat procesul de fotosuntez i compoziia atmosferei a atins n curnd un nivel staionar. Ca rezultat al proceselor activitii vitale, compoziia atmosferei s-a mentinut constant pe parcursul a milioane de ani. Astfel, n timpul evoluiei vieii pe Pmnt, a aprut sistemul chimico-biologic autoreglator, apt s menin condiiile favorabile de existen a vieii n mediul ambiant. Conform ideii intemeietorului nvturii despre biosfer V.I.Bernadschii, "viaa creaz n mediul ei condiiile favorabile de existen". Biosfera (bios - viaa, sfera - sfera) reprezint nveliul planetar denumit regiunea de existen a substanei vii. La baza tiinei despre biosfer st concepia dialectic unic a proceselor intercondiionate i de interconexiune ce se petrec ntre nvelisurile minerale, acvatice i gazoase ale Pmntului. Substana vie are o influen continu asupra naturii moarte, formnd i transformnd aspectul planetei i creind un sistem dinamic unitar. Ipoteza despre existena homeostazei globale presupune prezena n biosfera a mecanismelor circuitului biologic nchis a substanelor i legatura invers, responsabil pentru realizarea strii stabile de echilibru la schimbarea condiiilor exterioare. Elucidarea acestor mecanisme ar fi permis determinarea limitei de rezisten a biosferei, att global ct i pe ecosistemele separate. Imensitatea rezervelor de rezisten ale biosferei este argumentat de epizodul petrecut cu aproximativ 65 milioane de ani n urm, cnd Pmntul a fost bombardat cu o ploaie" de meteorii. Ca rezultat al ncendierii pdurilor, a crescut brusc impurificarea atmosferei cu particule de praf, temperatura s-a micorat cu 100C i a fost distrus stratul protector de ozon. Desigur c din "scena" vieii au plecat muli reprezentani ai lumii animale, exemplul tipic fiind dispariia dinozaurilor, ns echilibrul termic i nivelul de radiaie a revenit treptat la starea normal. Planeta Pmnt s-a "ntremat" dup atacul meteoriilor i viaa a nceput din nou s se dezvolte. Cu milioane de ani n urm s-a produs un alt eveniment - apariia omului - care a avut o influien puternic asupra mediului nconjurtor n evoluia vieii pe Pmnt. La nceput omul a fost doar una din verigile lanului ecologic. Contiina lui era ndreptat, n special, dobndirea hranei, aprarea de animalele de prad, cutarea surselor de cldur, adic tot ce exista n natur fr el, dar putea fi de folos i necesar omului. Abia nu de mult (cu 30 "secunde" n urm dup scara Kaldar) odat cu inventarea mainii cu abur, omul a nceput s foloseasc puterea industrial.

1.2. Bilanul energetic i material al biosferei Biosfera este adaptat n prezent la clima vital cu fluctuaiile ei naturale. Astfel, caracteristicele medii ale climei Pamntului, n special temperatura medie anual, posed o

8

constan uimitoare (fig. 1): temperatura medie a suprafeei Pmntului este de 288 K. Dup cum se vede din fig. 1, fluctuaiile medii de temperatur nu depesc 100C pentru 105 ani, 10C pentru 103 ani i reprezint zeci de grade celsius pentru ultimii 100 ani. n conformitate cu regula lui Boltzman, care exprim relaia dintre radiaia termic a corpului absolut negru i temperatur, se tie c la schimbarea temperaturii cu 0,10K se modific intensitatea radiaiei cu 0,1 %. n starea de echilibru, cnd temperatura Pmntului nu se schimb, energia radiaiei solare ce cade pe Pmnt, coincide cu energia radiaiei termice a Pmntului. Din temperaturile diferite de pe suprafaa Soarelui (TS=6 000K) i a Pmntului (TP = 300 K) se poate spune c fiecare foton al radiaiei solare se descompune, n medie, n 20 fotoni ai radiaiei termice a Pmntului. (TS/TP = 20).

1- n ultimii 600 milioane ani (partea hauratfluctuaia temperaturii n perioada glaciar); 2- amplificarea scalei timpului de 1000 ori; 3- 5-amplificarea scalei timpului n graficul precedent de 10 ori; 6- reconstituirea temperaturilor medii a emisferei nordice n ultimii 100 ani (Gorcov V.G., 1990).

Figura 1.1 Modificarea temperaturii medii a suprafeei pmntului Daca Soarele ar emana pe Pmnt aceeai energie numai sub form termic (deci TS = TP), atunci temperatura Pmntului s-ar menine la nivelul de odinioar iar fotonul solar nu ar suporta transformrile actuale. n acest caz suprafaa Pmntului ar rmne cald i pe ea nu ar putea exista via. Prin urmare, rezultatul transformrii fotonilor solari st la baza tuturor proceselor din biosfer. Conform legii conservrii energiei, n lipsa atmosferei, curentul cald al Pmntului ar fi trebuit sa coincid cu curentul energiei solare absorbit pe suprafaa Pmntului. Calculele efectuate arat c n aceste condiii suprafaa Pmntului ar fi avut 278 K. Probabil, c temperatura real a suprafeei globului Pmntesc este cu 100C mai

9

nalta i este legat de existena atmosferei. Energia proceselor de vaporizare i disociere ca i micarea macroscopic a curenilor de aer se transform n energie caloric absorbit de atmosfer. La fel i radiaia termic de pe suprafaa Pmntului este absorbita tot de atmosfer. Aceast caldur secundar, absorbit de atmosfer, se transform n radiaie termic din care o parte se rspndete n spaiul cosmic iar cealalt parte se ndreapt spre suprafaa Pmntului i de aici ptrunde din nou n atmosfer. Fenomenul este analog cu creterea temperaturii n ser i poart denumirea de "efect de ser". Existena efectului de ser se explic prin prezena neregulat n atmosfer a vaporilor de ap care se concentreaz treptat i formeaz norii. Creterea temperaturii cu aproximativ 10%, pe baza efectului de ser, asigur repartizarea uniform n atmosfer a bioxidului de carbon al crui coninut este de 16 ori mai mic, dect al vaporilor de ap. Celelalte gaze din atmosfer sunt implicate cu mai puin de 1 % n acest efect. n tabelul 1.1 sunt reprezentai curenii energetici de la suprafaa Pmntului, comparativ cu scara proceselor energetice naturale. Tabelul 1.1. Curenii energetici la suprafaa Pmntului (V.G.Gorcov: "Energetica biosferei i starea de stabilitate a mediului ambiant", 1940) Tipurile de energie Capacitatea, 1012 Vt (TVt) Absorbia radiaiei solare din atmosfer i suprafaa 105 globului Pmntesc Pierderi energetice la evaporarea apei: - mrilor i oceanelor 4.104 - uscatului 5.103 - vegetaiei (transpiraia) 3.103 Curenii de aer turbuleni 1.104 Transferul de cldur de la ecuator la poli - cu atmosfera 1.104 - cu oceanul 2.103 Vnturile 2.103 Valurile oceanice 1.103 Fotosinteza 102 Energia gravitaional de decantare 102 Hidroenergia scurgerii rurilor 3 Energia geotermal 30 Vulcani i gheizere 0,3 Fluxul i refluxul 1 Lumina Lunii 0,5 Lumina stelelor 10-4 Consumul actual de energie electric al omului 10 Energia radiaiei solare, ce cade pe Pmnt, reprezint aproximativ 1,3.1021kcal/an (1 kcal/an 1,35.10-4 Vt). Aproximativ 28 % din aceast energie se reflect n atmosfer i pe suprafaa globului Pmntesc.Cealalt parte (fig. 2) este absorbit de atmosfer (2,5.1020 kcal/an), mri i oceane (4,4.1020 kcal/an) i de uscat (1,9.1020kcal/an).10

Se estimeaz c, prin procesul de fotosintez al plantelor i microorganismelor, se transform n energie chimic circa (3-6).1017kcal/an, adic un total 0,03 % din energia solar ce cade pe Pmnt. Numai o mic parte din aceast energie este folosit de om: aproximativ 8.1015 kcal/an sub form de cldur i cam 4.1015 kcal/an sub form de hran. Din aceste date rezult c aproximativ 1/3 din radiaia solar se reflecta n cosmos, 1/3 din radiaia rmas este absorbit de atmosfer i aproximativ 1/3 din energia rmas este transformat de suprafaa uscatului n radiaie cosmic termic, fr generarea unor micri macroscopice. Mai mult de 30% din energia cheltuit la evaporarea apei contribuie la generarea turbulent a curenilor calzi din atmosfer i din oceane. Dup cum s-a relatat anterior, fluctuaia temperaturii Pmntului cu 0,10C, este legat de schimbarea intensitii radiaiei solare cu 0,1 %. Aceasta nseamn, ca n decursul a 10 ani, este permis o schimbare a fluxului energetic din biosfer, cu un ordin de mrime de 100 Tw, fr daune pentru clima i existena organismelor vii. Acest flux de energie suplimentar poate fi obinut prin incinerarea zcmintelor de combustibil, energiei nucleare, utilizarea energiei solare s.a. Deoarece consumul energetic actual al omului reprezint doar 10 Tw, teoretic este permis o cretere a acestuia de aproximativ 10 ori, valoare ce reprezint de fapt i limita climatic de utilizare a energiei. Fora total a produciei primare (fotosinteza) este determinat de regimul de ap (uscat) i structura comunitilor din Ocean. Pentru fotosinteza se cheltuie aproximativ 100 Tw de radiaie solar care nu schimb fluctuaiile naturale de temperatur. Aceasta nu este probabil o coinciden ntmpltoare: fora biosferei atinge fora maxim, comparabil cu stabilitatea climei ceea ce nseamn c, n cadrul climei actuale, fora total a biosferei nici nu poate fi mrit. n contextul stabilitii climei i conform legii conservrii energiei, omenirea poate folosi pentru nevoile sale (hran, ntreinerea animalelor domestice, folosirea lemnului etc.) numai 100 Tw din fora biosferei. Aceasta nseamn un ordin mai mult dect nivelul actual i reprezint limita biologic de consum. Ambele hotare menionate - chimic i biologic - au o importan deosebit numai n condiiile de meninere a biosferei. De aceia, este de ajutor pentru dezvoltarea civilizaiei umane, aa numitul hotar ecologic. Pe Pmnt, procesele biochimice din lumea vie se bazeaz pe energia solar exterioar i se reduc la formarea i descompunerea substanelor organice. Biosfera include de asemenea mediul din care lipsesc organismele vii (cum este stratul superior al atmosferei) dar n care este posibil interaciunea acestuia cu diferite forme de via. Mediul ambiant include substanele organice i organismele vii cu care interacioneaz organismul dat. Astfel, prin biosfer se ntelege biotopul i mediul ambiant se caracterizeaz n primul rnd prin concentraia compuilor chimici utiliza i

11

de organismele vii. Figura 1.2 Distribuia puterii radiaiei solare (sgeile haurate-repartizarea radiaiei solare la cderea pe pmnt, puterea de iradiere n procente. Sgeile nehaurate distribuia radiaiei termice a pmntului. Gorcov V.G. 1990. Pentru organismele ce descompun substanele organice, sunt la fel de importante formele de existen ale acestora ca i prezena oxigenului sol, ap i aer. n cazul organismelor ce sintetizeaz substane organice sunt importante concentraiile mari de bioxid de carbon, de compui ai azotului, fosforului i a altor substane numite deseori biogene, care intr n componena organismelor vii. Se pune ntrebarea dac concentraia substanelor biogene din mediul ambiant depinde doar de substanele abiotice ale proceselor geochimice sau concentraia acestora este determinat de condiiile de via ale materiei vii. Evident c, n primul caz, materia vie trebuie s fie nentrerupt pentru a se acomoda cu un alt mediu ambiant. Concentraia substanelor biogene, dependente de procesele geochimice, se modific n timp. Se admite c, n cursul evoluiei vieii pe Pmnt, coninutul total de substane biogene putea fi schimbat cu cteva ordine de mrime astfel nct existena vieii ar fi devenit imposibil. De aici rezult concluzia c organismele vii nu trebuie s fie folosite pentru susinerea substanelor ale cror concentraii nu pot fi reglate prin procese biologice. Mai mult dect att, procesele biologice i concentraia substanelor trebuie determinate n condiiile unor caracteristici normale ale mediului ambiant (temperatur, radiaie spectral, evaporare, precipitaii etc.). Este cert c, viaa ca atare nu poate schimba caracteristicile naturii dar schimbrile nefavorabile i ntmpltoare ale acestora pot fi compensate de ctre materia vie prin modificarea concentraiei substanelor biogene din mediu. Aciunea biotopului asupra mediului ambiant se reduce la sunteza substanelor organice din substane anorganice i la descompunerea substanelor organice n anorganice s.a.m.d., adic la schimbarea dependenei dintre substanele organice i anorganice coninute n biosfer. Vitezele de sintez i de descompunere a substanelor organice se apreciaz dup cantitatea format, respectiv distrus. Producia i destrucia se exprim n uniti de mas a carbonului organic sintetizat sau descompus n unitatea de timp. Aceasta se datorete faptului c substanele organice, ce intr n alctuirea organismelor vii, conin un raport relativ constant al elementelor chimice. Coninutul de carbon organic n biomas reprezint n medie 10 %. La sunteza unui gram de carbon organic biotopul absoarbe o cantitate de energie (iar la descompunere o elimin) egal cu 42 kj. Producia sau destrucia unei tone de carbon organic ntr-un an corespunde absorbiei, respectiv eliminrii unei energii de ordinul a 1,3 kVt. Prin urmare, biotopului trebuie s fie neleas prin producia ei msurat n uniti energetice. Materia vie are capacitatea de a crea, n mediul ei, concentraii locale de substane biogene (chiar i foarte puin diferite de cele din mediul extern, fr via)

12

numai dac sinteza i descompunerea substanelor organice, ce revine unei uniti de suprafa a globului Pmntesc, depesc fluxul de transfer a biogenilor. De exemplu, solul, cu un flux fizic al substanelor biogene considerabil mai mic comparativ cu productivitatea biologic, este bogat n compui organici i anorganici, importani pentru plante, spre deosebire de straturile profunde ale Pmntului, lipsite de organisme vii. Prin urmare, concentraiile locale ale substanelor biogene din sol se regleaz biologic. n ocean, concentraia tuturor biogenilor neorganici solubili se schimb de cteva ori de la suprafa pn la cteva sute de metri adncime. Aceasta se explic prin faptul c fotosunteza substanelor organice decurge n stratul superior al apei, unde ptrunde lumin solar. Descompunerea substanelor organice poate avea loc la diferite adncimi. Ca rezultat, concentraia bioxidului de carbon n adncuri este de cteva ori mai mare dect cea de la suprafa. Deci, concentraia CO2 de la suprafa se gsete n echilibru cu cea din atmosfer. Dac viaa n ocean va nceta, atunci concentraia carbonului anorganic din adncuri i de la suprafa se va egala i va duce la mrirea de cteva ori a concentraiei bioxidului de carbon din atmosfer. Aceasta rezulta din faptul c surplusul de carbon anorganic solubil n ap (ioni bicarbonat n echilibru cu CO2 este de aproape 2 ori mai mare dect n atmosfer. Mrirea de cteva ori a concentraiei CO2 n atmosfera nu schimb concentraia carbonului anorganic n adncul oceanului dar creterea repetat a concentraiei CO2 n atmosfer duce la schimbri catastrofale a climei. Prin urmare, biotopul ocean regleaz concentraia atmosferic a CO2 i totodat pstreaz temperatura de la suprafaa solului n limite optime pentru via. Msurarea concentraiei carbonului n bulele de aer, n ghearii Antarctidei i Groenlandei, a artat c concentraia bioxidului de carbon atmosferic a rmas constant n intervalul msurtorilor din cursul ultimelor ctorva mii de ani; ca ordin de mrimea s-a pstrat constant pe o perioad de sute de mii de ani. n acest timp, rotaia biogen a rezervelor de carbon din biosfer (dependena rezervelor carbonului organic i neorganic din biosfer de producia primar) este apreciat la cteva decenii. Cu alte cuvinte, n prezena numai a sintezei substanelor organice i n lipsa descompunerii lor, tot carbonul neorganic din biosfer ar fi fost transformat n compui organici n decursul a cteva decenii. ntr-un alt caz, cel al lipsei sintezei carbonului organic din biosfer, dispariia acestuia s-ar fi produs n decursul a ctorva ani. Faptul c, concentraia CO2 din atmosfer i pstreaz ordinul de mrime nu timp de 104 ori mai mare dect timpul de rotaie a rezervelor biogene de carton, demostreaz coincidena fluxurilor substanelor organice cu oprecizie relativ de ordinul 10-4. n afar de ciclul biosferic scurt al carbonului exist i ciclul geologic care se continu pe o perioad de 100 mii de ani. n form unic, ciclul biogeochimic al carbonului reprezint n sine un proces foarte complicat care poate fi privit la dou scri diferite ale timpului. Depunerile n rocile naturale i oxidarea materiei organice se msoar dup scara geologic temporal cu o perioad de 100 milioane de ani atunci cnd timpul de existen a bioxidului de carbon atmosferic constitue doar 22 de ani. n mod corespunztor, circulaia carbonului n biosfer, inclusiv zcmintele de combustibil, poate fi reprezentat prin schema urmtoare:

13

{O} Z c mintele de {O combustibil C CO CO2 H2O

HCO3- + H+

Biomasa

CaCO3

Rocile naturale Humusul din soluri i ape, suspensia de substan organic , depunerile atmosferice Aici {O}reprezint echivalentul oxidat al oxigenului ({O} = 1/2O2 = {2OH} H2O). n biosfer mai exist i aflux de carbon neorganic obinut ca rezultat al activitii vulcanice de degazare a mantiei Pmntului. Carbonul neorganic a fost scos din biosfer pe baza formrii rocilor naturale. Diferena ntre degajare i depunere formeaz un curent pur de carbon anorganic n biosfer. Acest curent pur are acelai ordin de mrime, ca i degajarea i depunerea. Cu alte cuvinte, degajrile i depunerile carbonului neorganic nu se coreleaz i nu se compenseaz unul pe altul. Actualele rezerve de carbon neorganic n biosfera la fluxul ei geofizic pur, are ordinul 100 mii ani. Aceasta nseamn, c timp de 1 mlrd de ani aceast rezerv trebuie s creasc de 10 000 de ori, ceia ce nca nu a avut loc. Aceasta se bazeaz pe aceia, c n biosfer exist un proces de compensare, care se prezint, ca un proces de acumulare a carbonului organic n rocile naturale sub form de zcminte de carbon. Rezervele zcmintelor de carbon, ating aproximativ 1,2.1016 t. Aceasta este de o mie de ori mai mare dect cantitatea medie a carbonului ce se conine n organismele vii (8.1011 t) n humusul din sol (2.1012 t), sau n atmosfer (7.1011 t) unde e, aproare de o sut de ori mai mult, dect dizolvarea n bazinele de ap i oceane (3,5.1013 t), i doar de apte ori mai mic, dect coninutul carbonului din nveliul sedimentar al Pmntului, cu grosimea de un kilometru, reprezentat de carbonai (aprox. de 1017 t). Astfel, rezervele de carbon organic, acumulate timp de 1 miliard de ani, ntrec rezervele carbonului neorganic i organic din biosfer cu patru ordine. De aici rezulta c, fluxul geofizic de carbon neorganic pur din biosfer i fluxul de carbon organic n rocile naturale coincid n medie cu o precizie de pna la patru cifre semnificative, deci cu o eroare relativa de 10-4. Aadar, biotopul controleaz pn la 8 cifre semnificicative din mrimile produciei i destruciei. Coincidenele ntimplatoare ale mrimilor cu asemenea precizii sunt imposibile. Zcmintele de carbon, la rotaia biologic, se modific, dar rezervele de materie vie rmn intangibile. Omul, primul a ncepect sa foloseasca zcmintele de combus- tibil, ce existau n forma concentrata a zacamintelor de carbune, petrol i gaz natural.

14

Coninutul carbonului organic, n zcmintele de combustibil, reprezint aproximativ 0,1 % din carbonul organic al rocilor sedimentare. Probabil, materia vie de pe Pmnt a fost format ntr-un asemenea mod, nct este n stare, cu o nalt precizie, s susin starea apt a mediului ambiant pentru via i s regleze concentraia biogenilor n biosfer. Dar muli se ntreab: de ce biosferei i trebuie att de mult din producia biologic? Se pare c aceasta este necesar pentru restabilirea oricror nclcri naturale a mediului nconjurtor (catastrofalele erupii vulcanice, cderea imenilor meteorii .a.m.d.) ntr-un termen foarte scurt. Pe de alt parte, fora imens dezvoltat de materia vie a Pmntului, i prezice poteniala primejdie de distrugere a mediului ambiant. Dac integritatea biotopului va fi nclcat, atunci mediul nconjurtor poate s se schimbe cu totul n decursul ctorva decenii. Pe parcursul ntregii evoluii, stabilitatea biosferei s-a bazat pe aciunea principiului Le-Chatelier, ce exprim faptul c viteza de absorbie a carbonului de ctre biotop trebuie s fie proporional cu mrirea concentraiei acestuia n mediul nconjurtor. Analiza detaliat a vitezei consumului (de combustie) de combustibil i a acumulrii carbonului n atmosfer arat c, pn la sfritul secolului trecut, biotopul uscatului se supunea principiului Le-Chatelier. n acest timp, Pmntul compensa efectiv toate influenele omului asupra biosferei astfel c problemele impurificrii mediului ambiant n-au aprut. De la nceputul secolului nostru, biotopul uscatului a nceput s absoarb excesul de carbon din atmosfer. Aceasta nseamn, ca structura natural a materiei vii a uscatului a fost ncalcat n limite foarte mari. 1.3. Aciunea antropic asupra mediului ambiant n secolul XX omul devine una din cauzele principale care duc la transformarea naturii nconjurtoare. Capacitatea lui industriala este de aa natur, nct poate s produc schimbri serioase n aspectul planetei. n acelai timp, epoca "neosferei" nc n-a sosit i n funcie de modul cum omul ii va forma relaiile cu mediul ambiant depinde nu numai viitorul biosferei, dar i existena omului nsui ca specie biologic. n aceast situaie a spera, c totul se va rezolva de la sine ar fi pentru civilizaie o superficialitate de neiertat. "De la sine" totul poate numai s se distrug. Se impune ca necesitile civilizaiei s nu depeasc posibilitile biosferei, dar acest fapt nu se ia tot timpul n consideraie. Tot mai des apar versiuni alarmante despre faptul c omenirea se afl n pragul unei crize ecologice. nsuindu-i i folosind bogiile naturale, omul nu se gndete mereu la toate urmrile aciunilor sale. La mijlocul secolului XX, influena omului asupra mediului ambiant a depit posibilitile de adaptare ale biosferei. Ca rezultat, n multe regiuni s-au nclcat echilibrele ecologice, au aprut greuti n asigurarea cu hran i alimentare cu ap a populaiei, a crescut procentul de mbolnvire a oamenilor de diferite alergii, boli infecioase i cancer. Primejdia impactului antropogen asupra mediului ambiant se exprim prin faptul c rspunsul biosferei nu apare momentan, dar dup o perioad oarecare de timp care depinde de caracterul impactului. Dac rspunsul se observ relativ repede, atunci apare posibilitatea de a regla scara interaciunilor, nepermind schimbri ireversibile n mediul ambiant. ns dac

15

transformrile n ecosistem se petrec dup un nterval oarecare de timp, pot avea loc schimbri ireversibile i n acelai timp, schimbri globale n ecosistemele naturale. Problemele ecologice sunt legate deseori de creterea intens a numrului locuitorilor. Omul este de asemenea reprezentantul lumii animale. Existena lui ca specie biologic este strns legat de calitatea mediului ambiant iar creterea numrului populaiei este limitat de aceiai factori ca i n cazul altor specii. Acesti factori sunt urmatorii: 1) existena unui spaiu bun pentru locuit 2) prezena substanelor nutritive necesare pentru meninerea proceselor de activitate vital a microorganismelor 3) dezvoltarea n ecosistem a consumatorilor tipici (antagoniilor) 4) acumularea n mediu a substanelor toxice n urma activitii vitale. V-a deveni determinant acel factor care va depinde de anumite condiii concrete. n prezent, noi suntem martorii situaiei, n care creterea numrului populaiei amenin omenirea cu autodistrugerea. Cile de autodistrugere sunt diverse. n timpul creterii potenialului militar, n condiiile de lips de spaiu locativ, a produselor alimentare, nu se exclude dezlnuirea unui nou razboi nuclear. Astzi, l pndete pe om i pericolul unei boli infecioase necunoscute n trecut, SIDA. n sfrit, el poate deveni victima propriei influente asupra mediului ambiant cu rezultatul apariiei noilor factori nefavorabili, ca: intensificarea radiaiei solare UV, impurificarea chimic a mediului aerian, a apei i produselor alimentare, schimbarea climei planetei, epuizarea resurselor naturale, tulburarea stabilitii ecosistemului mediului ambiant .a.m.d. n 1987 s-a stabilit c numrul locuitorilor de pe Pmnt a crescut pn la 5 miliarde de oameni i continu nc s creasc, conform unei legi hiperexponeniale. "Explozia demografic" poate fi ilustrat n mod evident prin datele expuse n tabelul 2 i 3. Tabelul 1.2. Creterea numrului populaiei globului Pmnt Creterea numrului populaiei de la - pn la (milioane locuitori) 10 - 20 40 - 80 160 - 320 320 - 600 600 - 1200 1200 - 2500 2500 - 5000 Perioada 7000 4500 .e.n. 2500 1000 .e.n. 1 - 900 e.n. 900 1700 1700 1850 1850 1950 1950 1990 Timpul de dublare a numrului populaiei (ani) 2500 1500 900 800 150 100 40

Din datele expuse n acest tabel rezult, c se reduce brusc timpul de dublare a populaiei i se micoreaz timpul apariiei fiecrui milion nou de oameni. n prezent creterea anual a populaiei pe Pmnt reprezint aproximativ 100 milioane oameni.

16

Conform prognozei demografilor, ctre anul 2000 se ateapt atingerea cifrei de aproximativ 6,3 miliarde de oameni. Dup aceasta se prezice micorarea ritmului de creterea ca urmare a ridicrii nivelului de via a rilor slab dezvoltate, a nivelului de cultur general-uman i a ponderea populaiei urbane. Odat cu creterea populaiei cresc i necesitile obteti ce duc la ridicarea exponenal a volumului producei industriale i agricole. Despre intensitatea influenei actuale ale omului asupra mediului nconjurtor ne vorbesc urmtoarele exemple: dublarea produciei de energie electric la fiecare 7-10 ani, ntreaga producie industrial i agricol crete ndoit n 30-35 ani. Tabelul 1.3. Numarul populaiei de pe Pmnt Populaia miliarde oameni 1 2 3 4 5 Anul sec XIX 1930 1960 1976 1987 Timpul creterii populatiei cu 1 miliard de oameni 130 30 16 11

Pe fondul epuizrii calitative a resurselor naturale, creterea produciei duce la: creterea deeurilor, micorarea fertilitii solului, impurificarea termic i chimic a mediului ambiant. Dezvoltarea produciei industriale i agricole s-a produs pn nu demult pe cale extensiv, fr a lua n consideraie urmrile ecologice. Extragerile anuale din biosfer i aruncarea deeurilor, ca rezultat al activitii omului, sunt redate n tabelul 1.4. Dup cum se vede din acest tabel, omul elimin n mediul nconjurtor aproape 100 mii de substane chimice. Aceast cantitate depete de zeci de ori ptrunderea pe cale natural a substanelor chimice n timpul erodrii rocilor muntoase i activitii vulcanice. Anual se produc peste 60 milioane tone de materiale sintetice nentlnite n natur. n timpul lucrrilor agricole se introduce n sol o cantitate mare de ngrminte minerale si pesticide. Cantitatea de fier, ptruns pe cale antropogen n mediul ambiant, a atins n ultimii 150 de ani aproare 6,5 miliarde tone iar urmrile posibile ale mbogirii scoarei terestre nu sunt pna acum cunoscute. Omenirea folosete activ aproximativ 55 % din uscat i 50 % din creterea anual a pdurilor. Ca rezultat al construciilor i prelucrarilor miniere, anual se transport mai mult de 4 mii km3 de roci sedimentare i se ard 7 miliarde tone de combustibil. Tabelul 1.4. Dimensiunile antropice de influen asupra biosferei Extrageri anuale din Patrunderi anuale n biosfer biosfer Minereuri 100 mlrd. t. Substanele chimice - 100 mii tipuri Metalele 800 mln. t. Materialele suntetice - 60 mln. t.

17

ngrasamntele minerale 500 mln. t. Milioanet. Pesticide - 5 mln. t. fierul - 50 mln. T. scurgerile lichide - 500 mln. t. scurgerile solide - 17,4 mln. T. CO2 - 20 mln. t. SO2 - 150 mln. t. Pentru irigare, producie industrial i servicii comunale se consum mai mult de 13 % din debitul fluvial i se arunc anual mai mult de 500 miliarde m3 de ape uzate industriale i comunale. Neutralizarea acestora cere 5-10 diluii cu ap pur. De asemenea, s-au mrit de dou ori scurgerile solide n ocean. Numai n rezervoarele de ap, acumularea produselor de eroziune a uscatului reprezint aproximativ 13,4 miliarde tone pe an. Drept rezultat al arderii petrolului, anual se acumuleaz n atmosfer mai mult de 20 miliarde tone de bioxid de carbon i aproximativ 700 milioane tone de ali compui gazoi i particule solide. O problem foarte important devine astzi este excesul de sulf n mediul nconjurtor i impurificarea aerului i a apelor suprafaei cu compui ai sulfului. O mare problem ecologic o reprezint i urbanizarea general-mai mult de jumtate din populaia Terei locuiete la ora. Pe glob sunt n prezent mai mult de 150 orae cu o populaie ce depete 1 milion de locuitori i numrul acestor orae crete. n tabelul 1.5 sunt prezentate consumurile i emisiile specifice unui astfel de ora. Tabelul 1.5 Consumul anual de resurse i emisiile unui ora contemporan cu populaia de peste 1 milion oameni Resurse Denumirea Ap Alimente Crbune Emisii n mediul Denumirea Ape uzate Deeuri solide Emisii gazoase (SO2, NOx,CO2, hidrocarburi) ambiant Cantitatea mii t. 500 2 0,8

Cantitatea mii t. 625 2 4

Petrol 2,8 Gaz 2,7 Combustibil pentru 1 motoare Influiena omului se manifest n toate componentele biosferei i duce la modificri n sistemele ecologice i n complexe naturale. Modificrile antropogene din natur sunt acele transformri ce se produc n mediul ambiant ca rezultat al activitii economice a omului.

18

Se pot evidenia 4 factori principali de influien a omului asupra mediului ambiant: 1. Modificarea structurii scoarei terestre. Aproximativ 10% din uscat este transformat ca urmare a construciei oraelor, ntreprinderilor industriale, drumurilor, deselenirii stepelr, tierii pdurilor, asanrii blilor etc. 2. Modificarea compoziiei chimice a mediului ambiant, influienarea circuitului elementelor n biosfer. Aceasta include extragerea minereurilor, eliminarea diferitelor substane n atmosfer i hidrosfer, modificarea ciclului umeditii, chimizarea agriculturii, etc. 3. Modificarea bilanului energetic (termic) a unor regiuni i a planetei n general. Aceste modificri pot s ezercite o influien serioas asupra climei Terei. 4. Modificrile induse n natura vie. Este vorba despre exterminarea unor specii, selecia unor specii noi de animale i plante, permutarea organismelor n locuri noi de via, etc. Toate modificrile din natur pot fi mprite n premeditate i de nsoire. Modificrile premeditate includ valorificarea pmnturilor i agricultura, construirea rezarvoarelor de ap, construcia oraelor, a cilor de comunicaii extragerea minereurilor, transformri ameliorativr, etc. Modificrile de nsoire din mediul ambiant trebuie s fie reduse la minim. Acestea sunt: poluarea mediului ambiant, srcirea numrului speciilor de animale, dezvoltarea proceselor de eroziune, ridicarea gradului de mbolnvire a oamenilor, etc. Prin poluarea mediului se nelege admisia n mediul ambiant a substanelor solide, lichide sau gazoase, microorganizmelor sau energiei (termic, electromagnetic, sonor ) n cantiti care provoac schimbarea compoziiei i calitii componenilor naturali i exercit o aciune nefast asupra omului, florei i faunei. Formele de poluare sunt muliple.cele mai importante dintre ele sunt: evacuarea poluanilor n atmosfer, ptrunderea n mediul acvatic a diferitelor deeuri de producie i comunale, produse petroliere, sruri minerale, degradarea peisajelor cu deeuri solide, utilizarea vast a pesticidelor, ridicarea nivelului de radiaie ionizant, acumularea cldurii n atmosfer i hidrosfer, intensificarea influienei sonore. Poluarea chimic este factorul decisiv de aciune nefast asupra mediului ambiant. Polurii antropogene i sunt supuse toate mediile de existen a vieii. La ora actual se elimin n atmosfer, n deosebi n atmosfera nordic (93,5%), sute de milioane tone oxizi de azot, sulf, carbon, particule suspendate solide i lichide (spray-uri), milioane tone de substane organice gazoase. Poluarea atmosferei are caracter global; ea este n stare s produc o schimbare a climei, mrirea fluxului de radiaii ultraviolete dure pe suprafaa pmntului, creterea numrului de boli la oameni. Poluarea antropogen a solurilor este legat de deeurile solide i lichide ale industriei construciilor, gospodriei comunale sau oreneti i produciei agricole precum i interveniile nemotivate ale omului n regimul de alimentare a solurilor cu ap n condiiile irigrii cmpurilor i transformrilor ameliorative, cu folosirea necontrolat a ngrmintelor i pesticidelor. Dac atmosfera i solul primesc marea mas a poluanilor, atunci bazinele acvatice slujesc drept colectoare a deeurilor chimice ale activitii umane. La cderea precipitaiilor i odat cu scurgerile de suprafa, n perioada revrsrii apelor de primvar, n ape ajung poluani care au fost evacuai iniial n atmosfer sau

19

introdui n sol. Poluarea apelor naturale este legat de asemenea i de folosirea resurselor de ap n industrie, agricultur, energetic, pentru necesitile comunale, n legtur cu dezvoltarea transportului pe ap, etc. Dup utilizare, apa se ntoarce n bazinele de ap natural antrennd schimbarea coninutului chimic, temperaturii, poluanilor biologici. Drept surse de poluare antropogen a mediului ambiant citam obiectivele industriale comunale ale activitii umane (tab.1.6). Metodele i cile de lupt cu poluarea antropogen a mediului ambiant sunt multiple: construcia staiilor de epurare, montarea filtrelor de captare a gazelor i pulberilor, crearea tehnologiilor fr deeuri sau cu cantiti mici de deeuri, utilizarea deeurilor n calitate de materie prim pentru fabricarea de produse utile, aplicarea ciclurilor nchise de ntrebuinare a apei, folosirea metodelor biologice de lupt cu duntorii culturilor agricole i ai pdurilor, optimizarea regimurilor de utilizare a tehnicii, perfecionarea fabricrii motoarelor cu ardere intern, cutarea unor surse noi de combustibil i energie. n acela timp cu poluarea antropogen, n mediul ambiant acioneaz i factorii polurii naturale: activitatea vulcanic, incendiile pdurilor, furtunile de praf,autopoluarea biologic a bazinelor de ap (nflorirea apelor) etc.

Tabelul 1.6 Poluani i surse de poluare Poluantul Ramura industrial pentru care este caracteristic poluantul dat AER Termocentrale, transportul auto. Metalurgic, extracia minereurilor. Chimic, frigorific. SOL Gospodria oreneasc, comunal Staii oreneti de epurare ntreprinderi de celuloz i hrtie Energetic, metalurgic, chimic Metalurgic, chimic Centrale atomo-electrice (CAE), militar. AP Energetic (CAE, TC,HC) CAE, militar Chimic Gospodria comunal Agricultura, gospodria oreneasc

CO2, SO2, NO, NO2, hidrocarburi. Particule metalice. Compui halogenai. Deeuri Nmol activ Celuloz i hrtie Cenu , zgur Metale Radionuclizi Termic Radioactiv Sruri minerale Particule n suspensie Substane biogene i solubile

20

Industria petrolului i de prelucrare a petrolului Industria de extracie a minereurilor, de construcii de maini Agricultura Textil Celuloz i hrtie Chimic Scurgeri oreneti. Poate fi evitat poluarea mediului ambiant? Teoretic se poate. Pentru aceasta ar fi necesar s se obin ap curat din ap uzat, iar npmolui activ rezultat s fie utilizat n agricultur ca ngrmnt. Probabil c este posibil ca toate deeurile s fie supuse recirculrii i s se obin din ele mrfuri. Chiar CO2 i H2O provenite din respiraie pot fi transformate cu ajutorul fotosintezei n hidrai de carbon i oxigen. Dar pentru toate acestea este necesar energie care trebuie gsit undeva, n mediul ambiant, de exemplu n rezervele de crbune, petrol, etc. Propblema const n alegerea acelei activiti care s exercite o daun ecologic mai mic. Produse petroliere Ioni ai metalelor grele Pesticide Colorani, fenoli CMM, lignin Dizolvani organici STA 1.4 Limita resurselor naturale Pe fondul creterii volumului de producie, pe primul plan apare problema resurselor naturale, limitate, care sunt necesare pentru satisfacerea nzuinelor civilizaiei i a cilor pentru utilizarea lor raional. Resursele naturale sunt: solul, cldura soarele, minereurile, energia mareelor, lumea vegetal i animal, cldura interioar a pmntului i puterea vntului. Aerul atmosferic, clima, radiaia cosmic, stratul de ozon sunt considerate componente ale naturii indirect legate de activitatea de producie a omului i constituie condiiile de existen a oamenilor. Resursele naturale se prezint n acelai timp drept componente ale mediului ambiant i categorie economic. Resursele naturale se mpart n epuizabile i inepuizabile; cele epuizabile se mpart la rndul lor n regenerabile i neregenerabile. Resurse naturale inepuizabile sunt apa, energia soarelui , energia mareelor, cldura intern a pmntului. Resursele naturale epuizabile sunt bogiile subterane, lumea vegetal i animal. Bogiile subterane se refer la cele neregenerabile, iar solul, flora i fauna la cele regenerabile. De regul, resursele naturale sunt multicomponente. Astfel, lumea vegetal este reprezentat de pdure cu multitudinea prilor ei componente; scoara solului reprezint un corp organizat complex cu baz mineral, organisme vii i mas organic putrezit. Decurgnd din aceasta, utilizarea resurselor naturale trebuie s fie complex. Pn nu demult, omul tria n condiii de resurse naturale inepuizabile-viteza consumului resurselor regenerabile era relativ redus iar a celor neregenerabile-mic. Acum exist o situaie calitativ nou-nivelul consumului resurselor regenerabile a nceput s pepeasc viteza regenerrii lor i a devenit evident limita rezervelor multor genuri de resurse neregenerabile, n particular, a crbunilor fosili. Deoarece viteza regenerrii resurselor animale i vegetale depind n mare parte de activitatea omului, apare necesitatea de a echilibra volumul consumului i a regenerrii resurselor naturale. n caz contrar, odat cu creterea consumului se va micora capacitatea de regenerare a sistemelor naturale din cauza epuizrii bioproductivitii.21

Deoarece epuizarea n timp a resurselor neregenerabile este inevitabil, problema const nu n a ntinde resursele ct mai mult timp, ci de a gsi substituieni naturali sau sintetici, ori de a gsi posibiliti de regenerare a lor utiliznd materie prim secundar. Dintre resursele naturale neregenerabile cele mai consumate sunt crbunii fosili i petrolul. Dup calculul specialitilor, rezervele de combustibil vor ajunge nc 50-100 ani. Ce va fi mai departe? Centralele termoelectrice, transportul, industria chimic i petrochimic i vor nceta activitatea. Prevznd aceste urmri, chiar de pe acum trebuie cutate diferite surse de combustibil alternativ. Exist orientarea de a utiliza, n calitate de combustibil, hidrogenul gazos rezultat la electroliza apei i metanolul provenit din prelucrarea lemnului, resurse care sunt regenerabile. Dar i la rezolvarea problemelor tehnologice de obinere n proporii mari a hidrogenului i metanolului apare problema produciei de energie electric care are limitele sale ecologice. 1.5 Energetica i ecologia

Utilizarea multor resurse naturale, n primul rnd combustibilul fosil, elementele radioactive i energia potenial a apei, este legat de producerea energiei. Creterea necesarului de energie electric implic mrirea capacitii de producie a acesteia dar metodele contemporane de obinere a energiei electrice sufer o serie de insuficiene din punct de vedere a daunelor aduse mediului ambiant. Vom examina n continuare principalele tipuri de centrale electrice i aciunea lor asupra mediului ambiant. 1.5.1. Centrale termoelectrice Producia major de energie electric pe plan mondial este datorat termocentralelor care lucreaz pe baz de carbon organic fosil. Combustibilul (crbune, pcur, gaz, ist) se arde n focarele cazanelor de abur unde energia lui chimic se transform n energie termic a vaporilor. n turbinele de abur energia termic a vaporilor este convertit n energie mecanic i aceasta se transform n turbogenerator n energie electric. Coeficientul termic al CTE obinute (de tipul GRES) este de 37-39%. Aproximativ 2/3 din energia termic i resturi de combustibil sunt aruncate odat cu gazele de evacuare producnd daune nsemnate unei regiuni vaste. n 24 ore CTE consum o cantitate enorm de combustibil, deseori adus de la distan. Astfel, o CTE cu capacitatea de 2 milioane kW arde cte 17800 t de crbune, ceea ce corespunde la 6-7 garnituri mari de tren i 2500 t pcur. Crbunele se macin (pulbere) i se alimenteaz focarele cazanelor unde se administreaz, n cantiti mari i continuu, ap (150000m3). Vaporii utilizai n turbine, rcindu-se, se transform n ap i se rentorc n cazane. Pentru rcirea vaporilor utilizai sunt necesare sisteme speciale-turnuri de rcire sau rezervoare mari de ap. Pentru rcire se utilizeaz n 24 ore 7 milioane m3 ap i are loc impurificarea termic a rezervorului rcitor. n timpul funcionrii CTE se elimin n atmosfer o cantitate mare de cenu i diferii compui chimici nociivi. ntr-un singur an, CTE elimin n atmosfer aproximativ 43 mii t de cenu, 220 mii t SO2, 36-40 mii t oxizi de azot.

22

Centralele termoelectrice ce funcioneaz pe baza gazului natural sunt ecologice, mai curate dect cele pe crbune, pcur sau ist dar n acest caz se produc daune mari naturii la instalarea conductelor de gaz pe distane de mii de kilometri. n ultimii ani s-a descoperit c impurificarea radioactiv n jurul centralelor termoelectrice care funcioneaz cu crbune este n medie de 100 de ori (de la 10 la 400 ori) mai ridicat dect fondul radiaie naturale. Aceasta este leat de faptul c ntotdeauna crbunele conine micro-cantiti de uraniu-238. Thoriu-232 i izotopul radioactiv al carbonului. n timpul funcionrii CTE aceti radionuclizi, mpreun cu cenua volatil i ali produi de ardere , ajung n atmosfera terestr, sol i rezervele de ap. Combustibilul fosil reprezint resurse naturale neregenerabile ceea ce nseamn c i prin economisirea lui maxim combustibilul va ajunge numai pentru un timp scurt. Dup unele date medii, duratele estimate sunt urmtoarele: crbune pentru 200-300 ani, petrol pentru 80 ani, gaze naturale pentru 100-120 ani (dup unele aprecieri pesimiste crbunele ar ajunge 80-100 ani, petrolul-40 ani, gazele naturale-50 ani). 1.5..2. Centrale hidroelectrice Centralele hidroelectrice (CHE) reprezint instalaiile cele mai simple de obinere a energiei electrice. Purttorul de energie-apa-este administrat n turbinele CHE din partea amonte a rului (rezervorul de ap format la bararea rului) i trimis n aval. Preul de cost al energiei electrice produse la CHE este, n medie, de 4 ori mai mic dect preul energiei electrice produse n termocentrale, iar recuperarea costului CHE este tot de attea ori mai rapid. Resursele hidraulice totale ale rurilor planetei sunt evaluate la 1000 triliarde kW/or. Resursele hidraulice care pot fi exploatate cu ajutorul CHE sunt de 30 ori mai mici. Dup aprecierea specialitilor, chiar prin utilizarea potenialelor tuturor rurilor planetei, hidroenergetia poate satisface numai pn la 25 % din necesarul de energie electric al omenirii. Deosebirea esenial dintre CHE i CTE, totodat marele avantaj al CHE, este posibilitatea manevrrii , adic posibilitatea de pornire sau deconectare a numrulu dorit de agregate. Aceasta permite utilizarea CHE de mare capacitate n calitate de centrale electricede vrf adic pentru asigurarea graficului zilnic de ncrcare a sistemului energetic i compensarea pierderilor de energie din reea n cazul deconectrii de avarie a capacitilor CTE. CHE pot fi divizate n dou grupe de baz: construite pe ruri de cmpie i pe ruri de munte. n ambele cazuri este necesar construirea barajelor care s asigure presiunea necesar a apei i stocarea ei n rezervorul de ap pentru funcionarea regulat a CHE n decurs de 1 an. La construirea CHE pe rurile de cmpie apare o serie de probleme ecologice legate de inundarea pmnturilor fertile, dezvoltarea n aoele stttoare a algelor albastreverzui, etc. Pe lng CHE de mare putere, pentru compensarea tensiunilor de vrf au o mare importan CHE de putere mic i medie. Potenialul hidraulic al rurilor mici este apreciat la 150 miliarde kWh. Greutatea specific a investiiilor de capital pentru CHE de putere mic este mai mare dect pentru CTE , CHE de putere mare i CAE. n afar de aceasta, dup calculele specialitilor, suprafeele totale de terenuri inundate la

23

construcia CHE de putere mic sunt de 5-20 ori mai mari dect la construcia CHE de putere mare ( calculat pentru o unitate de capacitate). Acest factor i nc o serie de neajunsuri (nghearea rurilor mici, necesitatea protejrii mpotriva efectelor unor lovituri, imposibilitatea reglrii capacitilor, etc.) au reprezentat motive pentru nerspndirea mini- i micro-CHE pe rurile mici de cmpie. 1.5.3 Centrale atomoelectrice

n reactoarele centralelor atomo-electrice (CAE) energia termic rezult ca urmare a eliberrii energiei legturilor dintre neutroni i protoni la fisiunea nucleelor de uraniu-235 prin bombardarea lor cu neutroni. Dac la arderea unei tone de crbune se elimin 7 kcal de cldur, la arderea unui gram de combustibil atomic se elimin 20 milioane kcal, adic de 3*106ori mai mult. n cazul unei CTE cu capacitatea de 1 milion kW/ zi sunt necesare, pentru 3 ani de funcionare, aproape 10 mii t de crbune (aproximativ 300 mii de vagoane). Pentru o CAE de aceeai capacitate, n 3 ani(durata de lucru nentrerupt a reactorului CAE fr schimb de combustibil) vor fi necesare numai 80 t material combustibil nuclear n UO2-2 vagoane. Asamblarea CAE este posibil n orice loc n care este suficient ap pentru rcirea reactorului, unde nu exist pericol seismic serios, unde liosete pericolul reaezrii terenului (solului) i nu exist pericol de distrugere a cldirii CTA ca rezultat al unor cauze externe. n barele de ardere (BA) se afl combustibil nuclear (pastile de UO2 sau UC). Acesta la rndul su conine izotopul fisionabil sub form de neutroni termici (U-235, U-233 sau Pu-239) sau sub form de neutroni rapizi (U-238. Th-232). Mai multe bare de ardere la un loc formeaz un fascicol de bare care eprezint un element combustibil Uraniul-235 este singurul izotop natural capabil s ntrein reacia de fisiune n lan a nucleelor. Captnd un neuron, uraniul-235 se transform n uraniul-236, foarte nestabil, care se descompune n 2-3 fragmente de elemente mai uoare (brom, iod, kripton, bariiu, etc.). Defectul de mas existent provoac eliminarea unei mari cantiti de energie i naterea a 2-3 neutroni noi care asigur propagarea reaciei atomice. Aceti neutroni noi posed o vitez foarte mare (aproape 20 mii km/ sec) i o energie primar de cteva milioane de eV (1 eV=1,59*10-19 w/s=1,59*10-19 erg). Captarea neutronilor de ctre nucleele uraniului-235 este eficient dac micarea neutronilor n reactor este ncetinit pn la aproximativ 2 km /sec; atunci apare posibilitatea de a dirija reacia n lan n reactor. Reducerea vitezei neutronilor rapizi se face cu ajutorul apei grele sau cu a grafitului ca moderator. O parte din neutroni este captat de nucleele uraniului 238 care nu se dezintegreaz i care alctuiete partea substanial a combustibilului nuclear. Se formeaz un combustibil nuclear nou, plutoniu 239, care nu se ntlnete n natur din cauza timpului de njumtire relativ mic(25 mii ani). Plutoniul-239 este un combustibil nuclear mai eficient dect uraniul-235 i se utilizeaz la fabricarea armei atomice. n locul U-238 se poate utiliza i Th-232. Dup 3 ani de exploatare barele de ardere se extrag din reactoare i se pstreaz nc 3 ani n CAE, n bazine speciale. n acest timp se dezintegreaz complet produsele radioactive cu perioada de njumtire mic(radionuclizii) ce s-au acumulat n BA. Dup pstrare, din BA se extrage plutoniul-239 iar reziduurile se pregtesc pentru ngropare.

24

n procesul dezitegrrii nucleelor de uraniu-235 cu generarea unui ir de elemente transuranice prin bombardarea nucleelor de uraniu-238 , n zona de lucru a reactorului atomic se formeaz diferite produse de dezintegrare radioactiv, unele dintre ele gazoase i sub form de aerosoli. Gazele radioactive i aerosolii se epureaz i se elimin n atmosfer. Sunt supuse ngroprii deeurile radioactive ale reactorului atomic precum i reactoarile cu un termen de funcionare de aproximativ 30-40 ani. O CAE tipic cu capacitatea de 1 milion kW pe an pregtete pentru ngropare nu mai mult de 2 m3 de deeuri radioactive. Cantitatea total de deeuri create la toate CAE din foste URSS nsumeaz anual circa 30 t. O problem mult mai dificil o reprezint ngroparea diferitelor substane radioactive acumulateee n decursul mai multor ani de obinere a plutoniului pentru arma nuclear. Aceste deeuri depesc de sute de ori cantitatea rezultat la fabricarea combustibilului radioactiv pentru toate centralele atomice. Nelund n consideraie pericolul polurii mediului ambiant cu deeuri radioactive, energetica atomic este privit ca alternativa cea mai viabil comparativ cu energetica pe baz de combustibil organic fosil. La sfritul anului 1988, n 26 ri ale lumii se exploatau 429 reactoare energetice atomice cu capacitatea total de 311 milioane kW i se construiau nc 105 reactoare cu capacitatea de 85 kW (tab.1.7). Tabelul 1.7. Starea energeticii atomice n rile dezvoltate n anul 1988ARA CAE n funciune Nr. Capacitate reactoare 108 40 23 7 36 55 18 95,3 11,9 21,9 5,5 26,9 52,6 12,2 CAE n construcie Nr. Capacitate Reactoare mln kW 7 2 1 14 9 4 7,7 1,8 1,5 12,3 12,2 3,5 Producia de energie electric, miliarde kWh 523,0 46,8 145,3 59,7 ? 260,2 ? Cota parte a CAE n asigurarea cu energie a rii, % 19,6 18,7 34 65,5 23 69,9 16

USA Anglia Germania Belgia Japonia Frana Canada

Ciali G.V. Energetica i ecologia,1991 La sfritul anului 1989 n lume se exploatau deja 434 blocuri atomice, capacitatea total stabilit a CAE mrindu-se cu 7 milioane kW. Pe teritoriul fostei URSS, comform situaiei din 1990, la 15 CAE se exploatau 46 de blocuri cu capacitatea total stabilit de aproximativ 37 milioane kW. La sfritul lui ianuarie 1991 au fost oprite, conservate sau reprofilate construciile CAE din Rostov, Crimeea, Tatarstan, Bacortstan ca i a altor blocuri energetice. Au fost deasemenea suspendat proiectarea i construcia a 60 de CAE cu capacitatea total de 160 milioane kW. O astfel de situaie a aprut ca rezultat al schimbrii cardinale a opiniei publice despre energetica atomic dup accidentul de la CAE din Cernobl.

25

Dup explozia care a aruncat n atmosfer cantiti mari de combustibil atomic, reacia n lan din reactor a ncetat- reactorul i-a pierdut criticitatea- ns temperatura n interiorul lui a rmas mult timp ridicat datorit transformrilor radioactive. n decurs de o lun n atmosfer a continuat s se elimine nuclizi radioactivi volatili ai gazelor inerte, iod-131, telur, cesiu, etc. Ca urmare a avariei de la Cernobl au suferit sute de mii de oameni (n deosebi copii) nu numai n apropierea Cernoblului ci i mai departe de hotarele lui-n Ucraina, Bielorusia i parial n Rusia. Pe terenurile unde au czut precipitaii radioactive s-au format urme i pete radioactive. Cderea radionuclizilor a fost descoperit, deasemenea, pe teritoriul Angliei, Germaniei, Italiei, Norvegiei; Suediei, Poloniei, Romniei i Finlandei. Avaria de la centrala atomo-electric de la Cernobl a stimulat munca tiinific de cercetare i proiectare pentru crearea noilor generaii de CAE cu nalt siguran de exploatare. Energetica atomic dispune astzi de instalaii capabile s stopeze automat procesele ce duc la accidente grave. Dup Cernobl, specialitilor din toat lumea le-a fost clar c numai legturile strnse i informarea la timp a societii despre noile descoperiri garanteaz dezvoltarea n continuare a energeticii atomice fr de accidente. n octombrie 1989, Adunarea General a ONU a chemat toate rile la o colaborare eficient i armonioas pentru folosirea energiei nucleare i aplicarea msurilor necesare rceterii securitii instalaiilor nucleare. Tragedia de la Cernobl a impus revizuirea principiilor de instelare a CAE. Sub acest aspect, este necesar s se ia n considerare factori ca: necesitatea energiei electrice n regiune, condiiile naturale, prezena apei n cantitate suficient, densitatea populaiei, probabilitatea cutremurilor de pmnt, inundaiile, caracteristice straturilor superficiale i profunde ale pmntului, etc. 1.5.4. Surse alternative de energie Paralel cu sursele convenionale de energie electric descrise mai sus, n lume se caut alte ci de satisfacere a necesitilor energetice crescnde ale omenirii. n urmtorii 2030 de ani apariia surselor energetice alternative este puin probabil. Cele mai mari sperane se ndreapt spre folosirea energiei solare, a cldurii pmntului, energiei mareelor, energiei termonucleare .a.

1.5.4.1. Utilizarea energiei solare

26

Puterea de radiaie total a soarelui se exprim prin cifra astronomic de 4*1014 miliarde kW. Fiecrui m2 al uscatului i revine, n medie, aproape 0.16kW. Pentru toat suprafaa pmntului, cantitatea de energie solar czut este de 105 miliarde kW. Aceasta reprezint aproape de 20 de ori mai mult dect producia surselor de energie la un loc. Trebuie spus c, toate cerinele energetice ale rilor fostei URSS echivaleaz cu energia soler ce cade asupra pustiului Kara-Kum pe un patrat cu latura de 67 cm. Numai n acest pustiu sunt cteva sute de astfel depatrate. Logic se pune ntrebarea cum poate fi practic transformat energia solar n energie electric. n prezent, energia radiaiei solare poate fi utilizat n special la obinerea energiei termice cu potenial mic (pn la 373 K). Aceasta servete necesitilor gospodreti, din agricultur i numai parial din industrie. Mai precis este vorba despre surse de absorbie a energiei (ap, aer) destinate deservirii sociale cum sunt serele, usctoriile, aparatele pentru desalinizarea apei,etc. Aplicarea pe scar larg n practic a radiaiei solare pentru obinerea energiei termice ( cu precdere ntre 500 latitudine sudic i 500 latitudine nordic) ar nlocui o cantitate considerabil de energie electric folosit pentru aceleai scopuri sau drept combustibil. Altfel stau lucrurile la folosirea energiei solare pentru obinerea direct sau indirect a energiei electrice. Transformarea direct a energiei solare n energie electric are loc cu ajutorul elementelor semiconductoare fotoelectrice numite transformatore. Transformarea se realizeaz indirect cu ajutorul vaporilor de ap ce ajung n turbina generatorului. Construirea de centrale electrice solare (CES), se folosesc vaporii obinui prin nclzirea cazanului cu abur, s-a dovedit economic neretabil. CES-5 experimental cu o capacitate de 5000 kW a fost construit n 1985 n Krm. Datorit sistemului de oglinzi (heliostatice), cu suprafaa total de 40 mii m2, razele solare snt focalizate permanent pe cazanul cu abur. Aceasta permite obinerea ntr-o or a 28 t de vapori la temperatura de 425K. La CES-5, un timp de 1920 ore de strlucire solar permite obinerea a 5,8 milioane kWh energie electric i economisirea unei cantiti de combustibil de aproape 2000 t. Dar cheltuielile de obinere a energiei electrice cu ajutorul CES-5 ntrec de aproximativ 70 de ori cheltuielile CTE ce funcioneaz pe baz de crbune. Centrale electrice de acest fel au fost construite mai nainte n Frana i SUA. Acum exist proiecte de construire a unor CES mari , cu o capacitate de 200-300 mii kW, care ntrec de cteva ori cheltuielile CTE tradiionale. n SUA funcioneaz instalaii cu capacitatea de 30 mii kW n care vaporii de ap se obin pe alt cale dect la CES-5. n principiu, razele solare sunt focalizate pe o eav prin care curge ulei sintetic. Uleiul se nclzete pn la 660K apoi trece n schimbtorul de cldur unde apa se transform n vapori ce asigur funcionarea turbogeneratorului de energie electric. n 1989 a nceput s funcionez n California o instalaie analoag cu capacitatea de 80 mii kW. Preul de cost al energiei obinute n astfel de instalaii este comparabil cu cel al energiei electrice obinute nCAE. Pn nu demult se considera c CES se situiaz dup centralele electrice bazate pe transformril semiconductorilor fotoelectrici (TSFE). Dar costul unei astfel de instalaii de TSFE cu capacitatea de zeci de kW este mai mare dect a CES cu vapori. n plus, sfera de ntrebuinare a TSFE este foarte redus : instalaii mici folosite n locurile unde este greu de furnizat combustibil i pentru aparatele cosmice. n anii 60, o grup de oameni de tiin englezi i americani au propus proiectul crerii de CES cosmice de nalt capacitate. S-a imaginat lansarea a 60 de satelii la

27

nlime de 36000 mii metri deasupra ecuatorului. Fiecare satelit, format din panouri de elemente semiconductoare cu suprafaa de 160 km2, ar avea o mas de 50000 t . energia obinut se transform n curent de nalt fregven care se transfer pe pmnt. La nceput se prea, c proiectul este pe deplin realizabil. ns masa considerabil a heliocentralei (300000 t) creaz o problem tehnic serioas legat de transportul ncrcturii pe orbit. n afar de aceasta, curentul energiei de microunde, de capacitate imens, reprezint o primejdie considerabil. Acest curent ionizeaz aerul, distruge lumea vegetal i animal, determin perturbaii radiofonice, etc. Calculele fcute au artat cpierderile totale la transformarea energiei sunt de 2 ori mai mari dect pierderile la transmiterea energiei cosmice. Prin urmare, CES terestre sunt mai de perspectiv. 1.5.4.2. Energia termonuclear Foarte mari sperane sunt legate de reaciile de sintez termonuclear dirijat n care sunt implicate nuclee uoare, ndeosebi izotopii hidrogenului (D-deuteriu, T-tritiu). Pentru reacia de sintez este necesar o temperatur foarte nalt , egal cu cteva sute de milioane de grade. Ca rezultat al reacie termonucleare se elimin o cantitate colosal de energie: n reacia D+D-3,3 milioane eV, n reacia D+D-17,6 milioane eV. Lucru cel mai important este realizarea reaciei dintre nucleele de D coninute n apa obinuit n proporie de 1/350 din masa hidrogenului sau 1/6300 din masa apei. Dup capacitatea caloric, 1 l de apeste echivalent cu 300 l de benzin, dar obinerea 1g de D, ca rezultat al reaciilor termonucleare, echivaleaz cu arderea a 10 t de crbune. Energia corespunztoare arderii anuale n lume a zcmintelor combustibile se obine dintr-un cub de ap cu latura de 160 m. Prin stpnirea energiei de sintez nuclear omenirea va obine practic surse de energie inepuizabile fr nici un pericol din punct de vedere al impurificrii radioactive a mediului nconjurtor ntruct produsul final al reaciei de sintezei al deuteriuluiheliului este nevtmtor. Pentru rezolvarea acestei probleme lucreaz intens fizicieni din multe ri ale lumii. n 1988 ei au hotrt s-i uneasc toate eforturile pentru realizarea proiectului internaional al reactorului ITAR. Se presupune c exploatarea experimental a reactorului poate s nceap n anul 2003 . 1.5.4.3. Energia vntului Aproape 20 % din radiaia solar ce cade pe pmnt se transform n energie eolian care se folosete practic n toate prile globului pmntesc. Folosirea vntului n centralele electrice eoliene (CEV) este limitat de instabilitatea acestuia. Acum se construiesc instalaii eoliene cu capacitatea de 4-6 kW destinate fermelor agricole. Peste hotare se produc CEV cu o capacitate de 100 kW. n ultimii ani s-a nceput construirea instalaiilor mari pentru obinerea energiei electrice. n 1982 a fost fcut public prognoza dezvoltrii pn n anul 2000 a complexelor electroenergetice din Germania. Se presupune c cele mai mari agregate eoliene, cu capacitatea 4,5 milioane kW (1500 turnuri cu nlimea 100 m i 3000 kW fiecare), vor produce 4% din energia electric a rii, fapt care va permite economisirea, n decursul unui an, a 3,5 milioane t de crbune. Este proiectat

28

construcia a 6 mii de instalaii mici cu capacitatea de la 5 pn la 20kW, ce vor permite economisirea a aproximativ 0,3 milioane t de combustibil lichid. n Marea Britanie s-a hotrt construirea n urmtorii ani a unor parcuri eoliene cu suprafaa de 3-4 km2. n fiecare din ele vor funciona cte 25 turbine de vnt cu capacitatea total de 8 mii kW. n perspectiv se urmrete construirea de parcuri eoliene gigantice cu suprafaa de 500 km2, care vor consta din cteva sute de instalaii energetice. n Suedia este planificat construcia a 4 mii CEV ( a cte 3000 kW fiecare) care vor asigura 20% din cerinele Suediei n energie electric. Cea mai mare parte din ele va fi instalat n apele riverane (de litoral), la distana de 3-5 km de mal. Spre sfritul anului 1989, SUA numra 14 mii de CEV cu capacitatea total de 1,4 milioane kW , pe cnd n Danemarca acionau abia 2400 CEV cu capacitatea total de 253 mii kW. n toat lumea crete interesul pentru centralele electrice eoliene cu toate c la producerea energiei n proporii mari cu ajutorul generatoarelor de vnt sunt necesare teritorii imense i apar perturbaii