Znaczenie wody oraz powietrza w zyciu człowieka i innych organizmów żywych

Znaczenie wody

Woda jest potrzebna wszystkim żywym organizmom. Bez wody nie byłoby życia. Dla niektórych zwierząt jest środowiskiem życia. Woda jest podstawowym składnikiem każdej żywej komórki. Jest potrzebna we wszystkich procesach przemiany materii. Ciało człowieka zawiera od 58% do 65% wody, ryby około 80%, rośliny lądowe zawierają od 50% do 75% a rośliny wodne nawet do 98%. W ciągu doby dorosły, zdrowy człowiek powinien spożyć 2,5 litra wody. Przyjmujemy wodę w pokarmach i napojach, a wydalamy w postaci moczu i potu, część zaś zużywana jest w procesach przemiany materii. Zbyt mała ilość spożycia wody powoduje odwodnienie organizmu oraz zaburzenie procesów życiowych: trawienia, oddychania, krążenia krwi i wydalania. W końcu może spowodować śmierć.

Zanieczyszczenia wód

Czystość wody jest niewątpliwie problemem w skali światowej. W krajach rozwiniętych nie wchodzi już w rachubę nie tylko picie wody bezpośrednio z rzek, ale i jakość wody z kranu często budzi wątpliwości. Skażenie rzek i wód gruntowych, z których człowiek czerpie wodę pitną stale rośnie. Woda ta, do której zresztą spływają ścieki, jest oczywiście oczyszczana, ale najbardziej zaawansowane technologie nie zdołają wyeliminować wszystkich zanieczyszczeń. W dodatku ścieki pochodzące z przemysłu, rolnictwa i gospodarstw domowych coraz bardziej pogarszają stan wód. Ren, najważniejsza rzeka Europy, zbiornik wody pitnej dla 20 milionów osób, jest równocześnie jedną z najbardziej zanieczyszczonych rzek na świecie: rocznie wprowadza się do niej około 10 tys. ton najróżniejszych substancji chemicznych. Różne gałęzie przemysłu, szczególnie chemiczny, hutniczy i metalurgiczny powodują przedostawanie się do wody wielu produktów toksycznych: metali ciężkich, arsenu, cyjanków, a przecież kadm jest toksyczny dla nerek. Na "zwykłe" skażenie wód powierzchniowych nakładają się regularnie skutki wypadków, np. pożary fabryk chemicznych. Wodę zatruwają także niektóre praktyki stosowane w rolnictwie. Nawozy sztuczne i pestycydy, jak również gnojowica z chlewni, wprowadzają do niej azotany. Azotany same w sobie nie są szkodliwe, ale przekształcone w azotyny mogą być bardzo niebezpieczne wywołując np. sinice, na którą narażone są przede wszystkim niemowlaki. Podobnie jak fosforany z proszków do prania tak i azotany powodują też zjawisko eutrofizacji, to znaczy gwałtowny rozwój alg i roślin wodnych, zapychających urządzenia zasilające w wodę i nadających jej przykry smak. Zarówno wody powierzchniowe jak i podziemne są już zanieczyszczone, należy, więc zaprzestać wrzucania do nich toksycznych odpadów i poprawić metody uzdatniania. Francja, usuwająca tylko 1/3 zanieczyszczeń pochodzących z gospodarstw domowych, pozostaje w tej dziedzinie znacznie spóźniona w porównaniu z Wielką Brytanią, Szwecją, Niemcami czy Stanami Zjednoczonymi. Oczyszczanie nie zawsze jednak jest skuteczne: wiele stacji uzdatniania wody jest już przestarzałych, a koszty procesu będą przypuszczalnie rosły wraz z koniecznością usuwania fosforanów i azotanów. Samo uzdatnianie nie powinno być szkodliwe. W rzeczywistości, aby usunąć bakterię posługujemy się środkami chemicznymi, np. ozonem (w stacjach najbardziej nowoczesnych) lub chlorem używanym od 1893 roku, który jednak w reakcji z substancjami humusowymi przekształca się w wodzie w pochodne znane z własności rakotwórczych. W krajach ubogich na problem zanieczyszczenia wody nakładają się trudności dostępu do niej: jedynie 1/4 ludności planety korzysta z wody bieżącej. Jeżeli półtora miliarda osób nie ma dziś wody pitnej, to aż 1.8 miliardów ludzi, w tym 330 milionów w krajach OECD, nie ma nawet instalacji sanitarnych. Aby zapewnić wodę pitną ludności miejskiej w trzecim świecie w roku 2005, potrzeba środków finansowych przekraczających absolutnie możliwości tych krajów. Trudno się, zatem dziwić, że choroby związane ze złą jakością wody znajdują się tam na czołowych miejscach listy przyczyn śmiertelności.

Krążenie wody w przyrodzie

Woda w przyrodzie znajduje się w ciągłym ruchu, zmieniając stan skupienia i krążąc między atmosferą, powierzchnią ziemi i litosferą. Krążenie wody wywołane jest głównie przez dwa czynniki: energię parowania słonecznego i siłę ciężkości. Energia słoneczna powoduje parowanie z wolnej powierzchni wody: z oceanów, mórz, jezior i rzek, a także wód występujących w roślinach, zwierzętach, glebie i gruncie. Woda w postaci pary wodnej przenika do atmosfery, gdzie wędruje wraz z prądami powietrza - niekiedy na bardzo duże odległości. Faza atmosferyczna w cyklu krążenia kończy się opadem. Opad dostający się na powierzchnię lądu rozpoczyna fazę kontynentalną, która obejmuje spływ powierzchniowy, ewentualnie infiltrację wody i odpływ podziemny. Proces zatrzymania, czy też zwolnienia krążenia wody w jej naturalnym obiegu nazywamy retencją. Obserwujemy retencję powierzchniową, np. śniegową, lodową, lodowcową, rzeczną i jeziorną oraz retencję podziemną: glebowa, gruntowa, wód wgłębnych i głębinowych. Bardzo ważnym procesem zachodzącym w cyklu obiegu przyrodniczego wody jest infiltracja - polega ona na wnikaniu, wsiąkaniu wody opadowej bądź powierzchniowej w litosferę, globalnie infiltracji na lądach podlega ok. 20% opadu, 17,4% spływu powierzchniowego i aż 62,6% spływu powierzchniowego. Dla Polski procent infiltrujących wód opadowych osiąga średnio ok.18,2%, wobec 19,3% infiltracji opadów w europie zachodniej i środkowej, w strefach eksploatacji węgla infiltracja sięga ok. 505, np. Górny Śląsk.

Powietrze

Oprócz wody każdemu żywemu organizmowi potrzebne jest również powietrze. Powietrze to powłoka gazowa, bezbarwna i bezwonna mieszanina gazów zwana atmosferą, składająca się z azotu - 78%, tlenu - ok. 21%, gazów szlachetnych, dwutlenku węgla - 0,03% oraz pary wodnej i zanieczyszczeń pochodzenia organicznego i mineralnego. Stanowi ona warstwę grubości od 8 km do 18 km, zawsze w ruchu, warstwę otaczającą naszą planetę. Jego istnienie wyczuć można, gdy oddychamy lub, gdy wieje wiatr. Ciągłe wirowanie i przemieszczanie się powietrza powoduje zmiany pogody. Powietrze bardzo rzadko bywa całkowicie suche, ponieważ zawiera parę wodną. Bez niej nie było by chmur, życia na Ziemi a także deszczu.

Zanieczyszczenia powietrza

Zanieczyszczenia powietrza są głównymi przyczynami globalnych zagrożeń środowiska. Najczęściej i najbardziej zanieczyszczają atmosferę: dwutlenek siarki, tlenki azotu oraz pyły. Powietrze zanieczyszczają, wszystkie substancje gazowe, stale lub ciekłe, znajdujące się w powietrzu w ilościach większych niż ich średnia zawartość. Ogólnie zanieczyszczenia powietrza dzieli się na pyłowe i gazowe. Światowa Organizacja Zdrowia definiuje powietrze zanieczyszczone jako takie, którego skład chemiczny może ujemnie wpłynąć na zdrowie człowieka, roślin i zwierząt, a także na inne elementy środowiska (wody, gleby). Zanieczyszczenia powietrza są najbardziej niebezpieczne ze wszystkich zanieczyszczeń, gdyż są najbardziej mobilne i mogą skazić na dużych obszarach praktycznie wszystkie elementy środowiska. Głównymi źródłami zanieczyszczeń są: uprzemysłowienie i wzrost liczby ludności przemysł energetyczny i motoryzacja pogorszyły znacznie jakość powietrza. Rosnące zapotrzebowanie na energie uczyniło ze spalania główne źródło zanieczyszczeń atmosferycznych pochodzenia antropogenicznego. Najważniejsze z nich to: dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NO), tlenek węgla (CO), ozon (O3) troposferyczny, ołów (Pb) i pyły. Antropogennymi źródłami zanieczyszczeń powietrza są m.in.: chemiczna konwersja paliw, wydobycie i transport surowców, przemysł chemiczny, rafineryjny i metalurgiczny, cementownie, składowiska surowców i odpadów, motoryzacja. Naturalne źródła zanieczyszczeń powietrza to: wybuchy wulkanów, erozja wietrzna skal, pyl kosmiczny, niektóre procesy biologiczne, pożary lasów i stepów. Zanieczyszczenia powietrza są wchłaniane przez ludzi głównie w trakcie oddychania. Przyczyniają się do powstawania schorzeń układu oddechowego, a także zaburzeń reprodukcji i alergii. W środowisku kulturowym człowieka zanieczyszczenia powietrza powodują korozje metali i materiałów budowlanych. Działają niekorzystnie również na świat roślinny, zaburzając procesy fotosyntezy, transpiracji i oddychania.

Wyróżnia się trzy główne źródła emisji zanieczyszczeń do atmosfery:
1. Punktowe - są to głównie duże zakłady przemysłowe emitujące pyły, dwutlenku siarki, tlenku azotu, tlenku węgla, metale ciężkie.

2. Powierzchniowe (rozproszone) - są to paleniska domowe, lokalne kotłownie, niewielkie zakłady przemysłowe emitujące głównie pyły, dwutlenek siarki.

3. Liniowe - są to głównie zanieczyszczenia komunikacyjne odpowiedzialne za emisje tlenków azotu, tlenków węgla, metali ciężkich (głównie ołów).

Wyróżnia się 4 główne skutki zanieczyszczeń powietrza:

Kwaśny deszcz
"Kwaśne deszcze" to opady atmosferyczne, który w kroplach zawiera kw. siarkowy, powstały w atmosferze zanieczyszczonej tlenkami siarki ze spalania zasiarczonego węgla. Przyczyniają się do zwiększenia śmiertelności niemowląt i osłabienia płuc, powoduje zakwaszania rzek i jezior, niszczenie flory i fauny, degradacje gleby, niszczenie zabytków i architektury.

Smog
Zanieczyszczone powietrze zawierające duże stężenia pyłów i toksycznych gazów, których źródłem jest głównie motoryzacja i przemysł. Rozróżnia się dwa rodzaje smogu:

1) Smog typu Los Angeles, może wystąpić od lipca do października przy temperaturze 2435C, powoduje graniczenie widoczności do 0,8 1,6 km (powietrze ma brązowawe zabarwienie). Głównymi zanieczyszczeniami są: tlenek węgla, tlenki azotu, węglowodory aromatyczne, ozon, pyły przemysłowe. Dla wytworzenia się smogu tego typu konieczne jest silne nasłonecznienie powietrza, natomiast ani dym, ani mgła nie maja większego znaczenia.

2) Smog typu Londyńskiego, może wystąpić w zimie przy temperaturze -35C, powoduje ograniczenie widoczności nawet do kilkudziesięciu m. Głównymi zanieczyszczeniami powietrza są: dwutlenek siarki, dwutlenek węgla, pyły. Smog powoduje duszność, łzawienie, zaburzenie pracy układu krążenia, podrażnienie skóry. Wywiera również silne działanie korozyjne na środowisko.

Dziura ozonowa

Spadek zawartości ozonu (O3) na wysokości 15-20 km głównie w obszarze bieguna południowego, obserwowany od końca lat 80. Tempo spadku wynosi ok. 3% na rok. Największe znaczenie maja w tym procesie związki chlorofluoroweglowe (freony), z których uwolniony chlor (pod wpływem promieniowania ultrafioletowego) atakuje cząsteczki ozonu, prowadząc do wyzwolenia tlenu (O2) oraz tlenku chloru (C1O). Tempo globalnego spadku ozonu stratosferycznego pod wpływem działalności człowieka (z wyjątkiem Antarktydy), oszacowane na podstawie badań satelitarnych, wynosi 0,4-0,8% na rok w północnych, umiarkowanych szerokościach geograficznych i mniej niż 0,2% w tropikach. Powłoka ozonowa jest naturalnym filtrem chroniącym organizmy żywe przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym. W celu jej ochrony z inicjatywy UNEP (Program Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych) przedstawiciele 31 państw podpisali w 1987 Protokół Montrealski - umowę zakładająca 50-procentowy spadek produkcji freonów do roku 2000, w stosunku do 1986. Od 1990 obserwowane jest zmniejszenie tempa wzrostu freonów w atmosferze - z 5% rocznie do mniej niż 3%. W 1995 Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano za badania nad wpływem freonów na ozon atmosferyczny (M. Molina, F.S. Rowland) oraz badania nad powstawaniem i reakcjami ozonu atmosferycznego (P. Crutzen - chemik holenderski).

Freony

Pochodne chlorowcowe węglowodorów nasyconych, zawierające w cząsteczce jednocześnie atomy fluoru i chloru, niekiedy także bromu, np. dichlorodifluorometan CCl2F2 (F-12), dichlorotetrafluoroetan C2C2F4 (F-114). Niższe freony maja duża prężność pary w niskich temperaturach i duże ciepło parowania, są bezwonne lub maja zapach eteru, pozbawione barwy, nietrujące i niepalne, nie powodują korozji metali, są łatwe do skroplenia, odznaczają się małym napięciem powierzchniowym i lepkością. Niższe freony można otrzymać w reakcji tetrachlorometanu z fluorowodorem. Wyższe freony wykorzystywane są jako smary i oleje izolacyjne. Gazowe freony były szeroko stosowane w urządzeniach chłodniczych oraz jako propelenty w rozpylaczach kosmetycznych i gaśnicach. Obecnie są wycofywane ze względu na niszczące działanie wywierane przez nie na warstwę ozonowa (dziura ozonowa) w stratosferze, gdzie pod wpływem promieniowania UV o długościach fal w zakresie 190-220 nm. freony ulegają fotolizie, prowadzącej do uwolnienia atomów chloru, które reagują dalej. Stężenie freonów w dolnej stratosferze dochodzi do 5 ppb i ma tendencje wzrostowa.

Zanieczyszczenia w Polsce

Stan powietrza atmosferycznego jest uwarunkowany przez emisje zanieczyszczeń do atmosfery z terytorium Polski, transport trans graniczny oraz warunki meteorologiczne. Polska zajmuje III miejsce na świecie w zanieczyszczeniu powietrza. Nadmierne zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego występuje na ponad 20% powierzchni Polski.

Czynnikami powodującymi taki stan są:
- energetyka oparta na węglu kamiennym i brunatnym
- rozwinięty, ale niedoinwestowany ekonomicznie przemysł surowcowy
- niedobór instalacji oczyszczających gazy odlotowe
- dynamicznie rozwijający się transport samochodowy (pojazdy i drogi)
- opóźnienie w rozwoju prawa ekonomicznego i jego egzekucji

Stan czystości powietrza na Górnym Śląsku zależy od emisji zanieczyszczeń z krajowych źródeł przemysłowych oraz ich napływu z Czech i Niemiec. Z terytorium Polski zanieczyszczenia transportowane są nad terytorium wschodnich i północnych sąsiadów. Polska należy do krajów wymieniających zanieczyszczenia tzn. ze wielkość „eksportu” zanieczyszczeń jest zbliżona do wielkości „importu”. Szacuje się, ze w Polsce ogólna emisja zanieczyszczeń gazowych wyniosła w 1994 r., co najmniej 10 milionów ton, w tym dwutlenku siarki (SO2) - 2.6 milionów ton (1989- 3,9 miliona ton, 1991- 3,0 miliony ton), tlenków azotu - 1,1 miliona ton (1989-1,5 miliona ton, 1991-1,2 miliona ton), tlenku węgla (CO) - 4,4 miliona ton, lotnych substancji organicznych - 1,7 miliona ton, amoniaku (NH3) - 384 tys. ton, dwusiarczku węgla (CS2) -20 tys. ton, siarkowodoru (H2S) - 9 tys. ton i związków fluoru - 4 tys. ton, dodatkowo emisja dwutlenku węgla (CO2) jest szacowana na ok. 400 milionów ton. Emisja pyłów 1989-94 zmniejszyła się z 2,4 miliona ton do 1,4 miliona ton rocznie.

Przestrzenny rozkład emisji zanieczyszczeń jest bardzo nierównomierny - największy poziom osiąga ona na obszarach dużych aglomeracji miejskich oraz głównych okręgach przemysłowych. Zdecydowanie najgorsza sytuacja występuje w województwie śląskim, gdzie na obszarze stanowiącym zaledwie 2,1% powierzchni Polski koncertuje się aż 20-25% krajowej emisji dwutlenku siarki (SO2), tlenków azotu i pyłów. Od wielu lat są tu przekraczane wartości dopuszczalnych stężeń wszystkich ważniejszych zanieczyszczeń atmosfery, w tym metali ciężkich, tlenku węgla i węglowodorów. Na obszarach zurbanizowanych, zwłaszcza przy ruchliwych ulicach miejskich występuje podwyższone w stosunku do poziomu dopuszczalnego zapylenie oraz stężenie szkodliwych gazów. Kraków jest trzecim, co do wielkości miastem w Polsce, zamieszkanym przez 745 tys. ludzi. Aglomeracja ta została doprowadzona do stanu zagrożenia ekologicznego, którego przyczyna jest działalność człowieka. Stan ten przejawia się w zanieczyszczeniu powietrza, wód i degradacji gleb. Głównymi źródłami zagrożeń prócz samego miasta są zakłady przemysłowe. W Krakowie i niektórych miastach Górnego Śląska występuje kwaśny smog typu Londyn. Zanieczyszczenie powietrza ma ogromny wpływ na życie człowieka. Smog kwaśny poraża oskrzela, drogi oddechowe, układ krążenia. Doprowadza również do degradacji zabytków.

Żeby oczyścić powietrze należy dokonać:
- zmian technologicznych
- zamontować skuteczne urządzenia oczyszczające na wszystkich emitorach zanieczyszczeń (cyklony, odpylacze, absorbery, adsorbery, reaktory katalityczne, kompresory, kondensatory, piece do spalania)
- ustalić prawidłowe kryteria oceny zanieczyszczeń

Od początku lat 90 - tych obserwuje się zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza, co początkowo było spowodowane spadkiem produkcji przemysłowej, obecnie - postępem w instalowaniu urządzeń ochronnych. Wzrasta liczba urządzeń odpylających i ich średnia skuteczność. Powstają nowe instalacje odsiarczania spalin i usuwania z nich tlenków azotu. Ilość zanieczyszczeń zatrzymanych i zneutralizowanych w urządzeniach oczyszczających w przypadku pyłów stanowi ok. 98% zanieczyszczeń wytworzonych a w przypadku dwutlenku siarki - ok.26%. Prędkość samooczyszczania się powietrza trwa kilka dób.