Глава 1. Проблема кислотных осадков

1.1 Понятие кислотные дожди.

Кислотный дождь - широко распространённый термин, обозначающий явление выпадения осадков, содержащих смесь влаги и мельчайших частиц оксида азота и оксида серы в концентрациях, превышающих нормальный природный фон. Источниками возникновения кислотных дождей являются как природные процессы (вулканическая деятельность, гниение растительных остатков), так и деятельность человека, в первую очередь выбросы диоксида серы и оксидов азота при сжигании ископаемого и моторного топлива[3, с 54].

В Соединенных Штатах более 2/3 выбросов диоксида серы и 1/4 оксидов азота приходится на электроэнергетику, основанную на сжигании ископаемого топлива, например угля. Кислотные дожди происходят тогда, когда выбросы газов вступают в атмосфере в реакцию с водой, кислородом и другими химическими элементами, формируя различные кислотные соединения. Преимущественно в результате таких реакций получаются слабые растворы серной и азотной кислоты. Выбросы электрических станций разносятся при помощи ветров на значительные расстояния, часто превышающие сотни километров, свободно попадая  даже на территории других государств. [5, с 34] После попадания в атмосферу вредные выбросы могут возвращаться в окружающую среду в разных видах. Если кислотные соединения, растворённые в воздухе, попадают в районы с атмосферой насыщенной влагой, то кислоты могут выпасть на землю в виде дождя, снега, тумана, росы. Так как вода, содержащая кислоты попадает на растительность и на землю, она причиняет вред большому количеству животных и растений. Сила воздействия такого дождя зависит от нескольких факторов, в первую очередь от вида и концентрации растворённых в воде веществ, а так же от типов рыб, деревьев и других живых организмов, связанных с водой.

В районах, где погода сухая кислотные элементы могут превращаться в смог или пылевые выбросы, а затем выпадать на землю в виде сухих пылевых осадков, попадая (в том числе) на поля, здания, жилые дома, автомобили, деревья и т.д. Сухие пылевые отложения, газы и частицы смогут быть смыты с поверхностей во время гроз, после чего они вместе с водой стекают на землю, при чём концентрация кислот в таких смывах становится гораздо выше. Почти половина всех кислотообразующих соединений выпадает на землю в виде сухих частиц.[6, с 79]

Кислотные дожди приводят к закислению озёр и ручьёв, наносят ущерб деревьям (особенно в горах), изменяют кислотный состав почв. В дополнение, кислотные дожди ускоряют коррозию строительных материалов и красок, воздействуют на исторические здания, статуи и другие объекты культурного наследия человека. А до того, как пыль осядет на землю, частицы диоксида серы, нитраты и их производные вносят свою лепту в уменьшение прозрачности воздуха, при этом представляя опасность для здоровья.

1.2 Влияние кислотных дождей на экосистемы и людей

Проблемы, возникающие в связи с выпадением кислотных дождей:

• Деревья теряют часть листьев, становясь беззащитными перед морозами болезнями.

• Корни деревьев так же могут замедлить своё развитие, что скажется на нехватке питательных веществ.

• Из-за химических реакций почвы потеряют некоторые микроэлементы и станут менее питательными.

• Увеличение уровня кислотности воды и почв может стать проблемой для водных животных и растений.

• Кислотные дожди могут растворить скрепляющий раствор в кладках зданий, повредить конструкции из природного камня, особенно известняка, что, в свою очередь, может привести к потере прочности сооружений.[8, с 132]

Выпадение кислотных осадков на современном этапе биосферы представляет собой достаточно насущную проблему и оказывает достаточно негативное воздействие на биосферу.  Причем негативное влияние кислотных дождей наблюдается в экосистемах многих стран. Особенно негативное воздействие от выпадения «кислотных дождей» ощутила на себе Скандинавия.  В 70-х годах в реках и озерах скандинавских стран стала исчезать рыба, снег в горах окрасился в серый цвет, листва с деревьев раньше времени устлала землю. Очень скоро те же явления заметили в США, Канаде, Западной Европе. В Германии пострадало 30%, а местами 50% лесов [3, с. 67]. И все это происходит вдали от городов и промышленных центров. Выяснилось, что причина всех этих бед — кислотные дожди.  Показатель рН меняется в разных водоемах, но в ненарушенной природной среде диапазон этих изменений строго ограничен. Природные воды и почвы обладают буферными возможностями, они способны нейтрализовать определенную часть кислоты и сохранить среду. Земля и растения, конечно, тоже страдают от кислотных дождей: снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ, меняется состав почвенных микроорганизмов.  Огромный вред наносят кислотные дожди лесам. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит. [4, с 135] Кислотные дожди не часто повреждают деревья напрямую. Вместо этого наиболее вероятно увядание деревьев из-за повреждения их листвы, закисления почвы и уничтожения питательных веществ в ней, выдерживании корней в контакте с ядовитыми соединениями, которые, попав туда однажды, очень медленно оттуда вымываются. Очень часто повреждение или смерть деревьев являются результатом синергетического эффекта воздействия последствий кислотных дождей в совокупности с другими причинами.[7, с 116].

Однако, деревья могут повреждаться кислотными дождями даже тогда, когда в почве содержится достаточное количество питательных веществ. Леса в высокогорных регионах часто подвергаются воздействию кислот более сильному, чем леса на равнинах. Это обусловлено тем, что деревья в горах часто произрастают окутанные кислотными туманами и облаками, которые имеют более высокую концентрацию кислот, чем дождевые капли. Учёные считают, что когда листья часто омываются таким кислотным туманом, он вымывает питательные вещества, находящиеся в листьях и иголках. Потеря микроэлементов из тканей растений делает их более восприимчивыми к другим факторам окружающей среды, например к холодной зимней погоде, увеличивая шанс их гибели или повреждения. [1, с 56]

Все больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.  Специалисты американского университета штата Северная Каролина изучили воздействие, оказываемое кислотными дождями на растения в период их максимальной восприимчивости к факторам внешней среды. Под влиянием кислотных дождей непосредственно после опыления в початках кукурузы формировалось меньше зерен, чем при орошении чистой водой. Причем чем больше в дождевой воде содержалось кислоты, тем меньше зерен образовывалось в початках. Вместе с тем выяснилось, что кислотные дожди, прошедшие до опыления, не оказывали заметного влияния на формирование зерен. [5, с 53] Проведены исследования степени восприимчивости к кислотным дождям 18 видов сельскохозяйственных культур и 11 видов декоративных растений на ранних стадиях роста. Наиболее подвергнутыми вредоносному воздействию оказались листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника. Наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер [3, с. 67]. 

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция, реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс.  Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают этот мягкий материал. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах. Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные потреблять питьевую воду, загрязненную токсическими металлами — ртутью, свинцом, кадмием. Кислотные дожди по вкусу, цвету и запаху совершенно не отличаются от обычного дождя. Кислотные дожди наносят вред человеку не напрямую. Гуляя под кислотным дождём, или даже плавая в кисловатой воде озера человек рискует не более, чем купаясь в чистой воде. Однако, загрязняющие вещества, являющиеся причиной кислотного дождя, такие как диоксид серы и оксиды азота наносят вред здоровью человека. Эти газы взаимодействуют в атмосфере, формируя микрочастицы сульфатов и нитратов, которые могут переноситься по воздуху на огромные расстояния и попадать глубоко в лёгкие человека путём их вдыхания. Эти частицы способны проникать и в помещения. Множество научных работ идентифицировало связь между увеличивающимися уровнями загрязнения воздуха такими частицами и увеличением заболеваемости и преждевременной смерти от сердечных и лёгочных заболеваний, например астмы и бронхитов.[5, с 176] Кислотные осадки иллюстрируют пороговый эффект. Большинство почв, озер и рек содержат щелочные химические вещества, которые могут взаимодействовать с некоторым количеством кислот, нейтрализуя их. Однако регулярное многолетнее воздействие кислот истощает большинство из этих сдерживающих закисление веществ. Затем как бы внезапно начинается массовая гибель деревьев и рыб в озерах и реках. Когда это происходит, какие-либо меры по предотвращению серьезного ущерба предпринимать уже поздно. Опоздание составляет 10 — 20 лет.[3, с 84] Кислотные осадки уже являются серьезной проблемой в Северной и Центральной Европе, на северо-востоке Соединенных Штатов, на юго-востоке Канады, в некоторых районах Китая, Бразилии и Нигерии. Все большую угрозу они начинают представлять в промышленных регионах Азии, Латинской Америки и Африки и в некоторых местах на западе Соединенных Штатов (главным образом из-за сухих осадков). Выпадают кислотные осадки и в ряде тропических районов, где промышленность практически не развита, главным образом из-за выделения оксидов азота при сжигании биомассы. Большая часть кислотообразующих веществ, произведенных в одной стране, переносится преобладающими приземными ветрами на территорию другой. Более трех четвертей кислотных осадков в Норвегии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Нидерландах и Финляндии приносится в эти страны ветром из промышленных районов Западной и Восточной Европы. [4,с 97] В некоторых областях почвы содержат известняк и другие щелочные вещества, которые могут нейтрализовать кислоты. Однако кислые почвы в других районах практически не способны к нейтрализации кислот. Кроме того, повторное воздействие на любые почвы кислотных осадков может в принципе истощить содержащиеся в них вещества, нейтрализующие кислоты. Кислотный речной сток может погубить многие формы жизни в озерах и реках. Так же как и почвы, некоторые озера и реки особенно чувствительны к воздействию кислоты из-за низкого содержания щелочей (особенно иона бикарбоната), которые могли бы способствовать нейтрализации поступающих в них кислот. [6, с 187]

Учёные знают, что подкисленная вода растворяет питательные вещества и минеральные элементы и вымывает их из почвы до того, как деревья сумеют воспользоваться этими веществами для питания и продолжения роста. В это же время кислотные дожди переносят в почву ядовитые для растений компоненты, такие как алюминий. Учёные верят, что такое одновременное сочетание вымывания микроэлементов и увеличения токсичности почвы являются причиной нанесения ущерба деревьям. Эти субстанции со временем вымываются из почв и с водой попадают в реки и озёра. Чем более насыщенны дожди кислотой, тем больше вымывается из почвы питательных веществ. 

1.3Способы защиты от кислотных дождей. Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть раз­личными. Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в ат­мосферу — удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения и другие технологические решения. Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содер­жанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время ми­ровых запасов нефти только 20% имеют содержание серы ме­нее 0, 5%. Среднее содержание серы в используе­мой нефти увеличивается, так как нефть с низким со­держанием серы добывается ускоренными темпами.[3, с 143] Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержа­нием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей уг­ля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1,0%. Таким образом, энергоносители с низким содержанием се­ры у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее уда­ления. Применение высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается в следующем. Перемеши­вание загрязняющих веществ в значительной степени зави­сит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближай­шем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота бу­дет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воз­действия уменьшаются, но возрастает эффективность переме­шивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся во время горения топлива химического состава атмосферы, изменение кли­мата).[7,с 67]

Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязне­ния воздуха, зато в значительной степени увеличивает "экс­порт" кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воз­действия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются. Строитель­ство высоких труб в известной степени безнравственно, по­скольку страна, где происходят сильные выбросы загрязне­ний, переадресовывает часть кислотных осадков вместе с их неблагоприятными последствиями в другие страны. Кроме описанных выше известно еще множество способов защиты от загрязнений. Например, погибшие популяции животных и растений заменяют новыми, которые лучше пе­реносят закисление. Памятники культуры с целью предотв­ращения дальнейшего их разрушения обрабатывают специ­альной глазурью.