Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Социальная экология. Взаимодействие общества и природы. Учебное пособие
.pdf
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 81
тием гидроксильного радикала (OH·) происходит лишь в свет
лое время суток.
Гетерогенные реакции с оксидами азота, приводящие к об
разованию азотной кислоты, изучены хуже, хотя, по мнению
большинства специалистов, эти реакции не являются домини
рующими в механизмах образования азотной кислоты. Необ
ходимо заметить, что находящиеся в атмосфере кислотные со
единения могут быть частично нейтрализованы аммиаком, ко
торый поставляется в атмосферу при разложении почвенной
органики. При этом серная кислота превращается в конечном
счете в сульфат аммония:
H
+ 2NH3® (NH4)2SO4,
2SO4
азотная кислота — в нитрат аммония:
HNO
+NH3® NH4NO3.
3
Помимо серной и азотной кислот в атмосфере также присутствует соляная кислота. Реакции, которые способствуют
появлению этой кислоты в атмосфере, требуют специального
изучения. Но можно не сомневаться, что такие реакции существуют. Кроме того, пары соляной кислоты (HCl) попадают
в атмосферу непосредственно в результате промышленных
выбросов.
В целом в атмосфере регионов с высокой степенью индустриализации кислотность осадков имеет примерно такую
структуру. Около 60 % кислотности обусловлено наличием
в атмосфере серной кислоты, 30 — азотной, 5 — соляной и
лишь2%—угольной. Прочие кислоты содержатся в осадках
в малых и следовых количествах. Но это лишь усредненная
оценка. Картина кислотных загрязнений над регионами во
многом зависит от характера производства. Например, в Брат
ске, где расположен мощный алюминиевый комбинат, усыха
ние сосновых лесов обусловлено прежде всего действием пла
виковой кислоты, которая образуется при производстве алю
миния из криолита (Na
AlF6).
3
Выпадение кислотных осадков на поверхность Земли мо
жет происходить двумя путями. Один из них — вымывание
кислотных соединений, или влажная седиментация. Другой
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
82 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
путь — осаждение веществ, или сухая седиментация. Послед
ний путь обычно не имеет существенного значения. Тем не ме
нее, обнаруженные недавно в районе Северного полюса выпа
дения сульфатов и серной кислоты произошли, скорее всего,
именно таким способом.
3. Влияние кислотных осадков на экосистему
Наиболее значимо воздействие кислотных осадков на поч
ву и водоемы. В почве содержатся разнообразные виды микро
организмов (бактерии, актиномицеты, грибы, вирусы и т. д.),
которые принимают активное участие в переработке почвен
ной органики. С повышением кислотности почвы биологиче
ская активность микроорганизмов снижается. Наибольшей
опасности подвергаются, в частности, подзолистые почвы
в таежно-лесной зоне. В этом случае страдают произрастающие на этих почвах травы, леса, технические культуры. Их
продуктивность заметно падает.
Механизм влияния кислотных осадков на почвы очень
сложенивнастоящее время до конца не выяснен. Воздействие
на биохимические процессы в почве через подавление активности почвенных микроорганизмов признается многими специалистами, но оно не исчерпывает всей картины. Нарушение
нормального развития растений в условиях кислотных осадков
имеет довольно широкий спектр причин. Известно, в частно
сти, что кислотные осадки могут привести к сложным физи
ко-химическим процессам в почве, в результате которых рас
тениям становится недоступен фосфор из-за связывания его
в труднорастворимую соль. С другой стороны, повышение
кислотности почв приводит к возникновению в почвенных
структурах растворимой формы алюминия. В такой форме
алюминий становится вреден для растений, подавляя деятель
ность ферментов, уменьшая скорость обменных процессов, уг
нетая дыхание растений, ухудшая транспорт и использование
кальция, магния, фосфора и воды
1
. Доказана высокая токсич
ность растворимой формы алюминия для корневой системы.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Израэль Ю. А., Назаров И. М. и др. Кислотные дожди. — М., 1983. —
Ñ. 84.
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 83
Чем выше содержание алюминия, тем интенсивнее уменьша
ется масса корневой системы и отмирают корневые волоски
(особенно у хвойных деревьев). Аналогичный эффект могут
оказывать и растворимые соединения железа
Если в почве появляется избыток ионов SO
1
.
2-
,тоэтопри
4
водит также к связыванию кальция в труднорастворимую соль
CaSO
(сульфат кальция). При недостатке кальция корни пере
4
стают расти и развиваться, а лишь утолщаются, покрываются
слизью.
Влияние кислотных осадков на водоемы существенно
зависит от состояния почв в пределах водосборных площа
дей. Обычно богатая кальцием, магнием, калием, натрием
(точнее, их катионами) почва обладает способностью к ней
трализации кислот. Это свойство называют буферной способ-
ностью почвы. Если почвы водосборных территорий обладают
высокой буферностью, то закисление водоемов происходит
более медленными темпами и достигает обычно невысоких
значений. Буферными способностями может обладать и сам
водоем, если в нем присутствуют растворимые карбонаты
и гидроксилы металлов, а также анионы органических кислот,
образуемые в результате биохимических процессов.
Биологические эффекты закисления водоемов проявляются уже при pH < 6,5. А именно, начинает изменяться видовое
разнообразие водных экосистем. При общем сохранении или
даже увеличении суммарной биомассы одни виды замещаются
другими. При pH £ 6,0 обычно снижается активность фито
планктона, а при pH = 5,0 негативные изменения затрагивают
и зоопланктон. Если при нормальных условиях фитопланктона
бывает обычно от 30 до 80 видов, то при pH < 6,0 видовое
разнообразие фитопланктона снижается до 5–10 видов.
Плотва, гальян, лосось в этих условиях уже испытывают
дискомфорт. Замечено также, что при pH £ 6,0 у раков, улиток
и двустворчатых моллюсков происходит утончение панциря
или раковины по причине наступающего нарушения ассими
ляции кальция. Щука и окунь более устойчивы к закислению
-
-
-
-
-
-
-
1
Заиков Г. Е., Маслов С. А., Рубайло В. Л. Кислотные дожди и окружа
ющая среда. — М., 1991. — С. 56.
-
84 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
воды и могут находиться в благополучном состоянии вплоть
до pH = 5,0. При pH < 5,5 репродуктивность рыб в реках и озе
рах резко падает и практически полностью прекращается при
pH < 4,5. Рыба в таких водоемах полностью исчезает. Оптима
льные условия для жизни рыб соответствуют интервалу 6,5 £
£ pH £ 8,5. Любопытно, что в подкисленных озерах вода ста
новится очень светлой и прозрачной. В таких озерах хорошо
себя чувствуют светолюбивые сфагновые мхи, которые засе
ляют ложе озер. Обычный тростник или исчезает, или количе
ство его уменьшается. В условиях закисления с pH = 5,0 оби
льно развиваются синезеленые водоросли, которые начинают
вытеснять водоросли других типов.
В результате выпадения кислотных осадков многие озера,
например Скандинавии, мертвы. В них pH ниже 5,0. То же самое происходит в США и Канаде, где показатель pH во многих
озерах за каких-нибудь 15–20 лет дошел до уровня 5,0–4,0.
Исключением являются озера во Флориде, где рыбные популяции оказываются устойчивыми в условиях pH = 4,0–5,5. Секрет этого феномена заключается в том, что воды этих озер содержат высокую концентрацию кальция при малом содержании катионов алюминия. Оказывается, что повышенное содержание кальция улучшает кислотно-нейтрализующую способность воды, компенсирует негативное действие катионов алюминия, проявляющееся в нарушении процессов дыхания и
ионного обмена в тканях организма. Как показали исследова
ния, для устойчивого существования рыбных популяций важ
на не сама по себе концентрация ионов водорода (уровень кис
лотности среды), а отношение концентрации ионов кальция
к ионам водорода. Обследование озер в южной части Норве
гии позволило установить такую закономерность. Отсутствие
рыбы зарегистрировано во всех озерах, где [Ca
2+
]:[H+]<3.
Устойчивые рыбные популяции оказались во всех озерах, где
2+
[Ca
]:[H+]>4.
Существуют косвенные пути влияния на водные экосисте
мы процессов формирования кислотных осадков. В частности,
эти процессы могут влиять на содержание в воде веществ,
жизненно важных для обитателей водоемов. Как показали ис
следования, одним из таких веществ является пероксид (пере
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 85
кись) водорода. Дефицит этого вещества способен привести
к серьезным нарушениям липидного обмена у рыб и вызвать
их массовую гибель, как это было, например, с мальками сев
рюги на Волге
1
. Существует строгая корреляция между изме
нением концентрации пероксида водорода в воде и выживае
мостью рыбы. Пероксид водорода (H
) обычно присутству
2O2
ет в осадках (поскольку он имеется в атмосфере), а также гене
рируется в результате жизнедеятельности бактерий донного
ила. Если же в атмосфере возрастает концентрация диоксида
серы, то концентрация пероксида водорода, участвующего
в процессах формирования серной кислоты, напротив, резко
снижается. С другой стороны, повышение кислотности водо
емов подавляет деятельность донных микроорганизмов по ге
нерации пероксида водорода. Замечено также, что синезеленые и некоторые другие типы водорослей, способные к бурному развитию в условиях кислой среды, выделяют в воду вещества, вступающие в реакцию с H
. В итоге — дальнейшее
2O2
понижение концентрации пероксида в воде, сопровождающееся пагубными последствиями для рыбных популяций.
Механизмы воздействия кислотных осадков на сухопутные экосистемы, в частности, на лесные экосистемы, также
сложны для анализа и часто бывают опосредованы множеством факторов. Неудивительно поэтому, что относительно влияния кислотных осадков на рост лесов существуют весьма различные мнения. Бывают случаи, когда даже в районах, где кис
лотные дожди — обычное явление (например, восточная часть
Северной Америки), установить достоверную корреляцию
между ростом леса и кислотными дождями невозможно
2
.
Считается тем не менее, что в горно-лесных районах Бава
рии, Шварцвальда, Бадена пострадало до 50 % лесных угодий
именно из-за кислотных дождей. Они же стали причиной гибе
ли 1/3 всех елей в западной части Германии и некоторых райо
нах Швейцарии. Есть данные, которые свидетельствуют, что
за последние 10 лет скорость роста многих вечнозеленых рас
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Заиков Г. Е., Маслов С. А., Рубайло В. Л. Кислотные дожди и окружа
ющая среда. — М., 1991. — С. 80.
2
Ñìèò Ó. Õ. Лес и атмосфера. — М., 1985. — С. 316.
-
86 ГЛАВА III. АТМОСФЕРА
тений замедлилась на 20–30 % (по сравнению с периодом
1930–1950 годов). Если дело так пойдет и дальше, то весьма
вероятно, что более 30 % массивов леса в Западной Европе мо
гут исчезнуть уже в начале XXI в. Естественно, что это не мо
жет не повлиять на климатическую обстановку в этом регионе
в сторону увеличения, например, частоты засух.
Установлено, что если кислотность осадков составляет ве
личину 3,0 или даже ниже, то это приводит к повреждению ку
тикулы листа
1
и усиленному выщелачиванию (выносу) питате
льных веществ и микроэлементов из листьев. Легче всего вы
щелачивается калий, затем — кальций, натрий и магний.
Однако, как мы знаем, более существенным оказывается
косвенное влияние на лес кислотных осадков, а именно, через
нарушение нормального течения почвенных процессов. Кстати, в почвах процесс выщелачивания заметно ускоряется уже
при кислотности осадков pH £ 4,5. В подавляющем большин-
стве случаев лесные почвы более восприимчивы к влиянию кислотных осадков, чем окультуренные. Особенно уязвимыми
лесные почвы становятся после рубок и лесных пожаров.
В дальнейшем это отражается на ходе сукцессионных процессов при воспроизводстве лесных экосистем.
По мере истощения нефтяных и газовых месторождений
уже в ближайшее время ожидается переход на уголь как основной вид топлива, и феномен кислотных осадков может обрести угрожающие масштабы.
-
-
-
-
-
-
Контрольные вопросы
1. Какова роль растений в формировании атмосферы?
2. Какие химические процессы протекают в атмосфере?
В чем их особенность?
3. В чем заключается роль атмосферы в поддержании жиз
ни на Земле?
4. В чем сущность парникового эффекта? Какую роль иг
рают различные газы в развитии парникового эффекта?
1
Кутикула — тонкая пленка, покрывающая поверхность листа и стеб
ля и не пропускающая воду и газы. Эта пленка прерывается над устьицами
листа.
-
-
-
§ 7. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ 87
5. Какие могут быть экологические последствия усиления
парникового эффекта?
6. В чем состоит роль стратосферного озона для био
сферы?
7. Где и почему образуются «озоновые дыры»?
8. Что такое кислотные осадки? Как они образуются?
9. Чем измеряется величина кислотности осадков? Какие
уровни закисления водоемов считаются опасными для водных
организмов?
10. Как кислотные осадки влияют на почву?
-
Глава IV
ÂÎÄÀ
§ 8. Вода в природе
1. Формирование гидросферы
Общий объем находящейся в свободном состоянии воды
3
на нашей планете оценивается гидрологами в 1,4 млрд км
.Ïî
своему объему гидросфера составляет 0,13 % объема Земного
15êì3
øàðà (1,1 · 10
).
В соответствии с гипотезой О. Ю. Шмидта (1891–1956)
о происхождении планет Солнечной системы, вода в виде кристаллов льда существовала в первичном газопылевом облаке,
из которого сформировались планеты, в том числе Земля, около 6 млрд лет назад. В сгустке газопылевой материи, какой
первоначально была наша планета, под влиянием гравитационных полей начала формироваться слоистая структура: более
легкие породы «всплывали» вверх, образуя земную кору.
В глубинных породах (мантия Земли) в результате сдавлива
ния начались процессы дегазации и обезвоживания.
Механизм поступления воды на поверхность включает
в себя: выброс вулканическими извержениями водяных паров;
остывание интрузивных тел в земной коре и выдавливание
воды по трещинам коры; движение воды по зонам глубинных
разломов из мантии. Больше всего воды образуется при дегаза
ции мантии на глубинах, где происходит переход мантии
в расплавленное состояние под действием распада радиоактив
1
ных элементов
1
Богданов Ю. А., Каплин П. А., Николаев С. Д. Происхождение и разви
тие океана. — М., 1978.
. Выдавливаемая из мантии вода и дала начало
-
-
-
-
§ 8. ВОДА В ПРИРОДЕ 89
водной оболочке Земли — гидросфере. Ориентировочное ко
личество связанной воды в мантии составляет 15–20 млрд км
то есть в 10–15 раз больше общего объема гидросферы. По
ступление воды из мантии в гидросферу (так называемые юве
нильные воды) продолжается и поныне (в объеме около 1 км
в год). За миллиарды лет существования планеты Земля даже
такой скорости поступления воды в гидросферу более чем до
статочно для того, чтобы наполнить океаны. По оценкам
Р. К. Клиге
лял 20 млн км
1
, 4 млрд лет назад объем гидросферы уже состав
3
(в 7000 раз меньше современного).
Существуют и иные источники поступления воды в гидро
сферу. Вода может попадать на Землю из космоса вместе с па
дающими метеоритами и космической пылью. Известно, что
каменные метеориты содержат 0,5–1 % воды. Ежегодно с потоком метеоритного вещества на Землю может доставляться
до 0,5 км
3
âîäû.
Причиной пополнения гидросферы может быть и Солнце,
посылающее на Землю потоки протонов. В верхних слоях атмосферы космические протоны, захватывая свободные электроны, превращаются в атомы водорода, которые затем соединяются с атомами атмосферного кислорода — образуются молекулы воды. Оценок данного источника пополнения воды
в гидросфере пока в литературе нет. Возможно, что этот про
цесс уравновешивается обратным процессом — «утечкой
воды» в космос в результате фотодиссоциации молекул водя
ного пара под воздействием коротковолновой солнечной ради
ации и диссипации водорода в космическое пространство.
В целом объем гидросферы в настоящее время изменяется не
значительно.
Несмотря на обширную площадь Мирового океана, он ос
тается лишь тонкой пленкой на поверхности Земного шара.
Дно океана фактически не является впадиной: оно выпуклое,
-
3
,
-
-
3
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Клиге Р. К. Тенденции в изменении поверхностных вод гидросферы //
Водные ресурсы. — 1982.—¹3.
90 ГЛАВА IV. ВОДА
а не вогнутое. Чтобы оно было вогнутое, нужны глубины
в 800 км и более. То, что мы называем гидросферой, в масшта
бах Земли представляет собой оболочку, которая на глобусе
была бы не толще наклеенного на него листа бумаги.
2. Распределение воды в природе
-
Гидросфера Земли на 97,5 % представлена солеными вода
ми Мирового океана, минерализованными подземными водами
и водами соленых озер. На долю пресных вод приходится всего
лишь 2,5 %, что составляет 35 млн км
неты приходится около 6 млн м
3
. На каждого жителя пла
3
пресной воды, но подавляю
щая часть этого объема недоступна для человека. В ледниках,
подземных льдах, постоянном снежном покрове содержится
около 24,4 млн км
3
воды. Еще приблизительно 10,5 млн км3сосредоточено в водоносных слоях под землей, но лишь 4 млн км
из них относят к зоне активного водообмена. Пресные воды залегают, как правило, на глубине 150–200 м. В этом слое как раз
и сосредоточены указанные выше 10,5 млн км
3
воды. Это примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод
(озера, болота, русла рек). Распределение поверхностных вод
таково
рек — 2,1 тыс. км
1
: пресные озера — 91 тыс. км3, болота — 11,5, русла
3
.
Относительно велики запасы почвенной влаги —
16,5 òûñ. êì
3
. Почти вся почвенная влага находится в верхнем
слое почвы и подпочвы толщиной 2 м. Влажность этого слоя
(по весу) составляет 10 %, так что почвенная влага соответст
вует слою воды 0,2 м.
3
В атмосфере содержится 12,9 тыс. км
воды в виде водяно
го пара и его конденсата (капельки воды и ледяные кристал
лы). Чем теплее воздух, тем больше в нем может содержаться
водяного пара. Самый влажный воздух — в зоне тропиков и
субтропиков. Однако здесь имеется в виду прежде всего абсо
лютная влажность. Относительная же влажность, измеряемая
в процентах по отношению к состоянию полного насыщения,
в жарком климате обычно уменьшается по сравнению с уме
-
-
-
3
-
-
-
-
-
1
Спенглер О. А. Слово о воде. — Л., 1980. — С. 19.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]