Инфракрасное излучение как вид физического техногенного загрязнения

Дисциплина «Физическая экология» ...

Введение

Глава 1. Физическая природа инфракрасного излучения
1.1. Инфракрасное излучение как физическое явление и его измерение
1.2. Проявление инфракрасного излучения в природе и техносфере.

Глава 2. Инфракрасное излучение как загрязняющий техногенный фактор
2.1. Воздействие инфракрасного излучения на организм человека и состояние окружающей среды
2.2. Инженерные способы защиты от воздействия инфракрасного
излучения

Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Жизнеспособность человеческого организма напрямую зависит от среды его обитания. Загрязнение окружающей среды относится к непреднамеренным, хотя и очевидным, легко осознаваемым экологическим нарушениям. Они выступают на первый план не только потому, что многие из них значительны, но и потому, что они трудно контролируются и чреваты непредвиденными эффектами. Некоторые из них, например, инфракрасное излучение принципиально неизбежны, пока существует топливная энергетика, осветительные приборы и прочие достижения цивилизации, не говоря уже о его природных источниках.
В связи с этим, понимание природы данного физического явления, его влияния на организм человека и среду его обитания являются необходимым условием для разработки средств и методов защиты от негативного влияния инфракрас ного излучения. Это обстоятельство обусловливает актуальность темы данной работы.
Объектом курсовой работы является инфракрасное излучение как физическое явление. Влияние этого явления на организм человека, а также средства защиты от него составляют предмет данной работы.
Цель – изучить те особенности инфракрасного излучения, знание которых необходимо для оценки его влияния на человека и разработки инженерных средств защиты.
Постановка данной цели обуславливает необходимость решения следующих задач:
- изучить физическую природу инфракрасного излучения, способы и единицы его измерения;
- ознакомиться с проявлениями инфракрасного излучения в природе и техносфере;
- выявить, какое воздействие оказывает инфракрасное излучения на организм человека и состояние окружающей среды;
- рассмотреть инженерные способы защиты от воздействия инфракрасного излучения.
Решение поставленных задач позволит понять свойства и характер воздействия инфракрасного излучения на организм человека и, таким образом, реализовать цель, заявленную в данной курсовой работе.

 При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение (что используется в инфракрасной фотографии), а при больших размерах капель (густой туман) инфракрасное излучение рассеивается так же сильно, как и видимое.В производственных условиях выделение тепла возможно от:- плавильных, нагревательных печей и других термических устройств;- остывания нагретых или расплавленных металлов; - перехода в тепло механической энергии, затрачиваемой на привод основного технологического оборудования;- перехода электрической энергии в тепловую и т.п.Производственные источники лучистой теплоты по характеру излучения можно разделить на четыре группы:- с температурой излучающей поверхности до 500oС (наружная поверхность печей и др.); их спектр содержит инфракрасные лучи с длиной волны 1,9-3,7 мкм;- с температурой поверхности от 500 до 1300oС (открытое пламя, расплавленный чугун и др.); их спектр содержит преимущественно инфракрасные лучи с длиной волны 1,9-3,7 мкм;- с температурой от 1300 до 1800oС (расплавленная сталь и др.); их спектр содержит как инфракрасные лучи вплоть до коротких с длиной волны 1,2-1,9 мкм, так и видимые большой яркости;- с температурой выше 1800oС (пламя электродуговых печей, сварочных аппаратов и др.); их спектр излучения содержит, наряду с инфракрасными и видимыми, ультрафиолетовые лучи. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасное излучение. При фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только Инфракрасное излучение.Мощным источником инфракрасного излучения является угольная электрическая дуга с температурой около 3900К, излучение которой близко к излучению чёрного тела, а также различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения). Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники инфракрасного излучения: ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых оптических квантовых генераторов – лазеров также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм, лазера на смеси неона и гелия – 1,15 мкм и 3,39 мкм, лазера на углекислом газе – 10,6 мкм, полупроводникового лазера на InSb – 5 мкм и др.Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения. В первых поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое инфракрасное излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки - инфрапластинки - также чувствительны к инфракрасному излучению (до l - 1,2 мкм), и потому в инфракрасном излучении могут быть получены фотографии.Инфракрасное излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива.Благодаря различию коэффициентов рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и инфракрасном излучении фотография, полученная в инфракрасном излучении, обладает рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией. Например, на инфракрасных снимках часто видны детали, невидимые на обычной фотографии.В промышленности Инфракрасное излучение применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении, а также для обнаружения скрытых дефектов изделий.На основе фотокатодов, чувствительных к инфракрасному излучению (для λ < 1,3 мкм), созданы специальные приборы – электроннооптические преобразователи, в которых не видимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов инфракрасным излучением от специальных источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Создание высокочувствительных приёмников инфракрасного излучения позволило построить специальные приборы – теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому инфракрасному излучению. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник инфракрасного излучения, расположенные в головной части ракеты, принимают инфракрасное излучение от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное инфракрасное излучение самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель. Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них. Оптические квантовые генераторы, излучающие в инфракрасной области, используются также для наземной и космической связи.Таким образом, можно констатировать, что область проявления инфракрасного излучения как физического явления в природе, а также сфера его применения человеком довольно значительны и обширны, что, в свою очередь, требует глубоких знаний об особенностях данного явления и потенциальных опасностях, связанных с ним и его использованием. Глава 2. Инфракрасное излучение как загрязняющий техногенный фактор2.1. Воздействие инфракрасного излучения на организм человека и состояние окружающей средыЧрезмерное тепловое излучение повышает температуру окружающей среды, ухудшает её микроклимат, может нарушить экологическое равновесие, что безусловно сказывается на жизни всех организмов.Несмотря на то, что врачам и ученым давно известно о пользе инфракрасного излучения для здоровья человека, принципиальным является вопрос о его интенсивности и количестве или длительности воздействия. Инфракрасные лучи глубоко проникают в организм, мышцы и ткани. Вследствие этого достигаются три основных эффекта — это повышение температуры тела, ускорение сердцебиения и выведение вредных веществ из организма.Лучистое тепло имеет ряд особенностей. Инфракрасное излучение, помимо усиления теплового воздействия среды на организм человека, обладает и специфическим влиянием, зависящим от интенсивности энергии излучения отдельных участков его спектра. Существенное влияние на лучистый теплообмен организма оказывают оптические свойства кожного покрова с его избирательной характеристикой коэффициентов отражения, поглощения и пропускания по отношению к различным участкам спектра инфракрасной радиации.Воздействие инфракрасного излучения на организм человека проявляется как общими, так и местными реакциями. Местная реакция выражается сильнее при длинноволновом облучении, поэтому при одной и той же интенсивности облучения время переносимости при длинноволновом облучении короче, чем при коротковолновой радиации. За счет большой глубины проникновения в ткани тела коротковолновая область спектра инфракрасного излучения обладает выраженным общим действием на организм человека, вызывая повышение температуры глубоколежащих тканей: например, при длительном облучении глаза может привести к помутнению хрусталика (профессиональная катаракта).Под влиянием инфракрасного излучения в организме человека возникают биохимические сдвиги и изменения функционального состояния центральной нервной системы: образуются специфические биологически активные вещества типа гистамина, холина, повышается уровень фосфора и натрия крови, усиливается секреторная функция желудка, поджелудочной и слюнной желез, в центральной нервной системе развиваются тормозные процессы, уменьшается нервно-мышечная возбудимость, понижается общий обмен.При инфракрасном облучении кожи повышается ее температура, изменяется тепловое ощущение. При значительных интенсивностях возникают ощущения жжения, боль. Время переносимости тепловой радиации уменьшается с увеличением длины волны и ее интенсивности, (См.: табл.1).Таблица 1. Время переносимости (в секундах) инфракрасной радиации в зависимости от ее интенсивности и длины волны.Интенсивность радиации,Вт/м2Длина волны, мкм3.61.07140028004200560015927.312.99.530537.921.214.5Участки кожи, подвергающиеся инфракрасному облучению, получают большое количества тепла, перегреваются. При сильном перегреве происходит омертвление тканей, так называемый термический ожог. Перегрев сначала носит местный характер, но вследствие циркуляции крови он вскоре охватывает весь организм и самочувствие человека значительно ухудшается.При длительном воздействии высокой температуры и лучистой энергии температура тела человека может повыситься на 1-2 °С. Из организма тогда усиливается выделение пота, причем пот содержит значительное количество поваренной соли, вследствие чего происходит обеднение крови солью и самочувствие человека ухудшается. При прекращении работы и переходе в помещение с нормальной температурой спустя 20-30 мин. Восстанавливается нормальное самочувствие.Влияние радиационного тепла различно в зависимости от зоны облучения: наибольший эффект наблюдается при облучении шейной области верхней половины туловища, наименьший – при облучении ног (области бедра). Выносливость к облучению возрастает с увеличением периода облучения, при котором наблюдаются процессы приспособления (адаптация), сохраняющиеся довольно долго.В довольно редких случаях, когда перегрев достигает 40,5 °С и выше и организм не в состоянии справиться с ним и нарушениями, которые перегрев вызывает, может наступить тепловой удар. Человек тогда впадает в чрезвычайно болезненное состояние, которое при определенных условиях может привести к смерти.Все виды волн короткого спектра после видимого света, жестко влияют на все живые организмы и потому опасны, и вредны. Чем короче длинна волны, тем жестче излучение. Эти волны, попадая на живую ткань, выбивают на своём уровне, электроны в молекулах, а позже и разрушают и сам атом. В результате образуются свободные радикалы, которые приводят к онкологическим, и радиационной болезни.Волны по другую сторону видимого спектра не вредны из-за более длинной волны. Весь инфракрасный спектр  занимает от 0,7 – 1000 мкм (микрометров). Диапазон человека составляет от 6 – 12 мкм. Для сравнения вода имеет 3 мкм и потому человек не может долго находится в горячей воде. Даже при 55 градусах, не более 1-го часа. Клетки организма  при такой длине волны не чувствуют  себя комфортно и работать хорошо не могут, в результате   сопротивляются и дают  сбои в работе.  Воздействуя на клетки теплом,  с длинной волны соответствующим теплу клетки,  клетка  получая родное тепло  работает лучше.  Инфракрасные лучи её подогревают.Нормальная температура для прохождения окислительно-востановительных реакций в нутрии клетки, составляет 38-39 градусов, и если температура понижается, то процесс метаболизма замедляется или останавливается.2.2.