1. Omówić mechanizmy transportu energii wraz z charakterystycznymi dla nich równaniami.

2. Przedstawić rodzaje źródeł zanieczyszczeń powietrza oraz podać mechanizmy transportu zanieczyszczeń.

3. Wyjaśnić na czym polega efekt cieplarniany i co jest przyczyną tego zjawiska.

4. Na czym polega wpływ drgań o niskiej częstości (wibracji) na zdrowie człowieka?

5. Przedstawić w skrócie bilans energetyczny ziemi.

1. OMÓWIĆ MECHANIZMY TRANSPORTU ENERGII WRAZ Z CHARAKTERYSTYCZNYMI DLA NICH RÓWNANIAMI.

Transport energii od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze to transport ciepła.

Mechanizmy przekazywania ciepła:

1. PRZEWODZENIE - przekazywanie energii od jednej cząstki do drugiej, za pośrednictwem ruchu drgającego tych cząstek w wyniku ich zderzeń. Proces ten trwa dopóty, dopóki temperatura ciał nie zostanie wyrównana w całej rozpatrywanej objętości. Dotyczy to bezpośredniego kontaktu ciała z ciałem, części ciała z ciałem.

W płynach przekazywana jest energia kinetyczna atomów i cząsteczek, a w ciałach stałych energia drgań atomów w sieci krystalicznej i ruchu swobodnych elektronów. Wyłącznie przez przewodzenie odbywa się wymiana ciepła w ciałach stałych nieprzenikliwych dla promieniowania termicznego oraz w płynach, gdy nie występują przemieszczenia względem siebie makroskopowych części płynu (np., gdy płyn jest ogrzewany od góry). Ilość energii przekazanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest proporcjonalna do różnicy temperatur, co opisuje równanie różniczkowe Fouriera:

2. PROMIENIOWANIE - polega na wysyłaniu przez ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego fal elektromagnetycznych, takich samych jak fale promieniowania świetlnego, lecz obejmujących cały zakres długości fal od zera do nieskończoności lub selektywnie tylko niektóre długości fal. W wyniku promieniowania termicznego energia wewnętrzna ciała przekształca się w energię promieniowania elektromagnetycznego, która po napotkaniu innych ciał lub innych części tego samego ciała częściowo lub całkowicie jest pochłaniana i przekształcana w energię wewnętrzną. Jeżeli ilość energii wypromieniowanej jest różna od ilości energii pochłoniętej przez powierzchnię, to powstaje radiacyjna wymiana ciepła (wymiana ciepła przez promieniowanie). Cechą charakterystyczną radiacyjnej wymiany ciepła jest to, że nie odbywa się ona między ciałami stykającymi się, lecz miedzy ciałami rozdzielonymi ośrodkiem przenikliwym dla promieniowania termicznego lub nawet próżnią. Radiacyjna wymiana ciepła może odbywać się również miedzy bezpośrednio stykającymi się ciałami o różnych temperaturach. Przepływ energii przez promieniowanie osiąga wartość maksymalną, gdy dwie powierzchnie wymieniające energię rozdzielone są idealną próżnią. Równanie opisujące gęstość strumienia emisji energii z idealnego źródła promieniowania, czyli tzw. ciała doskonale czarnego, określa prawo Stefana-Boltzmanna:

gdzie:

q - strumień energii wypromieniowanej przez jednostkę powierzchni, [W/m²],

T - absolutna temperatura ciała emitującego, [K],

σ₀ - stała Stefana - Boltzmanna, równa 5,672·10^-8[W/m·K].

3. KONWEKCJA - wiąże się z ruchem konwekcyjnym gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi. Przekazywanie ciepła przez konwekcję polega na wymianie ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego a stykającym się z tą powierzchnią cieczą lub gazem. Równanie na prędkość wymiany ciepła przez konwekcję zostało zaproponowane przez Newtona w postaci:

gdzie:

q - natężenie strumienia ciepła charakteryzujące prędkość konwekcyjnej wymiany ciepła przez jednostkę powierzchni, [W/m²],

ΔT- różnica temperatur pomiędzy powierzchnią ciała stałego a płynem, [K],

α - współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła, [W/m²·K].

Rozróżnia się dwa rodzaje konwekcji: wymuszoną i swobodną. W konwekcji wymuszonej następuje wymuszony ruch płynu spowodowany, na przykład, mieszaniem lub zastosowaniem pompy. W konwekcji swobodnej występuje naturalny ruch płynu wywołany różnicą temperatur (a tym samym różnicą gęstości) płynu w pobliżu powierzchni ciała stałego, a płynu oddalonego od ścianki. Zróżnicowanie temperatur powoduje naturalną cyrkulację płynu.

2. PRZEDSTAWIĆ RODZAJE ŹRÓDEŁ ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA ORAZ PODAĆ MECHANIZMY TRANSPORTU ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA.

Rodzaje źródeł zanieczyszczeń:

• Punktowe - emituje zanieczyszczenia z określonego punktu w przestrzeni (np. z komina). Powierzchnia wylotu jest znacznie mniejsza od obszaru do którego dociera zanieczyszczenie

• Liniowe - zanieczyszczenie jest emitowane z emitorów ułożonych wzdłuż linii (np. szlaki komunikacyjne, otwarte kanały ściekowe.)

• Powierzchniowe - emitują zanieczyszczenia z powierzchni. Zalicza się do nich zbiorniki sedymentacyjne, wysypiska odpadów czy też bagna. Wielkość emisji zanieczyszczeń z takich źródeł zależy od ich wymiarów geometrycznych oraz od procesów zachodzących wewnątrz zbiorników.

• Objętościowe- zanieczyszczenie wypełnia pomieszczenie. (duże, źle wentylowane hale fabryczne)

Inny podział źródeł

• Chwilowe - emitujące zanieczyszczenia przez bardzo krótki okres czasu

• Ciągłe - gdy zanieczyszczenie jest emitowane przez dłuższy okres czasu

Mechanizmy transportu zanieczyszczeń:

• Dyfuzja (mieszanie zanieczyszczeń z powietrzem) rozprzestrzeniania się cząstek zanieczyszczenia w danym ośrodku. Fizyczną przyczyną tego zjawiska są zderzenia pomiędzy atomami bądź cząsteczkami.

• Adwekcja oznacza poziomy ruch, przepływ cieczy, gazu (np. mas powietrza), w przeciwieństwie do konwekcji, która jest ruchem pionowym. Adwekcja powoduje napływanie powietrza o odmiennych właściwościach (temperatura, wilgotność) niż powietrze zalegające nad danym terenem. Adwekcja jest jedną z podstawowych przyczyn zmian pogody.

Inwersja temperatury to w meteorologii zjawisko atmosferyczne polegające na wzroście temperatury powietrza wraz z wysokością. Zjawisko to może wywoływać inne efekty w atmosferze np. gromadzenie się mgły lub różnice w zanieczyszczeniu atmosfery. Z tego samego powodu, inwersje zalegające przez dłuższy czas mogą wpływać na intensyfikowanie się zjawiska smogu nad obszarami o dużej emisji zanieczyszczeń. Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w powietrzu w znacznym stopniu zależy od stanu równowagi warstwy granicznej. Przy równowadze stałej występują warunki sprzyjające koncentracji zanieczyszczeń w przyziemnej warstwie atmosfery, natomiast równowaga chwiejna sprzyja rozpraszaniu się zanieczyszczeń. Czasami może dojść do wystąpienia warstwy inwersyjnej, która w istotnym stopniu wpływa na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w atmosferze, ponieważ stanowi naturalną barierę w transporcie zanieczyszczeń. W warstwie inwersyjnej zanieczyszczenia unoszone ku górze w pewnej objętości powietrza są zimniejsze od gazów stanowiących ich otoczenie. W takich warunkach termicznych siła wyporu jest skierowana w dół i w tym jedynie kierunku mogą przemieszczać się zanieczyszczenia.

3. WYJAŚNIĆ NA CZYM POLEGA EFEKT CIEPLARNIANY I CO JEST PRZYCZYNĄ TEGO ZJAWISKA.

Efekt cieplarniany to zjawisko ocieplenia się klimatu Ziemi, polegające na zatrzymywaniu pewnej ilości ciepła emitowanego do atmosfery. Znaczna część promieniowania słonecznego (promieniowanie krótkofalowe o długości fali od 0,1 do 4 mm) jest przepuszczana przez atmosferę ziemską i pochłaniana przez powierzchnię Ziemi, co powoduje jej ogrzanie. Wskutek ocieplenia powierzchni Ziemi następuje emisja promieniowania podczerwonego (promieniowanie długofalowe o długości fali od 4 do 80 mm). Znaczna część tego promieniowania jest pochłaniana przez znajdujące się w atmosferze cząsteczki wody, dwutlenku węgla i innych gazów. Energia cieplna jest teraz przekazywana przez atmosferę głównie z powrotem do powierzchni Ziemi w postaci tzw. promieniowania zwrotnego, a tylko częściowo w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie zwrotne ogrzewa ponownie powierzchnię Ziemi, dlatego jest podstawową przyczyną występowania na naszej planecie efektu cieplarnianego. Energia oddawana przez naszą planetę jest mniejsza od energii przyjmowanej pochodzącej ze Słońca. Na powstanie efektu cieplarnianego ma wpływ wzrost zawartości gazów: głównie dwutlenku węgla (CO₂), freonów, metanu (CH₄) i podtlenku azotu (N₂O). Pośrednio wpływają, również i inne gazy powstające podczas spalania, np. tlenek węgla (CO), pozostałe tlenki azotu (NO₂, NO), węglowodory. Gazy te z jednej strony przepuszczają pasmo fal słonecznych ultrafioletowych, z drugiej zaś absorbują promieniowanie podczerwone, zapobiegając w ten sposób ucieczce ciepła atmosferycznego w kosmos. Proces ten jest podobny do tego, jaki występuje w szklarni lub w pozostawionym w słońcu samochodzie. Wzrost zawartości CO₂ i innych gazów szklarniowych może zatem podnieść temperaturę Ziemi do niebezpiecznego poziomu, co w końcowym efekcie może przyczynić się do zmian klimatu. Skutkiem podwyższenia temperatury mogą być ogromne zmiany w globalnej strukturze i intensywności opadów.

4. NA CZYM POLEGA WPŁYW DRGAŃ O NISKIEJ CZĘSTOŚCI (WIBRACJI) NA ZDROWIE CZŁOWIEKA?

Infradźwiękami nazywamy fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych mające charakter fal dźwiękowych (wibracje powietrzne), lecz o częstotliwościach niższych od dolnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, f < 16Hz (20Hz).

Źródłami infradźwięków mogą być uderzenia piorunów, wiatry fenowe (mistral, halny, wstrząsy tektoniczne). W wyniku działalności człowieka infradźwięki powstają podczas pracy dużych wentylatorów, silników wysokoprężnych, są obecne w halach fabrycznych, na statkach. Infradźwięki, jak wszystkie fale o niskiej częstotliwości rozchodzą się na duże odległości.

Wibracje przenoszone są na organizm przez bezpośredni kontakt z układami drgającymi. Ich oddziaływanie zależy od amplitudy i częstotliwości. Drgania o pewnych częstotliwościach mogą powodować rezonans narządów. Szczególnie niebezpieczne są wibracje o częstotliwościach 4 - 18 Hz. Mogą powodować bóle klatki piersiowej, zaburzenia oddechowe, zmiany ciśnienia krwi. Długotrwałe oddziaływanie wibracji prowadzi do choroby wibracyjnej objawiającej się zaburzeniem krążenia, wzmożonym drżeniem kończyn i bólami o różnej lokalizacji.

Człowiek jak i zwierzęta źle znosi wibracje ziemi. W czasie zagrożenia trzęsieniem ziemi ludzie wpadają w panikę, a zwierzęta wykazują nadmierną nerwowość. Wibracjom towarzyszą różne objawy chorobowe: neurowegetatywne, gastryczne, zmiany ciśnienia, zmiany rytmu serca.

Szkodliwe efekty wibracji zależą od ich częstotliwości i natężenia. Długotrwałe wibracje powodują bóle stawów, grzbietu oraz części lędźwiowej kręgosłupa. Dolegliwości te pojawiają się u kierowców samochodów ciężarowych, rolników, operatorów maszyn drogowych po 30-40 latach.

Wibracje <2Hz wywołują chorobę komunikacyjną (jednym z jej typów jest choroba morska) z nudnościami, wymiotami. Objawy nasilają się przy koncentrowaniu wzroku na przedmiotach, które znajdują się w pobliżu i również się poruszają.

Wibracje 5Hz powodują zmniejszenie ostrości widzenia poprzez rezonans oraz kłopoty z koordynacją przedniego odcinka oka, utrudniają akomodację.

Wibracje od 5 do 15Hz mają wpływ na układ oddechowy. Mięśnie oddechowe dostosowują swoją pracę do wibracji i oddychanie jest utrudnione.

Wibracje od 10 do 30Hz powodują drgania pola widzenia. Zaburzenia występują również, m.in. w narządzie przedsionkowo-ślimakowym, narządach układu rozrodczego, narządach klatki piersiowej, narządach jamy nosowo-gardłowej.

Liczne eksperymenty na ludziach potwierdziły, że największą wrażliwością na drgania całego organizmu charakteryzuje się układ nerwowy i układ krążenia. Reakcje ze strony tych układów i odpowiednich narządów objawiają się zaburzeniami ich pracy, złym samopoczuciem psychicznym, fizycznym, a nawet uszkodzeniem przy wyższych amplitudach oddziaływań i długich czasach ekspozycji. Mamy wtedy do czynienia z chorobą wibracyjną (zespół wibracyjny). Poza wymienionymi skutkami biologicznymi występują również:

• Wzrost czasu reakcji ruchowej,

• Wzrost czasu reakcji wzrokowej,

• Problemy z koordynacją ruchów,

• Rozdrażnienie,

• Problemy z pamięcią,

• Bezsenność.

Przedstawić w skrócie bilans energetyczny ziemi.

---