FIZYCZNE ZAGROŻENIA ŚRODOWISKA

Wykład 1.

naturalne zanieczyszczenia

Najlepsze warunki do rozwoju flory bakteryjnej: 50% wilgotności względnej, ok. 23°C

1. Zagrożenia środowiska:

• Chemiczne

• Mikrobiologiczne

• Fizyczne:

- wibracje

- hałas

- odory

- napromieniowanie elektromagnetyczne - pole elektromagnetyczne

- rozwój energii jądrowej - promieniowanie jonizujące (tomografia, materiały promieniotwórcze)

2. Promieniowanie elektromagnetyczne:

Promieniowanie:

• Strumień energii emitowanej przez układ materialny

• Proces emisji tej energii

• Okresowe, cykliczne zmiany pola elektromagnetycznego, rozchodzące się w przestrzeni z prędkością prawie 300 000 km/s

~ monopol magnetyczny

~ zmiany stanu jądra atomowego - największe promieniowanie

~ emisja w wyniku przejścia elektronu przez wewnętrzne powłoki atomowe (promieniowanie rentgenowskie)

~ promieniowanie na ostatniej powłoce atomowej

- promieniowanie elektromagnetyczne i pól magnetycznych

- promieniowanie korpuskularne w postaci cząstek

• Do atmosfery dostaje się ok. 3 ton radu, z elektrowni jest on nie wydobywany. Jest składnikiem węgla kamiennego. Rad rozkłada się i tworzy się gaz zwany radanem.

• Uran jest pierwiastkiem promieniotwórczym.

3. Wielkość promieniowania:

• Ma charakter falowy

• Opisujemy za pomocą długości fali, ale częściej za pomocą częstotliwości

- długość fali - odległość między dwoma fazowymi punktami [λ]

- okres - czas trwania [T]

- częstotliwość - ilość drgań na sekundę [Hz, 1/s]

~ 50/60 Hz - częstotliwość przewodów

~ im więcej drgań, tym większą ilość energii możemy przenieść

Wykład 2.

1. 1eV jest to energia, jaką uzyskuje elementarny ładunek po przyspieszeniu w polu grawitacyjnym o różnicy potencjałów 1u

2. Promieniowanie o częstotliwości:

• Promieniowanie kosmiczne - 10²⁵Hz

• Promieniowanie Gamma

• Promieniowanie rentgenowskie - 10²⁰Hz

• Promieniowanie optyczne - 10¹⁶Hz (nadfiolet, zakres widzialny, podczerwień)

• Światło widzialne - 10¹⁴Hz

• Podczerwień - 10¹²Hz

• Promieniowanie mikrofalowe

• Promieniowanie radiowe - 10-300 MHz

• Pola elektromagnetyczne - 50-60 Hz

• Pola stacjonarne

3. Promieniowanie Gamma γ:

• Bardzo mocno przenikliwe

• Wywołuje wtórną jonizację

• Pochłania najbardziej ołów

• Spotykamy się z nim w przemianach jądrowych

• Promieniowanie jonizujące

• Wysokoenergetyczne (pierwiastki promieniotwórcze)

4. Promieniowanie rentgenowskie X:

• 0,00001nm - 100nm

• Może powstawać w wyniku hamowania elektronów

• Jest przenikliwe

• Ma silne właściwości jonizujące

• Jego źródłem są akceleratory cząstek, wiele ciał niebieskich oraz pierwiastki promieniotwórcze

• Dzieli się na miękkie i twarde

• Ulega absorpcji, rozpraszaniu, polaryzacji, dyfrakcji i załamaniu

• Wykorzystywane jest w diagnostyce medycznej oraz technice

• Może być wykorzystywane do badania struktury krystalicznej i składu chemicznego

• Możliwość badania jakości spawów

• Tomografia - zawiera duże dawki promieniowania rentgenowskiego, badanie krystarograficzne

5. Promieniowanie optyczne - nazwa od tego, że wykorzystywane są instrumenty optyczne:

• 1nm - 1mm

• Dzieli się na:

- promieniowanie ultrafioletowe

- promieniowanie widzialne

- promieniowanie podczerwone

• Źródłem podstawowym naturalnym (niezależnym od człowieka) jest Słońce

• Źródła podstawowe antropogeniczne sztuczne (zależne od człowieka)

Pierwiastek - ilość protonów w jądrze

Izotop - jądra tego samego pierwiastka różniące się liczbą nukleonów (proton + neutron)

Wykład 3.

• Słońce - promieniowanie naturalne (rozproszone i bezpośrednie)

Ciało doskonale czarne - całkowicie absorbuje promieniowanie, w przybliżeniu ciałem takim będzie pudełko kartonowe pomalowane w środku na czarno malutką dziurką. Sadza też dobrze oddaje ciało doskonale czarne.

To promieniowanie ma charakterystyczne widmo. Mierząc widmo maksymalnej długości fali emitowanej przez ciało doskonale czarne, możemy zmierzyć temperaturę planet.

6000K - temperatura na powierzchni fotosfery

Stała słoneczna - zależy od aktywności Słońca

1. Promieniowanie nadfioletowe:

• Promieniowanie UV-c

- od 100 do 280 nm (inne źrodło: 200 - 280 nm)

- całkowicie pochłaniane przez ozonosferę, nie stanowi zagrożenia

• Promieniowanie UV-b

- od 280 do 315 nm

- stanowi 5% promieniowania nadfioletowego dochodzącego do powierzchni Ziemi

• Promieniowanie UV-a

- od 315 do 400 nm

- stanowi 95%

• Ultrafiolet próżniowy:

- od 10 do 200 nm

- całkowicie absorbowany przez gazy

2. Właściwości UV:

• Energia tego promieniowania jest wystarczający, aby rozbić wiązania chemiczne ( szczególnie DNA) - oznacza to, że pod jego wpływem tracimy informacje

• Może wprowadzać zmiany w cząsteczce (zmiany mutagenne i kancerogenne)

3. Skutki negatywne UV:

• Działanie na człowieka ma charakter fotochemiczny (zależy od rodzaju eksponowanej tkanki, ilości pochłoniętego promieniowania, długości fali, ilość zależy od jej napromienienia oraz jej współczynników odbicia i przenikania tej tkanki)

• Oparzenie i fotoalergie skóry (głównie UV-b), ok. 2mln osób pracuje w zawodzie narażonym na UV-b

• Silne właściwości rumieniotwórcze - rumień skóry (UV-b)

• Szybsze starzenie się skóry (UV-b i UV-a)

• Fotodermatozy - choroby skórne (UV-b)

• Zaburzenie procesów immunologicznych i metabolicznych

• Schorzenia oczu (zaćma, ślepota śnieżna, ciemne zapalenie spojówek, degeneracja siatkówki)

• Choroby skóry - rak

4. Korzystne skutki promieniowania nadfioletowego:

• Wpływa pozytywnie na produkcję witaminy D3 (UV-b)

• Wywołuje w organizmie mechanizmy obronne (UV-a)

• Przyczynia się do lepszego ukrwienia organizmu = lepsze dotlenienie (UV-a, UV-b)

• Wznowienie procesów immunologicznych

5. Natężenie promieniowania UV zależy od:

• Szerokości geograficznej (najwięcej na Południu, przybywa go 15% na każne 1000 m), w obszarze równikowym jest maksymalne, w okołobiegunowym minimalne

• Pory roku (najwięcej wiosną i latem)

• Wysokości

• Warunków meteorologicznych (zachmurzenie pochłania UV)

• Współczynnika odbicia promieni od powierzchni ziemi - albedo (świeży śnieg - albedo = 80%, w przypadku asfaltu = 15%, piasku = 20%)

6. Skutki:

• Ostre: objawy do 24h (rumień, fotodemozy, poparzenie słoneczne, zapalenie rogówki i spojówki)

• Przewlekłe: ukazują się znacznie później (pigmentacja skóry, fotostarzenie się skóry, zmiany przednowotworowe, zmiany nowotworowe - czerniak podstawny, kolczysto-komórkowy, skrzydlik, zaćma, rak oka)

7. 
   Kto jest najbardziej narażony?

• Bardzo jasna cera, jasne blond włosy, oczy niebieskie

• Cera blado różowa, włosy rude, oczy zielone

• Cera oliwkowa, włosy brązowe, oczy szare

• Ciemna cera, włosy czarne, oczy ciemne

Wykład 4.

1. Promieniowanie widzialne (380nm - 780nm) - ma za małą energię, aby doprowadzić do rozerwania wiązań molekularnych

• Promieniowanie fioletowe od 380nm do 430 nm

• Barwa niebieska od 430 do 470nm

• Zielono - niebieska od 470 do 500nm

• Zielona 500 - 560nm

• Zielono - żółta od 560 do 590nm

• Pomarańczowa 590 - 620nm

• Czerwona 620 - 780nm

- ma wpływ na człowieka, zwierzęta i rośliny

- może wpływać na związki organiczne

- wpływa na jakość produktów żywnościowych

- w zakresie od 300 do 400nm promieniowanie sprzyja wytwarzaniu melaniny

- reguluje senność

- melanina wywołuje dużo korzystnych reakcji

- wpływa na zawartość hemoglobiny

- wpływa na ilość erytrocytów we krwi

- reguluje cykl dobowy

- od 380 do 680nm - oddziałuje na receptory wzrokowe i przysadkę mózgową

- niebieskie może powodować techniczne lub chemiczne uszkodzenia siatkówki oka

2. Promieniowanie podczerwone (IR) - od 780nm do 1000nm

• Bliska podczerwień (IR-A) od 780 do 1000nm

• Podczerwień średnia (IR-B) od 1,4mm do 3mm

• Podczerwień daleka (IR-C) od 3mm do 1000mm

- nie ma w naszym oku receptorów do odbierania promieniowania podczerwonego

- wywołuje efekty termiczne, odbieramy je przez detektory termiczne

- skutki zależą od natężenia, mniej od długości fali (zaćma, zmętnienie soczewki)

- może wywoływać poparzenia, rozszerzenia naczyń krwionośnych, przebarwienia skóry związane z nierównym rozprowadzeniem melaniny

Skutki mogą być eliminowane przez:

• Ochładzanie organizmu - parowanie

• Ukrwienie organizmu - zwiększanie

3. Zastosowanie promieniowania optycznego:

• Produkcja zwierzęca:

- przyspieszanie procesów przemiany materii - szybsze przemiany masy, odporność młodych zwierząt na przeziębienia, zwiększanie odporności na niekorzystne właściwości ze środowiska zewnętrznego

• Tworzenie odpowiedniego mikroklimatu

• Lampy fluorescencyjne pokryte luminorem

Wykład 6.

1. Pole elektromagnetyczne:

• Pole fizyczne (stan przestrzeni), w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektrycznej

• Jest układem dwóch pól (pola elektrycznego i pola magnetycznego), pola te są wzajemnie ze sobą związane, opisują je równania Maxwella

• Pole elektryczne, magnetyczne oraz elektromagnetyczne o częstotliwości od 0Hz do 300GHz

Natężenie pola elektrycznego (E) - jest wielkością wektorową, którego źródłem jest ładunek (Q), jest styczne do linii sił tego pola

Natężenie pola magnetycznego (H) - jest wielością wektorową, źródłem są prądy elektryczne, jest styczne do linii pola magnetycznego

Indukcja magnetyczna (B) B = przenikalność magnetyczna x natężenie pola

[G,T]

2. Cechy charakterystyczne PE:

• Cechą charakterystyczną PE jest jego wzajemne położenie składowej elektrycznej i magnetycznej, ponieważ linie sił pola przecinają się pod kątem 90°, to również linie natężenia pola są prostopadłe

• Zmienność w czasie:

- pola statyczne (od 0Hz do 300GHz)

- zmienne pole (od 30MHz do 300GHz) - wydzielają też mikrofale

Wielkości fizyczne opisujące PE są zmienne lub stałe w czasie.

PE znajdujące się w przyrodzie oraz generowane ze źródeł technicznych charakteryzują się przebiegami falowymi, bardzo często o sinusoidalnej zmienności wartości ich parametrów w czasie. Są one również nazywane promieniowaniem elektromagnetycznym.

3. PE można podzielić na następujące grupy:

• Pola pochodzące od urządzeń wytwarzających energię elektryczną

• Pola linii dostarczających energię elektryczną do wszelkiego rodzaju odbiorników

• Pola urządzeń zużywających bezpośrednią tę energię

Te urządzenia charakteryzuje to, że wytwarzają one pola, które mają stosunkowo niską częstotliwość (50 Hz). Są nazywane polami o skrajnej częstotliwości.

W praktyce ze względu na pewne podobieństwo w oddziaływaniach pól z materią zalicza się również pola statyczne i zmienne do 3MHz.

Pola wyższych częstotliwości (30MHz - 300GHz), w przypadku tych pól mówimy o falach wysokiej częstotliwości lub falach radiowych. Bardzo często wyodrębniamy stąd grupę mikrofalowych.

4. W ramach fal możemy wyróżnić następujące grupy:

• Od 3km do 1km (100kHz) - fale długie radiowe, teoretycznie od 1-100km

• Od 1km do 100m - średnie fale radiowe

• Od 100m do 10m - krótkie fale (służą do bezprzewodowej komunikacji)

• Od 10m do 1m - fale telewizyjne (fale ultrakrótkie)

• Od 1m do 10^-4m - mikrofale (piece mikrofalowe, radar, TV satelitarna)

5. Zastosowanie przemysłowe:

• Częstotliwości przemysłowe (50 - 60Hz) - 6000 do 5000km do kilkudziesięciu kHz - zakłócenia

• Częstotliwości radiowe (0,1 - 10MHz)

• Częstotliwości radiowe i telewizyjne (10 - 300MHz)

• Telefonia - satelita (300MHz - 300GHz)

Pole statyczne - pole nieruchomych ładunków elektrycznych, to pole wywołuje ruch ładunków (może być związane z jonami) oraz polaryzację dipoli elektrycznych. Ładunek zawsze jest związany z materią!

Statyczne pole magnetyczne - pole ładunków będących w ruchu, pochodzące od starego prądu elektrycznego w nieruchomym przewodniku.

Zmienne pole elektromagnetyczne - wywołuje ruch cząstek obdarowanych dipolami elektrycznymi i elektromagnetycznymi. Jest emitowane przez ładunki, które są przyspieszane.

Wykład 8.

1. Nośniki elektryczności:

• Ruch elektronów (nośnik pola elektromagnetycznego, poruszają się z prędkością ok. 300 000 km/s)

• Jony (nośnik prądu elektrycznego)

- przewodniki

- izolatory (jest nim skóra ludzka, ale z punktu widzenia wewnętrznego jest dielektrykiem)

- dielektryk (półprzewodnik) - w jednej części jest przewaga ładunku ujemnego, a w drugiej dodatniego, pole elektryczne jest ekranowane - jego miarą jest przenikalność elektryczna

2. Podstawowe magnetyki oddziaływujące z polami magnetycznymi:

• Paramagnetyki (słabo oddziałują z polem) - hemoglobina

• Paramagnetyki (silnie oddziaływujące)

- żelazo

- nikiel

- kobalt

• Diamagnetyki

- aluminium

- żywe organizmy

3. Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na człowieka - podsumowanie:

• Woda

• Jony

• Krem

Wpływają na oddziaływanie organizmu ludzkiego z polami.

H₂O z dipolami

Oddziaływanie z dipolami

Energia ruchu cieplnego zależy od temperatury (dla 20°C oraz 23
)

4. Oporność zależy od częstotliwości promieniowania:

• Niskie do 100MHz - tkanka żywa zachowuje się jak przewodnik, wytwarzany jest prąd wirowy

• 1MHz oporność tkanki 8
  

• 100MHz - 1,5
  

• 1 GHz - 0,8
  

• 10 GHz - 0,1
  

Im większa częstotliwość, tym większe prądy wirowe (mniejsza oporność), tym większa ilość ciepła jest wydzielana.

5. Głębokość wnikania w zależności od częstotliwości:

• 1 MHz - 2,3 m do materii

• 100 MHz - 0,10m

• 1GHz - 2,5 cm

• 10GHz - 0,3 cm

Mikrofale negatywnie wpływają na człowieka.

6. Pole elektromagnetyczne i jego wpływ:

• Zmiana przepływów jonów (o niskiej częstotliwości)

• Aktywizacja enzymów i hormonów

• Aktywizacja immunologicznych komórek

• Wpływ na układ endokrynologiczny

• Zmiany w budowie DNA i RNA

• Zmiany w syntezie białek

7. Oddziaływania pól elektromagnetycznych:

• Indukowanie prądów w tkankach organizmów żywych na skutek działania pól elektromagnetycznych, zmiana funkcjonowania błon komórkowych

• Rezonans molekularny w zakresie częstotliwości pola magnetycznego, który może powodować przepływ jonów wapnia przez błony komórkowe

• Oddziaływanie pól magnetycznych ze związkami ferromagnetycznymi znajdującymi się wewnątrz struktur komórkowych

• Zaburzenie w strukturach komórek DNA co może prowadzić do chorób nowotworowych

8. Potencjalne oddziaływanie pól elektromagnetycznych:

• Oddziaływanie na układ hormonalny i genetyczny

• Wzrost i rozwój

• Wpływ na gruczoły rozrodcze, układ neurohormonalny, układ nerwowy i system zachowalny

• Wpływ na narząd wzroku

• Wzrost kości przy złamaniach

-pojedyncze komórki

- tkanki

- organy

- aparat genetyczny

Skutki:

- termiczne

- nietermiczne (specyficzne)

Wykład 9

1. Promieniowanie jonizujące - ma zdolność do wytwarzania jonów pośrednio lub bezpośrednio w czasie przenikania przez materię.

Do promieniowania zalicza się:

• Wysokoenergetyczne fotony (gamma i rentgenowskie)

• Strumień korpusu cząstek elementarnych (alfa, beta, neutronowe, ciężkie cząstki naładowane)

- może ulec rozpraszaniu (przechodząc przez materię)

- może ulec absorpcji (pochłanianiu) = przekazanie energii atomom i cząstkom

- może wywołać reakcje jądrowe

2. Skutki zależą od:

• Rodzaju i właściwości promieniowania jonizującego (energię, masę, ładunek)

• Właściwości ośrodka (skład chemiczny, gęstość)

3. W wyniku pochłaniania może powstać:

• Swobodne elektrony

• Jony dodatnie i ujemne

• Wolne rodniki

• Wzburzone atomy lub cząsteczki

4. Rodzaje promieniowania korpuskularnego o zdolnościach jonizujących:

• Promieniowanie α - strumień jąder helu (cząstka składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów), mało przenikliwe, duża zdolność jonizacyjna, zatrzymuje je nawet kartka papieru, najgorzej jak znajduje się wewnątrz nas, źródło to ponad 300 pierwiastków promieniotwórczych, w większości izotopy pierwiastków ciężkich palon, rad. Produkuje istotne zniszczenia, energia kilku elektronowoltów

• Promieniowanie β - strumień szybkich elektronów obdarzonych ładunkiem elementarnym (pozytony, elektrony). Bardziej przenikliwe niż α. Wytwarza 75 jonów/cm swojej drogi (α 400 tysięcy par jonów). Przenika na 1 cm do naszego ciała. Emituje ponad 1000 izotopów. Zabezpieczenie: płata szkła organicznego, aluminium. Źródłem są naturalne pierwiastki promieniotwórcze, wykorzystywane w medycynie

• Neutronowe - elektrycznie obojętna cząstka, pocisk wywołujący rozpad jądrowy, brak bariery kulombowskiej, w reaktorach jądrowych, bez ładunku, bomba neutronowa -skutki: zależą od gęstości jonizacji (liczba jonów wytwarzanych na jednostce drogi), rodzaju promieniowania, na jaki narząd padają promieniowania

Dawka pochłonięta: stosunek ilości energii przekazanej na jednostkę masy.

[1 Grey = Gy] = [1J/kg]

[100 Grey = 1 Rad] =[D]

Dawka równoważna (równoważnik dawki -> kiedyś) - łączy efekty biologiczne wywołane przez promieniowanie jonizujące z wielkością dawki pochłoniętej.

[1H] = [D] x współczynnik wagowy promieniowania [1 Sivert]

- elektrony - współczynnik wagowy = 1

- neutrony do 10keV - współczynnik wagowy = 5

- neutrony od 10keV do 100keV - współczynnik wagowy = 100

Wykład 11

1. Promieniowanie jonizujące - naturalne źródła promieniowania

• Jesteśmy na nie narażeni (prawdopodobnie dzięki temu promieniowaniu powstaliśmy)

• Rozwój energetyki jądrowej (lata 70/80)

• Zbiór źródeł naturalnych promieniowania jonizującego:

- 12% od promieniowania kosmicznego

- 18% od pierwiastków zawartych w skale i glebach (najwięcej w radonie)

- 18% od badań medycznych

- 9% od produktów spożywczych

Promieniowanie kosmiczne - różnego rodzaju cząstki, głównie protony, cząstki alfa, rozpędzone do dużych prędkości. Źródłem są obszary kosmiczne, promieniowanie gamma, promieniowanie X:

- promieniowanie kosmiczne pierwotne - nie dochodzi do Ziemi, w okolicach biegunów Ziemi następuje zagęszczenie linii pól magnetycznych, dociera z atmosfery, cząsteczki alfa i gamma

- promieniowanie kosmiczne wtórne - tworzone przez pierwiastki w atmosferze, są to głównie protony, deuterony, cząstki alfa, neutrony oraz mezony i kwanty promieniowania, ale o mniejszej energii

- natężenie promieniowania kosmicznego zależy od szerokości geograficznej (maksymalne przy biegunach), wysokości nad poziomem morza, aktywności słonecznej (ta aktywność się zmienia), dwa razy większe jest na wysokości 1km

- wytwarza pierwiastki promieniotwórcze:

• Izotop wodoru H³ (3 nukleony w jądrze - tryt)

• C¹⁴

Przeciętnie ok. 30 cząsteczek w ciągu 1s przepływa przez człowieka.

Energetyka termojądrowa - jej polimerem jest deuter i tryt (występują one w morzach i oceanach)

Skorupa ziemska (skały i gleby):

• Znaczenie mają długożyciowe pierwiastki promieniotwórcze

• Na Ziemi nie powstają nowe pierwiastki, wszystko jest sprzed około 40 mld lat, dzielą się na lekkie (Potas, Wanad⁵⁰, Rubin⁸⁷, Ind¹¹⁵, Landa¹⁹⁸, Plutet, Ren) i ciężkie (Uran²³⁸, Tor)

• Pierwiastki w warunkach naturalnych w Ziemi:

- Uran²³⁵ - promieniowanie alfa i gamma

- Uran²³⁸ - promieniowanie alfa

- Rad ²²⁶ - promieniowanie alfa i gamma

- Tor - promieniowanie alfa

- Potas⁴⁵ - promieniowanie beta i gamma

- Węgie^l14 - promieniowanie beta

• Pierwiastki w warunkach naturalnych w organizmie (wysyłają promieniowanie beta, niektóre z nich promieniowanie gamma):

- Wapń⁴⁵

- Miedź⁶⁴

- Jod¹³¹

- Żelazo⁵⁹

- Wodór³

- Fosfor³²

- Sód²⁴

- Siarka³⁵

- Cynk⁴⁵

Uran i Tor znajdują się w skałach wulkanicznych. Uran jest bardzo aktywny chemicznie, w przyrodzie występuje jako minerał (np. Brenda smolista)

Zawartość Uranu w skałach:

- wapienna 1,98pp

- granit 4pp

- inne 1,2pp

Fosforyty z Kalifornii mają 120pp Uranu.

2. Antropogeniczne źródła (związane z człowiekiem):

• Wydobycie i przetwórstwo minerałów zawierających pierwiastki promieniotwórcze

• Produkcje i stosowanie radioizotopów

• Przemysł militarny

• Energetyka jądrowa

• Przetwórstwo i składowanie odpadów promieniowania

• Radiodiagnostyka techniczna

• Radiodiagnostyka medyczna

• Palenie tytoniu

---