3.2. Механізм утворення і випадання кислотних опадів

По ряду показників, в першу чергу за масою і поширеності шкідливих ефектів, атмосферним забруднювачем номер один вважають діоксид сірки.

Діоксид сірки, що потрапив в атмосферу, зазнає ряд хімічних перетворень, що ведуть до утворення кислот. Частково діоксид сірки в результаті фотохімічного окислення перетворюється на триоксид сірки (сірчаний ангідрид) SО₃, який реагує з водяною парою атмосфери, утворюючи аерозолі сірчаної кислоти: 2SО₂ + О₂ = 2SО₃, SО₃ + Н₂О = Н₂SО₄. Основна частина викидається діоксиду сірки у вологому повітрі утворює кислотний полігідрат SО₂∙nН₂О, який часто називають сірчистої кислотою і зображують умовною формулою Н₂SО₃: SО₂ + Н₂О = Н₂SО₃. Сірчиста кислота у вологому повітрі поступово окисляється до сірчаної: 2Н₂SO₃ + O₂ = 2Н₂SO₄ [23].

Аерозолі сірчаної і сірчистої кислот приводять до конденсації водяної пари атмосфери і стають причиною кислотних опадів (дощі, тумани, сніг). При спалюванні палива утворюються тверді мікрочастинки сульфатів металів (в основному при спалюванні вугілля), легко розчинні у воді, які осідають на ґрунт і рослини, роблячи кислотними роси. Аерозолі сірчаної і сірчистої кислот складають близько 2/3 кислотних опадів, інше припадає на частку аерозолів азотної і азотистої кислот, що утворюються при взаємодії діоксиду азоту з водяною парою атмосфери: 2NО₂ + Н₂О = НNО₃ + НNО₂. Існують ще два види кислотних дощів, які поки не відслідковуються моніторингом атмосфери [26].

Якщо знаходиться в атмосфері хлор (викиди хімічних підприємств; спалювання відходів; фотохімічне розкладання фреонів, що приводить до утворення радикалів хлору) при з’єднанні з метаном (джерела надходження метану в атмосферу: антропогенний – рисові поля, а також результат танення гідрату метану у вічній мерзлоті внаслідок потепління клімату) утворює хлороводень, добре розчиняється у воді з утворенням аерозолів соляної кислоти [7]:

Сl + СН₄ = СH₃ + НС1 СH₃ + С1₂ = СН₃С1 + Сl

Надходження в атмосферу великих кількостей SO₂ і окислів азоту призводить до помітного зниження рН атмосферних опадів. Це відбувається внаслідок вторинних реакцій в атмосфері, які приводять до утворення сильних кислот – сірчаної та азотної. У цих реакціях беруть участь кисень і пари води, а також частки техногенного пилу в якості каталізаторів:

2SO₂ + О₂ + 2Н₂О = 2H₂SO_4;

4NO₂ + 2Н₂O + О₂ = 4HNO_3.

В атмосфері виявляється і ряд проміжних продуктів зазначених реакцій. Розчинення кислот в атмосферній волозі призводить до випадання “кислотних дощів” [28].

Показник рН опадів у ряді випадків знижується на 2–2,5 одиниці, тобто, замість, нормальних 5,6–5,7 до 3,2–3,7 [27].

Слід нагадати, що рН – це негативний логарифм концентрації водневих іонів, і, отже, вода з рН = 3,7 в сто разів “кисліше” води з рН = 5,7. У промислових районах та в зонах атмосферного занесення окислів сірки та азоту рН дощової води коливається від 3 до 5.

Вперше кислотні дощі були відмічені в Західній Європі, зокрема в Скандинавії, і Північній Америці в 1950-х рр.. Зараз ця проблема існує в усьому індустріальному світі, і набула особливого значення у зв’язку із збільшеними техногенними викидами оксидів сірки і азоту. За кілька десятиліть розмах цього лиха став настільки широкий, а негативні наслідки настільки великі, що в 1982 р. У Стокгольмі відбулася спеціальна міжнародна конференція з кислотних дощів, в якій взяли участь представники 20 країн та ряду міжнародних організацій.

До цих пір гострота цієї проблеми зберігається, вона постійно в центрі уваги національних урядів і міжнародних природоохоронних організацій. У середньому кислотність опадів, що випадають в основному у вигляді дощів в Західній Європі і Північній Америці на площі майже 10 млн. км² складає 5–4,5, а тумани тут нерідко мають рН, що дорівнює 3–2,5. В останні роки кислотні дощі стали спостерігатися в промислових районах Азії, Латинської Америки і Африки. Наприклад, у Східному Трансваалі (ПАР), де виробляється 4/5 електроенергії країни, на 1 км² випадає близько 60 т сірки на рік у вигляді кислотних опадів [29].

У тропічних районах, де промисловість практично нерозвинена, кислотні опади викликані надходженням в атмосферу оксидів азоту за рахунок спалювання біомаси. У Росії найбільш високі рівні випадінь окисленої сірки і оксидів азоту (до 750 кг/км² у рік) на значних за площею ареалах (кілька тис. км²) спостерігаються в густонаселених і промислових регіонах країни – в Північно-Західному, Центральному, Центрально-Черноземном, Уральському та інших районах; на локальних ареалах (площею до 1 тис. км²) – в ближньому сліді металургійних підприємств, великих ГРЕС, а також великих міст і промислових центрів (Москва, Санкт-Петербург, Омськ, Норильськ, Красноярськ, Іркутськ і ін.), насичених енергетичними установками і автотранспортом. Мінімальні значення рН опадів в цих місцях сягають 3,1–3,4.

Специфічна особливість кислотних дощів – їх транскордонний характер, обумовлений перенесенням кислотоутворюючих викидів повітряними течіями на великі відстані – сотні і навіть тисячі кілометрів. Цьому в чималому ступені сприяє прийнята колись “політика високих труб” як ефективний засіб проти забруднення приземного повітря.

На рис. 3.2. зображено ареали випадання кислотних дощів [13].

Рис. 3.2. Ареали випадання кислотних дощів.

1. Велика Британія (ушкоджено 67 % лісів); 2. Північна Норвегія (80 % озер стали біологічно мертвими); 3. Швеція (20 тис озер закислені, в 4 тис не живе риба); 4. Німеччина (ушкоджено понад 50 % лісів); 5. Польща (руйнуються залізничні колії, ушкоджено частину лісів); 6. Україна, Білорусь (сильно ушкоджено ліси Полісся і Карпат); 7. Японія (в Токіо кисле повітря становить серйозну загрозу для здоров’я людей); 8. Китай (у деяких регіонах ушкоджено рисові поля); 9. Індія (гинуть ліси, руйнуються будинки в Бомбеї і Тадж-Махал); 10. Південна Африка (руйнуються будинки, ушкоджено овочеві плантації); 11. Греція (руйнуються Пантеон та інші пам’ятки культури); 12. Швейцарія (в центральних районах Альп загинуло або ушкоджено близько половини хвойних лісів); 13. Бразилія (в Сан-Паулу завдається шкода здоров’ю населення, руйнуються будівлі); 14. США (гинуть хвойні ліси Аппалачів, отруєно воду деяких озер, зростає захворюваність жителів великих міст); 15. Канада (ушкоджено рідкісні дерева, руйнуються цінні будівлі, в 300 озерах Онтаріо рН води не перевищує 5) [21].