XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование снега в Санкт-Петербурге и Ленинградской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Медведев Ф.А. 1

---

1ГБОУ Лицей 280 им М.Ю. Лермонтова

Шигаева Т.Д. 1

---

1СПб ГБОУ «Лицей № 280 им. М.Ю. Лермонтова»

Работа в формате PDF

749.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Масштабы воздействия человека на природу постоянно увеличиваются. Взаимоотношения между человеком и природой имеют самые различные последствия. Многие из них существенно влияют на здоровье человека и затраты в его хозяйственной деятельности. С развитием промышленности всё больше возрастает загрязнение окружающей среды отходами производств. Результат бурного развития автомобильного транспорта – повышенные концентрации свинца в воздухе и почве. В крупных городах люди вдыхают свинец, причем примерно третья часть его адсорбируется в организме [1]. Кроме того, каждый автомобиль за год даёт 10 кг резиновой пыли, а за 1000 км пробега потребляет столько кислорода, сколько его водитель за целый год.

Снег впитывает из воздуха вредные вещества, а при таянии — загрязняет почву и водоемы. Применение снегового покрова как индикатора загрязнения естественной среды в мегаполисах приводит к росту эффективности контроля загрязнения атмосферы, вод и почв [2]. Проблемой этого исследования стало определение того, насколько загрязнен снег в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.

Актуальность исследования

Экологическое состояние мегаполисов, к числу которых относится мой родной город Санкт-Петербург давно вызывает опасения из-за:

• Транспортной загруженности, которая приводит к увеличению числа вредных выбросов.

• Промышленности: у нас в городе много заводов, которые загрязняют воздух, воду и почву,

• Накопления бытового мусора, который не научились перерабатывать до сих пор.

Своевременное определение уровня загрязнения снега, позволит вовремя принимать меры по предотвращению загрязнений и улучшению экологической обстановки в нашем городе.

Цели и задачи исследования

Целью исследования было сравнение степени загрязнения снега в различных местах Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

Задачи исследования мной сформулированы следующим образом:

1. Изучить литературу и интернет-источники по теме исследования;

2. Экспериментально установить степень загрязнения снежного покрова в городе Санкт-Петербург и Ленинградской области, использую химические тест-системы и метод биотестирования на дафниях.

1. Основная часть. Исследование литературы и интернет источников

   1. Снег и его свойства

Снег – это форма атмосферных осадков, состоящая из мелких кристаллов льда. Эти кристаллики образуются внутри облаков при низких температурах воздуха, а потом падают на землю. Сугробы состоят из миллиардов мелких снежинок. Снежинки образуются из молекул воды. Сначала из них получаются кристаллики льда, которые имеют шестигранную форму, а затем за счет присоединения новых молекул начинают расти лучи - ответвления (рис. 1). Какими они будут, зависит от многих условий [3].

Рис. 1 Процесс образования снежинки

Каждая снежинка получается уникальной. Ее лучи - это дневник, в котором записано все, что случилось с капелькой воды по пути из облака на землю. И пока снежинка не растаяла, можно увидеть ее узоры (рис 2.)

Рис 2Узоры снежинок

Впервые сфотографировал снежинки в 1892 году любитель из Рыбинска А. Сигсон. Он применил 15-кратное увеличение и сложную подсветку, позволившую получить очень четкие изображения.

От формы снежинок зависит скорость их падения. Пластинки и звезды приближаются к земле со скоростью 0,5—1 м/с, иголочки и столбики — со скоростью нескольких дециметров в секунду, а снежная и ледяная крупа — по 1—2,7 м/с [4].

«Снег отражает все длины волн света и может иметь совершенно разные цвета в зависимости от условий и угла, под которым на него падает свет. Возраст и плотность снега, а также загрязнение воздуха также влияют на его внешний вид»

Но цвет снега может измениться от примесей. Понятно, что в городах снег может почернеть от загрязнений. В горах и Арктике часто встречается снег розового или красного цвета. Этот оттенок придают окрашенные водоросли, живущие между кристаллами снега [5].

Плотность снежного покрова зависит от температуры, времени года и “возраста” снежного покрова. В более теплые дни - снег более плотный и влажный - можно лепить снеговиков. К весне снег уплотняется за счет большей влажности и давления верхних слоев.

Как оказалось, снег ведёт точную "летопись" всех событий зимы. Если научиться его "читать", можно узнать много интересного о погодных изменениях и экологическом состоянии местности.

Каждый снегопад оставляет новый слой. Старые слои внизу имеют крупные ледяные кристаллы, а свежие верхние слои состоят из мелких пушистых снежинок.

Что можно узнать по снежным слоям:

• Ледяные прослойки показывают количество оттепелей;

• Тёмные полосы свидетельствуют о периодах без снегопадов;

• Грязные слои возле городов отражают уровень загрязнения воздуха.

Более того, по многолетним слоям снега в ледниках Антарктиды можно узнать, чем загрязнялся воздух сотни лет назад. Учёные изучают: форму снежинок, пыль в снегу и даже "зашифрованные" в нём данные о климате прошлого.

Снег обладает низкой теплопроводностью, т.е. он — плохой проводник тепла. Это происходит потому, что между снежинками много воздуха, который медленно передаёт тепло. Поэтому под снегом земля не промерзает сильно, а растения и животные могут пережить морозы. Теплопроводность зависит от плотности. Рыхлый свежий снег проводит тепло хуже (много воздуха между снежинками). Уплотнённый снег (например, после оттепели) проводит тепло немного лучше.[6].

1. 2. Снег — природный показатель загрязненности

Снег — как губка, которая впитывает всю грязь из воздуха. В облаках капельки воды замерзают не сами по себе, а вокруг мельчайших частиц пыли, сажи или химических веществ. Это называют «ядрами кристаллизации». И далее эти частицы выпадают на землю вместе со снегом. Кроме того, пока снежный покров лежит, он дополнительно загрязняется:

• Сухими загрязнителями. Ветер переносит пыль с дорог и строек,

• Реагентами. Соль и химикаты, которыми посыпают дороги, растворяются и проникают в снег.

Когда снег падает и ложится на землю, он "консервирует" эту грязь до весны, при таянии вся собранная грязь попадает в почву и воду.

Удивительно, что скорость увеличения загрязненности полярного и высокогорного снега выше, чем скорость роста использования загрязняющих веществ. Например, ежегодный мировой рост производства ртути составляет 1,8 процента, а загрязнение ртутью снега в Гренландии и Антарктиде увеличивается на 2,7%в год, на Памире — на 4%[7].

Какие вещества могут попасть в снег в мегаполисе?

В большом городе снег впитывает множество загрязнений. Вот главные «враги», которые в нём накапливаются:

Выхлопные газы от транспорта:

• Свинец (если используется этилированный бензин)

• Сажа (чёрные частицы)

• Оксиды азота и серы

Реагенты для дорог:

• Соль (NaCl) и хлорид кальция (CaCl₂)

• Песок

Промышленные выбросы от заводов и ТЭЦ:

• Тяжёлые металлы (ртуть, кадмий, цинк)

• Диоксины

• Бензпирен (из дыма)

Мусор и пыль от бытового загрязнения:

• Микропластик (от шин)

• Бытовая химия (моющие средства, антифризы)

Как это выглядит?

Изменяется цвет снега: жёлтый (бензпирен), коричневый (сажа), чёрный (угольная пыль).

Изменяется запах снега: бензина, кислоты (если снег «впитал» выхлопы).

2. Практическая часть. Исследование степени загрязненности снега в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.

   1. Методы исследования

      1. Проверка цвета и запаха снега с помощью органов чувств;

      2. Проверка рН образцов талой воды для определения кислотности;

      3. Тест на наличие свинца;

      4. Тест на наличие железа;

      5. Биотест на токсичность воды с помощью Daphnia magna

1. 2. Характеристика мест взятия проб снега

Пробы снега были взяты в трех местах:

• Проба 1 - Парк Авиаторов.

• Находится в 1 км от промышленной зоны и Автовской ТЭЦ, в 500 м от автомагистрали Западный скоростной диаметр. Проба взята в центре парка.

• Проба 2 - Коттеджный поселок Ускуля, Ленинградская область, Ломоносовский район.

• Находится в 50 км от центра Санкт-Петербурга. В 10 км от Кольцевой автодороги. В поселке ведется строительство.

• Проба 3- Лесной массив в 60 км от от центра Санкт-Петербурга и 10 км от поселка Ускуля, 20 км от Кольцевой автодороги.

1. 3. Результаты и их обсуждение

      1. Исследование цвета и запаха

Проба 1. Цвет белый с серыми и черными вкраплениями. Талая вода имеет мутноватый цвет и запах бензина и металлов, есть небольшой осадок в виде частиц

Проба 2. Цвет белый. Талая вода прозрачная, имеет слабый запах травы, без осадка.

Проба 3. Цвет белый. Талая вода имеет слабый запах хвои и опавших листьев, в осадке присутствуют фрагменты травы.

1. 1. 2. Кислотность ( рН ) снега

В каждую пробу опустил лакмусовую бумажку и затем сверил ее цвет со шкалой на упаковке. Результаты эксперимента представлены на рисунках 3-5

Рис.3 Цвет лакмусовой полоски пробы 1.

Из рисунка 3 видно, что для пробы 1 рН растворенного снега равно 6.

Рис.4 Цвет лакмусовой полоски пробы 2.

Из рисунка 4 видно, что для пробы 2 рН растворенного снега равно 6.

Рис.5 Цвет лакмусовой полоски пробы 3.

Из рисунка 5 видно, что для пробы 3 рН растворенного снега равно 6

Таким образом, для всех проб рН близко к нейтральному.

1. 1. 3. Тест на наличие свинца

В 10 мл каждой пробы я добавил 2 капли уксусной кислоты и 2 капли бихромата калия (K₂Cr₂O₇).

Этот опыт позволяет качественно определить ионы свинца в растворе.

Проба 1. Раствор окрасился в желтый цвет и выпал осадок лимонного цвета

Проба 2. Раствор окрасился в желтый цвет. Осадок не образовался

Проба 3. Раствор окрасился в желтый цвет. Осадок не образовался

Рис.6 Слева направо: проба 3, проба 2, проба 1.

Значит, в пробе 1 присутствуют ионы свинца.

1. 1. 4. Тест на железо

Качественной реакцией на ион железа является реакция взаимодействия с роданидом калия (КСNS).В результате образуется вещество красного цвета.

В 10 мл каждой пробы я добавил 1мл 10% раствора роданида калия. Цвет проб не изменился.

Следовательно, в пробах отсутствуют ионы железа.

1. 1. 5. Биотестирование на токсичность с использованием Daphnia magna

В настоящее время наряду с химическими методами оценки загрязнения воды, широко используют методы биотестирования, Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест - объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест – объектов [8]. В моей работе в качестве тест-объекта были использованы дафнии. Дафнии - это вид рачков, которые часто используются для экспериментов по биотестированию. Они очень чувствительны к загрязнениям.

Рис. 7 Дафнии

Биотестирование воды позволяет определить их острое токсическое действие на дафний по выживаемости. Критерием острой токсичности (А) служит гибель 50% и более дафний за 48 часов. Взяв порцию воды объемом 50 мл, я пересадил в стаканчики с талой водой 5 дафний. Столько же дафний поместил в контрольную пробу. В течение 48 часов наблюдал за их поведением.

Рис.8 Пробы 1,2,3 с дафниями

В таблице 1 представлены результаты проведенного биотестирования проб талой воды с использованием дафний.

Таблица 1 – Результаты биотестирования проб воды на ракообразных (Daphnia magna Straus)

Через 48 часов я посчитал, сколько осталось живых дафний в каждой пробе.

Из таблицы 1 видно, что наименее токсичная проба 3. У проб 1 и 2 установлена острая, т.е. самая высокая токсичность.

3. Заключение

Проведенные опыты показали, что проба 1 взятая в городском парке Авиаторов содержит свинец, отличается по цвету и запаху, не отличается по уровню рН, и в ней не выжила ни одна дафния из 5.

Проба 3 не содержит свинец, чистая по цвету, пахнет лесом, не отличается от других проб по уровню рН, и в ней выжили 2 из 5 дафний.

Следовательно, снег в городе более загрязненный, чем снег в лесном массиве Ленинградской области.

Более того, было выяснено в ходе исследования, что снег в коттеджном поселке (Проба 2) хоть и не содержит свинец, но все же является токсичным для дафний. Вероятнее всего это связано с тем, что в поселке идет строительство и это тоже приводит к загрязнению снега.

Литература и интернет источники

1. Сазонова О.В., Рязанович Т.К., Сергеева А.К. и др. “Эколого-гигиенические особенности антропогенного загрязнения снегового покрова в промышленном городе”// Здоровье населения и среда обитания. 2018, №2, с.34-38.

2. Владимиров, А. М. “Охрана окружающей среды” / А. М. Владимиров, Ю. И. Ляхин, Л. Т. Матвеев, В. Г. Орлов. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1991, 424 c.

3. https://bgkm.ru/virtualnye-meropriyatiya/1452-chto-takoe-sneg

4. М. Софер “Как исчезает снег”. Наука и жизнь, №3, 2017

5. В. Котляков “В мире снега и льда”. Наука и жизнь, №12, 1996

6. Рихтер Г.Д. “Снежный покров, его формирование и свойства”. М.: Академия наук. 1945, 15с.

7. Соловьева Н. Е., Олькова Е. А., Алябьева А. А., Краева О. “Исследование талой воды (снега) как показатель загрязнения атмосферы урбанизированной среды “// Молодой ученый. 2015. №14.

8. Олькова А.С. “Условия культивирования о многообразие тест-функций Daphnia Magna Straus при биотестировании” // Вода и экология.2017, №1, c.63-68.