В осадках разного вида, в облаках и туманах
На рис. 11 видно, что наибольшая изменчивость ионных концентраций наблюдается в химическом составе дождя и облаков и наибольшие значения концентрации для многих ионов достигаются в облаках.
47. Кислотность осадков
Кислотность осадков определяется концентрацией иона водорода Н+. Дождевая и облачная вода имеет в основном слабокислую реакцию, их рН < 7. В воде облаков и осадков перемешаны сильные и слабые кислоты, частично их нейтрализуют щелочи. Над океанами из-за большого вклада морской соли в состав осадков рН > 8.
Значение рН также возрастает при попадании в осадки почвенной пыли в районах со щелочными почвами. Ионы водорода поступают в раствор за счет диссоциации кислот в растворе. Сильные кислоты, например, азотная, диссоциируют почти полностью. Для слабых кислот (угольная) степень диссоциации тем больше, чем больше их концентрация.
Один из естественных источников поступления ионов водорода в раствор – диссоциация молекул воды. Причиной диссоциации является то, что молекулы воды поляризованы (на атоме кислорода находится частичный отрицательный заряд, на атомах водорода – частичный положительный), поэтому они оттягивают к себе ту часть другой молекулы, что имеет противоположный заряд.
При этом молекула распадается на ионы:
Н2О = Н++ ОН-
Так как диссоциации мала, при Т = 20°С концентрация Н+ составляет ~10-7 моль/л, таким образом, в химически чистой воде рН = 7,0.
Другой природный источник ионов Н+ в растворе – углекислый газ. Равновесная кислотность, обусловленная его наличием в атмосфере, составляет рН = 5,6.
Другими кислотообразующими веществами естественного происхождения в атмосфере являются H2S, SO2, NOX, HC1, HNO3, органические кислоты. Их концентрации малы. Эти соединения могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение. Так, антропогенные потоки серы и азота в последние десятилетия стали сравнимы с природными. С промышленными выбросами в атмосферу поступают вещества, приводящие к образованию сильных кислот – соляной, серной, азотной, фтористоводородной.
Поступление в атмосферу хлористого и фтористого водорода локализовано в районах со специфическими производствами, например выпуском алюминия. Вещества, содержащие оксиды серы и азота, присутствуют в выбросах многих отраслей промышленности.
Большое влияние на кислотность осадков, особенно в региональном масштабе, оказывает вулканизм. С вулканическими выбросами в атмосферу поступают многие кислотообразующие вещества и водяной пар – СО2 и Н2О, Н2, СО, N2, SO2, Cl2, H2S, HC1, В(ОН)3, NH3, CH4 и многие другие. В вулканических ландшафтах идут кислые дожди с рН = 2,4–2,5 и минерализацией до 250 мг/л (Г.В. Суркова, 2002).
Измерения рН атмосферных осадков впервые были выполнены в США в 1939 г. С тех пор мониторинг кислотности атмосферных осадков занимает важное место в экологической оценке состояния окружающей среды.
В Москве за период наблюдений с 1981 г. (данные метеорологической обсерватории МГУ) выраженной тенденции изменения кислотности осадков не наблюдалось. Среднее значение рН дождей составляет 4,6, большая часть значений лежит в интервале 4–6; рН снега равно 5,9, преобладают значения 6–8. На рис. 12 показан годовой ход среднемесячных значений рН. Летние осадки оказываются более кислыми, снег же имеет во многих случаях нейтральную реакцию.
Рис. 12. Годовой ход рН осадков, Москва
Выпадение кислотных дождей вызывает закисление природной среды, следствием чего является:
вымывание тяжелых металлов из почв, что повышает их мобильность в почвенном растворе и, следовательно, их доступность для живых организмов;
изменение соотношения в почве кальция и алюминия в сторону уменьшения кальция, что приводит к задержкам роста корневой системы;
усиление коррозии различных материалов и конструкций – машин, зданий, в том числе уникальных памятников старины.
Кислотность облачной среды и выпадающих осадков в основном определяется процессами окисления соединений серы и азота, а также преобразованием органических соединений и фотохимическими процессами. Дождевая и облачная вода имеет в основном слабокислую реакцию, рН < 7.
Над океанами из-за большого вклада морской соли в состав осадков рН > 8. Химический состав облаков и осадков зависит от химических свойств воздушной массы, в которой формируется облако и от микрофизических и динамических характеристик самого облака. В процессе выпадения осадков их ионный состав и кислотность меняются. В течение года также происходят изменения химического состава и кислотности осадков.