Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

По подсчетам Н. А. Ясоманова, в современной атмосфере содержится 350 млн–1 диоксида углерода (Н. А. Ясоманов, 1993, с. 36). Особенно активное его поступление отмечалось с 1960 г., т. е. ежегодная концентрация углекислого газа возрастала на 40 единиц. Расчеты, проведенные разными методами, показали, что среднее содержание углерода в атмосфере ‒ 732 Гт. Многими авторами отмечается существенная разница в содержании атмосферной углекислоты над городскими и сельскими ландшафтами. Над промышленными центрами (геотехносистемами) содержание углекислоты в атмосфере достигает 400 млн–1, а над сельскими ‒ 285 млн–1. Данное отклонение содержания углекислоты над городом и селом дало основание Е. П. Борисенкову и К. Я. Кондратьеву (1985) предположить, что изменчивость СО2 в атмосфере носит автоколебательный характер и не может существенно влиять на климат. По мнению Н. А. Ясоманова, эти исследователи, однако, не учитывают круговорота СО2 между Мировым океаном, полярными шапками и экваториально-тропическими районами, между которыми существует обмен углекислотой и происходит быстрое увеличение глобального содержания углекислого газа в атмосфере, приводящее к парниковому эффекту.

В современный индустриальный период в глобальный круговорот СО2 от природных источников добавился углекислый газ от антропогенных источников: сжигание нефти, газа, угля и т. д. Общее количество углекислого газа, поступившее в атмосферу от антропогенных источников (108,16·109 т/г.), более чем в 10 раз превосходит его количество от природных источников (9,14·109 т/г.). Такое десятикратное превышение СО2 от антропогенных источников над природными и устойчивые положительные температурные аномалии воздуха в последние десятилетия позволяют допустить влияние техногенного СО2 на атмосферу и температуру.

Анализ кривой концентрации углекислого газа по данным наблюдения станции на Мауна-Лоа на Гавайях позволяет сделать вывод о резком подъеме содержания CO2 техногенного характера в атмосфере (на 30 %) за последние сто лет за счет сжигания ископаемого топлива на электростанциях, промышленных предприятиях и на транспорте. Не менее важная причина повышения содержания CO2 в атмосфере ‒ бесконтрольная рубка леса. Сведение лесных массивов

91

приводит к уничтожению основной функции леса – очищать воздух от двуокиси углерода (фотосинтез). Вырублены крупные массивы тропического леса в Бразилии и мангровые леса. Лесные пожары в разы увеличивают содержание CO2 в воздухе, причем уже в течение последних нескольких десятков лет. Концентрация других антропогенных парниковых газов также выросла в последние годы (данные Дж. Е. Джирарда, 2008, с. 95) (табл. 3.14).

Таблица 3.14

Свойства антропогенных парниковых газов

* Скорость изменения рассчитана за период с 1900 по 1999 г.

** Единое время жизни CO2 определить нельзя из-за разных скоростей различных процессов поглощения.

Известно, что из всех газов на парниковый эффект оказывают влияние полиатомные молекулы, а самыми влиятельными выступают СO2 и H2O. Химики установили, что на долю H2O приходится до 89 % повышения температуры в 34 К, вызванного природным парниковым эффектом, причем время действия (нахождения) главных парниковых газов СO2 и H2O измеряется в сто и более лет. Действие прочих газов – CH4, N2O, фреонов – более активное, чем вышеназванных, но время нахождения их в воздухе непродолжительно – всего около десяти лет (Дж. Андруз с соавт., 1999).

92

Контрольные вопросы и задания

1.Какие основные компоненты парниковых газов вам известны?

2.Поясните связь техногенеза и аэрозолей.

3.Что такое атмосферные аэрозоли?

4.Какие газы в атмосфере окружают парниковые газы?

5.Постройте схему влияния парниковых газов на климат.

6.Как изменялась температура атмосферы от палеозоя до настоящего времени?

7.Обоснуйте влияние ледниковых периодов на изменение кли-

мата.

8.Как влияет антропогенез на климат в настоящее время?

Библиографический список

1.Алексеенко, В. А. Экологическая геохимия : учебник / В. А.

Алексеенко. – М. : Логос, 2000 – 627 с. ‒ ISBN 5-88439-001-7.

2.Арский, Ю. М. Экологические проблемы / Ю. М. Арский, В. И. Данилов-Данильян, М. Г. Залиханов. – М. : МНЭПУ, 1997 – 230 с.

3.Борисенков, Е. П. Круговорот углерода и климат / Е. П. Борисенков, К. Я. Кондратьев. – Л. : Недра, 1995. – 285 с.

4.Будыко, М. И. История атмосферы / М. И. Будыко, А. Б. Ронов, А. Л. Яшин. – Л. : Гидрометеоиздат, 1985. – 207 с.

5.Будыко, М. И. Эволюция биосферы / М. И. Будыко. – Л. : Гидрометеоиздат, 1991. – 271 с.

6.Глазовская, М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР / М. А. Глазовская. ‒ М. : Высш. шк., 1988. – 324 с.

7.Горшков, С. П. Концептуальные основы геоэкологии / С. П. Горшков. – Смоленск : СГУ, 1998. – 300 с.

8.Григорьев, Ал. А. Антропогенные воздействия на природную среду по наблюдениям из космоса / Ал. А. Григорьев. – М. : Наука, 1985. – 239 с.

9.Добровольский, В. В. Основы биогеохимии / В. В. Доброволь-

ский. – М. : Высш. шк., 1998. – 413 с.

10.Джирард, Дж. Основы химии окружающей среды / Дж. Джи-

рард. ‒ М. : Физматлит, 2008. ‒ 640 с. ‒ ISBN 978-5-9221-1013-6.

93

11.Исидоров, В. А. Введение в токсикологию / В. А. Исидоров. ‒ СПб. : Химиздат, 1999. ‒ 144 с.

12.Медоуз, Д. Х. За пределами роста / Д. Х. Медоуз, Г. Рандерс. – М. : Прогресс, 1994. – 304 с.

13.Ревель, П. Среда нашего обитания. Кн. 2. Загрязнение воды и воздуха / П. Ревель, Ч. Ревель. – М. : Мир, 1995. ‒ 340 с.

14.Сорохтин, О. Г. Влияние океана на состав атмосферы и климат Земли / О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков // Океанология. ‒ М. : Наука – 1999. № 6. – С. 928 ‒ 937.

15.Сывороткин, В. Л. Озоновый слой Земли, рифтогенез и глобальные катастрофы / В. Л. Сывороткин // Общая и региональная геология, геология морей и океанов. ‒ 1996. ‒ № 2. ‒ 269 с.

16.Фелленберг, Г. Загрязнение природной среды / Г. Фелленберг. ‒ М. : Мир, 1997. – 232 с.

17.Хаин, В. Е. Геотектоника с основами геодинамики / В. Е. Хаин, М. Г. Ломизе. – М. : МГУ, 1995. – 480 с.

18.Яншин, А. Л. Возникновение проблемы эволюции геологических процессов / А. Л. Яншин // Эволюция геологических процессов в истории Земли. – М. : Наука, 1993. – 240 с.

19.Ясоманов, Н. А. Антропогенез и современные изменения климата / Н. А. Ясоманов // Жизнь Земли. Природа и общество : сб. науч. тр. – М. : МГУ, 1993. – С. 31 ‒ 42.

94

Глава 4. КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ

4.1. Понятие о кислотных дождях

Кислотные дожди влияют на растения, почвы и поверхностные воды, но больше всего от них страдают растения и почвы за счет повышенной кислотности. В Европейской части России к кислотным дождям почти привыкли и по преобладающему направлению ветров прогнозируют виды на урожай помидоров и огурцов и стараются выращивать их в парниках или под пленкой, предохраняя не только от колебаний температур, но и от кислотных дождей.

Кислотообразующими компонентами атмосферы являются диоксид углерода, соединения серы, оксиды азота и другие гетерогенные вещества, оказывающие влияние на снижение рН дождевых осадков (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Компоненты, оказывающие влияние на рН атмосферных осадков (Морган, Экологическая химия, 1982)

95

В общем виде ионный баланс дождевой воды может быть представлен уравнением (В. А. Исидоров, 2001). Решая данное уравнение относительно концентрации ионов водорода с учетом растворимости СО2, диссоциации Н2СО3 и Н2О, получим выражение

Расчет концентрации ионов водорода по этому уравнению позволяет восстановить величину рН проб дождевой воды через преобладающие компоненты-загрязнители – соли серной и азотной кислоты – предшественники кислотных дождей в Европе и Азии.

За последние 20 лет, начиная с 1997 – 1998 гг. опубликованы работы, отражающие оценку качественной и количественной устойчивости почв к кислотным выпадениям в географическом аспекте

(М. А. Глазовская, 1997; Копцин с соавт., 1998; Bashkin, Kozlov, 1998; Calculation, 1991, 1993, 1997; Semenov et al., 2000, 2001; М. Ю. Семе-

нов, 2002; Дж. Е. Джирард, 2008; Копач, 2006 и др.). Почти все авторы, приводя географию распространения кислотных дождей, обращают внимание на устойчивость почв к кислотным осадкам разных по химическому составу смесей и их количеств, вызывающих деградацию почв и гибель растений. Компоненты кислотных осадков, выпадающих из атмосферы, состоят обычно из основных, т. е. физиологически активных катионов – Ca2+, Mg2+, K+, и кислотных анионов SO42–, NO3–, Cl–, а также аммония NH4+.

[H + ]изб +[H + ]H O +[H + ]CO +[NH 4+ ]+[Na + ]+[K + ]+ 2[Ca 2+ ]+

+2[Mg 2+ ]= [HO − ]+[HCO 3− ]+ 2[CO32− ]+[Cl − ]+[NO3− ]+ 2[SO42− ]+

+[HS − ]+ 2[S 2− ]+[HCOO − ].2 2

96

4.2. География кислотных дождей

По мнению М. Ю. Семенова, выпадение кислотных осадков с активным катионом, ярко выраженное вдоль линий Транссибирской железнодорожной магистрали, связано с повышенной плотностью населения вдоль нее и активной промышленно-хозяйственной деятельностью. Наибольшие меридиональные и широтные градиенты пространственного распределения выпадения компонентов характерны для Южного и Среднего Урала, южной таежной зоны Западной Сибири, территории Приморского края (до 1,3 кэкв·га‒1). Значительные выпадения кислотных осадков в южной таежной зоне Западной Сибири объясняются большой плотностью промышленных предприятий на юге азиатской части России. Кроме того, возможно, что избыток в атмосферных осадках соединений окислов серы и азота вызван переходом атмосферных смесей с Европейской части России в обход Уральских гор (М. Ю. Семенов, 2003).

На промышленный источник кислотных выпадений в Европе указывают центры их формирования над Великобританией, Скандинавией (Швецией, Данией, Норвегией), Чехией, Хорватией, Германи-

ей (Calculation, 1995, 1997) (рис. 4.2, 4.3). В азиатском регионе гео-

графия источников кислотных выпадений становится пестрой в связи с появлением новых индустриально развитых стран – Японии, Тайваня, Малайзии, Южной Кореи (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Эмиссия SO2 и NOX в некоторых странах Азии (Като, Акимото, 1992)

Рис. 4.2. Изменение рН воды атмосферных осадков в Норвегии, Осло

(1) и Швеции, побережье Ботнического залива (2) (В. А. Исидоров Экологическая химия, 2001)

Рис. 4.3. Кривые изменения осаждения соединений серы в Зарубежной Европе за период 1985 – 1995 гг. на примере: 1 – южной Польши;

2 – территории Бенилюкса; 3 – северной Италии; 4 – южной Норвегии (Europe's Environment, 1998) С. П. Горшков Концептуальные основы геоэкологии, 1998)

98

В стремительно развивающемся в промышленном отношении Китае кислотные выпадения, характеризующиеся критическими нагрузками на почвы серы и других компонентов, стали достигать Монголии и Забайкалья (Lin, 1998; М. Ю. Семенов, 2002).

По данным В. С. Аржановой и П. В. Елпатьевского (1990), в зоне гипергенеза кислотные дожди влияют на почвы более сильно, чем природные процессы сернокислотного выветривания, обусловленные обычным литогенезом. В то же время в природнотехногенных почвах, формирующихся на рудной минерализации, минеральные соединения тяжелых металлов, в том числе и свинца, вовлекаются в процесс почвообразования. Это позволило П. В. Елпатьевскому и Т. Н. Мценко (1981) отнести почвы Сихотэ-Алиня к при- родно-техногенным, испытавшим влияние металлосодержащих аэрозолей, для доказательства накопленных тяжелых металлов в оксидах железа почвенного генезиса. Работы Д. С. Орлова (1989) доказывают, что при кислотных дождях в почве уменьшается содержание обменных катионов, а также углекислоты, продуцируемой микроорганизмами. Известно, что на пути кислотных дождей выступает лесная подстилка, которая становится тоньше из-за постоянного выпадения кислотных осадков. Почвы сильно загрязняются от выбросов химикофармацевтических предприятий и фабрик, которые являются еще одной причиной возникновения кислотных дождей и накопления в подзолистых почвах тяжелых металлов (Г. Д. Белицкая, Н. В. Дронова, 1981).

4.3. Загрязнение кислотными дождями земной поверхности

4.3.1. Диоксид серы (SO2)

Наблюдения за проявлениями кислотных дождей на планете показали, что основным источником поступления SO2 в воздух (до 90 %) следует считать энергетическую промышленность за счет сжигания ископаемого сырья – угля, газа, нефти, в которых почти всегда присутствует в разных количествах ископаемая сера. Например, в угле часто встречается ископаемая сера благодаря минералам пириту и марказиту. Такую нефть или уголь с содержанием серы до 4 % (по весу) обычно называют сернистой (нефть) или сернистым (уголь). Например, в Тенгизском сернистом месторождении газа в Казахстане содержание H2S в газе достигает 20,8 %. В процессе горения нефть, газ или уголь окисляются до SO2: S + O2 → SO2.

99

Другим активным источником поступления SO2 в воздух являются вулканы. Практически все вулканы при извержении поставляют в воздух диоксид серы. Гарун Тазиев в своей книге «Запах серы» показал, что вулканы Новой Зеландии являются основной причиной кислотных дождей в этой стране за счет серы, выбрасываемой местными вулканами. Закись серы, поступая в воздух, взаимодействует с кислородом и водой:

SO2 + OH· → HSO3·

HSO3· + O2 → SO3 + HOO·

SO3 + H2O → H2SO4 (газ) H2SO4 + H2O → H2SO4 (водн.)

Известно, что кислотность серы определяется по вертикальному срезу облака, содержащего разное количество воды. Так, в нижней части облака будет сосредоточено больше влаги, чем в его кровельной части. Отсюда и кислотность в подошвенной части облака будет выше, чем в кровельной. Присутствие гидроксильной группы в нижней части облака способствует реакции закислотности серы и выпадению кислотных дождей. Наблюдается процесс окисления SO2 до H2SO3 вплоть до выпадения слабой сернистой кислоты:

SO2 (газ) + H2O → H2SO3 (слабая кислота).

Дж. Е. Джирард (2008) привел дальнейший ход усиления кислотности серы за счет свободного озона O3 и перекиси H2O2, находящихся в ядрах аэрозолей в нижней (водной) части облака при кислотности его от 4,4 до 5 pH:

HSO3– + H2O2 → H2O + HSO4–

и HSO3– + O3 → O2 + HSO4–.

В данных реакциях управляющую роль играет pH облака (аэрозолей). Так, при pH ниже 5 реакция происходит за счет H2O2, а при кислотности более высокой ‒ за счет O3.

Выбросы SO2 в атмосферу ‒ основная причина кислотных дождей в развитых странах. Наряду с транспортом диоксид серы попадает в воздух от электрогенерирующих станций и других источников промышленности. Промышленность по-прежнему использует в больших объемах уголь, в котором часто содержится от 2 до 8 % серы, газ также содержит серу в разных величинах (от 2 до 20 %). В нефти сера встречается тоже в разных величинах. При сжигании каустбиолитов (уголь, нефть, газ) сера окисляется до SO2. При сгорании угля и нефти наряду с серой, которая поступает в воздух, образуется

100