А.И.СЁМКЕ,
УО АМО Ейского района, Краснодарский кр.

Практические работы: ЭКОЛОГИЯ+ФИЗИКА

5-я межрегиональная экологическая экспедиция, 2006 г.

 

(5-я Межрегиональная экспедиция школьников России (118 участников) прошла в 2006 г. в Новгородской области в рамках движения «Учитель года». Творческое содружество учителей сложилось в 2001 г. по инициативе Межрегионального клуба «Учитель года» и «Учительской газеты». География экспедиций: Печоро-Илычский биосферный заповедник, Приазовье, озеро Байкал, Кавказский биосферный заповедник. Приводим фрагмент организации работы трёх мастерских.)

 

1. Утилизация мусора*

Цель работы: исследовать загрязнение территории бытовым мусором и выработать оптимальные пути его утилизации.

Приборы и материалы: весы, лопата.

Содержание работы. Каждый из нас выбрасывает огромное количество мусора. Так, среднестатистический москвич выбрасывает за год более 360 кг твёрдых бытовых отходов. Если этот мусор распределить ровным слоем по городу, толщина его будет примерно 10 см. Чтобы не утонуть в грудах мусора и не отравиться продуктами его разложения, мусор надо куда-то девать. Утилизация мусора – одна из важнейших проблем современной цивилизации. Пока что человечество придумало три принципиально разных пути: вторичное использование отходов, организация свалок и сжигание мусора. Однако ни один из них нельзя признать абсолютно приемлемым.

• Чтобы мусор использовать вторично, его необходимо рассортировать. Бумага, металлический лом, стекло – всё должно находиться отдельно. Первая проблема заключается в том, что сортировать мусор, уже поступивший на свалку, практически невозможно. Его надо сортировать там, где выбрасывают. Значит, каждый человек должен завести отдельные ёмкости для пищевых отходов, бумаги, пластмассы и т.д. А как быть, например, с электрическими лампочками? В каждой лампочке содержатся несколько десятков миллиграммов молибдена, вольфрама, редких и ценных металлов. Вторичная переработка этих металлов требует высоких температур, т.е. необходим реактор большого объёма. В каждом городе электроламповый завод не построишь. В России-то их всего несколько. Вот и получается, что вторичная переработка лампочек при всей её кажущейся привлекательности, занятие накладное.

Вторая проблема – доставка мусора к месту переработки. Если мусора и потребителей переработки его продуктов много, то и заводов, способных перерабатывать отходы такого типа, должно быть много.

Третья проблема заключается в том, что мусор – сырьё принципиально нестандартизируемое, т.е. каждая новая партия мусора, поступившего на переработку, будет заметно отличаться от предыдущей по целому ряду параметров. Мусор невозможно использовать как сырьё для производства высококачественной продукции.

Таким образом, столь привлекательная, на первый взгляд, идея вторичного использования бытового мусора до сих пор почти не находит воплощения. Исключение составляют пищевые и растительные отходы на садовых участках, которые компостируют (сваливают на 2–3 года в кучу и дают перегнить), получая полезное удобрение. Мусор же приходится либо вывозить на свалки, либо сжигать.

• Вывоз мусора на свалку – самый дешёвый, но недальновидный способ его утилизации. Недальновидный в первую очередь потому, что мусор остаётся мусором. Свалки (особенно вокруг крупных городов) занимают огромные площади. Ядовитые вещества, оказывающиеся там, проникают в подземные воды, которые часто используют в качестве источников питьевой воды, развеиваются ветрами по окрестностям, нанося тем самым ущерб окружающей среде. Кроме того, в результате процессов гниения без доступа воздуха образуются различные газы, которые также не освежают атмосферу вокруг. Некоторые продукты гниения способны самовоспламеняться, поэтому на свалках регулярно возникают пожары, и в атмосферу выбрасываются сажа, фенол и прочие ядовитые вещества. Как правило, захороненный мусор (если его объёмы невелики) разлагается гораздо быстрее, чем валяющийся на поверхности, и не портит пейзаж.

• Сжигание мусора должно было бы, по идее, высвободить огромные площади, занимаемые свалками, газообразные продукты (углекислый газ, водяной пар, азот) развеялись бы в воздухе и включились в естественный круговорот. Однако, во-первых, далеко не весь мусор горит, а многие горючие отходы при сгорании дают золу, масса которой может составлять несколько процентов от массы исходного мусора. Поэтому все шлаки, которые остаются после сгорания, всё равно приходится вывозить на свалки. Во-вторых, мусор содержит много влаги и трудносгораемых материалов, поэтому горит плохо. Неполное сгорание приводит к выбросу огромного количества сажи и вредных органических соединений, таких как фенол и его производные. Чтобы подобные вещества не выделялись, температура сгорания мусора должна превышать 1200 °С, но при простом горении температура редко превышает 800 °.

Ход работы

1. Сосчитайте и по возможности соберите мусор на территории ваших исследований в радиусе 500 м.

2. Измерьте массу бытового мусора.

3. Утилизируйте мусор, согласно характеристикам, приведённым на с. 32.

4. Сделайте вывод об экологической ситуации на исследуемом участке, дайте предложения по утилизации мусора на данной территории.

2. Радиационный мониторинг**

Цель работы: в полевых условиях измерить уровень радиационного фона местности и радиоактивной загрязнённости воды, почвы и продуктов питания.

Приборы и материалы: дозиметр бытовой «Белла», ёмкости под воду и почву объёмом 1–2 л (можно использовать пластиковые бутылки); ёмкости под продукты питания объёмом 0,5–1 л (можно использовать пластиковые бутылки или стеклянную тару).

Содержание работы. Радиационный фон Земли складывается из трёх компонентов: космическое излучение; распад естественных радионуклидов, рассеянных в земной коре, почве, воздухе, воде и других объектах внешней среды; распад искусственных радионуклидов, образовавшихся при испытаниях ядерного оружия и выпавших на поверхность Земли в виде локальных, тропосферных или глобальных радиоактивных осадков или поступающих во внешнюю среду при удалении радиоактивных отходов предприятиями атомной промышленности, ядерного топливного цикла, а также предприятиями и учреждениями, работающими с радиоактивными веществами и использующими их в медицине, науке, технике или сельском хозяйстве.

Для измерения уровня радиационного фона и радиоактивной загрязнённости атмосферы, почвы, воды, продуктов питания используются приборы – дозиметры или радиометры, например, «Белла», «ЭКО», ИРД-03Б1. Дозиметр предназначен для измерения мощности излучения, т.е. дозы за единицу времени. Например, если мощность дозы внешнего излучения составляет 0,11 мкЗв/ч, то облучение в течение года (8800 ч) даст дозу 1 мЗв/ч. Мощность дозы естественного фона составляет около 0,15 мкЗв/ч и в зависимости от местных условий может меняться в два раза. Среднее значение эквивалентной дозы от внешнего фонового гамма-излучения можно принять равным 0,4 мЗв/год. Для получения значения мощности полевой эквивалентной дозы (МЭД, мкР/ч) необходимо показания дозиметра умножить на 100: 1 мкЗв/ч = 100 мкР/ч***.

2.1. Оценка уровня радиационной безопасности

Ход работы

1. Подготовьте к работе дозиметр. Для этого включите питание и подождите 40–60 с.

2. Поместите прибор в первой контрольной точке и произведите замеры мощности дозы радиационного излучения 5–6 раз. Результаты запишите в табл. 2.1.

3. Рассчитайте среднее значение мощности дозы. Результат запишите в табл. 2.1.

4. Повторите действия п. 2–3 в других контрольных точках.

5. Сравните полученные в работе значения мощности дозы излучения с предельно допустимым уровнем фоновой радиации (0,1–0,33 мкЗв/ч). Сделайте вывод об уровне радиационной безопасности местности.

Таблица 2.1

2.2. Определение уровня радиационной загрязнённости почвы и воды

Ход работы

1. В контрольных точках возьмите пробы воды и почвы (желательно в двух экземплярах).

2. Подготовьте дозиметр к работе.

3. Установите прибор рабочей чувствительной поверхностью вплотную к ёмкости с пробой и снимите последовательно 5–6 показаний. Результаты запишите в табл. 2.

4. Рассчитайте среднее значение мощности дозы от пробы. Результат запишите в табл. 2.2.

5. Уберите пробу и определите фоновое излучение. Результат запишите в табл. 2.2.

6. Рассчитайте объёмную активность пробы в беккерелях на литр. Для этого от среднего значения мощности дозы отнимите значение мощности фонового излучения, затем полученное число умножьте на 1000 для пробы объёмом 2 л или на 1200 для пробы объёмом 1 л. Результат запишите в табл. 2.2.

6. Сделайте вывод о радиационной чистоте исследуемых проб.

Таблица 2.2

2.3. Определение уровня радиационной загрязнённости продуктов питания

Ход работы

1. Возьмите пробы продуктов питания объёмом 0,5–1 л (желательно в двух экземплярах).

2, 3. См. п. 2, 3 работы 2.2.

4. Рассчитайте среднее значение мощности дозы от пробы. Результат запишите в табл. 2.3 (см. табл. 2.2).

5. Уберите пробу и определите фоновое излучение. Результат запишите в табл. 2.3.

6. Рассчитайте объёмную активность пробы в беккерелях на литр. Для этого от среднего значения мощности дозы отнимите значение фонового излучения, затем полученное число умножьте на 1500 для пробы объёмом 0,5 л или на 1200 для пробы объёмом 1 л. Результат запишите в табл. 2.3.

6. Сделайте вывод о радиационном загрязнении исследуемых продуктов.

3. Определение антропогенных загрязнений окружающей среды****

Автотранспорт является одним из основных загрязнителей атмосферы оксидами азота NO_x (смесь NО и NО₂), угарным газом (оксидом углерода (II), СО) и сажей, содержащихся в выхлопных газах (в основном при неотрегулированном двигателе и в режиме прогрева). Доля транспортного загрязнения воздуха составляет более 60% по СО и более 50% по NО_x от общего загрязнения атмосферы этими газами. Концентрация угарного газа в выхлопе составляет 0,3–10% об., углеводородов (несгоревшее топливо) – до 3% об., оксидов азота – до 0,8%. Исходными данными для расчёта количества выбросов являются: количество единиц автотранспорта разного типа, проезжающих по выделенному участку автотрассы в единицу времени, и нормы расхода топлива (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Эмпирические коэффициенты K, определяющие выброс вредных веществ в зависимости от вида горючего, приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Коэффициент численно равен количеству вредных выбросов соответствующего компонента, в литрах, при сгорании в двигателе автомашины количества топлива, равного удельному расходу Y_i.

3.1. Оценка количества выбросов вредных веществ в воздух от автотранспорта

Оборудование. Пишущие принадлежности, микрокалькулятор.

Ход работы

1. Выберите участок автотрассы вблизи школы (места жительства, отдыха) длиной 0,5–1 км с хорошим обзором (из окна школы, из парка, с пришкольной территории).

2. Измерьте шагами длину участка (l, м), предварительно определив среднюю длину своего шага.

3. Определите количество единиц автотранспорта N_m, прошедшего по участку в течение 20 мин, и заполните табл. 3.3 (для примера в таблице заполнена строка «Легковые автомобили»):

4. Рассчитайте количество единиц автотранспорта N_р за 1 ч, предполагая движение одинаково интенсивным: N_р = N_m 3.

Таблица 3.3

5. Рассчитайте общий путь L, км, пройденный автомобилями каждого типа за 1 ч: L_i = N_рi l.

6. Рассчитайте количество топлива (Q_i, л) разного вида, сжигаемого при этом двигателями автомашин: Q_i = L_i Y_i.

7. Полученный результат занесите в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Определите общее количество сожжённого топлива каждого вида (Q_i) и занесите результат в табл. 3.4.

8. Рассчитайте количество выделившихся вредных веществ в литрах при нормальных условиях по каждому виду топлива и всего по табл. 2. Результат запишите в табл. 3.5

Таблица 3.5

Обработка результатов и выводы

1. Рассчитайте: массу выделившихся вредных веществ m, г, по формуле: количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых условий окружающей среды. Результаты запишите в табл. 3.6.

Таблица 3.6

2. Сопоставьте полученные результаты с количеством выбросов вредных веществ, производимых находящимися в вашем районе заводами, фабриками, котельными, автопредприятиями и другими загрязнителями воздуха. При этом пользуйтесь соответствующими данными по экологической оценке количества выбросов от этих предприятий (такие данные можно получить, например, в районном или городском комитете по экологии и т.п.).

3. Принимая во внимание близость к автомагистрали жилых и общественных зданий, сделайте вывод об экологической обстановке в районе исследованного вами участка автомагистрали.

3.2. Оценка содержания в воздухе СО₂

Оборудование: барометр, вскрыватель индикаторных трубок, индикаторные трубки (ИТ) для определения углекислого газа, мешок полиэтиленовый объёмом 3–5 л, насос-аспиратор, термометр.

Внимательно прочитайте инструкцию по применению ИТ и насоса.

Ход работы

3.2.1. Экспресс-анализ воздуха на содержание углекислого газа

1. Вскройте ИТ на СО₂ с обоих концов. Соблюдайте осторожность при вскрытии ИТ во избежание порезов осколками стекла! Обратите внимание на цвет наполнителя.

2. Подсоедините ИТ со стороны выхода воздуха к насосу.

3. Сделайте рекомендуемое инструкцией число качков насосом, прокачивая через ИТ воздух помещения (улицы, парка).

4. Отметьте изменение окраски наполнителя и длину прореагировавшего столбика наполнителя после прокачивания.

5. Для точных измерений измерьте и зафиксируйте значение температуры воздуха (°С) и атмосферного давления (мм рт.ст.) в момент прокачивания воздуха насосом.

6. Положите ИТ рядом со шкалой, изображённой на этикетке, и определите концентрацию углекислого газа (С) в мг/м³ по границе столбика, изменившего окраску.

7. Приведите значение концентрации, измеренной при температуре t и давлении р, к нормальным условиям (t₀ = 20 °С, р₀ = 760 мм рт.ст.) по формуле:

3.2.2. Экспресс-анализ выдыхаемого воздуха на содержание углекислого газа

Эксперимент выполняется аналогично предыдущему, но имеет особенности, связанные с отбором пробы выдыхаемого воздуха.

1. Приготовьте и расправьте полиэтиленовый пакет (он должен быть чистым и сухим).

2. Сделайте выдох в пакет, наполняя его выдыхаемыми газами.

3. Зажмите горловину пакета рукой.

4. Возьмите заранее приготовленную и вскрытую индикаторную трубку, вставьте в насос. Приоткройте пакет и быстро поместите туда индикаторную трубку с насосом, после чего пакет снова зажмите рукой.

5. Сделайте рекомендуемое инструкцией число качков насосом, просасывая через ИТ воздух из мешка.

6. Пересчитайте концентрацию СО₂ из мг/м³ в процентах по формуле где С₁ – концентрация газа (в объёмных процентах); С₂ – концентрация газа в мг/м³; М = 44 – молекулярная масса углекислого газа.

Обработка результатов и выводы

1. Занесите полученные результаты в таблицу.

2. Проанализируйте результаты и сделайте выводы о качестве воздуха.

3.3. Оценка запылённости воздуха

Запылённость воздуха – важнейший экологический фактор. Пылью считаются любые твёрдые частицы, взвешенные в воздухе. Безвредных пылей не существует. Их экологическая опасность для человека определяется составом, размером частиц и концентрацией в воздухе. Пыли можно подразделить на две большие группы:

– мелкодисперсная пыль, состоящая из лёгких и подвижных частиц размером до нескольких десятков и сотен микрон (1 мкм = 10^–3 мм). Такая пыль может находиться в воздухе длительное время – витать. Она попадает с воздухом в лёгкие при дыхании, может накапливаться в организме;

– крупнодисперсная пыль, состоящая из тяжёлых и малоподвижных частиц. Такая пыль быстро выпадает из воздуха при отсутствии ветра, образуя пылевые отложения (например, на мебели). Отложения пыли являются источниками вторичного загрязнения воздуха.

В 1 см³ воздуха в закрытом помещении может содержаться до 10⁶ пылинок различного размера, природы и степени опасности. Пыль может содержать как органические вещества (частицы биогенного – растительного, животного и антропогенного происхождения), так и неорганические вещества (частицы почвы, строительных материалов, синтетических моющих средств, различных химических веществ и др.). На пылевых частицах могут поселяться вредные микроорганизмы, адсорбироваться ещё более мелкие частицы вредных веществ (например, тяжёлых металлов, органических соединений). Наиболее токсичны пыли, содержащие сложные белковые молекулы и простейшие организмы (живые и отмершие), например, пыль белково-витаминного концентрата, пыль хитинового покрова отмерших бытовых насекомых – мух, тараканов, муравьёв и т.п. Такие пыли вызывают аллергические заболевания как при вдыхании, так и при попадании на кожу (при контакте). Некоторые виды пыли могут создавать взрывоопасные смеси с воздухом (древесная, хлопковая, мучная и т.п.). Очень важно уметь оценивать качество воздуха по содержанию в нём пыли, зная её разнообразие и представляя её экологическую опасность.

Оборудование: вода дистиллированная, раствор соляной или азотной кислоты (10%-ный), весы аналитические, измеритель расхода воздуха, лопатка для взятия образцов отложений пыли, микроскоп с объективом 8 (восьмикратное увеличение), насос для прокачивания воздуха (переносная ротационная установка типа «ПРУ-1»), пипетка, покровные и предметные стекла для микроскопа, секундомер, фильтры бумажные типа «АФА-10» с фильтродержателем.

Ход работы

3.3.1. Определение относительной запылённости воздуха

1. Нанесите каплю воды на предметное стекло.

2. Установите предметное стекло в выбранном месте на 15 мин.

3. Накройте каплю с осевшими на неё пылинками покровным стеклом, приготовив, таким образом, микропрепарат.

4. Поместите микропрепарат на предметный столик микроскопа. Добейтесь такого увеличения, чтобы в поле зрения микроскопа была как можно большая площадь капли.

5. Сосчитайте количество пылинок в капле и опишите их качественный состав (вид, структуру, взаимное расположение, особенности строения и др.).

6. Определите количество пылинок за 15 мин на поверхности капли такой же площади (не изменяя степени увеличения микроскопа) после выдерживания предметного стекла с каплей в различных местах одного и того же помещения, в разных помещениях.

3.3.2. Определение качественного состава пыли

1. Отберите образец пыли, поддевая лопаткой отложения пыли на дорожке длиной 3–5 см.

2. Перенесите образец пыли с лопатки на предметное стекло.

3. Накройте образец пыли покровным стеклом, приготовив микропрепарат сухой пыли.

4. Поместите микропрепарат на предметный столик микроскопа. Добейтесь такого увеличения, чтобы в поле зрения микроскопа была видна как можно большая площадь микропрепарата.

5. Рассмотрите микропрепарат в микроскоп и опишите, из чего состоит пыль (внешний вид, форма, размеры, взаимное расположение и цвет частиц и др.).

6. Поднимите покровное стекло препаровальной иглой и нанесите на образец пыли каплю раствора кислоты. Сразу же накройте смоченный микропрепарат покровным стеклом.

7. Поместите микропрепарат на предметный столик микроскопа. Рассмотрите его в микроскоп и опишите изменения, происшедшие с образцом пыли в растворе кислоты.

Примечание. Имейте в виду, что в растворе соляной кислоты растворяются преимущественно частицы известняков и водорастворимые соли, а в растворе азотной кислоты – и большинство других минеральных солей.

3.3.3. Количественное определение концентрации пыли в воздухе

1. Соберите установку.

2. Взвесьте фильтр на аналитических весах с точностью до 0,1 мг и запишите его исходный вес m_исх, мг.

3. Поместите взвешенный фильтр в фильтродержатель, который затем герметично закройте и присоедините к установке.

4. Включите прокачивание воздуха с расходом 10–20 л/мин (при использовании водоструйного насоса установите максимально возможный расход). Одновременно включите секундомер и отрегулируйте (определите) фактическую величину расхода воздуха в л/мин. Прокачивайте воздух через фильтр в течение не менее 1 ч, определяя средний расход воздуха за время прокачивания (Q, л/мин). Всего через фильтр желательно прокачать не менее 2 м³ воздуха.

5. Извлеките фильтр из фильтродержателя и снова взвесьте его, запишите конечный вес m_кон.

6. Рассчитайте массовую концентрацию пыли (С) в мг/м³ по формуле:

где m_исх и m_кон – исходный и конечный вес фильтра соответственно в мг, 1000 – коэффициент пересчёта объёма воздуха из литров в кубические метры; t – продолжительность прокачивания воздуха, мин.

Обработка результатов и выводы

1. Занесите результаты проведённых экспериментов в табл. 3.7.

Таблица 3.7

2. Проанализируйте полученные результаты и сделайте выводы: о качественном составе пыли; об относительной запылённости воздуха в разных точках помещения; об экологическом состоянии помещения (его запылённости).

3.3.4. Изучение степени запылённости воздуха в различных местах пришкольной территории

Оборудование: прозрачная клейкая плёнка.

Ход работы

1. Соберите листья на разных участках пришкольной территории и на разной высоте (в глубине зелёной зоны, вблизи автомагистрали, со стороны жилых домов и т.д.).

2. Приложите к поверхности листьев клеящуюся прозрачную пленку.

3. Снимите плёнку с листьев вместе со слоем пыли, приклейте её на лист белой бумаги.

4. Сравните отпечатки.

Обработка результатов и выводы. Сделайте вывод о степени запылённости листьев на разных участках пришкольной территории.

3.3.5. Экспериментальные задания

1. Определите содержание углекислого газа в воздухе: парка (зелёной зоны); жилого помещения; в классе до и после занятий; в выдыхаемом воздухе без задержки дыхания; в выдыхаемом воздухе после задержки дыхания на 15–20 с.

2. Определите относительную запылённость помещений при открытой и закрытой форточке, утром, до начала занятий, и после перемены и др.

3. Определите качественный состав пыли, собранной в разных помещениях: в жилом доме, в школе, на стройке, в парке, на пришкольной территории, вблизи транспортной магистрали.

4. Определите концентрацию пыли в воздухе на разной высоте от пола: 20 см; 1 м; 1,5 м. Сделайте вывод об экологической опасности пыли для животных различного роста, для человека.

________________

*Мастерская не указана. – Ред.

**Мастерская А.И.Сёмке (начальник управления образования администрации муниципального образования Ейского района).

***В России с 01.01.2000 г. действуют «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99), согласно которым биологический эффект облучения выражается только в зивертах, а мощность дозы – в зивертах в единицу времени. Только в частном случае гамма-излучения можно считать 1 Зв = 100 Р. См. брошюру № 2/2005 «Ионизирующие излучения» А.Б.Колдобского (Библиотечка «1 сентября». Физика). – Ред.

****Мастерская А.Г.Пинюковой (СОШ № 2, г. Людиново, Калужская обл.).