التلوث الحراري

في الولايات المتحدة، تُنتج محطات توليد الطاقة ما بين 75 و80 بالمئة من التلوث الحراري. ^{[ 6 ] : 376} أما النسبة المتبقية فتأتي من مصادر صناعية مثل مصافي البترول ، ومصانع الورق واللب ، ومصانع الكيماويات ، ومصانع الصلب ، ومصاهر المعادن . ^{[ 7 ] : 4-2 [ 8 ]}

يمكن التحكم في الماء الساخن من هذه المصادر باستخدام:

• أحواض التبريد ، وهي مسطحات مائية اصطناعية مصممة للتبريد عن طريق التبخر والحمل الحراري والإشعاع .
• أبراج التبريد ، التي تنقل الحرارة المهدرة إلى الغلاف الجوي من خلال التبخر و/أو نقل الحرارة
• التوليد المشترك للطاقة ، وهي عملية يتم فيها إعادة تدوير الحرارة المهدرة لأغراض التدفئة المنزلية و/أو الصناعية. ^{[ 9 ]}

تُعدّ أنظمة التبريد ذات الدورة الواحدة (OTC) من أكبر مصادر التلوث الحراري، إلا أنها لا تُخفّض درجة الحرارة بكفاءة الأنظمة المذكورة سابقًا. قد تسحب محطة توليد طاقة كبيرة ما يصل إلى 500 مليون جالون من المياه وتُصدّرها يوميًا. ^{[ 10 ]} تُنتج هذه الأنظمة مياهًا  أدفأ بمعدل 10 درجات مئوية. ^{[ 11 ]} على سبيل المثال، استخدمت محطة بوتريرو لتوليد الطاقة في سان فرانسيسكو (التي أُغلقت عام 2011) نظام التبريد ذي الدورة الواحدة، وصدّرت مياهًا إلى خليج سان فرانسيسكو بدرجة حرارة أعلى بنحو 10  درجات مئوية (20  درجة فهرنهايت) من درجة حرارة الخليج المحيطة. ^{[ 12 ]} يستخدم أكثر من 1200 منشأة في الولايات المتحدة أنظمة التبريد ذات الدورة الواحدة اعتبارًا من عام 2014. ^{[ 7 ] : 4-4}

يمكن قياس درجات الحرارة باستخدام تقنيات الاستشعار عن بعد لمراقبة تلوث النباتات بشكل مستمر. ^{[ 13 ]} وهذا يساعد في تحديد التأثيرات المحددة لكل نبتة، ويسمح بتنظيم أكثر صرامة للتلوث الحراري.

يمكن أن يؤدي تحويل المنشآت من أنظمة التبريد ذات الدورة الواحدة إلى أنظمة ذات دورة مغلقة إلى تقليل التلوث الحراري المنبعث بشكل كبير. ^{[ 10 ]} تطلق هذه الأنظمة الماء بدرجة حرارة أقرب إلى درجة حرارة البيئة الطبيعية.

مع تدرج درجة حرارة المياه داخل السدود الاصطناعية، تنخفض درجة الحرارة في القاع انخفاضًا حادًا. تُبنى العديد من السدود لتصريف هذه المياه الباردة من القاع إلى الأنظمة الطبيعية. ^{[ 14 ]} ويمكن التخفيف من هذه المشكلة بتصميم السد بحيث يُصرف المياه السطحية الدافئة بدلًا من المياه الباردة في قاع الخزان. ^{[ 15 ]}

خلال الطقس الدافئ، قد يكون لجريان مياه الأمطار في المناطق الحضرية تأثيرات حرارية كبيرة على الجداول الصغيرة. فعندما تمر مياه الأمطار فوق أسطح المنازل الساخنة ومواقف السيارات والطرق والأرصفة، فإنها تمتص جزءًا من الحرارة، وهو ما يُعرف بظاهرة الجزيرة الحرارية الحضرية . وتعمل مرافق إدارة مياه الأمطار التي تمتص الجريان السطحي أو توجهه إلى المياه الجوفية ، مثل أنظمة الاحتفاظ البيولوجي وأحواض الترشيح ، على تقليل هذه التأثيرات الحرارية من خلال إتاحة وقت أطول للمياه لإطلاق الحرارة الزائدة قبل دخولها إلى البيئة المائية. وتُعد هذه الأنظمة ذات الصلة لإدارة الجريان السطحي مكوناتٍ لنهج تصميم حضري متنامٍ يُعرف عادةً بالبنية التحتية الخضراء . ^{[ 16 ]}

تميل أحواض التجميع (برك مياه الأمطار) إلى أن تكون أقل فعالية في خفض درجة حرارة الجريان السطحي، حيث قد تسخن المياه بفعل الشمس قبل تصريفها إلى مجرى مائي مستقبل. ^{[ 17 ]}

عادةً ما تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انخفاض مستوى الأكسجين المذاب والماء، نظرًا لانخفاض ذوبان الغازات في السوائل الساخنة. وهذا بدوره قد يضر بالحيوانات المائية كالأسماك والبرمائيات وغيرها من الكائنات الحية المائية. كما قد يزيد التلوث الحراري من معدل الأيض لدى هذه الحيوانات، نتيجةً لزيادة نشاط الإنزيمات ، مما يؤدي إلى استهلاكها كميات أكبر من الغذاء في وقت أقصر مقارنةً بما لو لم تتغير بيئتها. ^{[ 5 ] : 179} وقد يؤدي ارتفاع معدل الأيض إلى قلة الموارد؛ ما يمنح الكائنات الأكثر تكيفًا ميزةً على الكائنات غير المعتادة على درجات الحرارة المرتفعة. ونتيجةً لذلك، قد تتأثر السلاسل الغذائية في البيئتين القديمة والجديدة. وستتجنب بعض أنواع الأسماك أجزاء الجداول أو المناطق الساحلية المجاورة لمصادر التصريف الحراري. وقد يؤدي ذلك إلى انخفاض التنوع البيولوجي . ^{[ 20 ] : 415-417 [ 6 ] : 380}

تحدّ درجات الحرارة المرتفعة من انتشار الأكسجين في المياه العميقة، مما يُسهم في خلق ظروف لاهوائية . وقد يؤدي ذلك إلى زيادة مستويات البكتيريا عند توفر كميات وفيرة من الغذاء. وتفشل العديد من الأنواع المائية في التكاثر عند درجات الحرارة المرتفعة. ^{[ 5 ] : 179-180}

تتأثر الكائنات المنتجة الأولية (مثل النباتات والبكتيريا الزرقاء ) بالمياه الدافئة، لأن ارتفاع درجة حرارة الماء يزيد من معدلات نمو النباتات، مما يؤدي إلى تقصير عمرها وزيادة أعدادها . كما يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تغيير توازن نمو الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك معدل ازدهار الطحالب الذي يقلل من تركيز الأكسجين المذاب. ^{[ 21 ]}

يمكن أن تُحدث تغيرات طفيفة في درجة الحرارة، ولو بمقدار درجة أو درجتين مئويتين، تغييرات كبيرة في استقلاب الكائنات الحية، بالإضافة إلى آثار سلبية أخرى على بيولوجيا الخلية . تشمل أبرز هذه التغيرات السلبية تقليل نفاذية جدران الخلايا لعملية التناضح الضرورية ، وتخثر بروتينات الخلية ، واضطراب استقلاب الإنزيمات . هذه التأثيرات على مستوى الخلية قد تؤثر سلبًا على معدلات الوفيات والتكاثر .

قد تؤدي الزيادة الكبيرة في درجة الحرارة إلى تغيير طبيعة الإنزيمات الضرورية للحياة عن طريق تكسير الروابط الهيدروجينية وروابط ثنائي الكبريتيد ضمن البنية الرباعية لهذه الإنزيمات. ويمكن أن يؤدي انخفاض نشاط الإنزيمات في الكائنات المائية إلى مشاكل مثل عدم القدرة على تكسير الدهون ، مما يؤدي إلى سوء التغذية . كما يمكن أن تؤدي زيادة درجة حرارة الماء إلى زيادة ذوبان المعادن وحركيتها، مما قد يزيد من امتصاص المعادن الثقيلة من قبل الكائنات المائية. وهذا بدوره قد يؤدي إلى آثار سامة لهذه الأنواع، فضلاً عن تراكم المعادن الثقيلة في المستويات الغذائية العليا في السلسلة الغذائية ، مما يزيد من تعرض الإنسان لها عن طريق تناولها. ^{[ 21 ]}

في حالات محدودة، يكون للماء الدافئ تأثير ضئيل ضار، بل قد يؤدي إلى تحسين وظائف النظام البيئي المائي المستقبل. وتُلاحظ هذه الظاهرة بشكل خاص في المياه الموسمية. ومن الأمثلة البارزة على ذلك عادات التجمع لدى خروف البحر ، الذي غالباً ما يستخدم مواقع تصريف محطات الطاقة خلال فصل الشتاء. وتشير التوقعات إلى أن أعداد خروف البحر ستنخفض عند إزالة هذه التصريفات. ^{[ 22 ]}

يمكن أن يؤدي إطلاق المياه الباردة بشكل غير طبيعي من الخزانات إلى تغيير جذري في أنواع الأسماك واللافقاريات الكبيرة في الأنهار، وتقليل إنتاجية الأنهار. ^{[ 23 ]} في أستراليا ، حيث تتميز العديد من الأنهار بدرجات حرارة أكثر دفئًا، انقرضت أنواع الأسماك المحلية، وتغيرت أنواع اللافقاريات الكبيرة بشكل كبير. وانخفضت معدلات بقاء الأسماك بنسبة تصل إلى 75% نتيجة لإطلاق المياه الباردة. ^{[ 14 ]}

عندما تُفتح محطة توليد الطاقة لأول مرة أو تُغلق للصيانة أو لأسباب أخرى، قد تنفق الأسماك والكائنات الحية الأخرى المتكيفة مع نطاق حراري معين نتيجة التغير المفاجئ في درجة حرارة الماء، سواءً بالزيادة أو النقصان، وهو ما يُعرف بـ"الصدمة الحرارية". ^{[ 6 ] : 380 [ 24 ] : 478}

تُعدّ تأثيرات ارتفاع درجة حرارة المياه، على عكس تأثيرات انخفاضها، الأكثر دراسةً فيما يتعلق بالتأثيرات البيوجيوكيميائية . ويركز جزء كبير من هذا البحث على الآثار طويلة المدى لمحطات الطاقة النووية على البحيرات بعد إزالة المحطة. وبشكل عام، توجد أدلة تدعم فرضية أن التلوث الحراري يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المياه. ^{[ 25 ]} وعندما تكون محطات الطاقة قيد التشغيل، يرتبط ارتفاع درجة حرارة المياه على المدى القصير باحتياجات الطاقة الكهربائية، مع زيادة كمية سائل التبريد المُطلق خلال أشهر الشتاء. كما لوحظ استمرار ارتفاع درجة حرارة المياه في الأنظمة لفترات طويلة، حتى بعد إزالة المحطات. ^{[ 3 ]}

عندما تدخل المياه الدافئة من سائل تبريد محطات الطاقة إلى الأنظمة، فإنها غالبًا ما تختلط، مما يؤدي إلى ارتفاع عام في درجة حرارة المياه في جميع أنحاء المسطح المائي، بما في ذلك المياه العميقة الباردة. وفي البحيرات والمسطحات المائية المشابهة، يؤدي التطبق الحراري إلى تأثيرات مختلفة على أساس موسمي. ففي الصيف، لوحظ أن التلوث الحراري يزيد من درجة حرارة المياه العميقة بشكل أكبر من المياه السطحية، على الرغم من استمرار وجود التطبق الحراري، بينما تشهد درجات حرارة المياه السطحية ارتفاعًا أكبر في الشتاء. ويقل التطبق الحراري في أشهر الشتاء بسبب التلوث الحراري، مما يؤدي غالبًا إلى إزالة الطبقة الحرارية . ^{[ 3 ]}

أظهرت دراسةٌ تناولت تأثير إزالة محطة طاقة نووية في بحيرة ستشلين  بألمانيا، ارتفاعًا مستمرًا في درجة حرارة المياه السطحية بمقدار 2.33 درجة مئوية خلال فصل الشتاء،  وارتفاعًا مماثلًا في المياه العميقة بمقدار 2.04 درجة مئوية خلال فصل الصيف، مع ارتفاعات طفيفة في جميع طبقات المياه خلال فصلي الشتاء والصيف. ^{[ 3 ]} ويبدو أن التطبق الحراري واختلافات درجة حرارة المياه الناتجة عن التلوث الحراري ترتبط بدورة المغذيات من الفوسفور والنيتروجين، إذ غالبًا ما تتحول المسطحات المائية التي تتلقى سائل التبريد إلى حالة التخثث . ومع ذلك، لم تُجمع بيانات واضحة حول هذا الموضوع، نظرًا لصعوبة التمييز بين تأثيرات الصناعة والزراعة الأخرى. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

على غرار التأثيرات التي تُلاحظ في الأنظمة المائية نتيجة ارتفاع درجة حرارة المياه بفعل تغير المناخ، لوحظ أيضاً أن التلوث الحراري يزيد من درجات حرارة سطح المياه في فصل الصيف. وهذا بدوره قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المياه السطحية، مما يُفضي إلى انبعاث هواء دافئ إلى الغلاف الجوي، وبالتالي ارتفاع درجة حرارة الهواء. ^{[ 3 ]} ولذلك، يُمكن اعتباره عاملاً مساهماً في ظاهرة الاحتباس الحراري. ^{[ 28 ]} كما ستتفاقم العديد من الآثار البيئية بفعل تغير المناخ ، مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة في المسطحات المائية. ^{[ 11 ]}

يمكن أن تؤثر العوامل المكانية والمناخية على شدة ارتفاع درجة حرارة المياه نتيجة التلوث الحراري. وتميل سرعات الرياح العالية إلى زيادة تأثير التلوث الحراري. كما تميل الأنهار والمسطحات المائية الكبيرة إلى فقدان آثار التلوث الحراري كلما ابتعدت عن مصدرها. ^{[ 25 ] [ 29 ]}

تُشكّل الأنهار مشكلة فريدة من نوعها فيما يتعلق بالتلوث الحراري. فمع ارتفاع درجة حرارة المياه في أعالي النهر، تتلقى محطات توليد الطاقة في المصب مياهًا أكثر دفئًا. وقد لوحظت دلائل على هذا التأثير على طول نهر المسيسيبي ، حيث تُجبر محطات توليد الطاقة على استخدام مياه أكثر دفئًا كمبردات. ^{[ 30 ]} وهذا يُقلل من كفاءة المحطات ويُجبرها على استهلاك كميات أكبر من المياه، ما يُؤدي إلى زيادة التلوث الحراري.