ТЕРМІЧНЕ ЗАБРУДНЕННЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, НАСЛІДКИ, ПРИКЛАДИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Теплове забруднення відбувається , коли деякий фактор викликає небажане або шкідливий зміна температури навколишнього середовища. Навколишнє середовище, яке найбільше постраждало від цього забруднення, - це вода, однак воно також може впливати на повітря та ґрунт.

Середня температура навколишнього середовища може бути змінена як природними причинами, так і людськими діями (антропогенними). До природних причин відносяться невикликані лісові пожежі та виверження вулканів.

Температура поверхні Землі. Джерело: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SurfaceTemperature.jpg

Серед антропогенних причин - генерація електричної енергії, виробництво парникових газів та виробничі процеси. Так само сприяють охолодження та кондиціонування.

Найбільш актуальним явищем теплового забруднення є глобальне потепління, яке передбачає підвищення середньої планетарної температури. Це пов'язано з так званим парниковим ефектом та чистим внеском залишкового тепла людини.

Діяльність, яка створює найбільше теплове забруднення, - це виробництво електроенергії від спалювання викопного палива. Спалювання вугілля або нафтопродуктів розсіює тепло і виробляє СО2, основний парниковий газ.

Термічне забруднення викликає фізичні, хімічні та біологічні зміни, які негативно впливають на біорізноманіття. Найбільш релевантною властивістю високих температур є його каталітична сила і включає метаболічні реакції, що відбуваються в живих організмах.

Живі істоти потребують умов певної амплітуди зміни температури, щоб вижити. Саме тому будь-яка зміна цієї амплітуди може означати зменшення популяції, їх міграцію або їх вимирання.

З іншого боку, термічне забруднення безпосередньо впливає на здоров'я людини, викликаючи виснаження тепла, тепловий шок та обтяжуючі серцево-судинні захворювання. Крім того, глобальне потепління змушує тропічні захворювання розширювати свій географічний спектр дії.

Запобігання теплового забруднення вимагає зміни способів економічного розвитку та звичок сучасного суспільства. Це в свою чергу передбачає впровадження технологій, що зменшують тепловий вплив на навколишнє середовище.

Тут представлено кілька прикладів теплового забруднення, наприклад, атомна електростанція Санта-Марія-де-Гаронья (Бургос, Іспанія), яка працювала в період з 1970 по 2012 рік. Ця електростанція скидала гарячу воду зі своєї системи охолодження в річку Ебро, підвищуючи природну температуру до 10 ºC.

Ще один характерний випадок теплового забруднення забезпечується використанням приладів кондиціонування. Поширення цих систем для зниження температури збільшує температуру такого міста, як Мадрид, до 2 ° C.

Нарешті, позитивний випадок компанії з виробництва маргарину в Перу, яка використовує воду для охолодження системи, а отримана гаряча вода повертається в море. Таким чином, їм вдалося зекономити енергію, воду та зменшити внесок гарячої води в навколишнє середовище.

характеристики

- Теплові та теплові забруднення

Теплове забруднення отримують від перетворення інших енергій, оскільки вся енергія при розгортанні виробляє тепло. Це складається з прискорення руху частинок середовища.

Тому тепло - це передача енергії між двома системами, які перебувають при різних температурах.

Температура

Температура - це величина, яка вимірює кінетичну енергію системи, тобто середній рух її молекул. Згаданий рух може бути перекладом як у газі, так і вібраціями, як у твердому тілі.

Він вимірюється термометром, якого існують різні типи, найпоширенішим є дилатаційний та електронний.

Термометр розширення заснований на коефіцієнті розширення певних речовин. Ці речовини при нагріванні розтягуються і їх підйом відзначає градуйовану шкалу.

Електронний термометр базується на перетворенні теплової енергії в електричну, переведену в числовій шкалі.

Найбільш розповсюджена шкала, яка запропонована Андерсом Цельсієм (ºC, градуси Цельсія або градус Цельсія). У ній 0 ºC відповідає температурі замерзання води, а 100 ºC - температурі кипіння.

- Термодинаміка та термічне забруднення

Термодинаміка - галузь Фізики, яка вивчає взаємодію тепла з іншими формами енергії. Термодинаміка розглядає чотири основні принципи:

- Два об'єкти з різною температурою будуть обмінюватися теплом, поки не досягнуть рівноваги.

- Енергія ні створюється, ні руйнується, вона лише трансформується.

- Одна форма енергії не може бути повністю перетворена в іншу без втрати тепла. А тепловий потік буде від найгарячішого середовища до найменш гарячого, ніколи навпаки.

- Неможливо досягти температури, рівної абсолютного нуля.

Ці принципи, застосовані до теплового забруднення, визначають, що кожен фізичний процес генерує теплопередачу та виробляє теплове забруднення. Крім того, це може бути вироблено за рахунок підвищення або зниження температури середовища.

Вважається, що підвищення чи зниження температури забруднює, коли воно виходить за межі життєвих параметрів.

- Життєва температура

Температура є одним із основних аспектів виникнення життя, як ми його знаємо. Діапазон зміни температур, що дозволяє більшість активних термінів життя, коливається від -18ºC до 50ºC.

Живі організми можуть існувати в латентному стані при температурі -200 ºC і 110 ºC, однак вони рідкісні.

Термофільні бактерії

Деякі так звані термофільні бактерії можуть існувати при температурі до 100ºС, поки є рідка вода. Цей стан виникає при великому тиску на морське дно в районах гідротермальних отворів.

Це говорить нам про те, що визначення теплового забруднення в середовищі є відносним і залежить від природних особливостей середовища. Так само це пов'язано з потребами організмів, які населяють дану територію.

Людина

У людини нормальна температура тіла становить від 36,5ºC до 37,2ºC, а гомеостатична здатність (для компенсації зовнішніх коливань) обмежена. Температури нижче 0 ° C протягом тривалого періоду та без будь-якого штучного захисту спричиняють смерть.

Крім того, температуру вище 50 ° C на постійній основі дуже важко компенсувати в довгостроковій перспективі.

- Термічне забруднення та навколишнє середовище

У воді термічне забруднення має більш безпосередній вплив, оскільки тут тепло розсіюється повільніше. У повітрі та на землі теплове забруднення має менш сильні наслідки, оскільки тепло розсіюється швидше.

З іншого боку, на невеликих територіях потенціал навколишнього середовища для розсіювання великої кількості тепла дуже обмежений.

Каталітична дія тепла

Тепло надає каталітичну дію на хімічні реакції, тобто прискорює ці реакції. Цей ефект є головним фактором, завдяки якому теплове забруднення може мати негативні наслідки для навколишнього середовища.

Таким чином, кілька градусів різниці температур можуть викликати реакції, які б інакше не відбувалися.

Причини

- Глобальне потепління

За всю геологічну історію Земля пройшла цикли високих і низьких середніх температур. У цих випадках джерела підвищення температури планети мали природний характер, такі як сонце та геотермальна енергія.

В даний час процес глобального потепління пов'язаний з діяльністю, яку здійснюють люди. У цьому випадку головна проблема полягає у зменшенні швидкості дисипації теплоти, спрямованої у бік стратосфери.

Це відбувається головним чином за рахунок викиду парникових газів людською діяльністю. До них належать промисловість, рух автомобілів та спалювання викопного палива.

Глобальне потепління представляє сьогодні найбільший і найнебезпечніший процес теплового забруднення, який існує. Крім того, тепловиділення від глобального використання викопних палив додає додаткове тепло в систему.

- Термоелектричні установки

Термоелектрична установка - це промисловий комплекс, призначений для виробництва електроенергії з палива. Зазначене паливо може бути викопним (вугілля, нафта або похідні) або радіоактивним матеріалом (наприклад, уран).

Ендеса як Понтес ТЕС (Іспанія). Джерело: Зображення надає ☣Banjo

Ця система вимагає охолодження турбін або реакторів і для цього використовується вода. У послідовності охолодження великий об'єм води відбирається із зручного, холодного джерела (річки чи моря).

Згодом насоси примушують його через трубки, які оточені гарячою вихлопною парою. Тепло переходить від пари до води, що охолоджує, а нагріта вода повертається до джерела, доставляючи зайве тепло у природне середовище.

- Лісові пожежі

Лісові пожежі - це поширене явище сьогодні, оскільки воно в багатьох випадках спричиняється безпосередньо чи опосередковано людьми. Спалювання великих лісових масивів передає величезну кількість тепла головним чином повітрям і землі.

- Кондиціонери та холодильні системи

Прилади кондиціонування повітря не тільки змінюють температуру в приміщенні, але і викликають дисбаланс у зовнішній зоні. Наприклад, кондиціонери розсіюють назовні на 30% більше, ніж тепла, яке вони виділяють зсередини.

За даними Міжнародного енергетичного агентства, у світі існує близько 1600 мільйонів кондиціонерів. Так само холодильники, холодильники, підвали та будь-яке обладнання, призначене для зниження температури у закритому приміщенні, створюють теплове забруднення.

- Промислові процеси

Насправді всі процеси перетворення промисловості передбачають передачу тепла в навколишнє середовище. Деякі галузі роблять це з особливо високими темпами, такі як зрідження газу, металургія та виробництво скла.

Зріджені гази

Галузі регалізації та скраплення різних промислових та медичних газів потребують холодильних процесів. Ці процеси ендотермічні, тобто вони поглинають тепло, охолоджуючи навколишнє середовище.

Для цього використовується вода, яка повертається в навколишнє середовище при більш низькій температурі, ніж початкова.

Металургійний

Доменні плавильні печі виділяють тепло в навколишнє середовище, оскільки вони досягають температури вище 1500 ºC. З іншого боку, в процесах охолодження матеріалів використовується вода, яка знову потрапляє в навколишнє середовище при більш високій температурі.

Виробництво скла

У процесі плавлення та лиття матеріалу досягається температура до 1600 ºC. У цьому сенсі теплове забруднення, що створюється цією галуззю, є значним, особливо в робочих умовах.

- Системи освітлення

Лампи розжарювання або точкові світильники та люмінесцентні лампи розсіюють енергію у вигляді тепла до навколишнього середовища. Через високу концентрацію джерел освітлення в міських районах це стає джерелом значного теплового забруднення.

- Двигуни внутрішнього згоряння

Двигуни внутрішнього згоряння, як і у автомобілів, можуть генерувати близько 2500 ° C. Це тепло розсіюється в навколишнє середовище через систему охолодження, зокрема через радіатор.

Враховуючи те, що сотні тисяч транспортних засобів щодня циркулює в місті, можна зробити висновок про кількість переданого тепла.

- Міські центри

На практиці місто є джерелом теплового забруднення через наявність у ньому багатьох факторів, про які вже говорилося. Однак місто - це система, тепловий ефект якої формує острів тепла в межах його оточення.

Острівці тепла в Іспанії. Джерело: Galjundi7

Ефект Альбедо

Альбедо відноситься до здатності об'єкта відображати сонячне випромінювання. Крім споживання калорій, яке може скласти кожен присутній елемент (автомобілі, будинки, галузі), міська структура виявляє значну синергію.

Наприклад, матеріали у міських центрах (переважно бетон та асфальт) мають низьке альбедо. Це змушує їх нагріватися, що разом із теплом, що виділяється активністю в місті, збільшує теплове забруднення.

Чистий внесок міського тепла

Різні дослідження показали, що вироблення тепла від людської діяльності протягом спекотного дня у місті може бути дуже високим.

Наприклад, у Токіо чистий вхід тепла 140 Вт / м2, що еквівалентно підвищенню температури приблизно на 3 ° C. У Стокгольмі чистий внесок оцінюється в 70 Вт / м2, що еквівалентно підвищенню температури на 1,5 ° С.

Наслідки

- Зміни фізичних властивостей води

Підвищення температури води внаслідок теплового забруднення викликає в ній фізичні зміни. Наприклад, він знижує розчинений кисень і збільшує концентрацію солей, впливаючи на водні екосистеми.

У водоймах, що зазнають сезонних змін (зимові заморозки), додавання гарячої води змінює природну швидкість замерзання. Це в свою чергу впливає на живі істоти, які адаптувались до цієї сезонності.

- Вплив на біорізноманіття

Водне життя

У системах охолодження термоелектричних установок вплив високих температур спричиняє фізіологічний шок для певних організмів. При цьому уражаються фітопланктон, зоопланктон, яйця та личинки планктону, риб та безхребетних.

Багато водних організмів, особливо риба, дуже чутливі до температури води. У того ж виду ідеальний діапазон температур змінюється залежно від температури акліматизації кожної конкретної популяції.

Через це перепади температур викликають зникнення або міграцію цілих популяцій. Таким чином, стічна вода з термоелектричної установки може підвищити температуру на 7,5-11 ºC (прісна вода) і 12-16 ºC (солона вода).

Цей тепловий шок може призвести до швидкої смерті або викликати побічні ефекти, які впливають на виживання популяції. Серед інших ефектів нагрівання води зменшує розчинений у воді кисень, викликаючи гіпоксичні проблеми.

Евтрофікація

Це явище серйозно впливає на водні екосистеми, навіть спричиняючи зникнення в них життя. Починається з розповсюдження водоростей, бактерій та водних рослин, продукту штучного внеску поживних речовин у воду.

У міру збільшення популяцій цих організмів вони споживають розчинений кисень у воді, спричиняючи загибель риб та інших видів. Підвищення температури води сприяє евтрофікації за рахунок зменшення розчиненого кисню та концентрації солей, сприяючи зростанню водоростей та бактерій.

Земне життя

Що стосується повітря, зміни температури впливають на фізіологічні процеси та поведінку видів. Багато комах знижують свою родючість при температурі вище певних рівнів.

Так само рослини чутливі до температури свого цвітіння. Глобальне потепління змушує деякі види розширювати свій географічний ареал, а інші вважають це обмеженим.

- Здоров’я людини

Сонячний удар

Незвично високі температури впливають на здоров'я людини, і може статися так званий тепловий шок або тепловий удар. Це складається з гострої дегідратації, яка може викликати параліч різних життєво важливих органів і навіть призвести до смерті.

Теплові хвилі можуть спричинити сотні і навіть тисячі людей, як у Чикаго (США), де в 1995 році загинуло приблизно 700 людей. Тим часом теплові хвилі в Європі між 2003 та 2010 роками спричинили загибель тисяч людей.

Серцево-судинні захворювання

З іншого боку, високі температури негативно впливають на здоров'я людей із серцево-судинними захворюваннями. Ця ситуація особливо серйозна у випадках гіпертонії.

Раптові зміни температури

Раптові перепади температури можуть послабити імунну систему і зробити організм більш сприйнятливим до респіраторних захворювань.

Гігієна та робоче середовище

Термічне забруднення - фактор здоров'я в деяких галузях промисловості, наприклад, металургія та скло. Тут працівники піддаються променистому тепла, що може спричинити серйозні проблеми зі здоров’ям.

Хоча заходи безпеки, очевидно, вживаються, термічне забруднення є суттєвим. Умови включають виснаження тепла, тепловий шок, надзвичайні випромінювані опіки тепла та проблеми народжуваності.

Тропічні захворювання

Підвищення глобальної температури призводить до того, що хвороби, обмежені до певних тропічних районів, розширюють радіус дії.

У квітні 2019 року в Амстердамі відбувся 29-й Європейський конгрес клінічної мікробіології та інфекційних хвороб. У цьому випадку було зазначено, що такі хвороби, як чікунгуня, денга або лейшманіоз можуть поширюватися на Європу.

Аналогічним чином може вражатися кліщовий енцефаліт на одне і те ж явище.

Як запобігти

Метою є зменшення чистого внеску тепла в навколишнє середовище та запобігання потраплянню тепла в атмосферу.

- Використання більш ефективних джерел енергії та технологій для виробництва електроенергії

Джерела енергії

Термоелектричні установки викликають найбільший внесок теплового забруднення в частині чистого теплопередачі в атмосферу. У цьому сенсі для зменшення теплового забруднення важливо замінити викопне паливо чистою енергією.

Процеси виробництва сонячної, вітрової (вітрової) та гідроелектричної (водної) енергії дають дуже низькі залишкові витрати тепла. Те саме відбувається з іншими альтернативами, такими як енергія хвилі (хвилі) та геотермальна (тепло від землі),

Технології

Термоелектричні установки та галузі, процеси яких потребують систем охолодження, можуть використовувати системи із закритим контуром. Механічні системи дифузії тепла також можуть бути вбудовані для зменшення температури води.

- Когенерація

Когенерація складається з одночасного виробництва електричної енергії та корисної теплової енергії, наприклад пари або гарячої води. Для цього були розроблені технології, які дозволяють відновлювати та скористатися відпрацьованим теплом, що утворюється в промислових процесах.

Наприклад, проект INDUS3ES, що фінансується Європейською Комісією, розробляє систему, засновану на «тепловому трансформаторі». Ця система здатна поглинати низькотемпературне залишкове тепло (від 70 до 110 ° C) і повертати його до більш високої температури (120-150 ºC).

Інші розміри виробництва електроенергії

Більш складні системи можуть включати інші виміри виробництва або перетворення енергії.

Серед них у нас є тригенерація, яка складається з включення процесів охолодження на додаток до виробництва електроенергії та тепла. Крім того, якщо додатково генерується механічна енергія, ми говоримо про тетрагенерацію.

Деякі системи - це пастки СО2, окрім виробництва електроенергії, теплової та механічної енергії, в цьому випадку ми говоримо про чотири покоління. Усі ці системи також сприяють зменшенню викидів CO2.

- Скорочення викидів парникових газів

Оскільки глобальне потепління - явище теплового забруднення, що має найбільший вплив на планету, його пом’якшення є необхідним. Для цього головне - зменшити викиди парникових газів, включаючи СО2.

Скорочення викидів вимагає зміни структури економічного розвитку, заміщення викопних джерел енергії на чисту енергію. Насправді це зменшує викид парникових газів та виробництво відпрацьованого тепла.

- період охолодження водяного охолодження

Альтернативою, яка використовується деякими термоелектричними установками, є будівництво ставків для охолодження. Його функція - відпочивати та охолоджувати води, отримані з системи охолодження, перед поверненням їх до природного джерела.

Приклади теплового забруднення

Брейтонська теплова електростанція (США). Джерело: Wikimaster97commons

Атомна електростанція Санта-Марія-де-Гаронья

Атомні електростанції виробляють електричну енергію від розкладання радіоактивного матеріалу. Це виробляє багато тепла, вимагаючи системи охолодження.

Атомна електростанція Санта-Марія-де-Гаронья (Іспанія) була електростанцією для виробництва електроенергії типу BWR (кипляча вода), яка була відкрита в 1970 році. Її система охолодження використовувала 24 кубічних метра води в секунду від річки Ебро.

Згідно з оригінальним проектом, стічні води, що повертаються в річку, не перевищуватимуть 3 ° C щодо температури річки. У 2011 році звіт Greenpeace, підтверджений незалежною екологічною компанією, виявив набагато більші підвищення температури.

Вода в районі розливу досягала 24ºC (6,6 - 7ºC природної річкової води). Тоді, за чотири кілометри нижче за течією від місця розливу, вона перевищила 21 ºC. Завод припинив свою діяльність 16 грудня 2012 року.

Кондиціонери в Мадриді (Іспанія)

У містах з’являється все більше систем кондиціонування для зниження температури навколишнього середовища в жарку пору року. Ці пристрої працюють, витягуючи гаряче повітря зсередини і розпорошуючи його назовні.

Вони, як правило, не високоефективні, тому розсіюють навіть більше тепла назовні, ніж витягують зсередини. Тому ці системи є важливим джерелом теплового забруднення.

У Мадриді набір приладів кондиціонування повітря, присутні в місті, підвищує температуру навколишнього середовища до 1,5 або 2 ° C.

Позитивний приклад: завод з виробництва маргарину в Перу

Маргарин - це замінник вершкового масла, отриманого гідрогенізацією рослинних олій. Гідрогенізація вимагає насичення рослинної олії воднем при високих температурах і тиску.

Цей процес вимагає системи охолодження на водній основі для уловлювання відпрацьованого тепла. Вода поглинає тепло і підвищує свою температуру, після чого повертається в навколишнє середовище.

У перуанській компанії з виробництва маргарину потік гарячої води (35ºC) спричинив теплове забруднення в морі. Для протидії цьому ефекту компанія впровадила систему когенерації на основі замкнутого контуру охолодження.

За допомогою цієї системи можна було повторно використовувати гарячу воду для попереднього нагрівання води, що надходить у котел. Таким чином заощаджували воду та енергію та зменшували приплив гарячої води до моря.

Список літератури

1. Burkart K, Schneider A, Breitner S, Khan MH, Krämer A та Endlicher W (2011). Вплив атмосферних теплових умов та міського теплового забруднення на загальну причину та серцево-судинну смертність в Бангладеш. Забруднення навколишнього середовища 159: 2035–2043.
2. Coutant CC and Brook AJ (1970). Біологічні аспекти термічного забруднення I. Вплив на канали і зливні канали ∗. Критичні огляди CRC в екологічному контролі 1: 341–381.
3. Девідсон Б і Бредшоу RW (1967). Теплове забруднення водних систем. Наука та технології навколишнього середовища 1: 618–630.
4. Дінгман SL, Weeks WF та Yen YC (1968). Вплив теплового забруднення на річковий лід. Дослідження водних ресурсів 4: 349–362.
5. Галіндо RJG (1988). Забруднення в прибережних екосистемах, екологічний підхід. Автономний університет Сіналоа, Мексика. 58 стор.
6. Проект Indus3Es. (Відкрито 12 серпня 2019 року). indus3es.eu
7. Nordell B (2003). Теплове забруднення викликає глобальне потепління. Глобальні та планетарні зміни 38: 305–12.