Tehnica Masurarii Si Controlului Calitatii Mediului

1

UNIVERSITATEA ECOLOGICĂ BUCUREŞTI

Facultatea de Inginerie Managerială

Dr. Florin Căldăraru

TEHNICA MĂSURĂRII ŞI CONTROLULUI

CALITĂŢII MEDIULUI

- curs universitar –

Bucureşti, Martie – Noiembrie 2000

2

CUPRINS

Pagina

INTRODUCERE 6

I LECŢII 10

Partea I-a Cadrul fenomenologic 10

Curs 1 – Evoluţia şi problemele actuale ale studiului mediului înconjurător 10

1.1. Studiul mediului înconjurâtor în cadrul biologiei 10

1.2. Extinderea fenomenologică 12

1.3. Probleme actuale 14

1.4. Fizica biotopului 16

1.5. Fizica biocenozei 19

1.6. Situaţia actuală 20

Curs 2 – Geosistemul 21

2.1. Perigeosistemul (exosfera, termosfera şi mezosfera) 21

2.2. Pregeosistemul 23

2.2.1. Mantaua 23

2.2.2. Nucleul 24

2.3. Mezogeosistemul 25

2.3.1. Stratosfera 25

2.3.2. Troposfera 25

2.3.3. Hidrosfera 26

2.3.4. Litosfera 28

2.3.2. Biosfera 29

Curs 3 - Ecosistemul antropizat 32

3.1. Structura generativă a ecosistemului antropizat 32

3.2. Pattern-ul nevoilor umane în ecosistemul antropizat 33

3.3. Pattern-ul activităţilor umane în ecosistemul antropizat 36

3.4. Pattern-ul organizării spaţiului în ecosistemul antropizat 38

3.5. Produsul 39

Curs 4 – Elemente de fizica ecosistemelor 42

4.1. Sisteme termodinamice 42

3

Pagina

4.2. Organizarea ierarhică 43

4.3. Forma generală a ecuaţiei de bilanţ 45

4.4. Bilanţul entropiei (principiul II al termodinamicii) 46

4.5. Sistemul termodinamic asociat unui sistem fizic 46

4.6. Stabilitatea sistemelor cu autoorganizare 49

Curs 5 - Ecosisteme şi sisteme termodinamice asociate 53

5.1. Stratosfera si troposfera 53

5.2. Hidrosfera 54

5.3. Litosfera 56

5.4. Biosfera 57

5.5. Sistemul termodinamic asociat ecosistemului antropizat 62

Curs 6 - Bilanţuri şi cuplaje în geosistem 66

6.1. Bilanţul de energie 66

6.2. Bilanţul de substanţă 67

6.3. Cuplaje în mezogeosistem 72

Curs 7 – Interacţiunea între geosistem şi ecosistemul antropizat – fenomene

de poluare locală şi globală 77

7.1. Emisii poluante şi deşeuri 77

7.2. Poluare locală 82

7.3. Poluare regională 83

7.4. Poluare globală 84

Partea a II-a Măsurarea şi controlul calităţii mediului înconjurător 91

Curs 8 – Modelul de calitate al mediului înconjurător 91

8.1. Modelul general al calităţii 91

8.2. Asocierea unui model de calitate mediului înconjurător 92

8.3. Clasificarea metodelor de măsurare şi caracterizare a mediului înconjurător 98

8.3.1. Criteriul locului de măsurare 98

8.3.2. Criteriul principiului de măsurare 99

8.3.3. Criteriul timpului de măsurare 100

4

Pagina

Curs 9 - Metode de măsurare şi caracterizare a poluării aerului 102

9.1. Caracterizarea poluării aerului 102

9.2. Metode actuale pentru măsurarea concentraţiilor substanţelor poluante ale aerului 107

9.2.1. Măsurarea conductivităţii electrice 107

9.2.2. Măsurarea absorbţiei radiaţiilor electromagnetice 111

9.2.3. Măsurarea conductivităţii termice 113

9.2.4. Măsurarea altor mărimi fizice care caracterizează comportarea gazelor 113

9.2.5. Măsurarea dimensiunilor particulelor în suspensie în gaze 114

Curs 10 - Metode de măsurare a concentraţiilor substanţelor aflate în soluţie 120

10.1. Metodologia generală de măsurare a concentraţiilor substanţelor aflate în soluţie 120

10.2. Metoda spectrometrică 121

10.3. Metoda conductivimetrică 123

10.4. Masurarea acidităţii 124

10.5. Masurarea turbidităţii 125

Curs 11 – Sisteme portabile pentru măsurarea şi caracterizarea poluării

apelor şi solului 126

11.1. Sistemul portabil DREL/2000 pentru măsurarea şi caracterizarea calităţii

apelor şi solurilor 126

11.2. Sistemul portabil CEL 700 de măsurare şi caracterizare a calităţii apei 130

Curs 12 - Sisteme de monitorizare şi măsurare în timp real a poluării mediului

înconjurător 133

12.1. Probleme legate de monitorizare 133

12.2. Tipurile de substanţe ce trebuiesc detectate 137

12.3. Modul optim de locaţie în mediul înconjurător al subsistemelor şi

eşantionarea intervalelor de măsurare 130

12.4. Caracteristici şi nivele de performanţă ale sistemelor de monitorizare în

timp real a calităţii aerului 140

12.5. Cerinţe care trebuiesc îndeplinite de sistemele de monitorizare în

timp real a poluării aerului 143

12.6. Metodele de tip remote sensing 144

5

Pagina

Curs 13 - Metode de control a calităţii mediului înconjurător 148

13.1. Metode de control local 148

13.2 Metode de control regional (stat sau zonă continentală) 150

13.3. Metode de control global 151

13.4. Educaţia şi învaţământul 152

Curs 14 – Managementul integrat al calităţii mediului înconjurător 153

14.1.Analiza ecogeografica 153

14.2. Metoda de timp real pentru descreşterea poluării industriale 159

II APLICAŢII PRACTICE 163

Lucrarea de laborator nr. 1

Determinarea concentraţiilor unor poluanţi ai apei prin metode spectrometrice

în domeniul vizibil - Partea I – a Analiza calitativă 163


Determinarea concentraţiilor unor poluanţi ai apei prin metode spectrometrice

în domeniul vizibil - Partea a II – a Analiza cantitativă 168


Calibrarea senzorului cu SnO2 pentru mîsurarea concentraţiilor de freon în aer 176


Măsurarea şi monitorizarea în timp real a poluării aerului (gaze toxice şi

combustibile) - Partea I-a Simularea hardware şi software 184


Măsurarea şi monitorizarea poluării aerului (gaze toxice şi combustibile)

- Partea a II-a Măsurători în teren 195

Lucrarea de laborator nr. 6 – Referat

Aplicaţii în managementul calităţii mediului înconjurător - Simularea unor situaţii

Reale (partea I-a) 206


Aplicaţii în managementul calităţii mediului înconjurător - Simularea unor situaţii

Reale (partea a II-a) 215

III SUBIECTE DE EXAMEN 219

IV BIBLIOGRAFIE 234

6

INTRODUCERE

Acest curs este destinat studenţilor anului IV al Facultăţii De Inginerie Managerială din Universitatea Eologică Bucureşti care au în programa de studiu disciplina “Tehnici de măsurare şi control a calităţii mediului” (curs şi laborator). Datorită conţinutului său, atât în partea de teorie, cât, mai ales, în cea de aplicaţii practice, cursul poate fi consultat şi de studenţii altor facultăţi cu profil de inginerie care au specializări în domeniul protecţiei mediului înconjurător, ca şi de alţi studenţi şi specialişti care au nevoie de o introducere rapidă în domeniu. O scurtă prezentare a modului în care a evoluat problematica mediului înconjurător este necesară pentru a înţelege necesitatea unui astfel de curs la momentul actual. Satisfacerea nevoilor unei populaţii în creştere şi cu exigenţe tot mai sporite, a determinat apariţia, explozivă în ultimii 50 de ani, a unităţilor industriale şi de agricultură intensivă. Acestea, din motive de eficienţă economică, s-au constituit, de multe ori, în platforme industriale sau agricole care au ocupat părţi însemnate din mediul inconjurător. Dezvoltarea sistemelor industriale şi de agricultură intensivă a determinat, în egală măsură, apariţia unor noi tipuri de aşezări umane. De asemenea, traficul rutier a crescut mult în intensitate datorită necesitaţilor de a deplasa oameni, materiale şi mărfuri la, şi de la locurile de producţie. Datorită relaţiilor strânse dintre aşezările umane şi mediul înconjurător, procesul de dezvoltare a indus modificări importante în structura acestuia. Au fost afectate, pe rând, calitatea aerului şi a apelor, a solului şi a biosferei, mai intâi zonal şi apoi la scară planetară. Efectele negative ale procesului de dezvoltare au fost resimţite de om, la inceput în calitate de participant la anumite procese industriale sau agricole şi s-au manifestat prin afectarea stării de sănătate. Aria celor afectaţi s-a extins, într-o primă fază, datorită unor produse care afectau starea de sănatăte prin utilizare şi, într-o a doua fază, datorită efectelor poluării de tip global (efectul de seră, subţierea stratului de ozon şi ploile acide). Pâna în anii ‘60 studiul mediului înconjurător a fost, în exclusivitate, apanajul biologiei, în cadrul căreia s-a şi dezvoltat conceptul de ecosistem. începutul anilor ‘70 a marcat apariţia primelor semnale de alarmă în legatură cu eroziunea accelerată a solului, ploile acide, emisia de bioxid de carbon şi chiar a accidentelor ecologice (degradarea accelerată a ecosistemului lacului Ontario). Din ce în ce mai mulţi cercetători, mai ales din domenii conexe biologiei, au început să se ocupe de rezolvarea acestor probleme, considerând ca singură cauză a degradării mediului activitatea industrială şi agricolă şi încercând să impună reducerea drastică a volumului acestor activităţi, masură care nu avea cum să fie pusă în practică, fie din raţiuni economice, fie din raţiuni sociale. Problematica mediului încojurător se lărgeşte la începutul anilor ‘70, mai ales din cauza corelaţiei fireşti cu criza energetică şi cu crizele de dezvoltare care debutează în forţă în 1973, după războiul de şase zile dintre Israel şi Egipt. Cercetătorii încep să înţeleagă că, mai mult decât

7

contabilizarea degradărilor mediului înconjurător şi impunerea unor măsuri cu caracter restrictiv asupra proceselor de dezvoltare, este necesară elaborarea unor modele globale ale dezvoltării economice şi sociale care să furnizeze predicţii asupra stărilor ce se pot realiza, precum şi soluţii de control a acestor procese. Au apărut atunci organisme mondiale cu caracter non-guvernamental (PNUD, FAO) şi fundaţii ştiinţfice care au suportat şi susţinut elaborarea unor astfel de modele. Aşa au apărut rapoartele Clubului de la Roma care au elaborat primele modele globale asupra proceselor de dezvoltare economică şi socială. Aceste modele au fost elaborate într-o perspectivă mai degrabă tehnologică, decât ştiinţifică, astfel încât predicţiile lor pe termen scurt şi mediu au fost deja infirmate. Ele au insă marele merit de a fi construit primele baze de date credibile şi de a fi atras un număr foarte mare de cercetători, din diverse domenii ştiinţifice în studiul acestor probleme, creând astfel premisele apariţiei primelor şcoli. Primele studii asupra problemelor globale ale mediului încojurător au formulat concluzii care au avut, mai degrabă, darul de a descuraja orice cercetare ştiinţifică. Cartea reputatului Barry Commoner, "Cercul care se închide", realizează un studiu vast ce prezintă mediul înconjurător ca pe o multitudine de relaţii în două dimensiuni, fără nici o ordonare ierarhică, şi se încheie cu concluzia că "toate sunt legate de toate", interzicând astfel, apriori, orice modelare parametrică. În acei ani (ca de altfel şi astăzi, în anumite medii ştiinţifice), orice încercare de modelare parametrică a ecosistemelor naturale şi antropizate era respinsă din start cu motivaţia că omul şi natura sunt atât de complexe că nu pot fi puse în vreo ecuaţie. Apariţia primelor accidente ecologice majore în anii ‘80 (accidentul de la Bophal, India şi cel de la Cernobâl) a determinat implicarea puternică a societăţii civile în problemele mediului înconjurător, la toate nivelele de acţiune şi decizie. Astăzi, în toate ţarile civilizate există partide ecologiste dintre care multe au putere de decizie la nivel parlamentar şi guvernamental, există agenţii naţionale şi regionale care încearcă să monitorizeze evoluţia mediului înconjurător. Consecinţele posibile ale poluării globale au determinat reuniuni mondiale la cel mai înalt nivel (Montreal 1989, Rio de Janeiro 1992, Bangkok 1993, New York 1997, Kyoto 1997) care au încercat să impună restricţii severe pentru diminuarea a ceea ce s-a crezut că sunt cauzele acestor fenomene. Mai mult, la nivelul politic de decizie, a apărut un concept nou asupra dezvoltării care işi are originea în problematica mediului înconjurător, "sustainable development" (modelul Brutland al dezvoltării). În planul acţiunii această implicare a societaţii civile a însemnat o creştere importantă a suportului financiar şi logistic pentru studiul problemelor poluării, în special, şi a problemelor mediului înconjurător, în general. Acest fapt a atras în cadrul problematicii din ce in ce mai mulţi specialişti, fapt care a facut ca nivelul cunoştiintelor asupra poluării să crească atât de mult încât să permită aparţtia tehnologiilor curate şi a celor de reconstrucţie ecologică. Stadiul actual al cunoaşterii de toate tipurile ne arată că am ajuns în stadiul în care evaluări, modelări şi decizii asupra căii de dezvoltare au devenit posibile.

8

Cu toate că în ţările dezvoltate acţiuni de acest gen au o vechime de peste douăzeci de ani, o serie de lucruri importante ramân încă de făcut. Astfel, majoritatea metodelor de reducere a poluării, în special, şi de modelare a procesului de dezvoltare, în general, nu sunt acţiuni de timp real, eventualele efecte pozitive ramânând în beneficiul generaţiilor viitoare. De asemenea, se constată, în majoritatea modelelor deja elaborate, absenţa unei perspective pragmatice, singura capabilă să permită elaborarea unor modele parametrice care să asigure posibilitatea predicţiei. În România studiul problemelor mediului înconjurător a debutat, pe scară largă, la începutul anilor ‘80, imediat după apariţia, la noi, a rapoartelor Clubului de la Roma. Dezvoltarea cercetărilor a fost rapidă, fiind favorizată, dacă se poate spune aşa, de dimensiunea aberantă a dezvoltării economice socialiste. Orice model care se construia în cadrul ştiinţei era infinit mai bun decât ceea ce se făcea în realitate. Evidenţierea din ce în ce mai clară a legăturilor dintre activitatea antropică şi schimbările globale observate în mediul încomjurător în ultimii 20-30 de ani (modificarea climei şi degradarea ecosistemelor prin reducerea biodiversităţii) a determinat societatea civilă să investească din ce în ce mai mult pentru a putea cunoaşte şi controla aceste fenomene. Au fost dezvoltate, ca urmare a acestor eforturi, o serie intreagă de metode de masură şi caracterizare a parametrilor mediului înconjurător care au determinat, în ţările puternic dezvoltate, realizarea, la scară locală, a controlului activităţii antropice în relaţia cu mediul înconjuraăor. La nivelul global, însă, lucrurile sunt departe de a fi ajuns în acest stadiu. Deşi efortul investiţional de care am vorbit a permis şi aici realizarea unor metode de măsură şi caracterizare performante (mai ales cele de tipul "remote-sensing"), atât cunoaşterea fenomenelor de poluare globală (efectul de seră, subţierea stratului de ozon şi ploile acide), cât şi legătura lor cu activitatea antropică sunt departe de a fi realizate. Problemele pe care le avem de rezolvat sunt probleme de timp real şi cu un grad mare de dificultate în condiţiile în care cunoştiinţele pe care le deţinem despre fenomenologia Terrei şi a ecosistemelor antropizate sunt, încă, insuficiente. Prin urmare, pregătirea cât mai multor specialişti nu poate fi decât de folos acestui domeniu. Cursul este structurat în trei părţi. Prima parte cuprinde un număr de 14 lecţii care se referă la fenomenologia Terrei şi a ecosistemelor antropizate (prima parte) şi la modelul calităţii mediului şi metodele de măsurare şi caracterizare a parametrilor de mediu (partea a II-a). În partea a doua sunt prezentate referatele a cinci lucrări de laborator din domeniul măsurării poluării apelor şi a aerului, precum şi simularea unor situaţii practice în care se poate găsi managerul de mediu într-o întreprindere (două aplicaţii). În partea a III-a sunt prezentate câteva subiecte de examen. Pentru înţelegerea cursului sunt necesare cunoştiinţe de fizică, chimie, matematică, teoria sistemelor şi informatică la nivelul la care acestea sunt dobândite in facultăţile cu profil ingineresc, precum şi cunoştiinţe de nivel mediu de geografie, biologie, sociologie şi economie.

9

Nu pot încheia această introducere fără să menţionez numele acelora care au contribuit la realizarea acestui curs. Domnul Prof. Dr. Ştefan Pătraşcu, titularul cursului de fizică din Universitatea Ecologică şi fostul meu conducător de doctorat, este cel care are meritul de a fi insistat ca realizările din cadrul tezei mele de doctorat să fie valorificate şi în domeniul educaţional şi, mai ales, pe acela de a fi recomandat introducerea lui în planul de învăţământ al facultăţii de inginerie managerială. Domnul Prof. Dr. Vladimir Rojanschi, decanul facultăţii de inginerie managerială din Universitatea Ecologică are meritul de a fi recomandat şi implementat rapid cursul în planul de învăţământ al facultăţii, precum şi pe acela de a susţine permanent dezvoltarea acestui curs în sensul creşterii utilităţii lui pentru studenţi, această carte fiind o expresie a efortului dânsului. Doamna Asist. Drd. Corina Tudor este cea fără de care nu aş fi avut cum să susţin în condiţii aşa de bune cele două lucrări de laborator de măsurare a poluării apelor ăn cadrul laboratorului de fizică al facultăţii de inginerie managerială. Colegii de la ECOSEN SRL, firma care asigură suportul financiar şi logistic pentru susţinerea a cinci lucrări de laborator, sunt cei care au realizat lucrările de laborator de măsurare a poluării aerului, plecând de la unele din programele de cercetare ale firmei. În sfârşit, dar nu în cele din urmă, activitatea de la laborator a studenţilor actualului an V al facultăţii de inginerie managerială mi-a furnizat multe observaţii utile care au corectat o parte din greşeli. Tuturor acestora le mulţumesc şi îi asigur de toată recunoştinţa mea.

Autorul

10

PARTEA I-A MEDIUL ÎNCONJURĂTOR Capitolul 1 – Evoluţia studiului mediului înconjurător

1.1. Studiul mediului înconjurător în cadrul biologiei

Termenul "ecologie" a fost introdus de E. Haeckel, în 1869, în legătura cu studiul

interacţiunilor dintre organismele vii şi mediul lor înconjurător. El derivă din cuvântul grecesc "ο

ικοζ", care înseamnă casă.

O definiţie mai completă a fost formulată de Krebs (Krebs C.J., 1972) care afirmă că

Ecologia este studiul ştiinţific al interacţiunilor care determină distribuţia şi abundenţa

organismelor în mediul înconjurător.

şi că

Mediul înconjurător al unui organism este format din toate fenomenele din afară organismului

care îl influenţează, atât factorii fizico-chimici, cât şi din alte organisme.

Sistemele vii sunt organizate pe trei nivele de complexitate: organismele individuale,

populaţiile, formate din organisme din aceeaşi specie, şi comunităţile, formate din populaţii de

specii diferite.

Formulat încă din 1877 de K. Mobius, termenul de biocenoză a capătat calităţile unui

concept ecologic de profunzime abia în ultimele decenii. O definiţie care aparţine lui E. P. Odum

în 1971 spune că

Biocenoza este un ansamblu de populaţii ce trăiesc pe un teritoriu sau un habitat fizic

determinat cu caracteristici în plus faţă de cele ale componenţilor săi individuali şi

populaţionali.

Complementar acestei definiţii se formulează definiţia biotopului:

Biotopul este constituit din totalitatea factorilor fizico-chimici (energie, relief, topoclimat, etc.)

care influenţează evoluţia organismelor vii.

11

Noţiunea de ecosistem a fost introdusă de Tansley în 1935 pentru a evidenţia unitatea

ecologică dintre biotop şi biocenoză. O definiţie mai recentă (Begon M., 1990) afirmă că:

Ecosistemul este totalitatea comunităţilor de populaţii împreună cu biotopul asociat.

Ecosistemele au fost clasificate în ecosisteme naturale, în care intervenţia omului este

puţin importantă (pădurea tropicală, deşerturile, taigaua, zonele muntoase înalte, etc.), şi în

ecosisteme antropizate, în care activitatea umană a modificat puternic componentele şi procesele

naturale (zonele situate în jurul aşezărilor umane).

Structura ecosistemului, ca unitate ecologică funcţională elementară reflectă, în

distribuţia spaţială a elementelor sale, un anumit conţinut funcţional ce rezultă din interacţiunea

diferitelor specii ale biocenozei cu factorii abiotici (sol, relief, topoclimat, etc.). La rândul ei,

esenţa funcţionării ţine de antrenarea energiei solare şi a substanţelor nutritive minerale (de

natura abiotică) în circuitul biologic şi transformarea lor în substanţa organică necesară alcătuirii

sistemelor vii. Aceste dimensiuni dau ecosistemului calitatea de unitate producătoare de

substanţă organică necesară biocenozei. Atingerea unui asemenea scop se materializează, în

cadrul oricărui ecosistem, prin trei funcţii fundamentale:

(1) funcţia energetică, prin care se realizează fixarea energiei solare de către plantele autotrofe în

transferul şi distribuţia acesteia de la o categorie de organisme (producători, consumatori şi

reducători sau descompunători) la alta;

(2) funcţia de transfer a substanţelor nutritive (anorganice şi organice) atât între componentele

biocenozei, căt şi între acestea şi biotop;

(3) funcţia de autoreglare, prin care se realizează stabilitatea ecosistemului pe seama menţinerii

unei anumite proporţii între speciile ce alcătuiesc biocenoză.

Principalul obiectiv al ecologiei este acela de a prezice evoluţia unui organism, populaţie

sau comunitate, în contextul unui set particular de condiţii pe frontiera acestora. Dificultatea

esenţială în realizarea acestui obiectiv este aceea că, din cauza scalei largi de timp a fenomenelor

din ecosistem, pe de o parte, precum şi, mai ales, din cauza imposibilităţii realizării în timp real a

experimentului, modelele elaborate în cadrul biologiei nu sunt modele de timp real.

Modelele descriptive elaborate în cadrul biologiei se bazează pe observaţii amănunţite,

organizate după criterii rezultate din corelaţii statistice cu factori ai biotopului, şi au permis, în

decursul timpului, înţelegerea unor fenomene de mare importanţă, cum ar fi dînamica populaţiei

într-o zonă dată (fenomen legat de procesele de naştere, moarte şi migraţie) şi relaţiile din

interiorul unei comunităţi monitorizate de relaţia esenţială pradă-prădător (Lotka A.J., 1932).

12

O primă dificultate majoră, în legătură cu predicţia, constă în faptul că studiul

fenomenologiei biotopului se realizează în cadrul altor ştiinţe (fizica, chimia, geologia,

geografia, etc.), iar concluziile acestui studiu nu pot fi, pur şi simplu, lipite studiului în cadrul

biologiei.

O a doua dificultate majoră constă în faptul că specia umană, componentă a biocenozei,

este, simultan, prin activităţile pe care le desfăşoară în procesul de adaptare şi dezvoltare,

componentă a biotopului. Aceste activităţi sunt descrise în cadrul unor ştiinte cu un grad înalt de

subiectivitate (economia, sociologia, politica) în care modelele de predicţie sunt puţin dezvoltate.

1.2. Extinderea fenomenologică

Dezvoltarea industrială pe scară largă, materializată în mari platforme industriale,

practicarea pe scară largă a agriculturii intensive din anii ‘50, precum şi transferul masiv de

tehnologii industriale şi agricole din anii ‘60, în spaţii socio-economice insuficient pregătite

pentru asimilarea acestora, au pus în evidenţă, prin intermediul efectelor poluării generate de

industrie şi agricultură, rolul esenţial al activităţilor umane în perturbarea echilibrului dintre

biotop şi biocenoza, pe de o parte, şi în interiorul fiecăruia dintre acestea, pe de altă parte.

Evenimentele care au succedat războiului din Orientul Mijlociu de la începutul anilor ‘70,

au pus în evidenţă una din cele mai importante caracteristici ale biotopului, şi anume, limitarea

resurselor de materii prime şi energie. Această situaţie, împreună cu cea care se referă la rolul

esenţial al activităţii omului în menţinerea echilibrului în interiorul ecosistemelor, au deplasat

obiectul de studiu al ecologiei din cadrul general al biosferei, către studiul evoluţiei speciei

umane în mediul sau înconjurător.

Datorită dezvoltării metodelor şi a aparaturii de măsurare a parametrilor de poluare

(tehnici de măsură de pe satelit, laboratoare portabile, etc.), sunt descoperite efecte la scară

planetară ale nocivităţii activităţii umane (efectul de seră, reducerea grosimii stratului de ozon,

defolierea pădurilor ca urmare a ploilor acide, etc.). Includerea omului şi a amenajărilor sale în

ecosisteme este un fapt câştigat, dar această complică mult problema descrierii ecosistemelor,

care devine o problemă de timp real, mai ales datorită faptului că aceste situaţii au generat

mişcări politice, începând cu existenţa partidelor ecologiste (care în Europa ocupă locuri în

parlamente), trecând prin "terorismul ecologic" (organizaţia "Green Peace") şi culminând cu

conceptul dezvoltării durabile, care a devenit de notorietate mondială (Rio, 1993). Acest concept

13

reclamă un control sever al procesului de dezvoltare, după criteriul beneficiului simultan al

generaţiilor prezente şi viitoare şi după criteriul prezervării condiţiilor de existenţă al biotopului.

Această schimbare de obiect a formulat probleme noi, de o importanţă şi o dificultate

deosebită. Astfel, dacă pâna acum evoluţia unei comunităţi din biosferă putea fi considerată ca

desfăşurându-se într-o zonă de spaţiu şi timp ce putea fi configurată, evoluţia populaţiilor umane

se desfăşoară în zone spaţio-temporale care nu pot fi delimitate cu uşurinţă. Accidentul de la

Cernobâl, de exemplu, deşi a avut drept cauză disfuncţia unei activităţi desfăşurate de o

populaţie restrânsă, într-o zona geografică localizată clar şi la un moment de timp ce a putut fi

stabilit cu precizie, a avut efecte asupra unor populaţii cu ordine de mărime mai mari, situate în

zone spaţiale de arie mare (practic până în Europa Centrala şi de Nord) şi imposibil de localizat

cu precizie în viitorul apropiat.

Prima extindere fenomenologică vine din direcţia geografiei (Kreeb K.H., 1979) care,

prin introducerea conceptului de landschaft (peisaj), încearcă să realizeze o descriere a

complexitaţii spaţiului geografic simultan cu o descriere a dinamicii generale a ecosistemelor,

prin încadrarea acestora din urmă în spaţiul geografic în care sunt situate.

În acest mod a apărut geoecologia care se ocupă cu elaborarea modelelor de structură şi

evoluţie ale planetei considerată ca un întreg ce include atât sistemele biotice cât şi pe cele

abiotice. Aceste sisteme nu sunt studiate separat ci, întotdeauna, împreună.

Este evident, din definiţia de mai sus, că geoecologia este o ştiinţa interdisciplinară care,

pentru a-şi realiza scopul propus, trebuie să facă să lucreze împreună multe alte ştiinţe (fizica,

matematica, chimia, biologia, medicina, informatica, etc.). Acest lucru este posibil numai dacă

există un cadru metodologic general care să determine momentul şi ponderea intervenţiei

metodelor de investigaţie dintr-o ştiinţă particulară.

Multitudinea relaţiilor dintre elementele ecosistemului, în noua acceptie, precum şi

gradul înalt de interdisciplinaritate al cercetărilor au făcut ca, până acum, geografia să nu poată

formula modele predictive valide. Un pas important a fost, totuşi, făcut. S-a formulat concluzia

că descrierea evoluţiei ecosistemelor este strâns legată de formularea unor modele pentru

procesul de dezvoltare al speciei umane.

A doua extindere fenomenologică vine din direcţia ştiinţelor umane (economie,

sociologie, filosofie, medicina) care includ problemele mediului înconjurător în modelarea

proceselor de dezvoltare.

14

Primele scenarii şi prognoze asupra procesului de dezvoltare, formulate în anii ‘70, din

perspectiva ştiinţelor socio-umane de Clubul de la Roma (Meadows L., 1972, Mesarovic M.,

1973), au formulat predicţii pe termen scurt asupra evoluţiei proceselor de dezvoltare, infirmate

deja în anii ‘80 (Hrana, 1986, Energia, 1983). Motivul principal al acestui eşec a fost acela că

relaţiile cauză-efect introduse în aceste scenarii nu au fost explicite, ci s-a lucrat cu corelaţii

statistice input-output, în care nu întotdeauna sensul cauzal a fost cel corect.

1.3. Probleme actuale

În urmă cu numai douăzeci de ani, studiul evoluţiei mediului înconjurător era realizat în

cadrul universităţilor şi laboratoarelor de către specialişti din domeniul ştiinţelor umane şi ale

vieţii. Aceştia lucrau, de cele mai multe ori, datorită unor motivaţii proprii, ceea ce ne arată

dimensiunea logistică a posibilităţilor lor de cercetare. Rezultatele obţinute în urma acestor studii

au semnalat o serie de situaţii critice în care se afla atât mediul înconjurător, cât şi omul, din

cauza efectelor negative ale activităţii acestuia în procesul de dezvoltare.

Din aceste cauze, motivaţia studiului evoluţiei mediului înconjurător s-a mutat, de la

nivelul oamenilor de ştiinţă, la cel al societăţii civile, determinând implicarea puternică a

factorilor politici de decizie. Acest fenomen a determinat creşterea cu ordine de mărime a

resurselor logistice ale cercetării, dar, în aceeaşi măsură, a făcut din studiul evoluţiei mediului

înconjurător o problemă de timp real, cu toate consecinţele ce decurg de aici în privinţa

responsabilităţii oamenilor de ştiinţă asupra utilizării rezultatelor cercetării.

Rezultatele obţinute în cadrul biologiei, care a studiat biocenoza, şi în cadrul ştiinţelor

Pamântului, care au studiat biotopul, precum şi rezultatele obţinute în urma studiilor efectelor

poluării asupra mediului înconjurător (fizica atmosferei, agrochimia, silvicultura, medicina, etc.)

ne permit formularea următoarelor concluzii:

(1) într-un ecosistem dat nu se poate face o delimitare strictă (prin frontiere descriptibile) între

biotop şi biocenoza, ceea ce înseamnă că cele două categorii nu suportă o modelare

matematică separată;

(2) specia umana aparţine biocenozei, datorită caracteristicilor sale biologice, şi, simultan,

influenţează în mod determinant structura biotopului, datorită faptului că primele efecte ale

activităţii umane se manifestă la nivelul acestuia;

(3) o serie de caracteristici ale comunităţilor (competiţia) şi ale populaţiilor (selecţia) sugerează

existenţa mai multor nivele de complexitate în structura unui ecosistem, existând riscul ca, în

15

cazul studierii separate a biotopului şi biocenozei, sensul relaţiilor cauzale să fie incorect

formulat.

Toate aceste concluzii au sugerat ideea că trebuie să se renunte la studiul separat al biocenozei

şi biotopului şi că evoluţia ecosistemului trebuie studiată într-o maniera unitară.

Geoecologia a încercat să facă acest gen de studiu şi, folosind rezultatele obţinute de

biologie pentru biocenoză, şi de geologie şi geofizică pentru biotop, rezultate pe care le-a

ordonat după criteriile teoriei sistemelor, a obţinut o imagine a evoluţiei ecosistemelor, până la

apariţia omului, compatibilă cu datele prelevate.

Tectonica plăcilor, paleomagnetismul şi paleobiologia au fost domeniile care, prin

rezultatele lor, au contribuit cel mai mult la obţinerea acestei imagini.

Geografia peisajului a încercat să introducă activitatea umana în structura ecosistemului,

folosind în acest scop rezultate obţinute de sociologie, economie şi arhitectură, dar, din cauza

gradului mare de subiectivitate al acestor domenii, nu a reuşit decât obţinerea unor seturi de

imagini alternative.

Dificultatea majoră care s-a manifestat în elaborarea acestor modele a fost legată de

maniera de lucru.

Elaborarea unui model al evoluţiei ecosistemului este, în mod cert, o acţiune

interdisciplinară, datorită faptului că, în ecosistem, sunt prezente, simultan, mai multe nivele de

complexitate şi mai multe tipuri de fenomenologii. Foarte multe dintre abordările

interdisciplinare de până acum s-au lovit de un obstacol, care de foarte multe ori s-a dovedit de

netrecut: ierarhia disciplinelor ştiinţifice implicate şi momentele intervenţiei acestora în

formularea şi rezolvarea problemelor. Nu este clar, încă, ce şi cât trebuie să ştie un specialist într-

o anumită disciplina ştiinţifică, participant la o cercetare interdisciplinară, din domeniul

celorlalte discipline ştiinţifice implicate pentru ca să rezulte o acţiune eficientă. De cele mai

multe ori se consideră că acţiunea este eficientă atunci când se obţin atâtea formulări alternative

ale problemei care se studiază, câte discipline ştiinţifice participă la acţiunea interdisciplinară.

De fapt, orice ştiinţă interdisciplinară care revendică un statut separat, trebuie să ajungă să aiba

legităţi specifice care să-i permită realizarea unor corelaţii cantitative între mărimile

caracteristice fenomenelor pe care le studiază şi, plecând de la acestea, formularea unui tip de

predicţie, determinist sau probabilistic.

16

Introducerea omului în ecosistem ca specie a biosferei este o problema a biologiei sau a

medicinei? Introducerea omului în ecosistem ca element al biotopului (prin activitatea sa în

procesul de dezvoltare) este o problemă a economiei sau a ştiinţelor inginereşti? Un răspuns de

tipul că toate disciplinele trebuie să contribuie în egală măsură la formularea acestor probleme,

care pare pertinent la prima vedere, s-a dovedit, în decursul ultimilor ani, lipsit de finalitate

practică.

1.4. Fizica biotopului

(a) Modele fenomenologice

Până în anii ‘70, fizica a fost implicată în studierea problemelor ecosistemelor numai în

descrierea şi modelarea fenomenologiei biotopului. Astfel, fizica Pământului, cu ramurile sale,

fizica globului şi fizica atmosferei, a construit o serie de modele fenomenologice care descriu

evoluţia continuumului atmosferic şi a structurilor planetare care au putut fi folosite în studiul

fenomenologiei biotopului.

Fizica atmosferei, folosind observaţii şi măsurători directe care au constituit date de

intrare pentru modele de tip hidrostatic şi hidrodinamic şi pentru modelele fenomenologice din

electromagnetism, a reuşit formularea unui model al atmosferei care descrie (James I. N., 1994):

- compoziţia fizico-chimică, după altitudine;

- descrierea tipurilor de forţe şi câmpuri care acţionează în continuumul atmosferic, după

altitudine;

- descrierea subsistemelor continuumului atmosferic din punctul de vedere al fenomenelor care

au loc în interiorul acestora, precum şi a funcţiunilor fiecărui subsistem în cadrul structurilor

planetare.

Folosind modele termodinamice (Dufour L., 1975), fizica atmosferei a reuşit descrierea

fenomenelor care includ tranziţii de fază (precipitaţiile).

Fizica globului, folosind observaţii, măsurători şi modele fenomenologice (teoria

tectonicii plăcilor), care au constituit date de intrare pentru modele de tip gravitational,

termodinamic şi magnetodinamic, a reuşit formularea unor modele fenomenologice ale

structurilor planetare care se referă la (Bott M.H.P., 1971, Gubbins D., 1990):

- descrierea structurilor planetare actuale din punctul de vedere al compoziţiei fizico-chimice, a

zonării lor specifice în funcţie de adâncime şi a funcţiunilor acestora relativ la întreaga planetă;

- descrierea evoluţiei structurilor planetare de la formarea Pământului şi până în prezent;

17

- descrierea configuraţiei campului magnetic terestru.

(b) Metode de măsura şi monitorizare

Dezvoltarea intensivă din ultimii 10-15 ani a microelectronicii, informaticii şi a tehnicilor

de detecţie, a permis implicarea fizicii în elaborarea unor metode de măsură performanţe pentru

determinarea unor parametri globali ai biotopului.

Metodele de măsură folosite se situează în zona tehnicilor de detecţie radar şi a

spectrometriei de absorbţie şi de reflexie în domeniul UV-VIS-NIR-IR, cu o menţiune specială

pentru tehnica de analiză a imaginii, transferată din domeniul cercetării spaţiale. Dezvoltarea,

începând din anii ‘80, a unei puternice reţele de sateliţi dedicate, profitând şi de transferul

tehnologiilor militare în domeniul aplicaţiilor civile, a permis nu numai măsurarea, ci şi

monitorizarea parametrilor biotopului.

Parametrii care au fost măsuraţi şi monitorizaţi folosind aceste metode se situează în

domeniile:

- topografie planetară;

- structura litosferică;

- compoziţia de aerosoli a atmosferei;

- structura anomaliilor magnetice;

- măsurarea vitezei de deplasare a fronturilor atmosferice;

- determinarea parametrilor de nebulozitate atmosferică;

- determinarea concentraţiei componenţilor minori din troposferă şi stratosferă;

- evaluarea biomasei terestre;

- determinarea balanţei energetice planetare;

- determinarea distribuţiilor de temperatură regionale şi planetare;

- determinarea compoziţiei solurilor;

- studiul parametrilor hidrosferei.

Pe de altă parte, utilizând tehnici de spectrometrie UV-VIS-NIR, de colorimetrie, tehnici

de conductivimetrie, etc., cuplate cu proceduri de analiză chimică, au fost dezvoltate o serie

întreagă de metode de măsură a compoziţiei chimice şi a parametrilor aerului, apei şi solului

(temperatură, umiditate, pH, conductivitate), împreună cu sistemele de măsură corespunzătoare,

autonome sau portabile (Căldararu F., 1994).

De asemenea, tehnici de analiză mai speciale, cum ar fi tehnica de analiză de tip gaz-

cromatograf, tehnici de retroîmprăştiere a radiaţiei luminoase, analiza cu raze X, etc., au permis

18

dezvoltarea unor metode de măsură pentru determinarea, în laborator, a compoziţiei aerului

(poluanţi şi aerosoli).

În sfârşit, a fost dezvoltat, aproape la scară planetară, un sistem de accelerometre care

înregistrează comportamentul seismic al planetei.

(c) Modele de predicţie

Acumularea de date, din ce în ce mai precise, asupra structurii fizico-chîmice şi a

fenomenologiei subsistemelor biotopului, dezvoltarea unor generaţii din ce în ce mai

performante de calculatoare, împreună cu metode de rezolvare numerică a sistemelor de ecuaţii

diferenţiale şi cu metode de prelucrare statistică a datelor, au determinat apariţia şi dezvoltarea a

două tipuri de modele de predicţie a parametrilor biotopului.

Astfel, datele de compoziţie şi dinamică asupra atmosferei joase şi medii, împreună cu

modelele fenomenologice corespunzătoare, au determinat dezvoltarea meteorologiei, care se

ocupa cu elaborarea modelelor de predicţie asupra parametrilor statici şi dinamici ai atmosferei

(Holton J., 1979). Folosind modelele de compoziţie şi fenomenologice elaborate de fizica

atmosferei, precum şi datele actuale asupra parametrilor de stare (presiune, temperatură,

umiditate, etc.), modelele de predicţie a vremii dau informaţii asupra temperaturii, regimului de

precipitaţii, viteza vântului, tranziţii de fază, etc. pentru o arie dată şi un interval de timp

determinat. Al doilea tip de modele de predicţie se referă la predicţia asupra climei (Peixoto J.P.,

1984) şi ia în considerare toate subsistemele planetei implicate în modificările parametrilor

atmosferici: nivelul radiaţiei solare, dinamica hidrosferei, relieful geografic terestru, biosfera şi,

într-o măsura mai redusă, activitatea şi structurile antropice. Nivelul de predicţie este cel puţin

regional şi se întinde pe zeci, chiar o sută de ani şi constituie, de cele mai multe ori, nivelul de

referinţă pentru predicţia meteorologică.

Dezvoltarea ultimelor generaţii de microprocesoare, a determinat apariţia

minicalculatoarelor şi a calculatoarelor personale care, organizate în reţele, au permis

constituirea unor baze de date foarte puternice şi versatile ce au stat la baza elaborării

simulatoarelor de timp real. În acest mod se pot realiza predicţii ale unor modele climatice

folosind baze de date care nu au fost generate de observaţia directă, dar care ar putea să apară ca

rezultat al evoluţiei biotopului datorită unor condiţionări specifice. Pe această cale a fost studiată,

de exemplu, evoluţia globală a climei ca urmare a modificării drastice (30%) a constantei solare

(Walsh K.J., 1983).

19

1.5. Fizica biocenozei

Nivelul de performanţă atins în dezvoltarea termodinamicii proceselor ireversibile,

realizat prin lucrările desfaşurate de şcoala de la Bruxelles (Prigogine) şi prin cele ale grupului

de la Houston (Glansdorff), a determinat elaborarea unor modele ale fenomenologiei biocenozei

pentru mai multe nivele de complexitate ale structurii acesteia. Unul din primele rezultate

obţinute a fost acela de identificare a modelului Lotka-Voltera cu o structură de tip disipativ

aflată în starea de stabilitate departe de echilibru (Nicolis G., 1979).

Prin asimilarea mutaţiilor care apar în procesul de replicare al ADN cu fluctuaţiile din

sistemele termodinamice, a fost posibilă elaborarea unui model termodinamic de studiu al

evoluţiei în timp a sistemelor celulare şi a stabilităţii acestora, verificându-se, pe această cale,

observaţia formulată de biologie, şi anume că mutaţiile sunt una din sursele de evoluţie a

sistemelor vii către nivele de organizare superioară (Eigen M., 1979, Tyson J.J., 1974).

Procesele care au loc în interiorul complexelor de sisteme vii care compun biocenoza, şi

anume: procesele de origine genetică, procesele care includ competiţia intra- şi inter- specii,

procesele regulatoare şi procesele de comunicare, au putut fi incluse într-un model termodinamic

de tip Lotka-Voltera (Goel N.S., 1971) care a stat la baza elaborării unui model termodinamic

pentru studiul dinamicii populaţiei la insectele sociale (Deneubourg J.L., 1976).

Faptul că, în cadrul formal al termodinamicii proceselor ireversibile, s-a demonstrat că,

pentru sistemele disipative aflate departe de echilibru, fluctuaţiile pot fi sursa unei organizări de

rang superior, organizare care este posibilă datorită proprietăţii de autoorganizare a acestor

sisteme, a constituit argumentul decisiv pentru elaborarea unui model general de evoluţie a

sistemelor vii (Maturana H.R., 1975, Eigen M., 1971).

De asemenea, modelarea formală a evoluţiei biocenozelor formate din mai multe tipuri de

populaţii (Allen P., 1976), a fost posibilă datorită modelelor elaborate pentru procesele

ireversibile departe de echilibru pentru sistemele multi-component în care au loc procese de

creare şi de distrugere.

În sfârşit, fenomenologia specifică a procesului de dezvoltare a speciei umane, precum

procesele economice (Georgescu-Roegen N., 1971) sau dinamica populaţiilor urbane (Allen P.,

1976, Ianos I., 1994a, 1994b), a putut fi modelată având ca suport modele generale elaborate în

cadrul termodinamicii proceselor ireversibile.

1.6. Situaţia actuală

20

În momentul actual studiul problemelor mediului înconjurător se află într-o situaţie

contradictorie. Aşa cum am văzut din cele prezentate până acum, nu deţinem, încă, acel nivel de

înţelegere a fenomenelor din ecosistemul natural şi din cel antropizat în cadrul ştiinţelor naturii

care să ne permită elaborarea unor modele parametrice cantitative de predicţie pe termen scurt,

mediu şi lung asupra stărilor de stabilitate ale ecosistemelor şi dobândirea acestor cunoştinte cere

timp. Pe de altă parte, disfuncţiile ecosistemelor sunt evidente şi trebuie rezolvate în timp real,

mai devreme ca efectele lor negative să devină fatale.

21

Curs 2 - Geosistemul

Prima etapă în studiul global al fenomenologiei ecosistemelor este tratarea unitară a

fenomenologiei biotopului. În principiu, evoluţia fiintelor vii este condiţionată de toţi parametrii

de structură ai planetei: amplitudinea şi compoziţia spectrală a radiaţiei solare, distribuţia de

temperatură şi umiditate, nivelul acceleraţiei gravitaţionale, regimul de precipitaţii, distribuţia

anuală a vânturilor, compoziţia fizico-chimică a solurilor, procesele de eroziune şi sedimentare,

etc.

Pe de altă parte, luarea în considerare, simultan a tuturor fenomenelor care fac parte din

structura planetară este, principial, imposibilă din cauza tipurilor de interdependenţă care

complică foarte mult, atât formularea problemei din punct de vedere fizic, cât şi rezolvarea ei

matematică. Din cauză că multe din aceste fenomene au un puternic caracter neliniar, multe

dintre ele fiind rezonante, sunt necesare aproximaţii care fac ca soluţiile ce se obţin să nu permită

realizarea unei predicţii.

O primă încercare de prezentare globală a structurii Terrei în perspectiva sistemică a fost

realizată de Alexandru Roşu (Roşu A., 1987). Pornind de la acest studiu vom prezenta

fenomenologia generală a planetei într-o nouă formă, care să ne permită evidenţierea funcţiunilor

subsistemelor acesteia în raport cu evoluţia fiinţelor vii. În acest mod vom putea reduce tipurile

de parametri ai biotopului astfel încât, cei care vor fi luaţi în considerare, să aiba o constantă de

timp comparabilă cu parametrii biocenozei. Această operaţie nu introduce nici o aproximaţie,

fiind vorba, de fapt, de o aplicare a teoremei ergodice in sistemul biocenozei.

2.1. Perigeosistemul (exosfera, termosfera şi mezosfera) (Levine J., 1985, Roşu A., 1987,

Goudie A., 1989)

(a) Compoziţie chimică

Mezosfera este localizată între 50 km (limita superioară a stratosferei) şi 80 km.

Compoziţia chimică este relativ constantă şi cuprinde un amestec de gaze (azot, oxigen, bioxid

de carbon, hidrogen, ozon, vapori de apă, heliu, neon, argon, kripton). Densitatea acestui amestec

scade cu altitudinea datorită variaţiei gravitaţiei cu altitudinea. În mezosferă temperatura scade

de la valoarea de 0oC de la limita superioară a stratosferei până la -70oC … -80oC, unde începe

un proces de creştere bruscă.

22

Între 90 km - 200 km substanţa predominantă este azotul molecular, între 200 km - 1100

km predomină oxigenul atomic, între 1100 km - 3500 km heliul şi între 3500 km - 10000 km,

hidrogenul atomic. În acest ultim strat se atinge densitatea din spaţiul interplanetar. Din cauza

temperaturii ridicate (aprox. 2000oC) şi, în special, a câmpului magnetic planetar dimensiunile

exosferei şi termosferei au variaţii diurne şi anuale generate de intensitatea radiaţiei solare.

(b) Funcţiuni

(I) - Poarta de intrare - ieşire

În zona de impact cu spaţiul interplanetar, atmosfera înaltă este poarta prin care au loc

intrările şi ieşirile în şi din geosistem.

Intrările în geosistem sunt de următoarele tipuri:

(1) Radiaţii

- Radiaţii electromagnetice emise în mod continuu de Soare:

- radiaţii penetrante (UV, X, Gamma) care reprezintă 7% din total;

- radiaţii nepenetrante (radio, IR, VIS) care reprezintă 93% din total.

- Radiaţii electromagnetice nepermanente emise de Soare în timpul erupţiilor cromosferice,

care sunt radiaţii de foarte înaltă frecvenţă.

- Radiaţii electromagnetice emise de galaxii.

(2) Fluxuri de particule

- Fluxuri de particule penetrante emise de Soare în mod continuu (viteză între 300 km/s - 700

km/s):

- particule elementare (electroni, neutroni, protoni, neutrini) - fluxul de protoni este de 50

cm-2s-1, iar energia este de 103 eV;

- nuclee rezultate din procesul de fuziune (deuteriu, tritiu, heliu);

- atomi (heliu, litiu).

- Fluxuri de particule nepermanente emise de Soare în timpul erupţiilor cromosferice, de

acelaşi tip cu cele de mai sus, dar cu viteze şi energii mult mai mari (2000 km/s, respectiv 106

km/s pentru fluxurile de protoni).

- Fluxuri de particule de provenienţă galactică, în special protoni de energii foarte mari (108 -

1010 eV) şi neutrini. Fluxurile de protoni de provenienţă galactică sunt destul de reduse deoarece

aceste particule sunt deviate de vântul solar.

23

(3) Aglomerări de masă

Este vorba de praf cosmic şi meteoriţi în a căror compoziţie predomină fierul, cobaltul,

nichelul şi, în mai mică măsură, siliciul, aluminiul, carbonul, hidrogenul, azotul, oxigenul.

Cantitatea acumulată pe Terra, este în jur de 2x104 - 3x104 tone/zi.

Ieşirile din geosistem sunt reprezentate în special de radiaţii IR şi de fluxuri de particule

încărcate electric.

(II) - Filtru pentru particule şi radiaţii

Fluxurile de particule care scapă de vântul solar, sunt deviate de câmpul magnetic

terestru în spaţiul interplanetar, iar cele de energie foarte mare sunt dirijate spre centurile Van

Allen şi spre polii geomagnetici. Există trei asemenea centuri: prima, la înalţimea de 6x104 -

5x104 km poate capta electroni cu energia de 200 eV, a doua la 2x104 - 12x104 km care poate

capta protoni de 108 eV şi electroni de 5x105eV şi a treia la 5600 - 3400 km care poate capta

protoni sub 108 eV şi electroni sub 5x105 eV.

Radiaţiile electromagnetice sunt absorbite treptat, datorită procesului de ionizare, iar

radiaţiile penetrante sunt absorbite total în straturile joase ale termosferei. Ca urmare a acestui

proces se formează straturi ionizate care reflectă radiaţia electromagnetică radio.

Particulele cu energii suficient de mari pentru a putea trece de termosferă sunt absorbite

la altitudinea de aprox. 50 km, în special de azot şi oxigen. Radiaţiile din spectrul vizibil suferă

un proces de difuzie mai accentuat pentru lungimile de undă scurte (de aici rezultă culoarea

albastră a cerului). La altitudinea de 70 - 80 km ultimul strat ionizat absoarbe radiaţiile X şi γ.

Asteroizii şi meteoriţii sunt frânaţi în exosferă şi termosferă, proces în care, datorită

vitezelor mari, corpurile ard sau chiar explodează. Cea mai mare parte din asteroizi şi meteoriţi

explodează înainte de a parcurge exosfera şi termosfera.

În concluzie, se poate afirma că, prin compoziţia chimică şi relaţiile structurale, exosfera,

termosfera şi mezosfera, determină, parţial, compoziţia spectrală a radiaţiei solare optimă pentru

biosferă, singurele porţi deschise fiind cele pentru spectrul AM0 al radiaţiei solare şi pentru

radiaţia IR degajată de planetă în spaţiul cosmic.

2.2. Pregeosistemul

2.2.1. Mantaua (Bott M.H.P., 1971, Gubbins D., 1990, Roşu A., 1987, Goudie A., 1989)

Mantaua este situată între nivelul bazaltic al litosferei şi zona exterioară a nucleului şi

cuprinde:

24

(1) Discontinuitatea Mohorovic

Este situată între nivelul bazaltic al litosferei şi astenosferă, caracterizată prin saltul brusc

al unor mărimi fizice asociate zonelor pe care le desparte. Astfel, densitatea are un salt de la 2.8 -

3.0 g/cm3 la 3.3 - 3.5 g/cm3 şi viteza undelor seismice P are un salt de la 6.6 - 7 km/s la 2.0 - 2.2

km/s.

(2) Mantaua superioară

Este un înveliş alcătuit dintr-un amestec de materie topită şi solidă, cu consistenţă

vâscoasă, situat între 33 km şi 400 km. În mantaua superioară sunt fixate rădacinile litosferice.

(3) Zona de tranziţie

Este situată între 400 km şi 1000 km şi este caracterizată de creşterea rapidă a vitezei de

propagare a undelor seismice.

(4) Mantaua inferioară

Este o zonă în care substanţa se află în stare topită (fapt probat de dispariţia undelor

seismice S şi scăderea vitezei undelor seismice P) situată între 1000 km şi 2900 km (mantaua

inferioară). Tipurile de substanţă prezente în mantaua inferioară sunt: oxizi de siliciu, magneziu

şi fier (90%) şi acizi de aluminiu, calciu şi sodiu (5-8%).

(5) Discontinuitatea Gutenberg

Reprezintă tranziţia între manta şi nucleu în care au loc salturi de presiune şi temperatură.

Mantaua este sursa de energie gravitaţională şi termică pentru geosistem, sursa

potenţialelor de generare şi distrugere a litosferei şi, de asemenea, mediul de relaxare a

stress-ului gravitaţional al litosferei.

2.2.2. Nucleul (Bott M.H.P., 1971, Gubbins D., 1990, Roşu A., 1987, Goudie A., 1989)

Nucleul este format din trei straturi: nucleul exterior, între 2900 km şi 4980 km, o zonă

de tranziţie între 4980 km şi 5120 km şi nucleul interior între 5120 km şi 6370 km. Este compus

din nichel şi fier şi se află, în zona sa exterioară, în stare solidă atomică (undele seismice P se

propagă şi generează unde secundare din categoria P). Unele cercetări relativ recente (anii ‘80)

sugerează existenţa unui "relief" pe suprafaţa nucleului. Nucleul interior este compus, probabil,

din nuclee şi particule elementare.

Nucleul este sursa de energie gravitaţională şi termică pentru geosistem şi sursa câmpului

magnetic terestru.

25

Constantele de timp ale evoluţiei structurilor acestor subsisteme, pe toate cele trei direcţii

fenomenologice (gravitaţional, magnetic şi termic) sunt cu ordine de mărime mai mari (perioada

de precesie a axei de rotaţie a Terrei este de 26.000 ani) decât cele ale biocenozei, astfel încât

parametrii de structură ai pregeosistemului pot fi luaţi în considerare în studiul evoluţiei

biotopului ca nişte constante.

2.3. Mezogeosistemul

2.3.1. Stratosfera (Levine J., 1985, Roşu A., 1987, Goudie A., 1989)

(a) Compoziţia chimică

Limita inferioară a stratosferei este de 8 - 9 km la poli şi 16 - 18 km la ecuator, iar limita

superioară este situată în jurul valorii de 50 km.

Compoziţia chimică cuprinde un amestec de gaze (azot, oxigen, bioxid de carbon,

hidrogen, ozon, vapori de apă, heliu, neon, argon, kripton) şi particule în suspensie. Densitatea

acestui amestec scade cu altitudinea datorită variaţiei gravitaţiei cu altitudinea.

La limita inferioară a stratosferei, temperatura creşte lent (faţă de scăderea uniformă de

6.4oC/km din atmosferă joasă) ajungând la 0oC la altitudinea de 50 km.

(b) Funcţiuni

Principala funcţiune a stratosferei este cea de filtru pentru radiaţii. Radiaţiile UV, care

sunt afectate în mică măsură de ionosferă, sunt absorbite de ozon (care, în urma acestui proces se

transformă în oxigen atomic) situat în două straturi la altitudinile de 40 - 55 km, respectiv 25 km.

Procesul de absorbţie are loc cu degajarea unei mari cantităţi de energie termică care face ca

stratosfera să aibă şi funcţia de izolator energetic faţă de troposferă.

2.3.2. Troposfera (Levine J., 1985, Roşu A., 1987, Goudie A., 1989)

(a) Compoziţie

Limita inferioară este suprafaţa reliefului şi a oceanelor, iar limita superioară este de 8 - 9

km la poli şi 16 - 18 km la ecuator. Este compusă din azot (72.084%), oxigen (20.946%), argon

(0.934%), bioxid de carbon (0,033%), neon, heliu, kripton, xenon, hidrogen, gaz metan, oxizi de

azot, particule submicronice în suspensie şi, mai ales, din vapori de apă. Aproape toată cantitatea

de vapori de apă se află în troposferă. Temperatura scade uniform cu înalţimea (6.4oC/km).

Compoziţia ei este distribuită după variaţia gravitaţiei terestre, presiunea atmosferică variind

26

între 1013 mb la nivelul mării şi 55 mb la înalţimea de 18 km, şi după variaţia nivelului radiaţiei

solare cu latitudinea.

Diferenţele de densitate, temperatură şi presiune generate de aceste distribuţii (la care mai

contribuie şi mişcarea de rotaţie a Pamantului), determină, în troposferă., mişcări ale aerului la

scară planetară sau locală, mişcări periodice (musonii, alizeele) sau accidentale (uragane).

(a) Funcţiuni

Principala funcţiune a troposferei este aceea de a fi o sursă de energie şi substanţă pentru

celelalte subsisteme deschise ale mezogeosistemului.

(I) Sursa de energie

Troposfera este ultimul filtru pentru radiaţia solară care face ca relieful geografic,

hidrosfera şi biosfera să primească această radiaţie într-o formă cunocută sub numele de spectrul

solar AM1 a cărui putere pe unitatea de suprafaţă este de 90 mW/cm2. Energia transferată de

curenţii de aer către relieful geografic şi către biosferă (pedosferă) face ca troposfera să fie un

agent de eroziune al acestora, condiţionându-le, într-un anumit fel, autostructurarea.

(II) Sursa de substanţă

Troposfera este sursă de apă dulce pentru bazinele hidrografice de uscat şi pentru

biosferă. Difuzia verticală sau laterală a vaporilor de apă, condiţionată de încărcarea

electrostatică a troposferei, determină formarea norilor de diferite tipuri care, în condiţii de

temperatură şi presiune favorabile, dau naştere ploilor.

Pentru biosferă, troposfera este sursă de oxigen pentru respiraţia speciilor din zoosferă,

sursă de bioxid de carbon pentru respiraţia speciilor din fitosferă şi sursă de azot pentru procesele

care se petrec în pedosferă.

Variaţiile locale de temperatură şi umiditate ale troposferei în zona de contact cu relieful

geografic, datorate atât legilor care acţionează în mezogeosistem (gravitaţia şi legile referitoare

la tranziţiile de fază) cât şi reacţiilor negative din mezogeosistem (curenţi de aer), fac ca

troposfera să fie unul dintre agenţii modelatori ai climei terestre. Datorită densităţii reduse,

troposfera este un mediu cu inerţie termică şi barică mică.

2.3.3. Hidrosfera (Roşu A., 1987, Goudie A., 1989)

(a) Compoziţie

Principala componentă a hidrosferei este apa, a cărei cantitate este estimată la 2.4x1018

tone. În afară de apă în hidrosferă se mai găsesc gaze (oxigen, bioxid de carbon, hidrogen

27

sulfurat, amoniac, etc.), metale (fier, aur, argint), săruri (sodiu, potasiu, calciu, fosfor, etc.) şi

particule de praf micronice în suspensie. O delimitare spaţială a hidrosferei este imposibil de

făcut, ea fiind repartizată în tot mezogeosistemul, atât pe suprafaţă cât şi la altitudine, şi sursa ei

este situată în manta (cantitatea estimată este de 20x1018 tone). Se consideră ca hidrosfera este

repartizată în trei mari reţele: bazinul oceanic planetar (oceane şi mări), zona continentală

(reţeaua de suprafaţă formată din fluvii, râuri şi lacuri, şi reţeaua de adâncime formată din apele

freatice) şi calotele glaciare (polare şi montane).

(b) Funcţiuni

Funcţiunile hidrosferei sunt următoarele:

(I) Sursa de energie

Datorită faptului că apa are o inerţie termică mare, hidrosfera este unul dintre

rezervoarele de energie termică ale planetei. Energia mecanică transportată de curenţii şi/sau

valurile oceanelor şi mărilor, cea transportată de fluvii şi râuri, precum şi cea dezvoltată de

curgerea gheţarilor, face ca hidrosfera să fie principalul agent de eroziune a reliefului geografic.

(II) Sursa de substanţe

Hidrosfera reprezintă sursa cea mai importantă a umidităţii pentru troposferă (prin

procesul de evaporare).

Pentru relieful geografic hidrosfera reprezintă sursa cea mai importantă a depunerilor de

sedimente (prin procesul de eroziune).

Pentru biosferă hidrosfera este, în acelaşi timp, sursa unui element esenţial, apa, şi mediu

de transport pentru multe din substanţele care sunt necesare pentru menţinerea vieţii: oxigen,

bioxid de carbon, săruri şi oligoelemente pentru biosfera acvatică, săruri şi oligoelemente pentru

pedosferă.

(III) Agent climatic

Inerţia termică mare şi curenţii oceanici, precum şi calotele glaciare, fac ca hidrosfera să

fie un important agent climatic care reglează parametrii climatici la nivel planetar. Astfel,

curenţii calzi din cele două mari oceane ale planetei, determină, pentru zonele din emisfera

nordică, condiţii de temperatură mult mai blânde decât cele pe care le-ar putea avea după

latitudinea la care sunt situate.

(IV) Menţinerea stabilităţii traiectoriei de revoluţie planetară

Hidrosfera preia cea mai mare parte a efectului generat de atracţia gravitaţională a Lunii,

generând fenomenul periodic al mareelor (Roşu A., 1987).

28

2.3.4. Litosfera (Bott M.H.P., 1971, Gubbins D., 1990, Roşu A., 1987, Goudie A., 1989)

O repartiţie procentuală estimată a tipurilor de substanţe care intră în compoziţia

litosferei este următoarea: SiO2 (60%), Al2O3 (16%), CaO (11-12%), FeO (4.5%), MgO (3.5%),

Na2O (3%), Fe2O2 (2%), H2O (1%), etc.

În conformitate cu teoria tectonicii globale, litosfera este formată din şase plăci, fiecare

placă cuprinzând o serie de microplăci. În funcţie de diferenţierea caracteristicilor zonale

distingem:

(1) Crusta continentală

Are grosimi ce variază între 30 şi 80 km şi se extinde pe 40% din suprafaţa terestră,

depăşind arealul uscatului propriu-zis cu aproape 12% ca urmare a pătrunderii sale şi în

domeniul oceanic.

Distingem trei tipuri de structură: scuturile şi platformele continentale (pe care sunt

dispuse câmpiile şi podişurile), catenele orogenice (lanţurile muntoase) şi rifturile continentale

(marile depresiuni).

Fiecare tip de structură cuprinde trei nivele diferenţiate după tipurile predominante de

roci: sedimentar, granitic şi bazaltic.

Dacă scuturile şi platformele continentale formează zone de mare stabilitate (stratul

sedimentar având grosimi de la câteva zeci de metri până la 5 km), catenele orogenice, mai ales

cele recente, reprezintă zone de instabilitate în care cele trei straturi sunt amestecate şi

metamorfozate datorită presiunilor puternice care se exercită asupra lor. Rifturile continentale

prezintă o eterogenitate mai redusă a structurii şi o mare mobilitate putând declanşa procese de

apariţie a crustei de tip oceanic.

(2) Crusta oceanică

Grosimea ei se reduce la numai 6 - 10 km şi are, deasemenea, trei tipuri de structură:

bazinele oceanice, dorsalele medio - oceanice şi fosele de subducţie. Din structura fiecărui tip

lipseşte nivelul granitic, nivelul sedimentar fiind prezent numai în zonele depărtate de dorsalele

oceanice.

Zonele de stabilitate mai accentuată sunt reprezentate de bazinele oceanice. Dorsalele

oceanice sunt zone de creaţie a crustei oceanice, iar fosele de subducţie sunt zone de distrugere a

acesteia. Elementul modelator este reprezentat de fluxurile de magmă bazaltică. Aceste procese

se resimt la suprafaţa oceanului, la nivelul insulelor cu bază pe dorsalele oceanice şi ţărmurile

corespunzătoare foselor de subducţie, prin cutremure şi erupţii vulcanice.

29

Litosfera este suportul fizic al mezogeosistemului, sursa de energie gravitaţională şi

termică (din reacţiile de dezintegrare), mediu de transfer şi filtru pentru energia termică

provenită de la manta şi nucleu, mediu de relaxare a stress-urilor de temperatură şi presiune din

manta şi agent climatic. Prin varietatea de forme distribuite pe orizontală şi pe verticală relieful

contribuie la stabilirea locală a parametrilor de temperatură, umiditate şi presiune. În zonele cu

inerţie termică redusă (deşerturile), această contribuţie este dominantă.

2.3.2. Biosfera (Roşu A., 1987, Smil V., 1991)

(a) Compoziţie

Biosfera este nivelul de structură al mezogeosistemului cu gradul cel mai ridicat de

complexitate. Ea este formată din structuri care se autoreproduc, printr-un proces de conservare

şi diversificare a informaţiei care le-a generat. Din punct de vedere termodinamic, aceste

structuri au o evoluţie antientropică cu stări de stabilitate care au o ordine cu atât mai mare cu cât

complexitatea lor este mai ridicată.

Compoziţia chimică a structurilor biosferei este în majoritate de tip organic, bazată pe

carbon şi hidraţi ai acestuia. Esenţiale în structura lor sunt aminoacizii şi proteinele, în care se

înscriu codurile informaţionale, glucidele (hidraţi ai carbonului) care dezvoltă, prin conversie

chimico-mecanică energia necesară în procesul de menţinere a vieţii şi lipidele, în care această

energie se poate stoca sub formă de depozite de substanţă. Sinteza acestor substanţe şi a

derivaţilor lor se face în prezenţa apei, care este, alături de substanţele care constituie suportul

informaţiei, unul din principalele elemente din structura biosferei.

Nivelele de structură ale biosferei sunt în număr de patru:

(1) Fitosfera

Este compusă din totalitatea speciilor de plante, organisme biologice a căror principală

caracteristică este conversia fotochimică a energiei solare din zona maximului spectral. În urma

acestui proces este sintetizată glucoza şi este eliberat oxigenul molecular.

Pentru zoosferă fitosfera este principala sursă de oxigen şi de hrană, pentru pedosferă

reprezintă una din sursele de substanţă, prin procesul de descompunere care urmează morţii sau

schimbărilor de structură sezonale, iar pentru specia umană este sursă de oxigen, hrană şi materii

prime industriale.

Fitosfera se prezintă sub formă de păduri, vegetaţie ierboasă şi vegetaţie acvatică (în

special alge verzi şi roşii care intră în compoziţia planctonului oceanic).

30

(2) Zoosfera

Este formată din totalitatea speciilor de animale, de la bacterii până la mamifere. Au o

mare răspândire pe uscat şi în apa.

Pentru fitosferă este o sursă de boxid de carbon, pentru pedosferă este o sursă de

substanţe organice, ca urmare a proceselor de descompunere, iar pentru specia umană este o

sursă de hrana şi de materii prime pentru activitatea de tip industrial.

Programul lor de adaptare include posibilităţi mai complexe decât la plante, cum ar fi, de

exemplu, deplasarea în spaţiu şi posibilitatea, pentru unele specii, de a-şi construi adăposturi

simple pentru a se feri de efecte climatice sau pentru a-şi proteja şi creşte puii. Se reproduc prin

diviziune (cele mai simple), prin ouă (insectele, peştii, batracienii, insectele, reptilele, păsările)

sau nasc pui vii (mamiferele). Trăiesc izolate sau în grup (roiuri, turme sau haite).

(3) Pedosfera

Este formată din sedimente litosferice produse în procesele de eroziune, apă, substanţe

organice provenite din descompunerea plantelor şi animalelor ca urmare a morţii acestora, din

gaze (în special azot, oxigen şi hidrogen sulfurat) şi din microorganisme, în special din cele care

fixează azotul.

Reconstrucţia pedosferei este un proces permanent, datorită continuităţii proceselor de

descompunere organică a elementelor celorlalte subsisteme vii, datorită continuităţii proceselor

de eroziune şi datorită continuităţii din dinamica hidrosferei.

Pedosfera reprezintă suportul esenţial pentru fitosferă, iar pentru specia umană este

suportul tehnologiilor agricole.

(4) Specia umană şi amenajările umane

Este formată din descendenţi ai lui Homo Sapiens Sapiens, răspândiţi in toate zonele de

uscat ale mezogeosistemului. Procesele de adaptare şi menţinere a vieţii au determinat apariţia a

ceea ce numim amenajări umane. Acestea sunt structuri complexe construite cu suportul

energetic şi de substanţă al mezogeosistemului şi restului biosferei şi cu suportul "software" al

speciei. Este nivelul biosferei cu gradul de complexitate cel mai ridicat şi cuprinde:

- amenajările de locuit (urbane, rurale şi de turism);

- amenajările industriale (uzine, platforme industriale);

- amenajările agricole (terenuri cultivate, păşuni, ferme de animale, sisteme de irigaţii, etc.);

- amenajările izolate (staţii meteo, observatoare astronomice, platforme marine, staţii de relee,

staţii orbitale locuite);

31

- amenajări de transport (şosele, căi ferate, trasee navigabile, culoare de zbor pentru avioane şi

rachete).

(a) Funcţiuni

Biosfera determină, în special prin specia umană, evoluţia întregului mezogeosistem,

modificând dinamica şi stările de evoluţie ale acestuia.

În fig. 2.1 este prezentată o schemă a nivelelor de structură a geosistemului.

Fig. 2.1 - Structura sistemică a Terrei

Cea mai importantă concluzie care se desprinde din cele prezentate până acum este

aceea că, din punctul de vedere al fiintelor vii, biotopul se reduce, în principal, la

mezogeosistem. Celelalte două subsisteme ale planetei, perigeosistemul şi pregeosistemul,

evoluează cu constante de timp care sunt cu ordine de mărime mai mari decât cele din interiorul

biocenozei, astfel încât ele nu intervin în evoluţia acesteia decât ca nişte constante.

Dacă activitatea antropică va iniţia schimbări majore în structura unor subsisteme ale

Terrei care acum aparţin pregeosistemului sau perigeosistemului, ele vor trebui să fie, de

asemenea, incluse în mezogeosistem.

32

Curs 3 - Ecosistemul antropizat

3.1. Structura generativă a ecosistemului antropizat

Ceea ce deosebeşte specia umană de celelalte fiinţe vii este modul în care aceasta se

adaptează la condiţiile de mediu. Daca plantele şi animalele nu pot trai decât în anumite condiţii

de mediu datorita programelor de adaptare pe care le poseda, specia umană, în procesul de

adaptare, transforma mediul, fiind capabila să elaboreze programe de adaptare noi care fac

posibila supravietuirea, practic, în orice condiţii.

Altfel spus, omul este, simultan, un element al biocenozei şi un factor transformator al

biotopului, adica, prin existenţa lui, omul modifică condiţiile care influenţează această existenţă.

Aceste modificari au transformat, în decursul evoluţiei speciei umane, practic toate

elementele mezogeosistemului.

Astfel, relieful geografic a fost transformat prin exploatarea resurselor petrolifere,

carbonifere şi minerale, prin amenajarea asezărilor umane şi a reţelelor de transport, prin

amenajările portuare.

Hidrosfera a suferit transformări majore, în special prin amenajarea reţelelor de irigaţii şi

a cursurilor de ape, prin amenajarile hidroenergetice şi prin exploatarea intensiva a panzelor de

ape freatice.

Biosfera a fost transformata drastic, în special prin defrisarea padurilor în scopul

procurarii de terenuri pentru agricultura care, prin exploatare intensiva au determinat degradarea

solurilor şi, suplimentar, a reţelelor de ape freatice. Ca urmare a activitaţilor industriale şi

agricole, multe specii de plante şi animale au disparut sau au fost diminuate numeric.

Datorita activitaţilor intensive din ultimii ani a fost modificata compoziţia stratosferei şi

troposferei, în care au fost introduse cantitaţi mari de compuşi ai sulfului şi azotului şi de bioxid

de carbon, ceea ce a determinat apariţia ploilor acide, cu efect distrugator asupra solului şi

vegetaţiei, a efectului de sera şi a subţierii stratului de ozon.

Din aceste motive, putem afirma ca

Ecosistemul antropizat poate fi conceput ca mezogeosistemul transformat de om în decursul

evoluţiei sale ca specie.

33

Toate aceste modificari ale structurii mediului înconjurator de catre activitatea umană au

o cauză obiectiva, şi anume (Begon M., 1990),

Menţinerea structurii şi funcţionalitaţii organismului uman într-un anume domeniu de stabilitate

care este determinat genetic (homeostazie).

O reprezentare riguros parametrica a homeostaziei organismului uman nu este, înca,

realizata pentru toate nivelele de complexitate ale acestuia. Pentru nivelul fiziologic exista seturi

de parametri care descriu homeostazia macroscopica (metabolismul), homeostazia organelor

(nivelul timolului, presiuni sistolice, etc.), homeostazia celulara (potenţiale de membrana pentru

diferite tipuri de ioni) şi homeostazia genetica, dar corelaţiile între aceste seturi de parametri nu

sunt înca clare, deşi unele încercari recente exista (Monteith J.J., 1990).

Pentru celelalte nivele de complexitate (biologic, spiritual, social şi de organizare)

aceasta problema abia se pune (Jantsh E., 1982).

Aceasta fiind situaţia, în cadrul acestei lucrari, vom prezenta homeostazia organismului

uman, pe toate nivelele de complexitate ale acestuia, folosind cunosţintele şi terminologia

dezvoltate în alte domenii (medicina, sociologie, arhitectura, etc.). De exemplu, vom folosi

conceptele de "nevoie" şi "activitate", dezvoltate de sociologie şi conceptul de "organizare a

spaţiului", dezvoltat de geoecologie şi arhitectura, concepte care, fara a avea exactitatea unui set

de parametri de stare din fizica, descriu, în esenta, invarianta structurii.

Pentru a apropia aceasta descriere de cadrul teoriei sistemelor vom folosi conceptul de

pattern în locul celui de homeostazie deoarece, pastrand semnificaţia neschimbata, acesta are un

nivel mai larg de generalitate, îngloband şi caracterul generativ al structurii organismului uman

(nivele de complexitate aparute unele din altele).

3.2. Pattern-ul nevoilor umane în ecosistemul antropizat

Conceptul de nevoie umană (human need) a fost dezvoltat în cadrul sociologiei pentru a

putea realiza o descriere unitara a fiinţei umane pe ambele componente, cea individuala şi cea

sociala (Jantsh E., 1982).

Nevoia este un ansamblu de cerinte ale organismului uman, considerat în toata complexitatea

sa, care este esenţial pentru existenta individuala şi sociala a acestuia.

34

Deşi, în cadrul sociologiei, se considera ca nevoile umane se modifica în timp şi difera de

la o zona geografica la alta şi, în cadrul aceleiaşi zone, de la un grup social la altul, se poate

constata ca, din punctul de vedere al homeostaziei fiinţei umane, exista o anumita structura a

acestora care este invarianta. De exemplu, nevoia de hrana, exprimata în parametri fizico-chimici

cum sunt: potenţialul energetic, raportul dintre componentele chimice de bază, (glucide, lipide,

proteine, nivelul oligoelementelor, etc) şi momentul administrarii hranei nu depind nici de timpul

istoric, nici de zona geografica, nici de grupul social, ci numai de varsta individului. Ceea ce se

modifica este numai accesul la resursele de hrana şi aspectul macroscopic al acestora. De altfel,

se poate observa ca, pe masura ce resursele de hrana devin din ce în ce mai accesibile, în sensul

largirii pietelor, aspectul hranei se uniformizează (în teritoriu): asiaticul şi africanul mananca

paine de grau şi europeanul orez şi banane.

Din aceasta cauză, consideram ca exista un sistem de nevoi elementare invariante care

poate fi organizat într-un pattern.

În fig. 3.1 este reprezentat pattern-ul nevoilor umane. De la bază spre varful piramidei,

este reprezentat sensul cresterii complexitaţii, iar în cadrul unui nivel de complexitate, de la

stanga la dreapta este reprezentata dimensiunea de scala temporala, de la cel mai mic la cel mai

mare moment de timp. Scala temporala descrie, pentru fiecare reprezentare funcţionala a unei

nevoi, timpul în care parametrii independenţi ai nevoii raman la o valoare constanta. Astfel, în

vreme ce nevoia de aer trebuie satisfacuta în intervale de timp de ordinul zecilor de secunde,

celelalte tipuri de nevoi au nevoie de timpi de satisfacere progresiv mai mari.

(a) Nivelul nevoilor fiziologice

Este nivelul pe care se realizează menţinerea existentei individului şi a perpetuarii

speciei.

Determinarile funcţionale ale acestui nivel sunt: nevoia de aer, apa, lumina, caldura,

hrana, odihna şi sex. Este esenţial de remarcat ca un individ nu-şi poate satisface aceste nevoi

consumand direct resurse luate din mediul înconjurator decât în cazul aerului. Resursele

depozitate în mediul înconjurator sufera, pana la consum, doua transformari: una de tip antropic,

de regula prin intermediul focului, şi cealalta de tip biochimic în interiorul organismului. Atât

colectarea resurselor din mediul înconjurator, cât şi transformarea antropica sunt, de cele mai

multe ori, rezultatul unei activitaţi comune.

35

(b) Nivelul nevoilor biologice

Aici se sintetizează informaţia din semnale şi pe care se stochează, şi rulează programele.

Acest nivel conţine:

(a) programele încorporate de prelucrare a semnalelor şi de sintetizare a informaţiei, precum şi

de stocare dinamica şi de transmisie a acesteia pe nivelul de organizare imediat urmator;

(b) programele încorporate de menţinere a existentei şi de adaptare care sunt stocate la nivel

celular.

Determinarile funcţionale ale acestui nivel sunt: nevoia de informaţii, de comunicare, de

transport, de predicţie şi de protecţie. Toate nevoile de pe acest nivel de structura nu se pot

satisface decât în cadrul unei activitaţi comune.

Fig. 3.1 - Pattern-ul nevoilor umane (Cotigaru B., Căldăraru F., et al., 1995)

(c) Nivelul nevoilor spirituale

Este nivelul pe care se dezvolta capacitatea de a compune şi a implementa programe noi

pentru procesul de adaptare şi pentru procesul de cunoastere a filogenezei şi ontogenezei umane.

Determinarile funcţionale ale acestui nivel sunt: nevoia de stiinta, nevoia de arta şi religie

şi nevoia de învatatura. Satisfacerea acestor nevoi asigura formarea cunostintelor care permit

realizarea programelor de adaptare.

36

(d) Nivelul nevoilor sociale

Este nivelul pe care se reglementează colaborarea dintre indivizi în cadrul activitaţilor de

antropizare, precum şi modul de acces al indivizilor la rezultatele acestei activitaţi. Determinarile

funcţionale ale acestui nivel sunt nevoia de norme şi nevoia de educaţie.

(e) Nivelul nevoilor de organizare

În cadrul procesului de menţinere al existentei, ca şi în cadrul procesului de adaptare,

individul are nevoie să-şi organizeze timpul şi spaţiul propriu pentru a putea trai. Nivelul optim

de organizare, care este expresia tuturor nivelelor structurii sistemului de nevoi de complexitate

mai scazuta, este acela în care un individ poate lua singur toate deciziile care ţin de existenta sa

individuala, fara a impiedica decizia libera a celorlalţi indivizi din cadrul speciei.

Nivelul fiziologic şi cel biologic funcţionează datorita condiţionarilor interne şi datorita

schimburilor de substanta, energie şi semnale cu mediul înconjurator, iar nivelul spiritual datorita

condiţionarilor interne şi a schimburilor de informaţii şi cunosţinte dintre membrii speciei.

Determinarile structurale ale acestor cinci nivele generează seturi de parametri ale caror

valori trebuie să se pastreze între anumite limite pentru ca scopul de menţinere al existentei să fie

realizat. Evoluţia mediului înconjurator generează, pe frontiera individului şi a speciei umane

seturi de parametri a caror variaţie determina condiţiile pe frontiera mai sus amintita. Pentru

realizarea acestui proces, este necesara satisfacerea simultana a tuturor nevoilor umane.

3.3. Pattern-ul activitaţilor umane în ecosistemul antropizat

Una din caracteristicile cele mai importante ale speciei umane este aceea ca un individ

nu-şi poate satisface singur nici una din nevoile prezentate mai sus, în afara de nevoia de aer care

se satisface practic instantaneu. Ca urmare a acestui fapt, şi ca urmare a metabolismului specific,

pentru satisfacerea oricarei nevoi, un individ elaborează produse sau servicii pe care le schimba

cu alţi indivizi ai speciei, astfel încât, fiecare individ ajunge să-şi satisfaca toate nevoile, deşi el

singur nu şi le poate satisface decât pe unele (sau parţi din acestea). Se poate afirma ca, în

procesul de menţinere a existentei şi de perpetuare a speciei, un individ este utilizator pe toate

secventele nivelelor sistemului de nevoi şi producator numai pe unele.

În fig. 3.2 este prezentata structura ierarhica a acestui pattern care este organizata pe

urmatoarele nivele:

37

(1) Nivelul structuraarii-dezvoltarii

Pe acest nivel sunt situate activitaţile care au ca rezultat elaborarea, din resursele

energetice şi substanţiale ale ecosistemului natural şi folosind programele elaborate la nivelele

superioare, a produselor care satisfac toate nevoile de pe nivelul fiziologic şi biologic.

(2) Nivelul condiţionarilor

Pe acest nivel se asigura realizarea urmatoarelor obiective:

- procurarea şi furnizarea informaţiilor necesare nivelului imediat urmator pentru elaborarea

programelor;

- transmiterea, catre nivelul inferior, a informaţiilor şi programelor elaborate la nivelul superior,

necesare în activitatea de structurare-dezvoltare;

- elaborarea serviciilor necesare pentru satisfacerea nevoii de protecţie (fiziologica, biologica şi

sociala).

(3) Nivelul cunoasterii

Este nivelul pe care se elaborează programele pentru activitatea de structurare-dezvoltare.

(4) Nivelul normelor

Este nivelul pe care se elaborează programele care reglementează:

- modul în care se realizează activitaţile comune;

- modul în care se realizează accesul fiecarui individ la programele şi produsele rezultate în urma

activitaţilor comune.

Fig. 3.2 - Pattern-ul activitaţilor umane (Cotigaru B., Căldăraru F. et al., 1995)

38

(5) Nivelul organizării

Este nivelul pe care se stabilesc şi devin funcţionale relaţiile dintre celelalte nivele. Pe

acest nivel sunt realizate urmatoarele obiective:

- stabilirea relaţiilor între indivizii care realizează programe;

- stabilirea relaţiilor între indivizii care elaborează produse;

- stabilirea relaţiilor între indivizii care realizează programe şi indivizii care elaborează produse;

- stabilirea modului de acces al individului la programe şi produse;

- stabilirea modului de acces al individului la realizarea relaţiilor de mai sus (accesul la decizie).

Toate aceste cinci nivele ale pattern-ului activitaţilor umane sunt legate între ele astfel

încât să reproduca poziţia individului în procesul de satisfacere a nevoii: existenta fiecarui nivel

este inutila fara existenta celorlalte.

3.4. Pattern-ul organizării spaţiului în ecosistemul antropizat

Pentru a asigura funcţionalitatea şi stabilitatea pattern-ului activitaţilor umane şi, deci,

satisfacerea nevoilor tuturor indivizilor unei comunitaţi, a populaţiilor şi a întregii specii, a fost

necesara transformarea esenţiala a ecosistemului natural, considerat ca resedinta a speciei umane

componenta a biosferei, care a evoluat pana la ceea ce numim acum ecosistem antropizat.

În fig. 3.3 este prezentata structura ecosistemului antropizat, organizata pe patru nivele.

(I) Nivelul habitatului şi al amenajarilor

Acest nivel cuprinde:

- secventele habitatelor urbane şi rurale, diferenţiate prin nivelul de densitate al populaţiei;

- secventa amenajarilor industriale;

- secventa amenajarilor agricole şi silvice;

- secventa amenajarilor pentru turism.

(II) Nivelul reţelelor

Acest nivel cuprinde toate tipurile de reţele care leaga între ele, în reţele de rang superior,

secventele nivelului precedent:

- reţele de transport (drumuri, cai ferate, cai navigabile maritime şi aeriene);

- reţele de comunicaţii (linii telefonice, reţele radio şi TV şi reţele de sateliţi);

- reţele energetice (reţele de curent electric şi reţele de transport pentru petrol şi gaze naturale).

39

(III) Nivelul autonom

Acest nivel cuprinde amenajari industriale şi agricole izolate de reţelele antropizate în

care se structurează nivelele precedente. În aceasta categorie se situează minele, platformele

marine, staţiile radar şi staţiile meteorologice, stanele, manastirile, precum şi habitatele

temporare cum sunt amenajarile de santier şi habitatele de tip arhaic cum sunt cele din deserturi

şi jungla tropicala.

(IV) Nivelul naturii

Pe acest nivel se situează acele zone din mezogeosistem care sunt nelocuite: zone din

jungla africana, amazoniana şi asiatica, zone montane situate la înalţimi mari, zone situate în

interiorul deserturilor sau ale taigalei siberiene.

Toate aceste pattern-uri reprezinta elemente invariante ale structurii ecosistemului

antropizat. Aceasta înseamna ca, indiferent de momentul de timp şi de locul din mezogeosistem

în care se afla un ecosistem antropizat, structura lui va trebui să cuprinda toate aceste trei pattern-

uri, fiecare cu structura formala prezentata mai sus.

Fig. 3.3 - Pattern-ul organizării spaţiului (Cotigaru B., Căldăraru F. et al., 1995)

3.5. Produsul (Cotigaru B., Căldăraru F. et al., 1992)

Relaţia dintre sistemul de activitaţi umane şi sistemul de nevoi umane se realizează prin

produs.

40

Produsul este o structura substanţiala şi energetica realizata de om pentru a satisface una sau

mai multe nevoi din structura şistemului de nevoi umane.

Are o structura a evoluţiei invarianta care este independenta de tipul produsului şi de

spaţiul şi timpul în care este structurat sau utilizat.

Traiectoria evoluţiei produsului (fig. 3.4) are urmatoarele secvente:

(1) Piata produsului, care se referă la:

- piata utilizării produsului, care se referă la definirea nevoilor pe care urmează să le satisfaca

produsul;

- piatata resurselor care vor fi folosite pentru structurarea produsului;

- piata tehnologiilor care vor fi folosite pentru structurarea produsului;

- piata post-utilizării, care se referă la reintegrarea a ceea ce ramane din produs, după utilizarea

acestuia, în sistemul resurselor primare, în traiectoria produsului în discuţie sau în traiectoria

altui produs.

(2) Concepţia produsului, care se referă la:

- proiectul de model al produsului, care se referă atât la dimensiunea funcţională a produsului în

sensul descrierii modului în care produsul urmează să satisfaca nevoile pentru care este cerut, cât

şi la modul de vânzare şi reintegrare şi, deasemenea, la calitatea produsului;

- proiectul tehnologic al produsului, care se referă la modul în care va fi structurat produsul şi în

care se realizează prototipul acestuia căruia i se aplică modelul de calitate elaborat la proiectul de

model;

- proiectul de dezvoltare al produsului, care se referă la descrierea algoritmului de realizare

concretă a produsului, precum şi la algoritmul de vânzare, utilizare şi reintegrare;

(3) Resurse, unde sunt investigate resursele substanţiale, energetice, financiare şi informaţionale

din care va fi structurat produsul; în acest moment se ia decizia definitivă în privinţa realizării

produsului;

(4) Structurarea - dezvoltarea, care se referă la realizarea concretă a produsului în cantităţile

estimate în secvenţa (1);

(5) Circulaţia produsului, care se referă la accesul direct, prin intermediul procesului de vânzare,

al oamenilor la produsul realizat;

(6) Utilizarea produsului, care se referă la momentul satisfacerii, de catre produs, a nevoilor

pentru care a fost creat (realizarea dimensiunii funcţionale a produsului);

41

(7) Post-utilizarea produsului, care se referă la reintegrarea a ceea ce ramâne din produs după

utilizare, fie în traiectoriile unor alte produse, fie în mediul natural al resurselor din care a fost

structurat;

(8) Reintegrarea, care se referă la reintegrarea în ecosistemul antropizat a tuturor tipurilor de

deşeuri apărute pe secvenţele anterioare ale traiectoriei.

Fig. 3.4 - Traiectoria produsului (Cotigaru B., Căldăraru F. et al., 1992)

Structurarea, utilizarea şi, mai ales, reintegrarea produsului sunt principalele surse ale

poluării.

Produsul suportă o reprezentare parametrică de tipul densitate, rată de variaţie în timp,

potenţial de creaţie şi de distrugere.

42

Curs 4 – Elemente de fizica ecosistemelor

4.1. Sisteme termodinamice Sistemul este o zonă a continuumului spaţio-temporal care include structuri elementare de tip inerţial legate între ele prin câmpuri de forţe a căror acţiune se exercită până la o suprafaţă închisă, descriptibilă din punct de vedere geometric, care constituie frontiera sistemului. Sistemul este caracterizat de: (a) mărimile fizice fundamentale, care descriu structurile elementare de tip inerţial şi care sunt funcţii de punct (de spaţiu şi timp); (b) forţele (potenţialele) interne, care descriu interacţiunile dintre structurile elementare; (c) nivelul de complexitate, care descrie relaţia de ordine dintre tipurile de forţe care se exercită în interiorul sistemului; (e) funcţia de stare, care descrie structura complexă a sistemului; (f) frontiera, suprafaţa închisă care conţine structura complexă şi în interiorul căreia potenţialele interne şi funcţiile de stare sunt funcţii finite şi continui de mărimile fizice fundamentale. Tendinţa sistemelor este aceea de a menţine neschimbată funcţia de stare caracteristică unei anumite ordini (ierarhie) a nivelelor de complexitate. Dacă pe frontiera sistemului apar modificări ale tipurilor şi/sau valorilor mărimilor fizice fundamentale, în interiorul structurii complexe, pe nivelul de complexitate cel mai ridicat, apar gradienţi ai forţelor interne care determină apariţia fluxurilor de structuri elementare care traversează frontiera sistemului în sensul contrar gradienţilor forţelor interne. În acest fel sistemul tinde să refacă funcţia de stare de pe nivelul de complexitate al structurii complexe. Dacă amplitudinea modificărilor sau durata acestora este prea mare pentru ca sistemul să poată păstra nivelul de complexitate, atunci se modifică acest nivel, în sensul creşterii sau scăderii, astfel încât noua funcţie de stare să poată fi menţinută. Procesul descris mai sus, prin care sistemul tinde să menţină funcţia de stare a structurii complexe când pe frontiera lui apar modificări ale tipurilor şi/sau mărimilor fizice fundamentale, se numeşte evoluţie în timp. Starea în care sistemul menţine neschimbată funcţia de stare a structurii complexe se numeşte stare de echilibru. La apariţia, pe frontiera sistemului, a unor perturbaţii ale forţelor (potenţialelor) interne datorate unor cauze externe, sistemul este scos din starea de echilibru. Dacă evoluţia în timp a sistemului are loc în sensul revenirii la starea de echilibru din care a fost scos (perturbaţiile regresează), atunci starea de echilibru este stabilă. Dacă dimpotrivă, evoluţia în timp are loc în sensul în care sistemul se îndreaptă către o stare de echilibru caracterizată de o nouă funcţie de stare, atunci spunem că starea de echilibru din care a fost scos este instabilă.

43

4.2. Organizarea ierarhică După tipul fluxurilor ce traversează frontiera sistemelor, acestea se clasifică în patru clase: (I) sistemul izolat, care nu are schimburi cu exteriorul şi în care sunt valabile legile de conservare pentru energie şi mărimile inerţiale (masa, sarcina electrică, etc.); (II) sistemul închis, care schimbă cu exteriorul numai energie şi în care sunt valabile numai legile de conservare pentru mărimile inerţiale, legea de conservare a energiei fiind înlocuită cu o ecuaţie de bilanţ; (III) sistemul deschis, care schimbă cu exteriorul energie şi substanţă şi în care legile de conservare pentru energie şi mărimile inerţiale sunt înlocuite cu ecuaţii de bilanţ; (IV) sistemul disipativ, care poate controla, între anumite limite, atât evoluţia condiţiilor externe pe frontiera proprie, cât şi propria stabilitate. Relaţia de apartenenţă este de tipul:

Sistemul izolat⊂Sisteme închise⊂Sisteme deschise⊂Sisteme disipative Sistemul izolat se află în starea de echilibru termodinamic absolut. Sistemul închis se caracterizează prin modificări continue ale densităţii de energie pe frontieră datorită unei surse de energie exterioară lui. Sistemul îşi păstrează funcţia de stare atâta timp cât energia primită de la sursă este suficientă. Când aceasta este ori insuficientă, ori prea mare, sistemul închis îşi modifică structura astfel încât să poată ajunge, în noile condiţii energetice de pe frontiera lui, într-o nouă stare de sistem închis. Sistemul deschis are o structură substanţială şi energetică şi funcţiuni pe care le menţine prin schimburi substanţiale şi energetice prin frontiera lui cu alte sisteme deschise din sistemul închis din care face parte. Sursa energetică a sistemului deschis este aceeaşi cu cea a sistemului închis din care face parte, dar el nu are acces direct la ea, ci numai prin intermediul schimburilor cu celelalte sisteme deschise care compun sistemul închis. Când condiţiile pe frontiera sistemului evoluează astfel încât resursele energetice şi substanţiale devin insuficiente pentru păstrarea structurii şi a funcţiunilor, acestea se modifică printr-un proces de degradare în urma căruia sistemul îşi pierde locul în ierarhia din sistemul închis din care face parte, trecând din starea de beneficiar al unor resurse în starea de furnizor al acestor resurse. Sistemul disipativ este un sistem fizic deschis care posedă proprietăţile de autocontrol şi de autoorganizare.

44

Prin autocontrol înţelegem acea proprietate a unui sistem fizic deschis prin care acesta modifică, cu mijloace proprii, valorile condiţionărilor externe de pe frontiera lui. Dacă modificarea este în sensul scăderii acestor valori, spunem că sistemul are instalate reacţii negaţive. Dacă modificarea are loc în sensul creşterii respectivelor valori, atunci sistemul are instalate reacţii pozitive. Prin autoorganizare înţelegem acea proprietate a unui sistem fizic deschis prin care acesta îşi poate modifică structura nivelelor de complexitate cu mijloace proprii. În timpul evoluţiei sale, datorită proprietăţii de autocontrol, sistemul disipativ menţine constanţi parametrii schimburilor substanţiale şi energetice prin frontiera proprie. În momentul în care, din motive exterioare sistemului, acesta nu reuşeste, prin autocontrol, să menţină constantă valoarea acestor parametri pe frontiera proprie, şi structura şi funcţiunile sistemului disipativ nu se mai pot menţine în noile condiţii de pe frontiera sistemului, acesta se află într-o stare de bifurcaţie în care are de ales între două situaţii posibile: (1) ori sistemele deschise exterioare lui sunt mai puternice şi atunci el îşi modifică structura prin degradare, pierzându-şi locul în ierarhia sistemului închis căruia îi aparţine; (2) ori sistemul disipativ, cu toată agresiunea care s-a produs asupra lui de către sistemele deschise exterioare lui, este mai puternic decât acestea şi, folosind proprietatea de autoorganizare, îşi modifică structura, păstrându-şi funcţiunile şi câştigând locuri în ierarhia sistemului închis din care face parte. Această organizare ierarhică descrie atât filogenia, cât şi ontogenia unui sistem termodinamic. Astfel, în decursul existenţei sale, un sistem termodinamic poate evolua către oricare din tipurile de organizare prezentate mai sus, depinzând de tipul, amplitudinea şi rata de variaţie a condiţionărilor pe frontiera sa şi, în egală măsură, de capacitatea structurii sale momentane de a reacţiona la aceste variaţii. Descrierea evoluţiei în timp a unui sistem termodinamic este fundamentată de teorema ergodică care diferenţiază parametrii de stare ai sistemului după rata de variaţie a acestora. Dacă o categorie de parametri de stare A ai sistemului variază lent faţă de o altă categorie de parametri B, astfel încât în intervalul de timp în care categoria de parametri A suferă o singură variaţie, categoria de parametri B trece prin toate valorile posibile cu egală probabilitate, atunci evoluţia în timp a sistemului poate fi complet descrisă de o funcţie de stare care depinde de parametrii A ca de o constantă.

45

Aplicarea teoremei ergodice se face prin aplicarea, asupra câmpului de observabile, a unei proceduri de scalare de tip "drum liber mediu", "rată de variaţie" sau "amplitudine de gradient". 4.3. Forma generală a ecuaţiei de bilanţ (Gyarmaty I., 1970) Problema centrală a termodinamicii proceselor ireversibile este aceea a stabilirii bilanţului entropiei pentru un model specific de sistem deschis. Acest obiectiv se poate realiza numai dacă ecuaţiile de bilanţ dezvoltate pentru mărimile fundamentale mecanice şi electromagnetice sunt puse în legatură cu ecuaţiile de bilanţ pentru mărimile termodinamice. Dificultatea constă în aceea că mărimile termodinamice (temperatura, energia internă, entropia, etc.) nu sunt definite pentru stările de neechilibru cu care operează termodinamica proceselor ireversibile. Această problemă este rezolvată de ipoteza echilibrului celular, care afirmă că (Ciobanu Gh., 1982) Un sistem deschis, în care au loc procese ireversibile şi care se poate afla în stări de neechilibru, este format din celule elementare în care condiţiile de echilibru sunt îndeplinite. Această ipoteză permite definirea mărimilor termodinamice ca funcţii de punct care pot avea, deci, ecuaţii de bilanţ. Domeniul de valabilitate al acestei ipoteze a fost explorat de Meixner care a stabilit că această ipoteză este valabilă pentru acele sisteme deschise în care gradientul de temperatură nu depăşeste valoarea de 105 oCcm-1 (Ciobanu Gh., 1982). Prin urmare, cu excepţia fenomenelor de turbulenţă, a undelor de şoc şi a proceselor rapide din plasmă, ipoteza echilibrului celular poate fi acceptată. Fie A o mărime fizică extensivă ce caracterizează sistemul şi este distribuită în volumul V: A adV

V= zρ (4-1)

unde a este valoarea acestei mărimi pentru unitatea de masă, iar ρ este densitatea de masă în volumul V. Variaţia în timp a mărimii A poate avea loc din două motive: (1) datorită fluxurilor mărimii A prin suprafaţa închisă care mărgineşte sistemul; (2) datorită surselor de creaţie şi distrugere a mărimii A distribuite în interiorul volumului V. Introducând aceste două reprezentări în ecuaţia (4-1) şi aplicând teorema lui Gauss, obţinem forma locală a ecuaţiei generale de bilanţ: ∂ρ∂

σat a+ ∇ =J a (4-2)

46

în care Ja este fluxul mărimii a şi σa este rata netă de generare a mărimii a în interiorul

volumului V. 4.4. Bilanţul entropiei (principiul II al termodinamicii) (Gyarmaty I., 1970, Ciobanu Gh., 1982) Entropia întregului sistem se defineşte cu relaţia lui Clausius: dS d S d Sr i= + (4-3)

care este compusă din variaţia externă (sau reversibilă) de entropie

d Sd QTrr= (4-4)

şi din variaţia pozitivă a entropiei d Si ≥ 0 (4-5)

care este datorată proceselor ireversibile care au loc în interiorul sistemului şi care este nulă în cazul reversibilităţii sau al echilibrului. Cu procedura descrisă mai sus pentru ecuaţia generală de bilanţ, deducem ecuaţia de bilanţ a entropiei, în forma:

ρd σsdt s+ ∇ = ≥J 0 (4-6)

în care Js este curentul de entropie, iar σ este producţia de entropie. Această ecuaţie reprezintă

forma locală a principiului al II-lea al termodinamicii.

4.5. Sistemul termodinamic asociat unui sistem fizic

Pentru descrierea evoluţiei în timp a sistemelor fizice este necesară construirea unui

sistem termodinamic asociat. Procedura de construire este esenţială pentru realizarea unei

descrieri corecte şi se compune din următoarele secvenţe:

(a) Identificarea şi descrierea componentelor sistemului fizic

În cadrul acestei secvenţe se identifică toate structurile inerţiale care au o prezenţă

distinctă în cadrul sistemului fizic, în sensul că pot fi observate într-un proces de măsurare, care

este întotdeauna strâns legat de obiectivul studiului ce urmează a fi desfăşurat. Astfel, dacă, de

exemplu, se doreşte realizarea unei predicţii asupra climei, componentele sistemului atmosferei

joase vor fi identificate, folosind măsuratori de temperatură, presiune şi umiditate, ca o

distribuţie de mase într-un câmp baric. Dacă, însă, se doreşte realizarea unui studiu asupra

poluării atmosferei, componentele vor fi identificate, folosind măsuratori de concentraţii şi de

fluxuri energetice ale radiaţiei solare, ca tipuri de molecule şi purtători de sarcină.

47

(b) Identificarea şi descrierea relaţiilor dintre componentele sistemului fizic

În această secvenţă sunt identificate fenomenele care au loc în sistemul fizic considerat:

fenomene de creaţie şi de distrugere a componentelor (prin reacţii chimice sau prin interacţiunea

cu radiaţia şi cu câmpurile de diverse tipuri) şi fenomene de transport ale componentelor, de tipul

difuziei (de substanţă sau termice) şi de tipul drift-ului, în diferite câmpuri de forţe.

Sunt identificate, de asemenea, relaţiile dintre componentele sistemului fizic considerat.

Pot exista relaţii de tip "reţea", în care componentele sunt legate între ele prin intermediul

diferitelor tipuri de forţe, formând structuri de mare stabilitate, şi pot exista componente care,

între două procese de creaţie şi de distrugere (ciocniri) se mişcă libere în interiorul sistemului

fizic. În acest ultim caz se determină, sau se estimează drumul liber mediu şi timpul de viaţă

(constantă de evoluţie) a componentelor care se mişcă liber.

(c) Identificarea şi descrierea frontierei sistemului

Frontiera este suprafaţa închisă de la care se observă modificări esenţiale ale structurii

sistemului fizic, atât din punctul de vedere al componentelor, cât şi din punctul de vedere al

câmpurilor de forţe care menţin integritatea sistemului. Dacă este posibil, se realizează

descrierea geometrică a frontierei care este esenţială pentru descrierea condiţiilor la limită când

se integrează ecuaţiile diferenţiale care descriu sistemul.

Un alt obiectiv al acestei secvenţe este acela de a identifica şi descrie schimburile

energetice şi de substanţă ale sistemului fizic, prin frontiera sa, cu alte sisteme fizice. Această

operaţiune este de o importanţă deosebită, pentru că va acorda sistemului calitatea de sistem

izolat, închis sau deschis.

(d) Identificarea ierarhiei interne a sistemului fizic

Drumul liber mediu şi timpul de viată al componentelor sistemului fizic, determinate în

secvenţa (b), determină nivelele de complexitate ale sistemului, în sensul că, pe unul şi acelaşi

nivel de complexitate se situează numai componente care au timpi de viată comparabili (situaţi

în interiorul aceluiaşi ordin de mărime).

Astfel, dacă într-un sistem fizic format dintr-o joncţiune pn semiconductoare au loc

fenomene electrice şi termice, constanta de timp a fenomenelor electrice este cu trei ordine de

mărime mai mică decât cea a fenomenelor termice (Căldararu F., 1989). În acest fel, vom

delimita un nivel de complexitate pe care se situează componentele care participa la fenomenele

electrice şi un al doilea nivel de complexitate pe care se situează componentele sistemului care

48

participă la fenomenele termice. Avantajul imediat este acela că, temperatura practic nu variază

în timp, în cursul desfăşurării fenomenelor electrice.

Procedura de delimitare a nivelelor de complexitate revine, de fapt, la aplicarea teoremei

ergodice în sistemul fizic considerat.

(e) Construirea sistemului termodinamic asociat

Sistemul termodinamic asociat unui sistem fizic dat se construieşte pentru nivelul de

complexitate cel mai ridicat al acelui sistem fizic, adică pentru nivelul de complexitate care are

constanta de evoluţie în timp cea mai mică. Ca urmare a aplicării teoremei ergodice, funcţia de

stare a sistemului termodinamic asociat va depinde de parametrii care caracterizează celelalte

nivele de complexitate ale sistemului fizic considerat ca de nişte constante.

Frontiera sistemului termodinamic asociat este frontiera delimitată pentru întreg sistemul

fizic. Schimburile energetice şi de substanţă cu exteriorul care vor fi luate în considerare sunt

numai acelea în care este implicat nivelul de complexitate cel mai ridicat.

În fig. 4.1 este prezentată structura sistemului termodinamic asociat unui sistem fizic.

Componentele (particulele) sistemului termodinamic asociat sunt cele incluse în nivelul de

complexitate cel mai ridicat al sistemului fizic considerat. În interiorul acestui nivel ele participă

la fenomene de creaţie şi de distrugere datorate reacţiilor chimice

A B C+ → (4-7)

sau interacţiunii cu radiaţia electromagnetică

A h D E+ → +ν (4-8)

şi la fenomene de transport datorate difuziei sau drift-ului în câmpuri de forţe induse din exterior

sau care se manifestă în interiorul nivelului de complexitate. Fenomenele de difuzie termică sunt

întotdeauna prezente, ele urmând proceselor de distrugere şi fenomenelor de transport. Sistemul

disipă energia termică rezultată din procesele de distrugere neradiative.

49

Fig. 4.1 - Sistemul termodinamic asociat unui sistem fizic

4.6. Stabilitatea stemelor cu autoorganizare (Bourceanu G., 1989)

Evoluţia în timp a unui sistem termodinamic deschis, în care au loc procese de creaţie şi

de distrugere (reacţii chimice) cu K specii intermediare, este dată de sistemul de ecuaţii

diferenţiale: dndt

f n cii i l= l q n s l qe j, ,ρ λ ρ, i = 1, . . . , K = 1, . . . , R , l = 1, . . . , M (4-9)

unde ni este setul de concentraţii ale speciilor intermediare,

cρ este setul constantelor de viteză ale celor R reacţii chimice,

λl este setul de parametri ai celor M constrângeri.

Soluţia stării staţionare este setul de concentraţii ni0 care satisfac setul de ecuaţii

algebrice:

( ) 0,c,nf l0ii =λρ (4-10)

Pentru a obţine informaţii asupra stabilităţii sistemului se studiază evoluţia în timp a

perturbaţiilor în jurul stării staţionare

( ) ( ) (∑ −

∂∂

+λ=λ=

ρρK

1j

0jj

0j

il

0iilii nn

nf,c,nf,c,nf ) (4-11)

Deviaţia în raport cu starea staţionară este: 0iii

0ii ncu nn <<γγ=− (4-12)

În acest fel, sistemul de ecuaţii diferenţiale (4-58) se transformă într-un sistem liniar

50

K1,...,=i ,nf

acu ,adt

ddt

dn

0j

iij

K

1jjij

ii

∂∂

=∑ γ=γ

==

(4-13)

Sistemul de ecuaţii (4-5) admite soluţii de forma

( ) ( ) t0ii ett ωγ=γ (4-14)

soluţii numite şi moduri normale.

Din ecuaţia (4-12), luând în consideraţie ecuaţiile (4-11) şi (4-13), se obţine sistemul de

ecuaţii, liniar şi omogen:

( ) K1,...,=i ,0a 0j

K

1jijij =γ∑ ωδ−

= (4-15)

care admite o soluţie nebanală dacă

( ) ji;1ji;0ijijij cu 0adet =

≠=δ=ωδ− (4-16)

Valorile proprii ω ale matricii aij sunt de forma

ω ω ω= +re im (4-17)

şi pot da naştere la următoarele situaţii:

(a) Toate valorile proprii au ωre <0 şi ωim=0 (fig. 4.1a)

Starea staţionară ni0 este un nod stabil (asimptotic stabilă), perturbaţiile sau fluctuaţiile fiind

amortizate.

(b) Cel puţin o valoare proprie are ωre >0 şi ωim=0 (fig. 4.2b)

Starea staţionară ni0 este un nod instabil, caz în care perturbaţiile, oricât de mici, se amplifică

până la explozia sistemului.

(c) Toate valorile proprii au ωre <0 şi cel puţin una are ωim ≠ 0 (fig. 4.2c)

Starea staţionară este asimptotic stabilă şi, deoarece apropierea de starea staţionară este

oscilatorie, se spune că ni0 este un centru (focus) stabil.

(d) Cel puţin o valoare proprie are ωre = 0 şi ωim ≠ 0, în timp ce celalalte au ωre < 0 (fig. 4.2d)

Starea staţionară ni0 este stabilă în sens Lyapounov, dar nu asimptotic stabilă. Sistemul

execută traiectorii închise în jurul stării staţionare a căror distanţă faţă de aceasta depinde de

condiţiile iniţiale. Fiecare traiectorie corespunde unei stabilităţi marginale.

51

(e) Cel puţin o valoare proprie are ωre > 0 şi ωim ≠ 0 (fig. 4.2e şi 4.2f)

În această situaţie, traiectoriile concentraţiilor se pot îndepărta, oscilatoriu şi nedefinit de starea

staţionară (fig. 4.2e), pot sa tinda către o altă stare staţionară stabilă, pot tinde către un ciclu

limită stabil (fig. 4.2f), sau pot ratăci, aperiodic, într-un domeniu nelimitat.

Prin ciclu limită se înţelege o traiectorie închisă Γ a unui sistem de ecuaţii diferenţiale de

tip (4-15) care este izolată faţă de celelalte traiectorii ale sistemului, adică există o vecinătate

tubulară a traiectoriei Γ care nu conţine nici o altă traiectorie închisă a sistemului.

În fig. 4.3 sunt prezentate două tipuri posibile de instabilităţi care pot determina evoluţia

sistemului către stări oscilatorii stabile de tip ciclu limită. Pe ordonată s-a considerat concentraţia

ni a unei specii intermediare şi pe abscisă parametrul de constrângere λ (de exemplu concentraţia

unei substanţe care alimentează sistemul).

Până la λ < λc, ωre < 0 şi starea staţionară este un centru stabil. Când λ = λc şi ωre = 0,

deci λc devine un punct de bifurcaţie, se pot distinge două situaţii:

(1) Bifurcaţia la dreapta (λ > λc)

Starea staţionară devine instabilă şi sistemul realizează oscilaţii de tip ciclu limită (fig. 4.3a) în

direcţia supercritică. Amplitudinea oscilaţiilor creşte lent, o dată cu creşterea valorii

constrângerii λ, dacă λ > λc (soft self-excitation).

Fig. 4.2 - Evoluţia în timp a sistemelor departe de echilibru (Bourceanu G., 1989)

52

(2) Bifurcaţie la stânga (λ < λc)

Aceasta este o bifurcaţie în direcţia subcritică. Ciclul limită stabil este atins pentru λ1 < λ <λc

numai dacă perturbaţiile depăşesc o anumită mărime. Dacă perturbaţiile sunt prea mici, sistemul

revine la starea staţionară. Dacă perturbaţiile depăşesc o anumită mărime, atunci sistemul

"străpunge" domeniul dintre λ1 şi λc, care corespunde ciclului limită instabil, şi atinge ciclul

limită stabil.

Fig. 4.3 - Bifurcaţii în cadrul evoluţiei în timp (Bourceanu G., 1989)

Dacă în sistem acţionează numai perturbaţii sau fluctuaţii slabe, atunci sistemul va

rămâne în starea staţionară până când constrângerea λ depăşeste valoarea critică λc. În acest

punct, starea staţionară devine, brusc, instabilă şi sistemul realizează o tranziţie rapidă (hard self-

excitation) către ciclul limită stabil.

În cazul în care bifurcaţia se realizează în direcţia supercritică, ciclul limită stabil ia

naştere în mod continuu, de îndată ce λ > λc.

Înţelegem prin autoorganizare proprietatea unui sistem termodinamic de a ajunge, cu

mijloace proprii, într-un ciclu limită stabil.

53

Curs 5 - Ecosisteme şi sisteme termodinamice asociate

5.1. Stratosfera şi troposfera

Conform metodologiei descrise în lecţia precedentă, vom încerca să identificăm

componentele sistemului termodinamic asociat stratosferei şi troposferei, precum şi fenomenele

la care participă acestea (fig. 5.1).

Acest sistem termodinamic face parte din categoria sistemelor deschise, având, cu

exteriorul, atât schimburi energetice, cât şi schimburi de substanţă.

Schimburi energetice

Stratosfera şi troposfera sunt traversate de fluxul de energie electromagnetică, provenit de

la Soare şi filtrat de perigeosistem (radiaţiile penetrante şi radiaţiile ionizante) şi de

Fig. 5.1 - Sistemul termodinamic asociat stratosferei şi troposferei

stratosferă (zona UV a spectrului). În troposferă au loc procesele de absorbţie pe moleculele de

apă, astfel încât, la nivelul terestru ajunge fluxul de radiaţii AM1. Stratosfera şi troposfera sunt

traversate în sens contrar de energia termică provenită din procesele radiative care au loc în

celelalte subsisteme ale mezogeosistemului.

54

Schimburi de substanţă

Este vorba, în special, despre vaporii de apă, care provin din procesele de evaporare care

au loc la nivelul hidrosferei şi al biosferei şi despre apa lichidă care provine din procesele de

condensare din atmosfera joasă, despre bioxidul de carbon care provine din metabolismul

plantelor şi din procesele de ardere şi de fermentaţie din amenajările umane, despre particulele

de praf, care provin din procesele de eroziune a reliefului şi despre poluanţii gazoşi (compuşi ai

azotului, sulfului, clorului, plumbului, freoni, etc.) care provin din procesele industriale sau din

erupţiile vulcanice.

Procese de creaţie şi de distrugere

Datorită fenomenului de condensare, este creată apa, în stare de agregare lichidă, şi sunt

distruşi vaporii de apă. De asemenea, în reacţiile chimice de oxidare a oxizilor de azot, sulf, etc.,

sunt creaţi acizii azotic, sulfuric, etc. şi este distrus oxigenul.

Procese de difuzie

La aceste procese participă, în special, componentele care intră în troposferă, adică poluanţii

gazoşi, bioxidul de carbon şi particulele de praf. Fenomenele de difuzie termică au loc pe scară

largă, datorită faptului că troposfera este primul mediu pe care îl traversează radiaţia infraroşie

provenită din procesele de disipaţie de la nivelul hidrosferei, litosferei, biosferei şi amenajărilor

umane.

Procese de drift

Fenomenul de evaporare de la nivelul hidrosferei determină, în stratosferă şi troposferă,

crearea unui câmp baric care generează mişcări de drift ale maselor de aer.

5.2. Hidrosfera

Hidrosfera face parte din categoria sistemelor termodinamice deschise, având, cu

celelalte subsisteme ale mezogeosistemului, atât schimburi energetice, cât şi schimburi de

substanţă (fig. 5.2).

55

Fig. 5.2 - Sistemul termodinamic asociat hidrosferei


Radiaţia solară ajunge la nivelul hidrosferei sub forma spectrului AM1, care este absorbit

în întregime la nivelul acestui subsistem. În acelaşi timp, energia termică apărută în urma

proceselor de transport ale maselor de apă, este cedată troposferei, prin radiaţie.


Este vorba despre vaporii de apă, care apar în urma proceselor de evaporare şi care sunt

dirijaţi către troposferă, despre apa lichidă, care apare în urma proceselor de condensare de la

nivelul troposferei şi care intră în hidrosferă, despre particulele de sol şi substanţele organice

care provin din fenomenele de eroziune de la nivelul scoarţei terestre şi despre poluanţii în toate

stările de agregare.


Procesele de creaţie şi de distrugere cele mai importante sunt procesul de evaporare, prin

care apa lichidă este transformată în vapori şi procesul de topire al gheţurilor, prin care apare apa

lichidă.

Procese de transport

Deoarece apa este un mediu cu inerţie termică şi mecanică mare, procesele de difuzie nu

sunt prezente, gradienţii de concentraţie şi temperatura generează procese de drift, determinând

antrenarea unor mase mari de apă în mişcări mecanice. Datorită faptului că viteza mişcării

mecanice este comparabilă cu viteza de disipaţie a energiei termice, în timpul acestor mişcări are

loc şi transportul energiei termice din locul de generare în locurile de disipaţie. Acesta este cazul

curenţilor marini de tip Gulfstream sau Kuro-Shivo (Peixoto J. P.,1984). Sunt prezente, de

56

asemenea, fenomene de drift în câmp gravitaţional sau fenomene de drift în câmpuri de presiune

(pânză de apă freatică).

5.3. Litosfera

Litosfera face parte din categoria sistemelor termodinamice deschise, având cu celelalte

subsisteme ale mezogeosistemului schimburi energetice intense şi schimburi substanţiale (fig.

5.3), care sunt importante, mai ales din punctul de vedere al modificării lente, dar continue, a

configuraţiei reliefului terestru (rifturile oceanice).


Radiaţia solara AM1 este absorbită la nivelul reliefului terestru contribuind la dinamica

reliefului din anumite zone ale planetei (deşerturile). În acelaşi timp, prin crusta litosferică

ajunge, la celelalte subsisteme ale mezogeosistemului, energia termică provenită de la nucleu.


Este vorba despre particulele de sol care sunt cedate atmosferei joase şi hidrosferei, ca

urmare a proceselor de eroziune, despre depunerile marine şi cele provenite de la cursurile de

apă dulce şi despre structurile bazaltice formate la nivelul rifturilor oceanice.


Acestea sunt procesele de eroziune şi de sedimentare, în urma cărora se distrug, respectiv

apar structuri minerale şi procesele de transformare a crustei în magmă,

Fig. 5.3 - Sistemul termodinamic asociat litosferei

57

respectiv de formare a structurilor de tip bazaltic, la nivelul rifturilor oceanice.

Procese de difuzie

Crusta litosferică fiind un mediu cu inerţie mecanică ridicată, procesele de difuzie de

substanţă nu sunt posibile. Se desfăşoară, în schimb, pe scară largă, procese de difuzie termică,

dinspre centrul planetei către suprafaţă.

Procese de drift

Acestea sunt procese care se desfăşoară în câmpul forţelor care se exercită la contactul

dintre plăcile tectonice. Chiar dacă constanta lor de timp este mare faţă de alte fenomene din

mezogeosistem, le putem încadra în nivelul de complexitate al mezogeosistemului deoarece

aceste mişcări de drift sunt însoţite de fenomene seismice şi vulcanice care reprezintă, mai ales

pentru comunităţile din biosferă, situaţii de bifurcaţie.

5.4. Biosfera

Biosfera este nivelul de structură al mezogeosistemului cu gradul cel mai ridicat de

complexitate. Ea este formată din structuri care se autoreproduc, printr-un proces de conservare

şi diversificare a informaţiei care le-a generat. Din punct de vedere termodinamic, aceste

structuri au o evoluţie antientropică cu stări de stabilitate care au o ordine cu atât mai mare cu cât

complexitatea lor este mai ridicată.

Compoziţia chimică a structurilor biosferei este în majoritate de tip organic, bazată pe

carbon şi hidraţi ai acestuia. Esenţiale în structura lor sunt aminoacizii şi proteinele, în care se

înscriu codurile informaţionale, glucidele (hidraţi ai carbonului) care dezvoltă, prin conversie

chimico - mecanică energia necesară în procesul de menţinere a vieţii şi lipidele, în care această

energie se poate stoca sub formă de depozite de substanţă. Sinteza acestor substanţe şi a

derivaţilor lor se face în prezenţa apei, care este, alături de substanţele care constituie suportul

informaţiei, unul din principalele elemente din structura biosferei.

Nivelele de structură ale biosferei sunt în număr de patru.

(1) Fitosfera

Este compusă din totalitatea speciilor de plante, organisme biologice a căror principală

caracteristică este conversia fotochimică a energiei solare din zona maximului spectral. În urma

acestui proces este sintetizată glucoza şi este eliberat oxigenul molecular.

Pentru zoosferă fitosfera este principala sursă de oxigen şi de hrană, pentru pedosferă

reprezintă una din sursele de substanţă, prin procesul de descompunere care urmează morţii sau

58

schimbărilor de structură anotimpuale, iar pentru specia umană este sursă de oxigen, hrană şi

materii prime industriale.

Fitosfera se prezintă sub formă de păduri, vegetaţie ierboasă şi vegetaţie acvatică (în

special alge verzi şi roşii care intră în compoziţia planctonului oceanic). Se reproduc în

majoritate prin seminţe, fiind ajutate de curenţii de aer din atmosfera joasă sau de specii de

insecte (albine, fluturi).

Fitosfera face parte din categoria sistemelor termodinamice cu auto-organizare (fig. 5.4),

fiind capabilă de modificarea structurii indivizilor care o compun, în situaţia în care nu se

reuşeşte, în timp real, menţinerea constantă a condiţiilor pe frontiera sistemului. Aceste

modificări se realizează prin înscrierea în codul genetic a unor informaţii noi, care sunt transmise

urmaşilor.


Radiaţia solară din zona verde a spectrului este unul din elementele esenţiale pentru

menţinerea vieţii în fitosferă, reacţia de fotosinteză fiind de o importanţă deosebită în sintetizarea

substanţelor necesare plantelor. În acelaşi timp, este disipată în mediu energie termică provenită

din procesele metabolice sau din procesele de descompunere a substanţelor organice, la moartea

plantelor.

Fig. 5.4 - Sistemul termodinamic asociat fitosferei


59

Este vorba de bioxidul de carbon, luat din troposferă pentru a întreţine procesele

metabolice, de vaporii de apă şi de oxigen eliberat în troposferă, ca urmare a aceluiaşi proces, de

apa şi substanţele minerale luate din sol pentru hrană, de substanţele organice cedate solului în

procesele de putrefacţie şi de poluanţii lichizi care provoacă ploile acide.


Procesele de creaţie şi de distrugere cele mai importante sunt naşterea din sămanţă,

respectiv moartea ca urmare a ciclului natural, a consumului realizat de animale sau oameni şi a

accidentelor datorate poluării. Un alt proces de creaţie şi de distrugere este acela de distrugere a

bioxidului de carbon şi de creare a oxigenului în procesul de respiraţie.


Datorită modului specific de viaţă, plantele nu execută nici mişcări de difuzie şi nici

mişcări de drift la nivel individual. Sub acţiunea factorilor atmosferici, o întregă comunitate îşi

poate extinde, datorită deplasării seminţelor de către vant (sau de către apă), aria de răspândire pe

parcursul mai multor generaţii.

(2) Zoosfera

Este formată din totalitatea speciilor de animale, de la bacterii până la mamifere. Au o

mare răspândire pe uscat şi în apă.

Pentru fitosferă este o sursă de bioxid de carbon, pentru pedosferă este o sursă de

substanţe organice, ca urmare a proceselor de descompunere, iar pentru specia umană este o

sursă de hrana şi de materii prime pentru activitatea de tip industrial.

Programul lor de adaptare include posibilităţi mai complexe decât la plante, cum ar fi, de

exemplu, deplasarea în spaţiu şi posibilitatea, pentru unele specii, de a-şi construi adăposturi

simple pentru a se feri de efecte climatice sau pentru a-şi proteja şi creşte puii. Se reproduc prin

diviziune (cele mai simple), prin ouă (insectele, peştii, batracienii, insectele, reptilele, păsările)

sau nasc pui vii (mamiferele). Trăiesc izolate sau în grup (roiuri, turme sau haite).

Zoosfera este, de asemenea, un sistem termodinamic cu auto-organizare (fig. 5.5).

Schimburile energetice

Radiaţia solară de tip AM1 este de o importanţă deosebită pentru orientare şi pentru

culegerea informaţiilor esenţiale. În acelaşi timp, este disipată în stratosferă şi troposferă energia

termică eliberată în procesele metabolice.

Schimburi de substanţe

60

Este vorba de oxigenul luat din troposferă, de apa luată din hidrosferă şi de hrana luată

din fitosferă sau zoosferă pentru întreţinerea proceselor metabolice, de vaporii de apă,

substanţele organice şi bioxidul de carbon eliberate în urma aceloraşi procese şi de substanţele

organice eliberate în procesul de putrefacţie care urmează morţii.


Este vorba de procesele de naştere şi moarte, ca urmare a ciclului natural, a consumării,

ca hrană, de către om sau de către alte specii din zoosferă şi de procesele metabolice, în care sunt

create substanţele organice care constituie hrana, precum şi cele care reprezintă produsele de

excreţie.


Indivizii care compun zoosfera au o mare mobilitate în câmpul unor atractori de natură

biologică: nevoia de hrană, de apă, de sex, de protecţie la factorii climatici şi de mediu

biocenotic (agresiuni din partea prădătorilor).

Fig. 5.5 - Sistemul termodinamic asociat zoosferei

(3) Pedosfera

Este formată din sedimente litosferice produse în procesele de eroziune, apă, substanţe

organice provenite din descompunerea plantelor şi animalelor ca urmare a morţii acestora, din

gaze (în special azot, oxigen şi hidrogen sulfurat) şi din microorganisme, în special din cele care

fixează azotul.

61

Reconstrucţia lui este un proces permanent, datorită continuităţii proceselor de

descompunere organică a elementelor celorlalte subsisteme vii, datorită continuităţii proceselor

de eroziune şi datorită continuităţii din dinamica hidrosferei.

Reprezintă suportul esenţial pentru fitosferă, iar pentru specia umană este suportul

tehnologiilor agricole.

Pedosfera, fiind un sistem în care au loc procese biologice, face parte tot din categoria

sistemelor termodinamice cu auto-organizare (fig. 5.6).

Fig. 5.6 - Sistemul termodinamic asociat pedosferei


Pedosfera absoarbe mai ales radiaţia din zona infraroşie a spectrului solar AM1 şi disipă,

în troposferă, energie termică din zona infraroşie îndepartătă a aceluiaşi spectru.


Este vorba despre apa provenită din precipitaţii, despre azotul, care este fixat de bacterii

specifice, de substanţele organice provenite din procesele de putrefacţie ale plantelor şi

animalelor şi din cele provenite din procesele de excreţie ale animalelor, de particulele de sol

eliberate în troposferă şi în hidrosferă ca urmare a proceselor de eroziune şi de poluanţii în toate

stările de agregare.

62


Procesele de creaţie şi de distrugere cele mai importante sunt cele de putrefacţie şi cel de

eroziune.

5.5. Sistemul termodinamic asociat ecosistemului antropizat

Sistemul termodinamic asociat ecosistemului antropizat face parte, ca şi celelalte

subsisteme ale biosferei, din categoria sistemelor termodinamice cu auto-organizare (fig. 5.7).

Intrările acestui sistem sunt:

- resurse energetice şi de substanţă care satisfac direct nevoi umane de pe nivelul fiziologic şi

biologic al oamenilor din acest ecosistem antropizat A1;

- produse (inclusiv energie) din alte ecosisteme antropizate care servesc amenajărilor agricole şi

industriale A2;

- produse din alte ecosisteme antropizate care satisfac nevoi umane de pe nivelul fiziologic şi

biologic al oamenilor din acest ecosistem antropizat A3;

- deşeuri din alte ecosisteme antropizate care au efecte eco- sau sanoagresive în acest ecosistem

antropizat A4.

Produsele intermediare (care rămân în interiorul ecosistemului antropizat) sunt:

- produse care satisfac nevoile umane din interiorul acestui ecosistem antropizat Y1;

- produse (inclusiv energie) care servesc amenajărilor agricole şi industriale din acest ecosistem

antropizat Y2;

- deseuri din amenajarile umane, agricole şi industriale din interiorul acestui ecosistem antropizat

care au efecte eco şi sanoagresive în interiorul ecosistemului Y3.

Ieşirile ecosistemului antropizat sunt:

- produse care satisfac nevoile umane din alte ecosisteme antropizate B1;

- produse (inclusiv energie) care servesc amenajărilor agricole şi industriale din alte ecosisteme

antropizate B2;

- deşeuri din amenajările umane, agricole şi industriale din interiorul acestui ecosistem antropizat

care au efecte eco- şi sanoagresive în alte ecosisteme antropizate B3.

Ecuaţia "master" a ecosistemului antropizat este (Cotigaru B. et al., 1995):

63

dXdt

F f A g Y h B f PX i i k+ ∇ =J b g b g b g b gm , , , l r (5-1)

dAdt

f A iiA i i+ ∇ =J = ,b g, 1 2 3, , 4 (5-2)

dYdt

g Y jjY j j+ ∇ =J = , ,d i, 1 2 3 (5-3)

dBdt

h B kkB k k+ ∇ =J = , ,b g, 1 2 3 (5-4)

dPdt

f P llP ml l+ ∇ =J = , ,b g, ...,1 2 m (5-5)

În ecuaţiile de mai sus X este densitatea de populaţie a speciei umane din acest ecosistem

antropizat, JX şi F sunt fluxul, respectiv rata de generare ale acesteia, JA, JY, JB sunt fluxurile

speciilor de particule identificate (produsele şi deşeurile), f, g, h sunt ratele de generare ale

acestora, iar JP şi fml(Pl) se referă la parametrii de stare ai mezogeosistemului (temperatură,

presiune, aceleraţie gravitaţională locală, intensitatea locală a radiaţiei solare, parametrii

biosferei, etc.).

Sistemul de ecuaţii de mai sus reprezintă cazul ideal, în care activitatea antropică ar fi

cuplată cu subsistemele biosferei numai în mod natural şi setul de parametri Pl nu depinde de

seturile de parametri Ai, Yj şi Bk.

În cazul în care activitatea antropică perturba cuplajele naturale din biosferă (prin poluare

sau prin efectele datorate evoluţiei asezarilor umane), setul de parametri Pl depinde puternic

de seturile de parametri Ai, Yj şi Bk şi forma sistemului de ecuaţii de mai sus se

modifică, ceea ce înseamnă, de fapt, că s-a modificat chiar structura ecosistemului antropizat.

64

Fig. 5.7 - Sistemul termodinamic asociat ecosistemului antropizat

Schimburi energetice Sursa energetică principala a ecosistemului antropizat este, de asemenea, spectrul solar

AM1. O altă sursă energetică o reprezintă combustibilii fosili care, prin intermediul proceselor

de ardere, se transforma în ceea ce vom numi energia antropică, utilizată în amenajarile

industriale şi de locuit. Energia termică rezultată în urma funcţionarii ecosistemului antropizat

este introdusă în mezogeosistem.

Schimburi de substanţa

Prima categorie de schimburi de substanţă este cea specifică speciei umane considerată

ca aparţinând zoosferei: oxigenul luat din atmosferă, de apa luată din hidrosferă şi de hrana luată

din fitosferă sau zoosferă pentru întreţinerea proceselor metabolice, de vaporii de apă,

substanţele organice şi bioxidul de carbon eliberate în urma aceloraşi procese şi de substanţele

organice eliberate în procesul de putrefacţie care urmează morţii.

O a doua categorie de schimburi de substanţă o reprezintă cea specifică ecosistemului

antropizat, şi anume, produse care satisfac nevoi umane de pe nivelul fiziologic şi biologic şi

care servesc amenajărilor agricole şi industriale şi deşeuri, prin care înţelegem poluanţii, în toate

formele de agregare, care sunt produşi în amenajările industriale şi de locuit.

65

Procese de creare şi de distrugere

Este vorba de procesele de creare şi de distrugere specifice zoosferei, şi anume, procesele

de naştere şi moarte, ca urmare a ciclului natural şi de procesele metabolice, în care sunt create

substanţele organice care constituie hrana, precum şi cele care reprezintă produsele de excreţie.

O altă categorie de procese de creare şi de distrugere este reprezentată de crearea

produselor în cadrul activităţilor industriale şi de distrugerea acestora, în urma satisfacerii

nevoilor umane. În urma proceselor de creare şi de distrugere a produselor, se creează deşeurile

care nu sunt reintegrate în mezogeosistem.


Componentele ecosistemului antropizat au o mare mobilitate datorită unor atractori care

sunt atât de natura fiziologică şi biologică, cât şi de natură antropică, legată, în special de pattern-

ul activităţilor umane.

66

Curs 6 - Bilanţuri şi cuplaje în geosistem

Datele experimentale care vor fi folosite în această lecţie pentru descrierea bilanţurilor de

energie şi substanţă din geosistem se referă la perioada cuprinsă între anii 1970 şi 1986. Deceniul

al optulea şi prima jumătate a deceniului al nouălea reprezintă primul "vârf" al degradării

mediului înconjurător, tot de atunci datând şi primele modele ale proceselor de dezvoltare

(Mesarovic M., 1973) şi ale mediului înconjurător (Commoner B., 1972). Prezentarea stării

mediului înconjurător în această perioadă devine, deci, extrem de importantă, atât pentru

înţelegerea cuplajelor activităţii antropice cu subsistemele Terrei, cât, mai ales, pentru

înţelegerea efectelor negative pe care o activitate antropică necontrolată le poate avea în

degradarea stării planetei.

Începând din a doua jumătate a deceniului al optulea au fost luate măsuri de diminuare a

emisiilor poluante şi deşeurilor, întâi la nivel local şi, mai ales în anii ‘90, la nivel regional şi

global (Rio, 1993). Cu toate că aceste măsuri au ameliorat, într-o oarecare măsură, starea

mediului înconjurător şi, în orice caz, au micşorat viteză de degradare a acestei stări, efectele

negative ale perioadei 1970-1986 sunt încă bine resimţite.

6.1. Bilanţul de energie

Fluxurile de energie intră prin frontiera geosistemului prin intermediul radiaţiei de tip

electromagnetic şi prin intermediul fluxurilor de particule. În analiza bilanţului energetic al

geosistemului vom lua în considerare numai aceste două surse, deoarece interacţiunea cu câmpul

gravitaţional determină, prin conversia energiei potenţiale în energie cinetică, valorile

parametrilor cinematici ai planetei (parametrii geometrici ai traiectoriei, viteza de rotaţie şi de

revoluţie, unghiurile de înclinare a axei de rotaţie) care au o mare stabilitate în timp (de ordinul

104 ani).

Sursele de energie

Sistemul închis al Terrei are trei surse de energie: Soarele, nucleul teluric central şi

interacţiunea gravitaţională cu Luna.

Spectrul de emisie al Soarelui ajunge la frontiera perigeosistemului sub o forma

cunoscută sub numele de spectrul solar AM0, cu temperatura de culoare de aproximativ

67

5000 K şi la nivelul reliefului geografic sub o formă cunoscută sub numele de spectrul solar

AM1, cu aceeaşi temperatură de culoare, dar cu o repartiţie diferită de lungimi de undă datorată

absorbţiilor din perigeosistem şi din stratosferă şi troposferă.

Bilanţul energetic al Terrei este prezentat în fig. 6.1. Sunt prezentate atât intrările şi

ieşirile, cât şi energia stocată la diverse nivele de structură ca urmare a proceselor de conversie.

Intrările energetice ale geosistemului însumează 1.7605x1017 W provenind din energia solară

(1.76x1017 W), din energia datorată rotaţiei şi atracţiei Lunii (2.9x1013 W) şi din energia

provenind din nucleul teluric (3x1013 W). Din acestea, 1.2305x1017 W ajung în mezogeosistem,

iar din acestea 6.09x1016 W acţionează direct asupra suprafeţei terestre (hidrosfera, litosfera,

biosfera şi specia umană). O cantitate de 1014 W este folosită pentru menţinerea configuraţiei

structurii biosferei şi 6 - 8x1012 W sunt folosiţi de specia umană.

Un calcul estimativ al tuturor proceselor de conversie din geosistem, dă pentru

randamentul termodinamic al acestuia o valoare aproximativă de 23.6%.

6.2. Bilanţul de substanţă

Intrările de substanţă în geosistem se realizează, într-o proporţie foarte însemnată, prin

căderile de meteoriţi (1.6x104 t/an) şi, într-o mult mai mică măsură, prin fluxurile de particule

provenind din radiaţia cosmică. Pierderile de hidrogen molecular fiind de 7x103 t/an rezultă o

creştere netă de masă în geosistem de 9x103 t/an. Faţă de masa Terrei de 6x1021 t, creşterea de

masă ar putea reprezenta 1% din masa planetei abia după aproximativ 7x1015 ani, ceea ce face

ca aproximaţia de sistem închis atribuită geosistemului să fie corectă.

La nivelul uscatului există două procese de creaţie şi distrugere a substanţei. Primul este

acela al acumulărilor geo şi biochimice, iar cel de-al doilea este procesul de denudare a

suprafeţei uscatului ca urmare a fenomenelor de eroziune datorate agenţilor atmosferici, apei şi

stress-ului termic. Schema fluxurilor de denudare a uscatului este prezentată în fig. 6.2. Acest

bilanţ, realizat la nivelul anului 1980, indică o "pierdere" de 5x1010 t/an.

Principalul izvor al hidrosferei îl constituie mantaua ale cărei rezerve sunt estimate la

2x1019 t. Schema rezervelor generale şi de apă dulce este prezentată în fig. 6.3.

68

Oceanul planetar primeşte din atmosferă cu 7% mai puţine precipitaţii (6.58x103 km3) în

comparaţie cu cantitatea pierdută prin evaporare (5.05x103 km3), echilibrarea bilanţului fiind

asigurată prin scurgerile de pe uscat.

Fig. 6.1 - Încărcarea energetică a mezogeosistemului (Roşu A., 1987)

Fig. 6.2 - Bilanţul denudării geomorfosferei în 1980 în milioane tone pe an (Roşu A., 1987)

71

Fig. 6.3 - Schema rezervelor generale de apă şi a rezervelor de apă dulce în 1980 (suprafaţa în

milioane km2 şi volumul în km3) (Roşu A., 1987)

Nivelul apelor subterane este alimentat de mantaua litosferică cu o cantitate ce nu

depăşeste 0.1 - 1 km3 şi de infiltraţiile apei meteorice de aproximativ 104 km3/an.

În biosferă fluxurile şi rezervele de substanţă specifice sunt generate de procesul de

fotosinteză din fitosferă, prin procesul de descompunere al substanţelor organice şi de formare a

solului, prin procesul de sinteză al substanţelor organice de bază în zoosferă şi prin procesele din

cadrul activităţii speciei umane.

Procesul de fotosinteză generează întreaga cantitate de oxigen din stratosferă şi troposferă

folosind zilnic 1.5x1011 t carbon din CO2 şi 2.5x1010 t hidrogen din H2O, producând, în acelaşi

timp, fitomasa care constituie resursă de substanţă organică pentru zoosferă şi specia umană şi o

parte din resursa necesară formării solului. În fig. 6.4 sunt prezentate rezervele actuale de humus

(principala substanţă organică din sol). Se observă faptul că, la nivelul anului 1970, modificarea

antropică, datorată agriculturii intensive, despăduririlor şi amenajărilor umane, este de 18%, ceea

ce reprezintă un procent mare. În fig. 6.5 este prezentată rezerva de fitomasă. Aici procentul

modificărilor antropice, la nivelul anului 1986, este de 42%. În fig. 6.6 este prezentată producţia

anuală de biomasă. Coeficientul de utilizare a energiei solare în procesul de fotosinteză, la

72

nivelul anului 1976, este de 0.1%, valoare datorată şi scăderii producţiei anuale de biomasă ca

urmare a modificărilor antropice.

6.3. Cuplaje în mezogeosistem

În cadrul evoluţiei sale în timp, geosistemul, ca sistem închis, trebuie să optimizeze două

tendinţe contrare, şi anume, aceea de menţinere a nivelului de ordine a structurii sale (consecinţă

directă a principiului inerţiei) şi aceea de degradare a acestui nivel de ordine (consecinţă directă a

principiului al doilea al termodinamicii aplicat sistemelor termodinamice închise).

Soluţia este una de compromis, şi anume aceea de minimizare a degradării nivelului de

ordine al structurii sale. O altă soluţie nu este posibilă din cauză că sursa principală de energie a

geosistemului (Soarele) are o evoluţie în timp de tip entropic.

Această soluţie se realizează datorită posibilităţii unora din sistemele deschise ale

geosistemului de a avea o evoluţie în timp de tip antientropic, adică o evoluţie către un nivel de

complexitate ridicat, ceea ce determină creşterea gradului de ordine în aceste sisteme deschise.

Practic, între sistemele deschise ale geosistemului cu grade de ordine diferite, se

realizează procese de cuplaj care determină regenerarea substanţelor consumate în procesul de

realizare a stabilităţii acestora şi optimizarea consumului energetic în acest proces. În acest mod,

rata de variaţie a producţiei de entropie a sistemelor deschise are valori minime, determinând,

pentru sistemul închis, o evoluţie entropică lentă.

Cuplajele care se stabilesc între sistemele deschise ale geosistemului se instalează la

nivelul mezogeosistemului. Perigeosistemul şi pregeosistemul sunt sisteme de mare stabilitate,

cu o evoluţie lentă în timp, ale cărei modificări se prezintă sub forma unor singularităţi a căror

instalare pe frontiera celor două sisteme determină modificarea proprietăţilor inerţiale ale

întregului geosistem.

Cuplajele de la nivelul geosistemului sunt următoarele:

Fig. 6.4 - Rezervele potenţiale şi actuale (între paranteze) de humus în 1970 în miliarde tone de carbon organic (Roşu A., 1987)

74

Fig. 6.5 - Rezervele potenţiale şi actuale (între paranteze) de fitomasă în 1986 în miliarde tone de carbon organic (Roşu A., 1987)

75

Cuplajul troposferă - hidrosferă

Este vorba de un cuplaj de tip substanţial în care, prin intermediul fenomenelor de

evaporare şi condensare se asigură realizarea următoarelor funcţiuni:

(a) nivelul de precipitaţii pentru biosferă;

(b) funcţia hidrosferei de agent de eroziune a reliefului;

Fig. 6.6 - Producţia anuală de biomasă şi eficienţa utilizării energiei solare la nivelul anului 1976

(Roşu A., 1987)

(c) funcţia troposferei de agent de eroziune a reliefului (vânturile sunt declanşate de potenţialul

baric care se modifică datorită variaţiilor de umiditate).

76

Cuplajul de tip termic furnizează hidrosferei energia necesară procesului de evaporare şi,

prin energia termică eliberată în procesele de condensare a vaporilor de apă, generează

modificări ale câmpului baric care determină procesele de reglare a factorilor termici ai climei.

Cuplajul litosferă - manta

Cuplajul de substanţă şi energie care se realizează prin rifturile şi fosele oceanice

determină, simultan, înnoirea structurii bazaltice a litosferei şi asigură nivelul de elasticitate

necesar pentru ca mezogeosistemul să suporte variaţiile parametrilor geometrici şi dinamici ai

planetei, variaţii apărute ca urmare a modificărilor parametrilor de câmp gravitaţional pe

frontiera geosistemului.

Cuplaje în biosferă

Cuplajele din acest sistem realizează un nivel foarte ridicat de regenerare a substanţei şi

de optimizare a consumului energetic.

Astfel, cuplajul dintre fitosferă şi zoosferă, prin intermediul procesului de respiraţie,

asigură nivele constante ale oxigenului şi bioxidului de carbon.

Cuplajul fitosferă-zoosferă-pedosferă, prin procesele de sinteză, respectiv de

descompunere a substanţelor organice, asigură un nivel constant al cantităţii de humus din sol.

Cuplajul fitosferă-zoosferă-pedosferă-hidrosferă-atmosferă, prin intermediul fenomenelor

de evaporare-condensare şi evapotranspiraţie şi descompunere a substanţelor organice, asigură

menţinerea constantă a cantităţii de apă, în pofida consumului.

Cuplajul pedosferă-hidrosferă, prin intermediul fenomenelor de eroziune şi sedimentare,

asigură menţinerea structurii solului şi a condiţiilor necesare pentru menţinerea vieţii în apă.

77

Curs 7 – Interacţiunea între geosistem şi ecosistemul antropizat – fenomene

de poluare locală şi globală

7.1. Emisii poluante şi deşeuri

Activitatea umană, în scopul menţinerii speciei prin procese adaptative, generează fluxuri

de substanţă şi energie, suplimentare şi, de cele mai multe ori, diferite de cele naturale, care sunt

introduse în mediul înconjurător. Această afirmaţie este acceptată actualmente ca definiţie a

fenomenului de poluare (Alloway B.J., 1993).

Astfel, pentru realizarea amenajărilor umane, omul a transformat spaţiul geografic. Prima

transformare majoră a fost procesul de despădurire pentru a face loc aşezărilor umane şi pentru a

amenaja terenuri pentru agricultură, ceea ce a redus la o treime suprafaţa pădurilor (mai ales a

celor ecuatoriale). Nevoile de alimentare cu apă au determinat atât modificarea structurilor

bazinelor hidrografice (prin îndiguiri, asanări, modificări ale cursurilor de apă), cât şi un consum

neregenerabil al resurselor de apă dulce.

Activitatea speciei umane a avut, la nivelul anului 1986 (Roşu A., 1987) următoarele

efecte:

(1) Încărcarea anuală a spaţiului geografic cu 15 - 20x109 t de roci din stratele de acoperire a

carierelor miniere.

(2) Creşterea scurgerii solide a râurilor în ocean de peste 2.5 ori (anual de pe suprafaţa uscatului

procesele denudative înlătură 5.3x1010 t de substanţă şi adaugă numai 4x109 t).

(3) Sustragerea anuală a 9x109 t combustibil convenţional, a 2.5x108 t fier şi a 5x107 t plumb

(faţă de numai 2x107 t pe cale naturală).

(4) Introducerea în stratosferă şi troposferă a 3.35x108 t aerosoli anual.

(5) Din exploatarea zăcămintelor de petrol se pierd anual 5x1010 t care sunt introduse în

troposferă (2.1x107 t), în sol (1.7x107 t) şi în ocean (1.35x107 t).

(6) Introducerea, în stratosferă şi troposferă, a unei cantităţi suplimentare de energie calorică de

9.5 erg/(cm2s) ca urmare a proceselor de ardere.

Schema generală a procesului prin care substanţele poluante rezultate din activitatea

umană ajung să cupleze cu mezogeosistemul este dată în fig. 7.1.

78

Fig. 7.1 - Cuplajele poluanţilor în mezogeosistem (Alloway B.J., 1993)

Cuplajele se produc atât în timpul transportului poluanţilor prin mezogeosistem (aer, apă,

sol), cât şi prin impactul direct asupra subsistemelor biosferei. Efectele acestor cuplaje sunt

transformările chimice care au loc la nivelul mezogeosistemului datorită substanţelor poluante,

transformări care se constituie ca reacţii pozitive introduse în aceste subsisteme determinând

astfel degradarea acestora (scăderea nivelului de complexitate), spre deosebire de cuplajele din

ecosistemul natural care sunt reacţii negative, determinând menţinerea unui nivel ridicat al

stabilităţii ecosistemelor.

În tabelul 7.1 este dată o clasificare generală a tipurilor de poluanţi rezultaţi din

activitatea speciei umane, indicându-se şi locul de rezidenţă din mezogeosistem.

Activităţile industriale, bazate în întregime pe procesele de ardere a combustibililor fosili

şi a pădurilor au determinat extracţia anuală a peste 9x109 t de combustibil convenţional o dată

cu strămutarea a peste 1.6x1012 m3 de roci şi cu un mare consum de oxigen. Bilanţul actual al

oxigenului, prezentat în fig. 7.2, este semnificativ în acest sens. Astfel, în vreme ce ecosistemul

natural are un bilanţ pozitiv de 17,693x109 tone/an, activitatea antropică are un bilanţ negativ de

49,3x109 tone/an, ceea ce înseamnă că această activitate nu numai că utilizează tot ceea ce

79

produce ecosistemul natural într-un an, ci consumă şi din rezervele de oxigen (31,607x109

tone/an la nivelul anului 1980).

În plus, în afară de faptul că în cadrul activităţii sale omul nu regenerează substanţele şi

energia folosite, substanţele şi energia rezultate în afara produselor (poluanţii şi deşeurile)

perturbă, din ce în ce mai puternic, funcţionarea cuplajelor din mezogeosistem la nivel planetar.

Astfel, emisia în aer a substanţelor poluante a determinat producerea unor fenomene care

au un caracter global, în sensul că se pot observa în oricare zonă geografică a planetei, indiferent

de gradul de dezvoltare al activităţii antropice:

(1) ploile acide, determinate de prezenţa în atmosferă a compuşilor de sulf, clor şi azot;

(2) efectul de seră, datorat creşterii concentraţiei de CO2 provenit din procesele de ardere;

(3) subţierea stratului de ozon datorită prezenţei în aer a clorofluorcarburilor, cu urmare imediată

a creşterii, la nivelul solului, a dozei de radiaţie ultravioletă;

Emisia în apă a substanţelor toxice a determinat:

(4) periclitarea condiţiilor de viaţă în apă ca urmare a scăderii concentraţiei de oxigen dizolvat;

(5) nitrificarea şi eroziunea solului;

Depozitarea pe sol a deşeurilor a determinat (Şerban R., Căldăraru F. et al., 1992):

(6) degradarea solului ca urmare a prezenţei metalelor grele şi a substanţelor care distrug

bacteriile care fixează azotul;

Practicarea agriculturii intensive a determinat:

(7) accentuarea eroziunii solului;

Amenajările hidroenergetice au determinat:

(8) modificări ale reţelei hidrografice şi a reliefului local;

(9) mişcări seismice de suprafaţă.

Toate aceste fenomene au determinat modificări însemnate la nivelul fitosferei şi

zoosferei, conducând la dispariţia unui mare număr de specii şi, mai ales, au afectat sănătatea

omului atât direct, prin consumul de aer şi apă poluate, cât şi indirect, dar nu mai puţin dăunător,

prin consumul unor alimente cu caracteristici modificate.

80

Tabelul 7.1 - Clasificarea poluanţilor (Alloway B. J., 1993) TIPUL DE ACTIVITATE

UMANĂ

AER APĂ SOL

Agricultura Pesticide (aerosoli), praf, NH3,

H2S, noxe, particule de sol

NO3-, HPO42-, pesticide,

particule de sol, HC

Fertilizatori (As, Cd, Mn, U, V, Zn),

îngrăşeminte naturale (As, Cu),

pesticide (As, Cu, Mn, Pb, Zn, DDT)

Producerea energiei electrice COx, NOx, SOx, UOx, HAP,

radioizotopi din fuziunea

nucleară

Căldură, microorganisme din

apa caldă, HAP solubile din

cenuşă

Cenuşă, silicaţi, SOx, NOx, metale

grele, praf de cărbune

Industria petrolului COV, H2S, NH3 HAP, fenoli, Cu, Cd, As,

CN, sulfaţi

Gudroane (HC, fenoli, benzen, xilen,

naftalen, HAP), CN, oxizi de Fe, Cd,

As, Pb, Cu, sulfaţi, sulfiţi

Minerit SOx, Pb, Cd, As, Hg, Ni, Tl,

aerosoli SO4

2-, CN, agenţi de flotare,

ioni metalici, PbS, ZnS,

CuFeS2

Particule de minereu, depuneri fluviale

din procesele de flotare, deşeuri de

minereu, cianuri, aerosoli din topituri

Industria metalurgică Aerosoli (As, Cd, Cr, Cu, Mn,

Ni, Pb, Sb, Tl, Zn, COV,

picături de acid)

Ioni metalici, deşeuri de acizi

şi solvenţi (COV)

Deşeuri metalice, solvenţi şi reziduuri

de acizi, depuneri de aerosoli

Industria chimică şi electronică COV, Hg, HAP Eliminarea deşeurilor,

solvenţi

Deşeuri de ambalaj, componente

electrice, HAP, metale

Surse urbane şi industriale COV, particule, aerosoli,

produse de combustie (COx,

SOx, NOx, As, Pb, U, V, Zn,

HAP, dioxine, fum), Ca,

SO42-

Ape uzate, HAP, Pb, Zn,

deşeuri de petrol, detergenţi

Pb, Zn, V, Cu, Cd, HAP, maşini uzate,

HC, azbest

Eliminarea deşeurilor Fum, aerosoli şi particule din

incinerări (Cd, Hg, Pb, COx,

NOx, HAP), CH4, COV),

deşeuri din ferme (CH4, NH3,

H2S)

NO3-, NH4

+, Cd, materii

organice, HPO42-,

microorganisme

NH4+, HAP, metale, deşeuri

industriale, depuneri din incinerarea

deşeurilor, NO2-, Cd, microorganisme

Transport Emanaţii gazoase, aerosoli

(COx, NOx, SOx, O3), fum

Petrol, HC, pesticide, deşeuri

în tranzit, combustibili, HAP,

SOx, NOx

Combustibili, substanţe chimice

Surse accidentale Pierderi din tancuri, depozite

(petrol, solvenţi)

Baterii descărcate, muniţie, explozivi,

produse de coroziune

HAP - Hidrocarburi Aromatice Policiclice, COV - Compuşi Organici Volatili

81

Fig. 7.2 - Bilanţul oxigenului în 1980 în miliarde tone (Roşu A., 1987)

82

7.5. Poluare locală

Fenomenele de poluare locală se manifestă în zone limitate care se întind pe arii de câţiva

km2 sau câteva zeci de km2 şi au drept cauze atât fenomene naturale, cât şi activităţi antropice. În

această categorie se înscriu:

- erupţiile vulcanice de intensitate mică (de exemplu, erupţia vulcanului Mont Pele din 1998

care a afectat numai insula Martinica)

- emisiile de gaze toxice din surse naturale (emisia de CO dintr-un lac din Ciad care în 1988 a

ucis toţi locuitorii unui sat de pe marginea lacului)

- accidente care apar în exploatarea instalaţiilor industriale (explozia unui rezervor de gaze

toxice din oraşul Bophal, India, din 1985 care a afectat numai zona limitrofă acestei aşezări)

- deversările accidentale de petrol din tancurile marine (cazul Amocco Cadiz din zona golfului

Alaska din 1994)

- emisiile continue ale unităţilor industriale şi agricole ca şi ale amenajărilor urbane, rurale şi

ale reţelelor de transport.

Din punctul de vedere al efectelor pe care aceste fenomene le au asupra ecosistemelor

naturale şi antropizate, distingem trei categorii de efecte:

(1) Efecte reversibile, în care efectele datorate poluării dispar la scurt timp după dispariţia

poluantului şi organismele biosferei sau elementele ecosistemelor antropizate revin la starea

iniţială.

(2) Efecte ireversibile, în care efectele datorate poluării nu dispar după dispariţia poluantului şi

organismele biosferei se îmbolnăvesc sau mor, iar elementele ecosistemului antropizat nu

mai pot fi folosite (cazul alunecărilor de teren, al incendiilor de pădure sau al accidentelor

industriale)

(3) Mutaţii, în care organismele biosferei îşi modifică structura genetică într-o manieră

degenerativă, până la dispariţia acestora, sau iau o altă cale evolutivă.

Dacă cele mai multe din cauzele naturale care determină fenomene de poluare locală nu pot

fi nici prevăzute, nici înlăturate, ci, în cel mai bun caz, numai diminuate din punct de vedere al

efectelor lor, în ceea ce priveşte cauzele antropice, ele se datoresc, aproape întotdeauna,

nerespectării disciplinei tehnologice şi faptului că, în exploatare, nu se iau în considerare cele

mai noi cunoştinte ştiinţifice şi tehnologice din domeniul respectiv. De asemenea, o activitate

managerială cu performanţe scăzute, cum ar fi aceea în care se lucrează pe stoc, sau cu

randamente de consum mici, este în măsură să determine creşterea emisiilor poluante.

83

Prin urmare, fenomenele de poluare locală au un grad foarte scăzut de obiectivitate şi, prin

urmare, amploarea lor poate fi mult diminuată de o activitate de proiectare desfăşurată la limita

cunoaşterii ştiinţifice şi tehnologice, de o activitate de exploatare care să respecte riguros

instrucţiunile şi de o activitate managerială performantă din punctul de vedere al minimizării

consumurilor şi maximizării profitului.

7.6. Poluare regională

Fenomenele de poluare regională au, în general vorbind, aceleaşi cauze cu cele de poluare

locală, dar amploarea lor este mult mai mare, motiv pentru care zonele afectate ocupă arii mult

mai mari, zone însemnate dintr-o ţară, până la zone în care sunt cuprinse mai multe ţări (poluarea

transfrontalieră) sau părţi însemnate dintr-un continent.

Un astfel de caz este recentul fenomen de poluare cu cianuri a unor zone întinse din nordul

României, estul Ungariei şi nordul Iugoslaviei datorat ruperii unui dig de protecţie al exploatării

miniere din zona Baia Mare (ianuarie 2000). În acest caz, un defect local în proiectarea pe

termen lung a lacului de acumulare al exploatării miniere a fost potenţat în mod nefericit de

condiţiile climatice locale (nivel mare al precipitaţiilor şi creşterea bruscă a temperaturii care a

determinat topirea bruscă a zăpezii şi, deci, creşterea rapidă a nivelului lacului de acumulare,

precum şi de cele geografice (bazinul bogat în afluenţi al Tisei). Concentraţia de cianuri a crescut

de câteva ori în toată reţeaua hidrografică, ajungând până în Delta Dunării. Deşi efectele asupra

biosferei sunt reversibile, chiar dacă numai pe termen mediu (3 – 5 ani), pagubele pricinuite

ecosistemului antropizat, pe termen scurt şi mediu, sunt însemnate. O asemenea situaţie ar fi

putut fi evitată dacă managerii firmei ESMERALDA Corporation ar fi făcut la timp investiţia

necesară pentru protejarea barajului. Pe termen scurt, s-au economisit bani, care acum s-au

pierdut, împreună cu imaginea firmei.

O altă categorie de fenomene de poluare regională este aceea a poluării radioactive

datorată exploatării defectuoase a centralelor nuclearo – electrice. Cazul cel mai recent este acela

al exploziei unuia din reactoarele centralei de la Cernobâl, Ucraina (fosta URSS) din 30 aprilie

1986. Poluarea radioactivă (iod, cesiu şi stronţiu) a cuprins zone însemnate din Europa, din

Polonia până în Bulgaria şi din Rusia până în nordul Italiei. Acest lucru s-a întâmplat datorită

potenţării negative a emisiilor radioactive de către circulaţia atmosferică la nivel continental.

Cantitatea imensă de praf radioactiv a ajuns rapid în zonele înalte ale troposferei de unde

circulaţia maselor de aer le-a transportat în zone situate la mii de kilometri de locul accidentului,

84

unde, prin intermediul ploilor, s-au depus rapid pe sol. Pe lângă numărul mare de morţi (câteva

mii) din zona accidentului, datorat iradierii directe, milioane de oameni din ţări situate la mii de

kilometri distanţă au avut de suferit pe termen mediu şi lung. De asemenea, în zone întinse din

Ucraina, milioane de oameni au avut de suferit pe termen mediu şi lung, efectele poluării

radioactive în aceste zone fiind ireversibile.

Ca şi fenomenele de poluare locală, fenomenele de poluare regională pot fi diminuate sau

chiar înlăturate, dacă se desfăşoară o activitate antropică corectă.

7.7. Poluare globală

Spre deosebire de cele două tipuri de fenomene prezentate până acum, fenomenele de

poluare globală, deşi au surse punctuale, afectează întreaga planetă. De asemenea, cauzele

antropice ale acestor fenomene nu au câtuşi de puţin un caracter subiectiv, ci unul obiectiv, fiind

determinate de activităţi de mare importanţă ale speciei umane, producerea energiei şi a hranei,

care nu pot fi diminuate sau eliminate. Acest tip de poluare este produs de activităţi care se

desfăşoară la limita cunoaşterii ştiinţifice şi tehnologice. Fenomenele de poluare globală sunt

următoarele:

A. Ploile acide (Harison, 1991) Sursele naturale şi antropice care conduc la formarea ploilor acide sunt:

• Naturale Erupţiile vulcanice SO2 7 – 10 tone/an

Denitrificarea solului SO2 0.2 – 4.0 tone/an

NO2 5 – 20 tone/an

Arderea biomasei SO2 0.8 – 2.5 tone/an

Reacţii fotochimice NO2 2 – 20 tone/an

• Antropice Arderea combustibililor SO2 35 – 40 tone/an

fosili NO2 24 tone/an

Arderea biomasei NO2 2.5 – 13 tone/an

SO2 35 – 40 tone/an

Transport aerian NO2 0.6 tone/an

TOTAL SO2 NATURAL 8 – 16.5 tone/an

ANTROPIC 70 – 80 tone/an

TOTAL NO2 NATURAL 7 – 40 tone/an

ANTROPIC 3.1 – 47 tone/an

85

Aşa cum se observă din tabelul de mai sus, dacă în cazul oxidului de azot cauzele naturale şi cele

antropice au pondere aproape egală, în cazul bioxidului de sulf cauzele antropice determină o

poluare de aproape 5 ori mai mare decât cea produsă de cauze naturale.

În cazul echilibrului care se realizează în atmosferă între bioxidul de carbon şi apă, se

formează, în urma unor reacţii chimice reversibile, acidul carbonic:

+−

−−

+⇔

+⇔

⇔+

HCOHCO

HHCOCOH

COHOHCO

233

332

3222

pH – ul atmosferei fiind, în acest caz, de 5.6. În prezenţa poluanţilor au loc reacţiile chimice:

4223

32

32*2

*22

SOHOHSOSOOSO

OSOOSO

SOhSO

→+→+

+→+

→ν+

3252

5223

2332

HNO2OHONONNONO

ONOONO

→+⇔+

+→+

caz în care pH – ul atmosferei este mai mic de 4. Acizii astfel formaţi (acidul azotic şi cel

sulfuric) revin în biosferă prin intermediul ploilor (fig. 7.3). Efectele ploilor acide asupra

organismelor din fitosferă sunt prezentate în fig. 7.4.

Fig. 7.3 - Formarea şi distribuirea impactelor ploilor acide

86

Fig. 7.4 - Efectele ploilor acide asupra biosferei Se observă că toate componentele organismului plantei sunt afectate şi că aceste efecte sunt

ireversibile.

B. Subţierea stratului de ozon

Rolul esenţial pe care îl are ozonul atmosferic în menţinerea vieţii, datorită absorbţiei

radiaţiei solare UV-B, a determinat studierea sistematică a fenomenelor care determină dinamica

lui, începând din anii ‘30 când au fost accesibile primele măsurători cu sonde stratosferice. Tot

atunci a fost creat, de către Chapman, primul model de creare şi distrugere a ozonului

stratosferic. (Harrison 1991).

În procesele de creaţie şi de distrugere a ozonului participă radiaţia solară din zona UV-

B, sistemul hidrogenului, al azotului şi al clorului, precum şi o serie de sisteme regulatoare, cu

rol de reacţie negativă, cum este cel al metanului (Biswas 1979).

Teoria Chapman (Biswas 1979)

O h O nJ

21

2 242+ →ν λ < m

m

2

(7-1)

O O M O Mk

+ + → +2 32

(7-2)

O h O O nJ

3 23

320+ → + <ν λ* (7-3)

O O Ok

34

2+ →* (7-4)

87

Sistemul hidrogenului (Biswas 1979)

H O O HOk

25

2+ →* (7-5)

HO O HO Ok

+ → +3 26

2

2

2

(7-6)

HO O OH Ok

27

+ → + (7-7)

CH O CH OHk

4 38

+ → +* (7-8)

OH HO H O Ok

+ → +2 29

(7-9)

Sistemul azotului (Biswas 1979)

N O O NOk

210

2+ →* (7-10)

NO h NO OJ

211

+ → +ν λ < 240nm (7-11)

NO O NO Ok

+ → +3 212

2

2

(7-12)

NO O NO Ok

213

+ → + (7-13)

OH NO M HNO Mk

+ + → +2 314

(7-14)

Gruparea NO se poate forma şi în timpul unor evenimente deosebite care au loc în

stratosferă, cum este acela al existenţei, accidentale, al unui nivel crescut de radiaţii galactice,

fluxuri de protoni, trecerea unor meteoriţi, etc., în general, orice eveniment energetic care poate

da naştere în stratosferă la temperaturi mai mari de 2000oC. La aceste temperaturi au loc

reacţiile

O M O Mk

215

2+ → + (7-15)

O N N NOk

+ → +216

(7-16)

Sistemul clorului (Biswas 1979)

Cl O ClO Ok

+ → +317

2 (7-17)

ClO O Cl Ok

+ → +18

2 (7-18)

ClO NO NO Clk

+ → +19

2 (7-19)

88

NO h NO OJ

211

+ → +ν λ < 240nm (7-20)

sau

ClO NO ClNOk

+ →21

2 (7-21)

ClO NO ClNOk

+ →222

3

3

2

(7-22)

Procesul regulator din sistemul clorului se desfăşoară prin intermediul reacţiilor

CH Cl HCl CHk

423

+ → + (7-23)

HO Cl HCl Ok

224

+ → + (7-24)

HCl OH H O Clk

+ → +25

2 (7-25)

Toate procesele de creaţie şi de distrugere a ozonului, prezentate mai sus, au loc datorită

unor cauze naturale care au fost menţionate. Ponderea acestor procese în procesul de distrugere a

ozonului (60% în sistemul azotului, 20% recombinarea ozonului, 10% în sistemul hidrogenului

şi restul în sistemul clorului şi al altor elemente), este stabilită de rapoartele relative în care se

află constantele de viteză k şi J ale reacţiilor chimice (Biswas A.K., 1979). Starea staţionară

determinată de această balanţă între creare şi distrugere are drept consecinţă imediată

menţinerea, la nivelul suprafeţei terestre, a acelui nivel de radiaţii UV-B care permite menţinerea

şi dezvoltarea componentelor biosferei.

Activitatea antropică intervine în procesul de distrugere al acestuia exact pe aceleaşi căi

ca şi sistemele naturale.

(I) Intervenţia în sistemul hidrogenului

Se realizează prin introducerea în stratosferă a unor cantităţi suplimentare de metan,

provenite din metabolismul animalelor crescute în fermele zootehnice şi din exploatarea

zăcămintelor de petrol şi gaze naturale.

(II) Intervenţia în sistemul azotului

Se realizează pe una din următoarele căi:

(a) prezenţa oxizilor de azot în stratosferă datorită emisiilor de gaze în transportul aerian

supersonic;

(b) menţinerea unei temperaturi ridicate în stratosferă datorită avioanelor supersonice, ceea ce

favorizează producerea reacţiilor (7-15) şi (7-16);

89

(c) prezenţa oxizilor de azot în stratosferă datorită folosirii pe scară largă a îngrăşemintelor

chimice cu azot, favorizând producerea reacţiilor (7-10) şi (7-11);

(d) prezenţa oxizilor de azot în stratosferă datorită defrişării pădurilor care accelerează procesul

de denitrificare a solului, favorizând producerea reacţiilor (7-10) şi (7-11).

(III) Intervenţia în sistemul clorului (Levine J., 1985)

Se realizează prin prezenţa freonului 11 (CFCl3) şi a freonului 12 (CF2Cl2) în stratosferă

datorită folosirii acestora în instalaţiile frigorifice şi în industria cosmeticelor.

CF Cl h CF Cl ClJ

2 2 226

+ → +ν (7-26)

CFCl h CFCl ClJ

327

+ → +ν 2 (7-27)

Datorită faptului că intervenţia antropică în procesele de distrugere a ozonului are loc pe

aceleaşi canale ca şi în cazul ecosistemului natural, ponderile acestor canale rămân nemodificate.

Ceea ce este probabil să se schimbe, este viteza de distrugere a ozonului.

C. Efectul de seră

Dintre tipurile de poluare globală, efectul de seră este efectul care ar putea avea, pe

termen mediu şi lung, consecinţe extrem de grave pentru ecosistemul antropizat şi pentru

biosferă, în general.

Efectul de seră (green house effect) constă în încălzirea globală a atmosferei joase

(troposferă) ca urmare a creşterii emisiilor de CO2 şi CH4. Sursele acestui tip de poluare globală

sunt în întregime antropice şi anume procesele de ardere a combustibililor fosili, pentru CO2 şi

emisiile provenite de la dejecţiile rezultate din activitatea antropică de creştere a animalelor în

marile complexe zootehnice, pentru CH4. Aceste cauze sunt departe de a fi obiective, ele fiind

expresia modernă a două dintre cele mai importante activităţi antropice, producerea energiei şi a

hranei. Prin urmare, creşterea emisiilor de bioxid de carbon şi metan este direct legată de

satisfacerea unor nevoi esenţiale ale unei populaţii în continuă creştere.

Din nefericire, cuplajele numeroase şi extrem de strânse dintre troposferă şi celelalte

subsisteme ale mezogeosistemului, prezentate în fig. 7.5, constituie factori agravanţi pentru

amplitudinea efectelor pe care efectul de seră le poate avea asupra mezogeosistemului. Dacă

emisiile de bioxid de carbon şi metan se menţin la actuala rată de creştere, temperatura medie a

atmosferei ar putea creşte în următorii 50 de ani cu 3 – 5oC, ceea ce ar putea da naştere, în

această ordine, la următoarele fenomene:

I. Topirea unei părţi însemnate a calotei glaciare

90

II. Creşterea nivelului mărilor şi oceanelor cu câteva zeci de metri, ceea ce va determina

inundarea tuturor ţărmurilor unde se află aşezări umane intens populate şi cu o economie

înfloritoare. Ţări ca Olanda sau Singapore vor dispare înghiţite de apele oceanului.

Fig. 7.5 – Cuplajele atmosferei cu subsistemele mezogeosistemului

III. Activarea majorităţii zonelor seismice ale planetei, ca urmare a declanşării unor

fenomene izostatice. Ca urmare a topirii calotei glaciare şi a creşterii nivelului mărilor şi

oceanelor, distribuţia masică la nivelul mantalei superioare se modifică, ceea ce va

determina mişcări pe verticală ale crustei litosferice care vor activa aproape toate zonele

seismice ale planetei.

Singurele modalităţi de diminuare a acestor efecte ar putea fi un control sever al creşterii

populaţiei şi, deci, diminuarea emisiilor de bioxid de carbon şi metan ca urmare a scăderii

cantităţilor de energie şi hrană produse, precum şi creşterea suprafeţelor împădurite care ar

determina o creştere a consumului de bioxid de carbon. Controlul sever al creşterii populaţiei s-a

dovedit, însă, cel puţin până în prezent, o acţiune utopică (vezi cazul Indiei, Chinei şi al

Indoneziei), iar împăduririle masive sunt acţiuni de durată (20 – 50 de ani) şi greu de desfăşurat

în lumea a treia, unde se află majoritatea pădurilor planetei.

91

Partea a II-a Măsurarea şi controlul calităţii mediului înconjurător

Curs 8 – Modelul de calitate al mediului înconjurător

8.1. Modelul general al calităţii

Pentru a testa, înainte de orice utilizare, modul în care produsele, elaborate într-o

activitate antropică, satisfac toate cerinţele legate de utilizarea lor pentru satisfacerea nevoii

pentru care au fost create, precum şi cerinţele legate de durata de utilizare şi modul de stocare şi

întreţinere, au fost elaborate modele ale calităţii produselor. Structura unui astfel de model este

următoarea:

A. Testarea caracteristicilor funcţionale în condiţii normale de utilizare

Parametrii care se măsoară sunt dimensiunile de gabarit şi cei mai importanţi parametri legaţi

direct de utilizarea produsului. Se fac, deasemenea, referiri clare asupra aspectului produsului.

Toate aceste măsurători se realizează în condiţii normale de gravitaţie, temperatură, presiune şi

umiditate relativă.

B. Testarea caracteristicilor funcţionale în condiţii excepţionale de stocare

Toate măsurătorile de mai sus se repetă pentru condiţii de mediu care diferă cât mai mult de

condiţiile normale de utilizare:

- testarea la temperaturi ridicate, respectiv, coborâte, în atmosfera uscată;

- testarea la temperaturi ridicate, respectiv coborâte, în atmosfera umedă (cicluri de

temperatură);

- testarea la acceleraţii gravitaţionale ridicate (şocuri şi vibraţii);

- testarea în condiţii de agresivitate bacteriană (mucegaiuri) sau virală.

Se urmăreşte evidenţierea unor defecte ireversibile care apar în aceste condiţii de stocare şi

modul în care aceste efecte influenţează funcţionarea ulterioară în condiţii normale de mediu.

C. Testarea caracteristicilor funcţionale în condiţii excepţionale de utilizare

Toate testările realizate în cadrul categoriei B se realizează cu produsul în funcţionare. Această

categorie de testări este destinată produselor a căror utilizare are loc, succesiv, în zone cu condiţii

climatice şi/sau de gravitaţie foarte diferite unele de celelalte. Astfel de produse sunt cele care se

utilizează pe nave maritime, pe avioane, în medii cu umiditate ridicată, în medii cu un nivel înalt

al vibraţiilor.

92

D. Testarea fiabilităţii

În cadrul acestei categorii de încercări se măsoară perioada de utilizare normată, adică durata de

timp în care produsul poate fi utilizat în condiţiile de la grupa de teste A, precum şi rata de

defectare a acestui tip de produse.

În urma tuturor acestor teste se elaborează un certificat de calitate al produsului care

conţine informaţii referitoare la:

- dimensiuni, aspect, marcare;

- nivelul de performanţă al caracteristicilor funcţionale în condiţii normale de mediu;

- domeniul de variaţie al condiţiilor de mediu pentru funcţionarea, respectiv, stocarea

produsului;

- perioada de garanţie (durata de utilizare normată).

Se mai dau informaţii referitoare la instrucţiunile de utilizare şi la precauţiunile pe care

utilizatorul trebuie să şi le ia atunci când foloseşte produsul.

Orice produs care nu trece testele de calitate, nu este destinat utilizării. Dacă acest lucru se

întâmplă, totuşi, buletinul de calitate al produsului poate constitui baza pentru o acţiune în

instanţă intentată de utilizatorul păgubit fabricantului sau distribuitorului acestui produs.

8.2. Asocierea unui model de calitate mediului înconjurător Construirea unui model al calităţii mediului înconjurător este o întreprindere de două ori

dificilă şi, în plus, şi contradictorie. În primul rând deoarece, cu puţine excepţii, componentele

mediului înconjurător nu sunt produse. Ele nu sunt un rezultat direct al vreunei activităţi

antropice, chiar dacă structura şi evoluţia lor suferă modificări importante. În al doilea rând,

fiecare componentă a mediului înconjurător este folosită de om, atât ca resursă, cât şi ca materie

primă în procesele biologice şi antropice şi, prin urmare, ar trebui să i se asocieze un model al

calităţii.

Precizarea unei poziţii clare pe termen lung a omului faţă de mediul înconjurător devine,

deci, necesară şi extrem de urgentă. Dacă această poziţie va fi una de natură biologică (de

simbioză) atunci vor trebui declanşate acţiuni ample de reconstrucţie a mediului înconjurător la

parametrii avuţi înainte de declanşarea revoluţiei industriale din secolul al XVIII – lea.

Activitatea antropică va trebui să fie una de tip homeostatic, cu restricţii severe asupra creşterii

populaţiei la nivel planetar şi diminuarea drastică a activităţilor industriale de anvergură, cu toate

consecinţele negative asupra libertăţii individului ce decurg din aceste măsuri. Aceste restricţii,

93

împreună cu setul de parametrii ce descriu homeostazia mediului înconjurător, ar putea

reprezenta echivalentul modelului de calitate.

Dacă, dimpotrivă, poziţia omului faţă de mediul înconjurător va fi una de natură

antropică (de subordonare), atunci vor trebui declanşate acţiuni de inginerie a mediului de

amploare care să gestioneze şi să dezvolte resursele de mediu, simultan pe termen scurt, mediu şi

lung, în cadrul unui concept de dezvoltare dinamic şi unitar la nivelul planetei, concept care ar

putea fi cel actual al dezvoltării durabile (sustainable development). În acest caz modelul de

calitate al mediului înconjurător trebuie să fie similar cu modelul general de calitate al

produsului.

Cum această decizie este, cel puţin până în acest moment, departe de a avea un suport

eminamente stiinţific, suntem nevoiţi să operăm într-un cadru formal în care ambele poziţii faţă

de mediul înconjurător sunt prezente cu ponderi care variază de la ţară la ţară şi, pentru un stat,

de la un guvern la altul. Din această cauză modelul de calitate asociat mediului înconjurător are

deziderate similare cu cele ale modelului general de calitate al produsului şi posibilităţi de testare

care pot satisface numai parţial categoria de teste ale caracteristicilor funcţionale.

Prin urmare modelul de calitate asociat mediului înconjurător are ca scop măsurarea şi

caracterizarea structurii fizico – chimice a componentelor mediului, limitările referindu-se numai

la cerinţele ce decurg din condiţiile de homeostazie ale biosferei, în general, şi ale speciei umane,

în special.

Prezentăm mai jos, în tabelele 8.1, 8.2 şi 8.3 lista substanţelor poluante admise a fi

prezente în structura fizico – chimică a aerului, apei, respectiv solului, aşa cum sunt prevăzute în

standardele sau recomandările institutelor de cercetare din Romănia. Valorile concentraţiilor

admise au în vedere, aşa cum am menţionat mai sus, cerinţele de homeostazie ale componentelor

biosferei.

94

Tabelul 8.1 - Lista substanţelor poluante ale aerului conform STAS 12574-87 (Standard 1987)

SUBSTANŢA POLUANTĂ

CONCENTRAŢIA MAXIMĂ ADMISIBILA

(30 min.) (mg/m3)

CONCENTRAŢIA MAXIMĂ

ADMISIBILĂ (zilnic)(mg/m3)

Acid azotic 0,4 - Acid clorhidric 0,3 0,1 Acroleina 0,03 0,01 Aldehide (HClHO) 0,035 0,012 Amoniac 0,3 0,1 Anhidrida fosforică 0,3 0,1 Arsen - 0,003 Benzen 1,5 0,8 Cadmiu - 0,0000012 Crom (CrO2) - 0,0015 Dioxid de azot 0,3 0,1 Dioxid de sulf 0,75 0,25 Fenol 0,1 0,03 Fluor (aerosoli usor solubili) 0,015 0,005 Fluor (aerosoli greu solubili) - 0,03 Funingine 0,15 0,05 Furfurol 0,15 0,05 Hidrogen sulfurat 0,015 0,008 Mangan - compuşi (Mn) - 0,01 Metanol 1,0 0,5 Metil mercaptan - 0,000001 Oxid de carbon 6,0 2,0 Oxidanţi 0,1 0,03 Plumb - 0,00007 Sulfaţi în suspensie 0,03 0,012 Sulfura de carbon 0,03 0,012 Tricloretilena 4,0 1,0 Pulberi în suspensie 0,5 0,15

95

Tabelul 8.2 – Lista parametrilor de calitate ale diferitelor tipuri de ape (Rojanschi, 1997)

96

Tabelul 8.3 – Lista parametrilor de calitate a solurilor (Vişan S., 1998)

O situaţie mai apropiată de dezideratele actuale este aceea în care componente ale mediului înconjurător au statutul de produse. Este cazul apei potabile (tabelul 8.4) şi cel al nămolurilor rezultate din epurarea apelor reziduale, nămoluri care se depun pe sol (tabelul 8.5).

97

Tabelul 8.4 – Lista cerinţelor de calitate ale apei potabile (Vişan S., 1998)

98

Tabelul 8.5 – Lista parametrilor de calitate ai namolurilor depuse pe sol (Rojanschi V., 1997)

8.3. Clasificarea metodelor de măsurare şi caracterizare a mediului înconjurător

Metodele de măsurare şi caracterizare a calităţii mediului înconjurător se pot clasifica după mai multe criterii care se referă la locul unde se face măsuratoarea, la

principiul de măsurare şi la durata măsurătorii. Discuţia asupra unei astfel de clasificări este utilă nu numai din punctul de vedere al înţelegerii modului în care au evoluat aceste metode

în decursul timpului, ci şi din punctul de vedere al înţelegerii modului de structurare al modelului de calitate al mediului înconjurător în sensul unei descrieri cât mai corecte a

realităţii.

8.3.1. Criteriul locului de măsurare

I. Metode de măsurare în sistemul laboratorului

Este, din punct de vedere istoric, prima categorie de metode care a fost folosită în caracterizarea mediului înconjurător. Orice astfel de metodă conţine, în mod obligatoriu, trei

etape: Prelevarea probelor

Conservarea şi transportul probelor

Măsurarea concentraţiilor cu metode de laborator

Avantajul principal al acestei categorii de metode este acela al preciziei de măsurare care

este foarte ridicată, caracteristică metodelor de laborator. Dezavantajele se referă, în primul rând,

chiar la prelevarea, conservarea şi transportul probelor din mediul înconjurător care, datorită

99

timpului scurs de la prelevare până la măsurare, pot să-şi piardă relevanţa vis–a–vis de realitatea

din teren. În al doilea rând, existenţa timpilor intermediari de prelevare, conservare şi transport al

probelor din mediu conduc aproape întotdeauna la rezultate care nu mai sunt utile pentru că, în

acest interval de timp, realitatea în teren se modifică sau, dacă este vorba de un accident de

poluare, răul este deja produs.

II. Metode de măsurare în teren

În cadrul acestei categorii de metode măsurătorile se fac cu sisteme portabile care reprezintă variante de teren ale aparaturii de laborator folosite în metodele de măsurare din categoria descrisă mai înainte. Avantajele sunt acelea legate de măsurarea “la locul faptei”, iar dezavantajele se referă, în cazul accidentelor de poluare, la faptul că măsuratoarea are loc întotdeauna după producerea accidentului. Pentru ţările lumii a treia şi pentru ţările în curs de dezvoltare există şi dezavantajul costului ridicat al aparaturii. Pentru anumiţi poluanţi ai aerului există şi metode cu cost mai scăzut al aparaturii, în vreme ce pentru apă şi sol acestea nu au fost încă elaborate. III. Metode de măsurare de la distanţă (remote sensing)

În cadrul acestei categorii de metode, aparatura de mare precizie este situată, de regulă, pe sateliţi artificiali. Avantajele se referă la precizia de măsurare care este mare şi la zonele acoperite care sunt, cel puţin, de dimensiune continentală. Numai în cadrul acestei categorii de metode s-au pus în evidenţă fenomenele de poluare globală. Dezavantajele se referă, în special, la costurile ridicate care fac ca aceste metode să fie accesibile numai ţărilor dezvoltate. 8.3.2. Criteriul principiului de măsurare

Acest criteriu are în vedere ordonarea după relaţia fundamentală a metodei de măsurare,

relaţie în care o mărime fizică ce caracterizează componentă de mediu ce se caracterizează este

legată funcţional de concentraţia substanţei caracterizate.

I. Metoda de măsurare a absorbţiei radiaţiei electromagneţice în domeniul UV – VIS – NIR

În cadrul acestei metode relaţia fundamentală este aceea în care intensitatea radiaţiei

absorbite în substanţă depinde neliniar de concentraţia acesteia. Dacă substanţa ce trebuie

caracterizată nu are absorbţie în domeniul de lungimi de undă accesibil, în multe cazuri ea este

precondiţionată chimic, adică se combină chimic cu o altă substanţă, compusul rezultat având

absorbţie în acel domeniu de lungimi de undă.

Metoda de măsurare a conductivităţii electrice

Relaţia fundamentală este între conductivitatea electrică a probei şi concentraţia acesteia.

100

Metode de măsurare a pH – ului

Este o metodă de caracterizare globală care dă informaţii despre comportarea acidă sau

bazică a probei.

Metoda de măsurare gravimetrică

Evidenţierea componentelor probei se face prin separarea fizică a fazelor (stările de

agregare) şi prin cântărire.

Metoda de măsurare prin analiza chimică directă

Analiza calitativă şi cantitativă a probei se face prin reacţii chimice standard şi prin calcul

stoichiometric.

Metode de măsurare prin analiză biologică directă

În cadrul acestei categorii de metode este măsurată capacitatea componentei de mediu de

a întreţine viaţa prin măsurarea parametrilor biologici ai unor componente ale biosferei.

8.3.3. Criteriul timpului de măsurare

I. Metode de măsurare cu eşantionare temporală aleatoare

În această categorie intră metodele de măsurare în cadrul laboratorului, precum şi unele

metode de măsurare în teren cu aparatură portabilă.

II. Metode de măsurare cu eşantionare temporală periodică

În această categorie de metode intră metodele cuprinse în procedurile impuse de studiile

de impact, fie că sunt realizate cu metode de laborator, fie că sunt măsurate cu metode de

măsurare în teren ca aparatură portabilă.

III. Metode de măsurare cu eşantionare quasi – continuă

În această categorie de metode intră metodele de măsurare şi monitorizare în timp real în

care starea mediului este caracterizată aproape continuu de sisteme proiectate şi realizate

special în acest scop. Dezavantajele legate de o precizie de măsura mai mică sunt

compensate de posibilitatea de alarmare a situaţiilor potenţial periculoase şi de timpul

real de măsurare. Metodele de măsurare de tip remote sensing intră de asemenea în

această categorie.

101

Curs 9 - Metode de măsurare şi caracterizare a poluării aerului

9.1. Caracterizarea poluării aerului (Cotigaru, 1994)

Caracterizarea proceselor de poluare a atmosferei implică studierea a patru categorii de

fenomene : emisia, transmisia, imisia şi efectele poluării atmosferei.

Emisia se referă la sursele de poluare a atmosferei (aşa numitul inventar al emisiilor), cu

toate problemele legate de amplasarea geografică şi de caracteristicile fizice şi chimice ale

acestora.

Transmisia se referă la parametrii mediului aerian care determină transportul şi difuzia

poluanţilor evacuaţi în atmosferă şi la modul în care are loc acest transport.

Imisia se referă la câmpul concentraţiilor de poluanţi în atmosferă (valori şi distribuţia

spaţială), datorate uneia sau mai multor surse de poluare.

Efectele se referă la alterarea sesizabilă (la limita cunoaşterii ştiinţifice) a sănătăţii

umane, a sănătăţii şi/sau stării factorilor biotici şi abiotici ai mediului ambiant sub influenţa

factorilor atmosferici.

Problema efectelor poluanţilor atmosferici asupra omului şi a mediului este deosebit de

complexă şi de vastă.

Pentru cunoaşterea mecanismelor de dispersie a poluanţilor în atmosferă şi a condiţiilor

de acumulare a acestora la nivelul solului este necesară studierea corelată a primelor trei

categorii de elemente, emisie - transmisie - imisie, nivelul şi distribuţia spaţială a concentraţiilor

de poluanţi fiind funcţie de parametrii care caracterizează sursele şi starea mediului aerian.

a. Surse de poluarea atmosferei

Înainte de a prezenta sursele de poluare a atmosferei din punct de vedere al

caracteristicilor lor fizice şi chimice este utilă definirea atmosferei poluate şi a atmosferei

normale.

O definiţie aproape unanim acceptată a atmosferei poluate este următoarea:

"Se spune că atmosfera este poluată atunci când o mărime care, adăugată la, sau scăzută

din, constituienţii normali ai atmosferei poate determina alterarea proprietăţilor sale fizice

sau chimice în mod sesizabil de către om sau mediu."

Noţiunea de sesizabil trebuie înteleasă la limita cunoaşterii ştiinţifice la un moment dat.

Astfel, un efect care nu poate fi detectat astăzi, din lipsa mijloacelor adecvate, el va fi pus în

evidenţă peste un timp, când progresul ştiinţific şi tehnic o va permite.

102

Atmosfera normală (pentru aerul uscat) se defineşte prin următoarea sa compoziţie

chimică:

Elementul Concentraţia (ppm)

Azot 780 x 103 Oxigen 210 x 103 Argon 9 x 103 Neon 18 Heliu 5,2 Kripton 1,1 Xenon 0,086 Bioxid de carbon 200

Hidrogen 0,5 Metan 0,02 Ozon 0,01 Radiu 6 x 10-14 Oxid de axot 10-3

Dintre compuşii de mai sus, CO2, O3, Ra şi CH4 sunt componente variabile, a căror

concentraţie în lipsa surselor antropice variază în funcţie de oră, sezon, activitate vulcanică,

activitate orajoasă, distribuţia ecosistemelor.

Compoziţia aerului troposferic uscat în perioada actuală în zone cu atmosferă curată, la

mare distanţă de surse antropice, conţine, pe lângă componentele naturale nevariabile, două

grupe de componente: variabile şi foarte variabile.

Variabile Foarte variabile

Compusul Concentraţia Compusul Concentraţia (ppm) (ppm) Bioxid de carbon 240 în Ozon 0.01-0.05 creştere Metan 1.6 în NO2 aprox.10-2 creştere Monoxid de carbon 0.11 în NO aprox.10-2

creştere Hidrogen 0.56 Acid azotic aprox.10-3 Oxid azotos-N2O

(protoxid de azot) 0.3 în NH3 aprox.10-2 creştere

103

Sulfura de carbonil (COS) 0.5x10-3 SO2 aprox.10-3 Clorofluorocarboni (CxFyClz) 0.3x10-3 H2S aprox.10-4

în creştere

Se constată deci abateri îngrijorătoare ale compoziţiei atmosferei actuale faţă de cea

normală.

Alături de compuşii gazoşi, în atmosferă există vapori de apă şi aerosoli naturali (polen,

spori, microorganisme, praf cosmic, praf terestru, cenuşi vulcanice, sare marină, cristale de

gheaţă) şi antropici (pulberi organice şi anorganice, aerosoli lichizi).

Poluanţii atmosferici se prezintă sub două forme: gaze şi aerosoli lichizi sau solizi.

După natura lor poluanţii sunt:

- produse biologice,

- substanţe chimice organice şi anorganice.

Sursele de poluare se clasifică în mai multe categorii după următoarele criterii:

- origine

- formă

- mobilitate

- înălţime

- regim de funcţionare

- tip de activitate

a. După origine:

- surse naturale

- surse antropice

Surse naturale şi poluanţii lor specifici:

- omul şi animalele - prin procese fiziologice se evacuează viruşi, CO2

- plantele - fungi, polen, substanţe organice şi anorganice

- solul - viruşi, pulberi (că urmare a eroziunii) - apa, în special cea marină - aerosoli încărcaţi cu săruri (cloruri, sulfaţi)

- descompunerea materiilor

organice vegetale şi animale- metan, H2S, NH3

- vulcanismul - cenuşă, compuşi de S, oxizi de N şi de C

104

- incendiile maselor vegetale - cenuşă, oxizi de S, N, C şi HCl

- descărcările electrice (fulgerul, trăsnetul) - O3

- furtunile de praf - praf terestru

Surse antropice:

b.1. După forma:

- surse punctuale - jetul de gaze este evacuat printr-un sistem de dirijare (coş, conductă) cu o gură de evacuare în atmosfera liberă ale cărei dimensiuni sunt neglijabile în comparaţie cu

topografia zonei; - surse liniare - caracterizate printr-o dimensiune în plan orizontal (o stradă sau o şosea

circulată, grup de surse punctuale), cu emisie constantă ca valoare şi ca înălţime;

- surse de suprafaţă - caracterizate prin arii ale căror dimensiuni nu pot fi neglijate în

comparaţie cu dimensiunile zonei de amplasare (de exemplu: o reţea foarte densă de căi de trafic,

un oraş privit ca sursă de poluare a zonelor din jur, un cartier de locuinţe cu încălzire proprie

privit de la scara oraşului etc.);

- surse de volum - caracterizate prin emisii în cele trei dimensiuni.

Emisiile de la sursele liniare de suprafaţă şi de volum se exprimă, de regulă, în cantitate

de poluant pe unitatea de lungime, suprafaţă şi respectiv, volum.

b.2. După mobilitate:

- surse fixe (staţionare)

- surse mobile: autovehicule, locomotive, vapoare, avioane.

b.3. După înălţime: (înălţimea faţă de nivelul solului la care se face evacuarea

poluanţilor)

- surse la sol

- surse joase: h < 50 m

- surse medii: 50 < h < 150 m

- surse înalte: h > 150 m

b.4. După regim de funcţionare:

- surse continue - funcţionare continuă în timp, în perioade medii sau lungi (zile, luni,

sezon):

- emisie constantă

- emisie variabilă (de exemplu o centrală termică funţionând cu diferiţi

combustibili)

105

- surse intermitente - funcţionare cu întreruperi semnificative ca durată (ore, zile)

- surse instantanee - emisia are loc într-un interval foarte scurt de timp (de regulă de ordinul

minutelor), după care ea încetează (în această categorie se înscriu în special accidentele

industriale).

Din punct de vedere al modelării matematice, sursele continue (constante sau variabile) şi

intermitente se tratează ca surse continue pentru fiecare interval de timp în care emisia este

constantă.

b.5. După tipul de activitate

Această clasificare este importantă pentru cunoaşterea poluanţilor caracteristici fiecărei

activităţi. În lipsa măsurătorilor de emisii - situaţia cea mai frecvent întâlnită - pentru

determinarea debitelor masice de poluanţi evacuaţi în atmosferă se utilizează aşa-numiţii factori

de emisie ( sau emisii specifice ) stabiliţi prin bilanţuri tehnologice.

Principalele tipuri de activităţi şi poluanţii lor caracteristici sunt:

- arderea combustibililor fosili ( cărbune, produse petroliere, gaze naturale ) în surse fixe:

CO2, CO, SOx, NOx, pulberi, N2O, compuşi organici volatili (COV);

- traficul : CO, NOx, N2O, pulberi, COV, Pb ( în cazul folosirii benzinei cu Pb ), SOx (în

cazul folosirii motorinei);

- petrochimie : COV, NOx, SOx

- chimie anorganică şi organică: gamă foarte largă de poluanţi, specifici fiecărui profil de

producţie;

- metalurgie primară feroasă ( pulberi cu conţinut de Fe, SOx, NOx, COV ) şi neferoasă

(pulberi cu conţinut de metale grele (Pb, Cd, As, Zn ), SOx, NOx );

- industria materialelor de construcţii: pulberi, CO, CO2, NOx, SOx, F (industria sticlei );

- extracţia, transportul şi distribuţia petrolului, produselor petroliere şi ale gazelor

naturale: hidrocarburi;

- agricultura : NH3, NOx, CH4, pesticide;

În plus sunt de menţionat:

- Producerea şi utilizarea substanţelor reducătoare ale stratului de ozon

stratosferic:

- clorofluorocarburi

- halonii

106

- tetraclorura de carbon

- metilcloroformul

- hidroclorofluorocarburi

- hidrobromofluorocarburi

Domeniile de utilizare sunt: industria frigului, instalaţii de climatizare, pompe de căldură,

industria materialelor de construcţie expandate, producerea aerosolilor, realizarea mediului de

sterilizare, etalonarea aparaturii, solvenţi organici, agenţi de curăţire, adezivi, stingerea

incendiilor.

9.2. Metode actuale pentru măsurarea concentraţiilor substanţelor poluante ale aerului

Metodele de măsură a gazelor poluante diferă în funcţie de: tipul gazului, domeniul de concentraţii, locul de măsură, metoda de lucru: prin prelevare de probe sau "in situ", timpul de măsură, modul de prelucrare (cuplare la computer sau microcontroller). Fiecare metodă de măsură prezintă avantaje şi dezavantaje specifice, iar utilizatorul

trebuie să aleagă tipul optim în aplicaţia dată. În cazul sistemului portabil şi autonom de

monitorizare a calităţii aerului următoarele cerinţe sunt imperative:

1. dimensiunea de gabarit (pentru a fi portabil);

2. consumul de energie electrică (pentru a putea fi alimentat de la baterie sau autonom);

3. posibilitatea de cuplare la microcontroller şi/sau computer;

4. timp de măsură de ordinul minutelor, fară prelevare;

5. tipul şi numărul de gaze ce pot fi măsurate;

6. selectivitatea senzorului.

Tipurile de senzori comerciali care se utilizează la analiza aerului sunt următorii:

9.2.1. Măsurarea conductivităţii electrice

a. Senzorii cu semiconductori

Senzorii utilizaţi sunt realizaţi pe un semiconductor stabil chimic (SnO2), fără metale

interstiţiale, nu are modificări cristalografice până la temperaturi aproape de punctul de topire

(funcţionează la sute de grade Celsius).

Mărimea ce variază cu concentraţia de gaz este rezistenţa (conductivitatea) internă.

Variaţia acesteia are loc pe mai multe decade.

Semiconductorul SnO2 amorf este din punct de vedere stoichiometric, un izolator cu

banda interzisă de 4eV. Datorită existenţei vacanţelor de oxigen, el prezintă o structură de

107

semiconductor n. În atmosfera oxidantă, la temperaturi mai mari de 200o C, se chemoabsoarbe pe

suprafaţă oxigen, astfel încât, în zonele de suprafaţă apare o rezistenţă mai mare decât în volum.

Apar, deci, zone conductoare, izolate unele de altele, prin structuri foarte rezistive. Prezenţa unui

gaz reducător la suprafaţa semiconductorului, determină o reacţie chimică între acest gaz şi

oxigenul chemoabsorbit pe stările de suprafaţă, reacţie care are loc cu eliberare de purtători

electrici, ceea ce face ca rezistenţa stratului semiconductor să scada. Relaţia care se stabileşte în

această situaţie este o relaţie de dependenţă neliniară între rezistenţa stratului semiconductor şi

concentraţia gazului incident pe suprafaţa senzorului. După îndepartarea gazului reducător de la

suprafaţa semiconductorului, rezistenţa acestuia revine la valoarea iniţială datorită recombinării

purtătorilor.

Selectivitatea pentru un gaz anumit se obţine prin doparea foarte bine controlată a

semiconductorului cu Pd.

Semiconductorul amorf SnO2 este depus pe un suport de ceramică şi încălzit, pentru a

ajunge la regimul de funcţionare, prin intermediul unui filament de aur sau platină. Structura

astfel formată este montată pe o ambază de material plastic şi protejată cu un capac prevăzut cu o

sită de oţel inoxidabil de 100 Mesh. Pinii dispozitivului astfel format sunt din Ni sau COVAR.

Senzorii funcţionează la temperaturi de 100 - 400 oC, din următoarele motive:

- rezistenţa stratului semiconductor la nivele uzuale de concentraţii să fie 10 - 100 kOhm;

- variaţia rezistenţei stratului semiconductor cu concentraţia să fie ridicată;

- dependenţa de temperatura ambiantă să fie minimă.

Această temperatură este asigurată prin existenţa unui filament de încălzire în imediata

vecinătate a cipului semiconductor.

Curba de calibrare a unui senzor cu SnO2 este o relaţie de tipul Rs/Ro=f(C) în care Rs este

rezistenţa senzorului în prezenţa gazului reducător, iar Ro este rezistenţa etalon a senzorului într-

un punct de concentraţie dată.

Senzorii cu SnO2 au următoarele avantaje, datorită cărora pot fi utilizaţi în sistemul dat:

1. Pot fi microminiaturizaţi şi dispuşi în matrici de senzori;

2. Au dimensiuni de gabarit reduse, chiar dacă nu sunt microminiaturizaţi;

3. Suportă temperaturi ridicate;

4. Incluşi în module pot fi cuplaţi la computer sau microcontroller;

5. Pot detecta foarte multe tipuri de gaze;

6. Au timpi de răspuns mici.

108

Senzorii cu semiconductori prezintă însă şi dezavantaje ce trebuie compensate în sistem:

1. Au caracteristici neliniare (dar, după ce sunt calibraţi, această caracteristică se compensează

soft);

2. Sunt sensibili la temperatură şi umiditate ( se compensează prin includerea unui termistor în

schema de polarizare şi prin soft);

3. Anumiţi senzori sunt sensibili la mai multe gaze (se compensează cu matrici de senzori şi

soft).

Senzorii cu semiconductori sunt produşi de firmele japoneze Figaro Engineering Inc.

(FIGARO, 1992) şi FIS Inc. (FIS, 1995). Gazele care pot fi detectate cu senzorii produşi de

aceste firme sunt: CO, H2, NH3, O2, O3 , H2S, CFC, CL2, Nox, acooli, gaze combustibile.

Aceleaşi firme produc şi sisteme de detecţie, pentru un singur gaz, cu aceşti senzori. Gama de

detecţie este dată în tabelul 9.1. Timpii de răspuns sunt de ordinul minutelor, deci se pot efectua

mai multe măsurători pe oră. Majoritatea modulelor din sistem vor include senzori cu SnO2, fie

separat, fie incluşi în matrice de senzori.

b. Senzori electrochimici

Senzorii electrochimici sunt cei mai larg folosiţi senzori comerciali.

Un senzor electrochimic (Fig. 9.1a.) include o celulă electrochimică, formată din doi

electrozi şi un electrolit. Gazul patrunde în incintă printr-o membrană, este absorbit în filmul de

electrolit, pe suprafaţa electrodului de lucru, unde produce o reacţie redox. Electrodul de lucru

poate fi anod sau catod, după tipul reacţiei (de oxidare sau reducere). La electrodul de numărare

se produce o reacţie complementară, astfel încât rezultă un curent exterior I de forma:

I=nFaDC/δ ,

unde n - numărul de electroni pe mol de gaz

F - constanta Faraday

a - aria electrodului de lucru

D - coeficientul de difuzie al gazului

C - concentraţia gazului (mol)

δ - grosimea stratului de difuzie

109

Fig. 9.1a - Schema de principiu a senzorului electrochimic

Se observă că acest curent este proporţional cu concentraţia de gaz incident C, deci senzorul

electrochimic are o caracteristică liniară mărime de ieşire (curent electric) - concentraţie de

măsură. Constanta de proporţionalitate (care dă sensibilitatea senzorului) depinde de parametrii

interni ai senzorului şi de tipul de gaz. Selectivitatea senzorilor se obţine prin schimbarea

electrolitului, a electrodului de lucru şi a catalizatorului introdus în electrolit. Senzorii cu celulă

electrochimică sunt destinaţi a sesiza multiple substanţe gazoase, printre care: oxigen, clor,

hidrogen sulfurat, ozon, brom, compuşi ai azotului, amoniac, oxid de carbon s.a.

Foarte multe firme produc senzori electrochimici. Gama cea mai largă de senzori

electrochimici o produce firma ENMET Analytical Instruments (ENMET, 1995). Firma

FIGARO Engineering Inc. produce un tip special de senzor electrochimic pentru oxigen. Pentru

a mări timpul de viaţă al senzorului se introduce un recipient cu electrolit de capacitate sporită,

dar pentru ca oxigenul să nu difuzeze în întregul volum (lucru ce ar duce la scăderea

sensibilităţii) se introduce un element spongios. Pentru compensarea variaţiei cu temperatura se

introduce un termistor, în serie cu o rezistenţă de sarcină, iar mărimea măsurată este o tensiune

(Fig. 9.1b.). Firma FIS produce senzori electrochimici cu trei electrozi, pentru a se măsura într-o

metodă potenţiometrică (în punte, Fig. 1c.).

Fig. 9.1b - Senzor electrochimic ENMET ANALYTICAL

110

Fig. 9.1c - Senzor electrochimic FIS

Senzorii electrochimici pot fi de difuzie (gazul difuzează printr-o membrană) sau cu

aspiraţie, cu ajutorul unei pompe. Toţi senzorii cuplaţi la o pompă sunt incluşi în aparate de

laborator sau de monitorizare fixe. Firmele Messgerate fur Rauchgasse und Umweltschutz

Gmbh. (MRU, 1996), Servomex (SERVOMEX, 1995), Industrielle Mes- und Regelsysteme fur

Umwelttechnologie (IMR, 1996), SCOTT (SCOTT, 1996), LI-COR Inc. (LI-COR, 1994),

SENSIDYNE Inc. (SNSIDYNE, 1997) produc sisteme complexe de monitorizare a gazelor toxice

(majoritatea sisteme fixe) cu senzori electrochimici.

9.2.2. Măsurarea absorbţiei radiaţiilor electromagnetice

b. Detectori ce utilizează măsurători spectrometrice, la diferite lungimi de undă

Măsurătorile spectrometrice de detectare a maximelor de absorbţie ale diferitelor gaze sunt foarte

cunoscute. Măsurătorile spectrometrice prezintă numeroase avantaje:

1. Se pot măsura practic toate gazele;

9. Prezintă sensibilitate ridicată;

3. Pentru o lungime de undă dată se măsoară un singur gaz, deci selectivitatea este net superioară

oricărui tip de senzor.

Firma Environmental Technologies Group, Inc. produce un sistem de monitorizare a aerului ce

include un spectrometru FTIR (Fourier Transform Infrared) (ENVIRONMENTAL, 1997).

Spectrele de absorbţie sunt analizate cu o bibliotecă de programe rezidentă în computer. Un

spectrometru mobil poate fi transportat pe teren.

Firma CDS Analytical Inc. produce aparate ce includ computer propriu pentru analiza

apei şi a aerului (CDS, 1997), bazate pe detecţia maximelor de absorbţie.

Dezavantajele metodei sunt însă extrem de imperative: a. Sunt extrem de scumpe;

b. Timpul de măsură poate fi de ordinul orelor;

111

c. Aparatura este foarte sofisticată, necesitând operatori specializaţi;

d. Este staţionar, având dimensiuni mari de gabarit.

Rezultă că acest tip de măsurători nu se vor folosi în sistemul portabil.

Variante ale metodei spectrometrice se aplică la măsurarea unui singur gaz, rezultând un

senzor mult mai simplu. Firma Combustion and Environmental Monitoring (LAND, 1996)

produce un senzor de oxid de carbon bazat tot pe metode de absorbţie a radiaţiei infraroşii (Fig.

9.2). Radiaţia infraroşie produsă de sursa 1, trece iniţial printr-un gaz (inclus în roata 2) cu

concentraţie de oxid de carbon cunoscută (gaz etalon). Filtrul 7 lasă să treacă doar radiaţia de

lungimi de undă în zona de absorbţie a oxidului de carbon. Detectorul 8 măsoară la momente de

timp diferite, radiaţia ce trece prin gazul etalon şi radiaţia ce trece prin gazul de măsură. Metoda

elimină astfel erorile datorită prafului din gaz.

Firma Edinburgh Sensors produce senzori pentru diferite gaze (CO2, CO, CH4) bazate tot

pe absorbţia în infrarosu (EDINBURGH, 1997). Senzorii cuprind o sursă de infraroşu (Fig.9.3),

filtre şi doi detectori. Cele două filtre din faţa detectorilor sunt pentru două lungimi de undă

diferite. Unul din filtre lasă să treacă o radiaţie la care gazul de măsurat absoarbe radiaţia, iar

celălalt lasă să treacă o lungime de undă la care acest gaz nu absoarbe radiaţia. Raportul dintre

semnalele date de cele două detectoare da valoarea concentraţiei gazului de măsură. Absorbţia pe

alte particule (de praf de exemplu) se efectuează egal pe cele două trasee şi este astfel eliminată.

Fig. 9.2 - Senzor cu absorbţie în IR COMBUSTION AND ENVIRONMENTAL MONITORING

Fig. 9.3 - Senzor cu absorbţie în IR EDINBURGH SENSORS

112

9.2.3. Măsurarea conductivităţii termice

c. Senzori ce măsoară conductivitatea termică a gazului

Schema bloc a unui senzor ce măsoară conductivitatea gazului este dată în Fig. 9.4.

Senzorul include două camere, una de referinţă şi una de măsură. Două seturi de filamente

încăzite sunt incluse în cele două camere ale blocului de control al temperaturii: unul în camera

de etalonare şi unul în camera de măsură. Filamentele se vor încălzi în funcţie de conductivitatea

gazului din incintă. Detectorii din cele două incinte sunt introduşi într-o punte, pentru creşterea

sensibilităţii şi stabilităţii. Detectorii sunt alimentaţi de la o sursă de curent constant (cu acelaşi

curent). Semnalul de dezechilibru al punţii este proporţional cu variaţia concentraţiei gazului. În

camera de măsură se poate introduce, pentru verificare, un gaz de calibrare.

Fig. 9.4 - Senzor pentru măsurarea conductivităţii termice

9.2.4. Măsurarea altor mărimi fizice care caracterizează comportarea gazelor

d. Senzori speciali: detectori de oxigen, de hidrogen sulfurat, compuşi de azot etc.

Firma Systech Instruments Ltd. (SYSTECH, 1997) utilizează ca detector de oxigen o celulă de

ceramică din zirconiu de mare puritate. Celula funcţionează la o temperatură de 650 oC,

rezultând o tensiune electromotoare proporţională cu presiunea parţială a gazului.

Firma Del Mar Scientific (DEL MAR, 1997) realizează un senzor de hidrogen sulfurat

CHEMFILM bazat pe metode fizico-chimice bazate pe colorimetrie analitică.

Pentru măsurarea compuşilor azotului se poate utiliza chemiluminescenţa. În timpul reacţiei de

oxidare a oxidului de azot cu ozon se emite o radiaţie luminoasă ce poate fi măsurată. Firma

Environnement S.A. produce un detector de compuşi NOx de mare selectivitate, bazat pe această

metodă. Detectorul este portabil, dar include un sistem relativ complex (pompe, filtre, camera de

reacţie,s.a.) (ENVIRONNMENT, 1994).

113

9.2.5. Măsurarea dimensiunilor particulelor în suspensie în gaze

Senzori pentru particule în atmosferă

Casella London Limited (CASELLA, 1997) realizează senzori de particule în atmosferă, bazate

pe măsurători în infraroşu. Radiaţia infraroşie străbate camera de măsură prin care trece gazul de

analizat. În funcţie de indicele de refracţie al particulelor şi cantitatea de particule, radiaţia este

deviată mai mult sau mai puţin, scăzând iluminarea totală a detectorului optic (al radiaţiei

infraroşii).

Firma Environnement S.A. (ENVIRONNEMENT, 1994) realizează un senzor de particule în

atmosferă utilizând o sursă slabă de radiaţii beta - Fig. 9.5. Radiaţia transmisă este funcţie de

praful depus pe banda - filtru.

Fig. 9.5 - Senzor în IR pentru măsurarea concentraţiei de particule ENVIRONMENT S.A.

114

Tabel 9.1 -Tipuri de aparate şi sisteme de măsură pentru gaze Nume Tip Firma Gaz Concentraţii Observaţii Bibl.

Flue gasanalyser MRU DELTA 2000

Senzori electrochimici

MRU Messgeräte für Rauchgase undUmweltschutz GmbH

CO O2

Nox SO2

0-21% 0-10000 ppm 0-2000 ppm 0-4000 ppm

portabile cuplabile la PC

(MRU, 1994)

Digital GasDetection and Alarm Systems

detectori dedifuzie electrochimici

SCOTT O2COSO2gaze combustibileH2SCl2

0-25 % 0-200 ppm 0-20 ppm 0-100 % 0-100 ppm 0-10 ppm

sistem modular (SCOTT, 1996)

Multi-Gas Monitor

catalytic combustible sensor

Bacharach O2gaze combustibileCOH2S

0-25 %0-100 % LEL0-999 ppm0-200 ppm

(BACHARACH, 1995)

Gas Analysis Eauipment

senzori electrochimici

IMR GmbH O2 CO SO2 NOx NO2 H2S

0-20.9 % 0-6000 ppm 0-4000 ppm 0-2000 ppm 0-100 ppm 0-200 ppm

portabile cuplabile la PC

(IMR, 1996)

Sensor Systems

SMC (Sierra Monitor Corporation)

gaze combust.H2S, CO, CO2, Cl2, NH3, H2, SO2, NO2, NO, HCN, HCl, O2

100 % LEL

cuplabile la PC (SMC, 1997)

Gas LeakDetector

solid state thermal conductivity sensor

GEO/NATIONAL GAS TECHNOLOGY

fosfinadiboransilanH2

0.6 ppm0.7ppm0.3-10 ppm5-100 ppm

- portabil- cu alarmă

(GEONATIONAL, 1997)

115

Systems forToxic Gases

celule galvanice cu membrană

ENMET ANALYTICAL

Cl2H2SHCNHClSO2HFO3CONO2NH3freon (23,116)

0-3 ppm0-10ppm0-30 ppm0-15 ppm0-15 ppm0-9 ppm0-0.3 ppm0-500 ppm0-15 ppm0-75 ppm0-50 ppm

- modular - cuplabil la PC

(ENMET, 1995)

Analizoare de gaze

traductor dezirconiu, unităţi infraroşii şi paramagnetice

Servomex Ltd. O2, CO, H2S, NO, SO2, Cl2, NO2, gaze explozive

- modulare-variante portabile- cuplabile la PC

(SERVOMEX, 1995)

Gas Monitoring Electrochemical sensors Photoionization detector

MultiRae O2 CO VOC H2S SO2, Cl2 NO2 gaze combust.

0 - 30 % 0 -250 ppm 0 - 2000 ppm 0 - 100 ppm 0 - 100 % LEL

- portabile - cu alarmă

(MULTIRAE, 1997)

Gas Sensors Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors Electrochemical Gas Sensors

FIS CH4 solvenţi CO H2 H2 CO H2S SO2 NO NO2 Cl2 O3 O2

500-10000 ppm 10-5000 ppm 10-3000 ppm 1-100 ppm 0-2000 ppm 0-300 ppm 0-500 ppm 0-500 ppm 0-2000 ppm 0-10 ppm 0-10 ppm 0-3 ppm 2-100 % VOL

- cuplabile la PC - modulare

(FIS, 1995)

116

Gas ControlSystem

Land combustion O2, CO, SO2, NOx, CxHx, NH3, H2SO4

- prelevareprobe- modulare

(LAND, 1996)

Gas detection eauipment

GRIMM O2COSO2CH4, NH3, H2, NO, NOx, SO2, H2S, HCl, Cl2, R22

0-21 % 0-80 ppm 0-20 ppm

- cuplabil la PC (GRIMM, 1994)

Programmable multi-gas analyser

thermal conductivity sensoroxygen detection cell

Systech Instruments

H2, He, CO2, CH4, CO,N2O2

0.01-100 % VOL

(SYSTECH, 1997)

H2S detection analytical colorimetry

DEL MAR Scientific H2S 0-1 ppm 0-300 ppm

- cuplabil la PC - portabil

(DEL MAR, 1997)

Gas analysers electrochemical cell

Kane-May CONONO2SO2

0-2000 ppm0-1500 ppm0-500 ppm0-500 ppm

(KANE-MAY, 1997)

Toxic GasDetection Systems

diffusion typeelectrochemical sensors

SENSIDYNE NH3 CO2 Cl2 H2 HCl H2S SO2

1-100 ppm 1000-10000 ppm 0-100 ppm 0-4 % VOL 0-100 ppm 1-100 ppm 0-100 ppm

- modulare - cuplabile la PC

(SENSIDYNE, 1997)

Gas analyzer UV fluorescent optical infrared measurement chemiluminescent analyzer

Environnment s.a. SO2 CO NO, NOx

10 ppb-10 ppm 0.5 -100 ppm 10 ppb-20 ppm

- cuplabil la PC (ENVIRONNMENT, 1994)

Gas Analyzer non-dispersive infrared type

LI-COR CO2 0-3000 ppm (LI-COR, 1994)

117

Air monitoring systems

FTIR remotesensor

Environnmental Technologies Group Inc.

numeroase gaze

(ENVIRONNMENTAL, 1997)

Infra-red gassensors

non dispersiveinfra-red sensors (NDIR)

Edinburgh Sensors Ltd.

CO2CH4CO

0-5000 ppm0-1%, 0-100%0-10%, 0-100%0-10%

(EDINBURGH, 1997)

Gas analyzers UV / NDIRanalyzer

Air Instruments & Measurements Inc.

NOx, SO2, O3, CO-CO2, HCl, HF, NH3

(AIR, 1997)

Chromato-graphic Analyzer

Analizor spectrometric

CDS AnalyticalInc.

compuşi organici volatili

- cuplat lamicrocontroller- prelevare probe

(CDS, 1997)

Aerosol Monitoring System, Gas Detection

împrăştiere înIR

Casella LondonLtd.

aerosoligaze poluante

0-200 mg/m3 - cuplabil la PC (CASELLA, 1997)

Gas sensors senzori cu SnO2 Figaro Engineering Inc.

MetanH2CO NH3 H2SAlcoolCFC RHNOx

500 - 10000 ppm 50 - 1000 ppm 50 - 1000 ppm 30 - 300 ppm 5 - 100 ppm 50 -5000 ppm 100 - 3000 ppm 10 - 3000 ppm

- se include în modul cuplabil la PC

(FIGARO, 1992)

118

119

Curs 10 - Metode de măsurare a concentraţiilor substanţelor aflate în soluţie

10.1. Metodologia generală de măsurare a concentraţiilor substanţelor aflate în soluţie

Indiferent de starea de agregare a substanţei care se află dizolvată în apă şi a cărei

concentraţie trebuie măsurată, metodologia generală de măsurare are două etape:

1. Etapa de precondiţionare chimică

În cadrul acestei etape substanţa a cărei concentraţie trebuie măsurată este adusă, prin

intermediul uneia sau mai multor reacţii chimice, în stadiul în care concentraţia ei poate fi

măsurată cu una din metodele de măsurare ce va fi descrisă mai jos, sau cu altele descrise

de literatura de specialitate.

nnnnnn1n

2222221

111111

BeYdAcY

BeYdAcYBeYdAcX

+⇒+•

+⇒++⇒+

−

Dacă, de exemplu, substanţa X a cărei concentraţie trebuie măsurată prin metoda

spectrometrică nu are o absorbţie semnificativă în domeniul de lungimi de undă care ne este

disponibil, atunci, printr-o succesiune de reacţii chimice, este transformată în substanţa Yn a

cărei concentraţie poate fi măsurată cu uşurinţă în domeniul de lungimi de undă care ne este

disponibil. Folosind relaţiile dintre coeficienţii stoichiometrici ci, di şi ei, determinăm şi

concentraţia substanţei X.

Această metodă se aplică în multe din măsurătorile poluanţilor solului pentru că

măsurarea concentraţiilor substanţelor aflate în soluţie este mai uşoară decât cea a

substanţelor aflate în stare solidă. De asemenea, ea este folosită în multe situaţii pentru

identificări de tip sau chiar de concentraţii, în cazul reacţiilor care dau naştere la precipitate.

2. Etapa de măsurare a concentraţiei

În această etapă se stabileşte o relaţie directă între o mărime fizică (M) ce caracterizează

substanţa a cărei concentraţie trebuie măsurată, sau substanţa corespunzătoare rezultată din

etapa de precondiţionare, şi concentraţia acesteia (C):

120

)C(fM =

Unele metode măsoară direct mărimea M, iar altele măsoară variaţia acesteia. Existenţa unei astfel de relaţii permite calibrarea metodei de măsură. Această procedură implică măsurarea mărimii fizice M (transmisie optică, conductivitate electrică, etc.) pentru câteva (cel puţin 5) probe de substanţă ale căror concentraţii sunt foarte bine cunoscute. Rezultatul este curba de calibrare a metodei (Fig. 10.1).

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

Cerneala

Tran

smita

nta

(%)

Concentratia (mg/l)

Fig. 10.1 – Curba de calibrare a metodei de măsură

Această curbă de calibrare este folosită, în continuare, pentru măsurarea probelor recoltate din mediu. Mărimea fizică M este măsurată pentru fiecare probă de substanţă, concentraţia acestora fiind determinată din curba de calibrare printr-o metodă de interpolare.

10.2. Metoda spectrometrică

Când o radiaţie luminoasă monocromatică cu lungimea de undă λ trece printr-o substanţă

aflată în forma de agregare solidă, lichidă sau gazoasă, intensitatea radiaţiei transmise prin proba

de substanţă este dată de legea Bouger – Lambert – Beer:

( ) ( ) ( ) ( )λ−λ−λ=λ absrefl0trans IIII

unde

121

( ) ( ) (λλ=λ 0refl IRI )

este intensitatea radiaţiei reflectate pe proba de substanţă, iar

ul de absorbţie, x este grosimea probei de substanţă, V este volumul acesteia,

iar C(λ) este concentraţia substanţei care absoarbe radiaţia de lungime de undă λ. În toate

ţiei incidente. Înlocuind în prima relaţie

obţinem

D

lungimea de und λ şi raportul dintre

intensitatea radiaţ

În Fig. 10.2 este prezentat Lumina alba emisă

este intensitatea radiaţiei absorbite în probă. R(λ) este coeficientul de reflexie, α(λ) este

coeficient

( ) ( ) ( ) ( )VxC0bs eI λλα

aI −λ=λ

relaţiile de mai sus I0(λ) este intensitatea radia

din care se poate obţine expresia concentraţiei

0trans ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]VxCeR1II λλα−−λ−λ=λ

( ) ( )( ) ( )[ ] ( )

( )λλ−λ−λ

λα 0

trans0

IIR1I

xV1

−=λ lnC

in această ultimă relaţie se poate trage concluzia că, pentru o substanţă care are absorbţie la

ă , există o relaţie biunivocă între concentraţia acesteia

iei transmise Itrans(λ) şi a celei incidente I0(λ).

ă configuraţia unui spectrometru (HACH, 1992).

Fig. 10.2 – Schema de principiu a spectrofotometrului

122

de un bec cu incandescenţă este trimisă, prin intermediul unui sistem de oglinzi, pe o prismă

triunghiulară care o descompune în radiaţii monocromatice. O fantă mobilă selectează radiaţia de

ă de un fotodetector situat după

robă şi este legată de concentraţia probei aşa cum arată ultima relaţie de mai sus.

O altă variantă a acestei metode este metoda colorimetrică în care prisma este înlocuită

ină realizarea unor reacţii chimice de tip redox care determină ţia conductivităţ aginea unui conductivimetru (HACH, 1993) de cantitatea de substanţă a probei din cauza dim

Fig. 10.3 – Conductivimetrul

lungime de undă dorită, care este trimisă pe probă, unde este absorbită de proba a cărei

concentraţie trebuie măsurată. Radiaţia transmisă este măsurat

p

cu un filtru de culoare, păstrându-se schema optică şi electrică.

10.3. Metoda conductivimetrică

În cadrul acestei metode mărimea fizică ce caracterizează proba de măsurat, fiind legată printr-o relaţie biunivocă de concentraţia acesteia, este conductivitatea electrică. Prezenţa substanţei poluante în soluţie determ

, la rândul lor, crearea sau distrugerea de electroni liberi, realizându-se, deci, variaii electrice a probei. În Fig. 10.3 este prezentată im

. Se observă că principală restricţie a metodei este legatăensiunii sondei.

123

10.4. Măsurarea acidităţii Această metodă este asemănătoare cu metoda conductivităţii, deosebirea constând în

care

este

. 10.4 – pH – metru portabil

10.5. Măsurarea turbidităţii

faptul că prezenţa unei substanţe poluant în soluţie determină crearea ionilor pozitivi sau negativi modificând nivelul de aciditate al probei. Mărimea care se măsoară este pH – ul, o mărimecaracterizează nivelul de poluare al componentei de mediu. În Fig. 10.4 este prezentat pH – metrul (HACH, 1994). Se observă că şi în această probă cantitatea minimă de probădeterminată de dimensiunea sondei.

Fig

124

Această metodă este folosită pentru măsurarea cantităţii de suspensii solide în apă. Principiul metodei este prezentat în Fig. 10.5 (HACH, 1995).

Fig. 10.5 – Schema de pricipiu a turbidimetrului

Radiaţia luminoasă emisă de un bec cu incandescenţă ajunge, prin intermediul unui sistem de lentile convergente, pe proba în care se află suspensia solidă în apă. Radiaţia incidentă este împrăştiată de particulele de praf din probă. Doi fotodetectori măsoară radiaţia transmisă prin probă, respectiv radiaţia împrăştiată la 90o de praful din apă. Raportul acestor două intensităţi este legat de concentraţia particulelor de praf aflate în suspensie în probă.

125

Curs 11 – Sisteme portabile pentru măsurarea şi caracterizarea poluării

apelor şi solului

11.1. Sistemul portabil DREL/2000 pentru măsurarea şi caracterizarea calităţii apelor şi

solurilor (HACH, 1992a)

Generaţia actuala de sisteme de măsurare a calităţii apelor şi solurilor realizează,

simultan, două nivele de performanţă: are precizia aparaturii de laborator din generaţia

precedentă şi este construită într-o manieră robustă, rezistentă la condiţiile de lucru în mediul

înconjurător, putând face măsurători, la fel de exact, în locul de recoltare a probelor, ca şi în

sistemul laboratorului. Aparatele ce intră în componenţa acestor laboratoarea sunt realizate în

variante ultra compacte ceea ce face ca întreg sistemul să fie portabil.

În Fig. 11.1 este prezentat laboratorul portabil pentru măsurarea calităţii apelor şi

solurilor DREL/2000 produs de compania americana HACH. Acest laborator portabil este în

dotarea multor unităţi industriale din ţara noastră şi, de asemenea, în dotarea Agenţiei Naţionale

de Supraveghere a Mediului din România.

Fig. 11.1 – Laboratorul portabil DREL/2000 pentru măsurarea calităţii apelor şi solurilor

126

Dăm mai jos structura acestui laborator precum şi specificaţiile tehnice ale fiecărui aparat.

Specificaţii tehnice

DREL/2000 Laborator portabil pentru teste de sol şi calitatea apei

Dimensiuni

Cutia instrumentului 57 x 31 x 26 cm

Cutia soluţiilor chimice 57 x 31 x 22 cm

Greutate Aprox. 31 kg

DR/2000 Spectrofotometru

Monocromator Prismă Littrow, optică asferică

Sursă luminoasă Cu filament de tungsten, cu gaz

Detector Fotodiodă pe siliciu cu îmbunătăţire la UV

Lungime de undă Domeniu: 400 – 900 nm; Acurateţe: ± 2 nm; Rezoluţie ± 1 nm

Bandă la 600 nm, 12 ± 2 nm

Fotometrie Linearitate, ± 0,002 A (0 – 1 A 500 nm, modul constant – on);

Reproductibilitate, +/- 0,005 A (0 – 1 A, modul constant – on)

Dimensiuni 22 x 24 x 11 cm

Greutate 2 kg

Tensiune de alimentare Selectabilă 110 / 220 V, 50 / 60 Hz, sau acumulator

Ieşiri RS-232 serial (imprimantă opţional); 0 – 1 V analog

pH metru portabil

Domeniu pH, -1,99 la 19,99 unităţi pH; milivolţi 0 la ±1999 mV;

Temperatură, -5 la 105 oC

Acurateţe relativă pH, 0,01 pH; Milivolţi, ± 0,1 % din citire, ± -0,2 mV;

Temperatură, ± 0,5 oC

Rezoluţie pH, 0,01 pH; Milivolţi 0,1 mV (0 la ± 999,9 mV), 1 mV (± 1000

mV la 1999mV); Temperatură, 0,1 oC

Temperatură

Domeniu de operare 0 la 50 oC (ambient)

Domeniu de stocare -40 la 60 oC (electrodul depus în atmosferă uscată)

Compensare (modul pH) Automatic sau manual

127

Impedanţa de intrare (la 25 oC) mai mare de 1012 ohm, 5 x 1012A curent de polarizare

Electrod Model 44200-01 Electrod de pH Hach cu referinţă Ag/AgCl şi

senzor de temperatură; conector BNC

Alimentare Baterie tip “J” de 6 V

Display LCD uzual

Dimensiuni 23 x 9 x7 cm

Greutate 0,6 kg

Aparat pentru măsura conductivităţii/TDS

Domeniu Conductivitate, 0 – 199,9 µ S/cm, 0 - 1,999 mS/ cm, 0 – 19,99

mS/cm; TDS, 0 – 199,9 mg/L, 0 – 1,999 g/L; Temperatură 0 – 100 oC

Acurateţe Conductivitate, ±1 % din citire +/-2 lsd; TDS ±1 % din citire plus

± 2 lsd pe cele mai joase domenii, ±2 % din citire plus +2 lsd pe

domeniul 0 – 19,99 g/L; Temperatură ±0,5 oC de la 0 la 100 oC

Rezoluţie Conductivitate, 0,1 µ mS/cm, TDS, 0,1 mg/L; Temp. 0,1 oC

Temperatură

Domeniu de stocare -40 oC la 60 oC

Domeniu de funcţionare 0 la 50 oC (ambient)

Domeniul probei 0 la 100 oC

Compensare Automat de la 0 la 100 oC; 2%/oC peste 25 oC

Alimentare 4 baterii de tip AA, pt. Aprox. 100 h

Dimensiuni (cutie) 25,4 x 19,0 x 10,2 cm

Greutate 1,02 kg

Aşa cum se poate observa din specificaţia tehnică prezentată mai sus, greutatea întregului sistem de măsurare este de 31 kg, ceea ce îl face uşor transportabil într-o maşină de teren care poate ajunge până la locul măsurătorii. De asemenea, laboratorul portabil este dotat cu tot setul de vase şi ustensile de laborator chimic necesare pentru recoltarea şi precondiţionarea chimică a probelor. Spectrometrul este precalibrat pentru măsurarea concentraţiei unui numar de 120 de substanţe care au absorbţie în domeniul spectral al aparatului, precum şi cu toate programele de interpolare corespunzătoare acestor calibrări, astfel încât concentraţia probelor măsurate este

128

afişată în timp real şi în unităţile corespunzătoare. Celelalte aparate care echipează sistemul dispun de aceleaşi facilităţi. Dăm mai jos lista testelor pe care le poate realiza acest laborator portabil.

Proceduri de analiză a apei Testul Metoda/Precondiţionare chimică Domeniul (mg/l)

Alkalinitate Titrator digital/Acid sulfuric 0 – 100/0 – 1000

Calciu Titrator digital/EDTA 0 – 100/0 – 1000

Cloraţi Titrator digital/Nitrat mercuric 0 – 100/0 – 1000/1000 – 20000

Clor, liber şi total DR 2000/DPD 0 – 2.0

Cupru DR 2000/Porfirina 0 – 210 * 10-3

Fluor DR 2000/SPADNS 0 – 2.0

Greutate, total Titrator digital/EDTA 0 – 100/0 – 1000

Fier, total DR 2000/FeroVer 0 - 3.0

Plumb DR 2000/LeadTrak 0 – 150*10-3

Mangan DR 2000/P.A.N. 0 – 0.7

Azot, Azotaţi DR 2000/Reducţie cu Cd 0 – 30.0

Oxigen, Dizolvat DR 2000/HRDO 0 – 13

pH pH metru cu electrod Hach 0 – 14 pH unitaţi

One pH

Fosfor, Reactiv DR 2000/Acid ascorbic 0 – 2.5

Sulfaţi DR 2000/SulfaVer 4 0 – 65.0

Sulfiţi Titrator digital/Iodimetric 0 – 1000

Ozon, Low range DR 2000/Indigo trisulfonat 0 – 0.25

Ozon, High range DR 2000/Indigo trisulfonat 0 – 0.75

Tanin – Lignin DR 2000/Tyrosina 0 – 0.9

Zinc DR 2000 0 – 2.0

Proceduri de analiză a solului Test Metoda/Precondiţionare chimică Domeniul Fertilizator Calcul (SMP Buffer Chart) 0 – 15 tone/ac; 0 – 34 kg/ha

Azot, Amoniac Extracţie apoasă/Nesslerizaţie 0 – 500 lb/ac (0 – 560 kg/ha)

0 – 250 ppm N

Azot, Azotaţi Extracţie apoasă/Reducţie cu Cd 0 – 100 lb/ac (0 – 112 kg/ha)

129

0 – 50 ppm

pH, pastă Pastă saturată/electrod 0 – 14 unităţi pH

pH, apă 1:2.5 apos/electrod 0 – 14 unităţi pH

pH, buffer 1:2.5 apos/SMP Buffer Chart 5 – 7.7 unităţi pH

Fosfor Extracţie cu acid fluorhidric/ 0 – 300 lb/ac (0 – 336 kg/ha)

Mo albastru 0 – 150 ppm

Fosfor Extracţie cu bicarbonat/Mo albastru 0 – 150 lb/ac (0 – 168 kg/ha)

0 – 70 ppm P

Potasiu Extracţie cu acid fluorhidric/ 0 – 1000 lb/ac (0 – 1120 hg/ha)

Tetrafenilborat 0 – 500 ppm K

Această listă poate fi lărgită prin achiziţionarea de kit – uri suplimentare pentru operaţiunea de precondiţionare chimică. Laboratorul portabil este dotat cu un manual complet de instrucţiuni de măsurare care face ca oricare dintre teste să poată fi realizat de un nespecialist, prezenţa chimistului specialist în măsurători de chimie analitică nemaifiind neapărat necesară.

11.2. Sistemul portabil CEL 700 de măsurare şi caracterizare a calităţii apei (HACH, 1992b)

O variantă mai simplă de laborator portabil, în care spectrometrul DR 2000 este înlocuit cu colorimetrul DR 700, este laboratorul portabil CEL 700 care este prezentat în Fig. 11.2. Laboratorul portabil CEL 700, cu dimensiunile 57 x 31 x 26 cm şi 19.21 kg, conţine următoarele instrumente: - colorimetrul DR 700 echipat cu un set de filtre cu lungimile de undă: 420, 450, 480, 500,

525, 550, 575, 610, 690 şi 810 nm;

- titrator digital;

- conductivimetru portabil;

- pH – metru portabil tip HACH One;

- kit – uri cu reactivi şi aparatură chimică pentru 27 de teste de calitate a apei;

- manual de instrucţiuni pas cu pas în care, pentru fiecare tip de test, sunt date următoarele

informaţii;

1. Numele procedurii

2. Domeniul de măsurare cu unităţile de măsură

3. Numarul de identificare al metodei

4. Tipul de probă de analizat

130

5. Aprobarea din partea EPA (U. S. Environmental Protection Agency)

6. Principiul metodei de analiză folosite

Fig. 11.2 – Sistemul portabil CEL 700 pentru măsurarea calităţii apei şi solurilor

7. Secvenţa de taste de pe computerul aparatului 8. Configuraţia display – ului după fiecare apăsare 9. Informaţii adiţionale 10. Ilustrarea fiecărei etape a secvenţei de lucru 11. Bibliografie

Dăm mai jos lista testelor de calitate a apei ce se pot efectua cu laboratorul portabil CEL 700.

Test Domeniul de măsură Aciditate 200 – 4000 mg/l Alcalinitate 100 – 4000 mg/l Bromuri 0 – 8.0 mg/l Bioxid de carbon 100 – 1000 mg/l Cloruri 100 – 8000 mg/l Clor liber 0 – 2.0 mg/l Clor total 0 – 3.5 mg/l Crom hexavalent 0 – 1000 mg/l

131

Culoare aparentă 0 – 500 unităţi Conductivitate 0 – 199.9 µS/cm 0 – 1.999 mS/cm 0 – 19.99 mS/cm Cupru 0 – 5.0 mg/l Greutate 100 – 4000 mg/l Iod 0 – 12.5 mg/l Fier total 0 – 0 – 5.0 mg/l Mangan (HR) 0 – 20.0 mg/l Azot, amoniac 0 – 3.0 Azot, azotaţi (HR) 0 – 30 mg/l Azot, azotaţi (LR) 0 – 0.05 mg/l Azot, azotaţi (LR) 0 – 0.35 mg/l pH 0 – 14 unităţi pH Fosfor, reactiv 0 – 2.5 mg/l Fosfor, total N/A Silicaţi, LR 0 – 2.0 mg/l Sulfaţi 0 – 100 mg/l Sulfiţi 0 – 0.6 mg/l Solide dizolvate (total) 0 – 199.9 mg/l 0 – 1.999 mg/l 0 – 19.9 mg/l

Se observă că majoritatea testelor efectuate cu laboratorul portabil DREL 2000 sunt posibil de efectuat şi cu CEL 700, dar în alte domenii de concentraţii.

132

Curs 12 - Sisteme de monitorizare şi măsurare în timp real a poluării

mediului înconjurător

12.1. Probleme legate de monitorizare

Monitorizarea calităţii mediului înconjurător este o problemă relativ nouă care a fost

impusă cercetătorilor atât de agenţiile guvernamentale care se ocupă de protecţia mediului, cât şi

de producătorii industriali. Agenţiile guvernamentale doresc o supraveghere permanentă a

mediului pentru a putea preveni dezastrele ecologice şi pentru a putea stabili cât mai corect

responsabilităţile în situaţii de poluare majoră, iar producătorii industriali doresc o evidenţă cât

mai precisă a emisiilor poluante pentru a şti la ce amenzi se pot aştepta. O idee mai recentă

(Cotigaru, 1994), valabilă mai ales pentru ţările în curs de dezvoltare, leagă reducerea poluării de

creşterea eficienţei proceselor tehnologice. Supravegherea emisiilor poluante creează, astfel, o

imagine alternativă asupra reducerii consumurilor, fiind, deci, o sursă de câştig pentru

producătorii industriali.

Una din aplicaţiile care se dezvoltă de câţiva ani este cea de sisteme de monitorizare în

timp real a calităţii aerului. Experienţa acumulată în monitorizarea calităţii aerului din zone

închise nu poate fi folosită în întregime în monitorizarea calităţii aerului din mediul înconjurător

din cauza diferenţelor care există între cele două medii. În cazul aerului interior din zone de

locuit, monitorizarea calităţii aerului se reduce, de regulă, la supravegherea temperaturii, a

umidităţii şi la instalarea şi supravegherea alertelor de fum şi a celor pentru gaze toxice, care ar

putea proveni din activităţile care se desfăşoară în aceste locuri, în general CO şi CH4. Cum, în

multe situaţii, aerul este condiţionat, procesul de monitorizare se transformă într-un proces de

supraveghere şi control. În cazul aerului interior din zonele în care se desfăşoară activităţi

industriale situaţia este, întrucâtva mai complicată, din cauză că sursele de contaminare sunt mai

numeroase decât în prima situaţie, ele fiind totuşi cunoscute, atât ca tip, cât şi ca nivel de

concentraţie. Monitorizarea calităţii aerului din aceste zone înseamnă, în primul rând, instalarea,

supravegherea şi controlul alertelor de incendiu, explozie şi gaze toxice şi chiar controlul strict al

temperaturii, umidităţii şi nivelului de desprăfuire, în cazul camerelor curate.

În cazul monitorizării calităţii aerului din zone deschise, complicaţia majoră faţă de

zonele închise constă în aceea că, în vreme ce o zonă închisă este, în general vorbind, ferită de

conactul cu exteriorul sau de contactul cu alte zone închise, o zonă deschisă este puternic

influenţată de poluarea din alte zone deschise, unele fiind situate la mare depărtăre. Aceasta se

133

întâmplă din cauza puternicei circulaţii atmosferice din troposferă. Este binecunoscut cazul

accidentului nuclear de la Cernobâl, când contaminarea radioactivă a fost resimţită până în Italia,

Franţa şi Suedia, datorită fenomenelor de circulaţie atmosferică pe continentul european.

O altă complicaţie este datorată faptului că, datorită influenţelor din alte zone, într-o zonă

deschisă pot să apară poluanţi diferiţi de cei emişi de sursele aflate în acea zonă. Acest lucru se

întâmplă datorită reacţiilor chimice care au loc între poluanţii specifici zonei şi cei sosiţi din alte

zone datorită circulaţiei atmosferice. În aceste condiţii, configurarea unui sistem de monitorizare

a calităţii aerului devine deosebit de dificilă, atât în ceea ce priveşte selectivitatea senzorilor, cât

şi în ceea ce priveşte nivelele de detecţie. Configurarea nivelelor de detecţie este îngreunată şi de

variaţia nivelelor de poluare datorată variaţiilor sezoniere ale parametrilor atmosferici.

Una dintre cele mai dure situaţii în care se află procesul de monitorizare a calităţii aerului

din mediul încojurător este aceea legată de funcţionarea continuă a sistemului de monitorizare în

spaţii deschise, neprotejate. Problemele ridicate de această situaţie sunt următoarele:

(i) absenţa oricărei posibilităţi de alimentare cu energie electrică din reţeaua de 220 V/50 Hz

Această restricţie impune, pentru toate componentele sistemului de monitorizare,

folosirea unor variante cu consum redus de energie electrică sau/şi folosirea unor surse continue

de energie electrică cât mai performante.

(ii) transmisia fară fir a datelor achiziţionate de sistemul de monitorizare catre unitatea centrală

Această restricţie impune existenţa, în locul unde se face măsurătoarea, a unui subsistem

de procesare, gestionare şi transmitere, continuă sau periodică, a datelor, spre deosebire de

monitorizarea calităţii aerului din zonele închise, unde acest subsistem nu este necesar,

transmisia datelor făcându-se pe fir, de regulă în curent 4-20 mA.

(iii) funcţionarea sistemului de monitorizare în condiţii severe de mediu

Dacă sistemele de monitorizare a calităţii aerului din zone închise funcţionează în

condiţii normale de temperatură şi umiditate, în cazul monitorizării calităţii aerului din mediul

înconjurător, gama de temperatură trebuie extinsă în domeniul - 25 oC ÷ +70 oC, umiditatea

relativă putând ajunge până la 95%. Această restricţie impune o încapsulare adecvată (de regulă

într-o tehnologie de nivelul aplicaţiilor militare sau chiar spaţiale), atât pentru componente, cât şi

pentru întregul sistem şi, de asemenea, o miniaturizare cât mai pronunţată a componentelor

sistemului de monitorizare.

În sfârşit, dar nu în cele din urmă, configuraţia software a sistemului de monitorizare

devine, din cauzele prezentate mai sus, deosebit de complexă, şi, deci, dificil de realizat. Dacă,

134

în cazul monitorizării calităţii aerului din zone închise, afişarea parametrilor de calitate a aerului

la locul măsurătorii, împreună cu instalarea unor alarme acustice şi/sau optice, este suficientă,

existând posibilitatea ca un operator sau un control automat să intervină imediat în caz de

necesitate, în mediul înconjurător operatorul lipseşte. Mai mult, faptul că datele se centralizează

departe de locul măsurătorii, impune elaborarea unor programe adecvate de transmisie şi recepţie

a datelor, precum şi de gestionare a acestora.

Primul obiectiv care trebuie realizat în cadrul unui asemenea proiect este acela de

configurare a aplicaţiei de monitorizare în timp real a calităţii aerului din mediul încojurător.

Deşi astfel de încercări sunt, până acum, relativ puţine la numar (SMC, 1997, ENMET, 1995, Air,

1997, Casella, 1997), astfel încât am putea să ne luăm o libertate mare de investigare,

considerăm că este mai corect, din punctul de vedere al posibililor beneficiari, să restrăngem

câmpul investigaţiilor numai la ceea ce oferă standardele în vigoare. Din acest motiv ne vom

referi numai la concepte, definiţii, proceduri şi metode descrise în standardele româneşti şi

standardele ISO din domeniul protecţiei calităţii aerului.

Definiţia standardizată a calităţii aerului este următoarea (Standard 1995):

"Calitate a aerului - Stare a aerului definită de ansamblul caracteristicilor sale cantitative şi

calitative."

Această definiţie nu poate motiva, singură, necesitatea dezvoltării unei aplicaţii de

monitorizare în timp real a calităţii aerului. Motivaţia apare atunci când luăm în considerare şi

efectele pe care le are un anumit nivel de calitate a aerului asupra mediului înconjurător, atât

asupra fiinţelor, cât şi asupra componentelor antropice. Din această perspectivă, există două

seturi de parametri a căror evoluţie influenţează evoluţia componentelor mediului încojurător:

- parametrii meteorologici, adică temperatura şi umiditatea aerului, viteza şi direcţia vântului,

tipul şi nivelul precipitaţiilor;

- parametrii chimici, adică nivelul concentraţiilor acelor substanţe care formează grupa

constituenţilor minori ai troposferei (McEwan, 1975).

Primul set de parametri este monitorizat de aproape 100 de ani de către reţele locale şi

regionale de staţii de măsurare care acoperă, practic, toată planeta. De peste 30 de ani acestora li

s-a adăugat o reţea de sateliţi meteorologici (cei mai numeroşi fiind cei de tipul NOA) care,

împreună cu reţelele terestre, realizează predicţia pe termen scurt, mediu şi lung a valorilor

acestor parametri, semnalând, cu suficientă precizie (aprope în timp real), şi situaţiile de alertă şi

alarmă: secetă, inundaţii, uragane.

135

Al doilea set de parametri este cel care formează obiectul acestei aplicaţii. Orice depăşire

a nivelului natural al concentraţiilor constituenţilor minori ai troposferei (CO2, CO, CH4, oxizi

de azot, compuşi cu sulf, plumb, azot şi clor, aerosoli, etc.) este în măsură să afecteze, fie direct,

fie mediat (ploi acide, efectul de seră, subţierea stratului de ozon), starea de sănatate a oamenilor

şi evoluţia componentelor mediului înconjurător (plante, animale, ape, sol sau componente

antropice) pe termen scurt, mediu şi lung. Cauzele variaţiilor concentraţiilor acestor constituenţi

minori ai troposferei sunt, de cele mai multe ori, antropice, dar şi cauzele naturale au aceleaşi

efecte sau chiar efecte cu mult mai mari (erupţiile vulcanice), în special datorită timpilor de

relaxare care sunt foarte lungi. Aceste fenomene, indiferent de cauzele care le produc, sunt

fenomene de poluare.

Aşadar, de aici înainte, prin monitorizarea calităţii aerului din mediul încojurător vom

înţelege monitorizarea nivelului de poluare a aerului din mediul înconjurător sau, mai exact,

măsurarea, în timp real, a concentraţiilor unora dintre constituenţii minori ai troposferei şi/sau a

unora dintre substanţele introduse în troposferă ca urmare a activităţilor antropice. Valorile

parametrilor meteorologici, necesare pentru realizarea predicţiilor asupra evoluţiei nivelului de

poluare, vor fi luate din datele şi prognozele meteorologice locale şi regionale sau, dacă este

neapărat necesar, vor fi măsurate de o singură staţie pentru toată zona ce urmează a fi

monitorizată.

Obiectivele monitorizării în timp real a poluării aerului sunt stipulate în standardul

ISO/TR 4227:1989 (Standard ISO, 1989).

(a) Determinarea faptelor

Aceasta înseamnă selectarea tipurilor de substanţe a căror evoluţie va fi urmărită în

cadrul procesului de monitorizare, precum şi măsurarea concentraţiilor acestora în interiorul unor

intervale de timp prestabilite care depind, în general, de performanţele sistemelor de detecţie.

(b) Diagnostic

Aceasta revine la realizarea unui sistem de monitorizare capabil să semnaleze, în timp

real, toate situaţiile care preced depăşirea concentraţiilor limită admise, adică situaţiile de alertă

şi de alarmă, precum şi a situaţiilor în care aceste concentraţii sunt depăşite.

(c) Predicţie

Acest obiectiv se referă la capacitatea sistemului de monitorizare de a descrie modul de

variaţie a concentraţiilor poluanţilor din zona monitorizată în funcţie de setul de parametri

meteorologici şi se realizează în cadrul softului de interpretare a datelor.

136

12.2. Tipurile de substanţe ce trebuiesc detectate

Tipurile de substanţe ce trebuiesc detectate în timpul monitorizării în timp real a nivelului

poluării atmosferice sunt deduse ca urmare a unui compromis realizat între necesitate şi

posiblitatea de realizare a dezideratului. Astfel, pentru a realiza cunoaşterea completă a nivelului

de poluare atmosferică al unei zone, este necesară cunoaşterea concentraţiilor tuturor

constituenţilor minori ai troposferei, prezentate în tabelul 12.1, precum şi cunoaşterea tuturor

emisiilor în atmosferă determinate de activitatea antropică a zonei ce urmează a fi monitorizată.

Această cunoaştere este, însă, limitată drastic atât de faptul că cele mai multe procese

tehnologice nu sunt descrise atât de precis încât să ne permită cunoaşterea tuturor tipurilor de

emisii în atmosferă, cât, mai ales, de posibilităţile tehnologice de a realiza senzori care să ne

permită detectarea tuturor acestor substanţe sau, în orice caz, detectarea lor la nivelele de alertă şi

de alarmă ecologică.

Tabelul 12.1 - Constituenţii minori ai troposferei (McEwan, 1987)

SPECIA CONCENTRAŢIA TIPICĂ (ppm)

H2O 10-1 - 102 Ne 1.82 x 10-1

CH4 1.5 x 10-2 Kr 1.14 x 10-2 O3 10-4

N2O 2 x 10-3 H2 5 x 10-7 CO 6 x 10-4 - 2 x 10-3 Xe 8.7 x 10-4

NO + NO2 5 x 10-6 - 2 x 10-4

Acest compromis este reflectat şi de standardul românesc, încă în vigoare, referitor la

calitatea aerului din zonele protejate (Standard 1987). Din tabelul 8.1, unde este dată lista

substanţelor poluante ale aerului ale căror concentraţii trebuiesc măsurate, pentru a caracteriza

nivelul de poluare al aerului din mediul înconjurător, se observă că lista cuprinde numai 28 de

componente de poluare a aerului, bioxidul de carbon, care este cauza principala a efectului de

seră, nefiind inclus. De asemenea, lipsesc din această listă freonii şi oxidul azotos (N2O) care

sunt consideraţi a fi principala cauză a subţierii stratului de ozon (Hofman D.J., 1995). Motivul

137

acestei omisiuni este acela că, la momentul elaborării standardului, metodele de detectare a

acestor substanţe erau fie neperformante pentru detectarea alertei ecologice (N2O), fie nu se

cunoştea valoarea concentraţiei de alertă (CO2, freoni). Pe de altă parte, toate metodele de

măsură de referinţă indicate în acest standard sunt metode de laborator, total nepotrivite pentru

monitorizarea în timp real, atât din punctul de vedere al performanţelor, cât şi al costurilor, care

sunt foarte ridicate, chiar pentru ţări dezvoltate. De altfel, aceste omisiuni se constată şi în

standardele europene care se limitează la a face recomandări în privinţa limitării emisiilor.

Metodele spectroscopice de bandă largă, cum este spectroscopia FTIR, care sunt metode

de laborator (chiar dacă au fost realizate sisteme portabile) au dificultăţi în identificarea tuturor

tipurilor de substanţe dintr-o probă de aer, iar metodele de detecţie de tip "remote sensing" (SAR

şi teledetecţie) au dificultăţi de interpretare a măsurătorilor şi de precizie în localizarea zonei de

monitorizare.

Prin urmare, într-o aplicaţie specifică de monitorizare a poluării aerului, în care ar trebui,

teoretic vorbind, detectate toate substanţele care sunt constituenţii minori ai troposferei, precum

şi toate emisiile care apar ca urmare a activităţilor antropice din zonă, va trebui să ne limităm,

din cauza gamei de senzori pe care o avem la dispoziţie, la un moment dat, precum şi din cauza

cunoaşterii limitate a efectelor acestor substanţe asupra mediului înconjurător, la detectarea

unora dintre substanţele reprezentative pentru efectele pe termen scurt, mediu şi lung asupra

mediului încojurător şi pentru care există senzori care pot fi incluşi într-un sistem de

monitorizare în timp real.

(a) Efecte pe termen scurt

Din această categorie fac parte gazele toxice şi combustibile (CO, CH4, NH3, H2S, H2,

etc.), precum şi fumul, ca avertizor de incendiu în ecosistemele naturale (păduri).

(b) Efecte pe termen mediu

Din această categorie fac parte oxizii de azot şi compuşii organici volatili (VOC), în

special fenolii. De asemenea este utilă realizarea unei alerte pentru pH-ul atmosferic, ca măsură

pentru ploile acide.

(c) Efecte pe termen lung

În această categorie intră freonii şi, cu restricţii datorită dificultăţilor de interpretare,

bioxidul de carbon.

Bineînţeles că, în cadrul unei aplicaţii specifice, această listă poate fi lărgită dacă există

posibilităţi de detecţie.

138

În ceea ce priveşte nivelele de detecţie care trebuie atinse, ele se situează întotdeauna sub

nivelul concentraţiilor limită, din cauza faptului că se monitorizează situaţiile de alarmă (10 %

din concentraţia limită) şi situaţiile de alertă (3 - 5 % din concentraţia limită). Pentru substanţele

care nu au definită o concentraţie limită, se monitorizează valoarea momentană, până la limita de

detecţie a senzorului.

12.3. Modul optim de locaţie în mediul înconjurător al subsistemelor şi eşantionarea

intervalelor de măsurare

Corectitudinea procesului de monitorizare a poluării aerului depinde în mod esenţial de

localizarea subsistemelor în teren, atât pe suprafaţă, cât şi în altitudine. Standardul ISO/TR

4227:1989 (Standard ISO, 1989) prevede trei modalităţi de localizare a subsistemelor de măsură

pe suprafaţa zonei de monitorizare: evaluare punctuală, evaluare în zona caroiată şi evaluare în

zona necaroiată. Deşi amplasarea punctelor de măsură poate fi dată de modelul de dispersie al

poluanţilor în atmosferă, care nu configurează decât liniile de isoconcentraţii la anumite distanţe

de sursele de emisie, standardul lasă libertatea de amplasare a punctelor de măsurare, mai ales

dacă acesta este situat departe de surse de emisie. În ceea ce priveşte altitudinea de amplasare a

punctelor de măsurare, standardul recomandă o altitudine de 3 m faţă de sol, dar, în anumite

situaţii, cum este aceea a evidenţierii efectelor poluării asupra copiilor, se acceptă şi amplasarea

punctelor de măsură la distanţă de 2 m faţă de sol.

În ceea ce priveşte eşantionarea intervalelor de măsurare, standardul ISO/TR 4227:1989

(Standard ISO, 1989) stabileşte trei modalităţi de eşantionare:

(a) Eşantionarea quasi-instantanee, în care măsurătoarea se face aleator, în cadrul unui interval

de timp mai mare (de regulă, 24 h).

(b) Eşantionarea programată pe o perioadă globală, în care măsurătoarea se face într-un interval

de timp prestabilit care se repetă de un număr de ori, de asemenea prestabilit, în interiorul unui

interval de timp mai mare. O astfel de procedură este stipulată în standardul românesc, încă în

vigoare, referitor la condiţiile de calitate ale aerului STAS 12574-87 (Standard, 1987).

Standardul prevede un interval de măsurare de 30 de minute la fiecare trei ore în timpul unui

interval de 24 de ore.

(c) Eşantionarea quasi-continuă, în care măsurătoarea se face în mod continuu, durata

intervalului de măsurare fiind determinată, în principal, de performanţele senzorului.

139

Pentru procesul de monitorizare a poluării aerului ultima modalitate de eşantionare a

intervalelor de măsurare este cea mai potrivită.

12.4. Caracteristici şi nivele de performanţă ale sistemelor de monitorizare în timp real a

calităţii aerului

Concepţia modernă asupra standardizării nu mai este atât de restrictivă în privinţa

certificării metodelor de măsurare a calităţii aerului, abordând o manieră mult mai constructivă

de a pune această problema. Standardul ISO 9169:1994 (Standard ISO, 1994), ultima referinţă

oficială în acest domeniu, stabileşte numai setul de caracteristici şi nivele de performanţă care

trebuie descrise pentru un aparat sau sistem de măsurare a calităţii aerului, fără a impune valori

limită. Vom prezenta mai jos o parte din acest set care este în directă legătură cu sistemele de

monitorizare. Deşi standardul este elaborat pentru sisteme de măsurare cu caracteristică de

calibrare liniară, cele mai multe din prevederile lui sunt valabile şi pentru sistemele neliniare

cum sunt microsistemele cu senzori cu semiconductoare.

Timpul mediu ∆θ este intervalul de timp predefinit pentru care calitatea aerului este considerată

reprezentativă. Relaţia care reprezintă media măsurătorii parametrului de calitate a aerului în

modul de eşantionare quasi-continuă este dată de relaţia

c d^ ^

/ /θ θθ

θ θ τθ

θ∆

∆b g b= z1

0

c g

θ

în care

θ θ θ τ0 = − <<∆ ∆,

În Fig. 12.1 este prezentată o schemă de principiu a modului de definire a timpului mediu pentru

sisteme de măsură care lucrează în regim de eşantionare quasi-continuă. În această figură

marimile ci sunt valorile parametrului de calitate a aerului, iar mărimile xi sunt valorile

corespunzătoare ale mărimii de ieşire a sistemului de măsură. De exemplu, pentru un sistem

echipat cu senzori cu SnO2 care măsoară concentraţii de poluant, ci sunt valorile acestor

concentraţii, iar xi sunt valorile de tensiune corespunzătoare care rezultă în urma măsurării.

Pentru sistemele care măsoară în regim de eşantionare quasi-continuă, timpul mediu este

considerat a fi de 4 ori timpul de răspuns al senzorului.

140

Fig. 12.1 - Modul de definiţie al timpului mediu pentru sisteme cu eşantionare quasi-continuă

Variabila de influenţă este acea variabilă care afectează relaţia dintre valoarea adevărată a

parametrului de calitate a aerului şi valoarea rezultată din măsurătoare. Valori de influenţă

uzuale în măsurătorile de concentraţii ale poluanţilor aerului sunt temperatura şi umiditatea

relativă a aerului la locul măsurătorii

Condiţiile de referinţă sunt acel set de variabile de influenţă (inclusiv toleranţele) care determină

valori reprezentative ale caracteristicilor de performanţă ale sistemului de măsurare (condiţiile

limită absolută).

Perioada de operare neasistată este intervalul de timp maximum admisibil pentru care

caracteristicile de performanţă ale sistemului de măsurare rămân în interiorul unui domeniu

predefinit, fără servicii externe (calibrări, ajustări, înlocuiri de componente, etc.). De exemplu,

pentru un senzor electrochimic cu membrană perioada de operare neasistată este de maximum 6

luni (intervalul de timp la care trebuie înlocuită membrana), în vreme ce pentru un senzor cu

SnO2 este de 10 ani.

Timpul de încălzire este timpul minim de aşteptare pentru că sistemul de măsurare să ajungă,

după pornire, la valoarea de regim în condiţii de operare. De exemplu, un senzor cu SnO2 care

nu a fost folosit niciodată ajunge, după pornire, la valoarea de aer curat, după un interval de timp

de trei zile, în vreme ce, acelaşi tip de senzor folosit cu intermitenţe, ajunge la valoarea de aer

curat după 3-5 ore.

Procedura de calibrare este metoda experimentală de stabilire a relaţiei funcţionale dintre

parametrul de ieşire al sistemului de măsurare şi parametrul calităţii aerului care este măsurat.

Acest standard impune, pentru stabilirea acestei relaţii funcţionale, efectuarea a cel puţin 10

141

măsurători repetate, la cel puţin 5 valori diferite ale caracteristicii calităţii aerului care se

măsoară. În urma procedurii de calibrare rezultă funcţia de calibrare a sistemului de măsurare X f C= ( )

şi funcţia analitică a sistemului de măsurare C g X= ( )

Cele două funcţii sunt funcţii inverse. Pentru caracterizarea nivelului de performanţă al acestei

caracteristici a sistemului de măsurare trebuie cunoscută stabilitatea funcţiei de calibrare, care

este dată de deviaţia standard a parametrului de calitate a aerului care se măsoară

s x x N Ni ijj

ijj

i i= ∑ − ∑FHGIKJ

L

NMM

O

QPP −

RS|T|

UV|W|

22 1 2

1/ /

/

b g

în care xij este al j-lea semnal de ieşire la o valoare dată a lui ci şi Ni este numărul de valori le

semnalului de ieşire la o valoare dată a lui ci. Trebuie cunoscută, de asemenea, dependenţa

funcţiei de calibrare de variabilele de influenţă.

Limita superioară de măsurare este valoarea maximă a parametrului caracteristicii calităţii

aerului care se măsoară, confirmată de procedura de calibrare.

Proba zero este acea substanţă sau amestec de substanţe, cât mai asemănătoare cu proba de aer a

cărei caracteristică de calitate nu mai poate fi detectată de sistemul de măsurare.

Limita de decizie este acea valoare a semnalului de ieşire în jurul căreia se poate afirma cu o

probabilitate de cel puţin 95%, că proba măsurată este diferită de proba zero.

Limita de detecţie este acea valoare a parametrului caracteristicii aerului care se măsoară, alocată

deciziei limită folosind curba de calibrare. În Fig. 12.2 este prezentată grafic relaţia dintre limita

de decizie şi limita de detecţie.

Fig. 12.2 - Modul de definiţie al limitei de detecţie

142

12.5. Cerinţe care trebuie îndeplinite de sistemele de monitorizare în timp real a poluării

aerului

Avem acum posibilitatea de a formula cerinţele pe care trebuie să le îndeplinească un

sistem de monitorizare în timp real a poluării aerului. Pentru a putea îndeplini aceste cerinţe,

sistemul de monitorizare trebuie să aibă anumite caracteristici constructive şi nivele de

performanţă ale acestora, care decurg din metodologia de monitorizare. Este necesar să

subliniem încă o dată caracterul "elastic" al acestor prevederi, datorat faptului că, o aplicaţie de

monitorizare în timp real a poluării aerului nu poate avea nici un caracter de generalitate, ea fiind

puternic dependentă de natura şi dimensiunile emisiilor şi de specificităţile ecogeografice şi

antropice ale zonei în care se monitorizează poluarea.

Dăm mai jos, în tabelul 12.2, lista cerinţelor care trebuie îndeplinite de un sistem de

monitorizare în timp real a poluării aerului din mediul înconjurător, împreună cu caracteristicile

constructive care rezultă din acestea.

Tabelul 12.2. - Cerinţe şi caracteristici constructive

CERINŢE CARE TREBUIE ÎNDEPLINITE CARACTERISTICI CONSTRUCTIVE Acoperire cât mai bună a zonei în care se realizează monitorizarea

- Structura modulară

Localizare cât mai stabilă în punctele de măsurare prestabilite

- Dimensiuni de gabarit cât mai reduse- Fiabilitate ridicată

Măsurare cât mai exactă a concentraţiilor poluanţilor aerului preselectaţi şi a variaţiilor rapide ale acestora

- Limită de detecţie cât mai coborâtă - Limită superioară de măsurare mai mare decât limită maximă a domeniului de măsurare a poluantului - Timp de răspuns cât mai mic - Cunoaşterea exactă a dependenţei caracteristicii de calibrare de variabilele de influenţă

Realizarea unei alerte rapide a situaţiilor critice - Prelucrare şi gestionare primară a datelor măsurate la locul măsurătorii- Transmisie de date digitale cu o frecvenţă de eşantionare a transmisiei quasi-continuă

Perioada de operare neasistată cât mai mare - Stabilitate mare a curbelor de calibrare - Fiabilitate ridicată a componentelor şi a încapsulării

Independenţă energetică - Alimentare autonomă cu energie electrică- Consum de energie electrică cât mai redus

Lucrul în condiţii severe de mediu - Realizarea unei încapsulări robuste care să realizeze o izolare cât mai bună la umiditate- Toate componentele sistemului trebuie să funcţioneze în gama extinsă de temperatură şi umiditate

Aceste cerinţe nu pot fi îndeplinite de senzorii electrochimici cu membrană sau de

senzorii utilizaţi de metodele optice, în special din cauza cerinţei de lucru în condiţii severe de

143

mediu şi a cerinţei de perioadă de operare neasistată mare. Nici senzorii cu semiconductoare de

dimensiuni macroscopice nu pot fi utilizaţi întotdeauna în asemenea sisteme datorită faptului că

au un consum relativ mare de energie electrică şi din cauză că, din cauza dimensiunilor de

gabarit, nu pot realiza o localizare stabilă.

Se poate constata, de asemenea, că cerinţa de realizare a unei alerte rapide impune ca

subsistemul component al sistemului de monitorizare în timp real a poluării aerului să fie condus

de un microcontroller, adică să fie "inteligent".

12.6. Metodele de tip remote sensing

Metodele de tip remote sensing sunt metode ce includ aparatura cea mai evoluată şi foarte

costisitoare care sunt instalate pe platforme ale unor sateliţi artificiali. Iniţial aceste programe

aveau ca scopuri principale urmărirea parametrilor climatici la nivelul planetei şi la nivel

regional (sateliţii din familia NOA) şi operaţiuni de cartografiere a planetei. Programele care se

referă la supravegherea planetei au în vedere determinarea concentraţiilor de gaze în atmosfera

înaltă (de obicei în stratosferă) şi urmărirea evoluţiei acestor concentraţii pe suprafeţe întinse.

Sistemele şi măsurătorile utilizate sunt incluse în programe internaţionale, destinate

supravegherii poluării zonale a Terrei şi evoluţiei acesteia în spaţiu şi timp. Multe din aceste

programe se ocupă de măsurători ale poluanţilor ce distrug pătura de ozon. Câteva din metodele

utilizate sunt date în tabelul 12.3.

144

Tabel 12.3 -Tipuri de sisteme pentru măsurători de tip "remote sensing"

Tip Gaze Înalţime Concentraţii Bibl. MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) airplane instrument, infrared emission

CIONO2, HNO3, O3, NO2

15-30 km Bloom, 1995

Atmosferic absorption spectra, FTIR spectrometer

O3, N2O, CH4,CFC-12, HF, NO2, HNO3, HCl, ClONO2

2.1-3*1015

molec/cm2

Blumenstock, 1995

Differential optical absorption spectroscopy

O3, N2O 2165 m 3.3-7.7*1016

molec/cm2

Bonasoni, 1995

Airborne submillimeter SIS radiometer

N2O, O3, HCl, ClO De Valk, 1995

Grating spectrometer NO2 >10 km Elokhov, 1995 Visible spectrometer NO2,O3, N2O5,

HNO3, NOx 1.*1016-

17.*1016 cm-

2

Koike, 1995

FT grating spectrometer UV/VIS

O3, NO2, O4, H2O Notholt, 1995

FTIR ( Fourier Transform Infrared Spectrometer), balloon-born MIPAS

O3, H2O, HCl Oelhaf, 1995

Se observă că majoritatea sistemelor folosesc principii de măsurare bazate pe metode

spectrometrice. Sursele de radiaţie sunt, în general, interne (Bloom, 1995, Elokhov, 1995) (surse

UV sau IR), în majoritatea cazurilor se utilizează însă radiaţia solară sau lunară (Blumenstock,

1995, Koike, 1995, Notholt, 1995). Analiza maximelor de absorbţie se face în regiunile UV

(Notholt, 1995), VIS (Koike, 1995, Notholt, 1995), sau IR (Blumenstock, 1995, (Oelhaf, 1995).

Pentru mărirea rezoluţiei se folosesc metode diferenţiale (Bonasoni, 1995).. Analiza de tip

"Fourier Transform", utilizată mai de mult doar în combinaţie cu analiza în infraroşu (FTIR) se

utilizează acum şi în vizibil şi ultraviolet (Notholt, 1995). Rezoluţiile spectrometrice sunt de

ordinul 0.0035 cm-1. Se utilizează şi metode de măsurare a emisiei termice a atmosferei (de Valk,

1995) cu detectoare de microunde (625 - 686 Ghz). Aceste sisteme sunt amplasate pe avioane

supersonice (Blom, 1995), baloane speciale (Oelhaf, 1995) sateliţi sau la institute specializate

(Elokhov, 1995).

Gazele ce se măsoară sunt: CIONO2, HNO3, O3, NO2, H2O, HCl, N2O3, ClO.

Concentraţiile măsurate sunt de ordinul 1015 - 1017 mol/cm2.

Sisteme similare care folosesc aceleaşi metode de detecţie pot face investigaţii care

acoperă o arie largă de aplicaţii: monitorizarea dezastrelor (incendii de pădure, erupţii vulcanice,

145

inundaţii), evoluţia temperaturii oceanelor şi a dinamicii valurilor, evoluţia recoltelor pe

suprafeţe mari, evoluţia pădurilor ecuatoriale şi a taigalei, căutarea persoanelor dispărute,

prospecţii petroliere şi mineraliere, detectarea poziţiei oamenilor şi navelor maritime, etc.

De exemplu, programul de măsurători al satelitului ENVISAT – 1 (DaimlerChrysler,

1999), lansat de Comunitatea Europeană în cadrul unui program recent de supraveghere a Terrei,

monitorizează, folosind 12 tipuri de echipamente din domeniul spectrometriei UV – VIS – NIR –

IR, a spectrometriei Doppler şi cu microunde, următoarele categorii de parametri de calitate ai

mediului înconjurător:

Atmosferă Nori

Umiditate

Fluxuri de radiaţie

Temperatură

Urme de gaze

Aerosoli

Uscat Temperatura suprafeţei

Caracteristicile vegetaţiei

Elevarea suprafeţelor

Ocean Culoare

Temperatura suprafeţei apei

Topografia suprafeţei

Turbiditate

Caracteristicile valurilor

Geoidul marin

Gheaţă Extindere şi tipuri

Acoperirea cu zăpadă

Topografie

Temperatură

În cadrul unui program similar dezvoltat recent de NASA (NASA, 1997), satelitul EOS

(Earth Observing System), monitorizeză cu 5 echipamente din domeniul spectrometric, radar şi

al detecţiei cu microunde, următoarele categorii de parametri de calitate ai mediului:

146

Atmosferă Aerosoli

Temperatura aerului

Nori

Radiaţie

Vapori de apă

Uscat Temperatura uscatului

Folosirea terenurilor

Ocean Productivitate biologică

Temperatură

Gheţuri Evoluţia gheţarilor

Gheţuri marine

Acoperirea cu zăpadă

Dezastre naturale Incendii

Erupţii vulcanice

Poluare Emisii în atmosferă

Deşi sunt încă dificil de utilizat datorită complexităţii şi dificultăţilor de obţinere,

prelucrare şi interpretare a imaginilor şi au, încă, costuri ridicate, nivelul de accesibilitate al

acestor programe a crescut mult în ultimii 5 – 10 ani, datorită dezvoltării tehnologiilor de

construire, lansare, plasare pe orbită, precum şi a posibilităţilor de intervenţie şi reglaje, mai ales

datorită dezvoltării generaţiilor succesive de navete spaţiale din programul NASA.

147

Curs 13 - Metode de control a calităţii mediului înconjurător

13.1. Metode de control local

Poluarea antropică are loc în urma activităţilor din sistemele industriale şi agricole şi ca

urmare a activităţilor din amenajările umane. Rezultă, deci, că cea mai eficientă modalitate de

control a poluării antropice este cea de la sursă. Această modalitate se poate utiliza atât în scop

preventiv, înainte ca poluarea să aibă loc, cât şi după ce poluarea s-a produs, în direcţia

diminuării acesteia.

(a) Controlul surselor de poluare antropică

(a1) Cunoaşterea tuturor surselor de poluare ale zonei (unitate industrială, agricolă, amenajare de

locuit) şi a caracteristicilor acestora (tipul şi cantitatea emisiei, caracteristicile constructive ale

sursei)

În cadrul acestei etape se inventariază toate secvenţele tehnologice în care se produc

deşeuri sub formă de emisii în aer, apă şi depuneri pe sol în formă solidă (halde de steril de la

exploatări miniere, nămoluri din tăbăcărie sau din staţiile de epurare a apei, depuneri de substaţă

solidă pe sol). Trebuie cunoscute tipul, caracteristicile chimice şi fizice şi locul de destinaţie

finală al poluantului (aer, apă, sol).

(a2) Predicţia asupra răspândirii emisiilor poluante în mediu (modele de difuzie ale poluanţilor în

aer, modele de contaminare a apei şi a solului)

În cadrul acestei etape se estimează aria de răspândire a poluanţilor în jurul surselor de

poluare inventariate mai sus, precum şi valorile locale ale concentraţiilor acestor poluanţi.

(a3) Blocarea sau diminuarea emisiilor prin instalarea de filtre, staţii de epurare a apei,

minimizarea suprafeţelor de depozitare a deşeurilor solide.

Este o metodă care se foloseşte ca urmare a constatării unei poluări în mediu şi are ca

scop diminuarea emisiilor la sursa de poluare, acolo unde acest lucru este posibil. De exemplu,

dacă se constată o poluare crescută a aerului a cărei sursă este un coş cu înălţimea de 300 m, nu

vom putea instala, la acea înălţime, un filtru decât cu costuri financiare şi tehnologice foarte mari

aşa că este foarte probabil să nu putem folosi această metodă.

(b) Controlul tehnologiilor de realizare a produselor

(b1) Respectarea strictă a instrucţiunilor tehnologice este o cale sigură de reducere a poluării

deoarece este evident că, orice abatere de la instrucţiunile tehnologice are ca urmare creşterea

consumurilor de materii prime, materiale şi energie şi, deci, o creştere corespunzătoare a

148

emisiilor poluante. Nerespectarea intstrucţiunilor tehnologice poate determina, de asemenea,

producerea unor accidente care au drept urmare creşterea accentuată a poluării pe termen scurt.

(b2) Menţinerea, în orice moment, a instalaţiilor tehnologice la parametrii iniţiali de funcţionare

prin efectuarea reviziilor periodice şi a reparaţiilor contribuie la diminuarea poluării pe aceleaşi

căi ca cele descrise la punctul (a).

(b3) Controlul strict al materiilor prime şi materialelor de intrare pentru menţinerea

caracteristicilor lor la parametrii ceruţi de instrucţiunile de fabricaţie este în măsură să prevină

poluarea nepermiţând intrarea in fluxul tehnologic a unor substanţe a căror procesare determină

apariţia unor poluanţi pentru care nu au fost prevăzute metode de control şi protecţie.

(b4) Elaborarea scenariilor de risc tehnologic şi situatii naturale de tip catastrofic este necesară

chiar în cazul respectării instrucţiunilor tehnologice pentru a putea face faţă creşterii accentuate a

emisiilor poluante pe termen foarte scurt.

(c) Controlul eficienţei economice

(c1) Minimizarea consumului de materii prime şi materiale, in limitele cerintelor impuse de

instrucţiunile de fabricaţie. Un consum redus de materii prime şi materiale înseamnă nu numai o

creştere a beneficiului pe unitatea de produs, ci şi minimum de poluare.

(c2) Limitarea stocurilor la nivelul cerinţelor pieţei determină nu numai o activitate de marketing

performantă, ci şi scăderea semnificativă a poluării din linia tehnologică.

(d) Monitorizarea calitatii mediului (retele locale)

(d1) Existenţa unui departament de protecţia mediului în fiecare unitate industrială, agricolă şi de

administraţie locală este necesară atât pentru organizarea şi desfăşurarea activităţii de control a

măsurilor interne de diminuare a poluării generate de amenajarea industrială, agricolă sau de

locuit, cât şi pentru realizarea unei legaturi rapide şi eficiente cu agenţia teritorială de control a

calităţii mediului.

(d2) Existenţa unei dotări minime pentru măsurarea şi supravegherea principalelor emisii

poluante ale unităţii industriale, agricole sau amenajării de locuit trebuie să acopere cerinţele de

măsurare a principalilor parametrii de poluare ai surselor interne şi, de asemenea, trebuie sa fie

compatibilă cu sistemele de măsurare ale agenţiei teritoriale de protecţia mediului.

(d3) Efectuarea de măsuratori periodice ale principalelor emisii poluante interne are atât un rol

preventiv, cât şi unul corectiv. Este bine ca măsurătorile să fie făcute la intervale de timp

semnificative pentru tipurile de activitate tehnologică implicate.

149

(d4) Monitorizarea permanentă a emisiilor cu poţential catastrofic ridicat este necesară pentru

prevenirea situaţiilor de tip catastrofic (explozii, intoxicaţii, incendii).

13.2 Metode de control regional (stat sau zonă continentală)

Pentru a avea un cadru comun de desfăşurare a activităţilor de măsurare şi control a

calităţii mediului este necesar ca la nivel regional (stat sau zonă continentală) sa funcţioneze

acelaşi sistem de norme şi legi, precum şi, pe cât posibil, aceeaşi organizare logistică şi

manageriala. De aceea trebuie luate măsuri pe următoarele direcţii.

(a) Norme şi legi de protecţia mediului

(a1) Elaborarea de legi şi norme care să impună măsurile de control de la nivel local, precum şi a

principiilor şi metodelor de rezolvare a situaţiilor de poluare a mediului (poluatorul plăteşte)

(a2) Elaborarea de standarde care să prevadă concentraţiile limită admise pentru emisiile

poluante ale aerului, apei şi solului

(a3) Elaborarea legilor de organizare şi funcţionare a institţtiilor regionale de supraveghere şi

control a calităţii mediului înconjurător

(b) Organizarea infrastructurii de control şi monitorizare a calităţii mediului

(b1) Organizarea agenţiilor teritoriale şi nationale de supraveghere şi control a calităţii mediului

(b2) Ocordarea prerogativelor reale de supraveghere şi control a calităţii mediului specialiştilor

acestor agenţii

(b3) Dotarea tehnică şi logistică a agenţiilor guvernamentale pentru măsurarea şi caracterizarea

oricarui tip de emisie poluantă din teritoriul supravegheat.

(c) Organizarea spaţiului

(c1) Constituirea unor echipe de specialişti care să avizeze orice nouă investiţie din punctul de

vedere al impactului asupra mediului înconjurător

(c2) Avizarea periodică a funcţionării unităţilor industriale, agricole şi a amenajărilor de locuit

din punctul de vedere al impactului acestora asupra mediului.

(d) Monitorizarea calităţii mediului (reţele regionale)

(d1) Realizarea reţelelor naţionale de supraveghere şi control a calităţii mediului şi monitorizarea

acestor parametri într-un regim de eşantionare care să includeă posibilitatea realizării situaţiilor

de risc ecologic este benefică atât pentru cunoaşterea în timp real a stării mediului dintr-o zonă

geografică limitată (stat sau zonă continentală), cât şI pentru procesul de integrare a reţelelor

regionale într-o reţea mondială de supraveghere a mediului.

150

(e) Cercetarea ştiinţifică

(e1) Încurajarea şi stimularea unor proiecte de cercetare care să dezvolte sisteme de măsurare şi

caracterizare a parametrilor de calitate a mediului înconjurător, sisteme de monitorizare în timp

real, modele şi algoritmi de interpretare a acestor date. Această măsură are drept scop

reorientarea, în timp real, a specialiştilor din cercetare către studiul mediului înconjurător.

13.3. Metode de control global

La nivelul planetei controlul calităţii mediului se realizează prin crearea unor reţele

globale de sateliţi care să monitorizeze mediul înconjurător mai ales în ceea ce priveşte

fenomenele de pouare globală (efectul de seră, subţierea stratului de ozon, deşertificarea). De

asemenea, impunerea unor restricţii asupra calităţii produselor, în sensul protecţiei mediului,

reprezintă una din cele mai eficiente căi de diminuare a poluării. Direcţiile de actiune sunt

următoarele.

(a) Crearea infrastructurii mondiale de supraveghere şi control a calităţii mediului

(a1) Crearea organismelor internaţionale instituţionale ale ONU si UNESCO de supraveghere şi

control a calităţii mediului

(a2) Încurajarea şi stimularea creării şi dezvoltării organizaţiilor non-guvernamentale de profil

este o măsură foarte eficientă din punctul de vedere al evtării birocraţiei de tip guvernamental şi,

deci, a favorizării acţiunilor în timp real. De asemenea, organizaţiile non guvernamentale au

posibilitateaa de a atrage multe surse de finanţare, spre deosebire de organizaţiile

guvernamentale care sunt limitate de cerinţele bugetului şi de lipsa unui control eficient al

modului în care se deruleaza programele de finanţare.

(a3) Încurajarea şi stimularea cooperării internaţionale în domeniul programelor de cercetare

ştiinţifică şi a rezolvării în timp real a situaţiilor de risc ecologic

(b) Extinderea restricţiilor pieţei

(b1) Impunerea de restricţii referitoare la minimizarea poluării ca un criteriu de performanţă în

marketing este una dintre cele mai sigure metode de diminuare a poluării locale şI globale pentru

că nerespectarea ei determină scăderea imediată a profitului pe întreaga traiectorie a produsului,

ceea ce nu convine nimănui.

(c) Noua ordine politică globală (conceptul dezvoltării durabile)

(c1) Încurajarea şi stimularea creării cadrului politic mondial pentru o protecţie eficientă a

mediului (sustainable development)

151

(d) Monitorizarea calităţii mediului (reţele planetare)

(d1) Dezvoltarea unor programe noi şi performante de măsurare şi caracterizare de la distanţă a

poluării (remote sensing)

(d2) Realizarea unor reţele de alertă în timp real a situaţiilor de risc ecologic şi de poluare

(d3) Lărgirea accesului la datele furnizate de reţeaua de sateliţi, în special prin conversia

programelor militare în aplicaţii civile.

13.4. Educaţia şi învăţământul

Este domeniul cel mai important al acţiunii de protecţie a mediului înconjurător care,

bine condus şi susţinut, atât administrativ, cât şi de societatea civilă, determină realizarea celei

mai importante coordonate de dezvoltare a protecţiei mediului înconjurător, motivaîia acestei

acţiuni. În prezent orice acţiune care vizează protecţia calităţii mediului trebuie puternic

argumentată în faţa organizaţiilor guvernamentale sau a altor tipuri de finanţatori. De multe ori

aceste argumente rămân fără rezultat pentru că oamenilor le lipsesc deprinderile educaţionale în

acest domeniu, deprinderi care nu se pot forma decât în cadrul unor programe de durată care

include tot ciclul educaţional, de la învăţământul preşcolar până la cel preuniversitar. Este

necesară luarea unor măsuri în următoarele direcţii.

- dezvoltarea unor programe educaţionale, de la nivelul primar al învăţământului până la nivelul liceal inclusiv, care să formeze o atitudine nouă faţă de mediul înconjurător

- reorientarea şi redimensionarea specializărilor din învăţământul universitar către studiul

ştiinţelor despre planetă şi ale mediului înconjurător

- dezvoltarea unui sistem eficient de învăţământ post – universitar care să aibă ca rezultat

îmbunăţăţirea pregătirii tuturor specialiştilor deja formaţi în orice domeniu care are legatură

cu protecţia mediului.

152

Curs 14 – Managementul integrat al calităţii mediului înconjurător

14.1. Analiza ecogeografică (Cotigaru, 1994)

Orice sistem teritorial prezintă un anumit mod de organizare, indiferent de raportul dintre

componentele naturale şi social-economice, de evoluţia mai lentă sau accentuată a relaţiilor

dintre acestea. Pe baza analizei întreprinse asupra stării din momentul To se poate face o evaluare

a modului viitor de organizare, prin depistarea tendinţelor de "spargere" a structurilor actuale de

către un component, o relaţie sau un set de componente şi relaţii, pentru momentul T1.

I. Delimitarea teritorială a sistemului. Precizarea întinderii teritoriale şi a limitelor

reprezintă elementele introductive ale oricărei analize. În raport de spaţiul analizat şi de

specificul funcţional, sistemul se încadrează într-unul din nivelele cele mai uzitate: macro-,

mezo- şi microscară. Variabilitatea acestor mărimi este determinată de ceea ce se consideră

"întreg", în toată complexitatea sa.

În toate cazurile cea mai importantă problemă este legată de limite. Acestea, fie că sunt

neclar exprimate în teritoriu, fie că au o dinamică foarte rapidă, reprezintă elementul cheie în

analizele ulterioare. În analizele întreprinse, adesea, limitele sunt convenţionale, datorită

dificultăţilor introduse de ariile de interferenţă dintre două sisteme teritoriale.

Cele mai dificile probleme se întâlnesc la delimitarea mezosistemelor, atunci când se

încearcă individualizarea lor funcţională, cele de nivel macro şi micro fiind relativ facil

delimitate.

II. Individualitatea sistemului. Una dintre cele mai importante analize este cea care

caracterizează sistemul teritorial, evidenţiindu-se paricularităţile, specificul fizionomic şi

energetic al acestuia. Fizionomia de ansamblu a unui sistem teritorial este rezultatul unui anumit

mod de ordonare şi organizare în timp a materiei şi prin această prismă trebuie subliniat

caracterul peisagistic dominant al sistemului respectiv. Dacă aspectul fizionomic este deseori

evident şi nu implică decât probleme explicative legate de succesiunea secvenţelor principale, de

mare însemnătate este remarcarea caracterului pe care îl îmbracă fluxurile energetice, de

substanţă şi informaţii. În funcţie de specificul acestor fluxuri, prin generalizare, putem distinge

câteva tipuri morfologice evidente.

a. Caracterul convergent al fluxurilor de substanţă şi energie. Această configuraţie este

specifică unui sistem identificat cu o depresiune, cu o zona de influenţă a unui centru urban sau

cu un spaţiu funcţional axat pe un sistem urban. În primul caz asistăm, spre exemplu, pe de o

153

parte la tendinţele de drenare a apei spre un colector principal şi de transport natural al materiei

de pe versanţi spre zona centrală a sistemului, iar pe de altă parte de orientarea principalilor

curenţi de materii prime şi bunuri (exploatate în zona alpină, subalpină şi a pădurilor) spre

aşezările situate, de regulă, în partea cea mai joasă altitudinal. Gravitaţia este fundamentală în

orientarea generală a acestor fluxuri.

În funcţie de dimensiunile fizice ale sistemului teritorial, cât şi de elementul polarizator,

se poate individualiza o concentrare a fluxurilor către un centru, către două sau mai multe centre

polarizatoare de diferite ranguri, către o axă longitudinală, sau către una transversală.

Caracterul convergent este deosebit de pregnant în cazul unei zone de influenţă urbană,

unde fluxurile de substanţă şi energie sunt determinate de puterea economică a centrului

respectiv, de dotările sale social-economice şi edilitare, de mărimea demografică.

Incursiunea istorică (inclusiv cea paleogeografică) în intensitatea şi orientarea acestor

fluxuri va permite obţinerea unor concluzii privind sensul translaţiei acestora şi tendinţa de

deplasare a centrului de greutate.

b. Caracterul divergent al fluxurilor. Acest caracter este uşor de remarcat în cazul unui

sistem teritorial care se suprapune sau aparţine unei arii montane sau unei zone profund rurale.

Orientarea fluxurilor este în ambele cazuri divergentă, iar structura lor depinde de parametri

fizici şi economico-geografici ai sistemului respectiv.Accesibilitatea, diferenţierea altitudinală şi

poziţia geografică reprezintă aspecte ce influenţează mai mult sau mai puţin caracterul divergent

al acestor fluxuri de materie şi energie. Acest tip de orientare a fluxurilor poate fi întâlnit şi în

cazul unei unităţi de câmpie, dar, în acest caz, se caracterizează prin inexistenţa unui centru

polarizator intern, respectiv un teritoriu nepolarizat (sau slab polarizat). Într-un asemenea cadru,

deplasările de populaţie, produsele agricole, alte resurse de materii prime sunt orientate spre

ariile limitrofe.

c. Caracterul liniar de propagare a fluxurilor. Acesta este specific unei văi transversale

unde, de regulă, există o oarecare dominantă a circulaţiei de substanţă şi energie, determinată de

rolul printr-o arie restrictivă sau de funcţia de legătură ce o îndeplineşte aceasta între două

regiuni alăturate. În cadrul unor văi transversale tipice (culoare de vale) există o oarecare

echivalenţă între fluxurile de intrare şi de ieşire, primele fiind nesemnificativ modificate sub

aspect cantitativ sau calitativ. Liniaritatea fluxurilor energetice şi de masă rămâne dominantă

chiar în cazul unor modificări interne, cauzate de existenta unor centre economice şi urbane,

mijlocii sau mari, de primirea unor afluenţi importanţi în sectorul respectiv.

154

Aceste configuraţii sunt uşor de conturat la nivel de macro-şi mezoscară, fiind utile în

stabilirea cadrului general de elaborare a unor modele de organizare actuală a sistemelor

teritoriale.

Analizele cele mai semnificative au loc însă pentru evaluarea resurselor mediului şi a

modului de valorificare a acestora, precum şi de individualizare a ariilor (punctelor) critice.

Aceste analize sunt diferenţiate în raport cu scara spaţială în care se plasează sistemul respectiv.

A. Evaluarea potenţialului mediului. Pentru o evaluare generală a mediului, mai ales la

macroscară se poate utiliza noţiunea de ecoenergie primară. Prin aceasta se înţelege energia

iniţială a unui geosistem, înainte de intervenţia omului ca factor conştient în structurile sale.

Concentrarea de populaţie şi de activităţi economice a determinat un consum diferenţiat de

resurse (apreciate ca ecoenergii primare). Degradarea acestora a fost însoţită de un proces similar

de substituire a lor de resurse secundare. Acestea au fost transformate din geosistemele vecine

sau din cele situate la mari distanţe. Cert este că distribuţia actuală într-un spaţiu a ecoenergiilor

primare se află în raport invers proporţional cu gradul de antropizare a geosistemelor.

Geosistemele care au consumat o mare parte din ecoenergiile primare sunt considerate

cele puternic antropizate, de pildă marile aglomerări urbane sau ariile cu exploatare de resurse în

suprafaţă. În aceste geosisteme echilibrul energetic intern se menţine numai prin aport extern de

energie. Acestea au fost plasate la extremitatea opusă, fiind considerate ca posesoare de

ecoenergie primară foarte joasă.

Astfel, geosistemele păşunilor alpine sunt considerate ca aparţinând zonei cu ecoenergii

înalte, o parte dintre acestea fiind degradată prin activităţile sezoniere specifice (păşunat, turism).

Ecoenergii reduse prezintă ariile cu o presiune antropică foarte ridicată, fiind caracteristice

pentru zonele de dealuri, podişuri şi subcarpatice.

Zonele de câmpie, cu un grad de antropizare mai redus decât cele de deal, deşi au fost

serios transformate prin culturile agricole, totuşi prezintă încă suficiente ecoenergii primare,

clasându-se în aria cu valori medii.

Această zonare la nivel macroteritorial crează premisele unei aprecieri corecte şi, ulterior,

detaliate a potenţialului mediului, inclusiv a resurselor de bază (aerul şi apa).

La nivel microteritorial evaluarea potenţialului mediului se face printr-o analiză detaliată

a principalelor componente în funcţie de specificul geosistemului analizat. Evaluarea resurselor

geologice, geomorfologice, topoclimatice, biogeografice, hidrologice etc. nu constituie o

dificultate tehnică sau metodologică. Problema trebuie corelată cu gradul de vulnerabilitate a

155

geosistemului, cu pragurile de consum de la care evoluţia acestuia poate să se abată de la

traiectoria normală.

B. Gradul de antropizare a geosistemului. Nivelul încărcăturii umane este evaluat prin

densitatea populaţiei, ştiut fiind că o valoare mare a acesteia indică o presiune sporită asupra

spaţiului, asupra elementelor mediului şi un important potenţial consumator al ecoenergiilor

primare. Amploarea activităţilor economice şi tipul lor reprezintă un element care se corelează,

de regulă, cu gradul de populare al unui spaţiu. Activităţile economice pot să fie violente cu

schimbarea radicală a geosistemelor iniţiale (desecări, defrişări, amenajări hidrotehnice de

amploare, exploatări miniere în suprafaţă etc), moderate, cu readaptarea geosistemelor la noile

condiţii sau nesemnificative pentru evoluţia acestora.

Tipul spaţial al antropizării se referă la configuraţia arealelor afectate de creşterea

gradului de populare a geosistemului. Se disting în acest sens trei categorii: antropizare

punctuală (în situaţia unor exploatări miniere izolate, a unor amenajări turistice în ariile montane

sau deltaice etc.), antropizare lineară (de-a lungul unui râu, a unei căi de comunicaţie sau pe

litoralul marin) şi antropizare în suprafaţă (zonele agricole apărute după desţelenirile din secolul

XIX, în ţara noastră, de exemplu).

Dupa caracterul temporal se distinge o antropizare continuă, permanentă (continuitatea şi

amplificarea populării şi activităţilor economice), una temporară (legată de exploatarea unor

resurse în arii naturale compacte) şi alta sezonieră (tipică pentru ariile alpine).

Gradul de antropizare este răspunzător de accentuarea complexităţii geosistemelor, iar

evaluarea, chiar globală, a sa poate constitui un element important în strategiile de dezvoltare

durabilă. Se ştie că intensitatea sa este în raport invers cu distribuţia ecoenergiilor primare.

În cazul geosistemelor naturale mature, raportul dintre resurse şi capacitatea de utilizare a

acestora este aproape unitar, iar biomasa acestora rămâne constantă. În situaţii asemănătoare se

plasează şi geosistemele antropizate aflate într-un stadiu staţionar, unde aportul energetic din alte

geosisteme satisface consumul intern.

Alte categorii de geosisteme prezintă resurse mult superioare faţă de posibilităţile lor de

utilizare a acestora. În acest caz, raportul resurse/capacitate de utilizare depaşeşte cu mult

valoarea 1, geosistemul fiind excedentar. O situaţie inversă caracterizează geosistemele

deficitare în resurse, unde valoarea raportului dintre cele două componente de bază este

subunitară.

156

Ca urmare a valorilor diferite dintre resurse şi capacitatea concretă de utilizare a acestora,

între geosisteme se crează relaţii complexe, care pot fi de tip pradă-prădător, de competiţie,

simbiotice, comensale, amensale şi de indiferenţă. Aceste tipuri de relaţii pot fi individualizate la

toate scările de analiză şi crează premisele unor abordări globale în viziunea dezvoltării durabile.

C. Depistarea ariilor sau punctelor critice. În diagnoza geosistemelor un loc important

trebuie să-l ocupe individualizarea teritorială a ariilor sau punctelor critice. Prin acestea

înţelegem acele zone ale geosistemelor în care dezechilibrul dintre consumul de resurse şi

resursele disponibile de bază este atât de mare încât riscă să degradeze întregul sistem teritorial.

În unele cazuri starea de degradare a unor componente este vizibilă, iar simpla lor cartare este

suficientă pentru a sesiza ariile vulnerabile. În cele mai multe cazuri starea critică a unor

ansambluri este "ascunsă", fiind pusă în evidenţă numai la realizarea, din când în când, a unor

riscuri.

Deci, aceste arii critice, fie că apar sub forma unor discrepanţe fizionomice, fie sub forma

unor rupturi funcţionale, au rolul lor pozitiv în evoluţia geosistemelor. Ele impun adoptarea unor

măsuri prin sistemele de control ale geosistemelor şi înregistrarea lor în memoria acestora.

Depistarea anomaliilor în comportamentul unor elemente şi a influenţei lor asupra

sistemelor este mult mai facilă la nivel de microscară. Doar marile dezechilibre sunt evidente la

macroscară, însă ele au la origine transformări la nivele inferioare, de unde s-au generalizat

ulterior.

III. Integrarea geosistemului într-un ansamblu teritorial de rang superior. Orice geosistem

funcţionează ca un sistem termodinamic şi informaţional optimal deschis. El se află în

permanente schimburi cu geosistemele vecine sau situate la distanţe mai mari, fiind parte

componentă a unui ansamblu situat pe o treaptă ierarhică superioară. În acest întreg are funcţiuni

precise, comportându-se ca un subsistem al întregului.

Analizând raportul dintre fluxurile de intrare şi de ieşire din geosistem, distingem trei

situaţii:

- geosistemul îndeplineşte o funcţie de tranzit, respectiv asigură transferul de substanţă si

energie dintre două unităţi, între care se interpune; tipică pentru acest caz este egalitatea relativă

dintre fluxurile de intrare şi de ieşire;

- geosistemul are un deficit de substanţă şi energie, funcţionarea normală impunând

completarea acestuia din alte subsisteme; în această situaţie fluxurile de intrare depaşesc cu mult

157

pe cele de ieşire. Diferenţa cantitativă dintre cele două categorii se traduce în creşterea biomasei

interne (a clădirilor, unităţilor industriale, numărului de locuitori etc);

- geosistemul are un excedent de substanţă şi energie, contribuind la buna funcţionare a

altor subsisteme; aici fluxurile de ieşire depăşesc fluxurile de intrare. De această dată diferenţa

dintre fluxuri se concretizează în pierderea de biomasă (scăderea numărului de locuitori prin

migraţii, exportul de materii prime şi produse agricole etc).

Analiza acestor situaţii, în succesiunea firească a etapelor prin care a trecut un geosistem

în evoluţia sa istorică, va releva o alternanţă a perioadelor când a funcţionat ca un sistem

excedentar sau deficitar, inclusiv cu consecinţele de ordin social-economic ale acestor fluctuaţii.

IV. Dinamica geosistemului. Succesiunea perioadelor de echilibru şi dezechilibru se

datoreşte factorilor interni şi celor externi. Cei de natură internă sunt o urmare legică a

acumulărilor cantitative, în timp, care determină modificări fundamentale în structura iniţială şi

implicit dinamica ascendentă sau descendentă a geosistemului respectiv. Schimbările interne pot

avea la origine şi fluctuaţiile unor componente în evoluţia lor normală sau elemente rebele cu

comportament ce se abate, probabil temporar, de la traiectoria firească. Intervenţia unor factori

externi, care catalizează unele reacţii şi determină acumulări de energie sau informaţii în anumite

sectoare sau subsisteme, accelerează dinamica internă a geosistemului respectiv. Dacă

intervenţia este de intensitate prea mare, în raport cu capacitatea de autoreglare a sistemului, se

ajunge la situaţii disfuncţionale, la o adevarată explozie a structurii acestuia.

Pe baza acestor consideraţii se pot face analize privind rolul factorilor interni şi externi, al

fluctuaţiilor şi perturbaţiilor, asupra oricărui tip de geosistem (indiferent de scară). Depistarea

mecanismelor de transmitere a schimbării în structurile geosistemului vine în sprijinul creşterii

eficienţei energetice a acestuia.

În funcţie de etapele de evoluţie a sistemului, se pot sublinia perioadele de "calm", atunci

când evoluţia are loc îndeosebi pe baza transformărilor interne, perioadele de "explozie", cand

intervenţia externă este dură, neselectivă şi perioadele cu ritm "intermediar" când intervenţia nu

este de intensitate violentă, deşi în timp ar putea deveni perturbatoare.

V. Funcţionalitatea geosistemului. De mare importanţă în analiza diagnostică a

geosistemului este sublinierea caracteristicilor de funcţionare a acestuia. Pentru aceasta,

individualizarea principalelor structuri interne, a componentelor şi a relaţiilor complexe dintre

ele, este esenţială. Utilizând diferite metode moderne, de abordare cantitativă, se

158

individualizează relaţiile dintre principalele componente, ceea ce implică depistarea componentei

sau setului de componente cu rol de polaritate.

Intensitatea legăturilor dintre componente este în funcţie de deficitul sau excedentul

propriu de potenţial, de caracterul complementar al resurselor sau funcţiilor unor subsisteme ale

spaţiului respectiv. Modul de interacţiune activ sau mai puţin activ dintre componente poate

genera noi structuri şi, respectiv, conserva pe cele existente. Menţinerea aceloraşi elemente ca

polarizatoare ale ansamblului de relaţii asigură stabilitate în timp structurilor iniţiale. Cu cât

această polaritate este exercitată de mai multe elemente, cu atât funcţionalitatea întregului sistem

este mai labilă fiind posibile modificări fundamentale ale structurilor primare. Când gradul de

dezorganizare depăşeste anumite limite, se ajunge, practic, la distrugerea individualităţii

sistemului iniţial. Specificul geosistemelor marchează, într-o primă fază a disfuncţionalităţii,

reacţii de fisiune în cadrul lor şi de fuziune a părţilor cu sistemele limitrofe, iar apoi, în cea de-a

doua, o modificare fundamentală a structurii acestora.

Prin analizele corespunzătoare celor cinci etape metodologice prezentate se dispune de o

oglindă fidelă realităţii teritoriale, a interconexiunilor dintre componente şi structuri, a evoluţiei

istorice a relaţiilor dintre ele. Pe baza acestor rezultate se poate elabora modelul de funcţionare

actuală geosistemului respectiv, indiferent de poziţia sa pe scara spaţială.

14.2. Metoda de timp real pentru descreşterea poluării industriale Activitatea antropică are trei caracteristici:

(1) Resursele naturale nu se regenerează

(2) În timpul procesului de antropizare rezultă, pe lângă produsele de bază, substanţe poluante şi

deşeuri. Acestea se întorc într-o formă mult mai concentrată şi deci mult mai nocivă, în

sistemul omului.

(3) Substanţele poluante şi deşeurile rezultate din activitatea umană determină schimbări globale

ale sistemelor naturale.

Acţiunea de scădere a poluării industriale se bazează pe următoarele ipoteze:

(a) controlul şi modelarea proceselor industriale pot fi efectuate doar pe traiectoria produsului,

deoarece poluarea ecosistemelor antropice are sursa în fluxul tehnologic al produsului;

(b) eliminarea completă a emisiilor directe în aer şi apă este o condiţie necesară, dar nu şi

suficientă, pentru minimizarea poluării industriale, deoarece procesele de depoluare ale apei

şi aerului produc deşeuri care includ întreaga cantitate de poluant care, în caz contrar, ar fi

emisă în mod direct;

159

(c) procesele de depoluare a deşeurilor rezultate din activitatea industrială nu reprezintă o soluţie

pentru minimizarea poluării industriale; aceste procese sunt foarte costisitoare şi generează

prin ele însele, un nivel de poluare ridicat, care poate fi chiar mai mare decât cel rezultat din

fluxul tehnologic, prin poluare directă;

(d) descreşterea maximă a poluării se poate obţine utilizând o tehnologie bazată pe cicluri

cuplate, analoge celor din sistemele naturale.

Analiza ecosanogenetică este primul pas în reducerea poluării zonelor industriale.

Această analiză are următoarele obiective:

(1) Configurarea geoecologică a zonelor industriale

(2) Identificarea şi evaluarea surselor de poluare a zonei

(3) Evaluarea efectelor de împrăştiere

(4) Analiza stabilităţii termodinamice şi tendinţelor de evoluţie

(5) Stabilirea soluţiilor pentru reducerea poluării zonei

(6) Realizarea studiului de fezabilitate ecosanogenetic pentru fiecare unitate industrială şi

întreaga zonă.

Algoritmul analizei ecosanogenetice este prezentată în fig. 14.1. În diagrama A

algoritmul secvenţial este prezentat, sublinindu-se în secvenţa A5 dimensiunea interdisciplinară a

grupului de specialişti. În diagrama B, balanţa consumului uzual este complet, deoarece include

şi substanţele poluante şi reziduurile (cantităţi şi destinaţie finală). Diagrama C include studiile

de impact uzuale. Diagrama D se referă la stabilitatea globală a zonei afectată de poluare. Tipul

de stabilitate ce va fi determinată va impune tipul de restructurare pentru fiecare fabrică. În

diagrama E, secvenţa E1, E2 şi E3 prezintă modul de calcul al beneficiilor pe termen scurt a

descreşterii poluării. Următoarele secvenţe prezintă beneficiile scăderii poluării pe termen lung

(incluzând costurile imbunătăţirii sănătăţii)

Algoritmul prezentat mai sus a fost aplicat pentru trei arii industriale (fabrici de

încălţăminte şi textile), situate în interiorul sau în apropierea zonei urbane a Bucureştiului. S-a

efectuat o analiză ecosanogenetică detaliată pentru fiecare zonă (Cotigaru, 1991, 1992, 1993,

Căldăraru, 1994). Sursele principale de poluare sunt, în ordine: nerespectarea regulilor

tehnologice, utilizarea tehnologiilor învechite, efectele negative ale combinării poluării

industriale cu cea rezultată din traficul urban. Calculele arată că deşeurile sunt reciclate în

cantităţi sub 10%. Deşeurile rămase se depozitează în zonele industriale, în gropi urbane de

gunoi, sau, câteodată, în zonele agricole.

160

Metologia propusă stabileşte acţiunea la nivel tehnologic, unde algoritmii sunt cunoscuţi

şi este posibilă intervenţia directă şi precisă.

Nivelul practic al acţiunii pentru reducerea poluării într-o zonă industrială are secvenţa

următoare:

(i) măsurarea continuă în timp real a poluării la fiecare sursă tehnologică;

(ii) reducerea până la eliminarea completă, a emisiilor în aer şi apă, utilizând ventilarea,

filtrarea aerului şi apei;

(iii) reducerea emisiilor poluante şi a deşeurilor solide, prin optimizarea resurselor primare, a

materialelor şi energiei pe unitatea de produs, într-un proces de timp real;

(iv) creşterea gradului de recondiţionare şi reintegrare a deşeurilor solide reultate în fazele (i)

şi (ii).

Secvenţele (i) - (iii) sunt obligatorii, deoarece se obţine, concomitent, scăderea poluării

şi creşterea beneficiului.

Secvenţa (iv) este astăzi o problemă de cercetare, implicând un model fizico – chimic şi

de proces tehnologic, dar şi un model al resurselor financiare şi de costuri.

161

Fig. 14.1 - Algoritmul analizei ecosanogenetice a unei arii industriale

162

IV BIBLIOGRAFIE

AIR, 1997 - Catalog Air Instruments & Measurements Inc. Allen P. M., 1976 - Evolution, population dyamics and stability, Proc.Nat.Acad.Sci. (USA), vol. 73, p. 665-668 Allen P. M., Sanglier H., Boon F., 1990- Modelling adaptative behaviour, Report 4/1640 of the contract TSC-1640 with Department of Transportation, USA

Alloway B. J, Ayres D. J., 1993 - Chemical Principles of Environmental Pollution, Chapman and Hall, London

BACARACH, 1995 - Catalog Bacharach Begon M., Harper J. L., Townsend C. R., 1990 - Ecology - Individuals, Populations and Communities, Second Edition, Blackwell Scientific Publications, Cambridge Biswas A.K., Editor, 1979 - The Ozone Layer, Proceedings of the Meeting of Experts Designates by Governments, Intergovernmantal an Nongovernmental Organizations on the Ozone Layer organized by the United Nations Environment Programme, Washingtone DC, 1-9 March 1997, Pergamon Press Blom C.E. et. al., 1995 - Temporal and spatial variability of CIONO2, HNO3 and O3 during the arctic winter

of 1994/1995, International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.82 Blumenstock Th. et. al., 1995 - Column amounts of trace gases measured by ground based FTIR spectroscopy near Kiruna during SESAME, International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.83

Bonasoni P. et. al., 1995 - Continued NO2 measurements and Mt. Cimone Observatory (44o N) by ground-

based DOAS system, International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.85 Bott M. H. P., 1971 - The Interior of the Earth, Edward Arnold (Publishers) Ltd., London Bourceanu G., Grosu I., Beldie C., 1989 - Evolu]ie [i autoorganizare `n sisteme departe de echilibru, Editura Tehnic\, Bucure[ti CASELLA, 1997 - Catalog Casella Căldăraru F. et al., 1992 – Determinarea unor parametri de poluare ai aerului în sistemul

laboratorului mobil pentru măsurarea parametrilor de poluare ai atmosferei, Raport de cercetare

ştiinţifică ECOSEN Nr.1/1992, Noiembrie

Căldăraru F. et al., 1993 – Air pollution monitoring using semiconductor toxic gas sensors,

CAS 93 Proceedings, p.495, Sinaia, October

163

C\ld\raru F., C\ld\raru M., Jelev A., Iacob A., 1994 - Air Pollution Monitoring Using SnO2 Sensors", ,

Proceedings of the International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS’94, vol. 1, pp. 13-15, Pasadena, 8-12 August C\ld\raru F., P\tra[cu S., C\ld\raru M., Nicolaescu D., 1995 - Thermodynamically modelling of the ozone layer evolution, Rev. Roum. de Geophysiâue, vol. 40, p. 81-96 C\ld\raru F., Cotigaru B., C\ld\raru M., Klier C., Paraschiv A., 1996 - A real-time method for industrial pollution decreasing, Proceedings of the International Symposium on Environment Protection, p. 177-180, Bucharest, September 10-13 Căldăraru F. et al., 1997 – Proiectarea unui subsistem inteligent cu microsenzori pentru sisteme

autonome portabile de monitorizare a calităţii aerului în mediul înconjurător, Raport de cercetare

ştiinţifică ECOSEN Nr.1/1997, Noiembrie

C\ld\raru F., Patra[cu S., C\ld\raru M., Paraschiv A., Nicolaescu D., 1999 - The far to eâuilibrium time-evolution of the ozone layer: steady-state and critical behaviour, Atmospheric Environment, vol. 33, no. 26, pp. 4243 - 4254 C\ld\raru F., Patra[cu S., C\ld\raru M., Paraschiv A., Nicolaescu D., 1999 - Natural And Anthropogenetic

Pollution Limits Of The Stratospheric Ozone, at the IGARSS ’99 Conference, Hamburg, June 28 – July 02,

1999

CDS, 1997 - CDS Analytical Inc. Ciobanu Gh., 1982 - Curs de termodinamic\ [i fizic\ statistic\, Universitatea Bucure[ti, Facultatea de Fizic\, Catedra de Fizic\ Statistic\ [i Mecanic\ Cuantic\, Bucure[ti Commoner B., 1972 - The Closing Circle: Nature, Man and Technology, Alfred A. Knopf, New-York Cotigaru B., coord, 1991 – Studiul ecologic si sanogenetic al corelatiei intrare – iesire in

industria textila si incaltaminte – platforma industriala Ghencea – Bucuresti, Raport de cercetare

stiintifica ASE Bucuresti, Bucuresti, Noiembrie

Cotigaru B., Petrescu V., C\ld\raru F., migelschi M., Nicolescu C., Stanciu C., Goliat C., Stan N., Hapan R., 1992 - The Ecosanogenetic Dimension, a Criterion of Decision in R & D of the Contemporary Product, Forum Ware, vol. 20, no. 1-4, p. 11 Cotigaru B., coord, 1992 – Studiul ecologic si sanogenetic al corelatiei intrare – iesire in

industria textila si incaltaminte – platforma industriala Jilava – Bucuresti, Raport de cercetare

stiintifica ASE Bucuresti, Bucuresti, Noiembrie

164

Cotigaru B., coord, 1993 – Studiul ecologic si sanogenetic al corelatiei intrare – iesire in

industria textila si incaltaminte – platforma industriala Dambovita – Bucuresti, Raport de

cercetare stiintifica ASE Bucuresti, Bucuresti, Noiembrie

Cotigaru B. et al., 1994 - Metodologia general\ de analiz\ [i ac]iune `n timp real pentru evolu]ia produsului industrial `n cadrul conceptului de dezvoltare durabil\, Raport de cercetare ASE Bucure[ti Cotigaru B., Petrescu V., C\ld\raru F., Iano[ I., Ochinciuc C., Br\tulescu V., Zamfir I., Zamfir G., 1995- Evolu]ia produsului ca masur\ a stabilita]ii procesului de antropizare, prezentat\ la workshop-ul "Problemes actuels dans la conservation des composants viables de l’environement", Bucure[ti, Martie 1995 DaymlerChrysler Aerospace, 1999 – ENVISTAT-1, Monitoring the Global Change for Science, Politics and Applications, Germany DEL MAR, 1997 - Catalog DEL MAR Scientific Deneubourg J. L., 1976 - Insectes Sociaux, vol. 23, p. 329 Dufour L., Mieghem J.van, 1975 - Termodinamiâue de l’atmosphere EDINBURGH, 1997 - Catalog Edinburgh Sensors Ltd. Eigen M., 1971 - Self-organization of matter and the evolution of biological macromolecules, Naturwissenschaften, vol. 58, p. 465-523

Eigen M., Schuster P., 1979 - The Hypercycle. A Principle of Natural Self-Organization, Springer, Berlin Elokhov A.S. et. al., 1995 - Measurements of stratospheric NO2 et Zvenigorod scientific station, Moscow

region five years of observations , International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.90 Energia `ntr-o lume finit\ (C\i spre un viitor viabil), 1983 - Raport al Grupului pentru Programul Sistemelor de Energie al Institutului Interna]ional pentru Analiza Sistemelor Aplicate, Editura Politic\, Bucure[ti ENMET, 1995 - Catalog ENMET ANALYTICAL ENVIRONNMENT, 1994 - Catalog Environnment s.a. ENVIRONMENTAL, 1997 - Catalog Environnmental Technologies Group, Inc. FIGARO, 1992 - Figaro Gas Sensor Technical Reference February FIGARO, 1997 - FIGARO Engineering Inc. – NFI 1842 Sensor – Technical reference

FIS, 1995 - FIS Products Review GEONATIONAL, 1997 - Catalog GEO/NATIONAL GAS TECHNOLOGY Georgescu-Roegen N., 1971 - The Entropy Law and the Economic Process, Cambridge, Massachusets, Harvard University Press Goel N. S., Maitra S. C., Montroll E. W., 1971 - Rev. Mod. Phys., vol. 43, p. 241

165

Goudie A., 1989- The Nature of the Environment, Basil Blackwell Ltd., Oxford GRIMM, 1994 - Catalog GRIMM Gubbins D., 1990 - Seismology and plate tectonics, Cambridge University Press Gyarmati I., 1970 - Non-eâuilibrium Therodynamics, Field Theory and Variational Principles, Springer-Verlag, Berlin HACH Co., 1992a– DR 2000 Portable Spectrophotometer Catalogue, Namur, Belgium HACH Co., 1992b – DR 700 Portable Colorimeter Catalogue, Namur, Belgium HACH Co., 1993 – Conductivity and TDS meter Catalogue, Namur, Belgium HACH Co., 1994 – Laboratory and Portable Instruments Catalogue, Loveland, Colorado, USA HACH Co., 1995 – 2100P Portable Turbidimeter Catalogue, Namur, Belgium

Harrison R. M, de Mora S. J., Rapsomanikis S., Johnstone W. R, 1991 - Introductory chemistry for he environmental sciences, Cambridge University Press, Cambridge Hofmann D.J. et al., 1995 - Recovery of ozone in the lower stratosphere at the South Pole during the spring of 1994, Geophysical Research Letters, vol. 22, no. 18, pp. 2493-2496 Holton J. R., 1979 - An introduction to dinamic meteorology, Academic Press, New York

Hran\ pentru [ase miliarde, 1986 - Conferin]a Clubului de la Roma, Septembrie 1983, Editura Politic\, Bucure[ti Iano[ I., 1994a - An evolution urban model applied to the romanian towns, comunicare prezentata la "Urban Development and Urban Life Conference", Berlin, August 1994

Iano[ I., 1994b - Stabilitate [i instabilitate `n sistemele geografice, Terra, nr. 1-2, p. 79-90 IMR, 1996 - Catalogue IMR GmbH Jantsch E.,1982 - The Self-Organizing Universe, Scientific and Human Implications of the Emerging Paradigm of Evolution, Pergamon Press, Oxford KANE-MAY, 1997 - Catalog Kane-May Koike M. et. al., 1995 - Ground based measurements of NO2 and O3 column amounts et Syowa station,

Antarctica, International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.101 Kreeb K.H., 1979 - Okologie und menschliche Umwelt, Gustav Fischer Verlag, Stutgart Krebs C.J., 1972 - Ecology, Harper & Row, New York LAND, 1996 - Catalog Land combustion Levine J., Editor, 1985 - The Photochemistry of atmospheres, Earth, the Other Planets and the Comets, Academic Press, New York LI - COR, 1994 - Short Form Catalog LI-COR

166

Lotka A.J., 1932 - The growth of mixed populations: two species competing for a common food supply, Jornal of the Washington Academy of Sciences, vol. 22, p. 461-469 Maturana H. R., Varela F., 1975 - Autopoietic Systems, Report BCL. 9.4. Urbana, Illinois, Biological Computer Laboratory, University of Illinois McEwan, M. J., Philips L. F., 1975 - Chemistry of the Atmosphere, John Wiley & Sons, New York Meadows L., 1972 - The Limits of the Growth, Potomac Associates, Washington Mesarovic M., Pestel E.,1973 - Omenirea la r\spqntie (Al doilea raport c\tre Clubul de la Roma), Editura Politic\, Bucure[ti Monteith J. J., Unsworth M. H., 1990 - Principles of Environmental Physics, Second Edition, Chapman and Hall, Inc., New York MRU, 1996 - Catalog MRU Messgeräte für Rauchgase und Umweltschutz GmbH MULTIRAE, 1997 - MultiRAE Catalog NASA, 1997 – Earth Observing System (EOS), Data Products Handbook, USA

Nicolis G., Prigogine I., 1979 - Self-Organisation in Non-Eâuilibrium Systems (From Dissipative Structures to Order through Fluctuations), John Wiley & Sons, New York Notholt J. et. al., 1995 - Stratospheric trace gas measurements in the near UV in visible spectral range with sun as light source using a Fourier Transform spectrometer, International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.105 Oelhaf H. et. al., 1995 - Observation of the stratospheric composition near the Northern Polar Circle with the new MIPAS-B2 instrument during SESAME phase, International Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.107 P\tra[cu S., Tudor Corina Valentina, 2000 – Lucr\ri practice de fizic\, Societatea Ateneul Romqn, Universitatea Ecologic\ Bucure[ti, Bucure[ti Peixoto J. P., Oort A. H., 1984 - Physics of the climate, Rev. Mod. Phys., vol. 56, no. 3 Prigogine I.,Lefever R., 1968 - J. Chem. Phys., 48, 1695 Rio Declaration on Environment and Development, 1993 - Report of the United Nation Conference on Environment and Development, Rio de Janeiro, 3-14 June 1992, vol. I, Resolution Adopted by the Conference, U.N., New York Rojanschi V., Bran F., Diaconu Gh., 1997 – Protectia si ingineria mediului, Editura Economica, Bucuresti Rosu A., 1987- Terra, geosistemul vietii, Editura Stiintifica si Enciclopedica Bucuresti SCOTT, 1996 - SCOTT Product Data SENSYDINE, 1997 - Catalog SENSIDYNE

167

SERVOMEX, 1995 - Catalog Servomex Ltd. SMC, 1997 – Catalog Sierra Monitor Corporation (SMC) Smil V., 1991 - General Energetics, Energy in the Biosphere and Civilization, John Wiley & Sons, New York STANDARD, 1987 - Aer din zonele protejate - Condi]ii de calitate, STAS 12574-87, Institutul Romqn de Standarde STANDARD, 1995 - Calitatea aerului - Vocabular, Standard SR 9081-95, Institutul Romqn de Standarde STANDARD ISO, 1989 - Planification du controle de la qualite de l’air ambient, Standard ISO 4227:1989, International Standard Organization STANDARD ISO, 1994 - Air Âuality - Determination of Performance Characteristics of Measurement Methods, Standard ISO 9169:1994, International Standard Organization STANDARD ISO, 1995 - Air Âuality - Performance Characteristics and Related Concepts for Air Âuality Measuring Methods, Standard ISO 6879:1995, International Standard Organization SYSTECH, 1997 - Catalog Systech Instruments erban R., Cotigaru B., C\ld\raru F., Petrescu V., 1992 - Problematica de[eului `n cadrul produsului contemporan, Mediul ~nconjur\tor, vol. III, nr. 4, p. 13-17 Tyson J. J., 1974 - Some Mathematical Âuestions in Biology, Levin S. A., Providence, Rhode Island, AMS Press de Valk J.P.J.M.M. et. al., 1995 - Microwave sounding of N2O and O3 from airborne platforme, International

Conference on Ozone in the Lower Stratosphere, May, Halkidiki, Greece, p.87 Visan S., Cretu S., Alpopi C., 1998 – Mediul inconjurator, poluare si protectie, Editura Economica, Bucuresti Walsh K. J., Sellers W. D., 1993 - Response of a global climate model to a thirty percent reduction of the solar constant, Global and Planetary Change, 8, p.219-230

168

DINAMICA TERREI

Structura Terrei este astfel alcătuită încât să asigure menţinerea biosferei şi a condiţiilor de

existenţă a acesteia. Cea mai importantă dintre acestea este componenţa spectrală a radiaţiei

solare şi a nivelului energetic al acestei radiaţii de 90 mW/cm2 la nivelul mării şi la 45o latitudine

nordică.

Spectrul radiaţiei solare. Partea mai închisă a spectrului corespunde compoziţiei spectrale la nivelul extra-atmosferic (140 mW/cm2), iar partea mai deschisă corespunde compoziţiei spectrale la nivelul mării şi la 45o latitudine nordică

(90 mW/cm2)

De la un spectru la altul se ajunge datorită proceselor de absorbţie a radiaţiei electromagnetice în

diferitele straturi ale atmosferei, după cum urmează.

Scutul termic

La nivelul atmosferei înalte (de la limita extra-atmosferică de 10.000 km pînă la limita

superioară a stratosferei de 50 km) are loc absorbţia particulelor neutre de mare energie

(particule α şi neutroni) şi a radiaţiilor γ şi X care sunt dăunătoare viului. I RADIAŢII DE 140 mW/cm2

169

Absorbţia fluxurilor de particule de energie mare (α şi neutroni) şi a radiaţiilor γ şi X în atmosfera înaltă

Scutul electromagnetic

Fluxurile de particule încărcate electric (electroni şi protoni) de mică energie au fost captate,

datorită forţei Lorentz, în câmpul magnetic al Terrei, imediat după formarea acestuia, la înălţimi

cuprinse între 10.000 – 65.000 km (centura de radiaţie Van Allen exterioară), iar cele de energie

mare la înălţimi cuprinse între 6.400 – 20.000 km (centura de radiaţie Van Allen interioară).

Aceste centuri se comportă ca un scut electromagnetic care respinge orice particulă încărcată

care se apropie de Terra.

Centurile de radiaţie Van Allen

170

Scutul chimic La nivelul stratului de ozon din stratosferă (16 – 50 km) are loc, în urma unor procese

fotochimice, absorbţia radiaţiei UV, ultima componentă a spectrului radiaţiei solare care este

dăunătoare viului.

Stratul de ozon (gaura de deasupra Anctarticii)

Parametrii cinematici şi dinamici

A doua condiţie pentru menţinerea caracteristicilor spectrului solar este ca parametrii din tabelul

de mai jos să rămână constanţi.

Parametrii cinematici şi dinamici ai Terrei Masa (kg) 5,976x1024 Raza la ecuator (km) 6.378,14 Densitatea medie (gm/cm3) 5,515 Distanţa minimă faţă de Soare (km) 146.000.000 Distanţa maximă faţă de Soare (km) 152.000.000 Perioada de rotaţie (zile) 0.99727 Perioada de rotaţie (ore) 24h 56min Perioada de revoluţie în jurul Soarelui (zile) 365 zile 5h Viteza medie de revoluţie (km/s) 29.79 Excentricitatea orbitei 0.0167 Înclinarea axei de rotaţie faţă de planul orbitei (grade) 23o 27” Viteza de desprindere ecuatorială (km/s) 11.18 Acceleraţia gravitaţională la ecuator (m/s2) 9.78 Albedoul 0.37 Temperatura medie la suprafaţă (oC) 15°C Presiunea atmosferică la suprafaţă (bari) 1.013 Compoziţia atmosferei Azot Oxigen Alte gaze (CO2, CO, O3, NOX, H2O, etc.)

77% 21%

2%

171

Forma Terrei s-ar putea modifica în special datorită căldurii degajate de nucleu şi acumulate în

masa planetei. Din acest motiv litosfera este alcătuită din plăci, aşa cum este înfăţişat în figura de

mai jos.

Structura în plăci a litosferei

Datorită acestei structuri întreaga scoarţă se mişcă în zona rifturilor din Atlantic şi Pacific, masa

în exces fiind îndepărtată de fenomenele seismice din zona cercului de foc din Pacific şi din zona

Caraibelor. O altă cale de eliminare a căldurii în exces este cea a erupţiilor vulcanice. Prin

urmare, seismele şi erupţiile vulcanice, catastrofale pentru indivizi şi comunităţi, sunt benefice

pentru specia umană pentru că menţin constantă forma planetei şi parametrii cinematici ai

acestora.

172

Lucrarea de laborator nr. 1 - Referat

DETERMINAREA CONCENTRAŢIILOR UNOR POLUANŢI AI APEI PRIN METODE SPECTROMETRICE ÎN DOMENIUL VIZIBIL Partea I – a Analiza calitativă

1. Scopul lucrării

Scopul lucrării este acela de a determina concentraţia unor poluanţi ai apei folosind

spectrometria de absorbţie în domeniul vizibil şi infraroşu apropiat (350 – 1000 nm). În

cadrul primei părţi se prezintă şi se realizează analiza calitativă.

2. Principiul metodei

Principiul metodei ce urmează a fi folosită se bazează pe legea care descrie fenomenele

care au loc la trecerea unei radiaţii luminoase monocromatice prin substanţă. Când o

radiaţie luminoasă monocromatică cu lungimea de undă λ trece printr-o substanţă aflată

în

forma de agregare solidă, lichidă sau gazoasă, intensitatea radiaţiei transmise prin proba

de substanţă este dată de legea Bouger – Lambert – Beer:

unde

ste intensitatea radiaţiei reflectate pe proba de substanţă, iar

ste intensitatea radiaţiei absorbite în proba. R(λ) este coeficientul de reflexie, α(λ) este

obţinem

( ) ( ) ( ) ( )λλλλ absrefltrans IIII −−= 0

e

( ) ( ) ( )λλλ 0IRI refl =

( ) ( ) ( ) ( )VxCabs eII λλαλλ = 0

−

e

coeficientul de absorbţie, x este grosimea probei de substanţă, V este volumul acesteia,

iar C(λ) este concentraţia substanţei care absoarbe radiaţia de lungime de undă λ. În toate

relaţiile de mai sus I0(λ) este intensitatea radiaţiei incidente. Înlocuind în prima relaţie

173

( )ns Iλ =

din care se poate obţine expresia concentraţiei

, pentru o substanţă care are absorbţie la

între concentraţia acesteia şi raportul dintre

intensitatea radiaţiei transmise Itrans(λ) şi a celei incidente I0(λ).

paratul utilizat pentru analizarea compoziţiei chimice a soluţiilor apoase este spectrometrul

000 nm, a cărui schema bloc este prezentată în fig. 1.

( ) ( ) ( ) ( )[ ]VxCtra eRI

λλαλλ −−−10

( )

Din această ultimă relaţie se poate trage concluzia că

lungimea de undă λ, există o relaţie biunivocă

3. Descrierea lucrării

3.1 Aparatura necesară

A

optic în domeniul 350 – 1

( ) ( )λλα 0IxV( ) ( )[ ] ( )λ−λ−λ

−λ trans0 IR1Iln1C =

( ) ( ) ( )( ) ( )( )

λ

λ−λ−λ=λ

0

trans

II

K1lnKC 21

174

Fig. 1 – Schema bloc a spectrometrului optic

1. Sursa de alimentare cu energie electrică

2. Sursa de lumină

3. Oglinzi pentru dirijarea fascicolului luminos

4. Monocromator cu prismă pentru descompunerea spectrală a radiaţiei luminoase incidente

5. Fantele de intrare, respectiv ieşire din monocromator

6. Suport pentru cuvă

7. Fotodetector

8. Circuit de amplificare

9. Lentile

- Cuva de cuarţ

- Substanţă de lucru

Sursa de lumină 2, alimentată de sursa 1, emite un fascicul divergent de lumină albă pe care

prima lentilă 9 îl transformă într-un fascicul plan – paralel. Acest fascicul se reflectă pe oglinda 3

şi ajunge, trecând prin prima fantă 4, pe faţa prismei 5 în care se refractă şi se descompune în

radiaţie monocromatică care, după ce este selectată de a doua fantă 4 şi trece prin a doua lentila

9, trece prin substanţa de lucru din cuva 6, unde este absorbită. Radiaţia monocromatică

diminuată de absorbţie cade pe fotodetectorul 7 unde se generează un curent electric proporţional

175

cu intensitatea radiaţiei, care este amplificat de circuitul de amplificare 8. Semnalul de ieşire

furnizat de acest circuit de amplificare este, deci, legat funcţional de absorbţia care are loc în

substanţa de lucru.

3.2.Prezentarea secvenţei de lucru

Pentru măsurători se folosesc doua substanţe: substanţa de referinţă, care este apa, şi

substanţa de lucru, care este cerneala.

- Se porneşte aparatul de la butonul 1 şi se lasă să se încălzească 5 minute;

- Cu obturatorul 4 apăsat (fig. 2) se reglează zeroul aparatului din butonul 1 până când acul

ajunge la zero. Nu se mai umblă la butonul 1 până la terminarea măsurătorilor;

- Se introduce canalul liber al furtunaşului 6 în recipientul de scurgere, se încarcă seringa cu

apă şi apoi se introduce apa în cuva aparatului prin furtunaşul 5. Operaţia se repetă de câteva

ori până la curaţirea cuvei;

- Se încarcă cuva cu apă;

- Se caută, manevrând din butonul 3, lugimea de undă pentru care indicaţia instrumentului este

maximă;

- Se reglează amplificarea din butonul 2 astfel încât maximul să apară la indicaţia 100;

- Se realizează măsurătoarea pentru apă variind lungimea de undă din 10 in 10 nm în intervalul

350 – 1000 nm şi se notează de fiecare dată valoarea afişată de aparat. Nu se umbla la

amplificare!

- Se curăţă cuva de apă purjând aer cu seringa;

- Se introduce cerneala în cuvă;

- Se caută, fără a se umbla la amplificare, lugimea de undă la care se obţine maximul şi

se notează această valoare a amplificării cu A0;

- Se reglează amplificarea din butonul 2 astfel încât maximul să apară la indicaţia 100;

- Se realizează măsurătoarea pentru cerneală variind lungimea de undă din 10 in 10 nm în

intervalul 350 – 1000 nm şi se notează de fiecare dată valoarea afişată de aparat. Nu se umblă

la amplificare!

176

Fig. 2 – Vedere frontală a spectrometrului

4. Prelucrarea datelor

Indicaţia afişată de aparat, după fiecare măsurătoare pentru apă, are expresia

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) KASTRII aae0a λλλλ=λ

în care I0(λ) este intensitatea fascicului incident de lungime de undă λ

Re(λ) este un factor de atenuare legat de reflexia pe pereţii cuvei (presupunem că

reflexia apei este nulă)

Ta(λ) este transmitanţa apei la lungimea de undă λ

S(λ) este sensibilitatea fotodetectorului la lungimea de undă λ

Aa este factorul de amplificare

K este factorul de scală

Indicaţia afişată de aparat pentru măsurătoarea pentru cerneală are expresia

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) KASTRII cce0c λλλλ=λ

Împărţind ultimele două relaţii obţinem:

177

( ) ( ) aaa ATI λλ

Dacă consideram că apa nu absoarbe radiaţia luminoasă în domeniul 350 – 1000 nm, adică

bţinem pentru transmitanţa substanţei de lucru expresia

λ Ia(λ) Ic(λ) Tc(λ)

şi ţinem cont de faptul că

o

Tabelul cu date va cuprinde rubricile

(nm)

Ia(λ) şi I nt date măsurate, iar Tc(λ) se calculează din ultima relaţie.

e va reprezenta grafic rba Tc(λ) = f(λ).

( ) ( ) ccc ATI λ=

λ

( ) 1Ta =λ

( )( )c 100A λ

0a AA=

λ

( ) ( )( )λa

c I100λ

=λ c0IAT

c(λ) su

S cu

178


ETERMINAREA CONCENTRAŢIILOR UNOR POLUANŢI AI APEI PRIN METODE VIZIBIL

artea a II – a Analiza cantitativă

oncentraţia unor poluanţi ai apei folosind etria iul vizibil şi infraroşu apropiat (350 – 1000 nm). În

doua părţi se prezintă şi se realizează analiza cantitativă. 2.

analitică între i şi transmisia radiaţiei luminoase prin ea:

dependentă de reflexia pe pereţii cuvei şi pe probă, iar ţie al probei la lungimea de undă λ şi de

imensiunile geometrice ale probei.

ficientul de absorbţie al acesteia.

a presupune cunoaşterea

( )

DSPECTROMETRICE ÎN DOMENIULP

1. Scopul lucrării Scopul lucrării este acela de a determina cspectrom de absorbţie în domencadrul celei de-a Principiul metodei Am văzut, în partea I-a a acestei lucrări de laborator, că, folosind legile care descriu interacţiunea radiaţiei luminoase cu substanţa, se determină o relaţie concentraţia substanţe

( ) ( )( ) ( )( )

λ

−λ−λ trans21

IK1lnK

λ=λ

0IC

În relaţia de mai sus K2(λ) este o mărimeK1(λ) este o mărime ce depinde de coeficientul de absorbd În principiu, după determinarea caracteristicii spectrale a probei, se poate determina concentraţia probei din aria peak – ului de transmisie. Acest lucru este, de multe ori, dificil de făcut din cauză că nu se cunoaşte coe O metodă mult mai directă şi mai uşor de realizat, când se cunoaşte tipul substanţei a cărei concentraţie dorim să o determinăm, este aceea care presupune calibrarea spectrometrului pentru substanţa a cărei concentraţie dorim să o determinăm. Metodanterioară a lungimii de undă la care are loc maximul de absorbţie şi constă în măsurarea transmisiei unor probe etalon a căror concentraţie este bine cunoscută. Dacă avem n probe din substanţa a cărei concentraţie dorim să o determinăm, probe care au concentraţiile C1, C2, …, Cn şi măsurăm transmisiile acestora rezultând, respectiv, valorile T1, T2, …, Tn, într-o reprezentare grafică T = f(C), obţinem 100

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

Tran

smita

nta

(%)

Concentratia (mg/l)

Cerneala

179

Fig. 1 – Puncte experimentale măsurate în procedura de calibrare a spectrometrului

rintre aceste puncte experimentale se trasează curba care se obţine prin procedura de fitare cunosc rare a paratului pentru substanţele care absorb radiaţia de lungime de undă λ.

i Cx.

pectrometrul utilizat în această lucrare este acelaşi cu cel utilizat în lucrarea trecută şi este pre

10. Sursa de alimentare cu energie electrică 11. Sursa de lumină 12. Oglinzi pentru dirijarea fascicolului luminos

unerea spectrală a radiaţiei luminoase incidente , respectiv ieşire din monocromator

de cerneală

radate

P

ută sub numele de metoda celor mai mici pătrate. Această curbă este curba de caliba Dacă dorim să măsurăm concentraţia Cx a unei probe dintr-o substanţă care are absorbţie la lungimea de undă λ, vom măsura transmisia Tx a acesteia şi apoi, din curba de calibrare vom determina, printr-o procedură de interpolare liniară, valoarea concentraţie

3. Descrierea lucrării 3.1.Aparatura necesară

Szentat în fig. 2.

Fig. 2 – Schema bloc a spectrometrului optic

13. Monocromator cu prismă pentru descomp14. Fantele de intrare15. Suport pentru cuvă 16. Fotodetector 17. Circuit de amplificare 18. Lentile - Cuvă de cuarţ- Probe etalon din soluţia- Pipete g- Pahare Erlenmayer

180

Sursa de lumină 2, alimentată de sursa 1, emite un fascicul divergent de lumină albă pe care ă într-un fascicul plan – paralel. Acest fascicul se reflectă pe oglinda 3

i ajunge, trecând prin prima fantă 4, pe faţa prismei 5 în care se refractă şi se descompune în rad

etalon Probele etalon se prepară din cerneală şi apă distilată. Dozajul cantităţilor se face cu pipete gra .

n cu concentraţiile de 0.04%, 0.08%, 0.1%, 0.5% şi 1%.

pă distilată. obei. După rneala.

prima lentilă 9 îl transformş

iaţie monocromatică care, după ce este selectată de a doua fantă 4 şi trece prin a doua lentilă 9, trece prin substanţa de lucru din cuva 6 unde este absorbită. Radiaţia monocromatică diminuată de absorbţie cade pe fotodetectorul 7 unde se generează un curent electric proporţional cu intensitatea radiaţiei, care este amplificat de circuitul de amplificare 8. Semnalul de ieşire furnizat de acest circuit de amplificare este, deci, legat funcţional de absorbţia care are loc în substanţa de lucru.

3.2.Prezentarea secvenţei de lucru

Prepararea probelor

date, câte una pentru fiecare substanţă- Se prepară 5 probe etalo- Se prepară o probă de măsură cu concentraţia cuprinsă în domeniul de etalonare. - Se prepară o probă care conţine numai aFiecare probă se depune într-o eprubetă separată pe care se notează concentraţia prprepararea fiecărei probe se curaţă bine, prin spălare cu apă, pipeta cu care s-a dozat ceMăsurarea transmisiei probelor B1. Măsurători de calibrare a spectrometrului Pentru măsurători se folosesc două substanţe: substanţa de referinţă, care este apă distilată, şi

ă se încălzească 5 minute;

utonul 1 până la terminarea măsurătorilor; %;

ă la sfârşitul

- tonul 2 până la sfârşitul măsurătorii;

%. Se

- concentraţiei, celelalte probe etalon.

B2. noscută

probele etalon preparate în secvenţa A. - Se porneşte aparatul de la butonul 1 şi se lasă s- Cu obturatorul 4 apăsat (fig. 3) se reglează zeroul aparatului din butonul 1 până când acul

ajunge la zero. Nu se mai umblă la b- Se introduce în lăcaşul cuvei eprubeta cu proba etalon de concentraţie 0.04- Se caută, manevrând din butonul 3, lugimea de undă la care cerneala are maximul de

absorbţie şi se notează această valoare. Nu se mai umblă la butonul 3 pânmăsurătorilor;

- Se scoate proba etalon cu concentraţia de 0.04% şi se introduce proba cu apă distilată Se reglează amplificarea din butonul 2 astfel încât maximul să apară la indicaţia 100. Nu se mai umbla la bu

- Se scoate proba cu apă distilată şi se introduce proba etalon cu concentraţia de 0.04notează indicaţia afişată de aparat cu Tc1; Se introduc, pe rând şi în ordinea crescătoare aIndicaţiile afişate se notează cu Tc2, …, Tc5. Măsurarea probei de concentraţie necu

- - Se introduce eprubeta care conţine proba de măsură în lăcaşul cuvei;

Se notează indicaţia afişată de aparat cu Tcx;

181

Fig. 3 – Vedere frontală a spectrometrului


A. Calculul transmitanţelor Indicaţia afişată de aparat după măsurătoarea probei cu apă distilată are expresia

( ) ( ) ( ) ( ) ( )KSTRII ae0a λλλλ=λ în care I0(λ) este intensitatea fascicului incident de lungime de undă λ

Re(λ) este un factor de atenuare legat de reflexia pe pereţii cuvei (presupunem că reflexia apei este nulă) Ta(λ) este transmitanţa apei la lungimea de undă λ S(λ) este sensibilitatea fotodetectorului la lungimea de undă λ K este factorul de scală

Indicaţia afişată de aparat pentru măsurătoarea probelor etalon de cerneală are expresia

( ) ( ) ( ) ( ) ( )KSTRII ce0c λλλλ=λ Împărţind ultimele două relaţii obţinem

( )( )

( )( )λλ

=λλ

a

c

a

c

TT

II

1Ta =

( ) 100Ia =λDacă considerăm că apa nu absoarbe radiaţia luminoasă în domeniul 350 – 1000 nm, adică Şi că obţinem pentru transmitanţa probelor etalon cu cerneală expresia

Tabelul cu date va cuprinde rubricile:

( ) ( )100I

T cc

λ=λ

Concentraţia probei etalon (%)

Ic(λ) Tc(λ)

Ic(λ) sunt date măsurate, iar Tc(λ) se calculează din ultima relaţie.

182

B. Determinarea curbei de calibrare Punctele calculate Tc(λ) se vor reprezenta în coordonate (Transmitanţă, Concentraţie) la fel ca în fig. 1. Curba de calibrare se obţine trasând printre punctele experimentale dreapta care aproximează cel mai exact poziţiile acestor puncte. C. Determinarea concentraţiei necunoscute După ce se trasează curba de calibrare, se poziţionează pe ordonata graficului curbei de calibrare transmitanţa Tcx a probei de concentraţie necunoscută. Printr-o paralelă dusă la axa concentraţiilor până la intersecţia cu curba de calibrare, se obţine poziţia punctului de concentraţie necunoscută pe această curbă. Coborând perpendiculara din acest punct pe axa concentraţiilor se obţine valoarea concentraţiei necunoscute Cx. Se va compară această valoare cu cea cunoscută anterior şi se va comenta rezultatul.

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

Cerneala

Tran

smita

nta (

%)

Concentratia (mg/l)

Fig. 4 – Determinarea concentraţiei necunoscute din curba de calibrare a spectrometrului

Calculul erorilor Eroarea absolută a unei măsurători efectuate asupra unei mărimi fizice F care depinde de mărimile fizice Xi, de asemenea măsurabile, are expresia

( ) ( )∑

∂

∂=

=

n

1ii

i

ii dX

XXF

XdF

Curba de calibrare din fig. 4, obţinută prin procedura de fitare numită regresie liniară, are expresia

( ) CCT

TCTm

mm −=

În care Tm şi Cm sunt intersecţiile acestei drepte cu axa transmitanţelor, respectiv a concentraţiilor. Prin urmare, concentraţia Cx se poate scrie

183

mm

xx C

TT

1C

−=

În care Cm este

sol

cm V

VC =

Unde Vc este volumul cernelii şi Vsol este volumul întregii soluţii. Eroarea asupra concentraţiei necunoscute are expresia

+

−= x

m

m

solm

xx dT

TC

dMM

1TT

1dC

În relaţia de mai sus mărimile au următoarele valori Vsol = 10 ml Cm = 0.1 Vc Tm este intersecţia curbei de calibrare determinată în lucrare cu axa transmitanţelor dV = 0.05 ml dTx = 0.05 Folosind datele măsurate în cadrul lucrării se va calcula eroarea absolută dCx precum şi eroarea relativă Rezultatul final se va prezenta sub forma:

x

xr C

dC=ε

Cx = valoare calculată + eroare absolută calculată.

184


CALIBRAREA SENZORULUI CU SNO2 PENTRU MĂSURAREA

CONCENTRAŢIILOR DE GAZ COMBUSTIBIL ÎN AER

1. Scopul lucrării

Determinarea dependenţei mărimii de ieşire a unui senzor semiconductor pentru gaze combustibile (conductanţa/rezistenţa) în funcţie de concentraţia de gaz a mediului în care se află senzorul.

2. Principiul metodei

Senzorii sunt dispozitive de detecţie a unui component din aer sau apă, gazos sau lichid.

Dintre metodele de detecţie a acestor componente (determinarea spectrului de absorbţie,

indicatori de culoare ce urmează unei reacţii chimice, etc), utilizarea senzorilor este cea mai

avantajoasă. Există mai multe tipuri de senzori, cei mai des utilizaţi fiind senzorii electrochimici

şi senzorii cu semiconductori (Caldararu F., 1997).

Se studiază un senzor pe un semiconductor stabil chimic (SnO2). Acest material nu

prezintă metale interstiţiale şi nici modificări cristalografice până la temperaturi aproape de

punctul de topire (funcţionează la sute de grade Celsius).

Mărimea ce variază cu concentraţia de gaz este rezistenţa (conductivitatea) internă.

Variaţia acesteia are loc pe mai multe decade când dispozitivul este introdus într-un gaz

reducător (metan, butan, freoni, oxid de carbon,etc.) de concentraţie variabilă.

Semiconductorul SnO2 amorf este din punct de vedere stoechiometric, un izolator cu

banda interzisă de 4eV. Datorită existenţei vacanţelor de oxigen, el prezintă o structură de

semiconductor n. In atmosferă oxidantă, la temperaturi mai mari de 200o C, se chemoabsoarbe

pe suprafaţă oxigen, astfel încât, în zonele de suprafaţă apare o rezistenţă mai mare decât în

volum. Apar, deci, zone conductoare, izolate unele de altele, prin structuri foarte rezistive.

Prezenţa unui gaz reducător la suprafaţa semiconductorului determină o reacţie chimică între

acest gaz şi oxigenul chemoabsorbit pe stările de suprafaţă, reacţie care are loc cu eliberare de

purtători electrici, ceea ce face ca rezistenţa stratului semiconductor să scadă. Relaţia care se

stabileşte în aceasta situaţie este o relaţie de dependenţă neliniară între rezistenţa stratului

semiconductor şi concentraţia gazului incident pe suprafaţa senzorului. După îndepărtarea

185

gazului reducător de la suprafaţa semiconductorului, rezistenţa acestuia revine la valoarea iniţială

datorită recombinării purtătorilor.

Selectivitatea pentru un gaz anumit se obţine prin doparea foarte bine controlată a

semiconductorului cu Pd.

Curba de calibrare a unui senzor cu SnO2 este o relaţie de dependenţă de tipul Rs/R0

= f(c), în care Rs este rezistenţa senzorului în prezenţa gazului reducător (de concentraţie dată c),

iar R0 este rezisţenta etalon a senzorului într-un punct de concentraţie dată c0. Rezistenţa R0

variază de la senzor la senzor, ca şi alţi parametrii ai curbei.

Curba de calibrare teoretică pe domenii largi de concentraţie este de forma (Caldararu

F., 1993):

1212

102102

0 1

1

KcKKcK

KcKKcK

RR

pp

pp

s

+++

+++

= (1)

unde Rs este rezistenţa stratului semiconductor de SnO2 la concentraţia c;

R0 este rezistenţa stratului semiconductor de SnO2 la concentraţia

de referinţă c0;

K1, K2 si p sunt parametrii curbei de calibrare care se deduc pentru

fiecare senzor.

Deoarece sunt patru parametrii care variază de la senzor la senzor trebuie trasată curba de

calibrare RS funcţie de c în cel puţin patru puncte.

Curba de calibrare este puternic neliniară. Pentru concentraţii mari, putem aproxima

relaţia anterioară cu o relaţie de forma:

p

pS

cc

RR 0

0= (2)

Această relaţie este o dependenţă liniară la scară dublu logaritmică. Deci la concentraţii ridicate

ridicarea curbei R=R(c) este mult mai facilă. Dependenţa anterioară este cea care apare în

majoritatea lucrărilor de uz comun, în cazul utilizărilor senzorilor pentru alarme. Este evident că

186

în aceste cazuri concentraţia de detectat este mare, deci utilizarea relaţiei (2) este corectă.

Senzorii cu SnO2 se folosesc atât pentru dispozitive de alarmare cât şi pentru dispozitive de

măsură şi control. La acestea din urmă relaţia (1) este obligatoriu a fi folosită, mai ales la

concentraţii mici (din relaţia (2) ar rezulta că la concentraţie nulă – aer curat – rezistenţa RS ar fi

infinită, lucru evident fals).

Rezistenţa senzorilor – atât din cauza variaţiei rezistivităţii stratului semiconductor cât şi din

cauza variaţiei stărilor de suprafaţă - este puternic dependentă de temperatură şi umiditate. De

aceea, în absenţa unei scheme de compensare a efectului temperaturii este indicat să se efectueze

măsurătorile la temperatură şi umiditate aproximativ constante.

3. Descrierea lucrării

a. Aparatura necesară

(a) Cameră de calibrare etanşă, de volum 5400 cm3, cu ventilator de omogenizare a gazelor în

incintă, produsă de FIGARO Engineering Inc. (FIGARO, 1992);

Camera de calibrare este realizată dintr-un material transparent, inert la gazele reducătoare. La

partea superioară prezintă un capac din acelaşi material, pentru etanşeizarea căruia închiderea se

face pe un suport de cauciuc. În capac este prevăzut un orificiu pentru introducerea gazelor din

seringă (cu un dop) şi o trecere a cablurilor de alimentare cu un soclu pentru senzor. Senzorul se

montează în partea superioară a camerei, deoarece majoritatea gazelor măsurate sunt mai uşoare

decât aerul. Pentru uniformizarea atmosferei din interiorul camerei, aceasta include un ventilator,

alimentat la 220 V.

(b) Senzor semiconductor cu SnO2 pentru gaze combustibile NFI 1842, produs de aceeaşi firmă

(FIGARO, 1997);

Senzorii cu semiconductori prezintă următoarele avantaje:

- au dimensiuni reduse;

- sunt stabili în timp;

- au fiabilitate ridicată;

- au durată de viaţă practic nelimitată;

- au timpi de răspuns de ordinul zecilor de secunde (faţă de alte metode la care timpul de

răspuns este de ordinul zecilor de minute).

Semiconductorul amorf SnO2 este depus pe un suport de ceramică şi încălzit, pentru a ajunge la

regimul de funcţionare, prin intermediul unui filament de aur sau platină. Structura astfel formată

187

este montată pe o ambază de material plastic si protejată cu un capac prevăzut cu o sită de oţel

inoxidabil de 100 Mesh. Pinii dispozitivului astfel format sunt din Ni sau COVAR. Senzorii

funcţionează la temperaturi de 100 - 400 oC, din următoarele motive:

- rezistenţa stratului semiconductor la nivele uzuale de concentraţii să fie 10 - 100 kΩhm;

- variaţia rezistenţei stratului semiconductor cu concentraţia să fie ridicată;

- dependenţa de temperatura ambiantă să fie minimă.

Această temperatură este asigurată prin existenţa unui filament de încălzire în imediata

vecinătate a cipului semiconductor.

(c) Seringi etalonate de 1 – 10 ml;

(d) Butelie cu gaz combustibil de 5 l, prevăzută cu sistem de extragere în seringă a gazului şi

etanşeizare;

(e) Modul electronic de condiţionare a senzorului – Fig. 1;

Senzorii se montează într-un modul electronic având două roluri:

- alimentarea senzorului la o tensiune prestabilită (5 – 12 V);

obţinerea pe etajul de ieşire a unui semnal care să fie (de preferinţă) o funcţie liniară de rezistenţa

senzorului; astfel rezistenţa / conductanţa senzorului sunt uşor deductibile din tensiunea măsurată

la ieşire.

Schema din Fig. 1 este cea mai simplă ce îndeplineşte cele două cerinţe, de alimentare a

senzorului şi de măsurare a rezistenţei acestuia (din tensiunea de ieşire). Relaţia dintre tensiunea

de ieşire VO şi rezistenţa senzorului RS este:

(3) LS

SCCO RR

RVV+

×=

unde: VCC=5V (tensiune de alimentare)

RL= 10 – 50 KΩ (rezistenţa de sarcină, reprezentată printr-un potenţiometru de 50 KΩ , pus

de obicei la o valoare de 15 K ) Ω RS – rezistenţa senzorului (având o valoare variabilă funcţie de senzor şi de concentraţia

de gaz)

VO - tensiunea de ieşire (măsurabilă)

188

Fig.1 – Schema electrica a blocului de conditionare a semnalului

Senzorul este încălzit cu o rezistenţă internă, alimentată la VH=5V.

(f) Aparat de măsurare – voltmetru sau sistem de măsură computerizat (PC cu interfaţă şi simulator soft corespunzător). Interfaţa este inclusă în computer. Conectarea modulului la aceasta se efectuează cu o cutie de distribuţie sermnal, ce face trecerea de la cablul cu 5 pini de ieşire din modul la un cablu de 24 pini.

b. Prezentarea secvenţei de lucru

I. Pregătirea lucrării:

I.1. Se introduce senzorul în soclul modulului electronic de condiţionare.

I.2. Se conectează modulul electronic la aparatul de măsurare (voltmetru sau interfaţa din PC;

cablul de la modul se introduce în mufa corespunzătoare de la cutia de conexiuni, iar aceasta se

conectează la computer cu un cablu paralel cu 25 pini – 24 activi şi unul pt. masă).

I.3. Se alimentează (220V) camera de măsură, computerul şi modulul. Se porneşte computerul.

Programul de lucru (executabil) – probe.exe - se află în directorul “test” şi poate fi apelat fie

din WINDOWS, fie din MSDOS. Ecranul de măsură va fi următorul:

189

Fig. 2 – Ecran cu voltmetru virtual

Unde:

CH 1 – 4 sunt canalele de măsură (în cazul lucrării de faţă, unul singur este activ)

Nr.probe sunt numărul de probe înregistrate (apăsând tasta “Space”)

Timp probă reprezintă timpul între două memorări

Timp total este timpul de la pornirea programului probe.exe

Se dă şi numărul testului (în cazul din fig.2, 22).

I.4. Se dă drumul la ventilatorul camerei de măsură, cu capacul ridicat, pentru o bună aerisire.

Apoi se închide capacul (se etanşeizează camera).

II. Măsurarea mărimilor de pe curba de calibrare:

Curba de calibrare are pe abcisă concentraţia de gaz şi pe ordonată fie tensiunea la ieşirea

modulului electronic, fie rezistenţa sau conductanţa senzorului. În primul caz curba de etalonare

corespunde întregului modul (inclusiv senzorul) şi se poate trasa direct după măsurătoare. În cel

de al doilea caz este necesară cunoaşterea elementelor schemei electronice a modulului (valorea

rezistenţei RL), trasarea acestei curbe având avantajul că senzorul poate fi utilizat în alt modul

(sau schemă), iar curba de etalonare rămâne valabilă.

În această lucrare se va trasa curba VO=VO(c). Tensiunea VO se măsoară. Concentraţia de gaz

(în ppm) rezultă din relaţia:

190

( ) ( )( )

610×=mlV

mlVppmccam

s (4)

unde:

Vs – volumul seringii (în ml)

Vcam – volumul camerei de măsură (5400 cm3 = 5400 ml)

S-a presupus că cele două gaze sunt amândouă gaze ideale, astfel încât la volume egale

corespunde acelaşi număr de particule.

Punctele în care se fac măsurătorile sunt determinate de:

- tipul senzorului; în cazul senzorului NFI 1842 concentraţia c0 este 1000 ppm, iar domeniul de

funcţionare este 100 – 6000 ppm (domeniu garantat de producător, domeniu pe care senzorul

are o caracteristică practic liniară la scară logaritmică) (FIGARO, 1997);

- condiţiile specifice de măsură: în cazul măsurătorii de faţă se poate efectua uşor o

măsurătoare în aer curat, cât şi pe un domeniu larg de concentraţii în interiorul domeniului de

funcţionare al senzorului; în cazul umplerii unei seringi de 1 ml concentraţia în cameră este

de 185 ppm. La capătul maxim al domeniului de funcţionare al senzorului (concentraţie 6000

ppm) este necesar un volum de 32,4 ml gaz. aplicaţia la care va fi folosit senzorul ulterior;

dacă se foloseşte senzorul pentru alarmare la butan, trebuie să se ia în consideraţie că limita

minimă de explozie este 1,6 % (concentraţie volumică în aer, deci 16000 ppm), iar TWA-

Time Weighted Average concentration - concentraţia permisă pentru lucru 8 ore zilnic, 40

ore pe săptămână (FIGARO, 1992) este de 800 ppm; se vor măsura puncte apropiate de 800

ppm şi 4000 ppm (aparatele de alarmare dau alerta la 5% din pragul de explozie).

II.1. Se face o primă măsurătoare în aer curat, atât în exteriorul cât şi în interiorul camerei de

măsură.

II.2. Se închide etanş camera de măsură. Se umple seringa de 1 ml cu gaz, până la diviziunea

de 0,1 ml. Se introduce gazul prin orificiul superior.

Pentru un volum de 0,1 ml de gaz rezultă o concentraţie de 18,5 ppm. Se măsoară tensiunea la

ieşirea modulului. Măsurătoarea se va efectua de abia după stabilizarea indicaţiei (exceptând

variaţiile datorate fluctuaţiilor şi zgomotului), la atingerea minimului. Deoarece la suprafaţa

senzorului au loc reacţii chimice, fenomenul are un timp de întârziere mult mai mare decât un

dispozitiv electronic uzual (aprox. 1 min., faţă de mai puţin 10 µs la dispozitive

optoelectronice, de exemplu).

191

II.3. Se umple din nou seringa cu gaz (până la subdiviziunea de 0,1 ml) şi se introduce în

camera de măsură. Se presupune că nu s-a pierdut gaz prin operaţiunile efectuate şi nici în

timpul măsurătorii anterioare. Astfel cantitatea (volumică) de gaz (butan) este de 0,2 ml. Se

calculează concentraţia cu formula (4).

II.4. Se repetă operaţiile în cel puţin 8 puncte (astfel încât numărul total de puncte să fie cel

puţin 10). Se pot folosi şi seringi mai mari pentru a obţine concentraţii mai ridicate. Este indicat

să se atingă punctele de 800 ppm (TWA), 1000 ppm (c0), 4000 ppm (5% din pragul de

explozie) şi 6000 ppm (limita maximă de funcţionare a senzorului).

Prin introducerea unei cantităţi de gaz egale cu volumul unei seringi, sau chiar prin utilizarea

gradaţiilor seringilor, se obţin concentraţii apropiate de cele indicate. Este indicat să se introducă

volume de gaz egale cu o seringă sau cu diviziuni gradate de pe aceasta şi să se obţină

concentraţii aproximativ egale cu cele indicate (de exemplu pentru 30 ml gaz se obţine o

concentraţie de 5556 ppm). Astfel erorile sunt mai mici decât dacă s-ar estima pe seringă un

volum negradat, pentru a se obţine concentraţia exactă de 6000 ppm, de exemplu. Înscrierea pe

grafic a punctelor intermediare, mai ales dacă se efectuează cu computerul, nu reprezintă o

problemă. Trebuie subliniat că erorile de măsură depind de cauze obiective (pierderi de gaz,

erorile aparatelor şi ale seringilor), dar şi de cauze subiective (exactitatea cu care se încarcă

seringile) şi sunt de aproximativ 10 %.


Trebuie trasată efectiv curba de etalonare V0=V0(c). Este indicat să se traseze grafic cu un

program existent pe calculator (Microsoft Origin, de exemplu). Se va trasa curba atât la scară

liniară, cât şi la scară dublu logaritmică. Dacă unul dintre puncte este evident în afara curbei,

acesta va fi eliminat şi (pe cât posibil) reluată măsurătoarea.

Pe curba liniară se vor evidenţia doar punctele de ordine de mărime apropiate. Se compară

curbele cu cele existente în catalog (FIGARO, 1997). Se evidenţiază diferenţele, curba din

catalog fiind doar una medie pe multe exemplare.

Dacă timpul permite se măsoară mai mulţi senzori.

5. Interpretare

Curbele modulului cu senzor NFI 1842, aşa cum au fost trasate în lucrare, prezintă următoarele

caracteristici:

192

a. Sunt neliniare, acesta fiind un dezavantaj din punct al prelucrării, dar un avantaj din punct de

vedere al măsurării, deoarece se poate măsura cu acelaşi montaj o plajă largă de concentraţii

(dacă dependenţele ar fi liniare, la o variaţie cu două ordine de mărime al concentraţiei, de

exemplu, rezistenţa ar varia tot cu două ordine de mărime, iar montajul ar intra în

neliniarităţi, deoarece nu se poate măsura pe acelaşi montaj şi 1 V şi 100 V);

b. Variază de la senzor la senzor, ceea ce este un dezavantaj evident, ce poate fi eliminat doar

prin calibrare pe fiecare senzor;

c. La scară dublu logaritmică se pot obţine funcţii liniare, astfel: Din relaţia (3) se poate deduce

relaţia:

S

LCCRR

VV

=− 10

(5)

Utilizând şi relaţia (2), se obţine:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )cpK

cpcpRRRRV

VLSL

CC

ln

lnlnlnlnlnln1ln 000

+=

=+−−=−=

−

(6)

unde K reprezintă suma termenilor independenţi de concentraţie. Relaţia (6) reprezintă o funcţie

liniară, cu ordonata la origine K şi pantă p. În condiţii reale p nu este decât aproximativ constant

pe toată plaja de măsură.

193


MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA IN TIMP REAL A POLUĂRII AERULUI (GAZE TOXICE ŞI COMBUSTIBILE)

Partea I-a Simularea hardware si software

1. Scopul lucrării Măsurarea concentraţiei unor gaze toxice si combustibile (butan, oxid de carbon, vapori de alcool şi freon) în puncte diferite într-un spaţiu dat (camera de lucru), pentru a simula un caz concret de poluare si masurarea parametrilor de mediu in timp real.

2. Principiul metodei Metodele de măsurare a poluării aerului pot fi caracterizate în funcţie de: a. Timpul de măsură b. Locul de la care se face măsurătoarea (de la distanţă, de tip ”remote sensing”,

“in situ” sau prin prelevare de probe; la emisie sau în mediul înconjurător) c. Metode globale (se măsoară parametrii ce rezultă ca efect a mai multor

poluanţi) sau metode specifice d. Numărul de măsurători ce se pot efectua (în timp şi spaţiu) e. Numărul de poluanţi ce pot fi măsuraţi f. Selectivitate g. Condiţii de mediu în care se pot efectua măsurătorile (temperatură, umiditate) h. Cost Substanţele poluante ce trebuiesc determinate sunt: a. Substanţe direct dăunătoare sănătăţii omului (oxid de carbon, amoniac,

hidrogen sulfurat, compuşi ai sulfului, clorului sau azotului, particule de praf) b. Substanţe indirect dăunătoare omului (substanţe ce distrug pătura de ozon, de

tip CFC) c. Substanţe inflamabile Cele mai cunoscute metode moderne de măsurare a gazelor poluante sunt: Metode de tip remote sensing Sunt metode globale (determină spectrul radiaţiei reflectate de atmosferă, spectru ce depinde de intreaga ei compoziţie). Măsuratorile se fac in timp real, în sensul că se înregistrează variaţia mărimilor de mediu în timp ce acestea se desfăşoară (de ex. radiaţia reflectată sau emisă). Prelucrarea datelor se poate face ulterior in timp mai indelungat (de ex. analiza spectrometrica a radiatiei si prelucrarea ei in functie de diferiti absorbanti/reflectanti din compozitia atmosferei). Includ aparatură foarte evoluată şi costisitoare (de foarte multe ori metode spectrometrice). Sistemele şi măsurătorile utilizate sunt incluse în programe internaţionale, destinate supravegherii zonale a Terrei şi evoluţiei acesteia în spaţiu şi timp.

194

Metode de măsurare în laborator, ce succede prelevarea de probe în mediul de

studiu Prima etapă în cadrul unor asemenea metode este prelevarea probelor de aer, după anumite standarde, astfel încât să se păstreze cât mai bine situaţia din teren. Metodele de analiză pot fi metode globale – determinări de masă, metode spectrometrice, metode granulometrice (pentru suspensii) - sau specifice – spectrometrie de masă (determinarea sarcinii specifice, q/m), spectrometrie cu absobţie atomică (se activează prin iradiere), spectrometrie de absorbţie în infraroşu cu transformata Fourier rapidă. Aceste metode sunt foarte precise şi sensibile, dar prezintă multe dezavantaje specifice: - sunt foarte scumpe; - nu sunt metode de timp real; - necesită prelevare; - nu se pot lua decât puţine probe. III. Metode de masurare in mediul de studiu (in situ) si in timp real. Laboratorul

de masura trebuie sa respecte urmatoarele conditii: a. Senzorii inclusi si modulele de amplificare sa aiba timpi de măsură mici în

comparaţie cu timpul de variaţie a poluării; b. Sa includa module de achizitie de date in timp real si o minima prelucrare a

acestora in timp real; c. Sa permita transferul de date intr-un computer ce include un software

compatibil, astfel incat toti parametrii de poluare programati sa fie determinati (unele laboratoare mobile includ si un computer pentru medii severe (Caldararu F., 1992));

d. Sa includa sonde pentru supravegherea spatiilor mici; e. Sa cosume putin din puct de vedere energetic, pentru a fi alimentat autonom–

pe baza de acumulatoare/baterii. Fata de metodele de masura in laborator, sistemele de masura in teren sunt mai putin sensibile (detecteaza gazele toxice de la nivele mai mari de poluare) si mai putin selective (un senzor raspunde la mai multi stimuli). Prezinta insa multe avantaje fata de metodele uzuale din laborator: a. Se pot face multe probe, atat in timp cat si in spatiu, putandu-se detecta locul si

timpul in care are loc cresterea poluarii; astfel se pot trasa curbe ale poluarii, detectandu-se fenomenele prin care are loc poluarea;

b. Se poate detecta depasirea pragurilor de poluare si inchide la timp sursele de poluare;

c. Sunt mult mai ieftine decat laboratoarele clasice de poluare (realizate cu spectrometre, in special); exista si spectrometre de teren, care sunt foarte

195

selective si sensibile, dar sunt foarte scumpe si pretentioase la conditiile de transport, mediu, etc. Datorita costului scazut se pot fabrica in numar mare;

d. Se realizeaza de obicei modular, adaugarea sau modificarea unor module fiind oricand posibila;

e. Sunt conectate/conectabile la computer ce include un soft adecvat, ce poate fi continuu imbunatatit.

Ca senzori pentru gazele poluante, intr-un sistem de masura in mediu si timp real, se utilizeaza senzorii cu semiconductor sau senzorii electrochimici cu membrana. Senzorii cu semiconductori sunt mai fiabili, atat ca robustete cat si ca durata de viata, fiind de preferat. Timpii lor de raspuns sunt de asemenea mai scurti, desi au timpi de ordinul minutelor. Selectivitatea lor este insa mai proasta decat a altor senzori. Ei sunt conectati, prin module de amplificare si de achizitie de date, la un computer ce include un soft, ce poate compensa dependenta de temperatura, neliniaritatea si lipsa de selectivitate.

ECOSEN SRL a realizat mai multe simulatoare pentru măsurarea şi monitorizarea poluării aerului (gaze toxice şi combustibile - SIMPA), dedicate monitorizării poluării aerului din mediul înconjurător şi din spaţiile închise. Această funcţie se realizează prin măsurarea concentraţiilor câtorva gaze toxice şi combustibile cu ajutorul senzorilor cu SnO2, precum şi prin semnalarea, hardware si software, a situaţiilor de depăşire a concentraţiilor limită admise, aşa cum sunt ele stipulate de standardele americane EPA. Pentru aceste gaze, standardele EPA impun valori mai mici pentru concentraţiile limită admise decât standardele româneşti, aşa că acestea sunt incluse în software. Simulatoarele pot fi utilizate ca sisteme de masura in timp real. Singura diferenţă a acestor simulatoare faţă de sistemele inteligente de măsurare şi monitorizare a poluării aerului care se utilizează în aplicaţii industriale este aceea că, acestea din urmă sunt autonome din punct de vedere al alimentării cu energie electrică, în vreme ce, simulatoarele SIMPA se alimentează din reţeaua de 220 V/50 Hz. Un sistem mai complex, incluzand un simulator de tip SIMPA si senzori de temperatura, umiditate si un computer pentru medii severe, toate cu alimentare autonoma, a fost realizat la SIMULTEC Bucuresti (Caldararu F., 1992).

3. Descrierea lucrării a. Aparatura necesară

I. Vase de laborator (seringi pentru extragerea gazului, cristalizor, vas inchis din material plasic, etc.) II. Surse de gaz (butelie cu gaz combustibil de 5 l, prevăzută cu sistem de extragere în seringă a

gazului şi etanşeizare; butelie de freon, alcool, sursa de oxid de carbon; III. Sistem de măsură, format din 4 module cu senzori de gaze, o cutie de distribuţie semnal şi un cablu de conexiune serială cu 24 pini. Ca senzori se utilizează senzorii cu SnO2 etalonaţi în cadrul lucrărilor de laborator 3 şi 4, pentru gaze combustibile – butan (FIGARO NFI 1842) şi toxice - freon (FIGARO TGS

196

830), cât şi senzori de alcooli (FIGARO TGS 822) şi un senzor de aer curat ce sesizează şi oxidul de carbon (FIGARO TGS 800), având curbe de etalonare cunoscute. Aşa cum s-a arătat mărimea ce variază cu concentraţia de gaz este rezistenţa (conductivitatea) internă. Variaţia acesteia are loc pe mai multe decade când dispozitivul este introdus într-un gaz reducător (metan, butan, freoni, oxid de carbon,etc.) de concentraţie variabilă. Curba de calibrare a unui senzor cu SnO2 este o relaţie de dependenţă de tipul Rs/R0 = f(c), în care Rs este rezistenţa senzorului în prezenţa gazului reducător (de concentraţie dată c), iar R0 este rezisţenta etalon a senzorului într-un punct de concentraţie dată c0. Rezistenţa R0 variază de la senzor la senzor, ca şi alţi parametrii ai curbei. Curba de calibrare teoretică pe domenii largi de concentraţie este de forma (Caldararu F., 1993):

1212

102102

0 1

1

KcKKcK

KcKKcK

RR

pp

pp

s

+++

+++

= (1)

unde Rs este rezistenţa stratului semiconductor de SnO2 la concentraţia c; R0 este rezistenţa stratului semiconductor de SnO2 la concentraţia de referinţă c0; K1, K2 si p sunt parametrii curbei de calibrare care se deduc pentru fiecare senzor. Rezistenţa senzorilor – atât din cauza variaţiei rezistivităţii stratului semiconductor cât şi din cauza variaţiei stărilor de suprafaţă - este puternic dependentă de temperatură şi umiditate. De aceea, în absenţa unei scheme de compensare a efectului temperaturii este indicat să se efectueze măsurătorile la temperatură şi umiditate aproximativ constante. MODULUL 1 include: - Senzor alcool tip FIGARO TGS 822

- Bloc condiţionare semnal senzor alcool - Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz MODULUL 2 include: - Senzor metan tip FIGARO NFI 1842

- Bloc condiţionare semnal senzor metan - Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz

MODULUL 3 include: - Senzor cloroflorcarburi tip FIGARO TGS 830 - Bloc condiţionare semnal senzor cloroflorcarburi

197

- Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz MODULUL 4 include: - Senzor oxid de carbon tip FIGARO TGS 800

- Bloc conditionare semnal senzor oxid de carbon - Sursă de alimentare(5 Vcc.),.

modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz IV. Computer incluzand un simulator pentru gaze toxice si combustibile. Simulatorul ce va fi utilizat face parte din simulatoarele de tip SIMPA şi se numeşte SIMPADEM. Calea de achiziţie, transmitere şi prelucrare a datelor este: module cu senzori – cutie distribuţie semnal – interfaţa cu computerul (inclusă în computer) – computer. Este special destinat a fi utilizat cu cele 4 module de senzori pentru gazele poluante – alcool, metan, CFC, oxid de carbon. Se utilizează numai fix, conectat la calculator. Are avantajul posibilităţii urmăririi semnalelor de către operator, pe ecran, în timpul procesului. Toate echipamentele electronice – etaje de amplificare, interfaţă, computer, cât şi programele soft incluse în computer funcţionează în timp real, deci au timpi de răspuns mult mai mici decât timpii de variaţie ai poluanţilor. Din punct de vedere al senzorilor, timpul acestora de răspuns a fost discutat şi studiat anterior. Configuraţia software Simulatorul soft este în directorul “test”, Simpadem.exe. Este scris în limbajul TurboPascal. Utilizează programul probe.exe pentru activarea interfeţei, achiziţionarea semnalelor, realizarea ecranului de măsurare şi înregistrarea datelor în fişierul Test I (I=1…N). Se poate apela din MSDOS, dar este indicat a fi apelat din Norton Comander – NC (se poate apela şi din Windows, dar poate anunţa erori). Lucrul în NC permite editarea fişierelor de date de care va fi nevoie. Lucrul cu simulatoare permite apelarea a mai multor funcţiuni, astfel încât să se efectueze măsurătorile, înregistrările de date, trasarea de curbe, semnalizarea situaţiilor de depăşire a pragurilor de alarmă sau pericol, calcularea datelor statistice, etc. Pentru acestea simulatoarele utilizează ecrane cu “butoane”, astfel încât să se poată trece dintr-un ecran în altul, să se apeleze interfaţa, să se efectueze măsurătorile, să se înregistreze datele, să se traseze curbele necesare.

Primul ecran de lucru al simulatorului SIMPADEM este:

198

Din acest ecran putem apela următoarele funcţiuni:

- Prezentarea configuraţiei sistemului de măsură - Apelarea interfeţei şi trecerea la ecranul de măsură - Apelarea programelor de prelucrare şi trecerea la ecranele

corespunzătoare - Ieşire DOS

În ecranul de măsură se pot efectua următoarele operaţii: - Măsurarea semnalelor în timp real - Înregistrarea acestora în fişiere (realizarea fisierului Test I, I=1, 2,3….)

Ecranul de prelucrare se prezintă sub forma:

199

Din acest ecran se poate trece, pentru fiecare senzor, la următoarele prelucrări de date, ce apar pe ecrane diferite:

- Trasarea curbei de calibrare (în conformitate cu fişierele curba1…4.dat) - Determinarea concentraţiei, utilizând curba de calibrare şi datele din

fişierul Test I înregistrat anterior. O dată cu determinarea concentraţiilor se verifică şi dacă nu a fost depăşită concentraţia maxim admisibilă, ce este dată pe ecran

- Prelucrarea datelor, în sensul trasării pe curba de calibrare a concentraţiilor măsurate şi calculate anterior şi determinarea concentraţiei medii

b. Prezentarea secvenţei de lucru

I. Pregătirea lucrării: I.1. Se conectează cele 4 module la cutia de distributie semnal. I.2. Se conecteaza cutia de distributie semnal la computer. I.3. Se alimentează (220 V) cele 4 module cu senzori si computerul. Se porneşte computerul. I.4. Dacă cei 4 senzori nu au fost condiţionaţi anterior se aşteaptă 15 min pentru a ajunge la tensiunea de aer curat.

I.5. Se introduc datele corespunzatoare fiecarei curbe de calibrare in fisierele curba 1…4.dat (curba1 – alcool, curba2 – metan, curba3 – CFC, curba4 – CO) pe baza măsurătorilor efectuate în laboratoarele prcedente şi pe baza datelor din Anexa 2.

200

II. Înregistrarea concentraţiilor de gaze în mediu: Măsurătorile se efectuează pe ecranul “Măsurare” din simulatorul SIMPADEM. Pentru fiecare gaz poluant se realizează un fişier Test I. Se măsoară pe rând concentraţiile de gaz într-un mediu închis, în care se introduc pe rând gazele pentru care au fost etalonaţi senzorii (inclusiv modulele). Se vor respecta următoarele instrucţiuni:

- Ordinea introducerii gazelor este: CO, metan, freon, alcool, această ordine fiind dictată de coeficientul de difuzie al gazelor, deci de posibilitatea de aerisire a camerei după fiecare gaz; de asemenea, nu se va introduce CO (prin ardere) după metan;

- După fiecare grup de măsurătoari se aeriseşte camera, până când senzorii revin la tensiunea de aer curat;

- Pentru fiecare senzor se fac măsurători din 30 în 30 s (primele 3 – 5 măsurători), apoi din minut în minut;

Poziţionarea sursei de gaz se va face în funcţie de densitatea gazului de măsurat. Senzorii se vor poziţiona în poziţie verticală, pentru a sesiza atât gazele mai grele, ca şi cele mai uşoare decât aerul (situaţie analogă celei din teren).

II.1. Măsurarea oxidului de carbon Se măsoară tensiunea de aer curat pe cei 4 senzori. Ca sursă de poluare se utilizează una sau mai multe ţigări aprinse. Parametrii gazului sunt daţi în tabelul III. de la pag. 328 din (FIGARO, 1992) şi în Anexa 1. Se observă că acest gaz are densitatea 1.0 faţă de aer, deci poziţionarea senzorilor depinde doar de direcţia unui eventual flux de aer. Se vor analiza din tabel şi efectele sale (explozivitate, TWA). Se măsoară si se înregistrează tensiunea pe cei patru senzori, întâi din 30 în 30 s, apoi din minut în minut, timp de 10 min. (până la o relativă staţionaritate). Se vor observa influenţele poziţionării senzorilor în raport cu sursa, modul de variaţie în timp a semnalelor şi care dintre senzori sunt sensibili la acest gaz. Se salvează fişierul Test I, apoi este prelucrat pe ecranele de prelucrare din simulator. Trebuie menţionat că numai pentru senzorul 4 (care este etalonat pentru CO) se pot corela tensiunile cu concentratiile de oxid de carbon (concentraţiile rezultate, folosind curbele de calibrare, sunt cele reale). Prelucrarea datelor celorlalţi senzori care mai dau semnale diferite de cele de aer curat sunt doar interferenţe. Se aeriseşte camera până la obţinerea tensiunilor de aer curat. 2. Măsurarea variaţiei concentraţiei de freon Se măsoară tensiunea de aer curat pe cei 4 senzori. Ca sursă de poluare se utilizează o butelie cu freon de tip “spray”. Se impraştie freon în cameră. Se măsoară si se inregistreaza tensiunea pe cei patru senzori, din 30 în 30 s, pâna când se atinge o valoare aproximativ constantă. Se verifica momentul atingerii concentratiei maxime. Se vor observa modul de variaţie în timp a semnalelor şi care dintre senzori sunt sensibili la acest gaz. Se salvează fişierul Test I, apoi este prelucrat pe ecranele de prelucrare din simulator. Trebuie menţionat că numai pentru senzorul 3 (care este etalonat pentru freon) se pot corela tensiunile cu concentratiile de freon (concentraţiile rezultate, folosind curbele de calibrare, sunt cele reale). Prelucrarea datelor celorlalţi senzori care mai dau semnale diferite de cele de aer curat sunt doar interferenţe. Se aeriseste camera. 3. Măsurarea variatiei concentratiei de metan Se măsoară tensiunea de aer curat pe cei 4 senzori. Ca sursă de poluare se utilizează 2-3 seringi de 20 ml extrase din butelia de metan. Parametrii gazului sunt daţi în tabelul III. de la pag. 328 din (FIGARO, 1992). Se observă că acest gaz are densitatea mai mică decât a aerului (0.6), deci sursa se poziţionează sub senzori. (Se vor analiza din tabel şi efectele sale - explozivitate, TWA). Se pozitioneaza vasul pe podea si senzorii înspre sursă.

201

Se măsoară si se inregistreaza tensiunea pe cei patru senzori, întâi din 30 în 30 s, apoi din minut în minut, timp de 10 min. Se vor observa influenţele poziţionării senzorilor în raport cu sursa, modul de variaţie în timp a semnalelor şi care dintre senzori sunt sensibili la acest gaz. Se salvează fişierul Test I, apoi este prelucrat pe ecranele de prelucrare din simulator. Trebuie menţionat că numai pentru senzorul 2 (care este etalonat pentru metan) se pot corela tensiunile cu concentratiile de metan (concentraţiile rezultate, folosind curbele de calibrare, sunt cele reale). Prelucrarea datelor celorlalţi senzori care mai dau semnale diferite de aer curat sunt doar interferenţe. Se aeriseste camera. 4. Măsurarea variatiei concentratiei de vapori de alcool Se măsoară tensiunea de aer curat pe cei 4 senzori. Ca sursă de poluare se utilizează alcoolul turnat intr-un cristalizor – pentru a obtine o suprafata mare de evaporare, si deci o viteza mare de evaporare. Parametrii gazului sunt daţi în tabelul III. de la pag. 328 din (FIGARO, 1992) şi Anexa 1. Se observă că acest gaz are densitatea 1.6, mai mare decat a aerului, deci senzorii se vor pozitiona putin sub sursa. Se vor analiza din tabel şi efectele sale (explozivitate, TWA). Se măsoară si se inregistreaza tensiunea pe cei patru senzori, întâi din 30 în 30 s, apoi din minut în minut, timp de 15 min. In acest caz apar doua fenomene: cel de evaporare si cel de difuzie. Deci timpul total de raspuns este mai mare decat al celorlalte procese. Se vor observa influenţele poziţionării senzorilor în raport cu sursa, modul de variaţie în timp a semnalelor şi care dintre senzori sunt sensibili la acest gaz. Se salvează fişierul Test I, apoi este prelucrat pe ecranele de prelucrare din simulator. Trebuie menţionat că numai pentru senzorul 1 (care este etalonat pentru alcool) se pot corela tensiunile cu concentratiile de vapori de alcool (concentraţiile rezultate, folosind curbele de calibrare, sunt cele reale). Prelucrarea datelor celorlalţi senzori care mai dau semnale diferite de cele de aer curat sunt doar interferenţe.

4. Prelucrarea datelor Se trasează, folosind fişierele Test I, variaţia în timp a concentraţiilor de oxid de carbon, freon, metan, alcool, pentru fiecare senzor, pe acelaşi grafic cele 4 gaze –deci 4x4 grafice. Se utilizează un program existent pe calculator (Microsoft Origin, de exemplu).

5. Interpretare Se compară, utilizând fişierele Test I, constantele de timp ale proceselor de difuzie ale celor 4 gaze. Utilizând aceleaşi fişiere, rezultă sensibilitatea celor 4 senzori la gazele măsurate – oxid de carbon, freon, metan, vapori de alcool. Se verifică pozitionarea senzorilor fata de surse, în funcţie de densitatea gazelor in raport cu aerul. De asemenea variaţia în timp a depinde de curnţii de aer, deci trebuie observate fluctuaţiile care pot fi mari pentru unele gaze. Deoarece multe din rezultate sunt calitative, este bine sa se noteze observatiile in timpul masuratorilor.

202

ANEXA 1 Tip gaz Formula Limita de

explozie (%) TWA

(ppm) Densitate (aer=1)

metan CH4 5.0 – 15.0 E 0.6 etanol C2H6O 6.0 – 3.6 1000 1.6

oxid de carbon CO 12.5 – 74.0 50.0 1.0

203

ANEXA 2 Curba de etalonare senzor alcool Curba de etalonare senzor metan

U(V) c(ppm) U(V) c(ppm)

4.1 0.03 .84 0 3.0 3 3.13 92.6 2.2 5.7 2.68 277.5 1.1 10 2.3 555 0.74 15 1.99 925 0.56 20 1.56 1850 0.44 29.576 1.32 2775 0.37 44.52 1.14 3700 0.31 57 0.92 5550 0.28 100 0.78 7400 0.21 725 0.47 15740

0.4 18518 Curba de etalonare senzor CFC Curba de etalonare senzor CO U(V) c(ppm) U(V) c(ppm)

4.088 0 3.9 0 4.004 18.5 3.3 3 3.8 92.5 3. 6.66 3.56 185 2.8 10.7 3.24 370 2.7 17.8 2.82 740 2.59 32 2.393 1480 2.47 50 2.24 1850 2.42 59.5 2.13 2220 2.36 70.4

2.28 85.64 2.21 100

204


MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA POLUĂRII AERULUI (GAZE TOXICE ŞI COMBUSTIBILE)

Partea a II-a Măsurători în teren

1. Scopul lucrării Măsurarea concentraţiei unor gaze toxice şi combustibile (butan, oxid de carbon, vapori

de alcool şi freon) în mediu, pentru a verifica modul de măsurare cu simulatorul pentru gaze toxice şi combustibile, posibilităţile şi limitele acestuia.

2. Principiul metodei Metodele de măsurare în mediul de studiu (in situ) şi în timp real prezintă următoarele avantaje: f. Se pot face multe probe, atât în timp cât şi în spaţiu, putându-se detecta locul şi

timpul în care are loc creşterea poluării; astfel se pot trasa curbe de poluare, detectându-se fenomenele prin care are loc poluarea;

g. Se poate detecta depăşirea pragurilor de poluare şi închide la timp sursele de poluare;

h. Sunt mult mai ieftine decât laboratoarele clasice de poluare (realizate cu spectrometre, în general); există şi spectrometre de teren, care sunt foarte selective şi sensibile, dar sunt foarte scumpe şi pretenţioase la condiţiile de transport, mediu, etc. Datorită costului scăzut se poate fabrica aparatură de măsurare în timp real în serie;

i. Se realizează de obicei modular, adăugarea sau modificarea unor module fiind oricând posibilă;

j. Sunt conectate/conectabile la computer ce include un soft adecvat, ce poate fi continuu îmbunătăţit.

Faţă de metodele de măsură în laborator, sistemele de măsură în teren sunt mai puţin sensibile (detectează gazele toxice începând de la nivele mai mari de poluare) şi mai puţin selective (un senzor răspunde la mai mulţi stimuli). Dispozitivele şi modulele incluse în aparatura/laboratoarele de timp real trebuie să respecte următoarele condiţii: f. Senzorii incluşi şi modulele de amplificare să aibă timpi de măsură mici în

comparaţie cu timpul de variaţie a poluării; g. Să includă module de achiziţie de date în timp real şi o minimă prelucrare a

acestora în timp real; h. Să permită transferul de date într-un computer ce include un software

compatibil, astfel încât toţi parametrii de poluare programaţi să fie determinaţi (unele laboratoare mobile includ şi un computer pentru medii severe /5/);

i. Să includă sonde pentru supravegherea spaţiilor mici;

205

j. Să consume puţin din puct de vedere energetic, pentru a fi alimentat autonom– pe bază de acumulatoare/baterii.

Ca senzori pentru gazele poluante, într-un sistem de măsură în mediu şi timp real, se utilizează senzorii cu semiconductor sau senzorii electrochimici cu membrană. Senzorii cu semiconductori sunt mai fiabili, atât ca robusteţe cât şi ca durată de viaţă, fiind de preferat. Timpii lor de răspuns sunt de asemenea mai scurţi, deşi au timpi de ordinul minutelor. Selectivitatea lor este însă mai slabă decât a altor senzori. Ei sunt conectaţi, prin module de amplificare şi de achiziţie de date, la un computer ce include un soft, ce poate compensa dependenţa de temperatură, neliniaritatea şi lipsa de selectivitate. S-a lucrat la lucrarea anterioară cu unul dintre simulatoarele de tip SIMPA, SIMPADEM. Acest simulator este unul de timp real, dar prezintă dezavantajul conectării senzorilor în mod continuu la calculator. Din această cauză lucrul în laborator este obligatoriu (cum s-a şi lucrat). În cadrul lucrării de faţă se va lucra cu un simulator de timp real şi cu posibilitatea stocării datelor într-un modul cu microcontroler – SIMGCON3. În comparaţie cu simulatoarele de monitorizare a poluării aerului cu care se lucrează în teren, simulatorul de faţă are un singur dezavantaj: se alimentează la reţeaua de 220 V. Lucrul în zonele deschise prezintă câteva diferenţe majore în raport cu lucrul în spaţiile închise: - nivelul concentraţiilor de măsurat este de obicei mai mic, în zonele deschise

măsurându-se, de obicei, o concentraţie generală de poluare şi nu o depăşire a pragului;

- o zonă deschisă este puternic influenţată de contactul cu exteriorul sau cu alte zone deschise; aceasta se întâmplă din cauza puternicei circulaţii atmosferice din troposferă;

- numărul poluanţilor în zonele deschise este mult mai mare decât într-o zonă închisă, datorită comunicaţiei cu alte zone şi datorită reacţiei diferiţilor poluanţi între ei;

- nivelele de poluare variază în funcţie de condiţiile de temperatură, umiditate, etc., condiţii care variază de la un anotimp la altul şi de la o zi la alta;

- datorită fluxurilor zonale, variaţiile poluanţilor sunt uneori foarte rapide. În aceste condiţii, un sistem real de monitorizare în teren va trebui să includă, pe lângă modulele existente în simulatorul SIMGCON3: - o sursă puternică de tensiune (acumulatoare de putere mare, dat fiind faptul că

senzorii funcţionează la temperaturi ridicate, elementul de încălzire absorbind cca. 30 mA);

- senzori de temperatură şi umiditate;

206

- soft pentru determinarea exactă a concentraţiei de poluanţi; - un sistem de transmitere fără fir a datelor (module de teletransmisie), împreună

cu un soft adecvat transmisiei, recepţiei şi gestionării datelor.

3. Descrierea lucrării 3.1. Aparatura necesară I. Sistem de măsură în teren, format din 4 module cu senzori de gaze, un modul achiziţie de date şi un cablu de conexiune serială. Ca senzori se utilizează senzorii cu SnO2 etalonaţi în cadrul lucrărilor de laborator 3 şi 4, pentru gaze combustibile – butan (FIGARO NFI 1842) şi toxice - freon (FIGARO TGS 830), cât şi senzori de alcooli (FIGARO TGS 822) şi un senzor de aer curat ce sesizează şi oxidul de carbon (FIGARO TGS 800), având curbe de etalonare cunoscute. Aşa cum s-a arătat mărimea ce variază cu concentraţia de gaz este rezistenţa (conductivitatea) internă. Variaţia acesteia are loc pe mai multe decade când dispozitivul este introdus într-un gaz reducător (metan, butan, freoni, oxid de carbon,etc.) de concentraţie variabilă. Curba de calibrare a unui senzor cu SnO2 este o relaţie de dependenţă de tipul Rs/R0 = f(c), în care Rs este rezistenţa senzorului în prezenţa gazului reducător (de concentraţie dată c), iar R0 este rezisţenţa etalon a senzorului într-un punct de concentraţie dată c0. Rezistenţa R0 variază de la senzor la senzor, ca şi alţi parametrii ai curbei. Rezistenţa senzorilor – atât din cauza variaţiei rezistivităţii stratului semiconductor cât şi din cauza variaţiei stărilor de suprafaţă - este puternic dependentă de temperatură şi umiditate. De aceea, în absenţa unei scheme de compensare a efectului temperaturii este indicat să se efectueze măsurătorile la temperatură şi umiditate aproximativ constante. MODULUL 1 include: - Senzor alcool tip FIGARO TGS 822

- Bloc condiţionare semnal senzor alcool - Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz

MODULUL 2 include: - Senzor metan tip FIGARO NFI 1842

- Bloc condiţionare semnal senzor metan - Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz

MODULUL 3 include: - Senzor clorofluorcarburi tip FIGARO TGS 830 - Bloc condiţionare semnal senzor clorofluorcarburi - Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz MODULUL 4 include: - Senzor oxid de carbon tip FIGARO TGS 800

207

- Bloc conditionare semnal senzor oxid de carbon - Sursă de alimentare(5 Vcc.), modulul fiind alimentat la 220 V/50 Hz

MODULUL DE ACHIZIŢIE DATE include: - Sistem achiziţie date - Comunicare serială - Alimentare 220 V/50 Hz Modulul de achiziţie de date prezintă 8 intrări. Este important a se cunoaşte la care intrări sunt conectate cele 4 module cu senzori, pentru a corela datele măsurate cu softul de lucru (curbe de calibrare, concentraţii rezultate). Pe panoul frontal se află:

- un buton de “On/Off” - un buton roşu care are 2 roluri: la o apăsare scurtă se face o măsurătoare;

la o apăsare de cca. 5 s se şterge memoria - un LED bicolor care indică: verde – funcţionare normală; roşu – măsură

sau ştergerea memoriei; galben – roşcat (ambele structuri de LED aprinse) – funcţionarea în modul “test”

- conector cu 9 pini la cablul serial (8 activi şi unul de masă). CABLUL DE ACHIZIŢIE SERIALĂ prezintă două conectoare – unul pentru conectare la modulul de achiziţie date (8 +1 pini) şi altul la computer (24 +1 pini) II. Computer incluzând simulatorul soft corespunzător pentru gaze toxice şi

combustibile SIMGCON3. Modulul se conectează la computer după efectuarea măsurătorilor în teren.

Configuraţia software

Simulatorul SIMGCON3 este destinat a se utiliza cu 6 module (1 de alcool, 3 de metan, 2 de oxid de carbon), dar se poate utiliza şi cu cele 4 module pentru alcool, metan, CFC, oxid de carbon. Se utilizează modulul de achiziţie date, care funcţionează independent de computer. Se înregistrează datele şi apoi se conectează la computer. În microcontroler există un program ce efectuează următoarele operaţii:

- achiziţionează datele în cazul apăsării butonului roşu - efectuează o mediere timp de 2 s a fiecărei date înregistrate - şterge memoria în cazul apăsării timp de 5 s a butonului roşu - comunică cu computerul dacă se stabileşte legătura. În computer există programele corespunzătoare, în directorul “SIMPA”:

a) ECO2_AQ8.EXE Acest program se lansează din MS DOS sau NC şi are următoarele funcţiuni: - testarea memoriei blocului de achiziţie de date - organizarea datelor achiziţionate în fişiere ASCII

208

- ştergerea memoriei Pentru a obţine sintaxa comenzii asociată fiecărei funcţiuni se tastează comanda ECO2_AQ8 ? <ENTER> Chemarea fără alt mesaj a programului conectează microcontrolerul pe COM1. Chemarea completă are sintaxa: ECO2_AQ8 n fis.dat unde n este portul (pentru computerul de faţă pe COM2, deoarece avem nevoie de Mouse pentru simulator), fis.dat este fişierul în care se depozitează datele. Dacă se doreşte ştergerea de la computer a memoriei, sintaxa completă este: ECO2_AQ8 n fis.dat 0 Pentru a testa funcţionarea comunicării se tastează:

ECO2_AQ8 2 test <ENTER> Observaţie: “ECO2_AQ8” poate fi scris cu litere mari sau mici, dar “test” trebuie scris obligatoriu cu litere mici! Pe ecran va apare mesajul: COM2 4800 Baud şi lista semnalelor de tensiune digitală de pe fiecare senzor în derulare continuă. În tot acest timp LED-ul de pe panoul frontal are culoarea galben-roşcat. Din program se iese cu tasta <BLANK>. După funcţionarea în modul “test” LED-ul bicolor rămâne aprins galben-roşcat, până la o nouă comandă hard (înregistrare dată sau ştergere). In cazul apelării cu sintaxa: ECO2_AQ8 2 fis.dat pe ecran apar mesajele: COM2 4800 Baud, numărul de canale şi numărul de seturi de date înregistrate în modulul cu microcontroler. b) ECOSIM2.BAT Acest program este programul pentru utilizator. El este scris in Turbo Pascal 6.0 şi are rolul de a cheama programul ECO2_AQ8 şi programul SIMGCON3, care este simulatorul propriu-zis. Se lansează din MS DOS sau NC cu comanda ECOSIM2 <ENTER> Programul ECO1_AQ8 este chemat cu următoarea sintaxă: ECO1_AQ8 2 datem.dat 0 Deci după apelarea programului ECOSIM2 datele din microcontroler vor fi şterse! După rulare se formează fişierul datem.dat în care sunt depuse datele digitale. Lucrul în NC permite editarea fişierelor de date necesare, şi anume: c) CURBA1 …6.DAT Fişiere de date pentru 6 senzori pe care îi acceptă simulatorul. În cazul lucrării de faţă se utilizează doar 4 module. Se vor introduce CURBA1 … 4.DAT, analog cu cele de la simulatorul anterior. Fiecare curbă trebuie să corespundă senzorului de la intrarea respectivă. d) SIMGCON3.EXE Acesta este scris tot în Turbo Pascal 6.0. Include schema bloc a părţii hardware, rutine de măsurare a semnalelor şi de prelucrare a acestora. Pentru toate comenzile şi datele afişate se utilizează rutine grafice specifice. Simulatorul utilizează ecrane cu “butoane”, astfel încât să se poată trece dintr-un

209

ecran în altul, să se apeleze fişierele de date, să se prelucreze măsurătorile, să se traseze curbele necesare. Funcţiile principale ale simulatorului sunt: - afişează tabelul de date măsurate pentru fiecare senzor (valori de tensiune) - calculează valorile concentraţiilor măsurate (ppm) - semnalează situaţiile în care aceste valori depăşesc valorile limită admise - semnalează situaţiile în care concentraţia măsurată iese din domeniul de etalonare a senzorului - afişează curbele de etalonare pentru fiecare senzor - afişează poziţia concentraţiilor măsurate pe curba de etalonare pentru fiecare senzor.

Primul ecran de lucru al simulatorului SIMGCON3 este:

Din acest ecran putem apela următoarele funcţiuni: - Prezentarea configuraţiei sistemului de măsură - Fişierul de date rezultat în urma măsurării (tensiuni) pe 6 canale - Apelarea programelor de măsurare - prelucrare şi trecerea la ecranele

corespunzătoare

210

- Ieşire DOS În ecranul de măsură – prelucrare se pot efectua următoarele operaţii:

- Trasarea curbei de calibrare (în conformitate cu fişierele curba1…6.dat) - Determinarea concentraţiei, utilizând curba de calibrare şi datele din

fişierul înregistrat furnizat de microcontroler. O dată cu determinarea concentraţiilor se verifică şi dacă nu a fost depăşită concentraţia maxim admisibilă, ce este dată pe ecran

- Prelucrarea datelor, în sensul trasării pe curba de calibrare a concentraţiilor măsurate şi calculate anterior şi determinarea concentraţiei medii

e) Fişiere de date care rezultă prin apelarea programului ECOSIM2.BAT: - furnizate de ECO2_AQ8: datem.dat - datele de tensiune digitală

măsurate (tensiunea echivalentă pentru fiecare dată digitală rezultă prin împărţirea datei respective la 1024 şi înmulţirea cu 5 V)

- furnizate de SIMGCON3: datev.dat - datele de tensiune analogică măsurate; dcalcI.dat - tensiunile şi concentraţiile corespunzătoare modulului I (I =1 … 6)

3.2. Prezentarea secvenţei de lucru

Lucrarea va include 2 etape: A. Măsurarea în teren B. Transferarea datelor în computer şi prelucrarea datelor A. Se efectuează cu cele 4 module şi microcontrolerul I. Pregătirea:

I.1. Se conectează cele 4 module la modulul cu microcontroler (la primele conectoare, deoarece datele din ultimele două nu sunt prelucrate de simulator). I.2. Se alimentează (220 V) cele 4 module cu senzori şi modulul de achiziţie de date. Se porneşte modulul de achiziţie de date. I.3. Dacă cei 4 senzori nu au fost condiţionaţi anterior se aşteaptă 15 min pentru a ajunge la tensiunea de aer curat II. Înregistrarea concentraţiilor de gaze în mediu: Se vor alege mai multe puncte de lucru, având concentraţii de poluare diferite. Se alege o zonă curată ce se consideră zonă etalon. Se măsoară tensiunile de aer curat în acea zonă. Este indicat a se măsura aceste tensiuni atât înaintea, cât şi după efectuarea tuturor măsurătorilor, deoarece parametri ce influenţează tensiunea de aer curat ar putea să se schimbe în timpul măsurătorilor. Tensiunile de aer curat vor fi cele maxime. La efectuarea măsurătorilor trebuie ţinut cont de concluziile lucrării precedente:

211

Poziţionarea modulelor cu senzori se va efectua vertical pentru a se măsura atât gazele cu o densitate mai mare decât a aerului, cât şi cele cu o densitate mai mică decât a aerului. Se vor poziţiona în cât mai multe puncte în mediu, pentru a putea detecta eventuale surse de poluare şi o distribuţie a poluării; Intervalul dintre două măsurători Ştiind că timpul de răspuns al senzorilor este de cca.1 min, se va efectua o măsurătoare după ce senzorul a stat cel puţin 1 min. în zonă. Numărul de măsurători Se vor efectua în acelaşi punct 2 –3 măsurători, pentru a se evita fluctuaţiile. Pentru fiecare zonă măsurată se notează:

- câte măsurători s-au efectuat în zonă; - poziţia senzorilor în teren; - caracteristicile de poluare ale zonei.

B. Se efectuează cu modulul de achiziţie de date şi computerul (se pot utiliza şi modulele

conectate la microcontroler) I. Pregătirea:

I.1. Se conectează modulul cu microcontroler la computer prin cablul serial I.2. Se alimentează (220 V) modulul de achiziţie de date şi computerul. Se pornesc modulul de achiziţie de date şi computerul. I.3. Se verifică dacă s-a efectuat comunicarea în modul “test”.(Comanda “eco2_aq8 2 test” Dacă nu s-a efectuat comunicarea, apare mesajul “Eroare stabilire comunicare”. Dacă s-a realizat comunicarea apar date digitale, în conformitate cu tensiunile la cele 8 intrări ale modulului cu microcontroler din acel moment. Datele măsurate, în cazul conectării modulelor cu senzori, pot fi utilizate ca date de aer curat. În modul “test” nu se pot efectua nici un fel de înregistrări de date! I.4. Se cheamă programul ECO2_AQ8, depunându-se datele într-un fişier date.dat (de ex.), fără a se şterge memoria. Se citesc datele din fişier şi se calculează datele analogice de aer curat (tensiunile maxime din fiecare coloană). Tensiunile, în volţi, rezultă prin regula de 3 simplă, ştiind că la 1024 (dată digitală) corespunde o tensiune (dată analogică) de 5 V. Observaţii: 1. Este indicat ca fişierul date.dat înregistrat să fie păstrat tot timpul prelucrării. Dacă dintr-o eroare se şterg datele din microcontroler, se copiază datele din fişierul date.dat în fişierul datem.dat şi se apelează direct simulatorul SIMGCON3, care va prelucra datele din acest fişier. 2. Dacă se efectuează mai multe seturi de măsurători se vor păstra rezultatele fiecărui set într-un fişier dateI.dat (I=1…N) – de exemplu se pot măsura datele de aer curat într-o serie separată de măsurători. 3. Pentru simplitatea lucrului se poate apela “SIMGCON3” pentru ca acesta să calculeze valorile de tensiune de aer curat. Acestea vor fi citite în simulator, în ecranul “FISIER” sau în fişierul datev.dat. Celelalte date calculate cu simulatorul în acest moment nu sunt corecte, până la introducerea curbelor de calibrare! I.5. Se scriu fişierele Curba1… 4.dat, utilizând ca valori pentru tensiunile de aer curat datele calculate la I.4. Celelalte date se iau din anexă. II. Prelucrarea datelor

212

Se apelează programul ECOSIM2.BAT. Se verifică existenţa numărului de date egal cu cel măsurat. Se verifică trasarea curbelor de calibrare în corespondenţă cu datele introduse. Existenţa curbelor de calibrare corecte asigură prelucrarea corectă pentru fiecare senzor, independent de “titlul” care este dat curbei de calibrare respective în simulator! (De ex. dacă a treia curbă de calibrare are “titlul”- Metan, curba introdusă corespunzând senzorului de CFC, concentraţiile rezultate vor fi cele ale senzorului de CFC) Se utilizează simulatorul SIMGCON3 pentru a obţine: - tensiunile măsurate;

- concentraţiile celor 4 gaze, în punctele măsurate; - concentraţiile medii pe parcursul măsurătorii; - punctele corespunzătoare pe curbele de calibrare; - fişierele de date: datev.dat - tensiunile măsurate; dcalc1…4.dat -

tensiunile şi concentraţiile corespunzătoare celor 4 module.

Utilizând fişierele anterioare se poate calcula media concentraţiilor în fiecare zonă.

6. Interpretare Utilizând datele obţinute cu simulatorul SIMGCON3 şi observaţiile din teren, se vor trage concluzii privind:

- Sensibilitatea simulatorului harware şi software; - Fluctuaţiile concentraţiilor şi cauzele lor; - Posibilitatea utilizării acestui simulator pentru determinarea

concentraţiilor în mediu; - Îmbunătăţirile necesare, din punct de vedere hard şi soft, foarte

importante a fi adăugate simulatorului.

7. Bibliografie /1/ FIGARO GAS SENSOR – Technical reference /2/ F. Căldăraru ş.a. – Raport de cercetare ştiinţifică Nr.1/1997, Proiectarea unui subsistem inteligent cu microsenzori pentru sisteme autonome portabile de monitorizare a calităţii aerului în mediul înconjurător /3/F. Căldăraru ş.a. – Air pollution monitoring using semiconductor toxic gas sensors, CAS 93 Proceedings, p.495 /4/ FIGARO Engineering Inc. – NFI 1842 Sensor – Technical reference /5/ F.Căldăraru ş.a. – Raport de cercetare ştiinţifică Nr.1/1992, Determinarea unor parametri de poluare ai aerului în sistemul laboratorului mobil pentru măsurarea parametrilor de poluare ai atmosferei

213

ANEXĂ Curba de etalonare senzor alcool Curba de etalonare senzor metan

U(V) c(ppm) U(V) c(ppm)

4.1 0.03 .84 0 3.0 3 3.13 92.6 2.2 5.7 2.68 277.5 1.1 10 2.3 555 0.74 1 51.99 925 0.56 20 1.56 1850 0.44 29.5766 1.32 2775 0.37 44.521 .14 3700 0.31 570 .92 5550 0.28 1000 .78 7400 0.21 7250 .47 15740

0.4 18518 Curba de etalonare senzor CFC Curba de etalonare senzor CO U(V) c(ppm) U(V) c(ppm)

4.088 0 4.3 0 4.004 18.5 3.3 3 3.8 92.5 3. 6.66 3.56 185 2.8 10.7 3.24 370 2.7 17.8 2.82 740 2.59 32 2.393 1480 2.47 50 2.24 1850 2.42 59.5 2.13 2220 2.36 70.4

2.28 85.64 2.21 100

214


APLICATII IN MANAGEMENTUL CALITATII MEDIULUI

INCONJURATOR - Simularea unor situatii reale -

I. Organizarea si coordonarea departamentului de protectia mediului din cadrul unei

companii de productie industriala

A. Pozitia manageriala Sef deparatament - experienta in domeniul tehnologic in care activeaza compania

- experienta in protectia si supravegherea calitatii mediului

(metode, algoritmi, aparate si sisteme de masurare a

parametrilor de mediu, legislatie)

- experienta in managementul general si de mediu (cunoasterea

relatiilor cu organismele de control, in general a relatiilor cu

oamenii)

- experienta in domeniul financiar si al investitiilor

Observatie: Experienta dvs. este certificata de diplome (universitare, post – universitare,

cursuri de specializare, recomandari ale unor specialisti si experti, referinte de la locurile de

munca anterioare)

B. Portofoliul de activitati (responsabilitatile)

- Organizarea departamentului

- Supravegherea calitatii mediului in interiorul si in imediata vecinatate a perimetrului

companiei

- Mentinerea si dezvoltarea unei bune relatii cu agentia teritoriala de supraveghere a

mediului si cu reprezentantii similari ai administratiei locale

- Dezvoltarea continua a departamentului in acord cu dezvoltarea companiei

C. Desfasurarea activitatii 1. Organizarea departamentului

a. Formarea echipei - inginer chimist - chimie analitica

- biolog - biologie generala

215

- electronist - electronica analitica si digitala

- tehnician electronist - aparatura de masura si

control (intretinere si

reparatii), sofer

- asistent - secretariat, contabilitate

b. Dotarea tehnica si logistica - 2 camere (1 pentru dvs.)

- 1 autoturism de teren

- 5 computere (unul pentru Internet)

- 1 laborator portabil pentru masurarea calitaii apei

- 1 laborator portabil pentru masurarea calitatii

solului

- aparatura portabila pentru detectia gazelor toxice

si combustibile

c. Documentare - legislatie

- tehnica si stiintifica

- tehnologica (instructiuni de fabricatie), specifica

firmei

d. Asigurarea bugetului - salarii

- efectuarea masuratorilor

- intretinerea si reparatia echipamentelor

- plata colaborarii si serviciilor

Observatie: Daca nu este posibil sa aveti aparatura minimala, incheiati un contract de servicii

cu o firma specializata. Aparatura cu care masurati este bine sa fie similara sau compatibila cu

cea a agentiei de protectie a mediului.

2. Supravegherea calitatii mediului

a. inventarul surselor de poluare din firma (informatiile se obtin de la tehnologii de profil,

dar este bine ca sa-l faceti si dvs.);

b. investigarea nivelului de izolare fata de mediu al surselor de poluare

c. inventarul locurilor cu risc ecologic si tehnologic ridicat

d. configurarea programului de masurare si supraveghere a calitatii mediului

- analiza ecogeografica a zonei pentru a stabili perimetrul exterior companiei pina unde

veti face supravegherea calitatii mediului

216

- stabilirea tipului de esantionare a masuratorilor prin incadrarea intr-una din prevederile

legale si tinind cont si de dotarea materiala si umana

- stabilirea locurilor in care se realizeaza masuratorile

- stabilirea modului de raportare (structura buletinului de masuratori)

e. elaborarea scenariilor de risc ecologic din teritoriul supravegheat

f. stabilirea programului de revizii si reparatii ale echipamentelor de masurare, precum si

a programului de aprovizionare cu materiale consumabile

3. Relatia cu departamentul tehnologic si cu cel de productie din firma

a. informari periodice asupra starii mediului din care specialistii respectivi pot deduce

existenta unor eventuale disfunctii ale echipamentelor tehnologice

b. transmiteti scenariile de risc ecologic elaborate de departamentul dvs. si cereti-le sa

desfasoare activitati de training in acest domeniu

c. solicitati continuu imbunatatirea performantelor tehnologice si economice pentru ca

ele sunt o sursa sigura de reducere a poluarii

4. Relatia cu organele de control de specialitate si cu organele administratiei locale

a. tineti documentatia ceruta de lege la zi

b. asigurati-va ca aparatura folosita de dvs. sa fie similara sau compatibila cu cea

folosita de agentie

c. nu bruscati relatia, chiar daca aveti dreptate

II. Realizarea unui sistem de monitorizare in timp real a poluarii aerului

A. Scopul actiunii Imbunatatirea performantelor de supraveghere a calitatii aerului din zona de

supraveghere a calitatii mediului aferenta unei companii de productie din domeniul

chimiei

B. Pozitia manageriala Sef de proiect (project manager)

C. Situatia concreta care determina aplicatia Compania in care lucrati produce ingraseminte chimice cu azot si se asociaza cu un partener

strain care aduce in aceasta asociere un segment de piata din Comunitatea Europeana. Pentru

a respecta cerintele acestei piete, partenerul strain solicita si obtine de la partenerul roman

realizarea unei imbunatatiri semnificative a calitatii aerului in zona.

217

D. Configurarea generala a aplicatiei Configurarea unei aplicatii de monitorizare a poluarii aerului implica realizarea unui set

de obiective pentru care exista deja o metodologie elaborata.

(i) Descrierea zonei in care se face monitorizarea poluarii aerului

Delimitarea zonei in care se va face monitorizarea se face cu instrumentele specifice

ecogeografiei (harta ecogeografica). In acest caz vom considera o zona de monitorizare tipica

pentru ecosistemele antropizate. Vom considera ca zona este situata in jurul unei unitati

industriale care produce ingrasaminte chimice pe baza de azot si care emite in atmosfera gaze

toxice pentru om si mediul natural. In imediata vecinatate a unitatii industriale se afla situate

culturi agricole si pasuni, ape curgatoare si iazuri, precum si o padure de stepa. In a doua

vecinatate se afla situate cateva sate, iar la o departare de 10 km de unitatea industriala se afla

situat un oras de marime medie. In zona exista, de asemenea, toata infrastructura specifica

asezarilor umane si amenajarilor industriale: retea de sosele, centrala electrica si termica, retea de

apa potabila si pentru uz industrial, conducta de gaz metan.

O astfel de configuratie a zonei ne obliga sa urmarim, in cadrul procesului de

monitorizare, toate tipurile de efecte asupra mediului incojurator, pe termen scurt, mediu si lung

si, pe de alta parte, este specifica multor ecosisteme antropizate din Romania. Aceasta

configuratie a zonei de monitorizare este, de exemplu, foarte apropiata de situatia existenta in

jurul combinatului chimic "FIBREX" din Savinesti sau a combinatului chimic "OLTCHIM" din

Ramnicu- Valcea.

(ii) Substantele a caror concentratie va fi monitorizata (tipuri si domenii de masurare)

Conform metodologiei dezvoltate la curs, va trebui sa selectam pentru procesul de

monitorizare o astfel de gama de substante, incat fiecare tip de efect (pe termen scurt, mediu si

lung) sa fie reprezentat de cel putin o substanta. Urmarind descrierea de mai sus a zonei, vom

selecta urmatoarele substante:

(1) Efecte pe termen scurt

- monoxid de carbon (CO), care provine din procesele de ardere din centralele termice din zona;

- gaz metan (CH4), care poate proveni din emisiile accidentale ale conductelor care alimenteaza

infrastructura amenajarilor umane si industriale din zona;

- amoniac (NH3), care provine din emisiile in atmosfera ale unitatii industriale din zona;

- fum, care ar putea proveni din incendii de padure datorate unor cauze antropice (neglijenta in

folosirea focului, explozii la conducta de gaz metan) sau naturale (seceta excesiva).

218

(2) Efecte pe termen mediu

- compusi organici volatili (VOC) care provin de la mijloacele de transport care circula in zona

sau de la manipularea neglijenta a produselor petroliere (benzina, motorina sau arderea

produselor de cauciuc);

- aciditatea aerului (pH), ca indicator global al ploilor acide, fenomen care leaga zona de alte

ecosisteme antropizate.

(3) Efecte pe termen lung

- freoni (R11), care provin de la instalatiile frigorifice, fixe si mobile, din zona.

Evolutia valorilor concentratiilor acestor substante trebuie monitorizata, cand este posibil,

pentru situatiile de alarma si alerta. In tabelul 7.1 sunt sistematizate toate datele referitoare la

aceste situatii, furnizandu-se astfel datele minimale asupra domeniilor de masura.

Tabelul 7.1 - Tipurile de substante si domeniile de masurare SUBSTANTA SAU

PARAMETRUL DE

CALITATE

CONCENTRATIA

LIMIT| ADMIS|

(ppm)

NIVELUL DE

ALARM|

(ppm)

NIVELUL DE

ALERT|

(ppm)

TIPUL DE SENZOR CU

SEMICONDUCTOARE

Monoxid de

carbon *

1.000 100 30 - 50 Senzor cu SnO2

Gaz metan ** 50.000 5.000 1.500 -

14.500

Senzor cu SnO2

Amoniac * 250 25 7,5 - 12,5 Senzor chemo-optic

Fum *** 100 10 3 - 5 Senzor cu SnO2

Compusi organici

volatili *

100.000 10.000 3.000 -

5.000

Senzor cu siliciu

poros

Aciditatea aerului - - - Senzor chemo-optic

Freoni - - - Senzor cu SnO2

* Concentratia care provoaca disconfort temporar la o durata de inhalare de 30 - 60 minute

** Limita de explozie in aer

*** Monitorizare pe oxid de carbon

Pentru aciditatea aerului (pH) nu este definita o concentratie limita, din cauza ca, pana

acum nu a avut o metoda de masurare. De asemenea, pentru freoni nu sunt definite concentratii

limita pentru ca este greu de stabilit o relatie cantitativa intre emisia la nivel local si efectul

219

global al subtierii stratului de ozon. Pentru aceste doua tipuri de substante nu vor fi monitorizate

situatiile de alarma si de alerta, ci vor fi raportate numai valorile concentratiilor.

In ultima coloana a tabelului 7.1 sunt mentionate tipurile de senzori cu semiconductoare

care pot detecta substantele selectate in domeniile de masura specifice poluarii aerului. Este

vorba de trei tipuri de senzori: senzori chemo-optici pe siliciu pentru detectarea amoniacului si a

pH-ului atmosferic, senzori cu SnO2 pe siliciu sau substrat ceramic pentru detectia oxidului de

carbon, a metanului, a fumului si a freonilor si senzori cu membrana pe siliciu poros pentru

detectia compusilor organici volatili.

(iii) Configuratia generala a sistemului de monitorizare a poluarii aerului

Asa cum am aratat in capitolul precedent, un sistem de monitorizare a poluarii aerului

trebuie sa aiba o structura modulara, pentru a putea masura, simultan, in mai multe puncte din

zona de monitorizare. Pentru ca lucreaza in mediul inconjurator trebuie sa fie independent de

reteaua de 220 V/50 Hz si pentru ca trebuie sa lucreze in timp real, fiecare subsistem de masura

trebuie sa contina o unitate de memorare, procesare si transmisie a datelor.

Din aceste motive, configuratia sistemului de monitorizare in timp real a poluarii aerului

arata ca in Fig. 7.1.

Fig. 7.1 - Configuratia sistemului de monitorizare in timp real

Sistemul de monitorizare este compus din n subsisteme independente plasate cate unul in

fiecare din cele n puncte de masurare din zona de monitorizare. Fiecare subsistem este compus

dintr-un microsistem cu senzori cu semiconductoare care are functia de masurare a

concentratiilor poluantilor preselectati ai aerului, dintr-un microcontroller care realizeaza

220

conversia analog-digitala si organizeaza si memoreaza fisierele de date masurate, dintr-un bloc

de transmisie de date si dintr-o sursa de alimentare cu energie electrica, independenta de reteaua

de 220 V/50/Hz. Datele masurate sunt transmise cuasi-continuu catre unitatea centrala, echipata

cu un computer IBM-PC de putere mare care realizeaza conversia datelor de tensiune masurate

in concentratii, face corectiile de temperatura si umiditate, organizeaza datele pentru semnalarea

in timp real a situatiilor de alerta si alarma si memoreaza datele conform cerintelor de raportare

ale beneficiarului.

In Fig. 7.2 prezentam configuratia hardware a microsistemului cu senzori cu

semiconductoare. Fiecare microsistem care echipeaza un subsistem de masurare este compus

din:

- un senzor chemo-optic pentru masurarea concentratiilor de amoniac;

- un senzor chemo-optic pentru masurarea pH-ului atmosferic;

- un senzor cu membrana pe siliciu poros pentru masurarea conentratiilor VOC;

- un senzor cu membrana pentru masurarea umiditatii relative;

- un array de senzori cu SnO2 pe siliciu pentru masurarea concentratiilor de monoxid de carbon,

fum, gaz metan si freon;

- un senzor (termistor sau senzor cu semiconductoare) pentru masurarea temperaturii in punctul

in care se face monitorizarea.

Fiecare din acesti senzori este cuplat la un bloc de conditionare a semnalului indeplineste

functiile de alimentare cu energie electrica, de preconditionare optica sau termica si de

amplificare a semnalului de tensiune primar pana la o valoare compatibila cu intrarile analogice

ale microcontroller-ului care conduce achizitia si gestionarea datelor in subsistemul de masura.

Fig. 7.2 - Configuratia generala a microsistemului cu senzori cu semiconductoare

221

In plus fata de cele prezentate in tabelul 7.1, a fost introdus inca un senzor cu membrana

pe siliciu poros pentru masurarea umiditatii atmosferice si un senzor pentru masurarea

temperaturii in punctul in care se face monitorizarea pentru a putea descrie dependenta functiilor

de calibrare ale fiecarui senzor de variabilele de influenta.

Alegerea acestor tipuri de senzori a fost facuta tinand seama de:

- tipul de gaz de masurat, in raport cu tipul de gaz masurat de senzor;

- concentratia gazului de masurat, in raport cu domeniul de masura al senzorului;

- timpul de raspuns al senzorului, in raport cu perioada de masura in timp real;

- posibilitatea de realizare a unui bloc de preconditionare de semnal, cuplabil la microcontroller;

- fiabilitatea si timpul de viata al senzorului;

- posibilitatea preschimbarii senzorului;

- pretul senzorului;

- gabaritul subsistemului ce include senzorul;

- selectivitatea senzorului.

Parametrul "selectivitatea senzorului" este ultimul, deoarece o selectivitate redusa (ca in

cazul senzorilor cu SnO2) poate fi compensata din software-ul asociat. Oricum, nici unul din

aceste tipuri de senzori nu este comercial, toti fiind intr-un stadiu de cercetare mai mult sau mai

putin avansat, astfel incat, imbunatatirea performantelor lor este posibil de realizat.

E. Formarea echipei de lucru

Varianta 1 - angajarea citei unei firme pentru fiecare componenta a sistemului

Varianta 2 - angajarea unei singure firme pentru realizarea intregului sistem

F. Organizarea secventei de desfasurare a proiectului

- stabilirea calendarului de lucru pentru fiecare participant la proiect cu termene de raportare

clare si corelarea acestor calendare in raport cu structura tehnica a proiectului

G. Proiectarea si realizarea programului de finantare

- construirea bugetului preliminar de cheltuieli

- surse de finantare - profitul companiei dvs.

- surse atrase - surse provenite din asociere

- credite bancare

- asocieri noi

- recuperarea cheltuielilor - din profitul estimat a fi realizat prin vinzarea pe piata UE

222

- din cheltuieli cu refacerea mediului, sanatatea si daune

penale, cheltuieli care nu mai sunt facute daca se realizeaza

acest sistem

H. Coordonarea desfasurarii proiectului

- realizati legatura permanenta cu fiecare dintre partenerii participanti la proiect

- organizati sesiuni comune de lucru si facilitati colaborarea intre parteneri

- asigurati–va ca la sedintele in care se prezinta raporturile de progres in desfasurarea

proiectului sa participe toti partenerii

- asigurati finantarea proiectului in timp real

I. Implementarea aplicatiei in sistemul firmei

- asigurati accesul partenerilor participanti la proiect la informatiile tehnologice din liniile

de productie

- participati la receptia fiecarei componente a sistemului

- participati direct la configurarea directa a sistemului de masurare

- asigurati toate conditiile tehnice si logistice pentru instalarea sistemului in teren

- asigurati-va ca sistemul respecta cerintele impuse de aplicatie si lasati un rest de plata

pentru momentul cind sistemul functioneaza la parametri proiectati

- nu terminati proiectul fara asigurarea unui sistem eficient de service si intretinere

223

Lucrarea de laborator nr. 8 - referat

MASURAREA pH-ului IN MEDII ACVATICE

1. Scopul lucrarii Determinarea dependentei marimilor de iesire a pH-metrului de valoarea pH-ului unei solutii şi calibrarea pH-metrului. 2. Principiul metodei pH-ul este parametrul ce caracterizează o solutie din punctul de vedere al aciditatii, respectiv bazicitatii sale. pH-ul nu se poate masura în cazul substantelor pure. Intr-o solutie unul dintre componenti este în concentratie mult mai mare decat celalalt. Cel mai des utilizat solvent este apa, dar mai exista multi alti solventi, care sunt utilizati pentru a forma solutii cu un numar finit de substante (de ex. acidul acetic, utilizat ca solvent pentru baze, sau alcolii utilizati ca solventi pentru acizi). Apa reactioneaza atat cu acizii cat si cu bazele, deci se comporta ca un acid in prezenta unei baze si ca o baza in prezenta unui acid. Substantele acide au tendinta de a pierde un proton, iar substantele bazice au tendinta de a lega un proton. In solutie apoasa protonii se leaga de cate o molecula de apa, sub forma de ioni de hidroniu. Se numeste grad de ionizare fractiunea din numarul total de molecule de acid sau de baza ionizate in solutie. In solutii diluate, acizii tari pot fi considerati complet ionizati. Bazele reactioneaza cu apa, dand ioni de hidroxil (HO-), apa reactionand ca un acid slab. Este practic sa se exprime concentratia ionilor de hidroniu dintr-o solutie apoasa in forma logaritmica.. Se numeste exponent al concentratilor ionilor de hidroniu sau pH, logaritmul cu semn schimbat al concentratiei ionilor de hidroniu din solutie:

(1) c

1logclogpHH

H+

+ =−=

Aceasta definitie este cea mai des utilizata. Definitia mai exacta (care se utilizeaza si in cazul masuratorilor de pH) este:

pH-ul este logaritmul cu semn schimbat al activitatii substantei considerate. ( )2 alogpH

H+−=

In solutii de o anumita concentratie, numai o fractiune din numarul total de ioni sunt ionizati si participa la fenomene ca: transportul electricitatii prin electroliti si forta electromotoare a pilelor electrice. In cazul solutiilor slabe concentratia ionilor de hidroniu si activitatea solutiei sunt aproximativ egale. Intr-o reactie reversibila, intre doi componenti A si B, reactie din care rezulta alti doi componenti C si D, la echilibru, raportul dintre produsul concentratiilor produsilor de reactie (c si c ) si produsul concentratiilor reactantilor (c si c ) este constant la o temperatura data: C D A B

( )3 cccc

KDA

Dc=

K este constanta de echilibru. Relatia anterioara se numeste legea actiunii maselor. Daca un acid HA reactioneaza cu apa: HA + H2O = H3O+ + A- (4) (de ex.: HCl + H2O = H3O+ + Cl- ) si solutia este diluata (concentratia acidului este mult mai mica decat a apei), concentratia apei poate fi considerata constanta ( cH2O=ct. ). Relatia (3) poate fi rescrisa:

224

( )5 c

cccKK

HA

AHO2Ha

−+=×=

unde Ka este constanta de aciditate. Bazele tari, de ex. NaOH, KOH sunt electroliti tari, ionizati complet in toate formele de stare (stare solida, stare topita sau in solutie ). Bazele slabe sunt compuse din molecule neionizate. In solutie apoasa, ele reactioneaza cu apa, dand ioni HO- si cationi. Se defineste constanta de bazicitate, in cazul solutiilor apoase (analog cu constanta de aciditate):

( )6 c

cccKK

B

BHOO2Hb

+−=×=

unde concentratiile c sunt corespunzatoare componentilor din reactia chimica: B + H2O = HO-+ B+ (7) Cu cat constanta de de aciditate este mai mare, cu atat el este mai ionizat (la o concentratie in solutie si temperatura date) si este un acid mai tare. Cu cat o baza are o constanta de bazicitate mai mare, cu atat ea accepta intr-o proportie mai mare un proton cedat de un acid (sau apa), la o concentratie in solutie si temperatura date. O solutie apoasa este neutra cand concentratiile ionilor de hidroniu (H+) si ionilor de hidroxil (HO-) sunt egale. S-a calculat [1] ca aceste concentratii sunt de 10-7 ioni x g/l, la o temperatura de 25 0C. Rezulta ca punctul neutru, in scala pH, in solutie apoasa, este pH=7.00. O solutie cu pH mai mic decat 7 este acida, iar o solutie cu pH mai mare decat 7 este bazica. Cand pH-ul scade cu o unitate, concentratia ionilor H3O+ din acea solutie creste de 10 ori, respectiv a ionilor HO- scade de 10 ori. Tabel 1

cH3O+(ioni-g/l) 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 cHO-(ioni-g/l) 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8

pH 0 1 2 3 4 5 6

cH3O+(ioni-g/l) 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

cHO-(ioni-g/l) 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1

pH 7 8 9 10 11 12 13 14

O pila electrica este o sursa care genereaza curent electric - tensiune electrica, printr-un proces la care participa un electrolit (solutie in care transportul electricitatii este efectuata prin transportul ionilor). Intr-o pila electrica exista 2 electrozi, formati dintr-un conductor metalic, scufundati intr-un electrolit. La suprafata de contact dintre fiecare dintre cei doi electrozi si electrolit se stabileste o diferenta de potential, numita potential de electrod. Tensiunea electromotoare (Eel) a pilei este egala cu suma potentialelor de electrod. Tensiunea electromotoare este data de ecuatia lui Nernst [1]:

Eel = Eel0 - RT/nF x ( ) (8)

si cum

rezulta: Eel = Eel

0 + RT/nF x pH= Eel0 + C x pH (9)

Semnificatia marimilor din relatiile anterioare este: Eel

0 - tensiune electromotoare de referinta R - constanta gazelor perfecte T - temperatura absoluta

+−H

alog

+−=H

alogpH

225

n - numarul de ioni F - constanta lui Faraday pH - caracteristic electrolitului din pila C= RT/nF - constanta caracteristica pilei Rezulta ca se poate utiliza o pila electrica pentru masurarea pH-ului. O astfel de pila

devine un electrod de masura. Pentru a elimina marimile necunoscute din relatia anterioara se inseriaza o pila electrica a carei parametrii sunt cunoscuti (Eel , Eel

0 si pH) cu o pila electrica utilizata pentru masurarea pH-ului necunoscut al unei solutii date. Inserierea se efectueaza astfel incat cele doua tensiuni electromotoare sa se scada. Cele doua pile se introduc in aceeasi sonda de masura. Sondele de masura care contin o singura pila de masura se numesc sonde cu o singura jonctiune, iar cele cu doua pile - sonde cu dubla jonctiune [2]. Pila cu parametrii cunoscuti se numeste celula de referinta, iar cea introdusa in solutia cu pH necunocut - celula de masura. Sonda de masura utilizata in lucrare este una cu dubla jonctiune.

Tensiunea la bornele celor doua pile inseriate, EAB, va fi data de relatia:

Vita de vie 5.4 – 6.8 Griu 5.4 – 7 Ceapa 6.2 – 7.2

Aspirina tamponata 8

(10) pHBA pHC- pHCEEE refref0

elref0

elAB ×+=××+−=

pHCB

pHref00

×−=

×+−= refelrefel CEEA

unde E 0, Cref si pH sunt parametrii celulei de referinta, iar E , C si pH sunt parametrii celulei de masura.

el ref el

Se observa ca relatia dintre tensiunea masurata si pH este liniara, deci la calibrare sunt necesare cel putin doua puncte in planul pH - mV. Panta (SLP) este caracteristica fiecarui electrod de masura. Se poate da panta celulei de masura in functie de cea a celulei de referinta, in unitati relative (%).

3. Procese de acidificare in mediul inconjurator 3.1. pH-ul in medii biologice /1/ Multe reactii biochimice au loc in solutii neutre, slab acide sau slab bazice. pH-ul singelui omenesc este situat intre 7,36 si 7.52 la 25 C. Daca pH<7, exista riscul mortii prin coma, iar daca pH>7.8 exista riscul mortii prin tetanos. Organul cu rol foarte important in mentinerea constanta a pH-ului sanguin este rinichiul. De aceea pH-ul urinei variaza intre 4.5 – 8, dupa cum rinichiul elimina excesul de aciditate sau bazicitate din singe. Valoarea normala a pH-ului urinei este pH = 6.2. La temperatura corpului omenesc de 37 C, produsul ionic al apei este K = 3.33 x 10 . Punctul neutru al apei la aceasta temperatura este la pH = 6.75. Lichidele din mediul intern al organismului sunt, deci, slab acide sau slab bazice. Sucul gastric este puternic acid (pH = 1.7) iar sucul intestinal este bazic (pH = 8).

o

o -14w

Fiecare specie de plante se dezvolta intr-un sol cu un anumit pH: Cartof 5 – 5.7 Capsuni 5 – 6.2

De asemenea, calitatea unor medicamente, produse alimentare sau cosmetice se masoara prin valoarea pH-ului:

226

Sampon 4 – 5.5 Bere 5.1 3.2. Efectele acidificarii asupra mediului inconjurator /5,6/

pH –ul este unul dintre cei mai importanti indicatori de calitate ai surselor naturale si antropice de apa si depind de mai multi factori:

- concentratia de carbonati si de bioxid de carbon - tipul de roca, acida sau alcalina, din care este formata albia - tipul de sol din albie - natura deversarilor poluante (precipitate atmosferice, deseuri)

In mod obisnuit, pH-ul surselor naturale de apa este intre 6.5 si 8.5 si foarte rar este situat in afara domeniului 4 – 9: Apa distilata 5.6

6.0 – 6.4 Efecte negative numai cind concentratia de CO g/l

5.0 – 5.9 Efecte negative numai cind concentratia de

Apa de riu 7.85 Apa de lac 6.95 Apa subterana 7.7 Apa potabila 7.7 Apa minerala 5.8 Sursele de acidificare ale mediilor acvatice si ale solului sunt atit ploile acide, deversarile lichide si solide din surse antropice, precum si folosirea pe scara larga a ingrasemintelor chimice in cadrul agriculturii intensive.

Apa de ploaie are, in mod normal, pH-ul de 5.6 datorita reactiei dintre apa si bioxidul de carbon prezent in aerul curat. Datorita oxizilor de sulf (60%) si al oxizilor de azot (40%) ploaia devine acida, fiind masurate valori de 2.7 (Keane, Pensylvania 1970) si chiar 1.5 (Wheeling, Virginia 1970).

In ceea ce priveste producatorii primari, procesele de acidificare sunt cauza reducerii numarului de specii de fitoplancton, in special alge verzi. Lacurile in care pH<5 au mai putin de 10 specii in compozitia fitoplanctonului, in timp ce pentru pH in domeniul 5 – 6 numarul speciilor creste rapid. In general domeniul de pH in care sunt prezente cele mai multe specii de producatori primari este 5.8 – 6.2.

Acelasi efect de reducere a populatiilor se constata si in ceea ce priveste descompunatorii (bacteriile). S-a constatat ca, in apele in care pH-ul este situat in domeniul 4.6 - 5.4, numarul descompunatorilor este de 5 pina la 20 de ori mai scazut decit in apele care au pH-ul situat in domeniul 5.6 – 7.1.

Zooplanctonul (nevertebratele) este, de asemenea, supus procesului de reducere ca urmare a acidificarii. Cauzele sunt atit reducerea numarului de producatori primari, cit si inrautatirea conditiilor de mediu pentru metabolismul propriu. Concentratii mari ale ionului H si ale metalelor (in special aluminiu) impune strss-ul fiziologic pentru aceste organisme. Astfel, la o valoare a pH-ului de 6.5 o concentratie de Al de 1.02 mg/l determina o pierdere neta de Na de aproape 20%.

+

+

Efecte semnificative in ceea ce priveste scaderea populatiilor ca urmare a proceselor de acidificare se constata mai ales la pesti. Motivele sunt legate atit de fiziologia proprie, cit si pozitiei superioare din piramida trofica.

Domeniul de pH Efecte 6.5 – 9 Nici unul

2 > 1000 m

227

CO g/l si in prezenta ionilor ferici

4.0 – 4.4 Efecte negative asupra pestilor adulti care nu s-au adaptat progresiv la aciditate scazuta

3.5 – 3.9 Letal pentru salmonide cu toate ca unele exemplare mai pot supravietui

3.0 – 3.4 Cei mai multi pesti mor in interval de ore

Pentru oameni efectele negative ale procesului de acidificare constau, in special, in introducerea in solutie a metalelor toxice (mercur, cadmiu) ca urmare a unui pH acid. Concentratiile crescute de aluminiu pot determina boli ale singelui si nervilor, boli ale oaselor, precum si o incidenta crescuta a bolii Alzhaimer si a altor forme de dementa senila.

4. Descrierea lucrarii 4.1. Aparatura necesara

- Alimentare: tensiunea 120/220 V a.c. - Display LCD dedicat - Domenii de masura: pH -2......19.9 mV ± 1600mV T -5...+105 oC - Rezolutie: pH 0.001/0.01/0.1 mV 0.1 mV T 0.1 oC - Panta SLP 80…120 %

- Intrari (1) BNC - pentru sonda de pH (2) PIN - pentru referinta (3) ATC/DIN - pentru sonda de temperatura

- Iesiri RS 232 - pentru cuplarea cu o imprimanta dedicata sau cu calculatorul

- Conditii de mediu: +5 oC … +45 oC 5 …85 % umiditate, fara condens

(b) Sonda de pH - model 9157BN, produsa tot de firma Thermo Orion. Schema acestei sonde este data in Fig. 1.

2 > 20 m4.5 – 4.9 Efecte negative pentru oua si pentru pestii adulti cind

nivelele de Ca2+ , Na+ si Cl- sunt scazute

Pentru vertebratele superioare domeniul aciditatii letale pentru embrionii speciilor de amfibieni este de 3.4 la 4.5. In ceea ce priveste pasarile, a fost raportata o scadere de 70 – 80% a poulatiei de cufundaci in perioada 1960 – 1984, perioada in care pH-ul apei a scazut cu 1.7 unitati.

(a) pH-metru Orion, model 420A plus [3]. Acest pH-metru este un pH-metru de laborator, cu care se pot efectua masuratori de pH, mV (tensiunea EAB din relatia (10)) si temperatura. La acest pH-metru se pot conecta mai multe tipuri de sonde. Sonda utilizata in lucrare este de tip dubla jonctiune, cu senzor de temperatura. In functie de sonda, pH -metrul permite stabilirea de catre operator a punctelor de calibrare si a pantei. PH-metrul are urmatorii parametrii:

228

Fig.1 - Schema sondei duble de pH Este o sonda cu dubla jonctiune, cu electrozi de Ag, electrolit AgCl. Acesta se umple

(printr-un orificiu de umplere) dintr-un recipient furnizat de firma, in cazul in care nivelul in sonda scade (din cauza evaporarii sau reactiilor chimice). Orificiul de umplere trebuie sa fie astupat in timpul stocarii si liber in timpul masurarii.

Pentru compensarea variatiei pantei cu temperatura (care variaza conform relatiei (9)) - ATC (Automatic Temperature Compensation) - se utilizeaza un sistem de masura a temperaturii cu termistor sau bimetal.

Conectarea sondei la pH-metru se efectueaza cu un conector BNC (semnal de tensiune, proportional cu pH-ul) si cu un conector DIN pentru ATC (semnalul pentru compensarea temperaturii).

Etalonarea sondei se efectueaza in trei puncte: pH=4.01, pH=7.00, pH=10.01 (valori la 25 C). Variatia pH-ului cu temperatura este data in tabelul 2, pentru cele trei valori de etalonare. o

Tabel 2

pH(25 C)/T o 5 C o 10 oC 20 C o 30 C o 40 C o 50 C o

4.01 4.00 4.00 4.00 4.02 4.03 4.06 7.00 7.08 7.06 7.01 6.98 6.84 6.83 10.01 10.25 10.18 10.06 9.97 9.89 9.83

Datele sunt preluate [4] din standardele americane NIST (National Institute of Standards

and Technology). Imersia in solutia de masurat se efectueaza astfel incat nivelul acesteia sa depaseasca

jonctiunea inferioara si sa se afle cu aprox. 2 cm sub jonctiunea superioara.

(e)

Sonda se pastreaza intr-o solutie de apa distilata cu KCl (0.5 g/100ml), pentru pastrarea senzorului in stare umeda si pentru activarea ionizarii.

(c) Solutii buffer - Solutiile buffer sunt solutii care isi mentin valoarea pH-ului daca in solutie exista urme de alte substante; pentru etalonare se utilizeaza solutii cu pH=4.01, 7.00, 10.01, respectiv (valorile de pH sunt date la 25 C). o

(d) Seringi etalonate de 5 - 50 ml. Vase de laborator de sticla 50 - 100 ml.

(f) Solutii: (f1) solutii buffer - Solutiile buffer sunt solutii care isi mentin valoarea pH-ului daca in soltie exista urme de alte substante; pentru etalonare se utilizeaza solutii cu pH=4.01, 7.00, 10.01, respectiv (valorile de pH sunt date la 25 oC.

(f2) apa distilata (f3) apa recoltata din diferite medii (apa de ploaie, apa de râu, etc.) (f3) amoniac (f4) detergent lichid

(g) Cablu de conectare la calculator (conectarea se efectueaza pe COM 2, pentru a permite conectarea mouse-ului pe COM 1).

(h) PC care include un soft dedicat. Configuratia software Se utilizeaza un program realizat in Visual Basic 3.0, phm1.exe, deci un program sub Windows (in directorul ph). Pentru conectarea sau deconectarea la pH-metru exista in Menu butoane corespunzatoare. La conectare se schimba culoarea LED-ului virtual "Port" din rosu in

229

verde (si invers la deconectare). Datele furnizate sunt in format ASCI. Daca se comanda de la pH-metru "Print" se afiseaza in caseta - text "Date" pH-ul, tensiunea pe sonda (in mV), temperatura, ora si data la care s-a efectuat masuratoarea, asa cum sunt furnizate de pH-metru (cu conditia ca pH-metrul sa fie conectat la COM 2, "LED"- ul virtual sa aiba culoarea verde). Pentru a se afisa intr-un format clar, se "apasa" pe butonul "Prelucrare date". Daca se doreste scrierea unor comentarii, acestea se pot da in casuta "Comentarii", si salvate cu comanda "Save". Datele sunt depuse in fisierul "Date.rec", dar acesta este accesibil doar dupa deconectare. 3.2. Prezentarea secventei de lucru I. Setarea pH-metrului Setarea se poate efectua fie cu sonda de pH conectata, fie cu sonda deconectata, dar cu borna BNC acoperita (cu capacul ce este prins pe pH-metru, in imediata vecinatate). Sonda de compensare a temperaturii ATC se deconecteaza. Se apasa butonul "setup". Etapele setarii sunt (in conformitate cu cele enumerate si pe fata pH-metrului): 1-1 pH - ON (se efectueaza masuratoarea pe modul pH) 1-2 Hold (poate fi ON sau OFF, trecerea efectuandu-se cu sagetile albastre); in cazul in care este

"ON", dupa ce apare indicatia "ready", valoarea afisata nu se mai schimba 1-3 BEEP (poate fi ON sau OFF, trecerea efectuandu-se cu sagetile albastre) 1-4 AUTOSHUTOFF (poate fi ON sau OFF, trecerea efectuandu-se cu sagetile albastre, dar este

preferabil, pentru conservarea afisajului, sa fie ON) 2.1 SLOPE - valoarea estimata de microcontroller, valoare medie pentru diferite sonde sau

temperaturi este 100. 2.2 RESOLUTION Se poate fixa, utilizand sagetile albastre, rezolutie pentru pH de 0.1, 0.01,

respectiv 0.001 2.3 ISOPOINT 7.000 2.4 RESET - Se pune pe ON, deoarece trebuie sa se poata efectua calibrarea, utilizand sagetile

albastre 3.1 TIMER INTERVAL - da intervalul la care este activ timerul, daca se apasa pe butonul

"timer" - se poate fixa in ore, minute si secunde, utilizand sagetile albastre si pentru fiecare digit corect, dandu-se "YES"

3.2 REMAINING TIME - timpul pana la care se va efectua urmatoarea masuratoare 3.3 SET REAL TIME - trebuie fixata ora si data, intai luna, apoi ziua, apoi anul, utilizand

sagetile albastre si pentru fiecare digit corect, dandu-se "YES" 5.1 PRINT MODE 1 - Manual

2 - Ready (de cate ori se stabilizeaza o valoare masurata) 3 - Timed (la intervale date) 5.2 PRINT INTERVAL - Se da o valoare de timp, dupa care se printeaza valoarea masurata (in ore, minute si secunde, utilizand sagetile albastre si pentru fiecare digit corect, dandu-se "YES") Iesirea din setare se efectueaza apasand "measure" II. Calibrare Se clateste sonda in apa distilata, apoi in solutia de masura (intai in solutia cu pH=4.01). Dupa fiecare clatire se usuca sonda pe hartia de filtru. Se introduce sonda in solutia cu pH=4.01. Se noteaza temperatura. Se intra in calibrare apasand butonul "cal".

230

Se utilizeaza sagetile albastre pentru a stabili fiecare digit al valorii corecte a pH-ului la temperatura data, utilizand tabelul 2. (de ex. 4.00, la 20 calibrare.

Se introduce sonda in solutia cu pH=10.01. Se utilizeaza sagetile albastre pentru a stabili fiecare digit al valorii corecte a pH-ului la temperatura data, utilizand tabelul 2. (de ex. 10.06, la 20 oC). Acesta este punctul P3 din curba de calibrare. Dupa calibrare apare afisata panta curbei de calibrare (pentru sonda utilizata, la 20 SLP - este aproximativ 90 %) pul calibrarii pH-metrul este conectat la PC (s-a dat in programul phm1.exe comanda conectare), datele calibrarii (pH-ul masurat in cele trei puncte, tensiunea E etrului si panta rezultata) sunt inregistrate in fisierul „DATE.REC”

Dupa fiecare inregistrare, fisierul Date.rec se redenumeste (de ex. daten.rec, unde n este numarul masuratorii, altfel datele noi masurate se scriu peste cele vechi, acestea fiind pierdute). 4. Bibliografie

2. *** - Catalog Cole - Parmer 1999 - 2000

oC). Acesta este punctul P1 din curba de

Se spala sonda in apa distilata, se usuca sonda, apoi in solutia de masura (aici, cea cu pH=7.00). Se introduce sonda in solutia cu pH=7.00. Se utilizeaza sagetile albastre pentru a stabili fiecare digit al valorii corecte a pH-ului la temperatura data, utilizand tabelul 2. (de ex. 7.01, la 20 C). Acesta este punctul P2 din curba de calibrare.

o

Se clateste sonda in apa distilata, apoi in solutia de masura. (in solutia cu pH=10.01). Dupa fiecare clatire se usuca sonda pe hartia de filtru.

oC, panta - . Daca in tim

AB furnizata de sonda pH-m

Se salveaza fisierul „DATA.REC” (din directorul pH) cu alt nume si se repeta operatiunile de calibrare pentru alta temperatura a solutiilor buffer. Se reprezinta grafic dependenta pH-ului de tensiunea E , asa cum rezulta din fisier, (in MicroCall Origin 3.0, de exemplu) si se interpreteaza rezultatele urmarind dependenta pantei curbei de calibrare de temperatura.

AB

Masuratori Pentru inregistrarea datelor masurate se aapeleaza programul phm2.exe, pe poteca c:\ph\phm2.exe. Se "apasa" pe butonul "Conectare". In acest moment iesirea pH-metrului este conectata la PC, pe COM 2, iar fisierul de depunere a datelor Date.rec este deschis. Dupa fiecare masuratoare si stabilizarea indicatiei de pH (apare ready pe pH-metru) se da comanda pe pH-metru "print". In caseta text "Date" apar datele masurate (pH-ul, tensiune electromotoare corespunzatoare, temperatura probei, data inregistrata in pH-metru). Pentru afisare clara se apasa pe butonul "Prelucrare". Daca se doreste scrierea unui comentariu asupra datelor masurate, acesta se scrie in casuta text "Comentarii", apoi se da comanda "Save". Acesta va apare dupa datele masurate. Fisierul Date.rec se inchide dupa apasarea butonului "Deconectare". In acest moment fisierul se poate accesa. Se vor masura urmatoarele probe: (a) apa distilata si apa de robinet; (b) probe de apa recoltata din diferite medii; (c) solutie de 1% respectiv 0.1 % de amoniac (acestea trebuie preparate); (d) solutie de 1% respectiv 0.1 % de detergent (acestea trebuie preparate); Dupa fiecare masuratoare sonda se clateste in apa distilata si se usuca pe hârtia de filtru.

1. C. D. Nenitescu - Chimie generala, Ed. Didactica si Pedagogica, Bucuresti - 1972

3. *** - Catalog Thermo Orion, Instruction Manual, Benchtop pH and pH/ISE Meters

4. *** - Triode pH Electrode Model 9157BN Instuction Manual

231

5. C. F. Mason – Biology of fresh water pollution, second edition, Langman Scientific & Technic, 1991

6. 6. J. R. Dojlido and G. A. Best – Chemistry of water and water pollution, Ellis Horwood Ltd., 1993

Date post:	18-Feb-2015
Category:	Documents
Upload:	mosneanu-eugen
View:	74 times
Download:	0 times

Tehnica Masurarii Si Controlului Calitatii Mediului

Documents