ТЕПЛОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКА, ПОСЛЕДСТВИЯ, ПРИМЕРЫ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2026

Тепловое загрязнение происходит , когда некоторый фактор вызывает нежелательное или вредное изменение температуры окружающей среды. Окружающая среда, наиболее подверженная этому загрязнению, - это вода, однако она также может влиять на воздух и почву.

Средняя температура окружающей среды может быть изменена как естественными причинами, так и действиями человека (антропогенные). Естественные причины включают неспровоцированные лесные пожары и извержения вулканов.

Температура поверхности Земли. Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SurfaceTemperature.jpg

Среди антропогенных причин - производство электроэнергии, парниковых газов и промышленные процессы. Точно так же вносят свой вклад системы охлаждения и кондиционирования воздуха.

Наиболее актуальным явлением теплового загрязнения является глобальное потепление, которое подразумевает повышение средней планетарной температуры. Это связано с так называемым парниковым эффектом и чистым вкладом человека в остаточное тепло.

Деятельность, вызывающая наибольшее тепловое загрязнение, - это производство электроэнергии за счет сжигания ископаемого топлива. При сжигании угля или нефтепродуктов происходит диффузия тепла и образование CO2, основного парникового газа.

Тепловое загрязнение вызывает физические, химические и биологические изменения, которые оказывают негативное влияние на биоразнообразие. Наиболее важным свойством высоких температур является их каталитическая сила, включающая метаболические реакции, происходящие в живых организмах.

Живым существам для выживания необходимы условия определенной амплитуды колебаний температуры. Именно по этой причине любое изменение этой амплитуды может означать уменьшение популяций, их миграцию или исчезновение.

С другой стороны, тепловое загрязнение напрямую влияет на здоровье человека, вызывая тепловое истощение, тепловой шок и усугубляя сердечно-сосудистые заболевания. Кроме того, глобальное потепление вызывает расширение географического диапазона действия тропических болезней.

Предотвращение теплового загрязнения требует изменения способов экономического развития и привычек современного общества. Это, в свою очередь, предполагает внедрение технологий, снижающих тепловое воздействие на окружающую среду.

Здесь представлены некоторые примеры теплового загрязнения, такие как атомная электростанция Санта-Мария-де-Гаронья (Бургос, Испания), работавшая с 1970 по 2012 год. Эта электростанция сбрасывала горячую воду из своей системы охлаждения в реку Эбро, повышая ее естественную температуру до 10 ºC.

Другой характерный случай теплового загрязнения - использование устройств для кондиционирования воздуха. Распространение этих систем для снижения температуры увеличивает температуру в таком городе, как Мадрид, на 2ºC.

Наконец, положительный пример компании по производству маргарина в Перу, которая использует воду для охлаждения системы, и полученная горячая вода возвращается в море. Таким образом, удалось сэкономить энергию, воду и уменьшить вклад горячей воды в окружающую среду.

характеристики

- Тепло и тепловое загрязнение

Тепловое загрязнение возникает в результате преобразования других энергий, поскольку вся энергия при использовании генерирует тепло. Это состоит из ускорения движения частиц среды.

Следовательно, тепло - это передача энергии между двумя системами, имеющими разные температуры.

температура

Температура - это величина, которая измеряет кинетическую энергию системы, то есть среднее движение ее молекул. Указанное движение может быть поступательным, как в газе, или колебаниями, как в твердом теле.

Он измеряется термометром различных типов, наиболее распространенными из которых являются расширительный и электронный.

Термометр расширения основан на коэффициенте расширения определенных веществ. Эти вещества при нагревании растягиваются, и их подъем представляет собой градуированную шкалу.

Электронный термометр основан на преобразовании тепловой энергии в электрическую, переведенную в числовую шкалу.

Чаще всего используется шкала, предложенная Андерсом Цельсия (ºC, градусы Цельсия или Цельсия). В нем 0 ºC соответствует температуре замерзания воды, а 100 ºC - температуре кипения.

- Термодинамика и тепловое загрязнение

Термодинамика - это раздел физики, изучающий взаимодействие тепла с другими формами энергии. Термодинамика предполагает четыре фундаментальных принципа:

- Два объекта с разными температурами будут обмениваться теплом, пока не достигнут равновесия.

- Энергия не создается и не уничтожается, она только трансформируется.

- Одна форма энергии не может быть полностью преобразована в другую без потери тепла. И поток тепла будет идти от самой горячей среды к наименее горячей, а не наоборот.

- Невозможно достичь температуры, равной абсолютному нулю.

Эти принципы, применяемые к тепловому загрязнению, определяют, что каждый физический процесс генерирует теплопередачу и производит тепловое загрязнение. Кроме того, его можно производить путем повышения или понижения температуры среды.

Считается, что повышение или понижение температуры загрязняет окружающую среду, когда выходит за рамки жизненно важных параметров.

- Жизненная температура

Температура - один из фундаментальных факторов возникновения жизни, какой мы ее знаем. Диапазон изменения температуры, обеспечивающий большую часть активного срока службы, составляет от -18 ° C до 50 ° C.

Живые организмы могут существовать в скрытом состоянии при температурах от -200 ºC до 110 ºC, однако это редкие случаи.

Термофильные бактерии

Некоторые так называемые термофильные бактерии могут существовать при температуре до 100 ° C, пока есть жидкая вода. Это состояние возникает при высоких давлениях на морское дно в районах гидротермальных источников.

Это говорит нам о том, что определение термического загрязнения в среде является относительным и зависит от природных характеристик среды. Точно так же это связано с потребностями организмов, населяющих данную территорию.

Человек

У людей нормальная температура тела колеблется от 36,5 ° C до 37,2 ° C, а гомеостатическая способность (для компенсации внешних изменений) ограничена. Температура ниже 0 ºC в течение длительного времени и без какой-либо искусственной защиты приводит к смерти.

Аналогичным образом, постоянные температуры выше 50 ºC очень трудно компенсировать в долгосрочной перспективе.

- Тепловое загрязнение и окружающая среда

В воде тепловое загрязнение имеет более непосредственный эффект, поскольку здесь тепло рассеивается медленнее. В воздухе и на земле тепловое загрязнение оказывает менее сильное воздействие, поскольку тепло рассеивается быстрее.

С другой стороны, на небольших площадях способность окружающей среды рассеивать большое количество тепла очень ограничена.

Каталитический эффект тепла

Тепло оказывает каталитическое действие на химические реакции, то есть ускоряет эти реакции. Этот эффект является основным фактором, из-за которого тепловое загрязнение может иметь негативные последствия для окружающей среды.

Таким образом, разница температур в несколько градусов может вызвать реакции, которые иначе не произошли бы.

причины

- Глобальное потепление

На протяжении своей геологической истории Земля прошла через циклы высоких и низких средних температур. В этих случаях источники повышения температуры планеты имели естественную природу, такую ​​как солнце и геотермальная энергия.

В настоящее время процесс глобального потепления связан с деятельностью человека. В этом случае основной проблемой является снижение скорости рассеивания указанного тепла в стратосферу.

Это происходит в основном из-за выбросов парниковых газов в результате деятельности человека. К ним относятся промышленность, движение автотранспорта и сжигание ископаемого топлива.

Глобальное потепление представляет собой сегодня самый крупный и опасный процесс теплового загрязнения из существующих. Кроме того, тепловыделение от глобального использования ископаемого топлива добавляет системе дополнительное тепло.

- Термоэлектрические установки

ТЭЦ - это промышленный комплекс, предназначенный для производства электроэнергии из топлива. Указанное топливо может быть ископаемым (уголь, нефть или производные) или радиоактивным материалом (например, ураном).

Термоэлектростанция Endesa As Pontes (Испания). Источник: Изображение предоставлено ☣Banjo

Эта система требует охлаждения турбин или реакторов, и для этого используется вода. В процессе охлаждения большой объем воды забирается из удобного холодного источника (реки или моря).

Затем насосы проталкивают его через трубы, окруженные горячим отработанным паром. Тепло передается от пара к охлаждающей воде, а нагретая вода возвращается к источнику, принося избыточное тепло в окружающую среду.

- Лесные пожары

Сегодня лесные пожары - обычное явление, во многих случаях причиной которых прямо или косвенно являются люди. Сжигание больших массивов леса передает огромное количество тепла, главным образом, воздуху и земле.

- Кондиционеры и холодильные системы

Устройства кондиционирования воздуха не только изменяют температуру в помещении, но и вызывают дисбаланс на открытом воздухе. Например, кондиционеры рассеивают наружу на 30% больше тепла, чем отбирают изнутри.

По данным Международного энергетического агентства, в мире насчитывается около 1600 миллионов кондиционеров. Точно так же холодильники, холодильники, подвалы и любое оборудование, предназначенное для понижения температуры в закрытых помещениях, создают тепловое загрязнение.

- Промышленные процессы

Фактически, все процессы промышленной трансформации включают передачу тепла в окружающую среду. Некоторые отрасли промышленности делают это особенно высокими темпами, например, сжижение газа, металлургия и производство стекла.

Сжиженные газы

Отрасли регазификации и сжижения различных промышленных и медицинских газов требуют процессов охлаждения. Эти процессы являются эндотермическими, то есть они поглощают тепло за счет охлаждения окружающей среды.

Для этого используется вода, возвращаемая в окружающую среду при более низкой температуре, чем исходная.

Металлургический

Доменные плавильные печи выделяют тепло в окружающую среду, поскольку они достигают температуры выше 1500 ºC. С другой стороны, в процессах охлаждения материалов используется вода, которая повторно попадает в окружающую среду с более высокой температурой.

Производство стекла

В процессах плавления и формования материала достигается температура до 1600 ºC. В этом смысле тепловое загрязнение, создаваемое этой промышленностью, является значительным, особенно в рабочей среде.

- Системы освещения

Лампы накаливания или точечные светильники и люминесцентные лампы рассеивают энергию в виде тепла в окружающую среду. Из-за высокой концентрации источников освещения в городских районах это становится источником значительного теплового загрязнения.

- Двигатель внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания, как и двигатели автомобилей, могут генерировать около 2500 ° C. Это тепло отводится в окружающую среду через систему охлаждения, в частности, через радиатор.

Принимая во внимание, что в городе ежедневно курсируют сотни тысяч автомобилей, можно сделать вывод о количестве передаваемого тепла.

- Городские центры

На практике город является источником теплового загрязнения из-за наличия в нем многих из уже упомянутых факторов. Однако город - это система, тепловое воздействие которой образует остров тепла в пределах своего окружения.

Теплые острова в Испании. Источник: Galjundi7

Эффект альбедо

Альбедо относится к способности объекта отражать солнечное излучение. Помимо калорийности, которую может внести каждый присутствующий элемент (автомобили, дома, промышленность), городская структура оказывает значительную синергию.

Например, материалы в городских центрах (в основном бетон и асфальт) имеют низкое альбедо. Это приводит к тому, что они становятся очень горячими, что вместе с теплом, выделяемым в результате деятельности в городе, увеличивает тепловое загрязнение.

Чистый вклад городского тепла

Различные исследования показали, что тепловыделение в результате деятельности человека в жаркий день в городе может быть очень высоким.

Например, в Токио полезная тепловая нагрузка составляет 140 Вт / м2, что эквивалентно повышению температуры примерно на 3 ºC. В Стокгольме чистый вклад оценивается в 70 Вт / м2, что эквивалентно повышению температуры на 1,5 ºC.

последствия

- Изменение физических свойств воды

Повышение температуры воды в результате теплового загрязнения вызывает в ней физические изменения. Например, он снижает растворенный кислород и увеличивает концентрацию солей, влияя на водные экосистемы.

В водоемах, подверженных сезонным изменениям (зимнее замерзание), добавление горячей воды изменяет естественную скорость замерзания. Это, в свою очередь, влияет на живые существа, которые адаптировались к этой сезонности.

- Влияние на биоразнообразие

Водная жизнь

В системах охлаждения термоэлектрических установок воздействие высоких температур вызывает физиологический шок для определенных организмов. В этом случае поражаются фитопланктон, зоопланктон, яйца и личинки планктона, рыб и беспозвоночных.

Многие водные организмы, особенно рыбы, очень чувствительны к температуре воды. У одного и того же вида идеальный температурный диапазон варьируется в зависимости от температуры акклиматизации каждой конкретной популяции.

Из-за этого колебания температуры вызывают исчезновение или миграцию целых популяций. Таким образом, сбросная вода из ТЭЦ может повысить температуру на 7,5-11 ºC (пресная вода) и 12-16 ºC (соленая вода).

Этот тепловой шок может привести к быстрой смерти или вызвать побочные эффекты, влияющие на выживание популяций. Помимо прочего, нагревание воды уменьшает растворенный в воде кислород, вызывая проблемы с гипоксией.

эвтрофикации

Это явление серьезно влияет на водные экосистемы, вызывая даже исчезновение в них жизни. Он начинается с распространения водорослей, бактерий и водных растений в результате искусственного внесения питательных веществ в воду.

По мере увеличения популяции этих организмов они потребляют растворенный в воде кислород, вызывая гибель рыб и других видов. Повышение температуры воды способствует эвтрофикации за счет уменьшения растворенного кислорода и концентрации солей, способствуя росту водорослей и бактерий.

Земная жизнь

В случае с воздухом колебания температуры влияют на физиологические процессы и поведение видов. Многие насекомые снижают плодовитость при температуре выше определенного уровня.

Точно так же растения чувствительны к температуре во время цветения. Глобальное потепление заставляет некоторые виды расширять свой ареал, в то время как другие считают его ограниченным.

- Здоровье человека

Тепловой удар

Необычно высокие температуры сказываются на здоровье человека, и может произойти так называемый тепловой удар или тепловой удар. Это острое обезвоживание, которое может вызвать паралич различных жизненно важных органов и даже привести к смерти.

Волны жары могут стать причиной сотен и даже тысяч людей, как в Чикаго (США), где в 1995 году умерло около 700 человек. Между тем, периоды сильной жары в Европе с 2003 по 2010 годы привели к гибели тысяч людей.

Сердечно-сосудистые заболевания

С другой стороны, высокие температуры негативно сказываются на здоровье людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Эта ситуация особенно серьезна при гипертонии.

Резкие перепады температуры

Внезапные колебания температуры могут ослабить иммунную систему и сделать организм более восприимчивым к респираторным заболеваниям.

Гигиена и рабочая среда

Термическое загрязнение является фактором профессионального здоровья в некоторых отраслях промышленности, например, в металлургии и стекольной промышленности. Здесь рабочие подвергаются воздействию лучистого тепла, которое может вызвать серьезные проблемы со здоровьем.

Несмотря на очевидные меры безопасности, тепловое загрязнение является значительным. Состояния включают тепловое истощение, тепловой шок, сильные тепловые ожоги и проблемы с фертильностью.

Тропические болезни

Повышение глобальной температуры приводит к тому, что болезни, которые до сих пор ограничивались некоторыми тропическими зонами, расширяют радиус своего действия.

В апреле 2019 года в Амстердаме прошел 29-й Европейский конгресс по клинической микробиологии и инфекционным заболеваниям. В этом случае было указано, что такие болезни, как чикунгунья, денге или лейшманиоз, могут распространиться в Европу.

То же самое явление может вызвать и клещевой энцефалит.

Как это предотвратить

Цель состоит в том, чтобы уменьшить чистый вклад тепла в окружающую среду и предотвратить попадание выделяемого тепла в атмосферу.

- Использование более эффективных источников энергии и технологий для производства электроэнергии

Источники энергии

Термоэлектрические установки вызывают наибольший вклад теплового загрязнения с точки зрения чистой передачи тепла в атмосферу. В этом смысле для уменьшения теплового загрязнения важно заменить ископаемое топливо чистыми источниками энергии.

В процессах производства солнечной, ветровой (ветровой) и гидроэлектрической (водной) энергии потребление остаточного тепла очень низкое. То же самое происходит с другими альтернативами, такими как энергия волн (волны) и геотермальная энергия (тепло от земли),

технологии

Термоэлектрические заводы и отрасли промышленности, для процессов которых требуются системы охлаждения, могут использовать системы с обратной связью. Также могут быть включены системы механического рассеивания тепла, помогающие снизить температуру воды.

- когенерация

Когенерация заключается в одновременном производстве электроэнергии и полезной тепловой энергии, например пара или горячей воды. Для этого были разработаны технологии, позволяющие утилизировать и использовать отходящее тепло, образующееся в промышленных процессах.

Например, в рамках проекта INDUS3ES, финансируемого Европейской Комиссией, разрабатывается система на основе «теплового трансформатора». Эта система способна поглощать низкотемпературное остаточное тепло (от 70 до 110 ºC) и возвращать его к более высокой температуре (120-150 ºC).

Другие аспекты выработки электроэнергии

Более сложные системы могут включать другие измерения производства или преобразования энергии.

Среди них есть тригенерация, которая включает в себя процессы охлаждения в дополнение к выработке электричества и тепла. Кроме того, если дополнительно генерируется механическая энергия, мы говорим о тетрагенерации.

Некоторые системы являются ловушками CO2, помимо выработки электроэнергии, тепловой и механической энергии, и в этом случае мы говорим о четырех поколениях. Все эти системы также способствуют снижению выбросов CO2.

- Уменьшить выброс парниковых газов

Поскольку глобальное потепление - это явление теплового загрязнения, оказывающее наибольшее влияние на планету, необходимо смягчить его последствия. Для этого главное - снизить выбросы парниковых газов, в том числе СО2.

Сокращение выбросов требует изменения модели экономического развития, замены экологически чистой энергии ископаемыми источниками энергии. Фактически, это снижает выбросы парниковых газов и производство отработанного тепла.

- Период охлаждения охлаждающей водой

Альтернативой, используемой некоторыми термоэлектрическими станциями, является строительство прудов-охладителей. Его функция заключается в отдыхе и охлаждении воды, поступающей из системы охлаждения, перед ее возвращением в естественный источник.

Примеры теплового загрязнения

Термоэлектрическая электростанция Брайтон (США). Источник: Wikimaster97commons

Атомная электростанция Санта-Мария-де-Гаронья

Атомные электростанции вырабатывают электроэнергию в результате разложения радиоактивных материалов. При этом выделяется много тепла, поэтому требуется система охлаждения.

Атомная электростанция Санта-Мария-де-Гаронья (Испания) представляла собой электростанцию ​​типа BWR (реактор с кипящей водой), открытую в 1970 году. Ее система охлаждения потребляла 24 кубических метра воды в секунду из реки Эбро.

Согласно первоначальному проекту, сточные воды, возвращаемые в реку, не должны превышать 3 ºC по отношению к температуре реки. В 2011 году отчет Гринпис, подтвержденный независимой экологической компанией, показал, что повышение температуры намного выше.

Температура воды в районе разлива достигла 24ºC (от 6,6 до 7ºC естественной речной воды). Затем, в четырех километрах ниже по течению от места разлива, температура превысила 21 ºC. Завод прекратил работу 16 декабря 2012 года.

Кондиционеры в Мадриде (Испания)

В городах появляется все больше систем кондиционирования воздуха для снижения температуры окружающей среды в жаркое время года. Эти устройства работают, забирая горячий воздух изнутри и рассеивая его снаружи.

Как правило, они не очень эффективны, поэтому снаружи они рассеивают даже больше тепла, чем извлекают изнутри. Следовательно, эти системы являются важным источником теплового загрязнения.

В Мадриде установленные в городе устройства для кондиционирования воздуха повышают температуру окружающей среды на 1,5 или 2 ºC.

Положительный пример: завод по производству маргарина в Перу.

Маргарин - заменитель сливочного масла, полученный путем гидрогенизации растительных масел. Гидрирование требует насыщения растительного масла водородом при высоких температурах и давлениях.

Для этого процесса требуется система охлаждения на водной основе для улавливания образующегося отходящего тепла. Вода поглощает тепло и повышает его температуру, а затем возвращается в окружающую среду.

На перуанской компании по производству маргарина поток горячей воды (35ºC) вызвал тепловое загрязнение в море. Чтобы противодействовать этому эффекту, компания внедрила систему когенерации на основе замкнутого контура охлаждения.

Благодаря этой системе можно было повторно использовать горячую воду для предварительного нагрева воды, поступающей в котел. Таким образом были сэкономлены вода и энергия, а поток горячей воды в море уменьшился.

Ссылки

1. Буркарт К., Шнайдер А., Брайтнер С., Хан М. Х., Кремер А. и Эндличер В. (2011). Влияние тепловых условий атмосферы и теплового загрязнения городов на смертность от всех причин и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в Бангладеш. Загрязнение окружающей среды 159: 2035–2043.
2. Coutant CC и Brook AJ (1970). Биологические аспекты теплового загрязнения I. Воздействие втягивающих и сбросных каналов ∗. CRC Critical Reviews in Environmental Control 1: 341–381.
3. Дэвидсон Б. и Брэдшоу Р. В. (1967). Тепловое загрязнение водных систем. Наука об окружающей среде и технологии 1: 618–630.
4. Дингман С.Л., Уикс В.Ф. и Йен Ю.С. (1968). Влияние теплового загрязнения на ледовый режим рек. Исследование водных ресурсов 4: 349–362.
5. Галиндо Р.Дж. (1988). Загрязнение прибрежных экосистем, экологический подход. Автономный университет Синалоа, Мексика. 58 с.
6. Проект Indus3Es. (Дата просмотра 12 августа 2019 г.). indus3es.eu
7. Норделл Б (2003). Тепловое загрязнение вызывает глобальное потепление. Глобальные и планетарные изменения 38: 305–12.