Umweltwissenschaften

Umweltwissenschaften
Eine relativ junge interdisziplinäre Wissenschaft ausgelöst durch die Probleme bzw. Erkenntnisse des ausgehenden zwanzigsten
Jahrhunderts.
Umwelt : Gesamtheit aller direkten und indirekten Einwirkungen (im weitesten Sinne auch soziale und geistige) auf ein Lebewesen, sowie dessen
Beziehungen zur übrigen Welt.
Umweltphysik trägt u.a. zur Lösung von Problemen in folgenden Bereichen bei:
-Unmittelbare biologische Umwelt (u.a. Überlebensphysik)=Human environment
-Gebäude
-Urbane Umwelt
-Lokale ===> Nationale ===> Globale Umwelt
-Erneuerbare Energie
-Umweltmonitoring
-Modelle / Zukunftsszenarien
Denkrichtungen in den Umweltdebatten (seit Anfang der 70-er Jahre)
Position der ökologischen Anpassung
Position der ökologischen Transformation
Position des differenzierten oder selektiven Wachstums
Technokratische Position
Denkrichtungen in den Technikdebatten (seit Anfang der 70-er Jahre)
Strukturkonservative und Wirtschaftsliberale
Traditionelle Fortschrittsoptimisten
Techniknachbesserer
Eingeschränkte Fortschrittsskeptiker
Technikkritiker
Kritiker des Industriesystems
Umweltprobleme
•Atmosphäre – Stratosphäre
------> Ozonloch
Troposphäre
------> Luftverschmutzung, Smog, saurer Regen
•Biosphäre (Ökosysteme)
------> Artensterben, Waldsterben
•Hydrosphäre (incl. Kryosphäre)
------> Gewässerverschmutzung, Wassermangel
•Lithosphäre (Gestein) und Pedosphäre (Boden) -----> Bodenverschmutzung, Bodenerosion
•globale Erwärmung, Treibhauseffekt
------> Klima, Umweltkatastrophen
•Ressourcen
------> Erschöpfung
•Abfall (Recycling),Schadstoffe
------> Schadstoffebelastung, Müll
•Nahrung (+ Landwirtschaft)
------> Gesundheit, Welthunger
•Lärm
-------> Gesundheit
•Energiebedarf
Umstellung auf erneuerbare (regenerative, alternative) Quellen
Einige Ursachen und Folgen der Knappheit von Ressourcen
An Stelle traditioneller
> treten >
moderne
Umweltprobleme
• Punktuell
• Einfache
• Sinnlich
• Reversible
• Hohe Dosen, akute Toxizität
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universelle Probleme
komplexe Wirkungen
mittels Technik wahrnehmbare Symptome
tendenziell irreversible Schädigungen
geringe Dosen, chronische Toxizität
Erster Hauptsatz der Thermodynamik (aus dem Energieerhaltungsatz):
Die innere Energie U kann sich nur durch den Transport von Energie in Form von Arbeit W und/oder Wärme Q über die Grenze des
Systems ändern, das heißt für ein ruhendes System gilt: dU= dQ + dW
Arbeit W = die Summe aus der Volumenarbeit und der im System dissipierten Arbeit (z. B. Reibungsarbeit)
Innere Energie U: (physikalisch-thermischer Anteil, chemischer Anteil, kernphysikalische Anteil, Wechselwirkungen von magnetischen und
elektrischen Elementardipolen und induzierter Polarisation)
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik:
dS = dQ / T
S = k * ln P
• Schränkt die Aussage des ersten Hauptsatzes über die Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit ein (Durch jeden irreversiblen Prozeß wird ein
Teil der Energie entwertet, d.h. sie steht nicht mehr zum Verrichten von Arbeit zur Verfügung. Diese Energie ist gleich dem Produkt aus der
Entropieänderung des Universums und der absoluten Temperatur des kältesten vorhandenen Reservoirs.)
•Ein Zustand niedriger Ordnung hat eine höhere Wahrscheinlichkeit P (und damit größere Entropie S)
• Gibt die Richtung der Vorgänge in der Natur an
Das Gleichgewicht unter isotherm-isobaren Bedingungen ist gegeben durch das Minimum der freien Enthalpie (G = H – TS)
Richtung chemischer Prozesse: ---- Gleichgewicht dG (= dH – TdS) = 0 ----- Reaktion spontan (irreversibel) dG < 0
Human environment - Leben- Lebewesen
Lebewesen (Mensch, Tiere, Pflanzen, Pilze, Bakterien) =
= Offenes System (geschlossenes, organisiertes, genetisches Gebilde/Einheit) mit folgenden
drei Eigenschaften:
Stoffwechsel (Metabolismus), Selbstreproduktion, Evolutionsfähig (Genetische Variabilität)
Kennzeichen:
Niedrige Entropie (Hoher Ordnungsgrad), Energieaustausch mit Umgebung, Stoffaustausch mit
Umgebung, Stofflicher Aufbau (Anabolismus), Stofflicher Abbau (Katabolismus),
Informationsaustausch, Reaktion auf Umweltreize, Wachstum, Selbstreproduktion
Energiequellen (für Erde):
Sonne (Geothermie, Mond) ----> direkt oder über Umwege (Energieumwandlung) genutzt
Stofflicher Aufbau (der Lebewesen auf der Erde):
Vorwiegend Wasser, organischen Kohlenstoffverbindungen und häufig mineralische
Gerüststruktur (Basale Struktur: Zellen).
Neben H, O, C weiters wichtig: N, P, S, Fe, Mg (Magnesium), K, Ca, Na.
In Spuren auch: Cl, I (Jod), Cu, Se, Co, Mo (Molybdän).
Biomoleküle (= Herstellung von Makromoleküle durch Lebewesen): DNA, RNA, Proteine
(Eiweiße), Kohlenhydrate, Lipide, Steroide
Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Glykogen, Dextrine, Zellulose) sind aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H)
und Sauerstoff (O) im Verhältnis 1:2:1 aufgebaut (Hydrate des Kohlenstoffs). Summenformel: (CH2O)n
Proteine (Eiweiße) sind aus Aminosäuren aufgebaute Makromoleküle. Proteine gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen.
Sie verleihen der Zelle nicht nur Struktur, sondern sind die molekularen „Maschinen“:
--- die Stoffe transportieren,
--- Ionen pumpen,
--- chemische Reaktionen katalysieren (= Enzyme)
--- und Signalstoffe erkennen.
Aminosäuren, genauer Aminocarbonsäuren, sind eine Klasse organischer Verbindungen mit mindestens einer
Carboxylgruppe (–COOH) und mindestens einer Aminogruppe (–NH2). Die Stellung der Aminogruppe relativ zur
Carboxylgruppe teilt die Klasse der Aminosäuren in Gruppen auf.
Lipide (Fette) werden in lebenden Organismen hauptsächl. als Strukturkomponenten in Zellmembranen, als Energiespeicher
oder als Signalmoleküle gebraucht. Die meisten biologischen Lipide sind amiphil, besitzen also einen KohlenwasserstoffRest und eine polare hydrophile Kopfgruppe.
PHOTOSYNTHESE
(Photochemischer Prozeß + Fixierung/Reduktion des Kohlendioxids)
P
Adenosintriphosphat (ATP)
= Nukleotid, bestehend aus dem Triphosphat des Nucleosids
Adenosin
Ein Nukleotid ist ein Molekül, das als Grundbaustein von Nukleinsäuren
(DNA und RNA) funktioniert.
(NADP…… Nicotinamid-adenin-dinucleotid-phosph
Metabolismus:
Im Darm aufgenommene Glucose wird u.a. zu
Gehirn, Leber und Muskeln transportiert. In
den Muskelzellen wird Glucose unter
Energiegewinn zu Lactat abgebaut. Lactat
wird auf dem Blutweg von den Muskelzellen
zur Leber transportiert. Im Gehirn wird
Glucose unter Energiegewinn zu CO2 und H2O
abgebaut.
Grundumsatz (BMR, basal metabolic rate) ist diejenige
Energiemenge, die der Körper (meist bezogen auf 24
Stunden) bei völliger Ruhe zur Aufrechterhaltung seiner
Körperfunktionen benötigt.
Mann
BMR ~ 170 kJ / m2 h
Frau
BMR ~ 155 kJ / m2 h
Tagesbedarf ~ 7200 kJ / Tag oder ca. 80 W
Sitzen:
80 W – 100 W
Gehen:
150 W – 450 W
Nahrung
Laufen: 400 W – 1500 W
Darm
Stärke
Gehirn
Glucose
Glucose
CO2 + H2O
Normaler Arbeitstag: zusätzlich ca. 4200 kJ / Tag
Totalbedarf ~ 12000 kJ / Tag
Blut
Glucose
"Blutzucker"
Energiequellen
Lactat
Glycogen
Glucose
Glucose
Glycogen
CO2+H2O
Pyruvat
Pyruvat
CO2+H2O
Lactat
Leber
Lipide: ~15 kg in Fettgewebe - bei 15 MJ/d
Reserve für ca. 40 Tage
Lipide: ~ 0,7 kg in Muskulatur - Reserve für ca. 2 Tage
Glukose: ~700 g in Muskulatur (20 g/kg) –
Reserve für ca. 20 Stunden
Lactat
Muskel
Glukose: 50-100 g in Leber -
Glukose: ~ 5 g in Blut (1 g/kg) - Reserve für ca. 8 min
Reserve für ca. 2 Stunden
Metabolismus (STOFFWECHSEL)
Summe aller chemischen Reaktionen (= chemische Veränderung von Stoffen), die im Körper Energie
verbrauchen / freisetzen (Energiestoffwechsel) oder dem Aufbau und der Erhaltung der Körpersubstanz
(Baustoffwechsel) dienen
Stoffwechsel = Austausch von Energie (freie Enthalpie) oder Ordnung -- Lebewesen erhöhen in sich die
Ordnung (Zunahme negativer Entropie) auf Kosten der Erhöhung von Unordnung, also einer Erhöhung der
Entropie, in der Umgebung.
Der Mensch ist mehr als ein thermodynamisch-biochemisches
Wesen. Er ist ein denkendes, soziales, politisches .......