Создаем мощный эффект разрушения в фотошоп. Экология
Поскольку здесь рассматривается ближняя зона взрыва, которая в свою очередь разделяется на зоны характерных эффектов, и которые идентифицируются как последовательно развивающиеся очаги сейсмических колебаний, проанализируем основные признаки этих зон. Кроме зоны упругих сейсмических колебаний, для всех остальных характерно образование трещин, т.е. нарушение сплошности горных пород.
Объем и степень разрушения и, следовательно, интенсивность трещинообразования, как в сторону свободной поверхности, так и в глубь массива определяется объемной плотностью энергии, привлеченной упруго-пластической волной напряжений на различных участках сейсмоизлучателя (очага взрыва).
Известно, что сейсмическое излучение определяется скоростью развития трещин в разрушенной части массива, скорость развития которых не больше 0,38 Cp с относительно большим периодом колебаний. В работе отмечается, что смысл инженерных мероприятий по управлению действием взрыва и повышению кпд использования энергии BB сводится к уменьшению радиуса очага сейсмоизлучателя и к более равномерному распределению сосредоточенной в его пределах энергии, увеличению скорости развития трещин и уменьшению времени выхода трещин к поверхности обнажения.
С повышением скорости роста трещин, увеличения их числа снижается также первоначальный сейсмический импульс. Наиболее интенсивное развитие трещин в результате продвижения сейсмического фронта наблюдается на расстоянии (0,5-0,6) ro. Вместе с продвижением фронта уменьшаются параметры сейсмических колебаний в зоне первичного их формирования, снижается доля энергии, привлеченной за счет разгрузки в области очага сейсмоизлучателя, и в итоге снижается сейсмический эффект.
Развитие трещин определяется типом разрушения горных пород: хрупким, пластичным и хрупко-пластичным. При хрупком разрушении трещины ориентированы перпендикулярно действию нормальных растягивающих напряжений. Для вязкого разрушения характерно смещение частиц по площадкам скольжения, ориентированным по направлениям действия касательных напряжений, но при этом скорость трещинообразования значительно больше скорости развития пластических деформаций.
Известны две точки зрения на процесс трещинообразования. По С.Д. Волкову процесс развития трещин проходит три стадии (рис. 3.4):
- зарождение и медленное развитие очагов трещинообразования;
- ускоренное трещинообразование;
- трещинообразование с постоянной скоростью.
Акад. С.Г. Авершин процесс разрушения хрупких сред представляет как цепную реакцию, т.е. скорость трещинообразования катастрофически нарастает. Такое представление вполне соответствует представлению о фрактальной природе разрушения с образованием аттрактора в виде бифуркационного разветвления, т.е. аналогично «дереву» Кейли, где приложенная нагрузка на среду с дефектами переориентируется (перекладывается) с дефекта, где трещины срослись, на дефекты, где это еще не произошло, при этом ветвление приобретает форму цепной реакции. Напряжения не успевают релаксировать и явление подобно явлению крипа.
Распределение напряжений и величин деформаций в этом случае, согласно теории катастроф носит вероятностный характер, а по величине они могут оказаться даже ниже предела прочности породы на разрушение. В таком случае скорость трещинообразования будет видимо зависеть от количества возможных очагов зарождения трещин.
Если предположить, что в замкнутом объеме V имеется no центров трещинообразования, то за время dt их «проснется» nodt под действием нагрузки Fo. По различным причинам они не все будут расти, т.е. среди общей массы дефектов no есть активные и пассивные, первые дают трещины со скоростью vтр, а вторые обрывают рост. Вероятность встречи активных трещин составит:
Pa = nt/no, а пассивных Pп = 1-Pa.
Согласно В.А. Падукову, имеем:
где f и q - коэффициенты, характеризующие ветвление и образование цепей трещинообразования; no - концентрация начальный очагов трещин; nt - концентрация активных очагов.
Интегрируя (3.3) и произведя преобразования, получим:
Понятно, что скорость трещинообразования будет пропорциональна концентрации очагов зарождения трещин:
где к - коэффициент пропорциональности.
Произведем качественный анализ (3.4 и 3.5), выделив три случая.
1. f Ра, или nt стремится к пределу nо/(q-f), тогда скорость трещинообразования окажется равной:
2. При f=q и Pa=Pп, dnt/dt=no, т.е. nt=not и, следовательно, Vтp=кnоt.
Это вполне соответствует энергетической теории разрушения, когда эффективность разрушения зависит не только от величины напряжений, но и от количества энергии, перешедшей в массив за определенное время, т.е. речь идет о времени экспозиции нагрузки. Это также не противоречит теории катастроф и кинетической теории С.Н. Журкова.
3. При f>q, имеем:
Здесь скорость трещинообразования нарастает по показательному закону, т.е. в виде цепной реакции типа горного удара.
Изменение скоростей развития трещин и скорости трещинообразования в рудах и апатито-нефелиновых породах показало, что скорости поперек слоистости составили 200-300 м/с, а вдоль - 300-800 м/с, а время процесса трещинообразования участка составляло:
T = (0,6/3)W мс,
где W - сопротивление по подошве, а скорость равна:
vтр = 300-1600 м/с.
Измерение Cp в массиве показало, что она составляет 1000-4200 м/с, значит скорость роста трещин составляет около 0,38 Cp.
Признанными критериями сейсмической опасности являются скорость V смещения частиц и напряжение в сейсмической волне σ. Ho по утверждению Я.И. Цейтлина они эффективны только для ограниченного диапазона мощности взрыва, т.к. очевидно, что при одинаковых приведенных расстояниях при одной и той же скорости опасность от более мощного взрыва будет одинаковой с менее мощным. Ho это не подтверждается практикой.
Недостатком критериев V и σ является то, что они не учитывают время действия взрывной волны или же учитывают время в неверной пропорции.
Удельная энергия может быть определена как:
где ρСр - акустическая жесткость среды; V - скорость смещения.
На сейсмограмме выделяется фаза с максимальной амплитудой, по обе стороны от которой интенсивность смещений быстро падает, но в районе максимума заключено более 50% всей энергии волны.
При рассмотрении пластических деформаций следует учесть, что остаточные деформации складываются, что может явиться физической основой разупрочнения, так как возникновение новых очагов ослабления, дефектов, микротрещин - есть проявление остаточных деформаций. Значит, при последовательном многократном нагружении они накапливаются, откуда следует, что энергию импульсов нужно учитывать не только в районе пикового значения, а всюду, где они способны вызвать пластические деформации.
Известно, что критическая скорость при статистическом действии меньше, чем при динамическом. С учетом того, что в ближайшей зоне преобладают продольные волны, действие которых можно считать квазистатическим, тогда энергия составит:
где А - мощность взрыва; τ - характерное время поступления энергии, после которого дальнейшее поступление на том же уровне не приведет к росту опасности.
В скальных породах τ примерно оценивается в 1 мс, в этом случае большинство сейсмических волн в таких породах будут квазистатическими и тогда критерии Vмax и σ являются эффективными критериями, означающими, что энергия повреждения пород очень мала. У сейсмических волн ее достаточно при достижении напряжений в волне критических значений. Ho пиковые напряжения не всегда являются критерием опасности и зависят от момента взрыва. Я.И. Цейтлин считает, что критическое значение разрушительной сейсмической волны для скальных пород средней крепости составляет εкр (Дж/м2) около 20000.
Парниковый эффект - разрушение озонового слоя
Вначале хладагенты категории хлорфторуглеродов (CFC), появившиеся в 30-х гг., рассматривались как вещества, обладающие только преимуществами. Однако в 80-м гг., когда ученые начали заниматься вопросами их влияния на окружающую среду, эти хладагенты стали источниками беспокойства в связи с двумя обстоятельствами: повышением парникового эффекта и возможным разрушением озонового слоя . Парниковый эффект является следствием того, что некоторые газы земной атмосферы задерживают инфракрасное излучение, которое испускает земная поверхность. Явление парникового эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при которой возможно возникновение и развитие жизни. Если бы отсутствовал, средняя температура поверхности земного шара была бы примерно на 20 К ниже, чем она есть. Иными словами, в отсутствие парникового эффекта наша планета была бы необитаемой.
Удержание инфракрасного в природе происходит благодаря парам воды, содержащимся в воздухе и в облаках. Однако задерживают данное излучение и другие газы, являющиеся продуктами деятельности человечества, в частности углекислый газ и хладагенты категории хлорфторуглеродов (CFC). В связи с тем, что наличие в атмосфере С02 и CFC (в том числе) увеличивает эффективность удержания земного инфракрасного излучения по сравнению с естественной природной эффективностью, средняя температура поверхности Земли повышается больше, чем нужно, обусловливая искусственный парниковый эффект, который добавляется к природному парниковому эффекту. Хотя концентрация всех вместе взятых CFC в атмосфере гораздо ниже, чем концентрация С02, их эффективность по удержанию инфракрасного излучения во много тысяч раз выше эффективности С02, в частности вследствие их очень длительного периода жизни (58 лет для R11, 100 лет для R12 и 250 лет для R115, который входит в состав R502).
Разрушение стратосферного озона представляет собой совсем другое явление, поскольку оно связано с энергетическим ультрафиолетовым излучением Солнца. Наиболее удаленным от Земли слоем атмосферы является стратосфера, которая представляет собой шаровой слой с толщиной примерно 35 км, начинающийся на высоте 15 и заканчивающийся на высоте примерно 50 км от поверхности Земли.
В этом слое находится озон, который поглощает 99% ультрафиолетового излучения Солнца, падающего на Землю, выполняя роль защитного экрана для земной жизни.
Освобожденные хлорфторуглероды (CFC) медленно поднимаются вверх и доходят до стратосферы, где их молекулы под действием ультрафиолетового излучения испытывают фотолитическую диссоциацию, в результате чего освобождаются атомы хлора, содержащиеся в этих молекулах (например, такой фторхлоруглерод, как R11, имеет химическую формулу CC13F). Свободные атомы хлора взаимодействуют с молекулами озона (химическая формула 03), составляющими озоновый слой, образуя окись хлора G10 и молекулярный кислород. Считается, что одна молекула хлора может вызвать разрушение многих тысяч молекул озона, по различным оценкам это число достигает от 10 до 100 тысяч молекул.
Если влияние хладагентов CFC на повышение парникового эффекта очевидно, то их воздействие на озоновый слой стратосферы являстся предметом споров. Поэтому в ноябре 1992 г. на Копенгагенской конференции 92 ученых со всего мира по инициативе вулканолога Наroun Tazieff приняли «Обращение 92-х», призывающее власти всех стран, подписавших Монреальский протокол, вернуться к его решениям.
Как бы то ни было, ученые попытались сравнить между собой различные хладагенты с точки зрения:
- парникового эффекта, присваивая хлада¬гентам такой показатель, как возможности глобального подогрева атмосферы за 100-летний период, т. е. возможности глобального потепления, которую обычно обозначают аббревиатурой GWP (Global Warning Potential)
- разрушения озонового слоя, присваивая хладагентам такой показатель, как коэффициент возможности истощения слоя озона, которая обычно обозначается аббревиатурой ODP (Ozone Depletion Potential).
Можно сделать следующие выводы:
- с точки зрения парникового эффекта воздействие R22 составляет не более 37% от воздействия R11, Rl34а~ не более 29%, а влияние аммиака на прирост парникового эффекта вообще нулевое;
- с точки зрения разрушения озонового слоя влияние R22 находится на уровне примерно 5% от влияния Rll, a R134a и аммиак практически никак не влияют на озоновый слой.
По данным « » Польманн 1998
Новое время человечество, с точки зрения отношений с природной средой, начало практически под тем же знаком, и всю свою историю – существование человеческой цивилизации по-прежнему остается крупнейшей экологической проблемой современности. Но поскольку экология – это наука о взаимоотношении видов со средой, а в данном случае нас больше других интересует один конкретный вид – сам человек - то оставим эту проблему без решения и перейдем к другим, пусть менее глобальным, но все-таки гораздо более поддающимся решению.
За прошедшие тысячелетия цивилизация и технологии сделали заметный скачок в своём развитии. Изменился вид человеческих поселений, канули в Лету языки древности, сам внешний облик «человека разумного» изменился до неузнаваемости. Но одно в жизни человека осталось неизменным: все, что цивилизация способна собрать в своих амбарах, складировать за высокими заборами специальных баз, распихать по полкам домашних шкафов и холодильников – все это взято из окружающей среды. И весь ритм жизни человечества, как в прошедшие эпохи, так и сегодня, определялся одним – возможностью доступа к тем или иным природным ресурсам.
Как же вещества-загрязнители литосферы попадают в почву? Различные почвенные загрязнения, большинство из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику поступления этих загрязнений в почву.
С атмосферными осадками. Многие химические соединения (газы – оксиды серы и азота), попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками попадают в почву.
Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей.
При непосредственном поглощении почвой газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.
С растительным опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают в почву.
Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление дается по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина загрязнения почвы:
Мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами;
Тяжелыми металлами;
Пестицидами;
Микотоксинами;
Радиоактивными веществами.
Существуют природные ресурсы, необходимые человечеству, как воздух. Но нет, пожалуй, такого ресурса, кроме самого воздуха, отсутствие которого становилось бы нерешимой проблемой для человека уже менее чем через минуту.
Известно, что загрязнение атмосферы происходит в основном в результате работы промышленности, транспорта и т. П., которые в совокупности выбрасывают ежегодно выбрасывают «на ветер» более миллиарда твердых и газообразных частиц.
Основными загрязнителями атмосферы на сегодняшний день являются окись углерода и сернистый. Но, конечно, нельзя забывать и о фреонах, или хлорфторуглеводородах. Именно их большинство ученых считают причиной образования так называемых озоновых дыр в атмосфере. Фреоны широко используются в производстве и в быту в качестве хладореагентов, пенообразователей, растворителей, а также в аэрозольных упаковках. А именно с понижением содержания озона в верхних слоях атмосферы медики связывают рост количества раковых заболеваний кожи.
Известно, что атмосферный озон образуется в результате сложных фотохимических реакций под воздействием ультрафиолетовых излучений Солнца. Хотя его содержание невелико, его значение для биосферы огромно. Озон, поглощая ультрафиолетовое излучение, предохраняет все живое на земле от гибели. Фреоны же, попадая в атмосферу, под действием солнечного излучения распадаются на ряд соединений, из которых окись хлора наиболее интенсивно разрушает озон.
Благодатные капли дождя – еще один дар небес – всегда радовали человека. Но в некоторых районах земного шара дожди превратились в серьезную опасность. Возникла сложная и трудная в своем решении проблема кислотных дождей, которая на международном уровне была впервые поднята Швецией на конференции ООН по окружающей среде. С тех пор она превратилась в одну из главных природоохранных проблем человечества.
Кислотные дожи губительно действуют на природу водоёмов, наносят ущерб лесной растительности и сельскохозяйственным культурам, наконец, все эти вещества представляют определенную опасность для жизни человека.
Третий, не менее важный, чем небо над головой и земля под ногами, фактор существования цивилизации – водные ресурсы планеты.
На свои нужды человечество использует главным образом пресные воды. Их объём составляет чуть больше 2% гидросферы, причём распределение водных ресурсов по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод. Общее же потребление речных вод возрастает из года в год во всех районах мира. Известно, например, что с начала нынешнего века потребление пресных вод возросло в 6 раз, а в ближайшие несколько десятилетий возрастёт еще по меньшей мере в 1,5 раза.
Недостаток воды усугубляется ухудшением её качества. Используемые в промышленности, сельском хозяйстве и в быту воды поступают обратно в водоёмы в виде плохо очищенных или вообще неочищенных стоков.
Таким образом, загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в реки, озера и моря промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод. Согласно расчетам ученых, в конце ХХ века для разбавления этих самых сточных вод может потребоваться 25 тыс. Кубических км. Пресной воды или практически все реально доступные ресурсы такого стока! Нетрудно догадаться, что именно в этом, а не в росте непосредственного водозабора – главная причина обострения проблемы пресной воды.
В настоящее время к числу сильно загрязненных относятся многие реки – Рейн, Дунай, Сена, Огайо, Волга, Днепр, Днестр и др. Растет загрязнение мирового океана. Причем здесь существенную роль играет не только загрязнение стоками, но и попадание в воды морей и океанов большого количества нефтепродуктов (рис.6.). В целом, наиболее загрязнены внутренние моря – Средиземное, Северное, Балтийское, Внутреннее Японское, Яванское, а также Бискайский, Персидский и Мексиканский заливы.
Кроме того, человек осуществляет преобразование вод гидросферы путем строительства гидротехнических сооружений, в частности водохранилищ. Крупные водохранилища и каналы оказывают серьезное отрицательное воздействие на окружающую среду: изменяют режим грунтовых вод в прибрежной полосе, влияют на почвы и растительные сообщества, в конце концов, их акватории занимают большие участки плодородных земель.
Изменяя свой мир, человек, желает он того или нет, существенно вмешивается в жизнь своих соседей по планете. По данным Международного союза охраны природы, с 1600 г. На Земле вымерло 94 вида птиц и 63 вида млекопитающих. Кроме того, уменьшаются в количестве и исчезают редкие насекомые, что связано как с реакцией на применение различного рода пестицидов, так и с уничтожением их коренных мест обитания.
Механизм гибели вида гораздо проще, чем его можно себе представить. Зоологи поняли это, когда им удалось проанализировать большое число неудачных случаев акклиматизации животных в угодьях, безусловно, подходящих для завозимых видов. Оказалось, что неудачами кончался завоз малых групп животных. Выяснилось, что 2-3 пары животных при отсутствии постоянных, пусть даже сравнительно редких контактов с себе подобными, не могут обжить территорию. В большинстве случаев у них подавляется способность к размножению или они гибнут от так называемого «стресса», или болезни напряжения. Подобное же положение возникает при большом разряжении естественной популяции. Совершенно необязательно уничтожать всех до одного животных, чтобы обречь вид на исчезновение, достаточно сильно сократить его численность, уменьшить или разрознить участки обитания, в чем человечество, особенно в последние столетия, заметно преуспевает.
Парниковый эффект
Когда несколько десятилетий назад ученые всерьез заговорили о проявление на нашей планете парникового эффекта – их заявления были восприняты всерьез разве что узким кругом таких же ученых. События же последних лет: неслыханная жара в Северной Америке и на Европейском континенте, вызвавшая резкое ухудшение здоровья даже у здоровых людей, многочисленные инфаркты и тепловые удары, выгорания посевов от засух и многочисленные наводнения, ураганы и штормы – не на словах, а на деле убедили нас в обратном. Эта печальная реальность – уже не прогнозы, а сводки новостей… Средняя температура на нашей планете + 15 градусов, такой она поддерживается за счет парникового эффекта. Именно благодаря ему и создались условия для возникновения жизни на Земле (без этого явления температура была бы -15). Как известно, поглощение инфракрасных лучей в атмосфере происходит за счет углекислого газа, в результате чего – выделяется тепло и создается комфортная для животного и растительного мира среда обитания. А значит, чем больше углекислого газа – тем больше тепла. С каждым новым шагом техногенного развития цивилизации, человечество стремительно разрушает гармонию, созданную природой, используя для этого два надежных способа: увеличение мощности производства и массовое уничтожение лесов. По данным ООН, через тридцать лет это приведет к повышению общего температурного фона планеты – на 3 градуса. Казалось бы – немного. Казалось бы – нас это не еще не коснется… Еще – или уже? 30 лет – это всего лишь треть жизни человека… Пока еще – треть… Стоит ли быть оптимистами, или мы здесь больше похожи на страуса, прячущего голову в песок? Если существующая тенденция продлиться, то уже в 2050 году количество углекислого газа в атмосфере планеты увеличится в 2 раза. Для пиковых температур рост составит от 4,5 до 5,5 градуса. Это вызовет таяние ледников в горах, что, в свою очередь, повысит уровень мирового океана на полтора метра! Как следствие – увеличится подверженность прибрежных зон катастрофам и штормам, изменится циркуляцию осадков (по данным ученых, они могут сократиться до 40%!), что вызовет катастрофические потери урожайности и миграции населения вглубь материка… Все это уже не прогнозы, а реальность недалекого будущего. Полностью остановить процесс глобального потепления уже невозможно – уж слишком далеко зашло человечество! Сейчас даже те, кто не хотел об этом слышать, вынуждены идти на уступки своему родному дому – планете Земле. Правительства промышленных стран ежегодно пересматривают свои возможности и подписывают соглашения о сокращении выбросов в атмосферу. Хорошим примером служит Япония, которая в 2010 году реализовала правительственную программу для граждан по покупке экологически чистых электромобилей.
Однако не все внушает радость. Факт для размышления: в холодильниках и кондиционерах, которые уже стоят в наших домах, накоплено такое количество хлорфторуглеродов, что даже если бы можно было вдруг полностью остановить все производство – то вредоносных выделений нам хватит еще на долгое время, и мы практически не почувствовали бы эффекта!
Разрушения озонового слоя
Озоновый слой расположен в стратосфере на высоте от 12 до 50 км (наибольшая плотность на высоте около 23км). И, несмотря на то, что концентрация озона в атмосфере меньше 0.0001%, озоновый слой полностью поглощает губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Долгое время озоновый слой стремительно истощался из-за деятельности человека. Вот основные причины его истончения: 1) Во время запуска космических ракет в озоновом слое буквально «выжигаются» дыры. И вопреки старому мнению о том, что они сразу же затягиваются, эти дыры существуют довольно долгое время. 2)Самолеты летающие на высотах в 12-16 км. 3) Выброс в атмосферу фреонов Разрушение озонового слоя фреонами Самой главной причиной разрушения озонового слоя является хлор и его водородные соединения. Огромное количество хлора попадает в атмосферу, в первую очередь от разложения фреонов. Фреоны – это газы, не вступающие у поверхности планеты ни в какие хим. реакции. Фреоны закипают и быстро увеличивают свой объем при комнатной температуре, и потому являются хорошими распылителями. Из-за этой особенности фреоны долгое время использовались в изготовлении аэрозолей. И так-как, расширяясь, фреоны охлаждаются, они и сейчас очень широко используются в холодильной промышленности. Когда фреоны поднимаются в верхние слои атмосферы, от них под действием ультрафиолетового излучения отщепляется атом хлора, который начинает одну за другой превращать молекулы озона в кислород. Хлор может находиться в атмосфере до 120 лет, и за это время способен разрушить до 100 тысяч молекул озона. В 80-ых годах мировое сообщество начало принимать меры по сокращению производства фреонов. В сентябре 1987 года 23 ведущими странами мира была подписана конвенция, согласно которой, страны к 1999 году должны были снизить потребление фреонов в два раза. В сентябре 1987 года 23 ведущими странами мира была подписана конвенция, согласно которой, страны к 1999 году должны были снизить потребление фреонов в два раза. Уже найден практически не уступающий заменитель фреонов в аэрозолях – пропан-бутановая смесь. Такие аэрозоли уже достаточно широко используются. Для холодильных установок дела обстоят несколько хуже. Лучшим заменителем фреонов сейчас является аммиак, однако он очень токсичен и все же значительно хуже их по физ. параметрам. Сейчас достигнуты неплохие результаты по поиску новых заменителей, но пока проблема окончательно не решена. Благодаря совместным усилиям мирового сообщества, за последние десятилетия производство фреонов сократилось более чем в два раза, но их использование все еще продолжается и по оценкам ученых, до стабилизации озонового слоя должно пройти еще как минимум 50 лет.