Elemente de Fizica Mediului
-
Upload
slusarciuc-andrei -
Category
Documents
-
view
996 -
download
6
Transcript of Elemente de Fizica Mediului
Elemente de fizica mediului
Katalin Sós, Lázló Nánai, Agneta M. Balint
Acest document s-a realizat cu ajutorul financiar al Uniunii Europene. Punctele devedere cuprinse în el sunt ale autorilor şi de aceea nu pot fi privite în nici un caz oluare de atitudine oficială a Uniunii Europene.
INTRODUCERE 1
CAPITOULU I. ATMOSFERA 2
I.1. Structura atmosferei 2
I.2. Aerosolii atmosferici 4
1.3. Clasificarea particulelor de aerosoli după dimensiune şi mărime 5
1.4. Aerosolii de origine antropogenă 7
1.5. Echilibrul radiaţiei Pământului 8
1.6. Spectrul radiaţiei solare în atmosfera Pământului 10
1.7. Efectul de seră 11
1.8. Ozonul atmosferic 15
1.9. Circulaţii atmosferice, conţinutul de apă al atmosferei 191.9.1. Mişcarea maselor de aer 191.9.2. Apa din atmosferă 241.9.3. Legătura între circulaţia atmosferică şi conţinutul de vapori de apă 241.9.4. Produşii condensării şi sublimării vaporilor de apă 26
1.10. Starea electrică a atmosferei 301.10.1. Ioni aflaţi în atmosferă 301.10.2. Fenomene electrice în atmosferă 311.10.3. Starea electrică a norilor de ploaie 32
1.11. Fenomene luminoase în atmosferă 36
CAPITOLUL II. HIDROSFERA 40
II.1. Structura hidrosferei 40
II.2. Proprietăţile fizice şi chimice ale apei 43
II.3. Oceane 44
II.4. Lacuri 47
II.5. Râurile 49
II.6. Ape subterane 51
II.7. Apele naturale, ca sisteme compuse 55
CAPITOLUL III. SOLUL 56
III.1. Solificare 56
III.2. Caracteristicile solului 57
III.3. Agricultura 59
CAPITOLUL IV. RADIAŢIA RADIOACTIVĂ NATURALĂ ŞI EFECTELE EI 60
IV.1. Tipuri de radiaţii radioactive 60
IV.2. Caracteristicile cantitative ale radioactivităţii 61
IV.3. Radioactivitatea naturală 62
IV. 4. Efectul biologic al radiaţiei radioactive 64
IV.5 Radonul 67
IV.6 Concentraţia de radon în mediul uman 69
IV.7. Radioactivitatea atmosferei 70
IV. 8 Radioactivitatea apelor 71
IV.9. Radioactivitatea solului 73
CAPITOLUL V. PRODUCEREA ENERGIEI PENTRU UZUL UMAN 74
V.1. Generalităţi 74
V.2. Centrale electrice pe bază de cărbune 77
V.3. Centrale termice cu gaz şi ţiţei 81
V.4. Energia geotermică 83
V.5. Energia solară şi utilizarea ei 84V.5.1. Structura Soarelui 84V.5.2. Energia solară 87
V.6. Energia eoliană 91
V.7. Utilizarea energiei hidraulice 93
V.8. Energie obţinută din biomasă 95
CAPITOLUL VI. FOLOSIREA ENERGIEI NUCLEARE 98
VI.1 Principiul de funcţionare al centralei nucleare 98
VI.2 Centrala nucleară de la Cernavodă 100
VI.3. Ciclul combustibilului 102
VI.4. Pericolele ciclului combustibilului 104
VI.5. Cerinţe faţă de deponeul de izotopi. 105
VI.6. Energia nucleară şi mediul 105
VI.7. Securitatea funcţionării centralelor nucleare CANDU (Centrala nucleară Cernavodă) 106
VI.8. Disfuncţionalităţi şi riscul de accidente la centrale nucleare. 110
VII. EFECTE DE LUMINĂ, SUNET, CÂMPURI ELECTRICE ŞI MAGNETICE ÎN MEDIU114
VII.1. Radiaţia electromagnetică de origine naturală 115
VII.2. Radiaţia electromagnetică artificială 119
VII.3. Sunetul şi efectele sale 121
BIBLIOGRAFIE 124
Introducere
1
Introducere
Să răspundem mai întâi la câteva întrebări:
• Ce este mediul ?
Conform Dicţionarului Explicativ Român prin mediu se înţelege:
− natura înconjurătoare în care se află fiinţele şi lucrurile;
− substanţă solidă, lichidă sau gazoasă, câmp electromagnetic sau gravitaţional
etc. în care se desfăşoară fenomenele fizice
• Ce este fizica mediului ?
Prin “Fizica mediului înţelegem aplicarea principiilor fizicii la procesele şi problemele
mediului natural şi a celui creat de om ” conform definiţiei date de Grupul de Fizica Mediului
[1].
Această definiţie este corectă, dar prea largă, însemnând că “se ocupă cu atmosfera,
oceanele, crusta Pământului şi biosfera.” Acest lucru este adevărat doar până la o limită pentru
că Fizica Mediului nu acoperă în întregime meteorologia, oceanografia şi geofizica.
Sunt 25 de ani de la scrierea primei cărţi “Principiile Fizicii Mediului ” de către
profesorul John L. Monteith, în care subiectul a fost definit “măsurarea şi analiza
interacţiunilor între organismele vii şi mediul lor fizic.” El a subliniat că “interacţiunea” este
cuvântul cheie în definiţie.
Un obiectiv al fizicii mediului este de a găsi căi cantitative riguroase pentru
descrierea a două seturi de procese complementare: răspunsul organismelor vii la mediul
lor fizic şi răspunsul mediilor fizice la prezenţa organismelor vii.
Fizica Mediului se ocupă deci de explorarea, monitorizarea şi înainte de toate de
înţelegerea mediului în care trăim, efectul omului asupra acestuia, ambele pe o scară locală şi
globală.
Cursul “Elemente de Fizica Mediului” prezintă acea parte a fizicii care se foloseşte pentru
analiza, prevenirea şi reducerea problemelor mediului. Sunt abordate atât tehnici experimentale
cât şi teoretice, incluzând generarea energiei pentru uzul uman, transportul poluanţilor precum şi
contextul societăţii umane.
Capitolul I. Atmosfera
Capitolul I. Atmosfera
Atmosfera, stratul de aer ce înconjoară Pământul, asigură pe de o parte oxigenul
necesar proceselor vitale, pe de altă parte ocroteşte viaţa pe pământ faţă de radiaţiile nocive.
Acele activităţi care împiedică procesele de ocrotire, respectiv în urma lor materiale nocive
ajung în atmosferă, reprezintă pericol serios pentru viaţa de pe Pământ.
Omul are nevoie zilnic pentru a-şi întreţine funcţiunile vitale de 1-2 kg apă,
1-1,5 kg hrană şi 24 kg de aer. Aerul înainte de a fi expirat ajunge în contact cu ţesutul
pulmonar şi absorbţia lui în circuitul sanguin este mai eficace decât cea a hranei. De aici
rezultă că organismul uman poate suporta doar o foarte mică poluare a aerului; poluarea apei
sau a hranei poate fi ceva mai mare.
I.1. Structura atmosferei
Împărţirea atmosferei poate fi făcută din mai multe puncte de vedere.
Pe baza schimbării temperaturii deosebim următoarele straturi :
1. TROPOSFERA este stratul de aer cel mai apropiat de suprafaţa Pământului, care la
Ecuator are o grosime de 15 km, iar la poli 10 km. Gradientul de temperatură mediu este -6,5oC/km, adică îndepărtându-ne cu 1 km de suprafaţa terestră temperatura scade cu 6,5 oC.
Această scădere importantă de temperatură produce o convecţie intensivă, motiv pentru care
acest strat este scena fenomenelor meteorologice. În troposferă se află 99% din masa totală a
aerului.
2. STRATOSFERA se întinde de la aşa numită TROPOPAUZĂ – care este stratul
limită, de temperatură constantă în partea de sus a troposferei – până la înălţimea de 50 km. În
această zonă, din cauza conţinutului de ozon, cu creşterea înălţimii creşte temperatura, adică
se constată o inversie şi ca atare amestecarea pe verticală este slabă. Partea de sus se numeşte
STRATOPAUZĂ care are o temperatură de aproximativ 10oC.
3. MEZOSFERA – se întinde între 50 şi 85 km pe verticală, are un gradient de
temperatură negativ, temperatura coboară până la -80oC, care este punctul cel mai rece al
atmosferei. MEZOPAUZA (regiunea până unde ajung prafurile vulcanice în atmosferă) poate
fi considerată limita superioară a atmosferei.
4. TERMOSFERA se întinde de la mezopauză până la câteva sute de kilometri
înălţime. Intensitatea radiaţiei UV aici este deja semnificativă şi de aceea moleculele O2 şi N2
Capitolul I. Atmosfera
disociază uşor. Gradientul de temperatură al acestui strat este pozitiv, la peste 200 km
temperatura este deja 1700oC. Densitatea de molecule aici este doar 1/1.000.000 din valoarea
măsurată la nivelul mării.
Figura 1. Structura atmosferei
5. EXOSFERA este regiunea situată deasupra termosferei unde particulele obţin
energie cinetică mare în câmpul electromagnetic şi astfel reuşesc să scape din atracţia
gravitaţională a Pământului. Din acest motiv aici concentraţia de particule este minimă.
Particulele încărcate electric au importanţă mare în atmosferă deoarece procesele
electrice şi magnetice sunt determinate de ele. Importanţa lor cea mai mare este în privinţa
undelor radio. De aceea merită să amintim separat IONOSFERA care se găseşte în
MEZOSFERĂ şi TERMOSFERĂ, peste înălţimea de 60 km. Apariţia ionilor se datorează în
primul rând radiaţiei UV venită de la Soare şi la această înălţime efectul ionizant este foarte
puternic. Concentraţia electronilor este cea mai mare la înălţimea de 300 km, unde poate
atinge chiar valoarea 106 cm-3.
Şi în stratosferă se pot găsi electroni într-un număr mic datorită radiaţiei cosmice şi de fapt
există chiar şi în apropierea suprafeţei terestre, datorită radiaţiei radioactive.
Ionosfera a fost descoperită de Marconi în 1901 când a reuşit între Anglia şi America să
realizeze legătura radio. Undele radio se propagă în linie dreaptă, suprafaţa Pământului însă
este curbată, astfel fenomenul a fost explicabil doar presupunând reflexia undelor radio.
Capitolul I. Atmosfera
I.2. Aerosolii atmosferici
Numim aerosol ansamblul de particule solide sau lichide fin dispersat în mediu gazos.
Excluzând stropii de nor şi precipitaţia, mărimea particulelor de aerosol poate fi de la
mărimea unui grup de molecule (câţiva nm) până la ordinul de 10 µm; forma şi compoziţia lor
chimică sunt foarte diferite în funcţie de originea lor. Aceste particule joacă un rol important
în procesele fizice şi chimice de bază ale atmosferei, sunt determinante şi în ceea ce priveşte
poluarea aerului, de aceea caracterizarea lor cantitativă şi calitativă precum şi cunoaşterea
originii lor sunt foarte importante.
Fond natural de aerosol se consideră în special aerosolii originari din sol sau din apa
oceanelor. Aceşti aerosoli provin de obicei din particule mai mari de 1 µm.
Aerosolii de pe uscat iau naştere în special sub influenţa vântului, când de pe sol şi stânci
vântul rupe particule mici. Cele mai spectaculoase forme sunt norii de praf şi furtunile de praf.
Descrierea concretă a procesului este foarte dificilă, dar probabil mişcarea turbulentă a
aerului ridică particulele în atmosferă. În plus, activitatea vulcanică este importantă, ea fiind
responsabilă de aproximativ jumătate din praful continental.
O cale de apariţie a aerosolilor de origine marină este că vântul ia picături de pe creasta
valurilor, care însă sunt prea mari şi cad repede înapoi pe suprafaţa apei. A doua cale mai
eficientă de apariţie a aerosolilor este atunci când bulele ajungând la suprafaţa mării
explodează. În urma exploziei bulelor ţâşneşte o dâră de apă care ridică particulele mici în
atmosferă. Apariţia bulelor – cum au demonstrat şi observaţiile – se intensifică cu creşterea
vitezei vântului. Aerosolii de origine marină conţin mai ales Na, Mg, Cl, K, Ca, Br, conform
compoziţiei sărurilor apei mării.
Concentraţia relativ mare de Cl şi S indică faptul că în cazul aerosolilor marini trebuie să
ţinem cont şi de emisia biologică.
În cursul măsurătorilor exacte a reieşit şi faptul că junglele emit de asemenea aerosol care
conţine concentraţii mari de fosfor, sulf, potasiu, magneziu. Astfel de proces de emisie de
aerosol poate fi de exemplu transportul polenului de flori, respiraţia, metabolismul, respectiv
eliberarea de ceară a plantelor. Acolo unde este semnificativă emisia de către plante, emisia
solului este nesemnificativă, deoarece solul este acoperit de plante. In locurile emisiei de către
plante se pot observa diferenţe semnificative în funcţie de oră, anotimp şi loc în conformitate
cu schimbările proceselor biologice.
Aerosolii cu o rază mai mică de 1 µm, numiţi aerosoli fini, iau naştere prin reacţii chimice,
condensare şi nucleaţie. Atmosfera pe lângă vaporii de apă conţine acid sulfuric, acid nitric şi
acid organic, ai căror apariţie în atmosferă a fost precedată de o reacţie chimică. În cazul
Capitolul I. Atmosfera
acidului sulfuric de exemplu, carbonul elementar din atmosferă absoarbe moleculele de SO2
care după aceea se transformă în acid sulfuric. Numim nucleaţie procesul prin care în anumite
puncte ale spaţiului din faza mai ordonată – de exemplu din vapori – apare lichid. Nucleaţia
poate fi omogenă când sunt prezenţi doar vaporii condensabili (ei formează în cursul mişcării
lor dezordonate focare), respectiv heterogenă, când în condensare participă şi nuclee străine.
Majoritatea particulelor de aerosoli atmosferici sunt solubile în apă. Dacă creşte umiditatea în
jurul unei particule „uscate” care este solubilă în apă, la început dimensiunea particulei nu se
modifică. Dacă însă, umiditatea din jur depăşeşte un prag, atunci particula solidă devine un
strop de soluţie saturată şi dimensiunea ei creşte. Deci, cu creşterea umezelii picătura devine
din ce în ce mai diluată, în timp ce raza picăturii devine din ce în ce mai mare.
1.3. Clasificarea particulelor de aerosoli după dimensiune şi mărime
O caracteristică foarte importantă a particulelor de aerosoli este dimensiunea, aceasta
determină raportul forţelor ce acţionează asupra particulei şi intervalul de timp petrecut de ea
în atmosferă.
Forţa cea mai importantă ce acţionează asupra aerosolilor este forţa de gravitaţie sub influenţa
căreia particule din aer sedimentează. Dacă această viteză de viteză de sedimentare (v)
depăşeşte o anumită valoare, particula părăseşte atmosfera în scurt timp şi se depune pe
suprafaţă terestră. În caz de sedimentare uniformă, rezultanta forţelor ce acţionează asupra
particulei – forţa de gravitaţie, forţa de sustentaţie şi forţa de rezistenţă din partea mediului
(de tip Stokes) este nulă:
3
gr4vr63
gr4 3l3 ⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅=
⋅⋅⋅⋅ πρηπ
πρ (1)
unde r este raza particulei; ρ , lρ - densitatea particulei, respectiv a aerului; v - viteza
particulei; η - coeficientul de frecare internă a mediului.
Viteza de sedimentare devine:
ηπρρ
18gr4)(v
2l ⋅⋅⋅⋅−= (2)
şi se vede că ea creşte cu pătratul razei particulei, ceea ce determină scăderea semnificativă a
numărului particulelor mai mari. Este de înţeles deci, că în atmosferă se găsesc doar un număr
foarte mic de particule cu rază mai mare de 100 µm şi acestea se găsesc doar în vecinătatea
surselor.
Capitolul I. Atmosfera
Numărul particulelor cu rază mai mică de 0,1 µm este reglat de un alt proces: coagularea.
Particulele în cursul mişcării lor dezordonate se ciocnesc, în urma ciocnirii se pot contopi şi
formează unităţi mai mari şi astfel numărul particulelor scade. Viteza coagulării este mai
importantă în cazul concentraţiei mai mari şi dimensiuni de particule mai mici.
Sedimentarea gravitaţională scade concentraţia particulelor mai mari de 0,1 µm, iar
coagularea scade concentraţia particulelor mai mici de 1 µm. În conformitate cu aceasta, în
troposferă timpul de şedere cel mai mare au particulele cu raze între 0,1 - 1 µm. Mai trebuie
luată în seamă şi aşa numita sedimentare uscată, care scade mult numărul particulelor mai
mici de 0,1 µm precum şi aşa numita sedimentare udă, care extrage particule cu raza 0,1 - 1
µm, în cursul proceselor de formare a precipitaţiilor.
Numărul aerosolilor atmosferici în troposferă este foarte variabil. Deasupra oceanelor
concentraţia este de 10 – 104 cm-3, iar deasupra uscatului, pe teritorii nepoluate 103-104 cm-3;
în schimb în aerul poluat al oraşelor concentraţia de particule depăşeşte valoarea de 105 cm-3.
Deasupra oceanelor valoarea este aproape independentă de înălţime, deasupra uscatului însă
scade exponenţial cu înălţimea, apoi de la 4-5 km înălţime rămâne constantă şi corespunde
aproximativ valorii de deasupra oceanelor.
În diferitele straturi ale atmosferei timpii de şedere ai particulelor de aerosol prezintă diferenţe
mari. În troposfera de jos, în general, este scurt, în medie 6-14 zile, ceea ce se datorează în
special amestecării, din cauza diferenţei de temperatură. În schimb, în stratosferă timpul de
şedere poate ajunge la 1-5 ani, deoarece datorită temperaturii relativ constante amestecarea
straturilor este mai puţin importantă.
În funcţie de mărimea lor, aerosolii se pot împărţi în 3 grupe mari:
• particule Aitken
Acestea formează nuclee de condensare şi în general părăsesc atmosfera prin
absorbţie.
• particule mari (0,3 – 3 µm)
Se formează prin coagulare, mod caracteristic pentru particule mai mici. Deoarece
petrec scurt timp în atmosferă, nu este timp pentru creşterea mărimii lor. În general,
părăsesc atmosfera prin sedimentare umedă.
• particule uriaşe (> 3 µm)
Iau naştere prin divizarea particulelor mari, sedimentarea lor gravitaţională este
importantă.
Particulele mari şi uriaşe sunt responsabile de nebulozitatea atmosferei.
Aerosolii se mai pot clasifica şi după compoziţia lor de fază.
• Ceaţă fină – dacă în faza gazoasă s-a dispersat substanţă lichidă;
Capitolul I. Atmosfera
• Fum, Praf – în acest caz, particule solide se găsesc în atmosferă;
• Ceaţă – dacă numărul picăturilor de apă sau de lichid este mare;
• Smog – în acest caz sunt prezente concomitent şi fum şi ceaţă;
• Voal de ceaţă – când terenul ceţos este caracterizat de vizibilitate pe o scurtă distanţă.
1.4. Aerosolii de origine antropogenă
Emisia de aerosol antropogen produce aproximativ o treime din cantitatea de aerosol
atmosferic. Această emisie este legată în special de arderea combustibililor organici care au
loc în procese industriale respectiv în cazul mijloacelor de transport.
Astfel, unităţile industriale, fabricile de prelucrare a metalului, uzinele de ciment, motoarele
cu ardere internă, etc. sunt izvoare principale de aerosoli, dar mai trebuie să luăm în
consideraţie şi incendiile de păduri, încălzirea locuinţelor prin arderea cărbunelui, motorinei,
lemnului.
La termocentralele pe bază de cărbuni are importanţă că o mare cantitate de materie minerală
este conţinută în cărbune, care nu se arde şi în mare parte – deşi se folosesc filtre – ajunge în
atmosferă. Conform acestui fapt, se constată diferenţe apreciabile în compoziţia elementelor
din aerosolii proveniţi de la unităţi cu ardere de cărbune, respectiv de ţiţei. În ultimul caz
există puţine elemente, în special S, Mg, Na, V, iar la arderea cărbunilor apar mult mai multe
elemente, în cantităţi mari fiind Al, Si, Fe, Mg, K, Ca.
Una din consecinţele cele mai importante ale activităţii de poluare umană este smogul.
Apariţia smogului pe lângă poluarea atmosferică mare este determinată şi de factori
meteorologici, de relief, respectiv factori atmosferici. Formarea lui este prielnică, în special în
locuri din văi, unde se produce inversiune de temperatură. Sub influenţa acesteia în văi aerul
rece se aşează la adâncime şi pe el se stratifică aerul cald. Din cauza densităţilor nu apare
convecţie, adică aerul cald într-un fel închide aerul poluat.
Dacă aerul poluat are conţinut mare de praf, negru de fum, bioxid de sulf, monoxid de
carbon, vorbim de smog reductiv sau de tip London. Smogul reductiv apare dacă
temperatura este în jur de 0oC, iar umiditatea este cel puţin de 80%. De aceea în clima
moderată apare între noiembrie – ianuarie, în special în orele dimineţii şi serii.
În smogul oxidant sau de tip Los Angeles, componentele principale sunt ozonul, oxizii de
azot şi compuşii organici. În smogul de acest tip şi în cursul reacţiilor fotochimice, apar
compuşi cu proprietăţi puternic oxidante. Apariţia lor este condiţionată de o temperatură în jur
Capitolul I. Atmosfera
de 30oC, umiditate sub 70%, ca atare în clima moderată sunt de aşteptat în lunile ianuarie şi
septembrie, în special la orele prânzului.
1.5. Echilibrul radiaţiei Pământului
Marea majoritate a energiei Pământului provine de la Soare. Afirmaţia este întărită,
dacă adăugăm că purtătorii de energie fosilă apar tot datorită efectelor radiaţiei solare.
Soarele, practic poate fi considerat ca un corp negru, având temperatura la suprafaţă de
5800 K. Conform legii de radiaţie a lui Planck, 48% din distribuţia spectrală a energiei
provenită de la Soare este din domeniul vizibil, maximul intensităţii fiind la lungimea de undă
de 500 nm. Suprafaţa Pământului are temperatura de 288 K, ca atare radiaţia termică terestră
este în întregime din domeniul infraroşu, maximul intensităţii fiind la 104 nm.
La marginea superioară a atmosferei ajunge, în medie, de la Soare radiaţie de
intensitate 343 W/m2, valoare numită radiaţie brută incidentă. Din aceasta, din atmosferă se
reflectă 26%, iar de pe suprafaţa Pământului încă 4%, ceea ce înseamnă că în total 30% din
energia radiaţiei solare ajunsă în atmosferă va fi reflectată. Ca atare, radiaţia netă incidentă
este de 70%, adică se absoarbe în atmosferă şi pe suprafaţa terestră o radiaţie de intensitate
240W/m2.
Figura 2 – Distribuţia radiaţiei solare
Capitolul I. Atmosfera
Din radiaţia incidentă brută 39% se absoarbe în atmosferă şi astfel suprafaţa terestră va
absorbi aproximativ 31% din energia radiaţiei sosite de la Soare. 99% din energia absorbită la
suprafaţa terestră va fi folosită de sisteme fără viaţă (atmosferă, hidrosferă, litosferă, criosferă)
şi 1% de biosferă (vietăţi).
La calcularea temperaturii medii globale a Pământului, presupunem că radiaţia termică ce
ajunge pe Pământ din Soare, precum şi energia radiaţiei termice emise de Pământ către
Cosmos sunt în echilibru. Legea Stefan-Boltzmann, precum şi cunoaşterea constantei solare,
permit scrierea acestui echilibru:42
22 4)1( TRlR ⋅⋅⋅⋅=−⋅⋅⋅ σπρπ (3)
unde
2l - este constanta solară are valoarea 1370 W/m2 (reprezintă energia care ajunge de la Soare,
pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp, perpendiculară pe direcţia radiaţiei la distanţa
medie Soare – Pământ). O pătrime din constanta solară corespunde intensităţii radiaţiei solare
medii care atinge atmosfera exterioară a Pământului.
ρ - albedo planetar, reprezintă reflexivitatea Pământului faţă de radiaţia solară. Valoarea este
dată de raportul intensităţii radiaţiei reflectate şi incidente. Întrucât suprafaţa terestră şi
atmosfera împreună reflectă 30% din radiaţia incidentă, valoarea medie este 0,3.
σ - constanta lui Stefan-Boltzmann.
R - raza Pământului.
T - temperatura suprafeţei Pământului.
Din ecuaţia (3) pentru temperatura de echilibru la suprafaţa Pământului se obţine 255 K.
Tipul suprafeţei Valoarea albedo (%)
Apă
Zăpadă proaspătă
Zăpadă stătută
Sol negru, umed
Sol nisipos
Lan de grâu
Iarbă
Tundră
Pădure de conifere
Pădure de stejari
max 80
75-90
40-70
5-15
35-45
15-25
10-20
15-20
5-15
10-20
Figura 3. Valoarea albedoului planetarpentru diferite tipuri de suprafeţe
Capitolul I. Atmosfera
Se poate exprima sensibilitatea temperaturii de echilibru în funcţie de constanta solară sau de
schimbările albedoului planetar, adică gradientul temperaturii de echilibru după constanta
solară, respectiv după albedoul planetar:
WmK
dkdT 2
046,0 ⋅= (4)
KddT 91−=ρ
(5)
Din ecuaţia (5) se vede că temperatura de echilibru se modifică semnificativ dacă se modifică
valoarea albedoului. O creştere cu 0.01 a albedoului înseamnă o scădere de temperatură cu
0,91 K.
Radiaţia incidentă în funcţie de latitudine atinge suprafaţa sub diferite unghiuri.
Fasciculul de radiaţie de secţiune unitate, îndreptându-se spre Poli, va acoperi o suprafaţă din
ce în ce mai mare şi astfel scade energia pe unitatea de suprafaţă. Deci intensitatea radiaţiei
incidente depinde de cercul de latitudine. Calculele se complică căci axa Pământului face un
unghi de 23,5o cu normala eclipticii pentru albedo. Luând şi acest fapt în considerare, se
obţine în jurul Ecuatorului, în medie, 20% şi la poli peste 70%.
Din punctul de vedere al bilanţului energetic de suprafaţă este determinant în ce raport
se găsesc energia absorbită şi emisă, adică dacă apare surplus de energie sau deficit de
energie.
Între cercul de latitudine 40 şi Ecuator apare surplus de energie, iar în direcţia polilor apare
deficit de energie. Din această cauză temperatura suprafeţei terestre diferă considerabil la
diferite cercuri de latitudine.
Modificarea temperaturii de echilibru a suprafeţei terestre poate fi cauzată şi de
schimbarea constantei solare, cum se vede din ecuaţia (4). Creşterea cu 1% a constantei solare
determină o creştere de temperatură cu 0,63 K. Dar în ultimii 100 de ani variaţia activităţii
solare nu a depăşit valoarea de 1 miime.
1.6. Spectrul radiaţiei solare în atmosfera Pământului
Spectrul radiaţiei Soarelui măsurat în afara atmosferei terestre corespunde spectrului
de emisie al corpului negru având temperatura Soarelui. Diferenţele mai mici se pot explica
cu efectul modificator al atmosferei exterioare a Soarelui.
Spectrul măsurat la suprafaţa Pământului prezintă deja diferenţe esenţiale, astfel:
- scădere de intensitate în domeniul vizibil
- scădere importantă de intensitate în domeniul ultraviolet
- benzi de absorbţie în domeniile ultraviolet, vizibil şi infraroşu.
Capitolul I. Atmosfera
Figura 4. Spectrul de radiaţie al Soarelui
În domeniul vizibil scăderea observată se explică prin procesele de difuzie optică.
Radiaţia UV îndepărtată este absorbită de moleculele N2 şi H2. Tot în domeniul UV absorb
O2, vapori de apă, molecule de CO2, dar ele absorb şi în domeniul infraroşu. Radiaţia de
energie mare, din UV îndepărtat, practic este absorbită din spectru de straturile de aer la peste
40 km. Conţinutul de ozon al stratosferei scade în continuare componentele de UV, astfel în
troposferă ajunge doar radiaţia cu lungime de undă mai mare ca 270-300 nm. Importanţa cea
mai mare a acestui fapt este că în partea cea mai inferioară a atmosferei nu ajunge radiaţie de
energie mare care ar descompune moleculele H2O şi CO2 – necesare fotosintezei. Energia
radiaţiei care ajunge în troposferă este utilă doar pentru excitarea vibraţiilor moleculelor H2O
şi CO2, dar nu determină procese chimice. Însă legăturile slabe ale NO2, O3 şi formaldehidei
se pot rupe sub influenţa radiaţiei ce ajunge în straturile atmosferice mai adânci şi radicalii
astfel apăruţi pot porni numeroase reacţii în lanţ.
1.7. Efectul de seră
Prin efect de seră înţelegem acea încălzire raportată la starea de echilibru ce se poate
constata în apropierea suprafeţei terestre, care apare datorită creşterii concentraţiei
componentelor din atmosferă care sunt capabile de absorbţie.
Atmosfera lasă să treacă aproximativ jumătate din energia radiaţiei solare, adică o
putem numi „transparentă”. În ce priveşte radiaţia IR emisă de Pământ, o absoarbe în mare
Capitolul I. Atmosfera
parte. Aceasta este cauza încălzirii aerului din apropierea solului. Energia radiaţie de lungime
de undă lungă, emisă de Pământ, corespunde diferenţei dintre nivelele de energie de rotaţie şi
vibraţie ale moleculei CO2, adică poate excita stările de vibraţie respectiv de rotaţie. Molecula
astfel excitată emite radiaţie electromagnetică şi astfel creşte temperatura straturilor mai joase,
precum şi aşa numitul nivel de emisie al Pământului. Aceasta înseamnă că aparent Pământul
este capabil de emisie şi deasupra suprafeţei . Graţie efectului de seră natural al atmosferei
temperatura medie a suprafeţei terestre în loc de -18oC este 15oC, ceea ce este foarte
important pentru apariţia apei lichide şi dezvoltarea vieţii.
Figura 5. Interpretarea efectului de seră
În atmosferă pe lângă CO2 se găsesc şi alte gaze cu efect de seră. În absorbţia radiaţiei
infraroşii emise de Pământ contribuţia gazelor individuale este CO2 55%, NO2 6%, metan
15%, freoni 17%, alte gaze 7%. Vaporii de gaz, datorită concentraţiei lor foarte variabilă, nu
intră în această enumerare. Dar şi vaporii de apă contribuie puternic la apariţia efectului de
seră, conform unor ipoteze chiar într-o măsură ce depăşeşte rolul CO2-ului. Trebuie făcută
distincţie şi în eficienţa relativă a unor gaze, care este legată de energia absorbită de o
moleculă. Această valoare la diferite gaze este: CO2 -1, CH4-30, N2O-150, O3-2000, freoni-
10-4.
Mult timp s-a disputat efectul de creştere a temperaturii al acestor gaze, deoarece
există şi procese cu efect contra încălzirii de exemplu absorbţia CO2 de apa oceanelor. S-a
reuşit însă găsirea dovezii iredutabile pentru legătura dintre conţinutul CO2 din atmosferă şi
creşterea temperaturii. S-au studiat captările de gaz ale păturii de gheaţă de la Polul Sud
referitor în ultimii 160 mii ani. Captările de aer reflectă compoziţia de aer şi astfel prin
metode analitice se poate da retroactiv conţinutul de CO2.
Pe baza compoziţiei de izotopi de oxigen din mostra de gheaţă se poate deduce
temperatura. La temperatură mai joasă se condensează mai uşor apa cu conţinut de O16 de
masă mai mică şi astfel raportul izotopilor O16 şi O18 din mostră indică bine temperatura de
suprafaţă din acea vreme.
Capitolul I. Atmosfera
Tot existenţa efectului de seră demonstrează acele rezultate care s-au obţinut cu
măsurătorile din ultimii 110 ani. Conform acestora, în acest timp încălzirea globală a fost cam
de 0,6 K, iar concentraţia CO2 în atmosferă a crescut de la 290 ppm la 350 ppm datorită
folosirii combustibililor fosili precum şi defrişării pădurilor (1 ppm=10-6). Pe lângă aceasta, se
poate observa şi o creştere asemănătoare şi în ceea ce priveşte cantitatea unor gaze cu efecte
asemănătoare, cantitatea metanului a crescut mult în urma dezvoltării zootehniei, cea a N2O în
urma fertilizării cu îngrăşăminte chimice, iar freonii doar în ultimii 100 ani puteau să apară în
atmosferă.
Gazul de seră cel mai important este vaporul de apă, în primul rând prin nori.
Cantitatea de apă din atmosferă este apreciată la 1013 tone, iar valoarea ei este influenţată doar
puţin de activitatea umană.
Figura 6. Abaterea temperaturii medii terestre de media din perioada 1961-1990
Cantitatea de bioxid de carbon în atmosferă este 22108,2 ⋅ tone, iar prin arderea
combustibililor fosili anual ajung în atmosferă alte 10102 ⋅ tone de bioxid de carbon, ceea ce
reprezintă aproximativ 1% din cantitatea totală. Trebuie luat în seamă şi faptul că din cauza
defrişărilor de păduri tropicale „ajung” în aer anual alte 9105 ⋅ tone bioxid de carbon.
Moleculele de bioxid de carbon petrec în medie 10-15 ani în atmosferă, adică aparţin gazelor
atmosferice cu durata de viaţă relativ lungă.
Cantitatea de metan atmosferic este de 10105 ⋅ tone, formându-se mai ales prin
descompunerea anaerobă a materialelor organice, deci agricultura este izvorul lui principal.
Anual în medie 6105,0 ⋅ tone de metan ajung în atmosferă, cu durata medie de viaţă de 5-10
ani. Cantitatea totală de NO2 este de 22108,2 ⋅ tone, anual ajungând în atmosferă 61050 ⋅
tone, mai ales din solurile pădurilor tropicale, respectiv din îngrăşăminte chimice folosite din
diferite procese din industria chimică. Viaţa medie în atmosferă este mai lungă de 100 de ani.
Hidrocarburi halogenate (freoni, haloni) se găsesc în atmosferă în cantitate de 7103 ⋅ tone,
Capitolul I. Atmosfera
fiind produse în totalitate în timpul activităţilor antropogene. Întrucât din punct de vedere
chimic sunt foarte inactive, timpul petrecut în atmosferă poate fi chiar şi de ordinul 100-1 000
de ani.
Toate aceste exemple arată că, în special datorită activităţii umane, cantitatea gazelor
de seră ar creşte continuu în atmosferă. Un alt fapt important este că viaţa medie în atmosferă
a acestor gaze este foarte lungă şi astfel pot ajunge uşor în stratosferă unde se pot amesteca
uşor şi astfel reprezintă o problemă globală. Altfel spus, chiar în urma unor restricţii abia după
trecerea câtorva decenii ne putem aştepta la schimbări pozitive.
Pentru a descrie dezvoltarea ulterioară a efectului de seră este nevoie de modele foarte
complicate care să ţină seama şi de următoarele procese parţiale:
• accelerarea proceselor de asimilare, creşterea cantităţilor de biomasă reduce cantitatea
de CO2 din atmosferă, adică scad efectul de seră;
• accelerarea circulaţiei de apă, descompunerea pietrelor de pe suprafaţă cresc
concentraţia de CO2 atmosferic, respectiv efectul de seră;
• efectul norilor este dublu. Pe de o parte cresc efectul de seră, care înseamnă încălzire,
iar pe de altă parte cresc şi albedoul Pamîntului, care duce la răcire;
• trebuie ţinut cont bineînţeles şi de procesele care influenţează cantitatea altor gaze cu
efect de seră.
Conform estimărilor actuale, în 50 de ani ne putem aştepta la o creştere de temperatură de 1,5-
2,6 K, ceea ce ar avea deja consecinţe importante pe termen lung şi anume: dacă comparăm
starea actuală cu aşa numita eră glaciară între 1550-1850, când temperatura medie era cu 1K
mai mică decât cea actuală, atunci se pot face previziuni privind modificări în sens contrar.
În cazul unei creşteri de temperatură cu 1,5 K:
• se topesc la poli straturile de gheaţă, astfel nivelul crescut al oceanelor ar acoperi
teritoriile joase de-a lungul ţărmurilor;
• climele potrivnice agriculturii s-ar muta spre nord, iar teritoriile sudice s-ar deşertifica;
• ar creşte temperatura oceanelor, iar în apă mai caldă gazele sunt mai puţin solubile. Ca
urmare, oceanele ar ceda o parte din CO2 solubilizat în ele, ceea ce, ca o reacţie în lanţ,
ar intensifica în continuare efectul de seră.
La nivelele actuale de folosire a combustibililor fosili, concentraţia de CO2 în atmosferă va
creşte în continuare. De aceea, în scopul scăderii efectului de seră sunt necesare următoarele:
• reducerea drastică a folosirii combustibililor fosili, respectiv folosirea lor cu un
randament mai mare, energoeconomic;
• împiedicarea intensivă a emisiei gazelor atmosferice antropogene;
• căutarea altor surse de energii alternative, limitarea producerii de energie
Capitolul I. Atmosfera
• introducerea pe scară largă a programelor de împădurire.
Pe plan mondial există deja cercetări privind modificările climaterice şi deja există hotărâri
luate în vederea stopării şi redresării proceselor nefavorabile.
În 1992, la Rio de Janeiro, la Conferinţa „Mediul şi dezvoltare” organizată de ONU s-a
realizat un program-cadru al cărui scop principal este ca în anul 2000 emisia gazelor de seră
să coboare la nivelul anului 1990.
În 1997 la Kyoto s-a convenit ca ţările semnatare până în 2012 să reducă emisia celor şase
principale gaze de seră, în medie, cu 5,2% faţă de nivelul din 1990. Procentajele ce revin
individual ţărilor variază.
1.8. Ozonul atmosferic
Ozonul (O3) a fost descoperit de Schrober în 1840, când a observat că în timpul funcţionării
aparatelor electrice ia naştere o substanţă cu un miros caracteristic. Această substanţă a
denumit-o ozon, care provine din cuvântul grecesc „ozein” (a mirosi). Hartley pe baza
observaţiilor sale din 1880, a presupus că lipsa benzii de lungime de undă mai scurtă de 0,3
µm din spectrul solar este consecinţa absorbţiei ozonului.
În 1918 s-a arătat că pentru acest proces de absorbţie nu este suficient conţinutul de ozon al
aerului în apropierea solului.
Prin măsurători cu spectrometru s-a reuşit determinarea variaţiei nivelului de ozon în funcţie
de înălţime şi a reieşit că cea mai mare concentraţie de ozon se găseşte la înălţime de 22 km.
S-a determinat de asemenea, că 90% din cantitatea de ozon se găseşte în stratosferă.
Grosimea exactă a stratului de ozon, datorită concentraţiei mici, nu se poate da decât foarte
imprecis. Conform calculelor, în atmosferă se găsesc 9105,3 ⋅ kg ozon. Ilustrativ, cantitatea
totală de ozon, dacă s-ar afla în apropierea suprafeţei terestre – în condiţii normale de presiune
– ar avea o grosime de 3-4 mm. Unitatea de măsură folosită pentru concentraţia de ozon este
Dobson: 1 unitate Dobson, adică 1 DN, este cantitatea de ozon ce se găseşte în stratul de ozon
de grosime 0,01 mm deasupra locului respectiv, la presiunea şi temperatura de suprafaţă.
Cantitatea ozonului atmosferic conform acestei unităţi este de 300-400 unităţi Dobson.
Distribuţia concentraţiei de ozon variază în funcţie de anotimp, respectiv latitudine. Valoarea
cea mai ridicată este la Polul Nord primăvara. La nivelul Ecuatorului valorile sunt mici, deşi
aici ne-am aştepta la nivel mai ridicat datorită proceselor fotochimice numeroase. Acest lucru
arată că circulaţia atmosferică din stratosferă are şi ea un rol important în îmbogăţirea
ozonului.
Capitolul I. Atmosfera
Teoria formării şi descompunerii ozonului a fost elaborată de Chapman în 1930. Primul pas al
procesului este absorbţia radiaţiei UV de către molecula de oxigen, în urma ei formându-se
oxigen atomic. Atomul de oxigen, foarte reactiv, intră repede în reacţie cu oxigenul
molecular şi se formează ozon:
O2+hν 2O (a)
O+O2+M O3+M (b)
unde hν este energia fotonului absorbit, M un al treilea element (de exemplu azot).
Ozonul se descompune prin fotoliză , respectiv sub influenţa oxigenului atomic:
O3+hν O+O2 (c)
O+O3 2O2 (d)
Fotoliza şi astfel descompunerea ozonului este eficientă în special ziua. După
apunerea Soarelui viteza proceselor scade rapid, dar cum scade şi viteza formării, în timpul
zilei nu se modifică concentraţia de ozon.
S-au făcut şi măsurători privind variaţia vitezei de formare a ozonului în funcţie de
latitudine şi înălţime. Viteza de formare creşte primăvara la înălţimi mai mari înspre Ecuator.
Conform măsurătorilor concentraţia de ozon nu urmăreşte acest rezultat, ci spre Poli
concentraţia este mai mare la înălţimi mai mari, iar la Ecuator în straturile mai joase creşte
concentraţia de ozon.
Această diferenţă se poate explica prin condiţiile de circulaţie atmosferică primăvara. În
emisfera nordică aerul circulă la Ecuator în sus şi apoi spre Poli, unde aerul descedent
îmbogăţeşte conţinutul de ozon al aerului.
Deja în anii 1960 s-a presupus că atomii de O, respectiv molecule de O3, dispar din atmosferă
şi prin procese catalitice. De exemplu descompunerea ozonului poate fi iniţiată şi de NO:
NO+O3 NO2+O2 (e)
NO rezultă din N2O şi timpul petrecut de el în troposferă este foarte mare şi astfel poate
ajunge în stratosferă unde poate reacţiona cu atomi de oxigen excitaţi (O*).
N2O+O* 2NO (f)
(Numărul atomilor de oxigen excitaţi este foarte mare în stratosferă datorită fotolizei O3,
respectiv O2). N2O sub acţiunea fotonilor poate disocia în O şi NO şi acest proces favorizează
descompunerea ozonului. Oxizii de acest fel pot fi originari din sol, deci şi procesele
biologice din sol pot influenţa cantitatea ozonului atmosferic. Bineînţeles emisia de NO a
avioanelor este şi ea un factor important în acest proces.
În 1974 s-a arătat că şi freonii participă la descompunerea ozonului. Ca un prim pas, freonul
se descompune sub influenţa radiaţiei UV şi rezultă atom de clor:
CF2Cl2+hν CF2Cl+Cl (g)
Capitolul I. Atmosfera
Atomul de clor este iniţiatorul proceselor ulterioare. Conform analizelor amănunţite, un singur
atom de clor poate cauza descompunerea a 100 000 de molecule de ozon.
Freonii sunt gaze folosite în tehnologia industrială din anii 1930 şi se folosesc ca agent
de răcire respectiv gaz purtător, datorită efectului lor chimic neutru, stabilităţii mari,
manipulării fără pericole şi lichefierii lor uşoare. Deoarece moleculele de freon sunt foarte
stabile, ele pot ajunge fără descompunere până la stratosferă, stratul cu conţinut mare de ozon.
Procesul de descompunere al ozonului este dovedit şi de faptul că, deşi utilizarea gazului
freon a crescut, din ce în ce mai puţin freon a putut fi pus în evidenţă în aer. Scăderea acestui
gaz chimic inactiv în aer poate fi provocată doar de descompunerea de ozon.
Măsurătorile de ozon deasupra Antarcticii au evidenţiat că de la începutul anilor 1970
în lunile de primăvară cantitatea totală de ozon scade anual. Această scădere numită „gaură de
ozon” se observă şi azi, ba chiar suprafaţa creşte din ce în ce mai mult.
Diminuări asemănătoare s-au observat şi deasupra Australiei, Noua Zeelandă şi S.U.A., dar
dimensiunile cele mai mari sunt deasupra Polului Sud. Cauza este că la Polul Sud în straturile
atmosferice superioare se formează cristale de gheaţă, iar în urma reacţiilor chimice ce au loc
în ele se formează asemenea radicali (Cl) care iniţiază descompunerea ozonului. Procese
asemănătoare se petrec şi deasupra Antarcticii, dar aici formarea vârtejurilor aeriene este mai
slabă datorită prezenţei munţilor înalţi, amestecarea orizontală a aerului este în proporţie mai
mare. Astfel, scăderea ozonului se distribuie pe o întindere mai mare, ca atare proporţia va fi
mai mică.
S-a arătat, că scăderea de ozon se petrece în stratosfera joasă, ceea ce exclude că
diminuarea ar fi provocată de activitatea solară, deoarece efectul radiaţiei aici este mai puţin
intens.
Scăderea concentraţiei de ozon este periculoasă deoarece astfel creşte intensitatea
radiaţiei UV ce ajunge în apropierea solului, ceea ce împiedică dezvoltarea planctonilor, scade
randamentul recoltei plantelor agricole şi creşte riscul îmbolnăvirilor de cancer de piele.
Pe lângă „vara ultravioletă” (datorită subţierii stratului de ozon creşte intensitatea
razelor UV pe suprafaţa terestră) trebuie luată în consideraţie, de asemenea, aşa numita „iarnă
nucleară” (datorită aerosolilor scăpaţi în atmosferă la catastrofe nucleare, stratul în apropierea
suprafeţei terestre se răceşte), fenomen cu efect opus.
Cel mai important mijloc de apărare este interzicerea folosirii hidrocarburilor
halogenate. Nu este o măsură simplă, căci numărul agregatelor de răcire creşte continuu, şi în
plus gazele de freon rămân mult timp în atmosferă.
La sfârşitul anilor 1980 concentraţia de Cl în stratosferă a fost aproximativ 3 ppb ceea ce ar
trebui scăzută la 2 ppb (1 ppb= 10-9 parte).
Capitolul I. Atmosfera
Procesul verbal din Montreal din 1987 regularizează folosirea freonilor şi dacă se respectă s-
ar atinge diminuarea dorită.
În anumite condiţii meteorologice, cu trafic intens de maşini se formează ozon şi în aerul
apropiat de sol, care ajunge în troposferă. Creşterea concentraţiei de ozon în troposferă
produce multe probleme, căci irită mucoasa nazală, ochii, întăreşte efectul ploilor acide, atacă
frunzele plantelor şi modifică posibilitatea de oxidare a aerului.
Ozonul din troposferă ia naştere sub influenţa radiaţiei solare din reacţiile chimice
între oxizii de azot, monoxid de carbon şi compuşii organici. O parte importantă a acestui şir
de reacţii este o descompunere fotolitică, în care din bioxid de azot rezultă monoxid de azot şi
atom de oxigen, cel din urmă pornind producerea ozonului. Bioxidul de azot se poate forma şi
din monoxid de azot sub influenţa compuşilor organici. In cursul arderii incomplete în
motoarele maşinilor se produce monoxid de carbon care poate produce NO în reacţii de lanţ,
de aceea chiar şi CO poate lua parte la producţia de ozon.
În afara traficului, şi centralele termice sunt emiţătoare importante de oxid de azot şi în plus
există o cantitate mare de oxizi de azot ce scapă în atmosferă în procesele din industria
chimică precum şi la încălzirea locuinţelor:
NO2 + hν NO + O (h)
NO + compuşi organici volatili (VOC) NO2 (i)
Traficul urban în orele dimineţii se intensifică şi astfel creşte şi concentraţia de CO şi
NO în aer. In consecinţă creşte şi concentraţia de ozon. In orele serii din nou creşte
concentraţia de CO şi NO însă fotoliza necesară producerii ozonului nu mai poate avea loc, ca
atare poate avea loc doar procesul de descompunere a ozonului sub influenţa NO, adică
scăderea nivelul de ozon.
Conţinutul de ozon în aerul din apropierea solului nu se datorează numai NO-ului
rezultat din trafic, respectiv din procesele industriale, ci şi proceselor de nitrificare ce au loc în
sol, precum şi incendiile de păduri produc cantităţi importante de NO. Prin arderea biomasei
cantităţi mari de CO şi compuşi organici ajung în atmosferă şi astfel se intensifică producerea
ozonului.
Programul de Mediu al ONU la Conferinţa din Berlin în 1985 s-a ocupat prima dată de
subţierea stratului de ozon din stratosferă şi s-a lansat un program mondial pentru cercetarea
şi ocrotirea scutului de ozon.
Obligaţiile concrete sunt conţinute în Tratatul de la Montreal din 1987, conform căruia – ca
prim pas – utilizarea a cinci compuşi freonici trebuie redusă la nivelul anului 1986, dar pentru
1998 s-a prescris deja o reducere cu 50%. In 1990 la Londra a fost completat tratatul şi anume
aceste substanţe trebuiau înlocuite cu alte substanţe nedăunătoare până în 2000. In 1992 la
Capitolul I. Atmosfera
Copenhaga au introdus noi restricţii, conform cărora se interzice complet folosirea halonilor
din 1994 şi a altor substanţe, de exemplu unii dezinfectanţi de sol din 1996. In 1995 la Viena
s-au introdus alte restricţii pentru a restabili starea de echilibru al clorului – duşmanul
ozonului în stratosferă.
1.9. Circulaţii atmosferice, conţinutul de apă al atmosferei
1.9.1. Mişcarea maselor de aer
La studiul mişcării unei mase de aer se ia în consideraţie forţa de sustentaţie din partea aerului
înconjurător precum şi forţa de gravitaţie. Din rezultanta lor se obţine acceleraţia a a masei de
aer orientată în sus:
gravsus FFMa −= (6a)
gVgaV ρρρ −′= (6b)
−′
= 1gaρρ (7)
unde ρρ ′, sunt densităţile masei de aer, respectiv a aerului înconjurător. Dacă densitatea
masei de aer este mai mică decât cea a aerului înconjurător mişcarea va fi ascendentă, iar dacă
densitatea masei de aer este mai mare în comparaţie cu aerul înconjurător mişcarea va fi
descendentă.
Densitatea este invers proporţională cu temperatura (se poate observa de exemplu şi pe baza
legii gazului ideal); ecuaţia (7) se poate scrie şi sub forma:
−
′= 1
TTga (8)
Masa de aer se va mişca accelerat în sus până ce are temperatură mai mare decât aerul din
împrejurimi. In timpul înălţării scade temperatura masei de aer. Această răcire se poate
explica prin faptul că în straturile de mai sus se exercită o presiune mai mică asupra masei de
aer şi ea brusc, adică adiabatic, se dilată şi în acelaşi timp temperatura ei scade. Dacă masa de
aer este umedă, apa se condensează în timpul mişcării ascendente deoarece se răceşte.
Datorită căldurii degajate în timpul condensării temperatura aerului umed scade mai puţin,
adică se înalţă cu acceleraţie mai mare decât aerul uscat.
Acceleraţia înălţării depinde deci şi de modificarea temperaturii masei de aer în
mişcare, respectiv a aerului înconjurător o dată cu creşterea înălţimii. Dacă temperatura
aerului în mişcare scade mai puţin ca cea a mediului înconjurător, atunci el se va ridica în
Capitolul I. Atmosfera
continuu, deoarece astfel totdeauna temperatura masei de aer ascendent este mai mare. Dacă
în atmosferă este inversiune, atunci cu creşterea înălţimii creşte temperatura mediului
înconjurător, iar masa de aer mişcătoare se răceşte continuu.
Când temperatura masei de aer va fi mai mică decât temperatura mediului la acelaşi nivel,
masa de aer rămâne stabilă, adică nu se mai ridică în continuare. În asemenea situaţii se
formează norii plaţi, ondulaţi.
În timpul zilei temperatura masei de aer în apropierea solului se schimbă în conformitate cu
schimbarea intensităţii radiaţiei solare, respectiv a radiaţiei suprafeţei terestre.
Dimineaţa la ora 4 radiaţia suprafeţei terestre este intensă, astfel temperatura straturilor din
apropierea solului scade odată cu temperatura suprafeţei solului, adică apare o inversiune. La
ora 9 solul deja se încălzeşte semnificativ din cauza radiaţiei solare şi astfel temperatura va
scădea o dată cu creşterea înălţimii. La orele prînzului, acest efect va fi cel mai puternic. Pe la
ora 16, o dată cu scăderea radiaţiei solare, straturile aflate aproape de suprafaţă vor fi mai
puţin calde faţă de straturile de la înălţimi mai mari. Apariţia circulaţiilor ascendente depinde
şi de condiţiile termice ale diferitelor nivele ale atmosferei, adică de gradientul vertical de
temperatură. Pe baza criteriului că temperatura masei de aer nesaturat ascendent scade cu
10oC pe 100 m, deosebim trei cazuri:
a) Aerul înconjurător se răceşte cu mai puţin de 10oC pe 100 m. În acest caz aerul
ascendent se răceşte mai mult ca mediul înconjurător, astfel şi densitatea lui creşte
într-o măsură mai mare. La o anumită înălţime, când va avea densitate mai mare decât
mediul înconjurător, începe să coboare. Astfel începe o circulaţie de aer descendent
care încetează când temperatura masei de aer în mişcare devine egală cu cea a
mediului.
b) Scăderea temperaturii mediului pe 100 m înălţime este mai mare decât 10oC. În acest
caz, coloana de aer ascendentă se răceşte mai puţin decât mediul, adică tot timpul va fi
mai caldă şi deci mai puţin densă faţă de el. Această masă de aer se ridică continuu
până ce ajunge la un strat de aer cu care are aceeaşi temperatură. Astfel de circulaţii de
aer ascendente dau naştere la norii denşi la înălţimi mari.
c) Temperatura mediului scade (exact ca şi cea a masei de aer ascendent) cu 10oC pe
100 m. Temperatura şi densitatea celor două mase de aer coincid astfel şi nu se
produce nici o circulaţie ascendentă nici descendentă.
Primul model de descriere a circulaţiei maselor de aer a fost cel unicelular al lui Hadley
din 1735. Ideea fundamentală din acest model a fost că există o circulaţie de aer ascendentă la
Ecuator, iar la poli una descendentă, iar între cele două se formează o celulă compactă.
Capitolul I. Atmosfera
Această circulaţie de aer la înălţime pornind de la Ecuator spre poli se poate interpreta şi pe
baza cunoaşterii formulei de înălţime barometrică. Pe baza ei, presiunea scade exponenţial cu
creşterea înălţimii:
TRhgM
0epp−
= (9)
unde 0p este presiunea măsurată la nivelul mării, p este presiunea corespunzătoare înălţimii
h , M este masa molară medie a aerului, R este constanta universală a gazelor, T este
temperatura. Temperatura variază cu înălţimea, astfel T înseamnă o temperatură mediată după
înălţime.
Din relaţia (9) se vede că presiunea aerului la o temperatură mai ridicată scade mai
puţin o dată cu creşterea înălţimii, astfel la aceeaşi înălţime deasupra tropicelor presiunea
aerului este mai mare decât deasupra polilor. În regiunea Ecuatorului, Soarele se ridică tot
anul deasupra orizontului, în timp ce regiunile de la poli sunt atinse doar sub un unghi mic.
Asemenea poziţie a Soarelui determină ca suprafaţa terestră – şi împreună cu ea şi stratul de
aer care intră in contact cu suprafaţa – în regiunea Ecuatorului să primească tot anul o
cantitate importantă de căldură. În schimb, în regiunile polare, solul se răceşte mult şi această
pierdere de căldură nu poate fi compensată de efectul de încălzire slab al Soarelui. Astfel pe
Pământ se formează două centre unul de aer rece şi respectiv altul de aer cald. Dacă Pământul
nu s-ar roti în jurul axei sau dacă suprafaţa terestră ar fi peste tot de aceeaşi natură, atunci
circulaţia curgerii maselor de aer ar fi foarte simplă. În acest caz stratul inferior al troposferei
ar fi cel mai cald deasupra Ecuatorului, iar cel mai rece deasupra polilor; astfel presiunea şi
densitatea aerului tot în regiunea polilor ar fi cea mai ridicată, iar deasupra Ecuatorului cea
mai joasă. La înălţime ar fi invers, aer cu presiune şi densitate ridicate deasupra Ecuatorului,
iar scăzut deasupra polilor. Pe suprafaţa terestră s-ar forma un curent de aer care ar duce
masele de aer dinspre poli spre Ecuator, iar în straturile înalte curentul de aer ar duce de la
Ecuator spre poli. În plus, ar exista la poli un curent de aer ascedent.
Mai târziu, pe baza experienţelor navigatorilor s-a elaborat aşa numitul model cu trei
celule. Conform acestuia, există o aşa numită celulă Hadley, care are la tropice o ramură
ascendentă, iar în zonele dintre cercul de latitudine 20o-30o o ramură descendentă. Aerul
foarte umed de deasupra tropicelor se răceşte doar în mică măsură din cauza condensării,
astfel mişcarea ascendentă a acestuia este foarte intensivă.
Ramura descendentă a zonei Hadley se poate explica prin răcirea treptată a maselor de aer ce
se mişcă spre poli. La poli găsim celule polare. Mişcarea lor deasupra polilor este
descendentă, apoi spre sud, respectiv spre nord ascendentă, ceea ce se poate explica prin
Capitolul I. Atmosfera
încălzirea de acolo. Între cele două celule se găseşte aşa numită celulă Ferrel care se leagă de
ele ca roata dinţată.
Tabloul circulaţiei maselor de aer diferă însă faţă de cele descrise de modelele de mai
sus. Forţa Coriolis care rezultă din mişcarea de rotaţie a Pământului modifică curgerea
maselor de aer. Direcţia mişcării maselor de aer este deviată în emisfera nordică spre dreapta,
iar în emisfera sudică, spre stânga. De-a lungul latitudinii de 30o influenţa rotaţiei Pământului
este atât de puternică încât masele de aer curg deja dinspre sud-vest vest, apoi chiar dinspre
vest. Ca o consecinţă a modificării direcţiei mişcării de aer în jurul latitudinii de 23,5o, în
straturile superioare ale troposferei aerul curge exclusiv din direcţia vest, iar această curgere
este ca un inel ce înconjoară tot globul pământesc. Această curgere de aer dinspre vest
reprezintă o piedică, îngreunează avansarea aerului Ecuatorial spre nord. La latitudinea
geografică de 30o masele de aer se aglomerează, ceea ce duce la creşterea presiunii la
suprafaţa terestră, iar în straturile coborâte ale troposferei întoarce aerul înapoi spre Ecuator.
În timpul întoarcerii, drept efect al rotaţiei Pământului, aerul din nou este deviat spre dreapta
(în emisfera sudică spre stânga) şi în zona dintre latitudinea 30o şi Ecuator este deviat astfel
încât curge din direcţia nord-est. Astfel în această zonă se produce un proces ciclic de
circulaţie. In plus, deasupra Ecuatorului găsim curenţi ascendenţi, iar la latitudinea 30o curenţi
descendenţi.
La latitudini mai mari în emisfera nordică, adică între 30o şi Polul Nord masele de aer
circulă ceva diferit. Pe suprafaţa terestră la nivelul latitudinii 30o se formează o creastă de
presiune ridicată, după care spre poli presiunea scade treptat. În acelaşi timp, din cauza
aglomerării maselor de aer rece în zona polară, la Polul Nord presiunea este mare şi de la Pol
scade treptat mergând spre sud. Astfel, între cercurile de latitudinea 45o şi 70o se formează o
zonă în formă de brazdă cu presiune joasă. Din cauza acestui sistem de presiune în această
parte există doi curenţi de aer: unul de la tropice spre nord, celălalt de la pol spre sud. Din
cauza rotirii Pământului ambii curenţi se întâlnesc astfel că masa de aer din sud (mai cald)
curge aproape exact dinspre vest spre est, iar masa de aer nordic (mai rece) curge aproape
exact dinspre est spre vest.
Rotaţia Pământului împarte atmosfera deci în părţi cu temperatură şi umezeală diferite;
o parte mai caldă care constă din masa de aer din împrejurimea Ecuatorului şi una mai rece
care este formată din aerul polar. Variaţiile de temperatură şi ale altor factori meteorologici
sunt importante când trecem dintr-o masă de aer în alta.
Masa de aer mai cald care încearcă să înainteze de la tropice spre poli se numeşte aer
tropical, iar cea mai rece, care curge dinspre poli spre tropice se numeşte aer arctic. Între
Capitolul I. Atmosfera
cele două mase de aer, între latitudinile 55o şi 60o se găseşte masa de aer polar care prezintă
proprietăţi tranzitive.
Figura 7. Modelul curenţilor atmosferici
Aceste mase de aer sunt despărţite de zone de trecere, numite suprafeţe de separaţie
sau suprafeţe de front. Prin front atmosferic înţelegem zona de trecere dintre două mase de
aer din troposferă care au proprietăţi fizice diferite. Suprafaţa de front care separă aerul arctic
de cel polar se numeşte front arctic, iar cea dintre aerul polar şi aer tropic se numeşte front
polar. Dintre masele de aer care se întâlnesc de-a lungul suprafeţelor de front, masa de aer
mai cald se ridică şi se mişcă aproximativ în sens contrar faţă de aerul mai rece.
În atmosfera terestră sunt determinante componentele estice şi vestice ale sistemelor
de curenţi. Se deosebesc trei zone de curenţi în troposferă. Deasupra tropicelor vântul pasat
estic este predominant. Grosimea acestuia scade cum ne îndepărtăm de Ecuator. Sub vântul
pasat găsim zona tropicală ascendentă, lăţimea căreia este de câteva grade de latitudine şi îşi
modifică poziţia în fiecare anotimp. În zona moderată se găseşte un curent vestic, care în
lunile de vară se lăţeşte spre poli însă iarna locul lui este preluat la poli de vânturi estice. La
limita troposferei şi stratosferei găsim aşa numiţii curenţi rapizi caracteristic pentru ei fiind
viteza de vânt crescută. Locul curentului alergător este variabil în funcţie de anotimp. În
stratosferă vara predomină vânturi estice, iar iarna vânturi vestice.
În afara sistemelor de vânturi constante, cunoaştem şi aşa numiţii cicloni respectiv
anticicloni, mase uriaşe de aer executând mişcare în vârtejuri, care influenţează puternic
vremea. Ei sunt caracteristici în special pentru clima moderată. Conform modelului lui
Rossby şi Palmer formarea lor se poate interpreta ca rezultatul comun al curgerilor de aer rece
dinspre poli, de aer cald din direcţia Ecuatorului precum şi al curenţilor vestici.
Vânturi esticeCentură de presiune
Vânturi polare
Centură de presiune
Centură de presiune
Centură de presiune
Centură de presiuneVânturi polareCentură de presiune
Pasat nord-estic
Pasat sud-estic
Vânturi vestice
Capitolul I. Atmosfera
Curentul maselor de aer ce se mişcă în direcţia vest-est este perturbat de masele de aer ce
sosesc de la poli, respectiv din direcţia Ecuatorului. Apar oscilaţii de amplitudine mare, în
care masele de aer – în urma frecării aerului – încep să se învârte independent. Apar sisteme
legate gen roţi dinţate. Apar curenţi de aer ascendenţi de presiune joasă - cicloni, respectiv
curenţi de aer descendenţi de mare presiune – anticicloni. Din cicloni – în cazul conţinutului
mare de vapori – se pot aştepta precipitaţii. Bineînţeles şi între cicloni şi anticicloni apare
curent de aer datorită diferenţei mari de presiune.
1.9.2. Apa din atmosferă
În atmosferă se găsesc 4103,1 ⋅ km3 de apă, ceea ce este mai puţin decât o sută de
miime parte din apa totală a Pământului. 99% din apa totală a atmosferei se găseşte în
troposferă şi doar 3% există în stare negazoasă.
Apa ajunge în atmosferă din oceane şi într-o măsură mai mică din apele de pe uscat.
Oceanele furnizează anual 5105,4 ⋅ km3 apă în atmosferă, iar apele teritoriale 51075,0 ⋅ km3.
Din această cantitate de apă, sub formă de precipitaţii cad în oceane 5101,4 ⋅ km3, iar pe uscat51008,1 ⋅ km3. Luând în consideraţie tot Pământul, cantitatea de apă ce ajunge în atmosferă şi
cea care o părăseşte anual în medie este aceeaşi, adică putem vorbi de echilibru. În cazul
uscatului, în schimb, mai multă apă ajunge aici decât ce a plecat, iar în cazul oceanelor este
invers. Evident prin debitele de apă diferenţa de cantitate de apă ajunge înapoi în oceane. Apa
din atmosferă se schimbă în 8-9 zile.
1.9.3. Legătura între circulaţia atmosferică şi conţinutul de vapori de apă
Din punct de vedere al vaporilor de apă aerul poate fi saturat (presiunea p a vaporilor
de apă din ea este egală cu presiunea de vapori saturaţi ps corespunzătoare temperaturii date)
nesaturat (p<ps) şi suprasaturat (p>ps). Dacă aerul saturat devine suprasaturat, surplusul de
apă se condensează.
Suprasaturaţia apare dacă în aer ajung în continuare vapori de apă sau dacă temperatura
aerului scade astfel încât umezeala pe care o conţine este deja suficientă pentru saturaţie.
Următoarele procese favorizează saturarea aerului cu vapori de apă:
- aerul în timpul urcării convective sau dinamice se răceşte;
- straturile de aer apropiate de sol se răcesc puternic în urma radiaţiei de căldură
nocturne;
Capitolul I. Atmosfera
- evaporarea de pe suprafeţe mari, deschise, de apă caldă creşte puternic
conţinutul de umezeală al aerului;
- aerul mai cald şi mai umed se amestecă cu aer mai rece;
Masa de aer ascendent se răceşte şi astfel după un interval de timp atinge acea
temperatură la care masa de aer devine saturată în vapori de apă. Dacă masa de aer urcă în
continuare, adică se răceşte în continuare, începe condensarea surplusului de vapori, ceea ce
cauzează suprasaturaţia, adică începe formarea de nori. Nivelul formării norilor se poate da cu
ajutorul punctului de rouă. Punctul de rouă este acea temperatură la care aerul, prin răcire.
devine saturat cu vapori de apă. Devierea nivelului punctului de rouă înseamnă în acelaşi timp
şi nivelul formării de nori.
Limita inferioară a înălţimii de condensare (h) a norilor ce iau naştere pe cale
convectivă se poate da cu formula:
m120)tt(h r ⋅−= (10)
unde t este temperatura aerului şi tr este punctul de rouă.
Procesul de condensare se împarte în trei etape:
- etapa 1: seceta – durează până ce umiditatea din aer nu atinge saturaţia;
- etapa 2: formarea norilor – începe când vaporii de apă din aer ajung în stare
de saturaţie datorită scăderii temperaturii, apoi răcind în continuare ajung în
stare suprasaturată şi apa „de prisos” se condensează. Masa de aer urcă în
continuare şi se răceşte mai departe; ea devine suprasaturată din nou şi apare
condensare continuă. De menţionat, că spre deosebire de aerul nesaturat
ascendent a cărui temperatură scade cu 1oC la fiecare 100 m înălţime, la aerul
saturat temperatura scade doar cu 0,56oC.
- etapa 3: formarea gheţii – începe când temperatura picăturilor de apă, ridicate
de curenţii ascendenţi ai aerului scade bine sub 0oC. De obicei, la temperaturi
între -10oC şi -20oC încep să îngheţe picăturile şi în urma fenomenului se
degajă căldură.
Pentru condensare este nevoie şi de prezenţa aşa numitelor nuclee de condensare. În
aerul perfect curăţat de orice impuritate nu porneşte condensarea nici la concentraţia de vapori
de apă de şase ori valoarea concentraţiei de saturaţie, căci vaporii de apă se pot condensa doar
pe particule în suspensie care împiedică evaporarea în stadiul iniţial a picăturilor de apă
microscopice, respectiv a cristalelor de gheaţă microscopice. Experienţa arată că picăturile de
apă se condensează pe alte nuclee decât praful de diamant; acele de gheaţă se condensează în
exclusivitate pe nuclee solide; de exemplu praf de mărime microscopică, nuclee de siliciu, ba
chiar şi cristale de gheaţă microscopice ridicate în straturile superioare ale troposferei.
Capitolul I. Atmosfera
1.9.4. Produşii condensării şi sublimării vaporilor de apă
Condensarea vaporilor de apă atmosferici poate apărea în două moduri. Putem vorbi
de condensare superficială, respectiv de condensare în interiorul volumului. În cazul
condensării superficiale, condensarea are loc pe suprafeţele în contact cu aerul, de exemplu la
formarea rouei (microprecipitaţii), brumei şi chiciurii.
În cadrul condensării în volum se formează ploaia, zăpada, grindina (macroprecipitaţii) atunci
când în aer se formează cristale mici de gheaţă, picături de apă caldă.
Condensarea şi sublimarea vaporilor de apă poate avea loc: pe suprafaţa solului,
respectiv pe obiectele ce se găsesc pe sau deasupra ei, în straturile cele mai joase ale aerului,
în straturi apropiate de Pământ, la o anumită înălţime deasupra Pământului.
În primul caz produşii condensării sau sublimării vaporilor de apă sunt condensările pe
suprafaţa terestră, în al doilea caz umezeală şi ceaţă, iar în al treilea caz se formează nori care
pot produce precipitaţii şi furtuni.
a) Condensări pe suprafaţa solului
Precipitaţiile numite condensări pe suprafaţa solului apar în special sub formă de rouă, brumă,
chiciură şi strat de gheaţă.
Roua se formează pe sol (pe fire de iarbă), pe frunzele copacilor şi trufelor precum şi
pe acoperişul caselor. Cauza formării ei este că vaporii de apă din stratul de aer în contact
direct cu obiectele amintite se condensează sub forma unor picături mărunte, deoarece aceste
obiecte în urma radiaţiei intense de căldură se răcesc. În formarea rouei, pe lângă umezeala
din aer, influenţează şi umiditatea existentă în straturile superioare ale solului. Acest tip de
condensare apare în anotimpul mai cald, inclusiv în perioada de sfârşit de primăvara şi început
de toamnă. Cel mai des se formează seara, imediat după apusul Soarelui, în special dacă cerul
este clar şi vântul bate slab.
Bruma constă din cristale de gheaţă sub formă de solzi, ghimpe, puf şi globuleţe, care
sunt strâns aşezate una lângă alta. Această condensare apare în condiţii similare cu roua când
pe sol (sau pe obiecte) temperatura scade sub 0oC. Acest tip de condensare apare mai ales
noaptea respectiv în zori, când temperatura solului este cea mai scăzută.
Chiciura este un strat pufos alb care constă din cristale de gheaţă de mărime
microscopică. Apare pe vreme ceţoasă, geroasă, când particulele de ceaţă suprarăcite intrând
în contact cu orice obiect, îngheaţă pe el. Această formă de condensare apare în special pe
Capitolul I. Atmosfera
suprafeţe verticale, se formează mai ales pe marginile şi vârfurile obiectelor de partea vântului
şi poate exista la orice oră a zilei.
Stratul de gheaţă este un strat neted, transparent care se formează atât pe suprafeţe orizontale
cât şi pe verticale. Apare când ceaţa densă sau picăturile puternic răcite ale burniţei ating
suprafaţa terestră sau obiecte având 0oC sau mai puţin.
b) Ceaţa şi aerul ceţos
Se numeşte ceaţă acea formă de condensare a vaporilor de apă când vizibilitatea
orizontală în stratul de aer din vecinătatea solului se reduce sub 1000 m. În cazul unei
vizibilităţi între 1 şi 10 km vorbim de aer ceţos. În cazul formării ceţii temperatura aerului
atinge punctul de rouă. Dacă fenomenul apare peste 0oC, atunci ceaţa constă de regulă din
picăţelele de mărime macroscopică, mai mici de 0,005mm. Dacă la formare temperatura este
sub 0oC, atunci picăturile sunt suprarăcite şi în cursul contactului lor cu obiecte se formează
prin condensare, brumă.
Cauzele formării ceţii pot fi diferite, de aceea ceaţa poate fi de diferite tipuri. Ceaţa de
radiaţie se formează când solul – împreună cu el şi aerul de lângă sol – în urma radiaţiei de
căldură se răceşte puternic. În special în adâncituri (drumuri adâncite, văi) apare, deasupra
terenurilor umede (lângă râuri, lacuri, mocirlă, păşuni umede, păduri, etc.) şi zone industriale.
Ceaţa de convecţie se formează când deasupra solului puternic răcit curge aer mai cald şi mai
umed. Frontul de ceaţă este rezultatul unor lungi perioade ploioase, deoarece atunci, respectiv
după, pe suprafaţa solului evaporarea este puternică.
c) Nori
Acea formă de condensare care apare în stratul de aer la înălţime mai mare de sol, se
numeşte nor. Procesele de formare ale norilor sunt diferite, de aceea se pot observa diferite
tipuri de nori. Baza diferenţierii constituie: forma exterioară a norilor, constituţia interioară şi
în plus baza şi vârful lor, adică înălţimea limitei lor superioare.
Deşi procesele de formare sunt diferite, dar cauza principală a formării oricărui nor
reprezintă scăderea temperaturii aerului sub punctul de rouă. Această răcire a aerului poate
rezulta din ridicarea aerului în straturi din ce în ce mai înalte sau deoarece aerul mişcându-se
pe orizontală ajunge deasupra unor teritorii ale căror sol are temperatură mai scăzută decât cea
a masei de aer.
Capitolul I. Atmosfera
Norii cumulus apar sub forma unor cupole sau turnuri individuale care cresc în direcţia
verticală cu înălţimea. Lăţimea şi înălţimea lor atinge deseori şi valoarea de câţiva kilometri.
Norii stratus se întind în plan orizontal, mai mult sau mai puţin alungit, sub formă de
înveliş, în zone sau ca nişte fibre ramificate ca penele.
Norii stratocumulus apar sub forma unor discuri în grup, linii paralele, mameloane sau
formaţiuni ramificate radial.
Norii pot fi clasificaţi şi pe baza cauzei ascensiunii aerului şi astfel deosebim nori
convectivi, orografici şi de front. În cazul norilor convectivi încălzirea şi astfel scăderea
densităţii este cauza ridicării masei de aer, la norul orografic mişcarea aerului este ghidată de
munţi. În cazul norilor de front întâlnirea aerului cald şi rece determină mişcarea aerului. În
cazul frontului cald, aerul cald ajunge din urmă aerul mai rece ce avansează mai încet în faţa
lui. Întrucât aerul cald are viteză de curgere mai mare, alunecă pe partea superioară a
frontierei aerului rece. În cazul frontului rece, aerul rece se deplasează în direcţia aerului mai
cald. Aerul rece pătrunde sub aerul cald ca o pană şi astfel îl ridică. Dacă aerul se ridică
repede, din cauza mişcării dezordonate se formează formaţiuni de nori cumulus. Dacă aerul se
ridică încet, atunci se formează nori stratus.
d) Precipitaţia atmosferică
Precipitaţiile atmosferice sunt produse de condensare, căzute din nori pe suprafaţa terestră.
Precipitaţia poate fi lichidă, solidă sau în stare de agregare amestecată, astfel:
- precipitaţia lichidă: bura şi ploaia;
- precipitaţia solidă: zăpada, măzărichea, grindina şi grindina măruntă
(precipitaţie constând din ace de gheaţă căzătoare);
- precipitaţia cu stare de agregare mixtă: lapoviţa.
Ploaia constă, în general, din picături de apă mai mari de 0,05 mm, picăturile se pot
distinge clar unele de altele.
Bura este o precipitaţie uniformă care constă din picături foarte mici. Diametrul
picăturilor este mai mică de 0,5 mm. Bura cade din nori, închişi şi denşi, care pot coborî şi
până la sol, adică pot forma ceaţă.
Ninsoarea constă din fulgi de nea, alcătuite din cristale de gheaţă hexagonale ramificate.
De multe ori se amestecă cu ace de gheaţă. Zăpada grăunţoasă constă din biluţe albe, opace
ale căror structură seamănă cu cea a fulgilor de nea (diametrul lor este mai mic de 1mm).
Biluţele căzând pe sol nu sar înapoi în mod vizibil şi nu se sparg. Această precipitaţie cade în
special din norii stratus şi din ceaţă.
Capitolul I. Atmosfera
Măzărichea moale este mulţimea particulelor de gheaţă albe rotunde, opace, având
diametrul de 2-5 mm, casante. Dacă ajung pe sol tare, sar înapoi. Această precipitaţie apare
mai ales la temperatura în jur de 0oC, în special deasupra uscatului.
Măzărichea tare este formată din particule translucide de gheaţă, cu diametru 2-5 mm,
strălucitoare sticloase. Ploaia îngheţată are nişte particule de gheaţă dure, semi sau total
transparente, de formă circulară sau neregulată, de diametru 1-4 mm. Căzând pe solul tare
particulele se rup în bucăţi. Această precipitaţie se formează din ploaia obişnuită, când
picăturile de apă, în cădere, trec printr-un strat de aer având temperatura sub 0oC.
Lapoviţa este o precipitaţie constând din apă suprarăcită. O parte din picăturile de apă
căzând pe obiectele de pe sol, îngheaţă şi formează o glazură de gheaţă. Dacă avionul
traversează o astfel de zonă de ploaie, atunci pe aripi, pe suprafeţele calde se formează straturi
de gheaţă cu efect nefast.
Grindina este formată din bucăţi de gheaţă de diametru 5-50 mm, chiar mai mari, de
formă rotundă sau neregulată, care se prezintă individual sau mai multe îngheţate împreună în
forme neregulate.
Grindina măruntă sunt cristale de gheaţă foarte mărunte, neramificate, de formă
beţişoare sau plăcuţe, deseori atât de mărunte, încât chiar sub influenţa unor circulaţii uşoare,
verticale de aer se pot înălţa în aer.
Etapele fizice principale ale formării de nori şi căderii precipitaţiei sunt următoarele: aerul
ascendent se răceşte şi astfel îi creşte umezeala relativă. Când temperatura scade sub punctul
de rouă, aerul devine suprasaturat. Vaporii de apă din aer se condensează pe cristale de
gheaţă, particule de aerosol sau pe alte nuclee de condensare. La început picăturile astfel
formate sunt mai mici de 20 µm, dar cresc până la de 2-3 ori această dimensiune. Valoarea
presiunii de vapori saturaţi deasupra gheţii la aceeaşi temperatură este mai mică decât
deasupra apei. Astfel la acea valoare de presiune de vapori care deasupra gheţii înseamnă deja
valoare saturată, apa încă se evaporă, iar vaporii de apă condensează pe gheaţă. Masa şi
dimensiunea gheţii creşte, iar masa apei scade. Picăturile având viteze de cădere diferite se
pot uni unele cu altele. Picăturile mai mari cad mai repede în comparaţie cu cele mici, astfel în
cădere se vor ciocni. Elementele de nori după o anumită dimensiune părăsesc norul şi cad spre
suprafaţa terestră. În straturile de aer mai joase, mai calde, grăunţele de gheaţă se topesc şi
ajung deja sub formă de ploaie pe suprafaţa terestră. În timpul iernii, aerul apropiat de
suprafaţa terestră este mai rece şi precipitaţia ajunge sub formă de gheaţă sau zăpadă pe
Pământ.
Capitolul I. Atmosfera
Vara se formează bucăţi mari de gheaţă în nori – în caz de curent ascendent intensiv – care
vor cădea spre suprafaţa terestră cu o viteză atât de mare că nu este timp suficient să se
topească şi ajung sub formă de grindină pe Pământ.
Nucleele de condensare necesare de obicei sunt de origine naturală, dar gazele industriale
şi gazele de fum rezultate din ardere furnizează nuclee de condensare artificială. În condiţii
normale într-un cm3 de aer se găsesc câteva sute de nuclee de condensare. Deasupra oraşelor
mari sau a zonelor industriale acest număr poate fi de ordinul sutelor de mii. Deasupra
uscatului sunt mult mai multe nuclee de condensare în aer decât deasupra oceanelor, astfel la
o anumită suprasaturaţie deasupra uscatului se formează mult mai multe picături mărunte de
nor, iar deasupra oceanelor se formează mai puţine picături de nor, dar de dimensiuni mai
mari. Norii cu diametru mai mic, dar de concentraţie mai mare, reflectă mai mult razele
solare. Din acest motiv creşterea numărului nucleelor de condensare (de exemplu datorită
efectelor antropogene) scade intensitatea radiaţiei solare ce ajunge pe suprafaţa Pământului.
Majoritatea norilor se găsesc deja la nivele unde temperatura este sub 0oC, totuşi
majoritatea norilor sunt formaţi din apă, apă suprarăcită. La temperaturi mai ridicate de -7oC
se găsesc elemente de nor în exclusivitate lichide, iar la temperaturi sub -40oC unicele
componente ale norilor sunt cristalele de gheaţă.
1.10. Starea electrică a atmosferei
Atmosfera conţine foarte multe particule de gaz ionizate şi în plus o parte din
numeroşii aerosoli solizi şi lichizi sunt în stare ionizată. Mărimea ionilor din aer este foarte
diferită, şi anume de la mărimi atomice până la mărimi vizibile cu ochiul liber. Ionizarea
gazului atmosferic este slabă, deoarece în atmosferă efectele ionizante nu sunt prea puternice,
respectiv ionii se transformă foarte repede înapoi în molecule prin mişcarea termică puternică
şi ciocniri. Ionizare mai semnificativă apare acolo unde există efect de ionizare mai puternic şi
unde există posibilitatea separării sarcinilor.
1.10.1. Ioni aflaţi în atmosferă
După masa ionilor aflaţi în atmosferă deosebim trei grupe:
- ioni mici, grupă din care fac parte ionii de mărime moleculară precum şi
electronul însuşi. În sfera de jos se pot găsi doar în concentraţie mică, dar în
Capitolul I. Atmosfera
termosferă numărul lor este semnificativ. La ionizarea aerului curat se
formează doar ioni mici;
- ioni mijlocii, care sunt particule solide sau lichide formate din mai multe
molecule, plutind în aer. Numărul lor este constant, 700 cm-3, nu depinde nici
de tipul aerului, nici de condiţiile externe;
- ioni mari, particule formate din câteva milioane de molecule. Din această
categorie fac parte şi nucleele de condensare care fac posibilă şi formarea
norilor. În aer foarte poluat concentraţia lor poate atinge şi valoarea de 50 000
cm-3.
Ionii din atmosferă sunt produşi de următoarele procese: radiaţie radioactivă de pe suprafaţa
terestră, respectiv din atmosferă, radiaţia cosmică, radiaţia solară ultravioletă, radiaţia
particulelor solare.
Radiaţia substanţelor de pe suprafaţa terestră ajunge în partea cea mai joasă a
atmosferei şi depinde mult de condiţiile suprafeţei terestre şi cele geologice. Aerul însuşi
conţine substanţe radioactive de exemplu Rn, Th, 14C, 3H. Radiaţia acestora produce doar
puţini ioni, dar în apropierea solului cantitatea semnificativă de Rn ce rezultă din sol joacă
deja un rol important în ionizare.
Factorul de ionizare cel mai important este radiaţia cosmică, a cărei intensitate creşte
cu înălţimea şi astfel stratul superior (atmosfera rară) este deja un conductor electric puternic.
La înălţimi mai mari sunt importante şi radiaţiile solare ultraviolete şi corpusculară.
Mobilitatea particulelor încărcate electric este direct proporţională cu sarcina electrică
şi invers proporţională cu masa. Conform acestei dependenţe, în straturile joase ale
atmosferei, unde se găsesc ioni mari, conductibilitatea electrică este mică. Ionii mari, pe lângă
mobilitatea lor mică, şi datorită absorbţiei particulelor mici încărcate cu electricitate opusă –
proces prin care le neutralizează – reduc mărimea conductibilităţii electrice.
1.10.2. Fenomene electrice în atmosferă
Suprafaţa terestră – indiferent că este vorba de sol, mai ales solul umed sau apele – este un
bun conductor electric. Stratul inferior al atmosferei, până la înălţimea de 70-80 km nu este
conductor electric, dar straturile superioare deja pot fi considerate conductoare, iar în
straturile atmosferice la înălţimea de 100-130 km conductibilitatea electrică coincide cu cea a
apelor dulci. În realitate şi straturile atmosferice joase pot deveni conductoare, de exemplu în
timpul furtunilor.
Capitolul I. Atmosfera
Suprafaţa terestră, în general, este negativ încărcată, iar atmosfera pozitiv, astfel între ele
apare un potenţial electric al cărui valoare variază cu înălţimea. Pe şes, în zilele obişnuite,
între sol şi înălţimea de 1m poate fi o diferenţă potenţial chiar de 100V. La înălţimea de 10
km această valoare devine doar 10 V, adică gradientul de potenţial electric scade puternic cu
înălţimea. Diferenţa de potenţial între sol şi stratul superior al atmosferei este aproximativ
400000V.
Se constată mari oscilaţii ale potenţialului electric atmosferic, în care se pot găsi şi
periodicităţi diferite. Măsurătorile efectuate în diferite locuri ale Pământului arată că în iunie-
iulie potenţialul electric este minim, iar în decembrie-ianuarie este maxim. Întrucât în primul
caz, Pământul este aproape de Soare şi în al doilea caz departe, evident fenomenul se poate
explica prin efectul Soarelui. Nu prea caracteristic, dar se poate evidenţia şi o oscilaţie zilnică:
un maxim de ordinul întâi seara şi unul de ordinul doi la prânz; respectiv un minim de ordinul
întâi în zorii zilei şi unul de ordinul doi după-masă.
Este interesant că deasupra oceanelor apare doar minim-maxim, precum şi faptul că indiferent
de locul geometric, maximul se poate măsura în acelaşi moment.
În plus, există şi o periodicitate de 11 ani, pentru care explicaţia este activitatea petelor
solare care se modifică în fiecare 11 ani.
În timpul furtunilor, viscolelor, potenţialul electric creşte semnificativ, iar în cazul
circulaţiilor de aer descendente apare o scădere. Cauza acestora este schimbarea locului, a
înălţimii stratului superior conductor.
În cazul erupţiilor vulcanice creşte semnificativ potenţialul electric al atmosferei. Cu
asemenea ocazii o cantitate mare de apă ajunge în atmosferă, de aceea se poate presupune că
şi vaporii de apă joacă un rol important în creşterea potenţialului electric.
1.10.3. Starea electrică a norilor de ploaie
Cele mai importante două tipuri de nori de ploaie sunt norii stratus care aduc ploaie măruntă
şi norii cumulus care aduc ploaie torenţială. Cei din urmă sunt înguşti, se înalţă foarte sus,
dar aduc ploaie violentă pe o întindere mică. Norii cumulus iau naştere în curenţi de aer
ascendenţi pe verticală cu viteză foarte mare. Această viteză mare explică forma lor gen
coloană, mărimile mari ale stropilor de ploaie şi fenomenele electrice care apar. Dintre aceste
fenomene cel mai important este fulgerul care este o descărcare electrică enormă între nor şi
Pământ, respectiv între cei doi centri de sarcini electrice opuse ai norului. Pentru apariţia lui
este nevoie ca între nori şi suprafaţa terestră să ia naştere o diferenţă de potenţial de câteva
milioane de volţi, adică în nori să se acumuleze o cantitate foarte mare de sarcină electrică.
Capitolul I. Atmosfera
Astfel de acumulări de sarcini pot apărea în norii cumulus chiar ca urmare a formării
precipitaţiei abundente.
Mecanismul acestui proces este următorul: ionizarea este produsă de radioactivitatea
Pământului şi a aerului, respectiv de radiaţia cosmică, care pe vreme frumoasă creează un
câmp electric de 120-130V/m. În norii de furtună intensitatea câmpului electric poate ajunge
şi la 10 000 V/m. Prin măsurători s-a reuşit să se evidenţieze că în norii de furtună sarcinile
electrice se separă după semn, în regiunea 0 şi -10oC se adună sarcinile negative, iar în
regiunea -10oC şi 20oC se adună sarcinile pozitive. Partea superioară a norului de furtună este
mai rece faţă de partea lui inferioară şi astfel norul va fi încărcat pozitiv în partea superioară,
iar baza constituie regiunea pozitiv încărcată.
Figura 8. Starea electrică a norilor
Această separare de sarcini este necesară ca să apară o diferenţă de potenţial de
aproximativ 108V între suprafaţa terestră şi nor, în urma căreia apare o descărcare în arc între
baza norului şi suprafaţa terestră. Această descărcare în arc este fulgerul, care transportă pe
Pământ sarcina negativă din baza norului, astfel scăzând şi apoi anulând tensiunea electrică.
Dar în 20s se formează sarcini electrice noi şi se separă unele de altele...
Au apărut multe teorii pentru a explica distribuţia sarcinii electrice a norilor şi anume:
Teoria Lenard-Simson, după care sarcinile apar când picăturile de apă mai mari se
descompun. Forma picăturilor de apă se deformează din cauza mişcărilor ascendente de aer;
baza se turteşte, creştetul se subţiază apoi se găureşte. Astfel picăturile de apă se transformă în
inel, de pe care se rup sfere de apă încărcate negativ şi ajung împreună cu curenţii de aer
ascendenţi la un nivel din ce în ce mai înalt. Picăturile de apă care cad jos devin astfel
încărcate pozitiv.
Teoria legată de transformări de fază, care se bazează pe observaţia că la îngheţarea
apei pe suprafaţa de separare, gheaţa va fi încărcată negativ, iar apa încărcată pozitiv. În norii
++ + + + + + + +
+ + +- - - -
+
Capitolul I. Atmosfera
cu stare de agregare mixtă există astfel de suprafaţă de separare, însă nu există deocamdată
verificare experimentală în favoarea acestei teorii.
Teoriile precedente au considerat că formarea intensivă a precipitaţiei este condiţia
apariţiei şi separării sarcinilor electrice, dar o nouă ipoteză presupune că procesul este
independent de condiţia amintită. În New-Mexico în 1965 s-au observat fulgere atunci când
formarea de precipitaţie a fost de intensitate extrem de mică – fapt ce a determinat elaborarea
următoarei teorii.
Teoria mecanismului convectiv se bazează pe faptul, că pe locurile cu nori de
furtună totdeauna mişcarea pe verticală este foarte intensă, şi de pe sol (unde sunt în surplus
sarcini electrice pozitive) se transportă aer încărcat pozitiv în nori. Dacă acest aer ajunge la
înălţimea unde aerul deja este bun conductor, atunci din ionosferă porneşte un contracurent
pentru a-l neutraliza. Aceste sarcini din cauza direcţiei curentului de aer nu ajung în nori, ci pe
marginea norilor, ajung la baza norului astfel intensificând în continuare ascensiunea ionilor
pozitivi. Aceste presupuneri însă, ca şi cele precedente, nu sunt complet demonstrate.
Fulgerele pot fi clasificate după formă, lungime, numărul de descărcări. Astfel se
poate vorbi de fulgere în care are loc o singură descărcare, ceea ce se întâmplă rar, respectiv
fulgere care parcurg acelaşi drum de mai multe ori. Vorbim de descărcare continuă dacă ea
durează cel puţin 0,5 secunde. (Timpul de descărcare în general este de câteva microsecunde.)
După formă se deosebesc trei tipuri de fulgere de suprafaţă, liniar şi sferice.
In cazul fulgerului de suprafaţă tot norul devine luminos, dar nu apare o iluminare
puternică. Motivul este că în acest caz descărcarea are loc în interiorul norului şi norul
acoperă locul descărcării.
Fulgerul liniar apare între Pământ şi nori şi acesta are mai multe faze. Aşa numitul
prefulger porneşte din acea parte a norului unde intensitatea câmpului electric atinge valoarea
m/V103 6⋅ . În acest fulger sarcinile negative curg pe segmente spre Pământ, traiectoria lor
este discontinuă şi în general durează 0,01s până ce ajunge pe sol. În prefulger intensitatea
curentului este de 100-200A. Un fenomen interesant este că prefulgerul se ramifică mai puţin
dacă solul este mai bun conductor. Sarcinile curentului din prefulger ionizează aerul, care
astfel de-a lungul traiectoriei lui devine conductor. Când prefulgerul este la 10-50 m de
suprafaţa terestră începe o curgere de sarcini dinspre sol spre nor. În acest canal se poate
năvăli sarcina negativă a norului cu o intensitate de curent de aproximativ 20 000 A care
cauzează fenomenul luminos.
În toate cazurile fulgerul trăsneşte în acel loc unde valoarea intensităţii câmpului
electric este mai mare dintr-un motiv oarecare. De exemplu, poate fi cauza unui obiect înalt,
ascuţit, bun conductor (paratrăsnet, horn, etc). Se poate întâmpla ca fulgerul să lovească într-
Capitolul I. Atmosfera
un horn mai scund, dar care fumegă, deoarece în fum se găsesc ioni care determină de
asemenea un câmp electric mai intens. Suprafeţele de apă sunt foarte periculoase din punctul
de vedere al fulgerului, căci apa este un bun conductor. Fulgerele pot fi pozitive, respectiv
negative, în funcţie de punctele de acumulare din care pornesc. Fulgerele negative ţintesc
obiecte înalte, conductoare, iar fulgerele pozitive ţintesc mai degrabă scobiturile conductoare
subterane.
Efectul devastator al fulgerelor se datorează intensităţii de curent ridicate şi
temperaturii de 20 000oC.
Tunetul este fenomenul care însoţeşte totdeauna fulgerul, dar care în anumite condiţii
s-ar putea să nu fie perceput. Efectul de sunet apare din următoarele motive. Canalul de
fulger, atâta timp cât curge curent electric în el este stabil din cauza efectului magnetic al
curentului. În canal temperatura este de 20000oC, ca atare presiunea aerului din el este
enormă, dar din cauza efectului magnetic, “peretele” canalului ţine acest aer de înaltă presiune
în interior. După încetarea fulgerului însă aerul se dilată brusc, gen explozie, de unde rezultă
efectul de sunet.
Sunetul tunetului poate fi auzit din foarte multe direcţii, ca un ecou, care se poate
reflecta de pe nori, sol sau alte obiecte de relief. Se poate observa şi faptul că sunetul tunetului
poate fi auzit îndelung, chiar câteva secunde, adică mult mai mult decât timpul efectului de
sunet al unei explozii. Este de înţeles acest fapt, căci tunetul ajunge la noi dintr-o sursă de
sunet foarte lungă, deoarece putem considera chiar canalul de fulger drept sursă de sunet.
Sunetul se refractă pe straturile de aer de temperaturi diferite, apărând astfel aşa numitele
puncte moarte, în care sunetul nu se poate auzi. Pentru observatorul care se află în acel loc
acest fulger pare să fie fără efect de sunet. Vorbim de fulger fără grai, aşa numitul “flash”
dacă ne desparte o mare distanţă (50-60 km) de locul furtunii. În acest caz stratul de aer gros
absoarbe deja sunetul. Evident vântul, temperatura aerului şi presiunea influenţează de
asemenea cât de tare se poate auzi tunetul.
Fulgerul sferic este o sferă cu sarcină electrică uriaşă şi temperatură ridicată care ia
naştere în urma trăsnirii fulgerului. Există mai multe modele care încearcă să interpreteze
apariţia şi proprietăţile ciudate ale fulgerului sferic. Astfel de proprietăţi misterioase sunt, de
exemplu, că într-o încăpere închisă apare brusc apoi dispare, poate lua cu el obiecte, smulge
fire electrice din perete, perforează peretele de beton, nu are efect asupra lui nici vântul, nici
gravitaţia.
Conform unei ipoteze, fulgerul sferic este o sferă de plasmă incandescentă, care este
rezultatul unui proces chimic ce-i asigură energia enormă. După o teorie mai modernă
fulgerul sferic este o sferă incandescentă de ioni de siliciu care ia naştere din bioxidul de
Capitolul I. Atmosfera
siliciu al solului sub influenţa fulgerului. Ca urmare a temperaturii şi intensităţii de curent
uriaşe ale fulgerului în prezenţa carbonului – în caz de raport corespunzător – din bioxidul de
siliciu se formează ioni de siliciu. Acest proces este utilizat şi în industria semiconductoarelor
pentru producerea siliciului pur. Ionii de siliciu sunt aşezaţi ca o plasă în fulgerul sferic, ceea
ce îi conferă o structură proprie.
Fulgerul sferic are o sarcină pozitivă enormă, atrăgând de aceea cu o forţă uriaşă
electronii delocalizaţi ai obiectelor metalice. Această forţă de atracţie poate fi atât de mare
încât sub acţiunea ei firele conductoare pot exploda în pereţi, obiectele se pot deplasa de pe
locurile lor, instalaţiile electrice se pot distruge. Drept urmare a forţei de atracţie şi fulgerul
sferic se poate deplasa şi în acest caz poate trece prin orice corp.
Dovada imensei sarcini electrice este şi faptul că sub influenţa câmpului electric
fulgerul sferic deviază. Când forţa de respingere între sarcinile pozitive ale fulgerului sferic
înving forţele de atracţie ce acţionează în fulger, ca o explozie fără efecte luminoase şi de
sunet, dispare fulgerul sferic.
1.11. Fenomene luminoase în atmosferă
Datorită reflexiei, refracţiei şi interferenţei luminii în atmosferă apar diferite fenomene
luminoase în atmosferă de exemplu curcubeul, mirajul sau curtea Lunii.
Când lumina traversează suprafaţa de separare a două medii optic diferite şi în cursul
acesteia i se schimbă direcţia de propagare. Conform legii refracţiei, dacă lumina înaintează
dintr-un mediu cu indice de refracţie mai mic spre un mediu cu indice de refracţie mai mare,
fasciculul luminos se refractă spre normala de incidenţă. Indicele de refracţie este raportul
dintre viteza luminii în mediul respectiv şi viteza luminii în vid.
Figura 9. Fenomenul de refracţie (c viteza luminii în mediul dat)
2
1
sinsin
cc
=βα
c1
c2
strat limită
Capitolul I. Atmosfera
Indicele de refracţie al aerului depinde de densitate. În cazul densităţii mai mici şi
indicele de refracţie este mai mic. Aceasta înseamnă că aerul mai cald, adică de densitate mai
mică, are şi indice de refracţie de asemenea mai mic.
Densitatea aerului scade pe verticală, ca atare indicele de refracţie scade continuu spre sus.
Lumina sosită de pe corpurile cereşti se tot refractă prin straturile de aer şi astfel nu vedem
corpurile cereşti pe locurile lor reale, ci în poziţii mai îndepărtate de orizont. Tot mulţumită
acestei refracţii Soarele care apune se vede chiar şi atunci când în realitate el este deja sub
orizont.
Mirajul este acel fenomen când în câmpul nostru vizual apar şi corpuri de sub orizont.
Şi acest fenomen se poate explica cu cele de mai sus. Fenomenul apare când temperatura
aerului scade de sus în jos, de exemplu în orele din zorii zilei când suprafaţa terestră şi
împreună cu ea aerul de jos se răcesc puternic.
În zile fierbinţi de vară se întâmplă că solul se încălzeşte puternic şi încălzeşte şi aerul
deasupra, adică temperatura atmosferei creşte de sus în jos. În acest caz indicele de refracţie al
aerului scade de sus în jos, adică razele ce sosesc dinspre bolta cerească se refractă de la
normala de incidenţă. În acest caz poate să apară şi fenomenul reflexiei totale, adică vedem
imaginea de oglindire a boltei cereşti. Acest fenomen se numeşte oglindirea boltei cereşti.
Figura 10. Formarea fenomenelor de miraj şi oglindirea boltei cereşti
T – creşteρ - scade
T – scadeρ - creşte
Pământ
Pământ
Capitolul I. Atmosfera
Curcubeul îl vedem atunci când razele Soarelui cad din spatele nostru pe picături de
apă din faţa noastră. La formarea curcubeului lumina ce ajunge pe picătura de apă intră în
picătură şi se refractă pe suprafaţa de separare apoi se reflectă pe partea interioară a picăturii,
respectiv la ieşire din nou se refractă pe peretele picăturii. Indicele de refracţie depinde de
lungimea de undă a lumnii, cel mai mult se refractă lumina violetă şi cel puţin cea roşie.
Astfel, lumina albă când trece prin interfaţa apă-aer se descompune pe componente, ceea ce
duce la apariţia culorilor spectrului. Pe picături cad foarte multe raze luminoase şi prin
compunere se poate arăta că razele roşii se adună sub unghiul vizual cel mai mare, iar razele
albastre sub cele mai mici. De aceea curcubeul are formă de arc de cerc, marginea de jos este
albastră, iar între ele apar culorile spectrului cu frecvenţă crescândă.
În jurul curcubeului principal din când în când e vizibil şi curcubeul secundar la formarea
căruia raza luminoasă se reflectă de două ori în picătura de apă. Din acest motiv are intensitate
luminoasă mult mai slabă decât curcubeul principal şi culorile apar în ordine inversă.
Figura 11. Formarea curcubeului
Difracţia luminii apare când lumina trece prin obstacole sau fante. În aceste cazuri
lumina apare şi în conul de umbră, adică pe suprafaţa unde nu este de aşteptat efect luminos.
Difracţia luminii este cauza apariţiei inelelor în jurul sursei de lumină în aer umed, respectiv
şi a coroanei lunare.
Vorbim de dispersia luminii, când în mediu se găsesc particule cu indice de refracţie
diferit de cel al mediului şi care absorb puţin lumina. În acest caz particulele devin şi ele surse
de lumină şi emit aşa numita lumină secundară. Dacă mărimea particulelor dispersante este
mult mai mică decât lungimea de undă a luminii incidente, atunci intensitatea luminii
dispersate este proporţională cu mărimea particulei la puterea a şasea şi cu frecvenţa luminii
la puterea a patra. Dispersia este cauza culorii albastre a cerului, deoarece din lumina albă a
Soarelui componenta albastră se dispersează cel mai intens, deci apare această culoare.
Lumina roşie se dispersează mai puţin astfel lumina ei poate fi văzută mai departe, motiv
alb
albastru
roşu
Capitolul I. Atmosfera
pentru care ea se foloseşte pentru a atenţiona pericolele. Şi Soarele când apune îl vedem în
roşu – spre deosebire de culoarea alb-gălbuie la prânz – deoarece culoarea albastră este
puternic dispersată din razele ce ajung la ochiul nostru, de aceea va domina culoarea roşie.
Dacă mărimea particulei dispersate nu este semnificativ mai mică decât lungimea de
undă a luminii incidente, intensitatea luminii dispersate nu depinde de frecvenţă. Prin acesta
se poate interpreta de exemplu că fumul ţigării aprinse este albastru, iar fumul expirat este gri.
Fumul însuşi este format din particule foarte mici, adică aici este valabilă dispersia mai
puternică a culorii albastre. Particulele fumului expirat deja absorb apă, mărimea lor creşte,
astfel în acest caz toate culorile se dispersează în aceeaşi măsură.
Cu starea electrică a atmosferei se pot interpreta lumina polară precum şi fenomenul
focul lui Sfântul Elmo. Lumina polară se poate constata pe Pământ la latitudini mai mari, de
la poli până la tropice. Apare dinspre poli sub formă de fâşii de lumină. Cercetarea luminii
polare a arătat că derivă din molecule de azot şi oxigen excitate, excitarea datorându-se
electronilor proveniţi din Soare şi deviaţi spre poli de câmpul magnetic terestru.
Pata de lumină violetă care apare pe vârful catargului navelor marine s-a numit demult
focul lui Sfântul Elmo, dar mai târziu s-a dovedit că şi pe uscat (pe vârful paratrăsnetului, pe
turnul bisericii) se poate observa. El apare când creşte intensitatea câmpului electric în aer
căci atunci la capătul conductoarelor apare descărcarea electrică.
Câteodată Soarele sau Luna sunt înconjurate de un inel luminos, numit halo. Acest inel
apare căci lumina Soarelui sau a Lunii se refractă pe cristalele de gheaţă din atmosferă, ca pe
prismă. Cristalele de gheaţă se găsesc în nori la înălţimi mari, în starturile mijlocii şi
superioare ale troposferei. Numim coroană lunară (respectiv coroană solară), discul luminos
de culoare albă sau galbenă care înconjoară Luna (respectiv Soarele). În acest caz lumina se
refractă pe picăturile de apă ale norilor de la înălţimi mijlocii.
În lunile de vară, după apusul de Soare, pe cer pot apărea nori care luminează. În acest
caz razele Soarelui sunt reflectate sub orizont, respectiv dispersate de norii de la înălţimi mari,
ceea ce dă impresia ca şi cum însuşi norul ar lumina.
Capitolul II - Hidrosfera
Capitolul II. Hidrosfera
Prin hidrosferǎ înţelegem apa de suprafaţǎ, subteranǎ şi cea conţinutǎ în atmosferǎ.
Între hidrosferǎ şi atmosferǎ este un schimb continuu de energie şi materie. Originea
hidrosferei o putem considera ca fiind acum 4,6-3,8 miliarde de ani. Atmosfera de atunci
conţinea foarte mulţi vapori de apǎ care odată cu răcirea treptatǎ a suprafeţei terestre s-au
condensat. Probabil meteoriţii ajunşi pe Pământ au contribuit la creşterea, în continuare, a
cantităţii de apǎ terestrǎ. Activitatea vulcanicǎ, presupune, şi în zilele noastre, transportul unei
mari cantităţi de vapori de apǎ, întrucât 80% din gazele vulcanice sunt vapori de apǎ. Apa
condensatǎ a putut rămâne pe planeta noastră deoarece: temperatura suprafeţei terestre este
corespunzătoare, atracţia Pământului a reţinut apa, Soarele este suficient de departe ca vântul
solar sǎ nu poată smulge moleculele de apǎ din apropierea suprafeţei terestre. Apa nu poate
ajunge în straturile mai înalte, căci aproximativ la înălţimea de 15 km în stratul rece apa
îngheaţă şi ajunge astfel din nou în straturile joase.
II.1. Structura hidrosferei
70% din suprafaţa Pământului este acoperitǎ de apă. Masa de apă este distribuită
astfel: 97% din masa de apǎ o reprezintă oceanele, 2% criosfera (formaţiunile de gheaţă), iar
1% reprezintă apa subteranǎ, râuri şi lacuri. Cantitatea totalǎ de apǎ dulce se repartizează
astfel: 77,6% este zăpadă şi gheaţǎ, 21,8% ape subterane, 0,34% râuri, lacuri, 0,2% umiditatea
solului, 0,04% în atmosferǎ, iar 0,02% în biosferǎ.
2%1%
97%
oceaneformatiuni de gheataape subterane, riuri, lacuri
Figura 12a – Structura hidrosferei
Capitolul II - Hidrosfera
77.60%
21.80%
0.34% 0.20% 0.04% 0.02%0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%zapada si gheataape subteranelacuri, riuriumiditatea soluluicontinutul de apa al atmosfereicontinutul de apa al biosferei
Figura 12b – Repartiţia apei dulci din hidrosferǎ
Etapele principale ale ciclului hidrologic sunt următoarele: din oceane, de pe uscat apa
se evaporǎ, iar apoi sub formǎ de precipitaţii cade în oceane, respectiv pe uscat. Apa căzută pe
uscat curge pe suprafaţǎ sau se infiltrează, de unde merge mai departe, dar mai încet. În ciclul
hidrologic se ajunge la o stare de echilibru. În acest sens, pe o suprafaţǎ datǎ, într-o perioadǎ
datǎ, cantitatea de precipitaţie şi apa depozitatǎ este egalǎ cu cantitatea de apǎ evaporatǎ,
scursǎ şi folositǎ. În funcţie de cantitatea precipitaţiei faţǎ de evaporare deosebim trei tipuri de
suprafeţe.
Suprafaţa umedǎ este în cazul în care precipitaţia excede evaporarea, dar pe
suprafeţele aride (uscate) relaţia este inversǎ, iar pentru suprafeţele de trecere, precipitaţia este
egalǎ cu evaporarea.
Pentru o clasificare mai riguroasă s-a introdus aşa-numitul index de ariditate (Ar)
care este raportul intensităţii evapotranspiraţiei şi al precipitaţiei. Prin evapotranspiraţie
înţelegem evaporarea de pe suprafeţe de apǎ şi de pe plante (transpiraţie).
Conform acestei clasificări deosebim următoarele terenuri:
- calotǎ polarǎ Ar<1/3
- tundra 1/3 Ar<1
- păduri calde şi moderate Ar~1
- savane Ar~2…3
- semideşert Ar~5
- deşert Ar>10
Mişcarea cantităţii de apǎ o caracterizǎm cu ajutorul timpului de stagnare, care
reprezintă timpul de schimbare completǎ a cantităţii de apǎ. ( Este raportul cantităţii totale de
apǎ pentru un anumit loc şi al cantităţii de apǎ care se schimbǎ în unitate de timp la locul
respectiv).
Capitolul II - Hidrosfera
Tipul apei Timp de
stagnare
oceane, mǎri 250 ani
ape freatice 1400 ani
lacuri 17 ani
umiditatea solului 1 an
umiditatea atmosferei 8 zile
Figura 13. Timpul de stagnare al diferitelor tipuri de apǎ
Ciclul hidrologic este influenţat de multe procese naturale sau antropogene. Astfel,
defrişările de păduri, gazele care cresc efectul de serǎ, poluarea de aer şi ploile acide ce
rezultǎ de aici, entrofizaţia lacurilor. Înrăutăţirea calităţii apei de asemenea are consecinţe
grave. În acest sens trebuie acordată o mai mare atenţie la utilizarea produselor pentru
ocrotirea plantelor, căci majoritatea nitraţilor şi fosfaţilor ajung prin aceste procese în ape.
Poluarea apelor reprezintă foarte rar o problemă locală, datorită ciclului hidrologic.
Factorii care influenţează desfăşurarea sunt:
- clima;
- mărimea bazinului hidrologic şi calităţile lui (de exemplu în cazul solului
impermeabil scurgerea este mult mai rapidă decât în cazul straturilor prin care apa
trece cu uşurinţă; plantele întârzie scurgerea pe versanţi);
- factori meteorologici (de exemplu în cazul unei precipitaţii abundente ne putem
aştepta la o scurgere rapidă pe suprafaţa terestră);
- forma albiei râului (pe porţiuni drepte ale râului scurgerea este mult mai rapidă).
Se poate modifica şi cantitatea precipitaţiei în mod indirect. O astfel de metodă de exemplu,
este „vaccinarea norilor” (Lehr-Burnett-Zim 1987). Esenţa metodei este legată de creşterea
mărimii medii a picăturilor condensate în nori, deoarece formarea precipitaţiilor începe doar
dacă mărimea picăturilor din nori ajunge la o mărime potrivită. De aceea în nori se trimit
nuclee de condensare artificiale, de exemplu K7 sau Ag7.
Un alt procedeu eficient se foloseşte în proiectul numit El Tofo. Acest proiect are la bază
observaţia că în locurile unde deşertul este despărţit de mare, de munţi scunzi, deşi umezeala
din aer este mare, procesul de formare a precipitaţiei nu porneşte. Cauza este că munţii sunt
prea scunzi pentru ca în aerul ascendent să înceapă condensarea. De aceea în aceste locuri se
întind plase enorme din polipropilenă, pe structura fibroasă a cărora sunt deja condiţii pentru
pornirea procesului de condensare.
Capitolul II - Hidrosfera
II.2. Proprietăţile fizice şi chimice ale apei
Apa reprezintă una dintre substanţele cele mai importante ale proceselor biologice,
geochimice, respectiv geofizice. Marea majoritate a proprietăţilor apei diferă de cele ale altor
lichide. Căldura specifică este mare, de asemenea căldura latentă de evaporare este mare, de
aceea oceanele au un efect important în modificarea climei, deoarece apa este capabilă de
schimb de căldură important în timp ce temperatura ei practic rămâne aproape constantă.
Constanta dielectrică este mare, iar coeficientul de dilatare mic, punctul de topire sau fierbere
este mare, iar temperatura critică ridicată. Spre deosebire de alte lichide, volumul apei creşte
la îngheţare, ceea ce se explică cu existenţa punţilor de H. Dacă se formează toate punţile
posibile de H, atunci un atom de oxigen este înconjurat de alţi 4 atomi de oxigen într-un
aranjament tetraedric. Punţile de hidrogen fixează o anumită distanţă între atomi, iar în lipsa
punţilor de hidrogen moleculele de apă de formă V se pot aranja şi la distanţe mai mici una de
alta. Deci, dacă creşte numărul punţilor de hidrogen (de exemplu la îngheţare) creşte şi
volumul apei. Cu punţile de hidrogen se poate explica şi faptul surprinzător că apa de 0oC la o
încălzire până la 4oC îşi scade volumul, iar peste 4oC îşi creşte. Astfel la 4oC apa are un volum
minim, respectiv densitate maximă. La încălzirea apei – datorită mişcării termice mai
intensive, scade numărul punţilor de hidrogen, scade astfel şi volumul, dar apare fenomenul
de dilatare termică, ceea ce creşte volumul. Sub 4oC procesul de rupere a punţilor de hidrogen
este mai important, iar peste 4oC deja domină dilatarea termică. Dependenţa densităţii de
temperatură joacă un rol important la amestecarea unor straturi de apă şi astfel, implicit
devine importantă la conţinutul în oxigen al apelor.
Figura 14. Densitatea apei în funcţie de temperatură
Capitolul II - Hidrosfera
Figura 15. Structura gheţii
Apele naturale conţin săruri dizolvate, gaze, compuşi organici precum şi poluanţi în
suspensie. Întrucât apa este polară, dizolvă bine substanţele ionice, dar grăsimile, uleiurile nu
le dizolvă bine. Concentraţia substanţelor dizolvate în râuri este de câteva zecimi, iar în
oceane este de 30-40 g/l. Conţinutul de substanţe dizolvate în ape dulci depinde de tipul rocii,
de procesele de eroziune, de vegetaţie şi de activitatea umană.
II.3. Oceane
Oceanele şi mările împreună formează oceanele lumii. O caracteristică a lor este că au
oglindă de apă unitară, adică nivelul lichidului în ele se formează astfel ca presiunile
hidrostatice să fie identice. Oceanele se deosebesc de mări cel mai simplu prin mărimea
bazinului lor, dar este o caracteristică a lor şi un sistem independent de circulaţie oceanică,
precum şi o concentraţie de sare relativ constantă în jur de 3,5%. Apele de mare au punct de
îngheţare mai coborât faţă de apa curată, datorită conţinutului de substanţe dizolvate. Astfel,
de exemplu, apa de mare cu o concentraţie de sare de 35‰ îngheaţă la -1,91oC. Concentraţia
apei de mare este mai mare decât a apei dulci datorită conţinutului de sare.
Capitolul II - Hidrosfera
Culoarea mării spune multe despre puritatea apei. Pentru a o examina se pune o coală
de hârtie albă la 50 cm sub apă şi se studiază culoarea aparentă a hârtiei. În apă de mare
foarte curată coala pare să fie la început verde, apoi culoarea devine mai albăstruie, iar în final
dispare. Explicaţia fenomenului este că razele roşii şi galbene sunt rapid absorbite de apa
mării, iar razele albastre şi ultraviolete trec prin stratul de apă. Pornind de la Ecuator spre poli
apa mării îşi schimbă culoarea în verde albăstrui, apoi în verde, iar mările arctice au culoarea
gălbui-verde-gri. Explicaţia este că razele solare se reflectă pe planctonurile (totalitatea
organismelor vegetale şi animale, în general microscopice, care trăiesc în apă până la o
adâncime de 200 m şi care constituie hrana peştilor şi a altor animale acvatice) ce plutesc în
apă şi apar diferite efecte de culori. Spre poli în apele marine sunt din ce în ce mai multe
planctonuri, astfel se modifică şi culoarea lor.
Proprietăţile fizice ale apei explică şi starea de climă privilegiată a Europei de Vest şi
de Nord, căci Oceanul Atlantic moderează această climă. Oceanul se încălzeşte sub acţiunea
razelor solare în mod diferit faţă de uscat. Sub influenţa razelor solare uscatul se încălzeşte
repede şi puternic, dar prin emisie îi scade temperatura. Stratul superior al oceanelor are
căldură specifică mai mare, însă este amestecat de vânt, razele solare pot pătrunde la adâncimi
mai mari în apă şi drept rezultat este că deşi apa se încălzeşte mai lent decât solul sau aerul,
dar se şi răceşte mai lent, adică are un bilanţ de căldură mai echilibrat. Variaţia zilnică de
temperatură a oceanelor nu atinge 1oC.
Cea mai generală formă de mişcare a oceanelor este valul. Valurile se formează la
suprafaţă, adică la interfaţa dintre aer şi apă. Cauza este vântul, dacă are o viteză de curgere
de cel puţin 20 m/s. În urma frecării cu suprafaţa de apă iau naştere vârtejuri mărunte de aer
ceea ce cauzează variaţie de presiune care ridică, respectiv coboară suprafaţa.
Suprafaţa de apă devenită neuniformă este mai atacată de vânt şi astfel oscilaţiile
devin ample. Valuri mari se pot forma în largul mării care pot atinge şi 300 m lungime,
amplitudinea de 15 m şi viteza de 25 m/s. Dacă viteza vântului se intensifică rapid valul nu
poate urmări vântul din ce în ce mai intens şi în val se formează coame. Dacă valul loveşte
maluri stâncoase, abrupte apare spargere de val şi înălţimea lui creşte brusc. Erupţiile
vulcanice submarine şi cutremurele pot genera valuri, numite tsunami, apărând valuri inelare
ce se întind în cercuri, pot avea înălţime de 5-50 m şi parcurg distanţe mari, mii de kilometrii,
cu viteză mare.
Prin circulaţie oceanică înţelegem sistemele de curgere enorme, fără mal, care sunt
capabile de a transporta uriaşe cantităţi de apă. Aşa numiţii curenţi la mare adâncime iau
naştere în urma diferenţelor de temperatură sau densitate, determinate de salinităţi diferite.
Astfel de curent este în Oceanul Atlantic spre Ecuator, alimentat de apa rece de la pol. În
Capitolul II - Hidrosfera
Marea Norvegiei, când acest curent ajunge aproape de suprafaţă, se răceşte puternic şi apa
dulce din ea îngheaţă. Astfel salinitatea creşte determinând în continuare creşterea
semnificativă a densităţii. Curenţii de suprafaţă se formează sub influenţa vântului. De
exemplu, curentul Golf se datorează vânturilor vestice sub influenţa cărora curentul de apă
caldă ajunge din vârful sudic al Floridei până în Europa de Vest. În mod asemănător, vânturile
pasat conduc apa oceanelor de la Ecuator înspre vest. Aceste circulaţii nu înconjoară
Pământul din cauza existenţei continentelor şi astfel se formează sisteme de curenţi circulari
care au un rol important în modificarea climei.
Amestecările pe verticală, care apar în primul rând din cauza diferenţelor de densitate
ale unor straturi, sunt importante îndeosebi din punctul de vedere al biotei marine. La poli şi
în zona moderată, straturile de suprafaţă se răcesc iarna, creşte densitatea lor şi astfel se
scufundă ajungând în straturile adânci apă bogată în oxigen. Primăvara creşte numărul
planctonurilor, legând substanţele nutritive. La sfârşitul verii ele se distrug, se scufundă, iar cu
ocazia amestecării de iarnă ajung la suprafaţă servind drept substanţă nutritivă pentru vietăţile
următoare. La tropice însă stratul de apă de suprafaţă este cald tot anul, nu există astfel
convecţie, nu ajung la suprafaţă planctonurile prăpădite care ar însemna substanţe nutritive.
Astfel în mările calde biosfera este mult mai săracă. Dacă apa dulce ce se varsă de pe uscat în
mare nu se poate amesteca cu apa mării, atunci ea se va stratifica la suprafaţă având densitate
mai mică şi astfel dispare schimbul de apă pe verticală şi legătura între apa mării şi atmosfera.
Rezerva de oxigen a apei la adâncime se epuizează ca atare total.
Stratificarea oceanului pe baza distribuţiei de densitate şi de temperatură este
următoarea: stratul de suprafaţă are aproximativ 100m grosime şi temperatura în jur de 10oC.
El este urmat de un strat de schimb de 1000m în care temperatura scade la 4oC, iar apa din
adâncuri ce urmează are temperatura în general de 3oC. Salinitatea este determinată de
mărimea evaporării faţă de precipitaţie, evaporarea rapidă o creşte, iar precipitaţia abundentă
o scade. Salinitatea cea mai mare se poate constata la latitudinea 20o Nord şi Sud unde
evaporarea excede mult precipitaţia. În general partea nordică a Oceanului Atlantic este cea
mai caldă şi cea mai salină, iar la Antarctica, apa oceanului este rece şi mai puţin salină.
Poluarea în creştere continuă a oceanelor reprezintă probleme grave pentru toată
omenirea. Nu este vorba doar de scufundarea vaselor transportatoare de ţiţei, ceea ce
înseamnă poluări directe ci şi de deşeurile de pe uscat care prin intermediul râurilor ajung în
ocean. Din diferite surse ajung în ocean anual 20 de miliarde de tone de substanţe dizolvate şi
în suspensie. Aceste îşi manifestă efectele în primul rând în zona malului unde şi procesele
biologice sunt cele mai vioaie.
Capitolul II - Hidrosfera
În ecosistemele marine au apărut deja substanţele chimice otrăvitoare greu de
descompus de exemplu compuşi de metale grele sau DDT-ul interzis deja. Anual ajung în
oceane 5 milioane de tone de ţiţei, o parte din care se evaporă, respectiv bacteriile îl
descompun, procese naturale care scad parţial efectul nociv al ţiţeiului ajuns în ocean.
Descompunerea bacterială este însă foarte înceată şi ţiţeiul poate omorî mai multe vietăţi
marine. Mările închise au faţă de suprafaţa lor totală o lungime de mal mare, de aceea sunt
mai mult ameninţate de poluare. Principiul general este că oceanele, din cauza masei enorme
de apă, sunt mai puţin expuse pericolului poluării, curăţirea oceanelor este o temă foarte
dificilă.
II.4. Lacuri
Lacurile sunt acele ape stătătoare pe termen lung de pe uscat, care nu au legătură
directă cu oceanele. Masa lacurilor cu apă dulce reprezintă 0,009% din masa globală a
hidrosferei, iar cea a lacurilor cu apă sărată 0,0075%. Extinderea suprafeţei lacurilor şi masa
lor de apă variază considerabil. Unele lacuri se usucă, dispar din cauza modificărilor de climă,
altele noi apar fiind produse artificial. Totuşi, în general, putem spune că masa totală a
lacurilor scade deoarece lacurile au viaţă scurtă din cauza posibilităţilor de încărcare a lor, iar
pe cale naturală se formează foarte încet.
Completarea apei dispărute din lacuri se face prin precipitaţia căzută pe suprafaţa
lacului; prin apa adusă de pârâuri, canale, râuri; prin apa infiltrată la baza bazinului. Scăderea
cantităţii de apă are loc prin evaporare şi scurgeri diferite. Bilanţul gospodăririi apei lacurilor
este determinat de raportul acestor procese. Vorbim de lacuri cu sursă, dacă bilanţul cantităţii
de apă este cu profit, lacuri de tranziţie dacă bilanţul hidrologic este echilibrat. În locurile
calde, cu climă uscată sunt caracteristice lacurile fără scurgere, în cazul cărora evaporarea
scade semnificativ cantitatea de apă a lacului, ceea ce precipitaţia puţină nu o poate
compensa.
Temperatura lacurilor este mai puţin constantă în comparaţie cu oceanele, fiind vorba
de masă redusă de apă, dar variază mai puţin în comparaţie cu solul. Variaţia zilnică a
temperaturii de exemplu în cazul lacurilor din zona moderată este de 4-6oC.
Compoziţia chimică poate fi foarte variată în anumite straturi ceea ce este consecinţa
amestecării din cauza variaţiei de temperatură. Cu creşterea temperaturii densitatea prezintă o
schimbare anormală, până la temperatura de 4oC , densitatea creşte, iar apoi scade. Gheaţa
având densitate mai mică pluteşte totdeauna pe suprafaţa apei. Într-un lac de adâncime medie,
în clima moderată, unde temperatura peste tot este mai mare decât 4oC, există o stratificare
Capitolul II - Hidrosfera
bine observabilă. Stratul superior al lacului are temperatură mai ridicată, o grosime ce ajunge
şi la 5m din cauza efectului de amestecare a vântului, densitatea acestui strat este mică şi ca
atare nu se scufundă. Numele acestui strat este epilimnion. Urmează aşa numitul strat
mezolimnion, în care temperatura scade rapid. În stratul de jos numit hipolimnion,
temperatura este scăzută şi este aceeaşi în toată grosimea. În funcţie de zonele climatice,
respectiv în funcţie de adâncimea lacurilor poate să apară amestecare. Lacurile cu apă dulce
sunt clasificate pe baza existenţei amestecării între epilimnion şi hipolimnion. În caz afirmativ
vorbim de lac halomictic, în lipsa amestecării se numeşte lac mezomictic.
Lacurile halomictice se pot clasifica la rândul lor după numărul amestecărilor:
- lac dimictic – se amestecă de doua ori pe an;
- lac monomictic – se amestecă o dată pe an;
- lac oligomictic – se amestecă aleatoriu – de exemplu lacurile tropice, respectiv
lacurile cu apă caldă;
- lac cu adâncime redusă – amestecarea este continuă din cauza vântului;
- lacuri foarte adânci – amestecarea are loc doar până la straturile superioare din
hipolinion.
Lacurile calde monomictice se găsesc în zone cu climă caldă, unde temperatura lacului nu
scade niciodată sub 4oC. Sunt caracteristice aşa numite stratificări de vară – deja amintite –
însă iarna există o circulaţie. Suprafaţa de apă se răceşte continuu, astfel densitatea creşte şi
această masă de apă răcită se scufundă în straturile mai joase.
Apa lacurilor monomictice nu depăşeşte niciodată 4oC, asemenea lacuri găsindu-se la
latitudini mai mari. Ele prezintă aşa-numita stratificare de iarnă, în straturile superioare fiind
apă mai rece, căci la temperaturi sub 4oC corespunde densitate mai mică. Aceste lacuri de
obicei sunt acoperite de gheaţă. În cazul lor amestecarea se petrece vara, când densitatea
stratului superior creşte prin încălzire, ceea ce asigură o circulaţie pe verticală.
Lacuri dimictice găsim în zone cu latitudini mijlocii, unde clima este rece şi moderată.
Vara se poate observa stratificarea de vară în aceste lacuri. Aceasta este o stratificare stabilă,
ceea ce înseamnă totodată că straturile mai adânci sunt izolate de atmosferă, deci acolo nu
există completare de oxigen, împiedicând funcţionarea biosferei în apa adâncă. Toamna
epilimnionul se răceşte, dar nu are loc amestecarea până ce temperatura lui nu scade la
temperatura hipolimnionului, deoarece are densitate mai mică decât straturile mai joase.
Temperatura astfel –fără mişcare pe verticală – va deveni aceeaşi în toată coloana de apă. Dar
prin răcirea în continuare la suprafaţă densitatea straturilor superioare devine mai mare decât
cea a celor inferioare, porneşte circulaţia, toată apa lacului se amestecă. Când suprafaţa se
răceşte sub 4oC, se opreşte amestecarea deoarece va scădea densitatea stratului superior. În
Capitolul II - Hidrosfera
cele din urmă stratul superior se răceşte mai departe, apoi îngheaţă, ceea ce înseamnă o nouă
întrerupere de aer şi în acelaşi timp o izolare termică pentru vietăţi. Primăvara gheaţa se
topeşte, apa se încălzeşte şi porneşte o amestecare asemănătoare cu cea de toamnă.
Amestecările de primăvară şi de toamnă au importanţă mare şi pentru aprovizionarea cu
oxigen a straturilor mai adânci.
II.5. Râurile
Râurile reprezintă doar o foarte mică parte a hidrosferei, însă importanţa lor este
deosebită, deoarece cultura umană, oraşele mari totdeauna s-au format în apropierea râurilor.
Râurile înseamnă apă potabilă, posibilităţi de irigare, modalitate de transport. Deşi cantitatea
de apă potabilă global este suficientă pentru toţi locuitorii Pământului, există probleme locale.
Numărul locurilor în care scăderea cantităţii apei potabile reprezintă o problemă este din ce în
ce mai mare. În special reprezintă o problemă poluarea greu eliminabilă sau acumulată în
cantitate prea mare, căci ea rămâne chiar dacă funcţionează autoepurarea râului.
Debitul de apă al râurilor depinde de mărimea bazinului hidrografic, de cantitatea, calitatea,
repartizarea în timp a precipitaţiei, intensitatea evaporării şi scurgerii precum şi relief,
minereuri şi vegetaţie. Jumătate din cantitatea de precipitaţii se evaporă şi ajunge înapoi în
atmosferă. Debitul de apă este determinat primordial de relaţia evaporare-precipitaţie. Râurile
cele mai mari le găsim în acele zone unde predomină precipitaţia faţă de evaporare (Amazon,
Mississipi, Jangte). În locurile unde evaporarea este puternică ţinutul se transformă în deşert.
Viteza râurilor depinde de secţiunea albiei, de cantitatea de apă precum şi de mărimea
pantei căderii. Panta râurilor se exprimă de obicei în miimi, ceea ce exprimă câţi metri a căzut
nivelul râului pe o distanţă de 1 km. În secţiunea curgerilor de apă există diferite viteze
datorită frecării externe. Astfel de-a lungul fundului albiei şi de-a lungul malului apa curge
mai încet. Dacă râul face multe curbe, albia devine asimetrică (din cauza forţei centrifugale).
Din cauza frecărilor externe iau naştere vârtejuri în râuri. Vârtejurile pot fi vârtejuri călătoare
(vârtejuri puţuri sau izvoare), vârtejuri staţionare sau chiar cu poziţie orizontală, numite
vârtejuri culcate. Râul, datorită vârtejurilor, atacă fundul şi marginea albiei, rupe bucăţi de
minereuri din ele. Această aluviune este dusă mai departe de apă şi folosită de ea pentru a
distruge fundul şi marginea albiei. Activitatea de eroziune a râului depinde deci şi de
capacitatea sa de transport de aluviune.
Diferitele materiale sunt transportate de râuri prin rostogolire, în suspensie sau fiind
dizolvate. Materialul rostogolit în timpul transportului se toceşte în funcţie de compoziţie.
Astfel ajung la distanţe diferite materialele de compoziţie minerală diferită. Bucăţile de cuarţ
Capitolul II - Hidrosfera
se transportă mai departe decât carbonatul de calciu, bazaltul sau pietricelele nisipoase. Alte
materiale sunt în suspensie în apă, iar altele dizolvate formând soluţii adevărate sau coloidale.
Cantitatea de materiale suspendate din râuri se caracterizează prin debitul de sediment.
Conform unor estimări el este 19102 ⋅ tone/an, ceea ce se formează, în principal, din
transportarea rocilor. Debitul de sediment este cantitatea de aluviune raportată la unitatea de
suprafaţă a bazinului hidrologic.
Această cifră este cea mai mare pentru râul Gange la poalele munţilor Himalaya. Debitul de
sediment este determinat de:
- relieful bazinului hidrografic;
- înălţimea faţă de nivelul mării;
- panta;
- mărimea bazinului hidrografic;
- cantitatea apei transportate;
- clima;
- geologia albiei;
- activitatea umană (defrişarea pădurilor, agricultura).
În general, se poate spune că efectul de eroziune al râurilor de munte este cel mai
puternic, deci ele transportă sedimentul cel mai mult. În special, acele râuri mici de munte
care sunt la distanţă mică de oceane şi deci au şi suprafaţă de luncă mică (unde ar putea
depozita materialul transportat) au un debit de sediment extrem de mare. Dintre activităţile
umane, defrişarea pădurilor şi păşunatul exagerat cresc cantitatea de sediment, iar construirea
barajelor, muncile de îmbunătăţire a solului au efectul invers.
Cantitatea de aluviune depinde de debitul de apă. Cu creşterea debitului de apă creşte
cantitatea de aluviune solidă transportată ceea ce este rezultatul creşterii efectului de eroziune.
În schimb, cu creşterea debitului de apă scade concentraţia aluviunilor transportate sub formă
de soluţie. În cazul debitului de apă mare nu este timp ca apa să dizolve din straturile de sol
combinaţiile chimice.
Posibilităţile de poluare ale râurilor sunt multiple, fie prin vărsarea directă a unor
poluanţi, fie prin intermediul altor râuri secundare ale căror poluanţi ajung în râul principal
precum şi din sol poate lua apa râului mulţi poluanţi. Astfel apărarea râurilor nu este în
general problema unei ţări, ci necesită colaborare internaţională. Gura râurilor este în special
poluată, acolo se pot depune mari cantităţi de sedimente. Râurile ce traversează zone
industriale evident, conţin foarte multe substanţe poluante. Trebuie ţinut cont şi de faptul că
foarte multe substanţe periculoase pot ajunge din aer în râuri. Grijile devin şi mai mari
Capitolul II - Hidrosfera
deoarece în agricultură şi industrie se folosesc din ce în ce mai multe substanţe solubile în
apă, care provoacă degradarea durabilă a calităţii apei.
Prin cota apei înţelegem variaţia normală, regulată a debitului de apă al râului. Există
variaţii sezoniere, regulate, care se pot clasifica după climă. În râu pot apărea şi cote de apă
neregulate, din motive neaşteptate (ploi violente, persistente, topire excesivă, ruperea unui
baraj).
Temperatura râurilor este determinată în primul rând de raportul radiaţiilor primite şi
emise. Curgerea râurilor asigură o amestecare continuă, ca atare nu apare în ele stratificare
după temperatură. Variaţia zilnică de temperatură în râuri este sub 1oC. Pe suprafeţele reci,
unde apa se răceşte sub 0oC, râurile îngheaţă, având un mecanism aparte. Întrucât în râu apa
se amestecă în continuu, temperatura este practic aceeaşi în toată secţiunea, deci formarea
gheţii poate porni în tot volumul. Topirea poate avea loc pe grăunte de aluviune, pe fundul
râului, respectiv în zonele de lângă mal. Gheaţa are densitate mai mică decât apa, de aceea
pluteşte la suprafaţa apei şi formează blocuri de gheaţă. În râuri cu apă curată – în lipsa
centrelor de cristalizare – formarea gheţii este mai nesemnificativă. Râurile repezi şi pârâurile
îngheaţă mai greu din cauza căldurii rezultate în urma frecării. Durata existenţei blocurilor de
gheaţă depinde de climă. Primăvara începe o topire lentă a gheţii, topirea zăpezii ce acoperă
bazinul hidrografic este mai rapidă. Ca atare pe râu apare un val de undă de viitură care
sparge gheaţa, blocurile de gheaţă rupte se blochează şi se formează aglomerare de banchize.
Astfel apare inundaţia provocată de blocuri de gheaţă.
II.6. Ape subterane
21,8% din apa dulce a Pământului se găseşte sub suprafaţa terestră, râurile şi lacurile
reprezintă doar 0,34%. De aici rezultă importanţa apelor subterane precum şi faptul că baza
principală a folosirii apei reprezintă şi azi acest „rezervor”. În nucleul Pământului şi în
mantaua interioară nu găsim apă şi nici elementele sale constituente, care apar doar în
mantaua exterioară. Prezenţa apei este certă doar deasupra adâncimii de aproximativ 30 km.
Se cunosc multe clasificări ale apelor subterane. După origine se pot împărţi în două
grupe mari (Juhasz, 1976):
- apa juvenilă este apa de adâncime care intră pentru prima dată în ciclul
hidrologic;
- apa vadoză este apa care a participat deja în ciclul hidrologic, adică ajunge pe
suprafaţa Pământului sub formă de precipitaţie din atmosferă şi de aici se
infiltrează în sol.
Capitolul II - Hidrosfera
Apa juvenilă poate fi, după altă clasificare:
- apă din interiorul Pământului, care dintr-un motiv se ridică spre suprafaţă,
respectiv în acest interval se formează apa;
- apă solară – hidrogenul sosit din Soare intră în reacţie cu oxigenul din atmosferă,
formând apă. Acest mecanism este demonstrat de existenţa stratului de nor la
înălţimea de 60 km unde nu mai pot ajunge vaporii de apă de pe Pământ.
Apa vadoză poate fi clasificată în continuare:
- apă de condensare – este numită acea apă care este luată cu aerul ce pătrunde în
scoarţa Pământului, acolo se răceşte şi apoi se condensează. Această apă are
importanţă minoră în zonele cu climă moderată, dar pe malurile mării în zone de
deşert este semnificativă;
- apa de infiltraţie – este apa care în ciclul hidrologic se infiltrează de la suprafaţă
în scoarţa terestră şi cu timpul părăseşte stratul respectiv. Au o foarte mare
importanţă în suplimentarea apei subterane;
- apa fosilă - este apa care a jucat rolul de apă de pori când straturile s-au
sedimentat şi a rămas acolo. Putem numi apă fosilă în special apa care însoţeşte
ţiţeiul. Apa fosilă îşi poate părăsi locul originar în timpul consolidării sau sub
influenţa cutremurelor;
- apă de cristalizare – este apa legată în roci sub formă de hidroxid, respectiv
hidrosilicat;
- apă de transpiraţie – este apa care ia naştere în felul următor: roca de pe
suprafaţa terestră leagă pe cale fizică sau chimică apă, apoi roca se strânge şi
conţinutul de apă se distilează. Evident această distilare are loc în acel strat unde
temperatura este de 100oC şi 375oC, adică între punctul de fierbere şi temperatura
critică a apei.
Clasificarea apelor subterane se poate face şi pe baza forţelor ce acţionează determinant
asupra apei din strat:
- în cazul apei de cristalizare apa se găseşte în interiorul rocii de exemplu sub
formă de hidroxid, deci legătura chimică este determinantă;
- apa de pori se găseşte în găurile legate dintre grăunţe sunt importante forţele
moleculare sau capilare;
- apa din fisurile rocilor este supusă la forţe de gravitaţie;
- apa din sistemele de peşteri şi cavităţi apare în rocile carstice, deci tot forţele de
gravitaţie sunt determinante.
Capitolul II - Hidrosfera
Din punctul de vedere al mişcării apelor putem vorbi de apă curgătoare, stătătoare sau
care se mişcă sub formă de vapori de apă, respectiv apă infiltrată.
Pe baza temperaturii se pot deosebi: apă rece, caldă, călduţă.
Pe baza compoziţiei chimice putem vorbi de apă plată, apă minerală, apă curativă.
În cazul apei minerale apa conţine părţi componente solide într-o concentraţie mai
mare decât 1000mg/l sau prezintă o cantitate de elemente biologic active ce se pot pune în
evidenţă, sau are un conţinut mare de gaze dizolvate.
Apa curativă (termală) reprezintă apa minerală utilizată în scopuri farmaceutice.
Apele subterane pot fi clasificate şi după criterii practice:
- apă freatică este masa de apă sub suprafaţa terestră deasupra primului strat
impermeabil, asupra căruia factorii meteorologici au o influenţă importantă. În partea
superioară a solului se găseşte aşa numita zonă aerociotică sub care se găseşte zona capilară.
În apropierea suprafeţei capilarele conţin pe lângă apă şi aer, adică relativ la apă porii sunt
nesaturaţi. În straturile mai adânci capilarele conţin doar apă, adică relativ la apă porii sunt
saturaţi. Pânza freatică este adâncimea la care se despart nivelele nesaturate de cele saturate
în zona capilară.
Figura 16. Localizarea apei freatice
Nivelul apei freatice este determinat de numeroase condiţii externe, în special de
cantitatea de precipitaţie şi gradul de evaporare, dar joacă rol important şi curgerile.
În zona cu climă moderată primăvara creşte nivelul apei freatice, iar în lunile de vară uscate
scade semnificativ. Apa freatică poate fi cu suprafaţă deschisă, când presiunea atmosferică
zonaaerociotă
nesaturată saturată stratacvifer
stratimpermeabilzonă capilară
Pânza freatică
Capitolul II - Hidrosfera
acţionează asupra ei. În cazul în care deasupra stratului în care se găseşte apa se află un strat
impermeabil, zicem că apa freatică este cu suprafaţă închisă. Dacă nivelul apei freatice se află
mai sus decât planul superior al stratului impermeabil, atunci apa este sub presiune. În cazul
apei freatice duble în stratul cu apă se găseşte ca o lentilă un strat impermeabil şi astfel o parte
din apa freatică poate fi sub presiune.
Suprafaţa apei freatice urmăreşte în mare relieful suprafeţei terestre, dar au influenţă
şi mărimea granulelor rocilor, vegetaţia, respectiv factorii meteorologici. De exemplu, în
cazul unor dimensiuni mai mari de granule, vegetaţie cu rădăcini puternice respectiv vegetaţie
cu evaporare puternică, pânză freatică va fi mai scăzută.
Compoziţia chimică a apei freatice depinde de tipul gazelor aduse de apa
meteorologică, de eventuali poluanţi ajunşi de pe suprafaţa solului şi de substanţe dizolvate
roci.
Apa de adâncime este apa de sub suprafaţa terestră care nu mai este expusă la
influenţa factorilor meteorologici. Poate fi apă de pori, la care există un volum de cavităţi
legat şi apă de fisură la care nu există volum de cavităţi legat. Limita inferioară a apei de
adâncime este la 30 km adâncime, unde apa se găseşte la temperatura critică. Aceasta
înseamnă, că în această regiune apa se poate găsi doar în stare lichidă.
Apa de strat este masa de apă independentă de influenţele meteorologice care umplu
crăpăturile coerente ale rocilor de sediment sub suprafaţa terestră.
Apa carstică – apa depozitată în fisurile, crăpăturile, buşele, peşterile rocilor cum ar fi
dolomit, calcar, dar şi gips, respectiv sare gemă.
Apa de fisură se adună în crăpăturile, cavităţile, grotele rocilor concise.
Din punctul de vedere al apelor freatice cel mai important este capacitatea rocilor de a
conduce şi a depozita apa, ceea ce depinde de proprietăţile fizico-chimice: porozitate, tensiune
superficială şi permeabilitate.
Porozitatea este sistemul capilarelor, cavităţilor interne din sol, din roci. În general
porozitatea rocilor vulcanice este foarte mare, dar şi a sedimentelor este considerabilă. Cea
mai mare porozitate poate avea argila, iar pietrişul ceva mai mică. Porozitatea scade cu
adâncimea, astfel marea parte a apei freatice se găseşte într-un strat de câţiva kilometrii.
Forţele de legătură superficiale depind de compoziţia minerală, dar contează şi mărimea
granulelor. În cazul granulelor mici, volumul total de pori este mare, deci şi suprafaţa de pori
este mai mare şi ca atare forţele de legătură superficiale se manifestă mai puternic. Apa astfel
legată nu se poate recupera complet.
Permeabilitatea reprezintă capacitatea de a permite trecerea lichidelor şi gazelor.
Capitolul II - Hidrosfera
Roca cu sistem poros legat are permeabilitate mare. Argila are porozitate mare, dar întrucît
formează un sistem prin care nu se trece, are permeabilitate mică.
Strat conductor de apă reprezintă rocile poroase permeabile cum ar fi: pietrişul,
nisipul, calcarul, iar strat impermeabil este de exemplu argila.
II.7. Apele naturale, ca sisteme compuse
Apele din natură au 4 „componente”, şi anume:
- apa de bază, adică apă distilată la 0oC;
- componente chimice;
- componente biologice;
- componente fizice.
Componentele fizice ale apei se clasifică în alte 5 grupe mari: aluviuni, substanţe
organice, conţinutul de căldură, poluanţi gazoşi şi poluanţi radioactivi.
Prin aluviune se înţelege poluarea formată din grăunţe minerale care pot fi: de mărime
mare, dar care sedimentează foarte repede; de mărime mică care au o mişcare Browniană
intensivă; respectiv de mărime mijlocie, caracterizate de sedimentare lentă. Particulele care nu
sedimentează sunt cauza opacităţii apei.
În funcţie de temperatură se pot clasifica după diferite criterii, de exemplu după
utilizare se disting:
- apă potabilă – cu temperatura 10-16oC;
- apă pentru băi – cu temperatura 35-38oC;
- apă fierbinte – cu temperatura 60-90oC.
Radioactivitatea apei poate proveni de la apa însăşi (de exemplu apa grea) sau de la
substanţele, în special gazele, dizolvate în ea. Dintre apele naturale, în straturile adânci din
oceane, mări şi lacuri conţinutul de triţiu este cel mai mare, deci acolo radioactivitatea apei
este mare.
Capitolul III. Solul
Capitolul III. Solul
Solul se formează la frontiera litosferei, hidrosferei, biosferei şi atmosferei prin
interacţiunea lor.
Solul este stratul afânat ce acoperă roca de bază, format în urma procesului de
dezagregare chimică şi fizică şi de formare a humusului de către substanţe organice. Solul
poate fi considerat ca un sistem polidispers trifazic. Trifazic, deoarece în cavităţile dintre
particulele solide se găsesc apă şi aer; polidispers, deoarece este format din particule de
dimensiuni diferite.
III.1. Solificare
În solificare factorii determinanţi sunt geologici, meteorologici, de relief, biologici
precum şi vârsta solului. Cel mai important factor este însă clima, şi anume cantitatea
precipitaţiei şi temperatura, adică implicit evaporarea respectiv vântul.
Pentru dezagregarea chimică a solului sunt necesare precipitaţie suficientă şi
temperatură ridicată, deci în zonele cu climă fierbinte şi umedă dezagregarea chimică este
rapidă. În urma dezagregării chimice se modifică calitatea materiei rocii de bază, ceea ce nu
se întâmplă în cazul dezagregării fizice.
Mărunţirea fizică are loc acolo unde nu există apă suficientă pentru transformare chimică sau
temperatura este scăzută. În zona uscată şi semiuscată cauza mărunţirii fizice este oscilaţia
zilnică a temperaturii în jur de 50-60oC, dar efect similar apare şi pe versanţii sudici ai
munţilor. În zona rece şi în munţii înalţi predomină mărunţirea cauzată de îngheţ. În acest
caz apa din crăpături îngheaţă, îşi măreşte volumul şi apare o forţă de tensiune care duce la
mărunţire fizică. Are efect şi faptul că ziua rocile se încălzesc, iar noaptea se răcesc puternic.
În cazul rădăcinilor plantelor pe lângă efectul de mărunţire fizică contează rolul acizilor din
rădăcină pentru efectul chimic. Evaporarea are importanţă în special în zonele aride şi
semiaride. Vântul creşte intensitatea evaporării, dar contribuie şi la transportul produşilor de
dezagregare în special la cel al grăunţelor fine de sol.
Capitolul III. Solul
III.2. Caracteristicile solului
Proprietăţile fizice ale solului determină bilanţul de apă, aer şi căldură al solului. Cele
mai importante proprietăţi fizice sunt textura şi structura.
Textura dă raportul de masă al grăunţelor de dimensiuni diferite care se găsesc în
solul respectiv. Fracţiunile mecanice individuale se pot ordona conform clasificării lui
Atterberg.
Mărimea particulei (mm) Denumirea fracţiunii
2000-200 boc
200-20 pietriş macrogranulat
20-2 pietriş mărunţit
2-0.2 nisip macrogranulat
0.2-0.02 nisip neconsolidat
0.02-0.002 mâl
<0.002 argilă
Figura 17. Scara de clasificare Atterberg
Tipurile de sol pot fi caracterizate şi prin raportul procentual al particulelor
constituente mai mici decât 0.01 mm.
Denumirea solului Procentajul părţii şlemuite
nisip macrogranulat 0-1
nisip 10-15
nisip lutos 15-35
lut nisipos 25-35
lut 35-60
lut argilos 60-70
argila 70-80
argila grea 80-90
Figura 18. Tipuri de sol pe baza procentajului părţii şlemuite
Textura influenţează în primul rând porozitatea. În solurile cu macrogranulaţie
volumul total de pori este în jur de 20-40%, iar în cele cu microgranulaţie în jur de 40-60%.
Contează mult şi mărimea porilor, căci în macropori aerul şi apa pot circula mai liber. Solurile
Capitolul III. Solul
nisipoase se comportă ca izolatoare termice având în macroporii lor mult aer (care este un slab
conductor termic). Apa trece repede prin solul nisipos, inconvenabil şi pentru vegetaţie căci
rădăcinile nu au timpul necesar de a extrage substanţele nutritive din curgerea rapidă a apei.
Solurile argiloase nu sunt convenabile din punctul de vedere al bilanţului de apă şi aer.
Argila cu granule mărunte are suprafaţă specifică mare, deci şi capacitate de legare
superficială mare (adică leagă multă apă pe suprafaţa porilor). Astfel însă aerul nu mai poate
pătrunde în porii umpluţi cu apă. Acest fapt nu este benefic plantelor, deoarece în sol nu este
suficient oxigen pentru respiraţia rădăcinilor.
Structura solului înseamnă tipul agregatelor rezultate în urma legării constituentelor
primare. Ea poate fi cubică, (cu bulgări, fărâmată, granulată) prismatică, de formă alungită
într-o direcţie.
Rezistenţa solului faţă de muncile agricole se caracterizează prin afânare. Afânarea
poate fi exprimată prin numărul lui Arany. El se calculează astfel: la o anumită cantitate dată
de sol se adaugă cantitatea de apă necesară ca el să devină masticabil. Raportul procentual al
maselor de apă şi sol este numărul lui Arany. Valorile pentru diferite soluri sunt: nisip<30, lut
38-42, argilă >50.
Mărunţirea bucăţelelor de sol determină caracterul coloidal al solului. Dacă
dimensiunea granulelor este mai mică ca 0.001 mm, solul este coloidal. Cu mărunţire creşte
suprafaţa specifică şi astfel solul poate să lege cantitate mare de apă sau substanţe minerale.
În sol apa poate fi ca: umezeală higroscopică, apă capilară, apă de gravitaţie şi apă
freatică.
Apa higroscopică – este apa aderată la suprafaţa granulelor, graţie tensiunii
superficiale şi efectului de adeziune. Prin adeziune se leagă în soluri argiloase cantitate mare
de apă, în schimb în soluri nisipoase este nesemnificativă.
Apa capilară - se găseşte în jurul pânzei freatice, ea fiind de maximă importanţă
pentru vegetaţie. Intensitatea urcării capilare a apei este cea mai mare în cazul solului nisipos,
iar în cazul argilei este cea mai mică.
Apa de gravitaţie sau de drenare este apa care trece prin porii solului (apa care nu a
fost legată prin adeziune, respectiv coeziune). Cantitatea ei este mare în cazul macroporilor.
Aerul din sol umple părţile neocupate de apă din pori. Compoziţia lui diferă de aerul
atmosferic, CO2 fiind 1-10%, adică O2 este mai scăzut. Aerul din sol se poate schimba cu
aerul atmosferic prin difuzie. Apele infiltrate pot dizolva unele gaze, în special CO2. Mişcarea
aerului din sol este mai vioaie în cazul solurilor cu macropori.
Bilanţul de căldură al solurilor este mult influenţat de conţinutul lor de apă şi aer.
Solul umed se încălzeşte mai greu, având căldură specifică mare. Spaţiile mari de pori,
Capitolul III. Solul
umplute cu aer, scad conductibilitatea termică a solului, deoarece gazele nu conduc bine
căldura. Astfel se explică faptul că în zilele de vară suprafaţa nisipului se încălzeşte puternic,
dar la o adâncime de aproximativ 10 cm sub suprafaţă temperatura poate fi chiar cu 10oC mai
mică. În general, solul este un bun izolator termic, de aceea oscilaţia zilnică se poate
evidenţia până la adâncimea de 80 cm iar oscilaţia sezonieră până la adâncimea de 8-10 m.
III.3. Agricultura
Solul are rol dublu în formarea mediului uman. Pe de o parte, solul este parte
importantă din mediul natural; pe de altă parte, el este teren producător important pentru
societate. Rolul protecţiei mediului este şi el dublu din punct de vedere al solului. Este nevoie
să se obţină o stare care păstrează rolul solului în ecosistemul natural şi menţine rolul solului
jucat cu societatea umană. Agricultura este activitatea cea mai veche prin care omul a
intervenit în mediul natural. Prima sarcină a ei a fost eliminarea vegetaţiei naturale, în locul
căreia au fost introduse diferite culturi de plante. Agricultura a însemnat schimbări importante
în mediu, de exemplu: vegetaţia strămoşească ar fi reţinut mai multă apă; stratul superior al
solului s-a transformat încetul cu încetul în praf; intervenţia omului a schimbat microclima
prealabil existentă.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
Elementele radioactive naturale se găsesc la sfârşitul tabelului Mendeleev, fac parte din
categoria metalelor grele, de masă atomică mare. Uraniu, radiu, poloniu se găsesc practic
peste tot, solul conţine aceste elemente oriunde. Organismele vii conţin şi ele izotopi
radioactivi, de exemplu 40K, 3H (triţiu) şi 14C (radiocarbon). Există substanţe radioactive ce
iau naştere în atmosferă prin interacţiunea atomilor din aer cu radiaţia cosmică, de exemplu
izotopii 14C sau 3H. Radioactivitatea aerului din vecinătatea solului nu provine însă de la
aceşti doi izotopi, ci de la radonul din sol, respectiv de la produşii de dezintegrare ai
radonului.
IV.1. Tipuri de radiaţii radioactive
Deosebim trei tipuri de radiaţii radioactive naturale.
Radiaţia α constă din nuclee de He (2 protoni şi 2 neutroni). Masa particulelor α
este kg2710645.6 −⋅ , viteza lor este 5-6% din viteza luminii. Energia lor cinetică variază între
4.6-10.4 M eV. Radiaţia α are o capacitate de ionizare mare, şi anume o particulă α trecând
prin aer pe o distanţă de 1 cm în general produce 100 000 de perechi de ioni. Ca atare, după
parcurgerea unei distanţe relativ scurte, îşi pierde energia din cauza ionizărilor frecvente.
Radiaţia β constă din electroni rapizi, viteza lor variază într-un interval larg,
ajungând chiar la 99% din viteza luminii. Energia lor este de ordinul keV până la M.
Capacitatea de ionizare a radiaţiei β este o sutime din cea a radiaţiei α . Printr-o placă de
aluminiu de grosime 5 mm nu mai trece.
Radiaţia γ este radiaţie electromagnetică de frecvenţă înaltă emisă de nucleul excitat.
Nucleul poate ajunge în stare excitată ca urmare a emisiei radiaţiei α sau β , adică radiaţia γ
este un însoţitor al radiaţiei α şi β . Energia aşa numitului foton-gamma este între 0,01-4
MeV. Capacitatea de ionizare a radiaţiei γ depinde de energie. Printr-o placă de aluminiu de
grosime 5cm nu mai trece.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
IV.2. Caracteristicile cantitative ale radioactivităţii
Viteza dezintegrării radioactive se caracterizează prin activitate. Activitatea (a) este
numărul nucleelor dezintegrate în unitatea de timp:
dtdNa = (11)
unde dN – numărul nucleelor de dezintegrare, dt – intervalul de timp.
Unitatea de măsură a activităţii în SI este 1s-1=Bq (Becquerel). 1Bq este activitatea unei
substanţe radioactive, în care un nucleu se dezintegrează pe secundă.
Constanta de dezintegrare (λ ) depinde doar de substanţă, fiind egală cu scăderea
relativă a numărului nucleelor în unitatea de timp.
dtNdN
=λ (12)
(N – numărul iniţial al nucleelor). Unitatea de măsură este s-1. Valorile lui λ variază
între 10-1-10-16 s-1.
O altă caracteristică a elementelor radioactive este timpul de înjumătăţire T½, care este
egal cu intervalul de timp în care jumătate din nuclee se dezintegrează.
λ2lnT 2/1 = (13)
Radiaţia radioactivă prin efectul ei ionizant dăunează celulelor vii. Efectul biologic al
radiaţiei depinde de energia radiaţiei şi de masa substanţei vii. Doza de energie (D) este
energia radiantă absorbită de unitatea de masă de materie vie:
mED = (14)
unde E – energia radiaţiei radioactive, m- masa materiei vii. Unitatea de măsură a dozei de
energie este 1 J/kg=Gy (Gray).
Efectul biologic depinde de capacitatea de ionizare a radiaţiei. S-a introdus doza
efectivă (H):
QDH = (15)
unde Q este un factor de calitate. Unitatea de măsură a dozei efective este 1Sv (Sievert)=1
J/Kg.
Valoarea factorului de calitate în cazul radiaţiilor Röntgen, gamma şi beta este 1,
pentru neutron lent 2, neutron rapid 10 şi radiaţia alfa 20.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
Efectul biologic este influenţat şi de timpul de iradiere. Cu cît timpul de iradiere este mai scurt
la o doză dată, cu atât efectul biologic este mai mare.
Cercetările au demonstrat că radiaţia radioactivă are efecte diferite asupra diferitelor
organe. Ionii generaţi de radiaţie provoacă daune mai mari acolo unde au loc procese
biochimice intense. S-a introdus noţiunea de doză echivalentă efectivă (Hef) care ia în
consideraţie şi sensibilitatea la radiaţie (w) a ţesuturilor diferite (w):
wHH fe = (16)
Unitatea de măsură a dozei echivalente efective este tot Sievert.
testicul, ovar
plămâni
măduva osoasă
tiroidă
suprafaţa osului
altele
35%
15%
12%
5%
3%
20%
Figura 19. Sensibilitatea la radiaţie a unor ţesuturi
IV.3. Radioactivitatea naturală
Radiaţia ionizată naturală, numită radiaţia de fond, a existat deja şi la apariţia vieţii pe
Pământ şi astfel organismele vii au învăţat să se adapteze la ea. Sursele de radiaţie naturală
pot fi externe şi interne.
Surse externe sunt radiaţia cosmică, radioactivitatea scoarţei terestre, a materialelor de
construcţie şi radioactivitate naturală a atmosferei.
Surse interne sunt radioizotopii naturali ajunşi în organismul uman.
Radiaţia cosmică a fost descoperită în 1911, când s-a constatat prin experimente cu
baloane că în straturile superioare ale atmosferei densitatea de sarcină este mai mare decât la
nivelul mării. Prealabil s-a presupus că ionizarea atmosferei se datorează izotopilor radioactivi
ai scoarţei Pământului, însă experimentele au demonstrate că trebuie să existe o radiaţie
extraterestră care ionizează atmosfera superioară. Această radiaţie a fost ulterior denumită
radiaţie cosmică.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
Radiaţia cosmică primară constă din protoni (70-80%), particule alfa (20-30%) şi
nuclee mai grele (2%) cum ar fi O, C, Fe, etc. Particulele radiaţiei cosmice interacţionează cu
nucleele din atmosferă şi astfel ia naştere aşa numita radiaţie cosmică secundară, formată din
diferite particule elementare în special din fotoni. În starturile inferioare ale atmosferei ajung
doar particulele radiaţiei secundare.
Particulele radiaţiei cosmice pot ioniza atomii atmosferici – atunci apar – electroni –
sau provoacă transformări de nuclee – atunci apar aşa numiţii izotopi cosmogeni de exemplu:3H, 14C, 22Na, 24Na, 7Be, 10Be.
Particulele radiaţiei cosmice au o energie de ordinul 10-11 J. Radiaţia cu energie mai
mare este considerată de origine galactică, iar componenta de energie mai mică are drept izvor
Soarele.
Întrucât radiaţia cosmică constă mai ales din particule încărcate electric, câmpurile
electrice şi magnetice o pot devia. Şi câmpul magnetic terestru deviază radiaţia cosmică, de
aceea la suprafaţa terestră ajung doar particulele cu viteză mare, adică cu energie mare. Tot
datorită câmpului magnetic terestru deasupra polilor intensitatea radiaţiei cosmice este mult
mai mare decât, de exemplu, deasupra Ecuatorului.
Intensitatea radiaţiei cosmice depinde, printre altele, şi de presiune şi de temperatură.
Dacă presiunea atmosferică scade, intensitatea radiaţiei creşte. În cazul creşterii temperaturii
atmosferei se constată scăderea intensităţii componentelor de energie mare, căci în acest caz
procesele secundare se petrec în straturi mari înalte. Evident, activitatea solară, variaţia
câmpului magnetic influenţează valoarea intensităţii radiaţiei cosmice.
Intensitatea medie a particulelor radiaţiei cosmice pe suprafaţa terestră este de
107 m-2s-1, la înălţimi mai mari este mai ridicată. La nivelul mării radiaţia cosmică reprezintă o
doză anuală de 0,4mSv, valoare ce creşte cu înălţimea, la 100 m cu 0,02 mSv.
Surse importante ale radiaţiei externe sunt radioizotopii străvechi: produşi de
dezintegrare ai toriului, uraniului precum şi 40K. Solul conţine peste tot într-o cantitate mică
toriu, uraniu, radiu. La dezintegrarea acestor elemente apare gazul de radon, care prin
crăpăturile solului scapă în atmosferă. În roci se găsesc şi izotopi radioactivi 40K şi 87Rb.
Organismele vii conţin şi ele izotopi radioactivi, chiar şi noi suntem radioactivi.
Printre elementele indispensabile ale corpului uman se numără hidrogenul, carbonul şi
potasiul. O parte mică a apei din corpul nostru este radioactivă, la fiecare 1018 atom de
hidrogen corespunde un atom de triţiu. Carbonul, elementul de bază al vieţii, are şi el un
izotop radioactiv 14C. Atomul 14C în atmosferă se oxidează în 14CO2 şi se amestecă cu ceilalţi
bioxizi de carbon (2CO2). Prin fotosinteză ajunge în plante şi prin procesele de metabolism
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
este prezent oriunde există viaţă. Aproape fiecare organ al nostru conţine potasiu şi astfel –
deşi doar un procent mic din potasiu este radioactiv – radioactivitatea noastră proprie în mare
parte rezultă din potasiu.
Radioactivitatea unui corp uman în general este aproximativ 8600 Bq (atâtea nuclee se
dezintegrează în organismul nostru între două bătăi ale inimii). Materia corpului nostru ne
expune la o doză de radiaţie de 0,18 mSv/an.
Componentele radiaţiei de fond sunt radiaţia cosmică, radiaţia din scoarţa terestră,
radiaţia clădirilor, radioactivitatea atmosferei şi radiaţia elementelor radioactive din
organismul nostru.
Media anuală a dozei de radiaţie naturală este 1,5 mSv, doză ce primim de la
mediul nostru natural.
Mai trebuie să ţinem cont şi de doza de radiaţie ce primim de la materiale de construcţie şi
obiectele din jurul nostru.
Clădirile reprezintă pentru noi o doză anală medie de 1mSv, majoritatea datorându-
se radonului (0,6 mSv). Doza primită depinde de conţinutul în uraniu al materialelor de
construcţii, astfel doza poate ajunge la 2mSv în cazul conţinutului ridicat de uraniu.
Anual din partea mediului în total primim o doză de radiţie radioactivă de 2,5
mSv, din care 1mSV provine de la radon.
Fondul natural de radiaţie serveşte drept reper pentru doze provenite din surse
artificiale. În mod normal, dozele primite din alte surse sunt mai mici. De exemplu:
radiografii sau tratamente cu radiaţii (anual 0,5 mSv), zbor cu avionul (înseamnă expunere la
radiaţie cosmică pentru 2 000 km zbor 0,01 mSv), efectul rămăşiţelor experienţelor cu bomba
atomică (0,005 mSv/an), urmările accidentului centralei atomice de la Cernobîl (0,5 mSv timp
de 50 de ani) etc.
IV. 4. Efectul biologic al radiaţiei radioactive
Radiaţia radioactivă are efect biologic nefast. Prin ionizarea provocată de ea, în
moleculele celulelor se rup legături chimice, respectiv au loc reacţii chimice secundare.
Efectul biologic rezultat are mai multe faze:
- faza fizică (apariţia ionizării);
- faza fizico-chimică (apariţia reacţiei chimice);
- faza chimică (desfăşurarea altor procese chimice);
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
- faza biologică (perturbaţii în funcţionarea celulelor, modificarea ADN-ului,
moartea celulelor);
Fiecare radiaţie radioactivă având capacitate ionizată diferită, va avea alt efect asupra
organismului.
Radiaţia gamma, ca şi radiaţie electromagnetică, produce foarte puţine perechi de ioni
în organismul viu. În cazul fotonului gamma mai degrabă efectul de ionizare al electronilor
secundari (electroni rezultaţi din interacţiunea foton-gamma şi materie) este important.
La fel, efectul ionizant al radiaţiei beta este mic, în consecinţă afectează într-o mică
măsură celulele.
Nucleele atomilor de heliu ale razei alfa au masă mare, se mişcă încet şi ca atare
ionizează des. Radiaţia alfa venită din exterior nu este periculoasă pentru organism căci are
putere de penetrare mică şi practic celulele moarte ale pielii o absorb fără nici un risc. Însă
sursa de radiaţie alfa ajunsă în organism este deosebit de periculoasă, căci particula alfa
cedează practic toată energia ei în interiorul unei celule sub formă de ionizare. Perechile de
ioni formaţi în celulă cauzează modificări ireversibile.
Celulele, ţesuturile din organism pot fi vătămate prin două mecanisme. Conform unui
mecanism – numit „teorie de activare a apei” – radiaţia ionizează moleculele de apă din
organism şi ionii rezultaţi vor determina modificarea celulei. Cealaltă teorie presupune că
procesul se desfăşoară direct, adică chiar în molecula care absoarbe radiaţia se întâmplă
modificarea.
Figura 20. Efectul ionizant al radiaţiei radioactive
Teoria de activare a apei are la bază observaţia că efectul biologic al radiaţiei este
influenţat de cantitatea apei prezente în organism. Sub influenţa radiaţiei radioactive
moleculele de apă se ionizează şi se formează radicali activi, care intră în reacţie chimică cu
moleculele sistemului biologic şi astfel îşi exercită efectul biologic. Radiaţia rupe un electron
de pe molecula de apă şi se formează astfel un ion pozitiv încărcat (H2O+). O moleculă de apă
neutră ia electronul eliberat şi devine ion negativ (H2O-). Ionul pozitiv astfel format se
radiaţia α radiaţia β radiaţia γ
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
descompune în ion de hidrogen (H+) şi radical de hidroxil (OH•), iar ionul negativ în ion de
hidroxil (OH-) şi în radical de hidrogen (H•). Radicalii liberi– atomi, molecule ce conţin
electroni neîmperecheaţi - astfel formaţi pot intra în diferite reacţii unii cu alţii, produşii
posibili fiind H2O, H2, H2O2, O2. Dintre aceşti produşi cel mai periculos este peroxidul de
hidrogen (H2O) care este un oxidant foarte activ. Acest dizolvant dur distruge activitatea
enzimatică fin reglementată ce are loc în celule vii.
Pentru ca în organism să apară modificări biochimice, trebuie să se depăşească o
valoare de doză sub care nu apar modificări biochimice. Doze mici pot însă provoca daune
biologice. Explicaţia este, că o singură particulă poate deja provoca modificare de exemplu
ADN şi acest efect deja poate fi moştenit. Deci din punctul de vedere al efectului biologic nu
există doză de prag pentru organismul viu.
Diferitele efecte biologice apar în general după o perioadă de incubaţie. Această
perioadă poate fi de câteva minute până la zeci de ani. Sub influenţa unei radieri de 1 Sv
înmulţirea celulelor încetează deja după câteva minute, numărul globulelor roşii începe să
scadă semnificativ după câteva săptămâni însă leucemia de exemplu apare doar după cîteva
decenii în urma iradierii. Organismul se străduieşte să se apere de efectele dăunătoare prin
corectarea greşelilor apărute.
Procesele de apărare pot fi, în funcţie de gradul de afectare; următoarele:
- Radicalii, apăruţi în urma ionizării, pot fi legaţi de aşa numiţii antioxidanţi sau pot fi
descompuşi. Vitaminele A, B, C şi E leagă electronii neîmperecheaţi ai radicalilor liberi
formaţi, astfel scade reactivitatea lor. Unele enzime apără organismul prin descompunerea
peroxidului de hidrogen compuşii care conţin grupa SH (de exemplu proteina cisteină) de
asemenea frânează activitatea radicalilor activi.
- Dacă este lezată chiar spirala dublă a ADN-ului, atunci porneşte o reacţie de apărare
în interiorul celulei. Sub influenţa unei enzime în partea lezată lanţul este marcat. O altă
enzimă reconstruieşte după modelul părţii nevătămate a lanţului bucata vătămată. În fine, o
nouă reacţie de enzimă îndepărtează din ADN partea vătămată şi o înlocuieşte cu cea nouă.
Regenerarea însă nu este perfectă în urma iradierii. Astfel, efectele unor doze noi în organism
într-un fel se adună. Iată nişte efecte biologice în funcţie de mărimea dozei de radiaţie:
- 250 mSv – doza de prag: nu apar consecinţe observabile clinic;
- 5 sS – doza semimortală: sub efectul acestei doze 50% dintre cei indivizii iradiaţi
mor în 30 de zile.
- 101V – doza mortală: sub efectul acestei doze toţi indivizii dintre cei iradiaţi mor
în 30 de zile.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
Radiaţiile ionizate nu sunt totdeauna nocive. S-a observat că doze mici au efect pozitiv
asupra funcţionării celulelor. Doze mici, definite stimulează funcţionarea celulelor, fenomen
numit homersis.
O doză mai mică are un astfel de efect asupra celulei în urma căruia sub influenţa unei doze
ulterioare mai mari lezarea celulelor este mai mică decât ar fi fost expuse doar la doza mare.
Dacă sângele uman este iradiat mai întâi cu 0,01Gy şi apoi timp de câteva ore cu 1Gy, efectul
lezării este mult mai mic decât fără iradierea prealabilă. Explicaţia plauzibilă este că radiaţia
în doză mică activează procesele reparatorii şi astfel funcţionarea lor este şi mai eficientă în
cazul dozei mai mari. Acest fenomen îl numim răspuns de acomodare.
Radiaţiile radioactive lezează mai puţin acele celule unde reacţiile biologice sunt mai
lente. De aceea, acele substanţe şi efecte care încetinesc funcţionarea celulelor oferă protecţie,
într-o anumită măsură, faţă de efectele nefaste ale radiaţiei ionizante. Astfel de efect au
alcoolul, respectiv răcirea celulelor (hipotermia).
S-a demonstrat prin experimente pe animale, că sub influenţa radiaţiilor pot apărea
diferite boli de cancer. În Evul Mediu deja s-a constatat, că la oamenii care lucrau în mine
apare o boală, care a fost denumită atunci „boală de mină”.
Agricola (sec. XV) şi Paracelsius (sec. XVI) au scris despre această boală. Ulterior s-a
dovedit, că boala de mină nu era altceva decât cancerul pulmonar provocat în special de aerul
cu conţinut de radon din minele cu conţinut mare de minereu.
IV.5 Radonul
Studiul radonului datează din anii 1400, când Paulus Naivis într-o lecţie de limbă a
formulat că „... cei care lucrează în mine, unde aerul este foarte nesănătos, îşi pierd culoarea şi
mor foarte devreme”.
Cauza cancerului pulmonar s-a considerat mai devreme a fi: arsenul, praful silicogen,
metalele toxice (cobalt, nichel, bismut). După câţiva ani de la descoperirea radioactivităţii în
Saxonia au studiat conţinutul de radioactivitate al surselor. Atunci a reieşit că în apa şi aerul
minelor din Schneeberg concentraţia de radon este foarte ridicată. Legătura între cancerul
pulmonar şi măsurătorile de radon a fost evidenţiată de Ludwig şi Lorenser. Ei au formulat că
respiraţia pe termen lung a aerului conţinând radon provoacă cancer pulmonar. A fost nevoie
de alţi 30 de ani să se constate că nu radonul ci produşii de dezintegrare cu timp de
înjumătăţire scurt, care aderând la aerosoli ajung în plămâni sunt cauza cancerului pulmonar.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
În anii 1980 s-a descoperit că radonul din scoarţa terestră se poate îmbogăţi şi în încăperi
închise, în locuinţe. Mai întâi fenomenul a fost studiat în Anglia de Sud , Suedia, Canada, dar
de atunci se fac măsurători şi în multe alte ţări.
Importanţa radonului rezultă din faptul că, fiind gaz nobil, el difuzează uşor din sol,
respectiv din pereţi în atmosferă. De aici, în primul rând prin inspiraţia aerului poate leza
direct organismul uman. Izotopii radonului sunt 22Rn (radon), 219Rn (aktinon), 220Rn (toron) se
găsesc în toate materialele naturale, ei pot ajunge în aer de pe suprafeţele rocilor, solului şi ale
materialelor de construcţie.
Prin ehaltaţia radonului înţelegem plecarea radonului prin suprafaţa terestră în
atmosferă. Marea parte a radiaţiei suportate de populaţie provine din radon. Conform
măsurătorilor în diferite ţări concentraţia medie de 222Rn în clădiri, în spaţii interioare
(nearisite suficient) variază între valorile de câţiva Bq/m3 până la mii de Bq/m3.
După scăparea radonului în aer apar şi produşi de dezintegrare cu timp de înjumătăţire
scurt. Este vorba de radioizotopii poloniului, bizmutului şi ai plumbului (218Po, 214Pb, 214Bi)
care se leagă de particule de praf de obicei, de particule cu diametrul de ordinul
micrometrilor, formându-se astfel aerosol radioactiv.
Din radon rezultă radioizotopi cu radiţii beta şi alfa. Primii patru produşi de
dezintegrare 218Po, 214Po, 214Bi şi 214Po au timp de înjumătăţire mai scurt de 30 minute.
Produsul final al seriei radonului este de fapt 210Po cu timp de înjumătăţire 22,3 ani.
Efectele nefaste asupra sănătăţii sunt produse mai ales de aceşti produşi de
dezintegrare şi nu de radon însuşi. Produşii de dezintegrare din aer se aşează pe suprafeţe,
pereţi, tavane, mobile şi ca atare în aer concentraţia produşilor de dezintegrare este mai mică
decât cea a radonului. Efectul de îmbolnăvire al acestor produşi de dezintegrare apare în
special în urma inhalării lor.
Produşii de dezintegrare absorbiţi pe particule de aerosol – 218Po şi 214Po în primul
rând – se depun pe pereţii bronhiilor de unde bombardează cu particule alfa celulele cele mai
sensibile la radiaţii din stratul de celule al bronhiilor.
Radioactivitatea ajunsă în plămâni depinde de frecvenţa respiraţiei şi de cantitatea de
aer inspirat. La mineri, media este 1,7-1,9 m3/oră, dar la efort poate ajunge la 3 m3/oră (pentru
comparaţie, intensitatea respiraţiei normale este 0,75 m3/oră).
Radonul şi produşii lui de dezintegrare nelegaţi prin plămâni pot ajunge şi în sânge,
respectiv prin el în diferite părţi ale corpului. Radonul ce ajunge prin gură în stomac, nu are
celule ţintă bine determinate. Apele potabile cu conţinut ridicat în radon reprezintă în schimb
o doză de radiaţie bine estimabilă pentru stomac.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
IV.6 Concentraţia de radon în mediul uman
Radonul din aer provine preponderent din sol, ca atare conţinutul de radon al spaţiilor
de locuit depinde de calitatea solului, mai precis de conţinutul de uran al solului. Contează
originea solului, structura, umiditatea (zăpada, ploile abundente scad curgerea radonului din
sol). Contează şi distanţa locuinţei de sol. Pivniţa de sub casă scade nivelul de radon din
locuinţă. Se recomandă şi podele groase din materiale sintetice care reprezintă un strat
impermeabil.
În cazul pereţilor este determinant conţinutul de radiu. Radioactivitatea materialelor de
construcţii diferă mult, fiind funcţie de originea materiilor prime.
Valorile medii pentru câteva materiale de construcţii:
- beton: 70-100 µ Sv/an
- cărămidă: 50-100 µ Sv/an
- lemn: 30-50 µ Sv/an
Nivelul de radon al încăperilor prezintă şi variaţii sezoniere: toamna este cel mai
ridicat şi primăvara este cel mai scăzut. Se constată de asemenea variaţii zilnice: în zori
nivelul este cel mai ridicat şi după masă este cel mai scăzut. Cauza este aceea că în timpul
nopţii se adună toată cantitatea de radon în încăpere, iar până după-masă cu aerisirea şi
deschiderea uşilor aerul camerei se schimbă. Prin aerisiri frecvente se poate micşora
considerabil nivelul de radon din încăpere.
Chiar cu ferestre închise (nu termopan!) există un curent de aer natural. Aerul circulă
prin crăpăturile de lângă uşi, ferestre sau de-a lungul circuitelor electrice, conductelor de apă,
gaz, etc. Acest curent de aer este provocat de diferenţa de temperatură şi de vânt. Încălzirea
provoacă o circulaţie ascendentă, acest curent trage aerul din partea de jos a clădirii şi apoi
aerul se adună în jurul tavanului. Aceste efecte duc la diferenţe de presiune între cameră şi
atmosfera din exterior, respectiv între cameră şi sol, care influenţează curgerea spre exterior a
radonului.
Condiţiile de stabilitate atmosferică influenţează de asemenea nivelul radonului în aer.
Pe timp de furtună intensitatea câmpului electric al atmosferei creşte, ca atare scade
concentraţia cationilor rezultaţi din dezintegrarea radonului.
Sursele de radon ale locuinţelor, suprafeţele interioare pot fi următoarele:
- scăparea radonului din solul de sub clădire;
- emisia de radon din materiale de construcţie;
- intrarea radonului din aerul exterior în timpul aerisirii;
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
- eliberarea radonului din aerul exterior în timpul aerisirii;
- eliberarea radonului din apa de la robinet şi din gazele naturale.
Radonul rezultat din apa din conducte şi din gazul natural este de obicei nesemnificativ. În
peşteri – din cauza lipsei de aerisire – pot apărea concentraţii mari de radon. În tuneluri, pe
culoarele de metro se pot măsura concentraţii mai ridicate de radon.
În mai multe ţări există programe de măsurare a nivelului de radon în casele de locuit. S-a
găsit, că majoritatea caselor au nivelul de radon scăzut, 200-400 Bq·m-3, dar s-au găsit şi
valori de 100 Bq·m-3 în câteva zecimi de sută dintre case. Casele din pământ au concentraţii
mai ridicate, locuinţele de bloc au valoare mai mică decât valoarea medie.
IV.7. Radioactivitatea atmosferei
O parte din substanţele radioactive sunt gazoase, altele sunt în suspensie în aer, lipite
de aerosoli. Substanţele radioactive din aer, după originea lor, se pot clasifica în 2 grupe:
- izotopi radioactivi naturali (ex: 3H, 222Rn);
- substanţe active de origine artificială (ex: 85Kr, 137Cs, 90Sr, 131I).
Din prima categorie fac parte produşii gazoşi ai substanţelor radioactive naturale, care
ajung în aer din sol şi din hidrosferă, precum şi izotopii rezultaţi sub influenţa radiaţiei
cosmice. Din a doua categorie fac parte substanţele radioactive care au ajuns în atmosferă în
urma experienţelor de explozii nucleare, respectiv funcţionării reactoarelor nucleare şi
prelucrării elementelor de combustie arse. Se constată, că radioactivitatea aerului deasupra
uscatului este dublu în comparaţie cu cea măsurată deasupra oceanelor.
De menţionat că în ultimii 30-40 ani a crescut semnificativ concentraţia de 210Pb în
mediul nostru, din două motive. Un motiv este creşterea într-o măsură extraordinară a
utilizării energiei combustibilului fosil. Prin arderea cărbunelui ajung produşii de dezintegrare
ai uranului prin atmosferă în ciclul biologic al elementelor. Al doilea motiv este utilizarea
îngrăşămintelor chimice, ajungând astfel în sol, apoi de acolo în atmosferă o cantitate
semnificativă de izotopi radioactivi.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
IV. 8 Radioactivitatea apelor
Substanţele radioactive din ape provin din sol, din roci ce se dizolvă şi ajung în hidrosferă
precum şi din atmosferă, cele produse de raze cosmice. Substanţe radioactive de origine
artificială sunt izotopi emişi în cursul experimentelor de explozii nucleare şi de industria
nucleară. Se ştie, că 70% din suprafaţa Pământului este acoperită de apă şi astfel majoritatea
substanţelor radioactive ajunse, respectiv produse, în atmosferă, ajung direct din aer în apele
de suprafaţă.
Substanţele din stratosferă ajung pe 3 căi pe suprafaţă terestră:
- sedimentare gravitaţională pe timp fără precipitaţii („dry-out”);
- precipitaţii „căzute din nori” („rain-out”);
- „spălare” sub nori („wash-out”).
„Dry-out” înseamnă deci cădere uscată, iar „rain-out” şi „wash-out” cădere umedă.
Prin „fall-out” înţelegem căderea totală, adică cea uscată şi cea umedă.
Între hidrosferă şi atmosferă – precum şi între hidrosferă şi celelalte elemente ale
biosferei migrează încontinuu substanţele radioactive. Radioactivitatea apelor de suprafaţă şi
cea a organismelor vii din ele depinde în afara sursei şi de mulţi alţi factori, de exemplu:
adâncimea apei, posibilitatea amestecării apei. În lacuri se pot îmbogăţi mai bine substanţele
radioactive decât în râurile mereu în mişcare. În mări radioactivitatea este mai scăzută decât în
lacuri, ceea ce pe lângă adâncimea mai mare a mării se explică şi prin amestecarea pe
verticală într-o măsură mult mai semnificativă.
Gradul de poluare a apei depinde şi de raportul suprafaţă/volum, deoarece poluanţii
ajung prin suprafaţă în apă. Compoziţia chimică a apei, cantitatea şi calitatea organismelor vii
din apă de asemenea determină radioactivitatea apei, chiar şi faptul dacă pe suprafaţa
cercetată se practică de exemplu piscicultură. Organismele vii din apă, printre substanţele
minerale din ele, vor conţine şi izotopii radioactivi luaţi din apă. Procesul decurge evident şi
în sens invers, adică prin descompunerea materiei organice în apă, substanţele radioactive se
eliberează din nou acolo.
Radioactivitatea naturală a hidrosferei joacă un rol important în privinţa conţinutului
de potasiu al apelor, ceea ce depinde de mediul geologic, de conţinutul de K, solubil în apă, al
solului şi de alţi factori de exemplu folosirea îngrăşămintelor chimice, apa uzată de
comunitate.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
În cazul poluanţilor solizi, cel mai mult contează cât de bine sedimentează, ceea ce
depinde de mărimea particulei şi de diferenţa de densitate. În urma sedimentării substanţele
radioactive pot ajunge în adâncimea mâlului, de unde prin procese mecanice (de exemplu:
inundaţie) şi chimice pot ajunge din nou în apă. Proces chimic este de exemplu schimbarea
compoziţiei chimice în urma reacţiilor chimice anaerobe din mâl, schimbarea pH-ului,
interacţiuni chimice ce se stabilesc în urma apariţiei unor componente poluante noi. În apele
lacurilor nu prea adânci, compoziţia chimică se schimbă într-o măsură mult mai mare decît în
mări.
Caracterizarea radioactivităţii apei – într-o primă aproximaţie, ca dată informativă – se
face de obicei prin „activitatea β-totală”.
Această mărime se determină prin măsurarea radioactivităţii reziduului în urma evaporării
apei. Activitatea β-totală este egală cu suma activităţilor tuturor componentelor nevolatile şi
include pe lîngă radioactivitatea izotopilor naturali şi activitatea 90Sr, 137Cs, care provoacă
contaminare. Valoarea concentraţiei de triţiu este independentă de activitatea β-totală, căci în
urma evaporării apa cu conţinut de 3H s-a îndepărtat şi reziduul nu conţine 3H. Valorile
măsurate sunt ridicate ca urmare a efectului poluant al centralelor nucleare şi al
îngrăşămintelor chimice cu conţinut de K.
Amintim, că activitatea de radon a apelor minerale şi curative poate depăşi cu mult
conţinutul de substanţe active ale apelor de suprafaţă. Apa juvenilă – care n-a participat încă
în ciclul hidrologic – provenită din adâncul Pământului, trecând prin roci cu radioactivitate
ridicată, poate aduce cantitate mare de radioizotopi. Întrucât apele din adâncul Pământului se
găsesc sub presiune, gazul de radon ce se produce continuu nu poate părăsi apa şi astfel
activitatea de radon se poate ridica la o valoare foarte mare. Se cunosc multe staţiuni balneare,
unde radioactivitatea apei este ridicată. Fără îndoială, este un fapt dovedit prin experienţă
îndelungată, că anumite boli se tratează cu succes prin băi cu apă radioactivă. Dar tot
experienţa arată, că efectul benefic nu se datorează radioactivităţii, ci altor factori. Sărurile
minerale din apă, aerul curat al peşterilor, conţinutul de vapori de apă ridicat, temepratura
uniformă sunt de fapt factorii care au efectul curativ. Se ştie de asemenea, că norul de sarcini
electrice negative în jurul corpului uman are un efect stimulant asupra organismului. Astfel de
nor electronic stimulant se poate forma în peşterile cu ape radioactive, în urma efectului de
ionizare al radiaţiei radioactive, adică în mod indirect şi substanţele radioactive contribuie la
efectul favorabil al acestor locuri.
Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei
IV.9. Radioactivitatea solului
Nivelul de radioactivitate naturală al solurilor depinde de condiţiile geologice, de
agricultură – din cauza folosirii îngrăşămintelor chimice, irigaţiilor – precum şi de parametrii
meteorologici şi de mediu.
În roci, minereuri se găsesc radioizotopii principali 40K, 238U, 235U, 232Th precum şi
produşii lor de dezintegrare. Dintre minereuri evident radioactivitate maximă au cele ce conţin
uraniu şi toriu (uraninita, torbernita, etc.) valoare ridicată au şi magnetita, apatita, muscovita.
Cuarţul este slab radioactiv, iar granitul şi mai slab.
Izotopul 40K este responsabil în mare parte pentru radioactivitatea naturală a solurilor.
Acest izotop radiază raze de beta şi gamma, se găseşte în potasiul natural în proporţie
0,0119%. Conţinutul mediu de K al solurilor este 1-2%, dar poate ajunge la 3-4% din cauza
rocilor de granit. Activitatea solului creşte în urma folosirii îngrăşămintelor cu potasiu.
În soluri se găseşte şi rubidiu, cu proprietăţi asemănătoare ale potasiului, iar 27,85%
din rubidiul natural este izotopul radioactiv 87Rb. Activitatea de Rb a solurilor este cu câteva
ordine de mărime mai mică decât activitatea de 40K.
În sol se găseşte şi radon, din cauza conţinutului de uraniu şi toriu. Conţinutul de
radon în straturile superioare ale solului variază, printre altele, în funcţie de anotimp, respectiv
de temperatură. Concentraţia maximă este vara, cea minimă este iarna. Vara gazele curg spre
sol (din cauza condiţiilor de temperatură) şi astfel radonul rămâne blocat în sol, de aceea în
straturile superficiale se măsoară valori ridicate. Iarna, zăpada împiedică ieşirea radonului. În
solul ud se închid porii şi crăpăturile solului prin care radonul putea scăpa la suprafaţă. Ca
atare, după ploi abundente creşte concentraţia radonului în sol. Şi presiunea crescândă ridică
concentraţia radonului în sol. Şi presiunea crescândă ridică concentraţia radonului (deoarece
în astfel de situaţie aerul curge înspre sol). În condiţiile de vânt puternic însă – din cauza
efectului aspirant al curgerii aerului scade nivelul de radon.
Din punctul de vedere al poluării radioactive a solului şi relieful este important, în
primul rând din cauza scurgerii apei pe versanţi şi a proceselor de eroziune. Acolo unde aceste
procese „distrug” solul, din cauza transportului straturilor superficiale scade mărimea
radioactivităţii, iar în văi creşte. Impermeabilitatea solului are influenţă asupra concentrării
poluării pe o anumită suprafaţă.
Muncile agricole, prin amestecarea straturilor contribuie la uniformizarea poluării.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
V.1. Generalităţi
Este deosebit de important pentru schimbarea mediului nostru producerea şi consumul
de energie pentru uzul uman. Aceste procese necesită cantităţi imense de materii prime, care
se obţin din mine, se transformă şi chiar reziduurile rămase necesită manipulări. Procesul de
producere are efecte asupra mediului, poluarea apare în fiecare etapă, ceea ce duce la
încălzirea globală. De aceea este nevoie să fim în clar cu situaţia energetică a lumii.
Consumul de energie diferă mult de la o ţară la alta. Este interesant, de exemplu, că în
anii 1970 în ţările unde trăiau 72% din populaţia globului, consumul era o treime din cel al
ţărilor dezvoltate, unde trăiau doar 6% din populaţia lumii. Consumul de energie al unei ţări
depinde în primul rând de gradul de dezvoltare, situaţia economică-geografică, care determină
şi repartizarea energiei în cadrul unor ramuri (industrie, agricultură, transport).
O dată cu creşterea economică un loc mai important are comerţul, condiţiile de viaţă
mai confortabile, care vor avea ca atare un procent mai mare de consum de energie. În
societatea bazată pe vânătoare doar producţia hranei necesită consum de energie; în societatea
bazată pe agricultură producţia hranei şi cam în egală măsură gospodăria – comerţul însemna
consum de energie. În Evul Mediu deja industria, agricultura şi chiar transportul necesitau
energie. În 1985 în S.U.A producţia de alimente reprezenta doar 4,3% din consumul de
energie, iar de exemplu transportul şi mass-media beneficiau deja de 27,4%.
Politica energetică din UE este stipulată în aşa numita Carte Albă, care prevede
competitivitatea, aprovizionarea cu siguranţă şi protecţia mediului.
Dezvoltarea tehnologică contribuie la îmbunătăţirea randamentului energetic, acces mai uşor
la purtători de energie şi reducerea poluării mediului. Întrucât societăţile energetice nu sunt
neapărat interesate în aceste probleme, ele trebuie stimulate şi guvernul să sprijine cercetarea
şi dezvoltarea. Anual se prevede o creştere de 1,6-2% în energie totală produsă, locul ţiţeiului
fiind preluat de gaze naturale.
Consumul de energie în creştere continuă are efect nefast asupra mediului nostru
global. Arderea cărbunelui şi ţiţeiului determină ploi acide, iar creşterea concentraţiei de
bioxid de carbon are drept consecinţă efectul de seră. Fisiunea nucleară produce deşeuri
radioactive cu timp de înjumătăţire lung. În urma poluării mediului ne putem aştepta la
producerea schimbărilor de climă pe Pământ într-un timp relativ scurt.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Pentru a micşora toate aceste efecte este nevoie de răspândirea unor surse de energie noi,
protejând mediul, respectiv de utilizarea cu un randament mai mare a surselor de energie
existente (posibil prin dezvoltarea tehnologiei de prelucrare).
Ţiţeiul, cărbunele şi gazul natural asigură preponderent energia pentru uzul uman. Se
mai folosesc energie nucleară, cea solară (din ce în ce mai mult), eoliană şi energia
geotermală.
Piaţa energiei este dominată de ţiţei, ale cărui rezerve cunoscute într-un procent de
75% aparţin ţărilor OPEC. Acest fapt înseamnă dependenţa lumii de ţiţeiul din Orientul
apropiat. Căldura specifică a ţiţeiului este de 40 MJ/kg, din care jumătate se poate transforma
în energie electrică. Conform estimărilor rezerva de ţiţei pe Pământ ajunge încă pentru 45 de
ani.
Rezerva de cărbune a Pământului se estimează la 950 miliarde tone, care este
suficientă pentru încă aproximativ de 275 ani. Cărbunele nu este un combustibil prea curat:
mineritul lui distruge pământurile, prin arderea lui ajung în atmosferă o cantitate mare de
bioxid de carbon şi alţi poluanţi. Prin limitarea utilizării cărbunelui se pot micşora daunele
provocate mediului sau prin găsirea unor tehnologii prin care arderea cărbunelui să se facă cu
randament mai bun sau să se transforme într-un alt carburant.
Prin utilizarea diferitelor filtre se poate micşora cantitatea poluanţilor, în special a
bioxidului de carbon. Centralele termice pe bază de cărbune, emit şi poluanţi radioactivi.
Anume, 1 kg de cărbune conţine în medie 10-6 kg uraniu, mai conţine şi izotopul 40K şi toriu,
de aceea zgura şi PERNYE sunt puternic radioactive. Cărbunele de pământ (huila) are căldură
specifică de 25-30 MJ/kg, dar în multe centrale termice se utilizează cărbune de calitate
Rezerva de cărbune a Pământului se estimează la 950 miliarde tone, care este suficientă
pentru încă aproximativ 275 ani. Cărbunele nu este un combustibil prea curat: mineritul lui
distruge pământurile, prin arderea lui ajunge în atmosferă o cantitate mare de bioxid de
carbon şi alţi poluanţi. Prin limitarea utilizării cărbunelui se pot micşora daunele provocate
mediului sau prin găsirea unor tehnologii prin care arderea cărbunelui să se facă cu randament
mai bun sau să se transforme într-un alt carburant. Prin utilizarea diferitelor filtre se poate
micşora cantitatea poluanţilor, în special a bioxidului de carbon. Centralele termice pe bază de
cărbune emit şi poluanţi radioactivi. Anume, 1kg de cărbune conţine în medie 10-6 kg uraniu,
mai conţine şi izotopul 40K şi toriu, de aceea zgura şi cenuşa sunt puternic radioactive.
Cărbunele de pământ (huila) are căldura specifică de 25-37 MJ/kg, dar în multe centrale
termice se utilizează cărbune de calitate mai scăzută, având căldură specifică mult mai mică.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Gazele naturale au multe proprietăţi favorabile: ardere completă, randament bun cu
multiple utilizări. Prin arderea gazului în atmosferă ajunge mult mai puţin bioxid de carbon şi
alţi poluanţi decât în cazul oricărui alt combustibil fosil. Căldura specifică a gazului este 40-
120 MJ/kg. Actualmente mai există o rezervă de gaze suficientă pentru 65 de ani, care de
asemenea este proprietatea câtorva ţări.
S-au făcut cercetări pentru a folosi alte surse de energie decât cele fosile. Mulţi preferă
energia nucleară, fiind mai puţin poluantă. Alţii însă se tem de această utilizare, punând şi
problema deşeurilor radioactive în discuţie.
Utilizarea energiei solare câştigă din ce în ce mai mult teren. Costurile folosirii acestei
forme de unde se reduc în continuu şi există deja ţări unde o pură parte din cerinţele
energetice sunt satisfăcute prin celule solare.
Folosirea energiei hidraulice cere o investiţie mare şi tehnologie avansată.
Biomasa pe bază de lemn şi substanţe organice se folosesc ca surse de energie, dar
prin prelucrare se pot obţine surse de energie mai mobile, de exemplu metan sau alcool etilic.
Şi la arderea biomasei, atmosfera este poluată cu bioxid de carbon. Spre binele mediului ar
trebui ca vegetaţia pierdută să fie replantată.
Energie eoliană aparţine categoriei de sursă de energie prietenoasă cu mediul. Pentru
ca să fie o sursă corespunzătoare de energie este nevoie de un sistem care să funcţioneze
corect pentru orice viteză a rotorului maşinii eoliene.
Producţia energiei geotermice oferă de asemenea posibilităţi noi, prin care se poate
utiliza de exemplu căldura rocilor fierbinţi subterane.
Din punct de vedere al protecţiei mediului cele mai bune surse de energie sunt aşa-
numitele surse reînnoibile, adică folosirea energiilor solare, eoliene şi geotermice. Utilizarea
acestora însă are şi dezavantaje, cum ar fi:
- investiţie mare;
- caracterul sezonier al energiei (de exemplu energia solară);
- nevoia surselor de energie complementare;
- dependenţa de locul geografic;
- efectul negativ asupra mediului exercitat la construirea lor (de exemplu unele
forme ale energiei hidraulice)
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
titei
ech
ival
ent i
n to
ne
1973 1990 2000 2010 2020
titei gaz natural carbune energie nucleara energie reinnoibila
Figura 21. Estimarea necesarului de energie al lumii
(1 miliard tone de ţiţei echivalent=1010 GJ)
V.2. Centrale electrice pe bază de cărbune
Ele au fost primele care au produs energie electrică. Au avantajul că rezerva de
cărbune a lumii este mult mai mare în comparaţie cu ţiţeiul şi gaze naturale. Dezavantajul lor
este că poluează mult mediul, se pune şi problema transportului, cauzează ploi acide şi efect
de seră.
Deoarece după anii 1960 ţările au început să pună accent pe protecţia mediului,
costurile de amplasare ale centralelor pe bază de cărbune au crescut mult. Dezvoltarea
tehnologică a oferit însă perspective pentru centralele electrice pe bază de cărbune.
Etapele principale ale formării cărbunelui sunt: sedimentarea substanţelor vegetale
moarte, urmată de transformarea acestora la suprafaţă – rezultatul fiind turba – apoi în
decursul aşa numitei carbonificări, turba se transformă în lignit, cărbune maro, cărbune negru
şi apoi antracit. Carbonificarea are loc în scoarţa terestră la presiune şi temperatură mai mare.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Conţinut în
cărbune (%)
Căldura de ardere
(MJ/kg)
Turba 55-65 6.3-7.5
Lignit 60-65 7.0-8.4
Cărbune maro 65-80 5.4-24
Cărbune negru 80-93 24-32
Antracit 93-98 35-37.5
Figura 22. Etapele carbinificării
În cursul carbonificării scade conţinutul de hidrogen şi de oxigen; la plante avea
valoarea în jur de 6, respectiv 44%, la antracit abia ajunge la 2% respectiv 4%. Cărbunele
mineral pe lângă hidrogen şi oxigen poate conţine şi alte substanţe combustibile şi
necombustibile, de exemplu poate avea un conţinut ridicat de potasiu sau uraniu.
Centralele obişnuite pe bază de cărbune au următorul principiu de funcţionare.
Huila se arde într-un cuptor, care are în pereţii interiori ţevi, cu apă, ce se transformă
în vapori. Cărbunele este fin mărunţit, apoi suflat în cuptor, astfel el arde cu un randament la
fel de ridicat ca şi gazele de combustie. Un cuptor obişnuit foloseşte 440 de tone praf de
cărbune pe oră pentru a produce 3 00 0 t de vapori. Aceasta este necesar pentru producerea a
1000 MWh energie electrică. Vaporii, înainte de a roti turbina de mare presiune, sunt trecuţi
printr-un supraîncălzitor unde îi creşte presiunea şi temperatura. Axa turbinei în rotaţie
furnizează acea energie mecanică care se va transforma în generator în energie electrică.
Pentru creşterea randamentului total, al transformării energiei, vaporii care părăsesc turbina
sunt reîncălziţi şi conduşi înapoi să pună în mişcare încă una sau două turbine mai mici. Doar
după aceea sunt răciţi şi apa astfel rezultată este pompată înapoi în cazan, unde procesul
începe de la capăt.
Centralele termice au nevoie pe lângă cazane, condensatoare, generatoare şi de sisteme
complicate de răcire şi de strângere a deşeurilor. Echipamentele centralei trebuie să
funcţioneze bine cel puţin timp de 40 de ani. Randamentul transformării energiei termice în
energie electrică la începutul secolului XX era de 5%, până în anii 1967 a crescut la 40% şi de
atunci sistemul creşterii este foarte lent.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Bugetul centralelor termice a fost deosebit de afectat mai ales din cauza măsurilor
luate în vederea manipulării corespunzătoare ale deşeurilor gazoase, lichide şi solide. În acest
sens investiţie cea mai mare şi cea mai performantă este sistemul de eliminare a sulfului din
fum. Acesta îndepărtează poluanţii periculoşi, oxizii de sulf rezultaţi în urma arderii lignitului.
Neutralizarea are loc după principiul spălării umede a gazului, esenţa procedurii fiind
stropirea fumului cu lapte de var, care absoarbe oxizii de sulf ai fumului. Apoi sub formă de
sulfit de calciu sau sulfat de calciu precipită din soluţie. Există şi alte procedee, mai scumpe,
prin care precipitaţia se poate transforma în acid sulfuric sau sulf. După 1978 s-a pretins
centralelor termice nou construite să fie prevăzute cu sisteme de epurare a gazelor din fum.
Spălătoriile de gaze produc mult mâl (deşeu) care trebuie pus în gropi sau bazine de
depozitate. Pentru a reduce cheltuielile, unităţile de producere a curentului electric au fost
dotate cu module mai mici, li s-a îmbunătăţit randamentul şi durata de viaţă. Azi nu se mai
consideră centrale învechite nici cele care funcţionează de trei decenii.
Calitatea lignitului este un parametru important privind transportul, manipularea şi
depozitarea cenuşii. Calitatea mai proastă a lignitului nu înseamnă neapărat şi mai ieftin, căci
cheltuielile de transport şi de depozitare a cenuşii costă mai mult.
Compoziţia lignitului de proastă calitate este mult mai variabilă ceea ce îngreunează
funcţionarea sistemelor centralei la randament maxim. Există centrale care pot îmbunătăţi sau
cel puţin să menţină la nivel constant calitatea lignitului. Acesta este posibil prin eliminarea,
înaintea arderii, a unor substanţe poluante. Procesul se desfăşoară în modul următor: lignitul
foarte poluat este măcinat, apoi minereurile poluante se izolează, pe baza diferitelor
proprietăţi fizice.
În prezent se fac cercetări privind dezvoltarea mai multor procedee moderne. Cele mai
promiţătoare sunt următoarele două: arderea în pat fluidizat şi transformarea lignitului în gaz.
Într-un cuptor de ardere cu „pat fluidizat” lignitul mărunţit împreună cu bucăţi de piatră de
var (calcar) se „fluidizează” adică se adaugă într-un curent de aer puternic, ascendent. Astfel,
părţile solide „fluidizate” se comportă ca şi cum ar fi într-un lichid în fierbere, adică se
amestecă prin vârtej, ceea ce duce la o ardere cu un randament ridicat. În cuptorul cu „pat
fluidizat” suprafaţa de schimb de căldură a tuburilor este mai mare, ceea ce permite ca acest
cazan să lucreze la temperatură mai scăzută faţă de cuptoarele tradiţionale. În cuptoarele
tradiţionale temperatura este de 16500C, iar în cele cu „pat fluidizat” este doar de 790-8700C.
Alt avantaj este că 90% din sulful rezultat prin arderea lignitului este extras de calcar. Deci
arderea în „pat fluidizat” reţine substanţele poluante rezultate la arderea lignitului acolo unde
s-au format (în cuptor). Această nouă metodă de producere a energiei este mai puţin sensibilă
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
şi la schimbările de calitate ale lignitului, în plus nu se formează nici cenuşă topită, căci
lignitul arde la temperatură sub temperatura de topire a cenuşei. Deci s-a rezolvat şi problema
ce reprezenta cenuşa topită; atacarea suprafeţelor de schimb de căldură. Tot mulţumită
temperaturii mai scăzute, în cursul procedurii de pat fluidizat nu se formează oxizi de azot din
azotul aerului în centrale sub efectul temperaturii ridicate.
O altă procedură, care într-o formă mai simplă deja în secolul al XIX-lea s-a utilizat,
producerea din lignit a unui gaz care arde fără poluare. În procesul de gazificare a lignitului,
cărbunele este încălzit la 11000C în prezenţa oxigenului şi vaporilor de apă, sub influenţa
aceasta formându-se bioxid de carbon, monoxid de carbon, oxizi de sulf şi hidrocarburi (etan,
metan). Acest gaz este potrivit atât pentru iluminat cît şi pentru încălzire. Această procedură
de gazificare a lignitului are avantajul că se produce un gaz care arde atât de curat încât nu
este nevoie de spălarea produşilor de ardere. În plus, produşii de ardere fierbinţi ai lignitului
pot roti direct turbina, aceasta numindu-se turbină de gaz. Gazul fierbinte după rotirea turbinei
încă se poate folosi la fierberea apei şi cu vaporii rezultaţi altă turbină poate fi pusă în
mişcare. Acest sistem de turbină cu gaz legată cu turbină de vapori se numeşte ciclu
combinat, care are un randament mai ridicat şi consum de apă mai scăzut decât centralele
tradiţionale. Procedura de mai sus nu este mai poluantă decât centralele pe bază de gaz
natural. Conţinutul în bioxid de sulf al fumului de gaz este sub nivelul prescris graţie unui
sistem de extragere a sulfului. Formarea oxidului de azot este prevenită prin ridicarea
umidităţii gazului înainte de ardere, scăzându-i astfel căldura de ardere.
Centralele pe bază de cărbune sunt puternic poluante. O centrală modernă de 1000
MW consumă pe oră 440 t cărbune şi 680 t oxigen. O astfel de centrală produce pe oră 1200 t
bioxid de carbon, 1 t bioxid de azot şi 30 t bioxid de sulf, 0.1 t de substanţe organice şi chiar
mai multe tone praf, cenuşă, zgură, care conţin şi metale grele periculoase.
Centralele pe bază de cărbune emit şi multe substanţe radioactive, căci lignitul însuşi
conţine astfel de substanţe, care se vor concentra în cenuşă şi zgură şi ajungând la 30-80 de
ori valoarea radioactivităţii medii a solului (câteva sute sau mii de Bq/kg) . O centrală pe bază
de cărbune de 1 MW într-un an produce praf cu activitate mai mare ca 100 MBq, în timp ce
această valoare în cazul centralelor nucleare este doar de 0,3 MBq. Deci, din acest punct de
vedere poluarea centralei pe bază de cărbune este mai periculoasă decât cea a centralei
nucleare.
În cazul utilizării zgurii, cenuşii în industria materialelor de construcţii, trebuie
determinat aşa numitul index gamma cu ajutorul concentraţiei de 40K, 226Ra şi 232Th. Acest
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
index trebuie să fie mic, în caz contrar este interzisă utilizarea acestor reziduuri în industria
construcţiilor.
V.3. Centrale termice cu gaz şi ţiţei
Ţiţeiul şi gazul natural s-au format în straturile mai adânci ale Pământului prin
descompunerea materialelor organice. Numim ţiţei combinaţia de carbon lichid, de origine
naturală, care constă mai ales din hidrocarburi precum şi din compuşi organici cu conţinut de
oxigen, sulf şi azot. În cursul prelucrării ţiţeiului este mai întâi curăţat şi stabilizat. În acest
scop ţiţeiul este degazat, sunt îndepărtate componentele cu punct de fierbere scăzut (metan,
etan, propan), apoi uscat şi se îndepărtează poluanţii minerali. Urmează distilarea, prin care se
separă vaporii cu diferite puncte de fierbere. Centralele folosesc mai ales reziduul după
producerea benzinei, care conţine mai mulţi poluanţi, inclusiv metale grele. Acest combustibil
poate avea 2-3% sulf, deci este obligatoriu încorporarea unui sistem de desulfizare a gazului
(fum). O centrală foloseşte 0,2 milioane tone de ţiţei pentru a produce 1000MWh energie
electrică.
Gazul natural este totalitatea hidrocarburilor gazoase de origine naturale. Componenta
principală este metanul, dar conţine şi alte hidrocarburi cu număr ridicat de atomi de carbon
(etan, propan, butan, gazolină). În gazul natural se mai găsesc într-un raport variabil şi gaze
poluante, de exemplu bioxid de carbon, hidrură de sulf, azot, heliu etc. Aproximativ o treime
din cantitatea totală de gaz natural se găseşte împreună cu ţiţei, ceea ce rezultă din asemănarea
formării lor. În cursul pregătirii gazului, din gazul natural extras din pămînt se pot separa prin
procedee corespunzătoare propanul, butanul şi gazolina., materii prime pentru industria
chimică, respectiv cum propanul şi butanul se transformă la presiune relativ mică în stare
lichidă, ei sunt carburanţi buni, se pot îmbutelia. O centrală foloseşte 0,2 milioane m3 gaz
pentru a produce 1000 MWh energie electrică.
Dintre sursele de energie fosile, gazul natural poate fi privit cel mai puţin poluant
pentru mediu, căci este un combustibil curat, cu putere calorică mare, arzând fără cenuşă şi
zgură. Randamentul unei centrale tradiţionale pe bază de cărbune sau ţiţei este de 35-40%, dar
centralele cu ciclu combinat care se utilizează în zilele noastre ajung la randament de 60%.
Rezultatele acestor centrale combinate sunt şi mai spectaculoase dacă sunt folosite în aşa
numita producere de energie în cascadă adică gazele fierbinţi se folosesc pe lângă producerea
energiei electrice şi pentru consumul de căldură industrial şi menajer.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Gazul natural, datorită conţinutului scăzut de sulf şi praf, poluează mult mai puţin
aerul în comparaţie cu cărbune şi ţiţei. La utilizarea gazului natural în centrale cu ciclu
combinat în cursul arderii nu se formează sulf deloc, scade şi emisia de CO2. Explicaţia este,
că emisia unui combustibil este cu atât mai mică cu cît raportul de atomi H/C, calculat pentru
unitatea de energie, este mai mare. În cazul cărbunelui acest raport poate fi considerat 1. La
ţiţei, din formula generală a hidrocarburilor (CnH2n+2) rezultă 2/1, iar la gazul natural
(calculând în metan) raportul este 4/1. Aceasta înseamnă că în cazul arderii gazului natural se
formează bioxid de carbon cu 40% mai puţin decât în cazul cărbunelui , respectiv 20% mai
puţin decât în cazul ţiţeiului.
Cu cel de-al treilea principal poluant – oxid de azot – există probleme şi în cazul
gazului natural. Cum s-a amintit deja, oxizii de azot se formează şi din aer în cursul arderii,
din cauza temperaturii ridicate. Folosirea aşa numitelor „turbine cu gaz cu recuperare
chimică” diminuează considerabil NO şi CO2.
Gazul natural poate avea un conţinut ridicat de radon, ceea ce determină în medie o
activitate specifică de 500-1000 Bqm-3. (Gazul natural de la Tîrgu-Mureş are 15 000 Bqm-3).
În cazul arderii, radonul din gazul natural pătrunde în locuinţe, deci poate fi observată o
creştere a nivelului de radon pe aceste suprafeţe. În cazul arderii, radonul din gazul natural
pătrunde în locuinţe, deci poate fi observată o creştere a nivelului de radon pe aceste
suprafeţe.
Transportul – utilizînd carburanţi fosili, reprezintă cel mai important poluant al
mediului pe lîngă centralele electrice amintite mai sus. Deosebirea esenţială este că centralele
sunt poluanţi locali, iar mijloacele de transport sunt factori de emisie în mişcare. Situaţia cea
mai gravă este în oraşe mai mari, mai ales în centrele lor aglomerate.
In SUA s-a constatat prima dată că emisia automobilelor strică foarte mult calitatea
aerului. Aici mai exact în California, în 1972 s-au introdus primele restricţii privitoare la
motoarele Otto. Producătorii de automobile încearcă prin transformări constructive să se
conformeze prescripţiilor şi valorilor maxi admise care devin din ce în ce mai restrictive.
Gazele de eşapament ale motoarelor conţin foarte multe substanţe, aproape 200 diferite
componente pot fi izolate. Azotul, oxigenul şi vaporii de apă nu sunt poluante pentru
atmosferă, însă sunt bioxidul de carbon şi monoxidul de carbon – responsabilii pentru efectul
de seră – oxizii de azot puternic otrăvitori, hidrocaburi parţial arse (printre ele, de exemplu
benzipirenul, benzolul s-au dovedit a fi cancerigeni), hidrocarburi nearse, respectiv bioxidul
de sulf, responsabil de acidularea mediului. Prin interzicerea folosirii benzinei cu plumb, spre
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
norocul nostru, se opreşte emisia compuşilor de plumb care sunt de asemenea foarte dăunători
pentru sănătate.
Satisfacerea prescripţiilor din ce în ce mai severe privind protecţia mediului îl obligă
pe producătorii de automobile la o continuă dezvoltare. Limitele prescrise pentru protecţia
mediului pot fi respectate mai uşor dacă se foloseşte drept combustibil în raport cît mai redus
produs de ţiţei. Astfel au apărut motoarele Diesel cu gaz, Diesel-electric cu carburant parţial
respectiv total gaz. Apar din ce în ce mai multe automobile electrice, cu combustibil hidrogen,
cu celulă de combustibil, aşa numitele „automobile cu emisie zero”.
Tipurile principale de automobile cu combustibil gazol, sunt motoarele LPG, LNG,
CNG. Combustibil motorului LPG (Liquefied Petroleum Gasolin) este din gaz natural
lichefiat la presiune mică. Are avantajul că poate fi depozitat la presiune de 40 de bari şi
staţiile de alimentare necesare se pot realiza relativ ieftin. Combustibilul motoarelor cu gaz
natural poate fi LNG (Liquefied Natural Gas). Primul este gazul natural lichefiat, iar cel din
urmă gazul natural comprimat. Depozitarea LNG-ului este posibilă la temperatură sub
1620C, iar a CNG-ului la presiunea de 200 bar. Aceasta îngreunează bineînţeles utilizarea
drept combustibil. Totuşi în cazul autobuzelor şi camioanelor acest combustibil este foarte
avantajos, mai ales din motive de protecţia mediului. Şi anume, emisia de oxid de azot este cu
50-60% mai mică faţă de cazurile tradiţionale, nu există fum, negru de fum, sulf. Aldehidă şi
emisia particulelor solide poate fi redusă la o treime. Timpul de viaţă al motorului este mai
mare, căci tocirea şi coroziunea sunt mai mici. Funcţionarea motorului este mai silenţioasă,
poluarea cu zgomot scade şi funcţionarea este mai sigură.
V.4. Energia geotermică
De la suprafaţa terestră, în direcţia razei spre centru Pământului, temperatura se ridică
în medie cu 300C pe kilometru, dar pe anumite porţiuni această valoare poate fi şi mai mare.
Energia geotermică, ce rezultă din căldura rocilor, poate fi adusă la suprafaţă prin forări, dar
mai des se face prin intermediul vaporilor sau al apei termale. Unde erup vaporii, se poate
produce energie electrică, aceste situaţii apar în Islanda, Noua Zeelandă şi SUA. Temperatura
medie a apelor termale este în general 30-1000C.
Energie geotermică, ca şi energia solară, este nelimitată, nu se epuizează, vine în
continuu şi poate fi extrasă relativ ieftin. Sub formă de apă termală ea nu este totdeauna
inepuizabilă exceptând cazul în care după extragerea energiei termice se face şi realimentarea
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
ei. Apele termale conţin săruri într-o măsură mai mică sau mai mare şi astfel prin scurgerea
lor scad calitatea solului şi a apei freatice, însă au avantajul – faţă de multe ape subterane – că
nu conţin poluanţi rezultate din activităţi industriale sau menajere.
Folosirea energiei geotermice implică următoarele faze: apa eruptă din izvorul termal
este degajată, sedimentată – îndepărtând astfel o parte din conţinutul de săruri – apoi apa este
pompată la locul de utilizare. Apa răcită este devărsată într-un bazin sau într-un curent de apă.
Aceste sisteme sunt simple, funcţionează în siguranţă, pot fi realizate cu investiţii mici şi
funcţionarea este relativ ieftină. Problema lor este însă – în lipsa realimentării cu apă - că
debitul de apă scade în timp. Scăderea debitului de apă este considerabilă în locurile unde sunt
în funcţiune şi pompe de ţiţei sau de gaze naturale sau unde există mai multe izvoare termale.
Presiunea de apă scăzută poate fi mărită cu compresor, dar este o procedură cu randament
mic, neeconomic. Sunt mai potrivite în acest scop „pompele tip scafandru” care au un
randament bun (50-55%), lucrează fără pericole şi compensează scăderea presiunii prin
coborâre la adâncime mai mare şi care împiedică şi depunerea calcarului. Soluţia cea mai
bună însă este ca apa folosită, răcită, să fie reintrodusă, ceea ce temperează mult scăderea
debitului şi prelungeşte mult viaţa a izvoarelor. Procedurile moderne prevăd cedarea energiei
termice a apei termale prin intermediul unui schimbător de căldură apei normale. Apa răcită
se presează înapoi printr-un alt puţ sau după desalinizare poate fi folosită la irigaţii sau chiar
pentru răcire (în acest caz se poate folosi apoi cantitatea de căldură secundară).
Dezavantajul mare al apei termale este conţinutul ridicat în săruri care poate depăşi şi
8 000 mg/litru. 60-80% din săruri sunt hidrogencarbonaţi de Na, Ca, Mg, care sunt în soluţie
şi datorită bioxidului de carbon sub presiune. În izvoarele termale, presiunea şi temperatura
pot scădea atât de mult spre suprafaţa terestră, că o parte din hidrogencarbonaţii din soluţie
precipită şi se depune pe ţevi. Dacă apa termală conţine şi nisip sau alte aluviuni, depunerile
în ţevi pot fi periculoase, trebuie îndepărtate (prin metode chimice), randamentul scade.
V.5. Energia solară şi utilizarea ei
V.5.1. Structura Soarelui
Soarele are aproximativ 80% hidrogen şi 20% heliu, restul elementelor fiind prezente în urme.
Temperatura suprafeţei este 5800 K, iar cea centrată în jur de 10-20 milioane K. Viteza de
rotaţie a Soarelui este diferită la Ecuator şi la poli, perioada rotaţiei este de 25 de zile la
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Ecuator şi la poli 30 de zile. Acestei diferenţe de rotaţie – printre altele – se datorează
variaţiile locale puternice ale intensităţii câmpului magnetic solar.
Suprafaţa Soarelui nu poate fi descrisă exact, căci Soarele este în stare de plasmă. 90%
din radiaţia solară soseşte din aşa-numita fotosferă, pe care o considerăm drept suprafaţa
Soarelui, deşi grosimea de 400 km a acestui strat este foarte mică în comparaţie cu diametrul
Soarelui de 1,4 milioane km. Fotosfera şi regiunile deasupra ei se numesc atmosfera Soarelui,
iar regiunea sub ea se numeşte interiorul Soarelui.
Interiorul Soarelui poate fi împărţit în trei părţi: nucleul central, zona de radiaţie
Rontgen şi zona convectivă. Producerea energiei solare are loc în nucleul central, atomii de
hidrogen fuzionând în nuclee de heliu prin care se eliberează energie considerabilă. În Soare
în fiecare secundă se transformă 6 milioane tone de hidrogen în heliu, ceea ce înseamnă
eliberarea a 261086.3 ⋅ J de energie. În 5 miliarde de ani prin fuziune s-a consumat 5% din
masa actuală a Soarelui, deci conform estimărilor, Soarele mai poate radia cu intensitate
neschimbată încă 10 miliarde de ani.
Zona de radiaţie Rontgen este importantă din punctul de vedere al transmiterii
energiei. Cum rezultă şi din nume, aici energie apare mai ales sub formă de radiaţie Rontgen.
În zona convectivă cedarea de energie are loc sub formă de curent de căldură.
Atmosfera Soarelui este formată din fotosferă, cronosferă şi coroană. Fotosfera are o
structură granuloasă. „Granulele” sunt noduri de gaz, cu 200-300 K mai calde decât mediul
lor şi se află într-o curgere continuă. Formaţiunile cela mai frapante sunt petele solare. Aceste
pete apar acolo în fotosferă unde creşte intensitatea câmpului magnetic şi drept urmare apare
o scădere de temperatură de 1500 K. Pata poate fi împărţită în două părţi bine separate: partea
interioară mai închisă, numită umbră şi partea mai puţin închisă ce o înconjoară, penumbră.
Intensitatea de radiaţie mai scăzută este rezultatul temperaturii mai coborâte. O pată solară
singulară are un diametru de aproximativ 1 000 km, durata de viaţă 1 săptămână, dar deseori
petele se grupează, atingând diametrul chiar de 100 000 km. Acoperirea Soarelui cu pete se
schimbă periodic, între două minime – numită perioadă de pete solare – sunt 11,2 ani.
Cromosfera poate fi studiată doar cu ocazia eclipselor solare sau cu instrumente
speciale. Fenomenele cele mai importante ce au loc în cromosferă sunt erupţiile solare, numite
flere. Acestea de fapt sunt iluminări ale cromosferei deasupra petelor solare, ceea ce indică
eliberarea rapidă a unei mari cantităţi de energie. La o astfel de erupţie solară în 1-2 ore se
poate elibera chiar o energie de 1026J. Conform unor teorii, în atmosfera Soarelui se întâlnesc
câmpuri magnetice de direcţii opuse, care se anihilează reciproc şi atunci degajă această
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
energie uriaşă. Prin eliberarea energiei vor fi acceleraţi electronii şi protonii prezenţi acolo, o
parte din ei înving atracţia Soarelui, o altă parte în câmpul magnetic, se năvăleşte în
cronosferă. În timpul erupţiei solare creşte radiaţia radio, X şi UV a Soarelui, dar se poate
observa şi erupţia electronilor şi a protonilor.
Coroana solară este un înveliş de gaz, având temperatura de 1-2 milioane K şi formă
variabilă, care poate fi văzută doar cu ocazia eclipsei de Soare. Din cauza temperaturii
ridicate, în coroană atomii sunt în stare multiplu ionizată, astfel numărul electronilor aici este
foarte mare. Tot prin temperatura ridicată se explică şi vântul solar, care de fapt este curgerea
spre exterior a materiei coroanei solare. Vântul solar este construit mai ales din protoni,
concentraţia lor la distanţa Pământului este în medie 6-10 l/cm3, iar intensitatea câmpului
magnetic este în medie de 0.05G.
Figura 23. Structura Soarelui
Activitatea solară şi unele fenomene terestre sunt legate într-un fel, cum s-a observat deja de
mult. Este de înţeles, căci de exemplu anumite componente ale radiaţiei cosmice provin de la
Soare, ionizarea ionosferei depinde puternic de activitatea Soarelui, de anotimp. Particulele
provenite din Soare – sunt mai ales electroni şi protoni ce ajung pe pământ pot fi împărţite în
trei grupe mari după originea şi viteza lor. Din prima grupă fac parte particulele vântului
solar, cu viteze relativ mici, în jur de 300-600 km/s. Din a doua grupă fac parte fasciculele de
vânt solar legate de golurile coroanei cu viteză de 100 km/s. A treia grupă constă din
particulele flerilor, cu viteza cea mai mare – câţiva 1000 km/s. Mişcarea acestor particule este
influenţată de vântul solar, mediu şi câmpul magnetic al Pământului, de aceea nu se poate
prevede exact ce consecinţe va avea pe Pământ câte o activitate solară. Particulele ce rezultă
din câte o erupţie solară mai mare au o energie atât de uriaşă că sigur trec prin câmpul
magnetic terestru şi astfel apar şi pe suprafaţa terestră.
Petesolare
NucleulZona deradiaţieRontgen
Zona deconvecţie
Fotosfera
Cromosfera
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
V.5.2. Energia solară
Până la urma urmei, toate sursele noastre energetice provin de la Soare, căci doar energie
geotermică – care rezultă din dezintegrarea substanţelor radioactive – şi energia nucleară nu
sunt de origine solară. Suprafaţa Pământului este anual radiată cu 24103,8-3,2 ⋅ J. Energie
solară. Cantitatea de energie ajunsă pe suprafaţa terestră ajunge secvenţial (din cauza nopţilor)
şi depinde de anotimp, înnorări. De aceea problema folosirii energiei solare înseamnă şi
problema stocării energiei solare.
Valoare medie a intensităţii radiaţiei solare în ţara noastră este de 1760 kWh/m2 pe an.
Numărul orelor însorite este 1900-2200 pe an, corespunde valorii medii din Europa, deci
avem şanse egale cu alte ţări privind folosirea energiei solare, care are multe avantaje: nu se
va epuiza într-un timp previzibil, nu este poluantă, nu trebuie transportată, nu se scumpeşte.
Omul foloseşte această energie din timpurile străvechi în mod direct (uscare, obţinerea sării
prin evaporare) indirect (alimente vegetale, combustibil fosil) şi în viitor cu epuizarea
combustibililor fosili o va folosi şi mai mult.
Soarele trimite anual atâta energie pe Pământ, cît este toată energia termică obţinută
din toată cantitatea de combustibil fosil până acum ars. Energia solară şi cea eoliană pot fi
transformate pe cale fizică în alte forme de energie, cel mai des în energie calorică şi electrică.
Plantele ce conţin clorofilă, prin fotosinteză transformă biologic energia solară în compuşi de
carbon organici (biomasa) din care se poate obţine energie electrică sau calorică prin
eliberarea energiei de legătură.
Există mai multe moduri de utilizare directe a energiei solare. Cele mai cunoscute şi
mai răspândite sunt metodele cu celule solare de mică energie, care transformă energia solară
în energie electrică. Celula solară funcţionează cu radiaţia directă sau indirectă (difuzată).
Randamentul teoretic poate fi şi de 60%, dar în practică s-a realizat mult mai scăzut. Pierderea
este datorată reflectării unei părţi din fotoni şi imposibilităţii de despărţire a purtătorilor de
sarcini de către fotonii de energie mică.
Boilerele solare (centrale solare de mare putere) sunt sisteme cu oglinzi parabolice,
care urmăresc mişcarea Soarelui prin dirijare computerizată. Energia luminii este concentrată
cu ajutorul unei lentile convergente pe rezervorul unui turn central şi apa din rezervor va
fierbe. Vaporii rezultaţi pun în mişcare un generator şi se produce curent electric. Într-o altă
variantă, fasciculul luminos concentrate încălzeşte o soluţie sărată care circulând sub presiune
cedează energia termică generatorului. Dezavantajul lor este nevoia de spaţiu extins (pentru a
produce 1 miliard de kWh/an e nevoie de 1100 ha). investiţie mare şi periculozitatea (dacă
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
controlul se defectează este pericol de incendiu, fasciculul luminos puternic este dăunător
ochiului, poate provoca accidente în traficul aerian şi terestru). Pot apărea şi schimbări
microclimatice şi ecologice în mediul înconjurător al centralelor solare. În cazul boilerelor
solare este important ca oglinzile să urmărească exact poziţia Soarelui. De aceea, oglinzile
sunt fixate pe un sistem având o axă paralelă cu axa de rotaţie a Pământului şi o altă axă
perpendiculară pe ea. Prima axă urmăreşte mişcarea zilnică a Soarelui – prin mişcare
automată – iar axa perpendiculară pe ea ia în consideraţie poziţia Soarelui deasupra
orizontului. Suprafaţa oglinzilor trebuie polizată corespunzător, iar materialul oglinzilor
trebuie să reziste la toate efectele meteorologice şi la deformaţii.
Există mai multe feluri de colectoare solare, dar principiul lor este identic. Partea
principală este absorbantul, care pe partea superioară este termoconductor (sticlă sau folie) la
mijloc sau jos are placă sau tub ce conţine un strat termoabsorbant (metal sau material de
culoare închisă.
Energia absorbită va fi cedată de absorbant unui curent de aer (sau apă) circulat. În
funcţie de intensitatea radiaţiei solare şi a temperaturii aerului, colectoarele pot încălzi aerul
circulat (sau apa circulată) la 50-1500. Randamentul este 70% vara şi 10% iarna, puterea
anuală poate fi 500 kWh/m2. Colectoarele cu circulaţie de aer produc mai multă energie decît
cele cu apă, însă randamentul celor din urmă este mai ridicat. Cu sistemele de colectoare
solare se poate satisface doar 60% din necesarul de energie pentru sistemele de încălzire a
locuinţelor şi a apei menajere, de aceea este important să existe concomitent şi sistemele
tradiţionale de producere a energiei.
Colectoarele din folie în formă de tub sau băşică pot produce căldură de dimineaţa
până după-masă târziu, chiar şi în lumină solară difuză, datorită poziţiei lor orizontale. Ele
sunt şi mai ieftine decât colectoarele cu plăci din fibre de sticlă, aşezate unghiular.
Dezavantajul lor că pot îngheţa iarna, se pot înmuia vara în caniculă şi se distrug relative
repede în radiaţia solară puternică. Vara au şi o sensibilitate la ventilaţie: dacă este prea
puternică tubul se poate aplatiza, iar dacă este prea slabă, el se poate supraîncărca şi se
înmoaie la cald. De aceea, fiindcă se urmăreşte funcţionarea colectorului tot anul, este mai
rentabil să se aleagă colectoarele cu plăci, care au o durată de viaţă mai lungă. Ele mai au
avantajul că pot fi montate şi pe clădiri.
Sistemele cu colectoare solare sunt folosite mai ales pentru asigurarea apei calde în
locuinţe şi iarna pentru încălzirea lor. Aceste sisteme pot funcţiona cu circulaţie prin ventilaţie
sau cu pompe sau după principiul termosifonului care este mai energoeconomic. În această
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
ultimă variantă, colectoarele sunt aşezate mai jos faţă de rezervorul cu apă şi apa încălzită în
ele circulă înspre sus, în locul ei ajunge apa mai rece din rezervor.
Acest schimb are loc până la egalarea temperaturii apei din rezervor şi colector. După
consumul apei din rezervor, procesul începe din nou.
Din cauza variaţiei intensităţii şi discontinuităţii radiaţiei solare, sistemele de încălzire
prin colectoare solare trebuie să fie legate de sisteme capabile de stocare a căldurii. Energia
solară poate fi captată şi în formaţiuni de casă de locuit – solar pentru plante pentru
aprovizionarea cu căldură, respectiv cu apă caldă, când solarul joacă rolul de colector:
surplusul de căldură se poate aspira după nevoie în locuinţă sau prin schimbător de căldură în
rezervorul cu apă.
Tehnica modernă, economisirea energiei, protecţia mediului au determinat răspândirea
modului de încălzire prin pompă de căldură. Este interesant că acest mod s-a răspândit mai
mult în ţările nordice, unde numărul orelor cu insolaţie este mult mai mic decât mai la sud.
Principiul de funcţionare a pompei de căldură este următorul: din sursa de căldură
energia este condusă în pompa de căldură unde ea este preluată de un mediu de răcire, capabil
să cedeze şi să preia căldura. Drept sursă de căldură se poate folosi şi solul, caz în care se
introduce în sol un sistem din polietilenă, umplut cu soluţie antigel. Căldura solului ajunge în
pompa de căldură prin intermediul soluţiei antigel. Pompa de căldură pune în circulaţie un
lichid cu temperatură de fierbere scăzută, presiunea ei poate fi variată .
Dacă asupra lichidului acţionează o presiune mică, el se evaporă puternic, preluând
căldura necesară procesului din mediul înconjurător. Dacă asupra fluidului acţionează o
presiune mare, el se lichefiază, cedând astfel căldură mediului. Pompa de căldură scade
presiunea fluidului când el intră în contact cu antigelul prin sistemul de tuburi, fluidul începe
să se evapore şi căldura necesară pentru proces preia de la antigel. Se ridică din exterior
presiunea vaporilor formaţi când intră în contact cu fluidul din sistemul de încălzire, astfel
vaporii se condensează în acelaşi timp cedează căldură sistemului de încălzire. Evident cu
pompa de căldură se pot produce şi vapori care pot fi folosiţi la producerea energiei electrice
– după modul obişnuit.
Pentru funcţionarea compresorului este nevoie de energie electrică care însă este doar
¼ din energia electrică redată, livrată. O energie mai “curată”, mai puţin poluantă pentru
mediu ca cea obţinută cu pompa de căldură se găseşte greu. Investiţia pentru un astfel de
sistem de încălzire este mai mare faţă de un sistem obişnuit, dar pe termen lung sigur se
recuperează.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Instalarea centralelor solare este rentabilă acolo unde numărul orelor cu insolaţie
atinge cel puţin o treime din valoarea teoretic posibilă. Dar şi în acest caz este nevoie de
sisteme în care se poate stoca energia neutralizată pe moment. O primă modalitate în acest
sens a fost depozitarea energiei în acumulatoare, care însă este cu pierderi mari, căci de
exemplu curentul continuu produs în acumulator trebuia transformat în curent alternativ. De
aceea, azi o parte din energia termică obţinută este condusă în rezervoare de căldură care
conţin substanţe organice, capabile să-şi menţină temperatura ridicată timp de câteva ore.
Alte modalităţi vechi de utilizare a energiei solare sunt desalinizarea apei, cuptorul
solar, respective funcţionarea pompei de apă. La desalinizare, căldura Soarelui evaporă apa şi
rămâne sarea. Această operaţiune este deosebit de energointensivă, de aceea azi din ce în ce
mai puţin se utilizează. Cuptorul solar se bazează pe faptul că pe suprafeţele colectoare
intensitatea razelor solare focusate este aşa de mare că în focar se poate măsura şi 40000C.
Acest sistem este potrivit pentru topirea metalelor şi prin această metodă se poate obţine
topitură de metal foarte pură. Aplicarea pompei de apă este importantă în zonele de deşert,
căci prin această metodă se poate obţine apă din fântânile de la mare adâncime. Această
metodă însă este potrivită şi pentru stocarea energiei solare, căci apa astfel depozitată în
rezervare la înălţime poate fi folosită la vremea potrivită pentru producere de energie în
continuare.
La sfârşitul anilor 1700 a început folosirea energiei solare în agricultură. Baza a
constituit descoperirea că un obiect aşezat sub o placă de sticlă se încălzeşte sub influenţa
razelor solare, apoi emite radiaţie electromagnetică de lungime de undă mare, care sunt
reflectate de placa de sticlă. Pentru mărirea randamentului, au vopsit sticla în interior într-o
culoare închisă, apoi au utilizat mai multe straturi de sticlă, astfel ajungând chiar la
temperatură de 1000C în spaţiul dat. Aplicaţia cea mai simplă este solarul, dar sistemul poate
fi folosit şi pentru încălzirea apei. Tot pe acest principiu se bazează uscătoarele; acest mod de
uscare este mai rapid decât de exemplu uscarea naturală şi fructele nu sunt agresate ca în
cazul uscătoarelor electrice.
Uscarea furajului este un alt domeniu de utilizare a energiei solare, căci uscarea în aer
cu 5-100C mai cald faţă de aerul din exterior nu produce pierdere de materie hrănitoare. Azi
este răspândită soluţia ca în faţa aşa numitului “uscător cu aer impus” se leagă un tub, realizat
din folie neagră, fixat pe sol. Un ventilator împinge aerul prin această folie de uscător, aerul se
încălzeşte trecând prin tub şi astfel în uscător ajunge aer cald.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
V.6. Energia eoliană
Energia eoliană este o sursă de energie reînnoibilă, care există datorită Soarelui.
Circulaţia energiei eoliene se datorează diferenţei de temperatură a maselor de aer; încălzirea
maselor de aer are loc mulţumită radiaţiei de căldură emise de sol şi apă; iar solul şi aerul se
încălzesc datorită radiaţiei solare. Circulaţia de aer are loc până ce diferenţa de temperatură
dispare. În anumite locuri această egalare nu se realizează niciodată din cauza diferenţelor
mari între teritoriilor învecinate (de exemplu pe malurile mărilor), astfel acolo există curenţi
de aer permanenţi.
Viteza vântului este mai mare dacă diferenţa de temperatură este mai mare între masele de aer
şi dacă sunt implicate mase mai mari de aer.
Energia eoliană a fost utilizată pentru prima dată în Egipt, deoarece acolo au apărut
primele nave cu pânze. Persienii au folosit prima moară de vânt în secolul VII. Desăvârşirea
morii de vânt s-a făcut în Norvegia în secolul XIII. Aici au folosit deja roata de vânt cu axă
orizontală, astfel dacă s-a schimbat direcţia vântului ei puteau adapta aparatul. În anii 1700 în
Olanda funcţionau deja 8 000 de mori de vânt care atingeau şi puterea de 5-10 kW. Cu
apariţia maşinilor cu vapori, folosirea pe scară industrială energiei eoliene a fost neglijată.
Pentru a fi în competiţie trebuia rezolvată problema de depozitare a energiei – gândind astfel
şi la vremuri fără vânt – ceea ce însă a scumpit mult investiţiile. Începând cu secolul XX
energia eoliană i-a folosit pentru producerea energiei electrice, prima centrală eoliană mare
fiind în statul Vermont de putere 1,25 Mw.
Utilizarea energiei eoliene depinde mult de loc, întrucât pentru a produce energie
semnificativă este nevoie de vânturi constante. Şi intensitatea curentului trebuie să fie
potrivită, precum şi viteza vântului trebuie să fie mai mare ca media anuală de 4-5 m/s.
Puterea vântului este proporţională cu puterea a treia a vitezei vântului ( 3v~P ), iar viteza
vântului creşte proporţional cu radicalul de ordinal cinci al înălţimii (h) (adică 51
h~v ). Acest
fenomen este legat de faptul că frecarea ce apare pe suprafaţa terestră scade viteza curentului
de aer. Din cele de mai sus rezultă că în scopul producerii de energie sunt potrivite sistemele
aşezate la 30-200 m deasupra solului. În general viteza vântului atinge valoarea potrivită doar
pe malul mărilor, înspre uscat înaintând din cauza frecării viteza vântului scade mult.
Este rentabilă instalarea unei centrale eoliene doar în locul unde relieful şi mediul sunt
potrivite pentru câştig de energie eoliană. Căci relieful şi obiectele din mediu influenţează
mult aspectul de curgere a aerului. Alt parametru important este intensitatea curentului de aer
care trebuie să fie cel puţin 500-600 W/m2 pentru o folosire economică a energiei eoliene.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Trebuie ţinut seama că viteza vântului prea mare poate provoca stricăciuni în sistemele
centralei, de aceea centralele eoliene funcţionează în siguranţă doar până la viteze de 25-30
m/s. Aici se încorporează în centrale un sistem care automat opreşte funcţionarea centralei la
o viteză peste o viteză limită.
Centralele eoliene funcţionează în trei moduri:
- uzină insulă, adică energia electrică produsă se foloseşte în scop propriu;
- legată la reţeaua electrică;
- pentru consum individual şi în reţea electrică.
În Danemarca mai mult ca 1000 de centrale eoliene de putere medie produc energie electrică
cu puterea de 50-150 kW. Cheltuielile de funcţionare şi specifice sunt foarte convenabile şi
pot compensa cheltuielile de amortizare.
Energia eoliană pe lângă producerea energiei electrice este utilizată şi de exemplu
pentru extragerea apei cu ajutorul pompelor cu motor eolian precum şi la aerisirile apei de
canal cu motor eolian.
Există mai multe soluţii pentru depozitarea energiei centralelor eoliene. O metodă mai
veche, celula de combustibil, când energia eoliană se foloseşte pentru descompunerea apei,
apoi la nevoie, energia se obţine prin reacţia chimică a gazelor obţinute. Este posibil să se
producă chiar aer comprimat cu surplusul de energie şi apoi pe vreme fără vânt acest aer pune
în mişcare turbinele. Cu surplusul de energie se poate ridica apă şi apoi la nevoie apa poate fi
folosită pentru rotirea turbinelor. Energia electrică produsă de generatoarele eoliene din
energie eoliană poate fi folosită pentru încărcarea acumulatoarelor, care este tot o formă de
depozitare a energiei.
Pentru a asigura livrarea continuă a energiei, generatorul eolian poate fi dotat şi cu
celule solare. În acest caz Soarele şi vântul se completează perfect. Când este vreme însorită
fără vânt, celulele solare asigură energia, iar în lunile de iarnă, sau noaptea, energia eoliană
este disponibilă.
Un exemplu de folosire a energiei combinate este maşina pe bază de energie solară şi
eoliană, realizată în Norvegia., numită Fluture. Pe capota maşinii sunt trei colectoare solare,
iar în spate are o roată eoliană, acumulatorul din spatele maşinii se încarcă continuu sub
influenţa energiei solare, respectiv eoliene.
Posibilităţile uriaşe ascunse în energia eoliană exemplifică faptul că izvoarele de
energie eoliană pe coasta Europei este de 1,5 ori necesarul de energie total al Uniunii
Europene. Prin folosirea intensivă a energiei eoliene ar deveni inutile foarte multe centrale
electrice pe bază de combustibil fosil.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
V.7. Utilizarea energiei hidraulice
Ciclul hidrologic din natură se petrece sub influenţa Soarelui. În acest sens, precum şi
deoarece energia hidraulică este de asemenea reînnoibilă, seamănă cu energia eoliană. Deşi
cantitatea de energie hidraulică a Pământului este mai mică în comparaţie cu necesarul de
energie mondial, totuşi importanţa ei este foarte mare. Există în lume locuri care sunt sărace
în alte forme de purtători de energie, însă foarte bogate în apă (de exemplu, Congo).
Importanţa ei în multe cazuri nu este producerea energiei electrice, ci folosirea apei în
agricultură şi în aplicaţii industriale.
Energia hidraulică a fost folosită deja în antichitate în China, India, când au apărut primele
roţi cu apă. Se cunosc două tipuri, roata care este lovită pe partea de jos de apă, care
transformă energia cinetică a curentului de apă şi cea lovită pe partea superioară care
transformă energia potenţială a apei în cădere. Randamentul lor însă este sub 1%. În Evul
Mediu energia apei a fost folosită la mori, pentru scoaterea apei din mine, iar începînd din
secolul XVIII deja se folosea şi în ateliere de fierărie. în centralele de azi, apa în cădere pune
în mişcare turbinele, ele la rândul lor generatoarele, adică energia hidraulică se foloseşte
pentru producerea energiei electrice.
La plasarea hidrocentralelor trebuie ţinut cont de responsabilităţile principale ale
gospodăririi apelor, astfel apărarea contra inundaţiilor, contra apelor interioare; asigurarea şi
apărarea rezervelor de apă (de exemplu apa de băut, apa industrială, apa pentru agricultură).
Hidrocentralele necesită modificări în cursul râurilor sau construirea barajelor, bazinelor, etc.
Construirea acestora este făcută cu mare atenţie, căci aceste intervenţii au consecinţe în natură
pe termen lung. La construirea bazinelor trebuie ţinut cont de stabilitatea terenului, de riscul
de cutremur, caracteristicile geologice, căci bazinul şi mediul său înconjurător trebuie să
reziste la mai multe milioane de metri cubi de apă.
Randamentul hidrocentralelor este proporţional cu debitul râului şi cu înălţimea de cădere.
Prin debit înţelegem volumul de apă care trece prin toată secţiunea râului în unitatea de timp.
La izvor, râul are un debit foarte scăzut, dar panta de cădere mare, iar la vărsare debitul deja
este mare însă panta de cădere este mică. Ca atare, porţiunea cea mai potrivită pentru aşezarea
hidrocentralei este porţiunea de mijloc a cursului unui râu.
Hidrocentralele pot fi clasificate din mai multe puncte de vedere. După înălţimea de
cădere putem vorbi de sisteme:
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
- sisteme cu cădere mică, unde înălţimea de cădere este mai mică de 15 m;
- sisteme cu cădere mijlocie, unde înălţimea de cădere este între 15 şi 50 m;
- sisteme cu cădere mare, unde înălţimea de cădere este mai mare decât 50 m;
în funcţie de puterea electrică livrată o hidrocentrală poate fi încadrată în:
- categoria I dacă puterea ei este peste 500 kW;
- categoria II dacă puterea ei este în regiunea 100-500 kW;
- categoria III dacă puterea ei este sub 100 kW.
În funcţie de construcţie pot fi:
- hidrocentrale cu denivelare naturală;
- hidrocentrale cu lac de acumulare, când valea sau matca râului se închide cu baraj şi
astfel se realizează denivelarea;
- hidrocentrale cu canale de deviere. În esenţă, în cazul lor apa din matca originală a
râului este condusă la centrală printr-un canal construit artificial. Drept urmare, căderea apei
la capătul canalului va fi mai mare decât în matca originală a râului. Apa, după utilizarea
energiei sale, este din nou dirijată în matca originală.
- hidrocentrale cu pompe, unde denivelarea se realizează cu pompe. Sarcina lor este să
stocheze energia produsă în centrale pentru perioada cu consum de vârf. Maşinile instalate pot
funcţiona ca pompe noaptea şi ca generatoare de turbină în timpul zilei.
Din punctual de vedere al gospodăririi apelor mai putem vorbi de hidrocentrale cu şi fără
depozitare. Depozitările sezoniere scad oscilaţiile în decursul unui an, iar cu depozitările mari
de apă se pot micşora oscilaţiile pe termen de mai mulţi ani.
Din ce în ce mai mult sunt preferate hidrocentralele bazate pe maree. Fenomenul de maree
este legat de atracţia exercitată de masa Lunii şi în măsură mult mai mică a Soarelui, asupra
mărilor. Luna acţionează cu o forţă de atracţie asupra apei mării, de aceea pe Pământ, de
partea Lunii, în mări apare un val de inundaţii, pe partea opusă a Pământului - deşi într-o mai
mică măsură – de asemenea apare mareea. În direcţia perpendiculară pe forţa de atracţie apare
fenomenul de reflux. Când centrele de greutate ale Pământului, Lunii şi Soarelui sunt aliniate,
atunci este cel mai puternic fenomenul de maree, ceea se întâmplă când e Lună nouă,
respectiv Lună plină. Când direcţiile Soarelui şi Lunii privind de pe Pământ fac un unghi de
900, atunci este cel mai slab fenomenul, acesta se întâmplă la primul, respectiv la ultimul sfert
de Lună. Mărimea mareei este influenţată de viteza şi direcţia vântului, de aceea centralele
bazate pe maree înseamnă o putere foarte schimbătoare.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Primele centrale pe bază de maree au funcţionat în secolul XI în Veneţia, Olanda unde s-a
folosit pentru funcţionarea morilor. Din păcate pe Pământ există doar 10-20 de regiuni unde
există condiţiile de realizare ale centralelor de acest fel, în Canada, SUA, Anglia, Argentina.
Prima centrală electrică experimentală bazată pe maree a fost în Germania construită în
1910, iar prima care a funcţionat producând energie semnificativă a fost în Franţa. Rentează
să se construiască centrală de maree unde diferenţa de nivele între flux şi reflux este de cel
puţin 5m. Asemenea centrale nu produc continuu, fenomenul de maree fiind secvenţial., în
timpul fluxului nu se produce energie, ci doar se umple bazinul de acumulare. Chiar după
terminarea fluxului este nevoie de un anumit timp de aşteptare pînă ce pe partea dinspre mare
a barajului nivelul apei scade corespunzător. Valurile de flux apar la 12,5 ore unul după altul,
dar pe baza celor descrise mai sus, centrala poate produce energie doar timp de 9 ore.
Şi în cazul centralelor bazate pe maree, apa în cădere pune în mişcare turbină de apă, care
însă sunt altfel realizate ca cele utilizate în centrale hidroenergetice. În cazul centralelor de
maree, turbinele trebuie să funcţioneze în anumite cazuri şi ca pompe pentru ca să fie crescut
nivelul natural al fluxului. Astfel de exemplu, în timpul fluxului prin investiţie de energie se
pompează apa în bazin, apoi în timpul refluxului energia este redată în reţea. Acest şir de
proceduri este economic dacă fluxul – şi ca atare pomparea ce necesită energie – are loc în
afara orelor de vârf de consum de energie, iar refluxul – şi ca atare producerea de energie are
loc în timpul orelor de consum de energie maxim.
În asemenea centrale se folosesc materiale speciale pentru prevenirea coroziunii puternice
ce poate provoca apa de mare.
V.8. Energie obţinută din biomasă
Biomasa – materie organică produsă de organisme vegetale şi de animale – este o formă
transformată, reînnoibilă a energiei solare. Omul o foloseşte de mult în diferite scopuri şi în
diferite variante, dar ea a devenit importantă de cînd a îceput economisirea purtătorilor de
energie fosili.
Biomasa, ca izvor de energie, poate fi utilizată:
- prin ardere directă – se produce energie calorică;
- în prezenţa aerului, prin fermentare(aerobă), se pot obţine alcooli (bioetanol,
biometanol) potriviţi pentru funcţionarea motoarelor;
- prin fermentare anaerobă se poate produce biogaz.
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
Bineînţeles, există şi alte modalităţi de utilizare (piroliză, gazefiere, realizarea unor
compuşi organici) ale biomasei.
Prin ardere se eliberează energia de legătură din biomasă, ceea ce omul a folosit din
timpurile străvechi. Aceasta este forma de obţinere de energie cea mai simplă, dar cu
randament relativ scăzut. Pentru ardere directă poate fi utilizată doar biomasa uscată sau cu
umiditate mică: lemne de foc, paie, tulpina şi ştiulete de porumb, deşeuri de lemne, rumeguş,
bălegar etc. 1 kg de paie este echivalent din punct de vedere energetic cu aproximativ 3-4 l de
ţiţei. La începutul anilor 1980 s-au realizat cuptoare proiectate pentru arderea baloturi întregi
de paie, dar ele funcţionau cu un randament prost, emiteau multe substanţe de ardere
dăunătoare, era dificilă alimentarea lor şi curăţirea lor. S-au elaborat şi alte soluţii de ardere,
de exemplu mărunţirea baloturi de paie, alimentarea automată şi arderea optimă (în funcţie de
nevoia de aer şi de căldură).
În aceste instalaţii baloturile de paie se toacă, un sistem de pârghii transportă paiele
tocate în cuptorul de ardere, de unde în funcţie de cerinţele de căldură ajunge în spaţiul de
ardere. Gazele fierbinţi rezultate încălzesc prin sistemul de tuburi apa din cazan. Cu asemenea
instalaţie se poate realiza şi încălzirea comunală.
Centralele cu ardere de lemn şi paie economisesc combustibil fosil, emit mai puţin
bioxid de carbon în atmosferă, deci sunt mai puţin poluante. De fapt emit peste 100 de
substanţe nocive, care sunt otrăvitoare, eventual cancerigene, în plus admit monoxid de
carbon, oxizi de azot, bioxid de sulf şi aldehide.
Majoritatea acestora se pot lega însă cu filtre. Dezavantajul centralelor de biomasă este
şi investiţia mare, ce rezultă din cheltuieli pentru spaţiul de depozitare mai mare, pregătirea
materiei prime, alimentarea automată, îndepărtarea mecanică a cenuşei şi curăţirea gazului de
ardere. În plus, la centralele de biomasă şi cheltuielile de întreţinere şi repararea sunt mai
mari, costul energiei electrice este mai mare şi necesită mai mult personal de deservire.
Raportând la producerea unei puteri de 1 MW, centrala cu ardere de paie lucrează aproximativ
cu 45% mai scump decât una cu ardere de ţiţei. O centrală de 20 MW foloseşte cel puţin
112 000 t paie, depozitarea şi menţinerea în stare uscată a materiei prime reprezentând
probleme mari. Biomasa are volum mare, cheltuielile de strângere, aducerea la formă
adecvată (în bală, apoi brichetare, presare) cu maşini speciale, de transport, de uscare
(exceptând cazul în care se face cu energie solară) sunt deosebit de mari. În plus, bilanţul
energetic nu prea este favorabil.
În Anglia au început construirea unor centrale cu materie primă de găinaţi. Aceasta
rezolvă problema aşezării găinaţilor şi în plus din zgura rezultată se produce îngrăşământ de
Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman
fosfor. Găinaţii din maşinile de transport ajung în canale de primire bine izolate, apoi într-un
amestecător, iar în formă omogenizată sunt introduşi în spaţiul de ardere la 8500C, controlat
de computer. Uzina practic este lipsită de fum şi cenuşă.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Fisiunea nucleului atomului de uraniu a fost descoperită în 1938 de Otto Hahn, savant
german. Fizicienii ştiau deja, după cunoaşterea radioactivităţii şi a proceselor de dezintegrare
radioactivă, că în nucleu este comprimată o energie uriaşă. Dar, înaintea descoperirii fisiunii
nucleului de uraniu, eliberarea acestei energii şi punerea ei în slujba omenirii era doar teoretic
posibilă. Din uraniu – prin dezintegrare – se poate obţine aproximativ o energie de 100 000
ori mai mare decât s-ar obţine prin arderea unei cantităţi egale de cărbune. În experienţele lui
Hahn a avut loc doar fisiunea a câte unui nucleu de uraniu şi energia eliberată astfel nu era
importantă din punct de vedere economic. Pentru a ajunge la rentabilitate, era nevoie de
crearea condiţiilor pentru reacţia de lanţ controlată. În 1942 la Chicago, grupul de cercetători
conduşi de Enrico Fermi a reuşit prima dată realizarea reacţiei în lanţ controlate. În acest grup
aveau rol conducător şi câţiva fizicieni din Ungaria şi România: Szilárd Leó, Wigner Jenő şi
Teller Ede.
Energia uriaşă ce se ascunde în fisiunea nucleară, omenirea a cunoscut-o din păcate,
mai întâi sub formăa de distrugere, ca o bombă atomică. Au trecut aproape zece ani până ce a
fost cunoscută o formă paşnică de folosire a ei.
În 1954 în Uniunea Sovietică, la Cbninsk, s-a pus în funcţiune prima centrală nucleară
a lumii.
Deja la prima generaţie s-a obţinut o rentabilitate asemănătoare cu cele ale centralelor
tradiţionale. Investiţia la o centrală nucleară este mai mare; anume 1,5-1,8 ori faţă de centrala
pe bază de cărbune şi 2-2,5 ori faţă de centrala pe bază de motorină, însă centrala nucleară
funcţionează cu cheltuieli mai scăzute.
VI.1 Principiul de funcţionare al centralei nucleare
Centrala nucleară funcţionează pe baza folosirii energiei care rezultă din fisiunea nucleelor.
Fisiunea nucleului este provocată de neutroni, care pot fi rapizi (1-2 MeV) sau lenţi, numiţi
neutroni termici (0,2 MeV). Se folosesc de obicei reactoare termice în care neutronii lenţi
provoacă fisiunea nucleară. Neutronii lenţi sunt potriviţi pentru fisiune, căci ea are loc cu
probabilitate mai mare ca în cazul neutronilor rapizi. Dar neutronii lenţi pot fi utilizaţi doar la
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
fisiunea 235U, de aceea majoritatea reactoarelor folosesc drept combustibil uraniul îmbogăţit
în 235U. Ecuaţia fisiunii nucleare:
n32YXUnU 236235 −++→→+
unde X şi Y sunt produşi de fisiune, reprezentând doi izotopi cu număr de masă aproape
egal.
În urma fisiunii pe lângă nuclee apar şi unul sau mai mulţi neutroni rapizi. Ei vor fi
încetiniţi de moderator la nivelul termic şi astfel ei pot întreţine procesul de fisiune.
Moderatorul poate fi agentul răcitor însuşi (apă, apă grea) sau alt material (grafit). Cel mai
bun moderator are masa atomică în jurul valorii masei neutronului. Numărul neutronilor care
să întreţină reacţia de lanţ se reglează cu bare de reglare, materialul lor (cadmiu sau bor) este
puternic absorbant de neutroni.
Există diferite tipuri de reactoare, cum ar fi PWR (Pressured Light-Water Moderated
and Cooled Reactor, adică reactor răcit şi moderat cu apă uşoară sub presiune) reactor cu
fierbere (tot sub presiune se desfăşoară reacţia în lanţ, dar apa uşoară se fierbe prin căldura
eliberată ), reactoare cu 238Pn, reactor de înaltă temperatură (care foloseşte drept combustibil
pe lângă uraniul prezent şi 232Th, sub forma unor mingi de tenis din grafit, pus în straturi
succesive unul peste altul).
În 1993 s-a realizat un reactor nuclear, de viaţă lungă, foarte sigur şi de activitate
mare, fără deşeu. Combustibilul este toriu, care se bombardează cu neutroni din accelerator de
particule. Astfel toriul este excitat, se transformă în paladin şi apoi în 233U. Acest reactor
funcţionează deocamdată numai ca model.
Reactoarele de fuziune au viitorul în faţa lor, probabil vor deveni reactoarele cu
randament cel mai ridicat. La fuziunea nucleelor se degajă o energie mare de exemplu: dintr-
un kilogram de deuteron se pot obţine astfel 24 milioane kWh. O astfel de energie s-ar obţine
prin arderea a 3 milioane kg de cărbune. Astfel de fuziune are loc de exemplu în Soare, unde
4 protoni se unesc într-un nucleu de heliu, mai exact:
γ2e2p2Hep6 +++→ + (i)
adică 6 protoni rezultă un nucleu de heliu, 2 pozitroni, 2 fotoni gamma şi alţi 2 protoni.
Procesul este precedat de descompunerea protonului:
γ++→ +enp (j)
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
adică protonul se transformă în neutron, pozitron şi foton gamma. Acest proces are loc cu o
probabilitate foarte mică, astfel doar la fiecare a 1018-a întâlnire proton-poton se realizează
fisiunea.
Procesele de fisiune se petrec doar dacă nucleele ajung foarte aproape unul de altul –
conform distanţei de acţiune a forţelor nucleare la distanţa 10-15 m. Dar la această distanţă
forţa de respingere coulombiană este foarte mare, ceea ce se poate învinge doar dacă energia
cinetică a nucleelor este foarte mare, aproximativ 1 MEV. Această energie cinetică se poate
atinge dacă protonii sunt ţinuţi la temperatură ridicată, şi anume la 109 K(dar deja la 106 K
apar protoni cu energie suficientă). În Soare fuziunea are loc la temperatură de 10-15 milioane
K.
În condiţiile terestre asigurarea unei astfel de temperaturi ridicate nu este posibilă. În
plus, pentru derularea continuă a reacţiilor ar trebui ca nuclee timp îndelungat să se găsească
într-o concentraţie mare, de exemplu 1015 cm-3 în cazul temperaturii 108 K. Există
experimente în care combustibilul este ţinut laolaltă cu ajutorul câmpului magnetic. Într-un alt
experiment, sferele de combustibil se încălzesc cu laser în impulsuri scurte, energia degajată
în fuziunea pornită încălzeşte mai departe sistemul, adică fuziunea devine autoîntreţinătoare.
Experimentul se continuă, poate dezvoltarea tehnicii va face posibilă realizarea reactorului
nuclear pe bază de fuziune, are mare câştig de energie.
VI.2 Centrala nucleară de la Cernavodă
Construcţia centralei nuclearo-electrice de la Cernavodă a început în anii 1980, în timpul
regimului lui Nicolae Ceauşescu. Însă unitatea Cernavodă 1 a fost terminată abia în 1996.
Decizia lui Nicolae Ceauşescu de a folosi tehnologie CANDU a fost luată din motive politice
şi nu pe criterii tehnice şi economice, pentru a nu crea dependenţă de alte state pentru
importul de uraniu îmbogăţit. Reactoarele CANDU nu necesită acest tip de combustibil,
folosind, în schimb, uraniu natural din minele româneşti.
CANDU (CANadian Deuterium Uranium) este un reactor de putere de tip canadian care
foloseşte uraniul natural drept combustibil, si apa grea ca moderator şi agent de răcire.
Prima Centrală Nuclearo-Electrică din România, Cernavodă 1, este situată la 180 km la est de
Bucureşti, este o centrală nucleară de tip CANDU 6.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Reactorul este format dintr-un ansamblu cilindric din oţel - inox (calandria) plasat
într-o structură de beton placat cu oţel (chesonul calandriei) care asigură protecţia termică şi
răcirea. Calandria conţine apa grea ca moderator, mecanisme de control al reactivităţii şi 380
canale de combustibil. Canalele de combustibil care conţin combustibil si apă grea folosită ca
agent de răcire, sunt amplasate în tuburi mai mari în calandria.
Calandria este suţinută de protecţii de capăt între zona activă a reactorului şi zona de
funcţionare a maşinii de încărcat combustibil. Reactorul este încărcat cu uraniu natural sub
formă de pastile de bioxid de uraniu. Treizeci de pastile puse cap la cap sunt conţinute într-o
teacă din aliaj de zirconiu (Zircaloy) formând un element combustibil. Treizeci şi şapte de
asemenea elemente sunt asamblate într-un fascicul de combustibil care cântăreşte 23,7 kg.
Fiecare canal de combustibil conţine doisprezece fascicule de combustibil.
Sistemul de reglare al reactorului controlează puterea reactorului în limitele specifice
şi asigură că sunt îndeplinite cerinţele centralei; de asemenea monitorizează distribuţia puterii
în zona activă pentru a optimiza puterea pe fascicul şi pe canal conform specificaţiilor de
proiect.
Sistemul de manipulare a combustibilului realimentează reactorul cu fascicule de
combustibil proaspăt în timpul funcţionării normale a reactorului; acest sistem este proiectat
să funcţioneze la toate nivelele de putere a reactorului. De asemenea, sistemul asigură
depozitarea temporară a combustibilului proaspăt şi iradiat.
Fasciculele de combustibil sunt împinse în canalul reactorului de către o maşină de încărcat
combustibil, acţionată de la distanţă. Fasciculele de combustibil iradiat sunt descărcate în
acelaşi timp de o altă maşină de combustibil, situată la capătul opus al canalului de
combustibil. Combustibilul iradiat este apoi transferat într-un bazin de stocare plin cu apă
aflat în clădirea serviciilor, lângă clădirea reactorului
Sistemul de transport al căldurii asigură circulaţia agentului de răcire presurizat
(D2O) prin canalele de combustibil pentru a extrage căldura produsă prin fisiunea uraniului.
Căldura este transportată de către agentul de răcire la cele patru generatoare de abur identice.
Sunt prevăzute doua bucle de circulaţie, fiecare răcind câte o jumătate din zona activă.
Generatorul de abur şi pompele de circulaţie sunt plasate la fiecare capăt al reactorului astfel
încât în jumătate din zona activă, debitul este direcţionat într-un sens, iar in cealaltă jumătate,
în sens opus. Presurizorul menţine presiunea în circuitul de răcire la o valoare relativ ridicată.
Fluidul de răcire este circulat în permanenţă în timpul funcţionarii reactorului, pe durata
opririi şi în perioada de întreţinere.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Neutronii produşi prin reacţia de fisiune sunt moderaţi (încetiniţi) de apa grea (D2O)
din calandria. Apa grea este circulată prin sistemul moderator pentru răcire, purificare si
controlul substanţelor folosite pentru reglarea reactivităţii. Apa grea din calandria acţionează
ca o sursă rece într-un eveniment de pierdere a agentului de răcire, fapt ce ar coincide cu
indisponibilitatea sistemului de răcire la avarie a zonei active.
Sistemul generator de abur transferă căldura din apa grea (D2O) folosită ca agent de
răcire, apei uşoare (H2O) pentru formarea aburului, care duce la turbo-generator. Sistemul
generator de apă de alimentare procesează aburul condensat venit de la turbina şi îl trimite
la turbo - generator.
Turbina tip CANDU 6 constă dintr-un corp de înaltă presiune dublu flux şi trei corpuri de
joasă presiune în dublu flux care eşapează în trei corpuri de condensator.
Sistemul turbo-generator constă dintr-un grup turbo-generator cu puterea nominală
de 600 MWe la ieşire, cît şi sisteme auxiliare pentru asigurarea condensării aburului eşapat
din turbina şi pentru preîncălzirea apei de alimentare a generatorului de abur.
VI.3. Ciclul combustibilului
Primul pas scoaterea UO2 din minereu, conţinutul fiind doar de 0,1%, este nevoie de
cantitate mare, dar rezultă şi mult steril. Pentru mineri este o muncă periculoasă, sunt expuşi
la cancer pulmonar şi îmbolnăviri ale căilor respiratorii.
Majoritatea minelor sunt în locuri cu densitate de populaţie mare. Locuitorii sunt şi ei
expuşi, de exemplu radonul ieşit în aer, praful în cazul mineritului la suprafaţă. Apa freatică,
respectiv apa de suprafaţă se poate contamina, cu radiu, radon şi arsen.
Materia primă exploatată din mine, este prelucrată. LA sfîrşitul procesului se obţine o
masă cu conţinut de 70% din uraniu numită „cozonac galben”.
În cazul exploatării miniere „în situ” adică, pe loc, se presează acid sulfuric printr-o
gaură realizată cu burghiu în subteran unde se găseşte uraniu şi printr-o altă gaură făcută se
pompează afară soluţii cu conţinut de uraniu formată. Această metodă poate utiliza un succes
acolo unde zăcământul este înconjurat de strat impermeabil. Are avantajul câte o metodă mai
ieftină, nu trebuie depozitat sterilul, însă marele dezavantaj este poluarea accentuată a solului,
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
respectiv problema de depozitare a apelor uzate. În plus, trebuie luat în seamă efectul acidului
sulfuric asupra minereului şi imposibilitatea restabilirii stărilor geologice iniţiale.
Pentru centralele nucleare care lucrează cu uraniu îmbogăţit, după exploatarea
uraniului se trece la procedura de îmbogăţire în conţinutul de 235U. Pentru separarea izotopilor
se pot folosi procedee chimice, ci procedee fizice bazate pe diferenţa de masă a izotopilor. În
acest sens uraniul mai întâi este gazificat cu ajutorul fluorului în UF6.
Metodele de separare sunt:
- metoda suflantă – gazul UF6 se introduce într-un tub subţire în formă de semicerc,
numit suflantă. Moleculele de gaz cu izotop 238U au masă mai mare, de aceea în tub înaintează
pe traiectorie cu raza mai mare (exteriorul tubului) şi astfel se pot separa relativ uşor de
moleculele de gaz conţinând izotopul 235U care se vor mişca pe arcul de cerc interior.
- metoda de difuzie – a gazului UF6 printr-o membrană, prin care trec mai multe
molecule mai uşoare, mai mobile care conţin 235U, decât moleculele mai grele cu 238U.
- metoda centrifugală. Gazul UF6 se introduce în centrifugă, unde moleculele cu238U, datorită inerţiei lor mai mari vor fi aruncate la margine, iar moleculele cu 235U rămân în
proporţie mai mare la mijloc.
- metoda termodifuzivă – gazul UF6 se introduce într-un tub vertical. În axa tubului
este un fir de încălzire prin care gazul este încălzit. Moleculelel cu masăai mică se adună în
jurul firului de încălzire, iar cele cu masă mai mare la marginea tubului se grupează.
Densitatea gazului încălzit în jurul firului este mai mică şi ca atare se ridică în partea
superioară a tubului. Gazul de densitate mai mare de la marginea tubului se va mişca în jos,
adunându-se în partea inferioară a tubului.
- metoda cu laser – se bazează pe faptul că izotopii diferiţi au energii de ionizare
diferite. Gazul UF6 este radiat cu laser de frecvenţă alternativă, frecvenţa reglată astfel ca să
fie capabilă să ionizeze atomi 235U. Deci, atomii 235 se vor ioniza, iar atomii 238U nu. Trecând
apoi înre plăci încărcate electric, ionii se separă uşor de atomii neutri.
Din gazul UF6 se produce UO2 necesar pentru combustibil. Primul pas de obicei este
presarea în tablete cu diametrul de 1cm şi înălţime 1,5 cm, care se încălzesc la 1700oC pentru
a obţine rigiditatea şi densitatea necesare. Tabletele prelucrate cu precizie de 0,0001 mm sunt
introduse în tuburi din zirconiu, umplute cu heliu (pentru un transfer de căldură mai bun). În
tub, deasupra tabletelor se lasă un spaţiu numit spaţiu de dezintegrare, pentru gazele rezultate
în urma dezintegrării. Tuburile se închid.
După folosire, aceste tuburi conţin încă uraniu şi plutoniu. Combustibilul uzat este
reprocesat după o odihnă de 10-15 ani, recuperând părţile utile (uraniu şi plutoniu) pentru
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
combustibil, iar deşeul foarte radioactiv se introduce în matricea de sticlă şi se pun în cimitirul
de izotopi.
VI.4. Pericolele ciclului combustibilului
Reprocesarea combustibilului are faze periculoase. Odihnirea combustibilului uzat se face
într-un bazin de beton umplut cu apă pe teritoriul centralei. Soluţia aceasta este temporară şi
nu este sigură. Deşeurile radioactive se pot împărţi în trei grupe:
- deşeuri slab radioactive - nu sunt periculoase, puterea lor calorică este mai mică de 2 kV
pe unitatea de volum. Aici aparţin hainele de lucru ale muncitorilor, materialele de protecţie
folosite, filtrele de aer, deci toate uneltele se compactează, se închid în butoaie şi ajung în
cimitirul de izotopi. Deşeurile slab radioactive pot fi de viaţă scurtă, când timpul de
înjumătăţire este mai mic decât 30 de ani, respectiv de viaţă lungă, cu timp de înjumătăţire
mai mare decât 30 de ani.
- deşeuri mediu radioactive – sunt materiale activate în reactor, de exemplu tuburile înveliş
ale combustibilului. Şi aceste materiale sunt compacte, cimentate în butoaie de oţel. Aceste
deşeuri, împreună cu cele slab radioactive ajung, în depozite la suprafaţă sau î apropierea
suprafeţei (maximum 200 m adâncime) unde, conform standardului internaţional se urmăresc
continuu timp de 300 de ani (137Cs este cel mai des întâlnit în aceste deşeuri, timpul de
observare este de 10 ori timpul de înjumătăţire al acestui izotop).
- deşeuri puternic radioactive – sunt produşi formaţi în procesul de fisiune, care nu se mai
pot refolosi, ele au o putere calorică mai mare ca 2 kW/m3. Aceste deşeuri necesită procesare
deosebită. Soluţia activă este comprimată, apoi chimic transformată. La 1150oC se topeşte cu
praf de sticlă şi se toarnă în butoaie inoxidabile. Aceste butoaie ajung în depozite, unde se
pun la 300-800 m adâncime şi se asigură măsurarea radiaţiei lor în timp de 10 000 de ani,
În atelierul de reprocesare, în urma prelucrării unei tone de uraniu rezultă în medie
130l deşeuri active şi 6 000 l deşeuri slab active, toate acestea ajungând în cimitirele de
izotopi.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
VI.5. Cerinţe faţă de deponeul de izotopi.
La alegerea deponeului de izotopi se iau în consideraţie caracteristicile geologice,
tectonice, hidrologice, geochimice, geofizice etc ale teritoriului. În plus, proprietăţile să fie
omogene şi constante în timp.
Roca de exemplu trebuie să fie:
- aproape impermeabil;
- bun conductor termic;
- să nu dizolve izotopii radioactivi;
- fără risc seismic;
- cu mare putere de legare de izotop.
Ţinând cont de cele de mai sus granitul este potrivit pentru stabilitate, rigiditate, dar nu
are capacitatea de legare a izotopului corespunzătoare. Argila leagă bine izotopii, este
impermeabil, deci potrivit pentru cimitir de izotopi. La ora actuală se consideră că ocnele de
sare sunt cele mai potrivite în acest scop. Aşezarea deşeurilor se face prin teleghidare, intrarea
este interzisă, supravegherea se face prin camere video.
VI.6. Energia nucleară şi mediul
Producerea şi folosirea energiei are consecinţe negative asupra mediului. „Energia cea
mai curată” este cea pe care nici nu o folosim, adică cu cît economisim mai multă energie, cu
atât protejăm mai mult mediul. În Europa de Est şi Europa Centrală energia raportată la
unitatea de produs este foarte ridicată, deci aici este nevoie de străduinţă în vederea reducerii.
Ca atare se impune aplicarea producerii de energie cu costuri mai mici, care să includă
evident şi costurile pentru protecţia şi refacerea mediului.
Încetul cu încetul au ajuns în prim plan efectele surselor de energie asupra mediului şi
asupra sănătăţii. A crescut interesul pentru: efectul de încălzire globală a CO2-ului rezultat în
urma combustibilului fosil, defrişării pădurilor, ploilor acide, etc. Nevoia de energie pe plan
mondial creşte în fiecare zi. Soluţia este folosirea tuturor surselor de energie într-o proporţie
adecvată astfel ca impactul asupra mediului şi sănătăţii să fie minima. În acest sens, energia
nucleară şi hidroenergia vor avea rol important pe lângă folosirea combustibilului fosil.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Cum am amintit deja, centralele pe bază de cărbune produc multă zgură şi cenuşă
radioactive. Izotopii conţinuţi, în mare parte, au timp de înjumătăţire mare, radiază particulele
α , care au activitate biologică, deci intră în categoria de izotopi foarte periculoşi. Centralele
nucleare în schimb, emit izotopi cu timp de înjumătăţire mic, care radiază particule β .
În 1987 cantitatea totală de deşeuri nucleare cu activitate mare, din toate centralele
nucleare din lume, a fost 6 000 t. Dacă energia produsă de aceste centrale s-ar fi realizat din
cărbune, atunci deşeul toxic de metale grele ar fi fost 100 000 t.
Utilizarea combustibilului fosil produce o poluare globală, ploi acide, schimbarea climei ce a
început din secolul trecut în mod clar, cauza principală fiind CO2 acumulat în atmosferă
(efectul de seră). Producerea energiei electrice prin arderea combustibilului este răspunzătoare
pentru emiterea a 6,5 miliarde tone de CO2 (din totalul de 20 miliarde tone de CO2 emise
anual).
La Conferinţa Lumea în schimbare din Toronto, în 1988 s-au făcut următoarele recomandări:
- pînă în 2005 se reduce nivelul emisiei de CO2 cu 20% faţă de 1988. în acest program rolul
naţiunilor industriale este foarte mare.
În afara respectării regulilor impuse este nevoie ca:
(1) să se folosească combustibili care produc mai puţin CO2;
(2) să se caute surse de energie noi;
(3) să se recâştige încrederea opiniei publice în utilizarea energiei nucleare, care s-a clintit
în urma necazurilor şi problemelor centralelor nucleare privind securitatea,
depozitarea deşeurilor precum şi răspândirii armelor nucleare. Numai după aceea
poate să înlocuiască energia nucleară combustibilii emiţători de CO2.
VI.7. Securitatea funcţionării centralelor nucleare CANDU (Centrala nuclearăCernavodă)
Unitatea 1 de la Cernavodă asigură cca 9-10% din necesarul de energie al României. Uniunea
Europeană a aprobat în data de 11 iunie 2003 acordarea unui credit de 235 milioane de euro,
prin programul Euratom, pentru finalizarea construcţiei Unităţii 2 de la Cernavodă.
Toate reactoarele nucleare în funcţiune acumulează în miezul lor, aşa cum am arătat, o
mare cantitate de material radioactiv. Cea mai mare parte a acestora este constituită de
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
produse de fisiune, majoritatea cu ciclu scurt de viaţă şi de obicei foarte radioactive şi din
actinide (ex. Plutoniu 239), care au un ciclu mare de viaţă şi sunt foarte toxice.
Prin definiţie, un accident major la un reactor ar duce la supraîncălzirea şi topirea ulterioară a
combustibilului nuclear, care are ca rezultat trecerea în mediu a unei cantităţi substanţiale de
materiale radioactive, după depăşirea mai multor bariere formidabile.
Ameninţarea majoră pentru sănătate şi mediu s-ar datora emisiei produselor de fisiune
în atmosferă. Cele mai importante dintre acestea sunt: cesiu, ruteniu, telur şi gazele de fisiune:
iod, krypton şi xenon.
Dacă o cantitate substanţială de radioactivitate ar fi eliberată în atmosferă,
radioactivitatea s-ar aduna într-un „nor” care ar fi dus de vânt.
La distanţe de doi sau trei kilometri, în funcţie de viteza vântului, norul ar începe să se
disperseze (zona de dispersie s-ar putea întinde pe distanţe de câteva sute de kilometri) şi
materialele radioactive ar fi depuse pe sol. Consecinţa ar fi atât cancere imediate, cît şi latente.
Când vorbim despre siguranţa unui reactor nuclear ne referim mai ales la cît de
eficient poate fi împiedicată cantitatea foarte mare de radioactivitate conţinută de miezul
reactorului să treacă în sol şi atmosferă în eventualitatea unor disfuncţionalităţi majore.
Reactoarele CANDU au combustibilul în sute de „canale pentru combustibil” separate,
fiecare închis în propriul său „tub de presiune”. În acest sens, CANDU este similar design-
ului reactorului de la Cernobîl.
Este bine cunoscut că asemenea reactoare cu „tub de presiune” au toate o caracteristică
periculoasă, cunoscută sub denumirea de „coeficient pozitiv de vid al reactivităţii”. Cu alte
cuvinte, coeficientul pozitiv de vid al reactivităţii înseamnă că de fiecare dată când are loc o
pierdere de agent de răcire într-unul sau mai multe canale ale miezului reactorului are loc
imediat o suprasarcină. Aceasta agravează accidentul, deoarece dacă suprasarcina nu este
soluţionată imediat – în câteva secunde – miezul s-ar putea distruge destul de violent şi
eliberarea de energie rezultată ar putea crea o breşă în pereţii reactorului, furnizând o cale de
ieşire pentru radioactivitate.
Proiectanţii de reactoare au asigurat caracteristici speciale de protecţie pentru a face
faţă urgenţelor anticipate: sisteme de siguranţă, sisteme pentru răcirea în regim de urgenţă a
miezului, sisteme de închidere rapidă, sisteme pentru furnizarea î regim de urgenţă a energiei
electrice ş.a.m.d. Spre deosebire de majoritatea celorlalte tipuri de reactoare, fiecare reactor
CANDU are două sisteme total independente pentru închidere rapidă. Această redundanţă a
fost determinată de necesitatea adaptării la suprasarcină ca urmare a pierderii de agent de
răcire din cauza coeficientului pozitiv de vid al reactivităţii. Costul adăugării unui al doilea
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
sistem de închidere rapidă a fost justificat de faptul că accidentele cauzate de „pierderea
controlului” – acelea care pot necesita folosirea unui sistem rapid de închidere – aveau loc de
aproximativ o sută de ori mai des la reactoarele CANDU din Ontario, decât fusese prezis de
calculele probabilistice ale industriei.
Cernavodă 2 ca toate reactoarele mari – va cuprinde un imens inventar de materiale
radioactive. Aproximativ 300 de tipuri diferite de radionuclizi vor fi create în interiorul
reactorului ca rezultat inevitabil al procesului de fisiune nucleară. Toate generează căldură ca
rezultat al degradării radioactive.
Cea mai mare parte a căldurii este generată de „produsele de fisiune” - bucăţile rupte de
atomi de uraniu şi plutoniu care au fost „divizate”. În afară de produsele de fisiune – bucăţile
rupte de atomi de uraniu şî plutoniu care au fost „divizate”. În afară de produsele de fisiune
există „produsele de activare” – materiale în prealabil ne-radioactive care au devenit
radioactive ca urmare a transmutaţiei nucleare – şi „elementele transuranice” cu ciclu foarte
mare de viaţă şi foarte toxice (aşa numitele „actinide”) cum ar fi americiu, plutoniu şi curiu –
elemente grele produse de om, create când atomii de uraniu din combustibil absorb unul sau
mai mulţi neutroni fără divizare.
Pot avea loc emisii mari de radiaţii în mediu ori de câte ori combustibilul reactorului
este serios afectat, iar învelişul de siguranţă al clădirii reactorului este deteriorat. Mai mult,
topirea combustibilului poate avea loc în absenţă fisiunii nucleare.
Reactorul Cernavodă 2, operând la putere maximă va genera aproximativ 2 100 MW
de căldură (doar o treime este transformată în energie electrică). Imediat după închidere, din
cauza degradării radioactive, miezul va continua să genereze cam 7% din căldura generată la
putere maximă - adică aproximativ 147 MW de căldură. La o oră după închidere, producerea
reziduală de căldură va fi încă de aproape 4% din căldura generată la putere maximă – adică
84 milioane de Watt de căldură. Este mai mult decât suficientă căldură pentru a topi miezul
reactorului. Dacă această „căldură de degradare” nu este „îndepărtată” imediat şi continuu,
miezul se va topi.
Mai mult, chiar în absenţa unei deteriorări prealabile a învelişului de siguranţă, desfăşurarea
accidentului ar putea să declanşeze forţe care ar ajunge să străpungă acest înveliş prin
suprapresiune, explozii sau topire.
România este o zonă cu riscuri seismice. Din cauza adâncimii mari la care unele dintre seisme
îşi au originea, aşa-numitele „sub-crustale” sunt deseori mai puţin atenuate şi mai distructive
decât cutremure de magnitudini comparabile cu originea în alte zone ale lumii. Aceste seisme
sub-crustale au dus în trecut la decesul a mii de oameni şi au provocat mari pagube. În unele
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
cazuri, s-au simţit chiar până la Moscova. Cutremurele cu originea mai aproape de suprafaţă
(„cutremure crustale”) sunt de asemenea comune în regiune, unele având epicentrul mult mai
aproape de zona Cernavodă – inclusiv unele chiar peste graniţă în Bulgaria.
Deoarece Cernavodă 2 foloseşte uraniu natural nu uraniu îmbogăţit, este o structură mai mare
şi mai voluminoasă decât reactoarele de putere comparabilă, dar de alt model. Structurile sunt
deseori mai vulnerabile la cutremure decât cele mai mici.
Chiar dacă integritatea structurală a reactorului nu este afectată în întregime, pot
apărea daune interne, cu posibilitatea afectării integrităţii structurii de siguranţă (ex.
Amortizoarele de ventilaţie) sau a sistemelor speciale de siguranţă a reactorului.
În timpul unui cutremur, vibraţiile pot cauza crăpături ale ţevilor în interiorul clădirii
reactorului, determinând astfel o pierdere de agent de răcire şi o suprasarcină. Se pot
manifesta de asemenea şi probleme de furnizare a energiei electrice.
În cazul în care un cutremur grav ar avea loc în timpul unei realimentări – o activitate
care este desfăşurată în fiecare zi la un reactor CANDU – este de presupus că interacţiunea
mecanică dintre maşina de alimentare şi tuburile de presiune ar putea cauza spargerea ţevilor
la ambele capete ale miezului orizontal. Aceasta ar fi o situaţie deosebit de dificilă; agentul de
răcire de urgenţă nu poate curge prin miez într-un asemenea caz, din cauza lipsei diferenţei de
presiune necesare.
Cea mai evidentă diferenţă între reactoarele CANDU şi alte reactoare este folosirea
„apei grele” sau a „oxidului de deuteriu” (simbol chimic D2O) în locul „apei uşoare” sau oxid
de hidrogen” ca agent de răcire/moderator. Astfel CANDU vine de la CANadian Deuterium
Uranium.
LA data de 25 ianuarie 2003, reactorul 1 de la Cernavodă a fost închis datorită
insuficienţei apei de răcire cauzate de scăderea nivelului Dunării. Închiderea a fost consecinţă
a secetei manifestate în Europa, care a dus, printre altele, la oprirea traficului fluvial pe cea
mai mare parte din Dunăre şi Elba şi funcţionare ala capacităţi scăzute a hidrocentralelor.
Deficitul de energie electrică a fost acoperit prin creşterea producţiei centralelor pe
combustibili fosili. Reactorul a fost repus în funcţiune pe data de 16 septembrie 2003 şi
reconectat la Sistemul Energetic Naţional pe data de 20 septembrie.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
VI.8. Disfuncţionalităţi şi riscul de accidente la centrale nucleare.
În cadrul folosirii energiei nucleare, până acum au apărut câteva accidente mai mici şi
mai mari, cu urmări de poluare a mediului. Aceste accidente le împărţim în două categorii
mari: accidente de radiaţie şi accidente nucleare.
Accidentul de radiaţie – este un eveniment extraordinar legat de folosirea surselor
ionizate sau a substanţelor radioactive, în cursul căruia personalul şi/sau locuitorii aflaţi,
respectiv domiciliaţi în zona periclitată primesc, sau pot primi, o doză de radiaţie peste limita
de doză admisă.
Accidentul nuclear – este evenimentul extraordinar produs în timpul producerii,
transportului, utilizării sau manipulării substanţei nucleare, care provoacă daune nucleare.
Dauna nucleară înseamnă toate cheltuielile pentru micşorarea şi restabilirea tuturor
pierderilor, daunelor provocate privind sănătatea umană, viaţa, bunurile materiale şi natura.
Scara Evenimentelor Nucleare Internaţională – conţine 7 nivele, deranjamentele au
3 nivele, iar accidentele 4. Acele evenimente care nu au importanţă din punct de vedere al
securităţii, sunt de nivel zero. Nici evenimentele care nu au legătură cu funcţionarea
centralelor nucleare, de exemplu accidente industriale, nu sunt încadrate pe scară.
Nivele de încadrare în scară sunt:
1. Anomalie – Nerespectarea regulilor de securitate, care încă nu prezintă risc nici pentru
muncitori, nici pentru locuitori.
2. Avarie – Radiaţia la care au fost expuşi muncitorii nu depăşeşte limita anuală, dar
poate avea consecinţe privind securitatea.
3. Avarie gravă – Se încadrează aici acele situaţii, când nu s-a produs accidentul, dar
sistemele de securitate nu ar fi putut împiedica producerea accidentului în timpul
deranjamentului. În asemenea situaţii muncitorii sunt expuşi la doză de radiaţie peste
limita admisă, dar locuitorii din zona periclitată primesc o doză doar de câţiva zecimi
de mSv.
4. Accident cu urmări în incinta uzinei – Acest eveniment extraordinar este deja
consecinţa unei topiri de zonă parţiale. Locuitorii din zona periclitată primesc cel mult
o doză de câţiva mSv, dar la câţiva muncitori pot apărea efecte nocive acute.
5. Accident cu risc în afara incintei uzinei – Izotopii radioactivi scapă în mediu într-o
concentraţie ce pune în pericol şi populaţia; valoarea de activitate aproximativ 1014-
1015 Bq. Această situaţie apare în urma defectării grave a zonei reactorului. În acest
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
caz se procedează la o parţială punere în aplicaţie a programului de înlăturare a
accidentului nuclear privind populaţia.
6. Accident grav – Pot apărea consecinţe grave, nocive sănătăţii cînd o mare cantitate de
substanţe radioactive au fost emise, o activitate de 1015-1016 Bq. În această situaţie se
aplică toate măsurările din programul de înlăturare a consecinţelor accidentului
nuclear.
7. Accident foarte grav – în acest caz majoritatea substanţelor din reactor ajuns în
mediu, activitatea fiind peste 1016Bq. În acest caz există pericolul de accident de
radiaţie pentru persoanele din centrala nucleară şi din apropierea ei. Efectele nocive
ulterioare privind sănătatea şi poluarea mediului apar pe teritorii mari, chair şi în ţările
vecine.
Pe baza celor de mai sus, principalele accidente nucleare din lume pot fi încadrate astfel:
1957: la centrala nucleară din Windscale (Anglia) a fost un accident în reactorul de grafit
răcit cu aer şi s-au emis produşii de dezintegrare radioactivi. Acest accident a fost declarat
de nivel 5 pe baza efectului din afara incintei.
1979: la centrala nucleară din Three Mile Island (SUA)accident produs în zone reactorului
grav avariat. Pe baza efectului din incinta uzinei a fost considerat accident de nivelul 5.
1986: accidentul de la Cernobîl (Uniunea Sovietică) a fost de nivelul 7, întrucât activitatea
„scăpată” a fost 4·1018 Bq, ceea ce este de 400 de ori radioactivitatea emisă la Hiroshima.
Modelul cu tub de presiune al reactorului a fost în sine un factor important care a
contribuit la brusca suprasarcină care a dus la topirea miezului şi la distrugerea explozivă
a pereţilor reactorului în acest accident.
1999: la Tokai Mura (Japonia) a fost un accident de nivelul 4.
Pe baza accidentelor de pînă acum, se poate spune că majoritatea a fost pînă la nivelul 3.
Într-o centrală nucleară anual se produc de două-trei ori pe an evenimente de nivelul 1 sau 2.
între 1982-1995 au fost 73 de evenimente de nivelul 1, 11 de nivelul 2, 1 de nivelul 3 şi 1 de
nivelul 7.
Consecinţele unui accidente grav pot fi serioase. Accidentul de la Cerobîl a costat
economia sovietică aproximativ 16 miliarde de dolari, inclusiv costurile pentru înlocuirea
energiei. Accidentele a generat un sentiment anti-nuclear în URSS şi în lume. Threee Mile
Island a costat SUA 4,8 miliarde USD în ciuda faptului că accidentul de la Three Mile Island
nu a avut nici un impact radioactiv semnificativ asupra populaţiei. Accidentul a fost un factor
major în crearea neîncrederii publicului în energia nucleară în SUA.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Conform Raportului Rasmussen, în cele mai rele condiţii, un accident nuclear grav ar putea să
aibă ca efecte:
- aproximativ 45 000 de cazuri de îmbolnăviri cauzate de radiaţii care să necesite
spitalizarea, din care aproximativ 3 300 ar muri;
- aproximativ 45 000 de cancere cauzate de radiaţii fatale într-o perioadă de treizeci
de ani ulterioară accidentului;
- aproximativ 250 000 de cancere cauzate de radiaţii non-fatale într-o perioadă de
treizeci de ani ulterioară accidentului;
- aproximativ 170 copii cu malformaţii genetice născuţi în fiecare an în rândul
populaţiei supravieţuitoare accidentului;
- aproximativ 14 miliarde USD (dolari din 1974) pagube materiale, în principal
datorită contaminării radioactive a hranei, apei, terenurilor şi construcţiilor.
Accidente se întâmplă şi în alte centrale, probabilitatea unui accident mortal într-o
termocentrală fiind de 750 ori mai mare decât într-o centrală nucleară. De exemplu în 1984în
Bholpal (India), gazul emis a ucis 2500 de oameni şi alţi 150 000 au fost îngrijiţi în spitale,
dintre care 2500 au rămas invalizi. Tot în India în 1979 s-a rupt barajul unei hidrocentrale la
Morvi, omorând 15 000 de oameni.
Din aceste exemple se vede că funcţionarea centralelor nu este lipsită de pericole. Evident, în
cazul centralelor nucleare există reguli de protecţie foarte stricte de respectat.
Există multe organizaţii naţionale şi internaţionale care se ocupă de securitatea
nucleară şi protecţia iradierii. Printre ele, ONU a înfiinţat Agenţia Internaţională de Energie
Nucleară (AIEN), care încearcă să ajute funcţionarea în securitate a centralelor nucleare
precum şi reglementarea traficului substanţelor radioactive produse în centrale nucleare şi
folosite în înarmarea nucleară.
Datorită Comisiei Internaţionale de Protecţie contra Radiaţiei este elaborarea
recomandărilor pentru protecţia populaţiei, mediului şi a celor care lucrează în mediu cu
pericol de iradiere, recomandări pe baza cărora AIEN elaborează regulamente, directive.
UNESCAR (Comisia Ştiinţifică a Efectelor Radiaţiei Nucleare a Naţiunilor Unite) printre
altele, se ocupă de urmările accidentelor şi neregulilor nucleare.
În România, Agenţia Nucleară este organ de specialitate al administraţiei publice
centrale, cu personalitate juridică, în subordinea primului-ministru şi care are ca obiect de
activitate acordarea de asistenţă tehnică de specialitate Guvernului în formularea politicii în
domeniul nuclear, precum şi promovarea şi monitorizarea activităţilor nucleare în România.
Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare
Un program de radioprotecţie optimă a fost elaborat şi implementat pentru a asigura
protecţia personalului, populaţiei cît şi protecţia mediului înconjurător. Programul se bazează
pe ultimele recomandări ICPR referitoare la limitarea şi optimizarea limitelor de expunere la
radiaţii. Un aspect important al programului de radioprotecţie îl reprezintă monitorizarea
dozimetrică în incinta CNE şi în mediul înconjurător.
Bibliografie
114
VII. Efecte de lumină, sunet, câmpuri electrice şi magnetice în
mediu
Frecvenţa undelor electromagnetice acoperă un domeniu continuu, numit spectru
electromagnetic.
Denumire Lungime de
undă
Frecvenţă
Curent alternativ industrial 6000 km 50 Hz
Curent de frecvenţă audio 15 000 - 15 km 20 – 20 000 Hz
Unde lungi 100 – 1 km 3 – 300 kHz
Unde medii 1000 – 100 m 300 – 3000 kHz
Unde scurte 100 – 10 m 3 – 30 MHz
Unde ultrascurte 10 – 1 m 30 – 300 MHz
Microunde 1 m – 1 mm 300 MHz – 300 GHz
Radiaţie infraroşie 1 mm – 800 nm 3·1011 -3,7·1014 Hz
Lumina vizibilă 800 - 400 nm 3,7·1014 – 7,5·1014 Hz
Radiaţia ultravioletă 400 – 10 nm 7,5·1014 – 3·1016 Hz
Radiaţia Rontgen 10 nm – 1 µm 3·1016 - 3·1020 Hz
Radiaţia gamma 10-10 m – 10-14 m 1018 – 1022 Hz
Radiaţia cosmică < 10-14 m >1022 Hz
Figura 25. Spectrul radiaţiei electromagnetice
Componenta din domeniul de frecvenţă mai mică decât 1015 Hz a radiaţiei
elctromagnetice se numeşte radiaţie neionizată. Energia acestei radiaţii este mai mică
de 6·10-19 J şi această energie nu este suficientă pentru ruperea legăturilor chimice. În
schimb, radiaţia cu frecvenţă mai mare decât 1015 Hz are suficientă energie pentru a rupe
Bibliografie
115
legături chimice precum şi pentru ionizare, de aceea această componentă se numeşte
radiaţie ionizantă.
Radiaţiile de frecvenţă înaltă – de exemplu radiaţia cosmică şi radiaţia
Rontgen(X) – strivesc în mare măsură ţesuturile, de aceea organismele vii pot fi expuse la
asemenea radiaţii doar un timp scurt.
VII.1. Radiaţia electromagnetică de origine naturală
Lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice de origine naturală ajunge pe suprafaţa
terestră din Soare este între 290-2000 nm, majoritatea radiaţiei fiind în domeniul vizibil.
După efectele biologice se poate împărţi domeniul ultraviolet în:
- regiunea UV-A :315-400 nm;
- regiunea UV-B : 280 - 315 nm;
- regiunea UV-C : 100 - 280 nm.
Aceste componente sunt absorbite în mod diferenţiat de filtrul de ozon. Radiaţia
UV-C este complet absorbită de stratul de ozon. Scăderea intensităţii radiaţiei UV-B
depinde de grosimea stratului de ozon, precum şi de lungimea de undă a radiaţiei.
Stratul de ozon de grosime 1 mm la presiunea de 1 atm scade intensitatea radiaţiei
de lungime de undă de 320 nm cu 10%, a radiaţiei de lungime de undă 300 nm cu 64%,
iar din radiaţia de 280 nu ajunge decît a 40 000–a parte pe suprafaţa Pămîntului.
Din aceste exemple se vede, că ajung componenta de lungime de undă mai mare,
de energie mai mică. Însă, cu subţierea stratului de ozon creşte intensitatea radiaţiei UV-
B care ajunge pe suprafaţa terestră. Pentru componenta UV-A stratul de ozon nu
reprezintă nici o piedică, deci ea preponderent ajunge la suprafaţa terestră.
Efectele radiaţiei UV asupra omului sunt de exemplu înroşirea pielii, bronzarea
pielii, boli diferite de piele şi de ochi, respectiv chiar schimbarea funcţionării sistemului
imunitar. Toate schimbările pornesc cu aşa numitul proces fotofizic primar, în cursul
căruia moleculele absorb fotonii şi ca urmare se excită, respectiv, în cazul fotonului de
energie mai mare, se ionizează. Vorbim de acest proces direct, dacă aceste schimbări se
petrec în molecule care joacă un rol important într-un raport biologic, de exemplu într-o
Bibliografie
116
moleculă de ADN. Dacă molecula predă energia primită unei molecule importante în
procesul biologic, vorbim de proces indirect.
Diferitele molecule sunt cele mai sensibile la radiaţii de diferite energii. De
exemplu, radiaţia UV-A acţionează cel mai puternic asupra hemoglobinei, carotinei şi
bilirubinei; radiaţia UV-B asupra bazelor nucleotidului ADN şi aminoacizilor aromatice
ale proteinelor. Maximul de absorbţie al ADN este în regiunea de lungime de undă 250-
260 nm.
La efectul radiaţiei UV asupra ochiului trebuie luat în considerare, că în mod
diferenţiat acţionează componentele de energii diferite. Componentele de energie mai
mică se absorb în cornee şi în cristalin cauzând opacitatea cristalinului, infecţia corneei şi
conjunctivită. De aceea este imperativ necesară purtarea ochelarilor de soare în locuri
unde omul poate fi expus radiaţiei UV-B intense.
Măsura de afectare a pielii depinde de măsura absorbţiei radiaţiei în ea.
Componenta de energie mai mare a radiaţiei UV-B se absoarbe deja în stratul superior al
epidermei. Bronzarea pielii se datorează creşterii numărului de celule (melanococite) care
produc melanină, colorantul pielii. Expunerea prelungită la Soare poate provoca de
exemplu cancer de piele, creşterea numărului petelor maronii, pot suferi vasele sanguine
şi pielea poate îmbătrâni. Conform estimărilor, scăderea cu 10% a grosimii stratului de
ozon poate creşte cu 10% numărul cazurilor de cancer de piele nemelanome, în cazul
melanomelor această valoare este 2%.
Radiaţia UV poate schimba activitatea şi repartizarea celulelor responsabile de
răspunsul imunitar.
Cantitatea radiaţiei UV ajunsă la om depinde de diferiţi factori externi. Joacă un
rol important de exemplu capacitatea de absorbţie a boltei cereşti, respectiv reflectivitatea
solului. Zăpada proaspătă de exemplu reflectă 80% din radiaţia UV, nisipul 10-25%, apa
10%, terenul înierbit 5%. Contează şi culoarea pielii, de exemplu pielea mai închisă la
culoare apără mai bine organismul de efectele radiaţiei.
A fost introdus – la îndemnul WHO – indexul UV Global al Soarelui (UVI), care
dă o estimare a intensităţii radiaţiei UV solare maxime pe suprafaţa Pământului. La prânz
este intensitatea radiaţiei incidente maximă, deci se dă această valoare. Cele mai mari
Bibliografie
117
sunt valorile în jurul Ecuatorului vara, pot ajunge şi la valoarea de 20, în Europa valorile
maxime vara sunt de cel mult 8. Vorbim de radiaţie UV slabă dacă indexul are valoarea 1
şi 2, moderată dacă este 3 şi 4, intensă dacă este 5 şi 6, foarte intensă, dacă este 7 şi 8,
respectiv radiaţie extremă dacă indexul este peste valoarea 9.
Radiaţia UV, mai precis componenta UV-A, are şi efect pozitiv asupra
organismului viu. Această radiaţie determină formarea pigmentului în piele, ajută la
sinteza vitaminei D, în plante la formarea clorofilei şi are un rol important în derularea
fotosintezei.
Medicina de asemenea foloseşte cu plăcere radiaţia UV, căci este binecunoscut
efectul pozitiv al luminii verde-albăstrui asupra depresiei sau de exemplu bilirubina
îmbogăţită în sângele nou născuţilor se poate descompune cu radiaţie optică. Pentru
dezinfectarea aerului din încăperi se poate utiliza cu succes radiaţia UV, bineînţeles în
asemenea cazuri trebui precauţie ca organismul uman să nu fie atins de radiaţie.
Utilizarea industrială a radiaţiei UV se bazează pe efectul fotoelectric. În esenţă, sub
influenţa radiaţiei de energie mare din metal se eliberează electroni şi metalul devine
electric încărcat. Sub influenţa electronilor extraşi în fotocelule se închide un circuit
electric al cărui intensitate de curent urmăreşte variaţia intensităţii luminii. Principiul de
funcţionare al foto copiatoarelor (xerox) este că un cilindru de metal – după modelul
textului de copiat – este iluminat. În aceste locuri cilindrul se încarcă electric şi atrage
particulele de vopsea, apoi presat contra colii de hârtie de asemenea încărcate electric,
vopseaua este predată hârtiei, apoi uscată.
Moleculele unor substanţe se excită sub influenţa radiaţiei UV, iar ca urmare a excitării
se emite lumină de culoare caracteristică. Acest fenomen se utilizează de exemplu la
controlul banilor de hârtie, în hârtie fiind ţesut fir de vopsea luminescent, care sub
influenţa radiaţiei UV emite lumină.
Mărimile şi unităţile energetica care caracterizează lumina din punct de vedere al
energiei transportate de radiaţia luminoasă sunt:
- fluxul de energie radiantă ( eΦ ) este energia ce străbate o suprafaţă dată în
unitatea de timp:
Bibliografie
118
tE
e =Φ (17)
unde E este energia, t este timpul. Unitatea de măsură este W .
- intensitatea energetică ( eI ) este fluxul de energie radiantă emis în unitatea de
unghi solid:
∆Ω∆Φ e
eI = (18)
- iluminarea energetică ( eE ) este fluxul de energie radiantă emis normal pe
unitatea de suprafaţă:
αcos2 ⋅=∆∆Φ
=rI
AE ee
e (19)
unde r este distanţa de la sursă la suprafaţa elementară iluminată şi α este unghiul
format de direcţia de propagare a luminii cu normala la suprafaţă.
Mărimile şi unităţile fotometrice caracterizează din punct de vedere al senzaţiei de
lumină produsă asupra ochiului uman normal. Ele sunt:
- fluxul luminos (Φ ):
eVk ΦΦ ⋅⋅= (20)
unde k este o constantă numită echivalentul fotometric al radiaţiei, V este sensibilitatea
spectrală relativă a ochiului uman normal, eΦ este fluxul de energie radiantă. Unitatea de
măsură a fluxului luminos este lumenul (lm).
- intensitatea luminoasă ( I ) – este fluxul luminos emis de o sursă punctiformă
în unitatea de unghi solid:
∆Ω∆Φ
=I (21)
Unitatea de măsură a intensităţii luminoase este candela (cd).
- iluminarea ( E ) este fluxul luminos ce cade normal pe unitatea de suprafaţă:
α∆∆Φ cos
r1
AE 2 ⋅== (22)
Bibliografie
119
Iluminarea se măsoară în lux (lx). Sensibilitatea ochiului omenesc este de 10-7 lx, adică o
iluminare provoacă deja senzaţie de lumină. Noaptea înnorată iluminarea este de 10-4lx,
noaptea cu lună plină 0,5 lx. Pentru a citi este nevoie de o iluminare de 80-100 lx.
Puterea unei surse de lumină (energia luminoasă emisă de sursa de lumină în
unitatea de timp) se măsoară în lumen (lm).
VII.2. Radiaţia electromagnetică artificială
Surse artificiale de radiaţie electromagnetică sunt toate acele dispozitive care în timpul
funcţionării emit fie direct fie ca produs secundar raze electromagnetice. Câmpuri
electrice şi magnetice de origine artificială există, în primul rând, în apropierea diferitelor
dispozitive electrice. La 1 m înălţime de sol, sub liniile de înaltă tensiune – prin care se
transportă curent electric alternative de tensiune 500-800 kV, de intensitate 150-2000 A –
se poate măsura o intensitate de câmp electric de 10-20 kV/m şi o intensitate de inducţie
magnetică de 20-600 µT. Sub liniile de înaltă tensiune se găseşte evident şi ozon, dar
concentraţia lui este mică, în jur de 10-9 l/m3. îndepărtându-se de liniile de transmisie
valorile de intensităţi ale câmpurilor scad doar în mică măsură. În preajma utilizatorului
curentul are o tensiune de 100-400 V şi valorile intensităţilor câmpurilor electric,
respective magnetic sunt de 10-50 V/m, respective 2-5 µT.
Intensitatea câmpului electric scade mult sub piele, dar câmpul magnetic în
schimb trece neatenuat prin piele. Câmpul magnetic al liniilor de înaltă tensiune deci,
apare şi în corpul omenesc. Intensitatea câmpului magnetic creat de liniile de înaltă
tensiune este de aceeaşi mărime chiar la 500 m depărtare ca şi sub liniile de transmisie, în
schimb, în cazul uneltelor casnice câmpul magnetic la distanţa de aproximativ 1m scade
deja la valoarea zero.
Este de aşteptat să fie şi în jurul turnurilor de emisie TV şi radio radiaţii mari, dar
aici intensitatea radiaţiei scade repede cu distanţa. Cuptoarele cu microunde funcţionează
cu o putere de câţiva W, radiaţia lor este de frecvenţă aproximativ 245 GHz. La uşa
cuptorului scăparea este foarte mică, deci nu reprezintă nici un pericol pentru utilizator.
Bibliografie
120
Şi despre cuptorul cu microunde, ca şi despre celelalte aparate de uz casnic, se poate
spune că intensitatea radiaţiei scade mult cu distanţa.
Telefoanele mobile funcţionează în domeniul de frecvenţe 800-1900 MHz,
radiaţia cu această frecvenţă nu produce ionizare în organism. Puterea telefoanelor
mobile este de 0,2-0,6 W, ceea ce în comparaţie cu puterea de 5W a celorlalte emiţătoare
– receptoarele manuale – este o valoare foarte mică. O dată cu creşterea distanţei scade
mult intensitatea radiaţiei, astfel, de exemplu, pe cei din preajma celui care vorbeşte la
telefon mobil, nu mai sunt afectaţi de radiaţie.
Radiaţia provenită de la telefonul mobil penetrează ţesuturi până la adâncimea de
1 cm şi acolo provoacă în primul rând încălzire. Procesele de reglare a temperaturii din
corp “transportă” această căldură, ca atare nu apare nici un efect de încălzire mai
importantă. Bineînţeles se fac cercetări pentru a studia efectele utilizării telefonului mobil
asupra organismului uman, dar până acum – în afara încălzirii nesemnificative – nu s-au
putut evidenţia efecte nefaste. Poate fi efect nedorit dacă telefonul mobil este utilizat în
apropierea unor dispozitive sensibile la radiaţie electromagnetică – de exemplu aparat
auditiv sau regulator al ritmului inimii (“peace maker”). În acest caz din cauza
interferenţei celor două aparate se deranjează reciproc.
În cazul monitoarelor, sub influenţa electronilor ce ajung la ecran, ia naştere o
radiaţie electromagnetică pulsatorie, care după expuneri îndelungate, poate provoca stres,
durere de cap tulburări de vedere, tulburări de somn, slăbirea sistemului imunitar. Cu
creşterea distanţei scade intensitatea radiaţiei, conform măsurătorilor, la distanţă egală cu
opt ori diametrul monitorului nu se mai exercită influenţa monitorului. Evident în cazul
computerului nu se poate respecta această distanţă, de aceea trebuie să fie respectate
regulile introduse pentru ocrotirea sănătăţii. Conform acestui regulament din 1990 după
fiecare oră de utilizare a monitorului se iau 10 minute de pauză, iar un regulament din
2002 prevede furnizarea ochelarilor de protecţie pentru cei care lucrează în faţa
monitoarelor.
Bibliografie
121
VII.3. Sunetul şi efectele sale
Pe lângă undele electromagnetice şi undele sonore au efecte biologice. Sunetul
este o undă mecanică, care se propagă prin vibraţiile particulelor mediului, transmisă de
la sursa de sunet la receptor.
O caracteristică a undei sonore este înălţimea sunetului, care corespunde
frecvenţei sunetului. Omul poate percepe sunetul cu frecvenţa 20-1600 Hz, peste
16 000 Hz, vorbim de ultrasunete, iar sub 20 Hz de infrasunete. Deoarece numărul de
vibraţii al vaselor sanguine este în jur de 3 Hz, în cazul unui sunet de această frecvenţă,
de intensitate mare şi persistent pot apărea ca efect al sunetului şi leziuni interne.
Seismele, erupţiile vulcanice sunt acompaniate de infrasunetul de frecvenţă 0,02 Hz. La
efectul infrasunetului sunt expuşi conducătorii auto, călătorii din avion, dar astfel de
sunet emit şi ventilatoarele de exemplu.
Ultrasunetele au importanţă mare în industrie şi în medicină. Acesta se datorează
faptului că ultrasunetele – din cauza lungimii de undă scurtă – au distanţă de penetrare
mare şi pot fi folosite perfect pentru examinarea structurii. O proprietate favorabilă a
ultrasunetelor este că nu distruge materia şi sunt uşor de ghidat, de manevrat. Pe lângă
diagnosticarea medicală, studiul materialelor în industrie, pot fi folosite şi în alte domenii
foarte bine, căci dispersează molecule mari, ‘şi accelerează coagularea. Frecvenţa
ultrasunetului utilizat de obicei este din domeniul 16 kHz – până la câteva sute de MHz,
sunete care pot fi obţinute cu cristale piezoelectrice. Aceste cristale se caracterizează prin
apariţia sarcinilor electrice pe suprafaţa cristalului în urma deformaţiilor. Un proces
invers are loc la producerea ultrasunetelor , prin vibraţii electrice de înaltă frecvenţă
cristalul poate fi constrâns la vibraţii mecanice, adică el devine sursă de sunet.
O mărime caracteristică sunetelor este intensitatea sonoră ( I ) care este energia
sonoră ce traversează suprafaţa unitate, în direcţie normală pe suprafaţă, în unitatea de
timp:
tAEI⋅
= (23)
Bibliografie
122
unde E este energia sunetului, A este mărimea suprafeţei, t este intervalul de timp.
Limita de excitare a sunetului cu frecvenţa de 1kHz este de 10-12nW/m2, adică un sunet
cu această intensitate poate provoca apariţia senzaţiei de sunet.
Puterea sursei sonore (P) este energia sonoră emisă de sursa sonoră în toate
direcţiile în unitatea de timp:
tEP = (24)
Vorbirea normală are puterea 10-5W, iar strigătul are puterea de 10-3W. Intensitatea a
două surse sonore se compară prin logaritmul raportului intensităţii sonore. Astfel se
obţine aşa-numitul nivel al intensităţii sonore (nivel de zgomot – L1):
01 I
Ilog10L ⋅= (25)
unde 0I este limita de excitare a sunetului de 1kHz. Nivelul de zgomot se exprimă în
decibel (dB).
Presiunea sunetului ( p ) este diferenţa presiunii momentane şi a presiunii statice
(mărime exprimată de obicei în unităţi de Paµ ).
Presiunile de sunet sunt comparate prin nivelul presiunii sonore ( pL ) de asemenea în
unităţi de dB:
⋅=
1
2p p
plog20L (26)
Tăria sunetului sau nivelul de zgomot ( H ) este nivelul subiectiv de zgomot,
adică intensitatea trăirii. Conform legii fundamentale psihofizice a lui Weber-Feckner,
intensitatea trăirii este proporţională cu intensitatea excitării, adică sunetul de 100, de
1000 de ori mai intensive vom auzi de 2 ori, respective de 3 ori mai intensive. De aceea
se poate scrie:
⋅=
0pplog20H (27)
Bibliografie
123
unde Pa20p0 µ= . Unitatea de măsură a tăriei sonore este phon-ul. Scara de decibel
coincide cu scara phon, doar în cazul sunetelor cu frecvenţa 1kHz, motivul fiind că
valoarea limitei de excitare depinde de frecvenţă.
Nivelul de intensitate al sunetelor provenite din diferite surse sonore este foarte
diferit, de exemplu: televizorul 40 dB, traficul urban 90 dB, cutremur 100 dB, tunetul 160
dB, vorbire răspicată 75 dB.
Din punct de vedere biologic sunetul de 30-65 dB, provoacă deja supărări
vegetative, cel de 30-40 dB tulburări de somn, iar sunetul de 60 dB tahicardie. Sunetul de
120 dB atinge deja pragul de durere, la 160 dB apare fisurarea timpanului, iar peste 175
dB poate preveni moartea. Zgomotele repetate pe termen lung – organismul le suportă o
anumită vreme, dar dacă intervalul este prea lung apar leziuni nervoase.
Cercetările arată, că zgomotul de fond creşte anual cu 1,5 dB, iar pragul auditiv cu
4-5 dB. Traficul urban este sursa principală de zgomot, reprezentând 60-80% din efectul
de zgomot total ce ajunge la noi. În scopul reducerii poluării cu zgomot, la locurile de
muncă trebuie scăzut nivelul de zgomot, traficul trebuie mai bine organizat, traficul
tranzit să fie dirijat în afara oraşelor, plantarea fâşiilor “antizgomot” lângă drumuri,
construirea pereţilor antifonici, respective realizarea izolării antifonice a clădirilor.
Bibliografie
124
Bibliografie
[1] Mészáros Ernő: Légkörtan, Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1993
[2] Czeslaw Szczecinski: A meteorológiáról mindekinek, Budapest, Műszaki
könyvkiadó, 1967
[3] Stefanovits Pál: Talajtan, Mezőgazdazdasági Kiadó, 1981
[4] Dr. Kevein Bárány Ilona: Talajföldrajz, Budapest, Tanköyvkiadó, 1986
[5] Marx György: Atommagközelben, Szeged, Mozaik Oktatási Stúdió, 1986
[6] Hetényi Magdolna: Környezetgeokémia, JATE Pressz Szeged, 1999
[7] Bitó János – Sinka József: Jövőnk kulcsa az energia, Kossuth Kiadó, 1973
[8] Balogh – Kadosa: Fejezetek a környezetfizikából, KLTE-ATOMKI Debrecen
1994
[9] Dobóné Tarai Éva – Tarján András: Környezetvédelmi praktikum tanároknak
[10] Tasnádi P. Bérces Gy. – Skrapits L. Mechanika II, Dialóg Campus Kiadó, Pécs-
Budapest, 2001
[11] Képes Világatlasz, Magyar Könyvklub, Budapest, 2001
[12] SH atlasz: Űrtan (Almár – Both – Horváth - Szabó), Springer Hungarica Kiadó,
1996
[13] Koppány György: Lakható marad-e a Föld?, Budapest, Akadémia Kiadó, 1993
[14] Nuclear Regulatory Commission, Reactor Safety Study (the „Rasmussen Report”)
WASH-1400, Washington DC, 1974
[15] Nuclear Performance Advisory Group (NPAG), Findings and Recommendations,
A report to Ontario Hydro Management, Toronto, 1997
[16] Efectele genetice ale Radiaţiei, Tema 2, Tritiul; Raportul UNSCEAR către
Adunarea Generală a Naţiunilor Unite, 1997