Кислотные осадки

Термином "кислотные осадки" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше 4. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 г. английским исследователем Ангусом Смитом.

Дождевая вода в чистом виде имеет уровень рН, равный 5,6-5,7. Т.е., вода обычного дождя представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО₂), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO₂ + H₂O —> H₂CO₃).

Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как диоксид серы (SO₂) и различными оксидами азота (NO_х). Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю (см. рисунок 8).

Источники соединений серы. Соединения серы, как мы уже упоминалось, частично попадают в атмосферу естественным путем, а частично антропогенным. Существуют два основных источника естественной эмиссии серы.

1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения. Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой – тропосферу. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений.

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый на электростанциях, который дает 70 % антропогенных выбросов. Источниками образования двуокиси серы могут быть также отдельные отрасли промышленности, гл. о. металлургическая, а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Т. о., ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн т серы в виде двуокиси.

Источники оксидов азота могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмотрим наиболее важные естественные источники.

Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно современным данным ежегодно во всем мире таким образом образуется 8 млн т оксидов азота.

Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плазмы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн т в год.

Естественные источники Естественные

источники

соединений серы. NO_x

Атмосфера

Антропогенные источники

соединений серы.

Антропогенные

источники NO_x

Рисунок 8. Блок-схема возникновения кислотных дождей в атмосфере

Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов NO_x в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и еще во многих странах земного шара. Самый кислый дождь выпал 20 апреля 1974 г. в шотландском городе Питлокри, его показатель кислотности был равен 2,4. Это не вода, а что-то вроде столового уксуса.

Кислотообразующие газы надолго остаются в атмосфере и могут перемещаться на огромные расстояния – т.н. трансграничный перенос загрязнений. Например, в Беларуси ежегодно осаждается приблизительно 300 тыс.т восстановленной серы, из которых только 14 % от собственных источников. Поступления из стран Западной Европы составляют 64 %, Украины – 7 %.

Влияние кислотных осадков может быть прямым и косвенным. Чаще всего влияние кислотных осадков бывает именно косвенным, т.е. опасность представляют не сами кислотные дожди, а протекающие под их влиянием процессы.

Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем: через почву и корневую систему, либо непосредственно (главным образом на листву). Косвенные воздействия могут оказывать как положительный, так и отрицательный эффект. Например, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву питательными веществами. Однако в результате постоянного потребления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы. Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, приводит к увеличению кислотности почвы. В результате этого возрастают потери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев. Возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах. Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что алюминий, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живущих в почве организмов, ослабляет рост корней и создает опасность для существования деревьев. Происходящие в составе почвы изменения могут преобразовать состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым повлиять на процессы почвообразования, что приведет к нарушению материального и энергетического баланса в экосистемах и дальнейшей их деградации.

Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе нескольких десятков километров от их источника (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Лес, пострадавший в результате выпадения кислотных дождей

Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Двуокись серы окисляет ненасыщенные жирные кислоты мембран клеток листьев, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.). В первую очередь погибают наиболее чувствительные виды, например, отдельные лишайники, которых считают "индикаторами" чистого воздуха. Из деревьев наиболее чувствительны к прямому воздействию хвойные, так как хвоя подвержена воздействию загрязняющих веществ на протяжении нескольких лет в отличие от деревьев, сбрасывающих листву. Самые чувствительные породы — это ель, лиственница и пихта. Однако многие листопадные деревья также с трудом переносят прямые воздействия вредных веществ (например, бук, граб).

В Европе леса повреждены на площади 50 млн га, что составляет 35 % общей площади леса, а в таких странах как Чехия, Словакия, Греция, Великобритания, Норвегия, Польша доля поврежденных и погибших лесов достигает 49-71 %.

Воздействие на пресные водоемы. Водные растения лучше всего растут в воде со значениями рН между 7 и 9,2. С увеличением кислотности водные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН 5,5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон - основа пищевой цепи водоема. Когда кислотность достигает рН 4,5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия.

Кислотные дожди нанеси огромный ущерб пресноводным экосистемам Европы и Северной Америки. Так, в Норвегии из 5000 обследованных озер в 1700 исчезла рыба, в Канаде закисленными считаются долее 14 тыс. озер, во многих из которых также отсутствует органическая жизнь (см. рисунок 10).

Воздействие на человека. Естественно, атмосферные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества (двуокись серы, двуокись азота, кислотные аэрозольные частицы) при дыхании. Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. При концентрации SO₂ около 1 мг/м³ возрастает число смертельных случаев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Также установлена зависимость между загрязнением двуокисью серы и различными заболеваниями дыхательных путей (грипп, ангина, бронхит и т.д.). Помимо прямого воздействия, на человека закисление окружающей среды влияет и косвенно. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсичные металлы, переходящие в растворимое состояние в результате закисления среды.

Кислотный дождь может также причинять вред металлам, различным зданиям и памятникам. В первую очередь подвержены опасности памятники, построенные из песчаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры. В Италии, Греции и других странах сохранявшиеся на протяжении сотен и тысяч лет памятники старины и различные предметы старины за последние десятилетия сильно разрушились в результате действия выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ.

Рисунок 10. Озеро, пострадавшее в результате выпадения кислотных дождей

Рисунок 11. Разрушающаяся скульптура

Мероприятия по снижению негативного воздействия кислотных дождей.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами:

- развитие альтернативной энергетики, ГЭС,

- энергосбережение,

- технологические решения (очистные сооружения, применение высоких труб на заводах, предварительная обработка топлива с целью снижения содержания серы, повышение температуры сжигания топлива).

Для спасения природных экосистем применяется известкование или внесение фосфорных удобрений в небольших количествах.

Памятники культуры с целью предотвращения дальнейшего их разрушения обрабатывают специальной глазурью.

Среди международных соглашений следует отметить Конвенцию о трансграничном загрязнении атмосферы (1979 г.), которая содержит большое количество протоколов, регламентирующих сокращение выбросов кислотообразующих газов, контроль их содержания в атмосфере, международное сотрудничество и финансирование мероприятий, направленных на снижение воздействия кислотных осадков на экосистемы и человека.