FIZYCZNE PODSTAWY PROCESW FIZYCZNE PODSTAWY PROEKOLOGICZNYCH PROCESW PROEKOLOGICZNYCH

FIZYCZNE PODSTAWY PROCESÓW FIZYCZNE PODSTAWY PROEKOLOGICZNYCH PROCESÓW PROEKOLOGICZNYCH • ANDRZEJ KUCZKOWSKI WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ POLITECHNIKA GDAŃSKA

CZYM JEST NAPRAWDĘ EKOLOGIA? Prof. Haeckel, który wprowadził to określenie w roku 1869. Definiował ekologię jako: „wiedzę o związkach organizmu ze środowiskiem”. Obecnie przez ekologię rozumie się działania zmierzające do jedności człowieka z otoczeniem. By nie nadużywać terminu ekologia, działania na rzecz ochrony środowiska nazywa się działaniami prośrodowiskowymi. Główną zasadą działań prośrodowiskowych jest hasło: DZIAŁANIA PROFILAKTYCZNE SĄ ZNACZNIE LEPSZE NIŻ WALKA ZE SKUTKAMI!

CZYM JEST NAPRAWDĘ EKOLOGIA? Myślenie ekologiczne definiuje się jako wielostronne, całościowe i perspektywiczne uświadomienie sobie konsekwencji dla przyrody wszelkich poczynań człowieka w środowisku, oraz dalsze planowanie tych poczynań z punktu ochrony żywych i nieożywionych zasobów naszej planety Jeżeli chcemy przetrwać, musimy zmienić sposób patrzenia na świat. Należy przejść od myślenia mechanistycznego do myślenia ekologicznie spójnego. Przyrody nie można traktować jako maszyny którą się bezlitośnie i bezmyślnie eksploatuje, lecz jako nasz wspólny dom.

„ dlaczego – pytam was – nasza wspaniała wiedza, która przyniosła oszczędności w pracy ludzkiej i uczyniła życie ludzkie łatwiejszym, przyniosła nam tak mało szczęścia? Odpowiedz jest prosta i brzmi: ponieważ dotąd nie nauczyliśmy się jeszcze stosować jej w sposób sensowny. ” Albert Einstein W jaki sposób można stosować osiągnięcia nauki w sposób sensowny? Przede wszystkim w sposób który by nie powodował nowych zagrożeń środowiska oraz likwidował powstałe już zagrożenia.

FIZYKA WOBEC WYZWAŃ OCHRONY ŚRODOWISKA „Fizyka stworzyła technikę, jest jej źródłem i istotą i fizyka tworzy ciągle nowe techniki. . . ” prof. Arkadiusz Piekara Czy zatem fizyka odpowiedzialna jest za zniszczenie środowiska naturalnego którego skutki coraz bardziej zaczynamy odczuwać? Raczej nie. Fizyka odkrywa tylko podstawowe prawa przyrody, które wykorzystywane są w różnych dziedzinach techniki. Wydaje się że za zniszczenie środowiska w głównej mierze winni są decydenci różnych szczebli i politycy szukających doraźnych korzyści i nie liczący się z długookresowymi skutkami swych decyzji. Sporą winę jednak ponosimy my wszyscy którzy bezmyślnie niszczymy, zaśmiecamy i zatruwamy nasze najbliższe otoczenie!!!!!!

FIZYKA WOBEC WYZWAŃ OCHRONY ŚRODOWISKA Przy rozwiązywaniu skomplikowanych problemów środowiskowych potrzeba jest integracja różnych dziedzin nauk. Przyrodę bowiem nie można traktować jak maszynę której poszczególne części można rozpatrywać oddzielnie. Wynika to stąd, że nawet w fizyce klasycznej występuje silna wrażliwość zachowania układu w przyszłości na minimalne nawet zmiany warunków początkowych. Te własności nie pozwalają np. na długotrwałe przewidywania pogody i klimatu.

PRZYKŁADY EKSPERYMENTÓW W KTÓRYCH NIE POTRAFIMY PRZEWIDZIEĆ WYNIKU

WAHADŁO Z TRZEMA MAGNESAMI. Jeszcze bardziej poglądowo możemy zademonstrować silną zależność położenia końcowego układu od minimalnej nawet zmiany warunków początkowych w doświadczeniu z wahadłem z trzema magnesami. W doświadczeniu tym metalowa kulka waha się nad trzema magnesami symetrycznie rozmieszczonymi. Gdy położenie początkowe kulki będzie różniło się tylko nieznacznie, to zatrzyma się ona po wykonaniu ruchu o bardzo skomplikowanym torze nad innym magnesem. Zachowanie takie jest przykładem silnej zależności stanu końcowego od nieznacznej nawet zmiany warunków początkowych co jest charakterystyczną cechą zarówno chaosu deterministycznego jak i procesów przypadkowych które jednakże ze względu na różny charakter należy zawsze rozróżniać. Gdy oznaczymy trzema różnymi kolorami wszystkie punkty początkowe z których kulka osiąga dany magnes (biegun przyciągania), to otrzymamy tzw. obraz fraktalny.

BASENY PRZYCIAGANIA Baseny przyciągania trzech magnesów zaznaczone są kolorami: czerwonym niebieskim i żółtym Powiększone fragmenty powyższego rysunku na którym widać strukturę przeplatających się ze sobą basenów przyciągania H. -O. Peitgen, H. Jurgen, D. Saupe. Fraktale. Granice chaosu. PWN

JAKIE SĄ NAJWIĘKSZE ZAGROŻENIA ŚRODOWISKA? 1. Wyczerpywanie się łatwo dostępnych źródeł energii. 2. Problemy demograficzne (przeludnienie). 3. Problemy z wyżywieniem ludzkości. 4. Zanieczyszczenie i skażenie powietrza, wody i ziemi.

PROBLEMY ENERGETYCZNE ŚWIATA • Obecnie ponad 85% produkowanej na świecie energii pochodzi ze spalania surowców kopalnianych. • Globalny światowy pobór mocy wynosi obecnie 13, 5 TW (TW = 1012 W). • Na rok 2050 szacujue się pobór mocy rzędu 28 – 35 TW. • Prognozuje się że do tego czasu nastąpi wzrost liczebności ludności Ziemi z obecnych 6, 5 do 9 mld. • W tym stuleciu będziemy już obserwowali wyczerpywanie się dostępnych zasobów surowcowych.

PROBLEMY ENERGETYCZNE ŚWIATA Pozyskiwanie energii ze spalania węgla i jego związków powoduje wzrost zawartości CO 2 i innych gazów odpowiedzialnych za efekt cieplarniany w atmosferze ziemskiej. Aby średnia temperatura na świecie nie wzrosła bardziej niż o 1 – 2 0 C do roku 2050, emisja gazów cieplarnianych powinna pozostać na obecnym poziomie. Wynika stąd że cały wzrost mocy (20 TW) powinien pochodzić ze źródeł niewęglowych, tj. źródeł odnawialnych i energetyki jądrowej. Gdy oszacuje się jednak wszystkie możliwe do wykorzystania rezerwy powyższych źródeł to i tak nie pokryją one wymaganego wzrostu zapotrzebowania na energię!!!

PROBLEMY ENERGETYCZNE ŚWIATA Trzeba szukać nowych rozwiązań. Wykorzystanie w tym celu energii termojądrowej napotyka na olbrzymie trudności techniczne. Do Ziemi dociera jednak codziennie energia słoneczna o mocy 170 000 TW, z czego ok. 600 TW można wykorzystać praktycznie. W celu uzyskania 20 TW mocy ze stosowanych obecnie ogniw fotowoltaicznych o sprawności 10% potrzeba byłoby pokryć nimi powierzchnię równą dwukrotnej powierzchni Polski. Jednakże koszt takich ogniw jest obecnie wysoki i energia uzyskiwana ze źródeł fotwoltaicznych jest znacznie droższa od energii z klasycznych elektrowni. W 2007 roku Parlament Europejski zobowiązał kraje członkowskie do zredukowania do roku 2020 o 20% zużycia energii, zmniejszenia o 20% emisji gazów cieplarnianych oraz zwiększenia o 20% udziału energii ze źródeł odnawialnych, J. Kapriuk, Wiedza i Życie 2/2007

KOLEKTORY SŁONECZNE

ENERGIA GEOTERMALNA Energia geotermalna to energia wydobytych na powierzchnię ziemi wód geotermalnych. Energię tę zalicza się do energii odnawialnej, bo jej źródło - gorące wnętrze kuli ziemskiej - jest praktycznie niewyczerpalne. Źródłem energii geotermalnej jest wnętrze Ziemi o temperaturze około 5400°C, skąd następuje przepływ ciepła w kierunku powierzchni. Początkowo, ciepło wewnętrzne Ziemi pochodziło z kontrakcji grawitacyjnej w okresie formowania się planety, a obecnie pochodzi głównie z rozpadu radioaktywnych izotopów: potasu(40 K), uranu(238 U) i toru(232 Th). W celu wydobycia wód geotermalnych na powierzchnię wykonuje się odwierty do głębokości zalegania tych wód. W pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża. Energię geotermiczną wykorzystuje się w układach centralnego ogrzewania jako podstawowe źródło energii cieplnej. Drugim zastosowaniem energii geotermicznej jest produkcja energii elektrycznej. Jest to opłacalne jedynie w przypadkach źródeł szczególnie gorących.

ENERGIA GEOTERMALNA Polska ma bardzo dobre warunki geotermalne, gdyż na 80% powierzchni kraju temperatura wód geotermalnych wynosi od 30 -130°C (a lokalnie nawet 200°C), a głębokość występowania w skałach osadowych od 1 do 10 km. Obecne możliwości praktycznego wykorzystania wód geotermalnych dotyczą 40% obszaru kraju (wydobycie jest opłacalne, gdy do głębokości 2 km temperatura osiąga 65°C, a zasolenie przekracza 30 g/l). Zastosowanie geotermii jest ograniczone do rejonów gęsto zaludnionych ze względu na ekonomikę procesu. Transport ciepła z ciepłowni geotermalnych jest opłacalny do kilku kilometrów co zmusza do możliwie efektywnego wykorzystania energii w miejscu jej pozyskania.

OGNIWA PALIWOWE Jednym z podstawowych źródeł emisji gazów cieplarnianych są samochody spalinowe. Idealnym rozwiązaniem byłyby więc auta elektryczne zasilane ogniwami paliwowymi. Baterie paliwowe, znane od XIX wieku, mają wysoką sprawność. W ogniwach takich produktem ubocznym wytwarzania energii elektrycznej jest jedynie czysta woda. Podstawowym problemem tych ogniw jest dostarczanie wodoru. Przechowywanie go w stanie ciekłym czy gazowym wiąże się z dużym ryzykiem. Dlatego od dawna poszukiwano metody bezpiecznego gromadzenia wodoru, który następnie można by spalać w "normalnym" silniku. Stąd np. niebywale ciekawe z punktu widzenia fizyki badania nad przechowywaniem wodoru w metalach, np. tytanie lub wanadzie. Niestety, metody te są nadal technicznie dopracowane.

OGNIWA PALIWOWE W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których łączy się baterie słoneczne produkujące wodór przez elektrolizę z ogniwem paliwowym. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd → wodór → prąd) jest rzędu od 30 do 40%. Podstawowym rodzajem ogniw paliwowych są ogniwa wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit polimerowy). Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji

OGNIWA PALIWOWE Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania z materiałem elektrody zachodzi jego dysocjacja, w wyniku czego powstają jony protonowe H+ oraz elektrony e. Elektrony przyciągane są przez anodę i pozostają w niej, a jony wodorowe dyfundują przez membranę w kierunku katody. Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych jonów szczególnie jonów tlenu wprowadzanych w obszar katody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń. Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O-2, jony wodorowe H+ są zobojętniane zjonizowanym tlenem. Końcowy produktu to H 2 O czyli woda w postaci pary lub ciekłej.

OGNIWA PALIWOWE

OGNIWA PALIWOWE

OGNIWA PALIWOWE

FIZYCZNE METODY USUWANIA ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA. • W wyniku spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych, oprócz gazów będących produktami zachodzących reakcji chemicznych, do atmosfery dostają się cząsteczki fazy skondensowanej (cieczy i ciał stałych). Tworzą one tzw. aerozole. Gdy substancją rozproszoną jest ciecz noszą one nazwę mgły, gdy zaś ciało stałe – dymów. Np. niebieskie zabarwienie dymu papierosowego jest właśnie efektem rozpraszania światła przez zawieszone w nim cząsteczki stałe.

FIZYCZNE METODY USUWANIA ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA • Cząsteczki o rozmiarach mniejszych od • 10. 10 -10 m wykonują tzw. ruchy Browna i utrzymują się długo w powietrzu, natomiast cząstki o rozmiarach większych od 10. 10 -10 m opadają pod wpływem siły ciężkości. Cząsteczki fazy rozproszonej zlepiają się z sobą, zwłaszcza gdy są one obdarzone ładunkami różnoimiennymi i wtedy szybciej opadają. Efekt ten może być znacznie przyśpieszony gdy poddamy dymy działaniu ultradźwięków, lub silnego niejednorodnego pola elektrycznego

KOAGULACJA AEROZOLI PRZY POMOCY ULTRADZWIĘKÓW Do dwu kolbek wpuszczamy równe ilości dymu papierosowego. Jedną kolbkę umieszczamy w płuczce ultradzwiękowej, a drugą kolbkę obok płuczki. Po szybkości zmiany zabarwienia dymu w obu kolbkach wnioskujemy o efektywności usuwania zanieczyszczeń z powietrza.

FILTRY ELEKTROSTATYCZNE Zasada działania filtrów elektrostatycznych opiera się na zjawisku przyciągania ziarenek pyłów i dymów przez jony. Zjawisko to demonstrujemy przy pomocy modelowego komina składającego się z metalowej rury i cienkiego drutu umieszczonego w środku rury. Gdy między rurę a drut przyłoży się wysokie napięcie, w powietrzu powstają jony wskutek jonizacji zderzeniowej. Jony przyciągają ku sobie ziarenka pyłów i dymów i podążają ku elektrodom, na których osiadają. Gdy przez komin unosi się dym, to po włączeniu silnego pola elektrycznego, dym zanika.

WYKRYWANIE ZANIECZYSZCZEŃ PRZY POMOCY ANALIZY SPEKTRALNEJ

WYKRYWANIE ZANIECZYSZCZEŃ PRZY POMOCY ANALIZY SPEKTRALNEJ

WYKRYWANIE ZANIECZYSZCZEŃ PRZY POMOCY ANALIZY SPEKTRALNEJ

ISTOTA ANALIZY SPEKTRALNEJ

ISTOTA ANALIZY SPEKTRALNEJ

LIDAR Obecnie możliwe jest zdalne określanie zanieczyszczeń atmosfery przy pomocy Lidaru. Lidar (Light Detection And Ranging) jest urządzeniem wykorzystującym zjawisko rozproszenia światła. Pozwala ono selektywnie wykrywać i wyznaczać rozkłady koncentracji zanieczyszczeń gazowych oraz lokalizować pyły i aerozole, wraz z określeniem rozmiarów tworzących je cząstek. Zastosowanie w Lidarze laserów przestrajalnych umożliwia zastosowanie go do wykrywania wybranych składników zanieczyszczenia powietrza przez dopasowanie energii fotonów (długości fali) do energii drgań oscylacyjnych i wibracyjnych odpowiednich molekuł. Korzystając z Lidaru można prowadzić np. "lotne" kontrole składu dymów kominowych bez potrzeby wchodzenia na teren zakładu.

LIDAR W Lidarze stosuje się dwie wiązki laserowe, różniące się nieznacznie długością fali. Pierwsza z nich (lon) dostrojona jest do silnej linii absorpcyjnej określonej substancji gazowej stanowiącej zanieczyszczenie, podczas gdy druga (loff) stanowi wiązkę odniesienia. Sygnały echa na obu długościach fali mierzone są równocześnie w funkcji odległości. Jeśli poszukiwany gaz znajduje się w obszarze penetrowanym przez wiązkę, pojawia się różnica natężeń obu sygnałów, ponieważ wiązka światła o długości fali lon} jest znacznie silniej absorbowana. Różnica ta zależy od stężenia gazu i pozwala na określenie rozkładu jego koncentracji w funkcji odległości.

LIDAR Lidar składa się z następujących elementów: 1. lasera impulsowego generującego krótkie i silne impulsy światła o wybranych długościach fali, 2. układu optycznego pozwalającego kierować światło lasera w wybranym kierunku, 3. teleskopu (Newtona) zbierającego światło laserowe rozproszone do tylu, 4. detektora promieniowania rejestrującego natężenie światła rozproszonego, 5. układu elektronicznego synchronizującego pomiary, 6. komputera sterującego całością.

LIDAR W lidarach stosowane są lasery impulsowe wytwarzające impulsy światła o czasie trwania około dziesięciu nanosekund ( nano = 10 -- 9 ). Z każdego miejsca wzdłuż drogi tego impulsu świetlnego część światła jest rozpraszana we wszystkie strony, a więc i do tyłu. Światło rozproszone do tylu zbierane jest za pomocą teleskopu, a jego natężenie mierzy się używając odpowiedniego detektora promieniowania (fotopowielacz lub fotodioda). Pomiar czasu jaki upłynął od chwili wysłania impulsu laserowego do chwili zarejestrowania impulsu światła rozproszonego do tyłu (sygnału) pozwala wyznaczyć położenie źródła rozpraszającego światło laserowe w przestrzeni. Natężenie zmierzonego sygnału jest proporcjonalne do koncentracji czynnika powodującego rozpraszanie. Schemat lidaru przedstawiony jest poniżej.

LIDAR Schemat blokowy lidaru zbudowanego w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego Parametry lidaru są następujące: zakres strojenia w ultrafiolecie 250 -420 nm, energia impulsów 1 -6 m. J, czułość układu - średnio 10 ppb, zasięg maksymalny 3 km, przestrzenna zdolność rozdzielcza około 10 m. Układ pozwala wykrywać SO 2, NO 2, O 3, benzen, toluen i aerozole oraz określać rozkłady ich koncentracji.

ŻYJEMY NA PLANECIE KTÓREJ GROZI PRZELUDNIENIE, DEGRADACJA ŚRODOWISKA NATURALNEGO, STAGNACJA EKONOMICZNA, NIERÓWNOŚCI ORAZ PODZIAŁY ETNICZNE I RELIGIJNE. W CELU SPROSTANIA CZEKAJĄCYM NAS WYZWANIOM MUSIMY ZACZĄĆ DZIAŁAĆ ROZTROPNIE I PRZEZORNIE W SKALI CAŁEGO ŚWIATA. FIZYKA WYZNACZA GRANICE OBECNYCH NASZYCH MOŻLIWOŚCI I WSKAZUJE PERSPEKTYWY PRZYSZŁYCH ROZWIĄZAŃ.

WSZYSCY MUSIMY BYĆ SPOLEGLIWYMI OPIEKUNAMI NASZEGO ŚRODOWISKA NATURALNEGO