Моделирование процесса конденсации антропогенных примесей атмосферы на поверхности элемента фитоценоза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат физико-математических наук Зотова, Лариса Викторовна

• Зотова, Лариса Викторовна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Зотова, Лариса Викторовна

Введение.

Глава 1. Современное состояние исследований процессов выпадения и влияния антропогенных загрязнений атмосферы на растения.

1.1. Способы выпадения антропогенных примесей атмосферы на поверхность фитоценозов и их проникновения внутрь растений.

1.2. Влияние загрязнений атмосферы на растения.

1.3. Влияние значения концентрации загрязняющего вещества на повреждения растений.

1.4. Устойчивость растений к загрязнениям атмосферы.

1.5. Абиотические факторы, вирусы и бактерии, вторичные эффекты.

1.6. Выводы.

Глава 2. Моделирование процесса конденсации загрязняющих атмосферу веществ на поверхности элементов фитоценозов.

2.1. Физическая модель исследуемого процесса.

2.2. Математическая модель процесса конденсации антропогенных примесей атмосферы на поверхности элемента фитоценоза.

2.3. Метод решения поставленной задачи.

2.4. Алгоритм расчета параметров конденсации антропогенных примесей атмосферы на поверхности элементов фитоценозов.

Глава 3. Численное исследование основных закономерностей процесса конденсации загрязняющих атмосферу веществ на поверхности элементов фитоценозов.

3.1. Результаты численного анализа процесса конденсации антропогенных эмиссий (атмосферный воздух содержит одну загрязняющую компоненту).

3.2. Результаты численного анализа процесса конденсации антропогенных эмиссий (атмосферный воздух содержит две загрязняющие компоненты).

3.3. Заключительные замечания о месте диссертационной работы в ряду исследований по экологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса конденсации антропогенных примесей атмосферы на поверхности элемента фитоценоза»

Масштабы воздействия антропогенных примесей атмосферы на фитоценозы из года в год увеличиваются. Особое значение это воздействие имеет для промышленно развитых районов с интенсивным сельскохозяйственным землепользованием.

Многие потери урожая различных сельскохозяйственных культур в удовлетворительных погодных условиях в подавляющем большинстве случаев не имеют объективного объяснения. В то же время известно, что в атмосфере Земли в настоящее время находится более сотни идентифицированных и много неидентифицированных веществ, представляющих большую или меньшую опасность для фитоценозов и являющихся побочными продуктами промышленных производств самого различного характера.

Как показали многочисленные исследования [1-5], загрязнителями атмосферы являются вещества органической и неорганической природы, жидкие или твердые. По ориентировочным, данным в атмосферу ежегодно эмиттируется сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенопроизводных и других опасных для жизни человека и растений соединений.

Помимо газа в атмосферу попадает большое количество аэрозолей различного происхождения (от предприятий строительной индустрии, энергетических станций и т. д.) [1]. Кроме основных загрязнителей в атмосферу поступают также специфические ингредиенты - углеводороды, фтор, бенз(а)перен, белковые вещества и т. д. [2].

При значительном загрязнении атмосферы в нижних ее слоях концентрация вредных примесей может достигнуть значительного уровня, оказывая неблагоприятное воздействие на окружающую среду [3].

Непосредственному воздействию атмосферных загрязнителей подвергаются надземные органы растений [4]. Из них более всего поражаются токсическими газами листья и зеленые побеги, которые осуществляют интенсивный газообмен [2]. Промышленные газы в концентрациях, сравнительно безопасных для человека, способны вызвать повреждения у растений - омертвление (некроз) или изменение окраски листьев (хлороз), ослабление сопротивляемости к неблагоприятным факторам [5].

Попадая на поверхность фитоценозов, загрязняющие вещества проникают во внутриклеточное пространство растений, где адсорбируются клетками и могут взаимодействовать с ними. Каждое вещество по-разному воздействует на биохимические и физиологические процессы в растениях. В простейшем случае загрязнение может ослабить растение так, что оно станет более чувствительно к патогену. В более сложном случае взаимодействие может изменить кислотность или повлиять на химические свойства растений [6]. Отрицательное воздействие на растения оказывают практически все выбросы. Поллютанты могут прямо или косвенно изменить толерантность и реакцию растений на различные природные стрессы. Накопление значительного количества вещества в растении приводит к поражению листьев, а также гибели растений.

Воздействие токсических элементов на растения обуславливает их острое и хроническое поражение. Острое поражение растений является следствием воздействия на растения высоких концентраций загрязняющих веществ в течение непродолжительного периода времени. Поступление фитотоксичных элементов к клеткам растений приводит к нарушению физиологических и биологических процессов, протекающих в клетках. Хроническое поражение растений наблюдается при низких концентрациях загрязняющих соединений в течении длительного времени. При таком воздействии наблюдается замедление роста и развития растений, уменьшается их урожайность.

Поэтому изучение процессов взаимодействия примесей атмосферы с фитоценозами является актуальнейшей задачей настоящего времени, которой занимается в последнее время все большее число исследователей. Но подавляющее большинство работ, посвященных этой проблеме, представляет собой экспериментальные исследования, основным результатом которых, как правило, является обоснованное доказательство негативного воздействия антропогенных эмиссий на растения. Прогностические возможности результатов этих исследований достаточно ограничены.

Изучение процессов выпадения примесей атмосферы на поверхность растений является актуальным. В литературе известно много работ, посвященных исследованию механизма выпадения вредных примесей атмосферы на поверхности фитоценоза. Большинство этих работ связано с экспериментальным изучением процессов кислотной и сухой седиментации [1]. Но загрязняющие вещества могут попадать на поверхность фитоценозов и при конденсации. При этом концентрация антропогенной примеси в атмосфере может не превышать предельно допустимой (ПДК). Исследования данного процесса как еще одного способа выпадения примесей атмосферы на растения ранее не проводились.

Целью диссертационной работы является: моделирование процесса конденсации вредных примесей атмосферы на поверхности элементов фитоценозов при снижении температуры воздуха, обусловленном суточным циклом положения солнца, и разработка численного алгоритма, позволяющего прогнозировать масштабы негативного влияния загрязнений атмосферы на элемент фитоценоза.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 7

1. Выделить комплекс физико-химических процессов и параметров, определяющих процесс конденсации антропогенных примесей на поверхности элементов фитоценозов в обычных условиях суточного цикла.

2. Сформулировать физическую модель исследуемого процесса с учетом основных факторов, влияющих на интенсивность и масштабы конденсации.

3. Сформулировать математическую модель процессов в газовой фазе и на поверхности элементов фитоценозов, реализующихся при конденсации вредных компонент на поверхности элементов фитоценозов.

4. Разработать метод и алгоритм решения поставленной задачи для широкого диапазона изменения внешних условий и свойств загрязнителей.

5. Исследовать основные закономерности изучаемого процесса на примере типичных антропогенных эмиссий.

6. Разработать методики оценки возможности конденсации как индивидуальных вредных компонент, так и их смесей на поверхности элементов фитоценозов.

7. Исследовать экологическую опасность для фитоценозов широкого круга наиболее типичных загрязнителей атмосферы и масштабы возможного воздействия.

В данной работе представлены результаты исследований по созданию методологических основ прогностического моделирования влияния антропогенных эмиссий атмосферы на фитоценозы.

Заключение диссертации по теме «Экология», Зотова, Лариса Викторовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа и обобщения итогов выполненных исследований можно сформулировать основные результаты и выводы по диссертации.

1. Выделен комплекс физико-химических процессов и параметров, определяющих процесс конденсации антропогенных примесей на поверхности элементов фитоценозов в обычных условиях суточного цикла.

2. Создана физико-математическая модель, которая описывает процесс конденсации антропогенных примесей атмосферы на поверхности элементов фитоценозов.

3. Разработан метод и алгоритм решения поставленной задачи для широкого диапазона изменения внешних условий и свойств загрязнителей.

4. Исследован основные закономерности изучаемого процесса напримере типичных антропогенных эмиссий.

5. В результате численных исследований определен ряд загрязняющих атмосферу веществ, которые способны конденсироваться на поверхности элементов фитоценозов. По значению пороговой концентрации (выше которой вещество способно конденсироваться) эти примеси атмосферы можно разделить на группы: 1) компоненты, концентрация которых в атмосфере равна среднесуточной предельно допустимой; 2) компоненты, концентрации которых превышают среднесуточную предельно допустимую; 3) компоненты, которые могут конденсироваться при значениях в атмосфере равной ПДК рабочей зоны; 4) компоненты, концентрация которых превышает предельно допустимую концентрацию рабочей зоны.

6. Определены параметры процесса конденсации примесей атмосферы, а также условия при которых рассматриваемый процесс реализуется. На основании результатов численного анализа установлено, что в типичных условиях летнего суточного цикла конденсируются вредные вещества, имеющие температуру кипения больше 200°С и критическую температуру больше 400°С.

78

7. Установлено, что концентрация вредных веществ в результате конденсации на поверхности элементов фитоценозов может достигать значений в 10 и более раз превышающих ПДК (при концентрации этих веществ в газовой фазе меньше ПДК или превышающей незначительно).

8. Установлено, что в состав пленкит конденсата могут входить различные фитотоксичные вещества, которые, проникая в растения и накапливаясь в них, оказывают отрицательное воздействие на процессы фотосинтеза, метаболизма и т.д. Пленка конденсата может включать в себя несколько вредных компонент, образуя смесь загрязняющих веществ, которая может оказывать синергетичеекое воздействие на элементы фитоценоза.

В заключении автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям зав. отделом НИИПММ, доктору физ,- мат. наук Г. В. Кузнецову и кандидату физ.-мат. наук И. К. Жаровой за постановку задачи, общее руководство и полезные обсуждения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Зотова, Лариса Викторовна, 2000 год

1. Хорват Л. Кислотный дождь. М.: Стройиздат. 1990. 79 с.

2. Двораковская М. С. Экология растений. -М.: 1983. 189 с.

3. Илькун Г. М. Загрязнения атмосферы и растения. Киев.: Наукова думка, 1978. 246 с.

4. Дурмишидзе С. В. Расшипление ароматического кольца некоторыми экзогенными соединениями в растениях -Тбилиси.: Мецниереба, 1975. 50 с.

5. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. М.: Издательство мир, 1979. 200 с.

6. Трешоу М. Загрязнение воздуха и жизнь растений. -Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 534 с.

7. Майснер А. Д. Жизнь растений в неблагоприятных условиях. -Минск.: Высшая школа, 1981. 96 с.

8. Chamberlain А. С. The movement of particles in plant communities. Pp. 155203 in Vegetation and the Atmosphere, Vol. I (Ed. J.L. Monteith). Academic Press. New York, NY, 1975. USA: xviii+278 pp.

9. Fowler, D. Removal of sulphur and nitrogen compounds from the atmosphere in rain and by dry deposition. Pp. 22-32 in Ecological Impact of Acid Precipitation.

10. Ed.D. Drablos and E. Tollan), 1980. pp. 21-22.

11. Bennet J. H., Hill A. C. Interaction of air pollutants with canopies of vegetation. Pp. 273-306 in Responses of plants to Air Pollution (Ed. J. B. Mudd, T. T. Kozlowski). 1975. Academic Press, NewYork- San Francisco-London: xii+383 pp., illustr.

12. Сытник K.M., Мусатенко Л.И., Богданова Т.Л. Физиология листа.- Киев.: Наукова думка. 1978. 393 с.

13. Угрехелидзе Д. Ш., Дурмишидзе С. В. Поступление и детоксикация органических ксенобиотиков в растениях. -Тбилиси.: Мецниереба 1984. 229 с.

14. Мальгин М. А., Пузанов А. В., Ельчининова О. А., Горюнова Т. А.

15. Тяжелые металлы и мышьяк в дикорастущих лекарственных растениях Алтая. // Сибирский экологический журнал, Т. 4, № 6, 1995. с. 12-14.

16. Jensen К. F., Kozlovski Т.Т. Absorption and translocation of sulphur dioxide by seedlings of four forest tree species. J. Environ. Qual. 1975.

17. Барахтенова JI. А. Воздушные поллютанты и обмен серы у сосны обыкновенной, пороговые концентрации, эффекты защиты. // Сибирский экологический журнал. 1995. № 6 т. 4, с. 14-18.

18. Hill А. С. Vegetation: a sink for atmosphere pollutants. J. Air Pollut. Control assoc., 21, 1971. pp. 341-6.

19. Davison A. W., Blakemore J. Factors determining fluoride accumulation in forage. Pp. 17-30 in Effects of Air Pollutants on Plants (Ed. T. A. Mansfied). Cambridge University Press, Cambridge, 1976. 209 pp.

20. Кунина И. M. Влияние озона на растения. // Проблемы экологического мониторинга и моделирование экосистем. -Л.: Гидрометеоиздат, Т. 9, 1986. С. 44-87.

21. Coulson С. L., Heath R. L. The interaction of peroxyacetyl nitrate (PAN) with the electron flow of isolated chloroplasts. Atmos. Environ., 9, 1975. pp. 231-820.

22. Сухоруков Ф. В., Маликова И. Н. и др. Техногенные радионуклиды в окружающей среде Западной Сибири (источники и уровни загрязнения) // Сибирский экологический журнал. 2000. Т. 7. №1, С. 60-62.

23. Жунгиету Г. И., Жунгиету И. И. Химическая экология высших растений. -Кишинев: Штиинца, 1991. 198 с.

24. Мельников Н.Н., Баскаков Ю.А. Химия гербецидов и регуляторов роста растений. -М.: ГоНТИ хим. Лит., 1962. С. 59-66.

25. Malhotra S. S., Khan A. A. Effects of sulphur dioxide and other air pollutants on acid phosphatase activity in pine seedlings. Biochem. Physiol. Pfianzen, 175, 1980. pp. 228-36.

26. Jeffree C.E. Plant damage caused by SO2. Pp. 328-54 in Papers presented to the Symposium on the Effect Airborne Pollution on Vegetation, Warsaw, Poland. UN Econ. Comm. 1980. Europe: xx+410 pp.

27. Leffler H. R., Cherry J. H. Destruction of enzymatic activities of corn and soybean leaves exposed to ozone. Can. J. Bot., 43, 1974. pp. 677-85.

28. Ormrod D. P. Pollution in Horticulture. 1978. Elsevier, Amsterdam, The Netherland: xi+ 260 pp.

29. Антипов В. Г. Влияние дыма и газов на цветение и плодоношение некоторых деревьев и кустарников // Сб. ботанических работ, вып.2. Белорусское отд. ВБО Минск, 1960. 200 с.

30. Тарабрин В. П. Устойчивость древесных растений в условиях промышленного загрязнения окружающей среды: Автореферат диссертации д-ра биологических наук,- Киев, 1974. 54 с.

31. Ashenden Т. W., Williams I. A. D. Growth reductions in Lolium multiflorum Lam. and Phleum pratense L. as a result of S02 and N02pollution. Environ. Pollut. (Ser. A), 21, 1980. pp. 131-9.

32. Kohut R. J., Davis D. D. Response of Pinto Bean to simultaneous exposure to ozone and peroxyacetylnitrate. Phytopathology, 68, 1978. pp. 567-9.

33. Runeckles V. C., Palmer K., Giles K. Effects of sequential exposures to NO2 and 03 on plants. 3rd Int. Congr. Plant Pathology, munich, Abstracts. 1978. p. 343.

34. Keller T. The simultaneus effect of soil-borne NaF and air pollutant S02 on C02- uptake and pollutant accumulation. Oecologia, 44, 1980. pp. 283-5.

35. Linzon S. N. Effects of airborne sulphur pollutants on plants. Pp.110-62 in Sulphur in the Environment, Part II: Ecological Impact (Ed. J.C. Nriagu). John Wiley, Sons, Chichester, England, 1978. 482 pp.

36. Vostal J.J. Effects of fluoride on vegetation. Pp.77-132 in fluorides (Charman, Panel on Fluorides, J.J. Vostal). National Academy of Sciences, Washington,DS,1971.295 pp.

37. Hick D.R. Diagnosing Vegetation Injury Caused by Air Pollution. Environmental protection Agency, Washington, DC, 1978. USA: 182 pp.

38. Tingey D.T., Reinert R.A., Dunning J.A., Heck W.W Foliar injuri responses of eleven plant species to ozone-sulphur dioxide mixtures Atmos. Environ., 7, 1973. pp.210-8.

39. Николаевский B.C. Биологические основы газоустойчивости растений. -Новосибирск: Наука 1979. 278 с.

40. Александров В.Я. О способности растительных клеток репарировать повреждения, вызванные нагревом. В кн. Система надежности клетки. -Киев.: Наукова Думка 1977. С. 85-88.

41. Илькун Г.М. Газоустойчивость растений. -Киев.: Наукова. думка, 1971. С. 17-29.

42. Rich S., Turner N. С. Importance of moisture on stomotal behaviour of plants subjected to ozone. J. Air Pollut. Control Assoc., 1972. pp. 22.

43. Huttunen S. Air-pollution-induced stresses in forest ecosystems. Pp. 1392-400 in Proceedings of the 5th International Clean Air Congress, Buenos Aires, 20-250ctober, 1980. Buenos Aires, Argentina: 1498 pp.

44. Shriner D. S. 1977. Effects of simulated rain acidified with sulfuric acid on host-parasite interactions. Water, Air and Soil Pollution, 8, 1982. pp. 9-14.

45. Shriner D. S., Cowling E. B. Effects of asidification on plant pathogens. Pp. 435-42 in Effects of Acid Precipitation on Terrestrial Ecosystems Ed. Т. C. Hutchinson, M. Havas. 1980. Nato Conference Series Ecology: xi+654 pp. Illustr.

46. Гришин A. M. Математическое моделирование лесных пожаров. -Томск: Из-во Томского университета. 1981. 277с.

47. Павлюкевич Н. В., Горелик Г. Е. Левданский В. В., Лейцина В. Г., Рудин

48. Г. И. Физичесая кинетика и процессы переноса при фазовых превращениях. -Минск.; 1980. 150 с.

49. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. -JL: Химия. 1982. 591 с.

50. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.- М: Наука, 1965. 848 с.

51. Недужий И. А., Болотин Н. К. В кн. Теплофизические характеристики вещества. Вып. 1 М., "Стандарты" 1968. 200 с.

52. Bingham Е. С., and Stookey: J. Am. Chem. Soc., 61: 1625 (1939).

53. Edmister W. C.: Pet. Refiner, 37(4): 173 (1958).

54. Eubank P. Т., Smith J. M.: AIChE J.,8: 117 (1962).

55. Исаченко В. П. Теплообмен при конденсации. -М.: Энергия,1977. 55 с.

56. Fuller Е. N., Giddings J. С.: J. Gas Chromator., 3: 222 (1965).

57. Marrero Т. R., Mason E. A.: J. Phys. Chem. Ref. Data, 1: 3 (1972).

58. Самарский А. А. Теория разностных схем. -М.: Наука. 1977. 656 с.

59. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов JL А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. -М.: Наука, 1984. 284.

60. Исаченко В. П. Теплообмен при конденсации. -М.: Энергия, 1977. 150 с.

61. Лазарев Н.В., Левина Э.Н. Вредные вещества в промышленности. Т.1 Органические вещества. -Л.: Химия. 1976. 525 с.

62. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

63. Биологические механизмы и феномены действия низкочастотных и статестических электромагнитных палей на живые системы./ Под ред. Г.Ф.

64. Плеханова. Материалы Всесоюзного симпозиума // Томск: Из-во Том. Ун-та, 1984. 158 с.

65. Казначеев В.П., Михайлова В.П., Биоэнергетическая функция естественных электромагнитных полей. Новосибирск: Наука, 1985. 181 с.

66. Тулупов П.Е.и др. Химические превращения диметилгидразина в атмосфере воздуха и идентификация их продуктов / Загрязнение атмосферы и почвы. М.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 87-101.

67. Даниленко A.A., Коломейчук B.C., Селегей В.В. Химический состав и загрязнение поверхностных вод бассейна Верхней Оби // Поведение ртути и других тяжелых металлов в экосистемах. Аналитический обзор. Ч. III, Новосибирск, 1989. С. 30-42.

68. Крышев И.И., Сзыкина Т.Г. Имитационные модели динамики экосистем в условиях антропогенного действия ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1990.

69. Глобальные выпадения продуктов ядерных взрывов как фактор облучения / Под. Ред. А.Н. Марея. М.: Атомиздат, 1980.

70. Алексеев В.А. Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных загрязнителей. Таллин, 1982. Ч. I С. 97-115.

71. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение / Под. Ред. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990. 220 с.

72. Экогеохимия городских ландшавтов / Под. ред. Н.С. Касимова. М.: Из-во МГУ, 1995. 336 с.

73. Авров Ф.Д. Экология и селекция лиственницы. Томск: Спектр, 1996. 213 с.

74. Цельникер Ю.Л., Малкина И.С. Хлорофильный индекс как показатель годичной аккумуляции углеродадревостоя леса. Физиология растений, 1994. Т. 41. С. 325-330.

75. Воронин П.Ю., Ефимцев Е.И., Васильев A.A., Ватковский О.С., Мокроносов А.Т. Проективное содержание хлорофилла и биоразнообразие растительности основных ботанико-географических зон России. Физиолоия растений, 1995. Т. 42. С. 295-302.

76. Пьянков В.И., Мокроносов А.Т. Основные тенденции изменения растительности Земли в связи с глобальным потеплением климата. Физиология растений, 1993. Т. 40. С. 515-531.

77. Пьянков В.И., Иванов Л.А. Структура биомассы у растений бореальной зоны с разными типами экологических стратегий. Экология, 2000. №1. С. 310.

78. Алексахин P.M. Радиоактивное загрязнение почвы и растений. М., 1963.

79. Лобарев В.М., Замышляев B.B. и др. Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края. Барнаул, 1993.T.I. Кн. 2. С. 5120.

80. Мальгин A.A., Пузанов A.B. Цезий-137 в почвах Алтайского края. Сибирский экологический журнал. 1995. №6. С. 499-509.

81. Экогеохимия Западной Сибири. Тяжелые металлы и радионуклиды / СОР АН, Объед. Институт геологии, геофизики и минералогии; Научн. ред. Чл.-кор. РАН Г.В. Поляков. Новосибирск.: Из-во СОРАН, НИЦ ОИГГМ, 1996 248 с.

82. Зотова Л.В. Математическое моделирование конденсации вторичных веществ, загрязняющих атмосферу, на поверхности фитоценозов // Сопряженные задачи механики и экологии: Материалы зимней школы-семинара молодых ученых. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1999. С. 32.

83. Зотова Л.В. Выпадение кислотных примесей, загрязняющих атмосферу, на поверхность фитоценозов // Рукопись деп. в ВИНИТИ 05.05.2000, № 1304 Деп. 11 с.

84. Зотова Л.В. Процесс выпадения антропогенных эмиссий, загрязняющих атмосферу, на поверхность фитоценозов // Рукопись деп. в ВИНИТИ 05.05.2000, № 1303 Деп. -13 с.

85. Зотова Л.В. Конденсация антропогенных примесей атмосферы на поверхности фитоценозов // Современные проблемы физики и технологии: Сб. статей молодых ученых. Томск: Изд-во НТЛ, 2000. С. 91.