Η οικολογία και οι περιβαλλοντικές επιστήμες

Transcript

1 Η οικολογία και οι περιβαλλοντικές επιστήμες Χαρακτηριστικά της μελέτης του περιβάλλοντος Διεπιστημονική, καθώς αποτελεί μια σύνθεση των φυσικών, χημικών, βιολογικών και κοινωνικών επιστημών, και Εφαρμοσμένη, καθώς δεν περιορίζεται μόνο στη μελέτη αλλά προσανατολίζεται κυρίως στην επίλυση ή την διαχείριση των προβλημάτων. Η Περιβαλλοντική Φυσική ορίζεται γενικά σαν ο κλάδος της Φυσικής που ασχολείται με την αναγνώριση, την μέτρηση και την μοντελοποίηση των περιβαλλοντικών προβλημάτων. Κάνει χρήση των τεχνικών μέτρησης που αναπτύχθηκαν σε διάφορους κλάδους της φυσικής και χρησιμοποιεί τις μεθόδους της μαθηματικής φυσικής. Η οικολογία, από την άλλη πλευρά είναι κλάδος της βιολογίας ο οποίος πραγματεύεται την σχέση ανάμεσα στους οργανισμούς και το περιβάλλον τους. Μεταξύ των περισσότερο δημοφιλών θεωριών του οικολογικού κινήματος είναι η βαθιά και η κοινωνική οικολογία: Κοινωνική οικολογία Στον πυρήνα των σοβαρών οικολογικών ανισορροπιών που αντιμετωπίζουμε σήμερα βρίσκονται οικονομικές, εθνικές και πολιτισμικές συγκρούσεις. Βαθιά οικολογία Τονίζει ότι θα πρέπει να αλλάξει η χρησιμοθηρική και ανθρωποκεντρική προσέγγιση του περιβάλλοντος γιατί εμείς οι άνθρωποι αποτελούμε ένα μέρος από το ζωντανό οικοσύστημα του πλανήτη.

2 Η αιτία των περιβαλλοντικών προβλημάτων Π.χ. το πρόβλημα της οξίνισης Αιτία: Οι εκπομπές οξειδίων του θείου και του αζώτου από την καύση ορυκτών καυσίμων, και ιδιαίτερα κάρβουνου. Λύση: Χρήση καυσίμων με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε θείο και τοποθέτηση φίλτρων για την απομάκρυνση των ενώσεων αυτών. Η επίδραση της ανθρώπινου πληθυσμού πάνω στο περιβάλλον μπορεί να ποιοτικά περιγραφεί από την παρακάτω εξίσωση: E = f ( Ν Π Τ) όπου Ε είναι η επίδραση στο περιβάλλον, Ν είναι αριθμός των ατόμων, Π είναι η μέση ποσότητα των πόρων που καταναλώνεται από κάθε άνθρωπο και Τ είναι η περιβαλλοντική ζημιά που προκαλείται από τις τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες της κατανάλωσης.

3 Η εκθετική αύξηση του πληθυσμού του πλανήτη τα προηγούμενα χρόνια και οι προβλέψεις για τον αιώνα που διανύουμε.

4 Η αύξηση του πληθυσμού του πλανήτη Ρυθμός γεννήσεων: περίπου 42 μωρά/10 δευτερόλεπτα Ρυθμός θανάτων: περίπου 17 θάνατοι/10 δευτερόλεπτα Αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού με 25 άτομα/10 δευτερόλεπτα Πριν λίγα χρόνια, ο πληθυσμός της γης ξεπέρασε τα 6 δισεκατομμύρια. Το 1987 φθάσαμε τα 5 δισεκατομμύρια. Μέχρι το 1975 δεν ξεπερνούσαμε τα 4 δισεκατομμύρια. Φθάσαμε τα 1 δισεκατομμύριο μόλις το πληθυσμός της γης θα φθάσει τα 8-14 δισεκατομμύρια πριν αρχίσει να ισορροπεί στα τέλη του αιώνα % της αύξησης του πληθυσμού αναμένεται να συμβεί σε λιγότερο ανεπτυγμένες χώρες

5 Φέρουσα χωρητικότητα Η φέρουσα χωρητικότητα είναι το μέγεθος ισορροπίας του πληθυσμού στο οποίο κάποιος συγκεκριμένος πληθυσμός σε κάποιο συγκεκριμένο περιβάλλον μπορεί να σταθεροποιηθεί όταν η παροχή πόρων παραμένει σταθερή. Οικολογικό αποτύπωμα Οικολογικό αποτύπωμα ονομάζονται τα εκτάρια γης (1 εκτάριο=10 στρέμματα) που είναι απαραίτητα για την υποστήριξη της ζωής μας. Οι κύριες συνιστώσες του είναι βασικά τρεις: 1. Το αποτύπωμα τη τροφής. 2. Το αποτύπωμα των προϊόντων ξύλου 3. Το αποτύπωμα της υποβαθμισμένης γης Ηνωμένες ΠολιτείεςΑμερικής: 5.9 εκτάρια Γερμανία: 3.2 εκτάρια Ινδία: 0.5 εκτάρια.

6 Σχηματική παρουσίαση των τεσσάρων βασικών αντιλήψεων για την φύση.

7 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΙ ΡΥΠΟΙ Ορισμός της ατμοσφαιρικής ρύπανσης Ατμοσφαιρική ρύπανση ονομάζεται η παρουσία στην ατμόσφαιρα ρύπων, δηλαδή κάθε είδους ουσιών, θορύβου ή ακτινοβολίας σε ποσότητα, συγκέντρωση ή διάρκεια τέτοια ώστε να είναι δυνατόν να προκληθούν αρνητικές συνέπειες στην ανθρώπινη υγεία, στους ζωντανούς οργανισμούς και στα οικοσυστήματα. «Επίσημος» ορισμός της ρύπανσης, (οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης 96/61 για την διαχείριση της ποιότητας του αέρα) «ρύπος», κάθε ουσία η οποία διοχετεύεται αμέσως ή εμμέσως από τον άνθρωπο στον αέρα του περιβάλλοντος και ενδέχεται να έχει επιβλαβείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία ή/και στο περιβάλλον στο σύνολό του. «περιβάλλων αέρας», ο εξωτερικός αέρας της τροπόσφαιρας εξαιρουμένου του αέρα στους χώρους εργασίας.

8 Σύντομη ιστορική αναδρομή Πριν από τη βιομηχανική επανάσταση Αναφορά του Ρωμαίου φιλόσοφου Σενέκα το 61 μ.χ: «Μόλις έφυγα μακριά από τον πνιγερό αέρα της Ρώμης και από τη βρωμιά των καπνοδόχων που κάπνιζαν, διαχέοντας ολόγυρα θανατηφόρα αέρια και αιθάλη, ένοιωσα να αλλάζει η διάθεσή μου», Σενέκας, 61 μ.χ. Ο Βασιλιάς Εδουάρδος ο 1 ος απαγόρευσε το 1307 την χρήση του κάρβουνου στις ασβεστοκάμινους του Λονδίνου. Μαρτυρίες αναφέρουν ότι ένα άτομο τιμωρήθηκε με απαγχονισμό για παράβαση του νόμου. Η βιομηχανική επανάσταση Ο James Watt εφεύρε το 1784 την ατμομηχανή Από το 1800 έως το 1900 η κατανάλωση κάρβουνου αυξήθηκε κατά δύο τάξεις μεγέθους. Χυτήριο στη βιομηχανική περιοχή Saar της Γερμανίας (1876).

9 Εικοστός Αιώνας Η αιθαλομίχλη, το 1909, στη Γλασκώβη και το Εδιμβούργο θεωρήθηκε η κύρια αιτία για 1000 περίπου θανάτους ανθρώπων. Το 1930, σε επεισόδιο αιθαλομίχλης, στη βιομηχανική περιοχή της κοιλάδας του Meuse στο Βέλγιο αρρώστησαν εκατοντάδες άτομα, από τα οποία 60 πέθαναν τις επόμενες μέρες. Το 1948 στην πόλη Donora των Ηνωμένων Πολιτειών κατά την διάρκεια ενός τετραήμερου επεισοδίου ρύπανσης σημειώθηκαν 20 θάνατοι και 6,000 ασθένειες οι οποίες συνδέθηκαν με την αέρια ρύπανση. (ο πληθυσμός της πόλης ήταν μόνο 14,000 κάτοικοι). Το μεγαλύτερο επεισόδιο συνέβη στο Λονδίνο το 1952 όταν μια εβδομάδα υψηλών επιπέδων ρύπανσης είχε σαν αποτέλεσμα να συμβούν 4,000 «πλεονάζοντες» θάνατοι (σύγκριση των ρυθμών θανάτου πριν και μετά το επεισόδιο) οι οποίοι αποδόθηκαν στην ρύπανση. Φωτοχημική αιθαλομίχλη στο σύγχρονο Las Vegas.

10 ΑΝΘΡΑΚΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ CO 2, CO, CH 4, NMHC Συνολική ποσότητα άνθρακα στην ατμόσφαιρα: 700 x 10 9 tn Διοξείδιο του άνθρακα CO 2 : Άχρωμο και άοσμο αέριο Πηγές: Καύσεις Παραγωγή τσιμέντου Βιολογικές διαδικασίες Καταβόθρες: Φωτοσύνθεση Διάλυση σε νερό Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το σημαντικότερο θερμοκηπικό αέριο

11 Μεθάνιο CH 4 : Σχετικά άφθονο και σταθερό αέριο Φυσικές πηγές Υγροβιότοποι 165 Τg/y Τερμίτες 20 Ωκεανοί 15 Ανθρωπογενείς πηγές Ενέργεια 110 Τg/y Μηρυκαστικά 115 Καλλιέργεια ρυζιού 60 Καύση βιομάζας 40 Ορυχεία 40 Κατεργασία αποβλήτων 25 Καταβόθρες: Χημικοί μετασχηματισμοί Απορρόφηση από το έδαφος, τους πάγους και τους ωκεανούς Βακτηριδιακή δράση

12 Μονοξείδιο του άνθρακα CO: Άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο Πηγές: (Ατελείς) καύσεις ορυκτών καυσίμων (ιδιαίτερα σε μέσα μεταφοράς) (Ατελείς) καύσεις βιομάζας Οξείδωση μεθανίου Οξείδωση NMHC Βιολογικές διαδικασίες Καταβόθρες: Οξείδωση προς CO 2 Διάλυση σε νερό Καύσεις ορυκτών καυσίμων: ~330 Tg/y Καύσεις βιομάζας: ~370 Tg/y Οξείδωση NMHC ~620 Tg/y Οξείδωση CH 4 ~720 Tg/y Παγκόσμιες εκπομπές: ~2040 Tg/y

13 Σταθμός Βενιζέλου 6 CO (mg/m 3 ) CO (mg/m 3 ) Σταθμός Λαγκαδά CO (mg/m 3 ) Σταθμός Μαρτίου

14 Οι επιδράσεις του CO στην ανθρώπινη υγεία οφείλονται, κατά κύριο λόγο στον σχηματισμό της καρβοξυαιμοσφαιρίνης (HbCO) η οποία υπονομεύει την ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου στους ιστούς του οργανισμού. Φυσιολογικά: Hb + O 2 HbO 2 Όμως ακόμη και χαμηλές, σχετικά, συγκεντρώσεις CO μπορούν να δεσμεύσουν σημαντική ποσότητα αιμοσφαιρίνης: Hb + CO HbCO 30 Μη Καπνιστές (Χειμερινή Περίοδ 25 Αριθμός Περιπτέρων ,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 1,4-1,5 Ποσοστό Καρβοξυαιμοσφαιρίνης (%) 25 Kαπνιστές (Χειμερινή Περίοδος) 20 Αριθμός Περιπτέρων ,4 0,4-0,8 0,8-1,2 1,2-1,6 1,8-2,2 2,2-2,4 2,4-2,8 2,8-3,2 3,2-3,6 3,6-4,0 8-8,4 9,6-10,0 Ποσοστό Καρβοξυαιμοσφαιρίνης(%)

15 ΕΝΩΣΕΙΣ ΘΕΙΟΥ Η 2 S, SO 2, SO 4 = Παγκόσμιες Εκπομπές Θείου ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΕΙΣ < ΤΌΝΟΥΣ/ΕΤΟΣ ΠΗΓΕΣ 1880: ΑΜΕΛΗΤΕΕΣ 1950: < ΤΌΝΟΥΣ/ΕΤΟΣ 1993: ~ ΤΌΝΟΥΣ/ΕΤΟΣ

16 Υδρόθειο H 2 S: εύφλεκτο, άχρωμο αέριο με χαρακτηριστική οσμή κλούβιων αυγών. Εμφανίζεται φυσικά στο αργό πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, τα ηφαιστειακά αέρια και τις ιαματικές πηγές. Μπορεί επίσης να παραχθεί από τη βακτηριδιακή αποσύνθεση οργανικής ύλης. Παράγεται επίσης από ανθρώπινα και ζωικά περιττώματα. Εκπέμπεται από βιομηχανικές δραστηριότητες όπως η επεξεργασία τροφών, οι φούρνοι κοκ, τα βυρσοδεψία, η παραγωγή χαρτιού και τα διυλιστήρια. Το Η 2 S θεωρείται γενικά δηλητήριο ευρέως φάσματος γιατί μπορεί να δηλητηριάσει πολλά όργανα του σώματος.

17 Διοξείδιο του θείου SO 2 : Άχρωμο αέριο, ισχυρή οσμή σε συγκεντρώσεις > 500 ppbv Πηγές: Ηφαίστεια Καύση ορυκτών καυσίμων Οξείδωση υδρόθειου Καταβόθρες: Χημικές αντιδράσεις Υγρή και ξηρή απόθεση Κυριότερες πηγές και καταβόθρες του SO 2 Πηγές Καταβόθρες Ηφαίστεια Καύση ορυκτών καυσίμων Οξείδωση DMS Οξείδωση υδρόθειου Χημικές αντιδράσεις Υγρή και ξηρή απόθεση Το διοξείδιο του θείου μπορεί να προκαλέσει σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα στον άνθρωπο αλλά και αλλοιώσεις στη βλάστηση και τα μέταλλα. Μειώνει την ορατότητα της ατμόσφαιρας και αυξάνει την οξύτητα των επιφανειακών υδάτων (λιμνών και ποταμών). Μια από τις σημαντικότερες επιπτώσεις του SO 2 είναι η συνεισφορά του στο φαινόμενο της όξινης βροχής.

18

19 Φωτοχημικό νέφος «Νέφος» - SMOG = SMOke (αιθάλη) + fog (ομίχλη) 1. Βιομηχανική αιθαλομίχλη: προκαλείται σχεδόν αποκλειστικά από την κατανάλωση καυσίμων υλών, ειδικά κάρβουνου, σε στάσιμες πηγές όπως είναι οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας και τα χυτήρια. Βασικά συστατικά της είναι τα οξείδια του θείου και τα αιωρούμενα σωματίδια. 2. Φωτοχημική αιθαλομίχλη: προκαλείται από εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του αζώτου και υδρογονανθράκων τα οποία με την παρουσία του ηλιακού φωτός αντιδρούν μεταξύ τους.

20 NO RO NO + RO NO + O + 3 NO2 O2 ( 280 nm) NO O NO + h ν O O + M O M 1. Για την παραγωγή όζοντος είναι απαραίτητη η φωτοδιάσπαση του ΝΟ 2 η οποία οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία. 2. Το ΝΟ και το Ο 3 αντιδρούν μεταξύ τους σχηματίζοντας ΝΟ 2. Κατά συνέπεια σε περιοχές με υψηλά επίπεδα ΝΟ (π.χ. σε ένα δρόμο με υψηλή κυκλοφορία οχημάτων) το Ο 3 εμφανίζει χαμηλές συγκεντρώσεις. 3. Το Μ παίζει το ρόλο καταλύτη και στην ατμόσφαιρα είναι συνήθως ένα αδρανές αέριο, κυρίως το Ο 2 και το Ν 2.

21 Ημερήσια πορεία των επιπέδων φωτοχημικής ρύπανσης σε αστική περιοχή.

22 ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Μείγμα διαφόρων σωματιδίων σε αιώρηση Τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα διαφέρουν από τα αέρια. 1. Ένα αέριο αποτελείται από ξεχωριστά άτομα ή μόρια τα οποία είναι διαχωρισμένα ενώ ένα σωματίδιο αποτελείται από μια συνάθροιση μορίων και ατόμων δεσμευμένα μεταξύ τους. 2. Σε αντίθεση με τα αέρια τα σωματίδια βρίσκονται σε υγρή ή στερεή φάση.

23 Τα αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα έχουν πολύ σημαντικές περιβαλλοντικές συνέπειες. 1. Σε υψηλές συγκεντρώσεις αποτελούν ένα σημαντικό κίνδυνο για την υγεία του αναπνευστικού. 2. Απορροφούν και διαχέουν την ορατή ακτινοβολία περιορίζοντας την ορατότητα της ατμόσφαιρας και συμβάλλοντας αρνητικά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. 3. Χρησιμεύουν σαν πυρήνες συμπύκνωσης για την δημιουργία νεφών. 4. Έχουν σημαντικό ρόλο σε χημικές αντιδράσεις. Μέσος χρόνος ζωής 5 ημέρες (Κατώτερη τροπόσφαιρα) 1 μήνας (Ανώτερη τροπόσφαιρα) 2-3 χρόνια (Στρατόσφαιρα)

24 Φυσικές πηγές εκπομπής αερολυμάτων. Πάνω αριστερά: Ο άνεμος συμπαρασύρει υδροσταγονίδια από την θάλασσα τα οποία περιέχουν άλατα. Πάνω δεξιά: Η έκρηξη του Mt. Pinatubo στις Φιλιππίνες, το 1991, ήταν η μεγαλύτερη του 20ου αιώνα. Μετά από μια έκρηξη ηφαιστείου απαιτούνται δύο περίπου χρόνια ώστε να επανέλθουν οι τιμές των αεροζόλ στα «κανονικά» τους επίπεδα. Κάτω αριστερά: Δορυφορική εικόνα από τις ανατολικές ακτές της Αυστραλίας. Διακρίνονται καθαρά οι θύσανοι που δημιουργούνται από τις εκτεταμένες πυρκαγιές συχνό φαινόμενο τις καλοκαιρινές περιόδους. Κάτω δεξιά: Θύελλα σκόνης στην περιοχή Hay Plain NSW

25 Επιπτώσεις των αερολυμάτων στην υγεία Εκτιμάται ότι τα βραχυχρόνια επεισόδια ρύπανσης είναι υπεύθυνα για το 7-10 % των ασθενειών του κατώτερου αναπνευστικού στα παιδιά, και ότι το ποσστό αυτό αυξάνεται στο 20% στις ρυπασμένες αστικές περιοχές. Ακόμη, πρόσφατες εκτιμήσεις δείχνουν ότι 4-8 % των πρωίμων θανάτων οφείλεται σε έκθεση σε αιωρούμενα σωματίδια. Η διαπερατότητα των κάθε είδους σωματιδίων στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα είναι συνάρτηση της αεροδυναμικής τους διαμέτρου. Αναπνεύσιμα: 10 < Dae < 200 μm, Θωρακικά: 4 < Dae< 10 μm, Εισπνεύσιμα: Dae < 4 μm.

26 Καθαρό νερό: ph~7 Φυσική βροχή: ph~5.6 ΟΞΙΝΗ ΒΡΟΧΗ H O + CO H CO Το ανθρακικό οξύ διαχωρίζεται μερικώς, συνεισφέροντας σε ιόντα υδρογόνου H + CO H + HCO Φυσική βροχή: ph<5.6 Η ΚΛΙΜΑΚΑ ΤΟΥ ph Τα κτίρια και οι βαφές επηρεάζονται για ph < 5 Τα ψάρια επηρεάζονται για ph < 6 Τα δέντρα επηρεάζονται για ph < 3,5 ΟΞΙΝΟ 0 7 2,2-3,0 ΟΥΔΕΤΕΡΟ ΒΑΣ ΙΚΟ 11,0-12,0 14 2,9-3,3 Λεμονάδα 6,4-7,6 Αμμωνία Η κλίμακα του ph

27 Εκπομπές των ουσιών που προκαλούν οξίνιση στην Ευρωπαϊκή Ένωση ανά τομέα (1999). 2SO + O SO SO 2NO NO NO H O H SO H + HSO 2H + SO O OH HNO H + NO Επιπτώσεις στα υδατικά οικοσυστήματα Επιπτώσεις στα δάση και στις καλλιέργειες Επιπτώσεις στα κτίρια CaCO 2+ + H O + CO Ca + 2HCO

28 Περίπου το 25% των δένδρων της Ευρώπης έχει υποστεί ζημιά από την όξινη απόθεση Διάβρωση μνημείου κυρίως από την όξινη βροχή