Оксиды азота в атмосфере как компонент летнего смога и кислотных осадков
Одним из наиболее опасных явлений, связанных с присутствием в атмосфере диоксида азота, является Лосанжелесский (летний) смог. Этот фотохимический туман поражает эпителии, глаза, обуславливает кислую реакцию атмосферных осадков, а также интенсифицирует образование тропосферного озона.
Термин "смог" впервые был употреблен около 100 лет назад, применительно к жёлтой смеси из дыма и тумана, образующих так называемую "лондонскую гороховую похлёбку".
Позже его применяли для характеристики задымлённых или туманных условий в атмосфере, связанных с загрязнением, включая тип смога, наблюдаемый в Лос-Анджелесе, Детройте, Нью-Йорке и возникающий в климатических условиях, весьма отличающихся от тех, при которых характерно появление туманов (лондонский смог).
В отличие от Лондонского смога, при Лосанжелесском воздух загрязнен выхлопными газами транспорта, содержащими окислы азота, а также озоном.
Необходимой составной частью процесса образования летнего смога являются фотохимические реакции.
Лосанджелесский смог появляется при более высокой температуре и меньшей влажности, чем лондонский. Основные особенности фотохимического смога, наблюдаемого в Лос-Анджелесе, следующие:
он образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, причем максимальная концентрация вызывающих раздражение веществ наблюдается вскоре после полудня;
химически он действует как окислитель и вызывает растрескивание резины;
смог наблюдается в виде беловатого тумана, однако ухудшение видимости – наименее серьезный эффект по сравнению с другими;
смог вызывает у людей раздражение глаз и губит листву у растений;
исходные вещества, из которых формируется фотохимический смог, входят в состав автомобильных выхлопных газов, присутствующих в воздухе в больших количествах, но поставщиком исходных веществ может служить и биосфера.
Взаимодействие оксидов азота с присутствующими в воздухе углеводородами приводит к образованию таких опасных компонентов Лосанжелесского смога, как ПАН (пероксиацетилнитрат), альдегиды, окись углерода (угарный газ), карбоновые кислот, кетоны, окислы олефина, парафинов и др.
Особое значение для формирования любого типа смога или тумана имеет стратификация атмосферы. Если мы она неустойчива и (температура быстро понижается с высотой), то смог не образуется, загрязняющие вещества поднимаются вверх и рассеиваются в атмосфере.
Концентрации накапливающихся в приземном слое атмосферы вредных веществ существенно возрастают если стратификация атмосферы устойчива. Именно при этом и образуется смог. При устойчивой стратификации атмосферы в слое воздуха на некоторой высоте (обычно нижняя граница её не превышает 1,5 км) возникают задерживающие слои, в которых температура постоянна или даже растет с высотой (изотермия и инверсия). Такие слои гасят восходящие движения, и все примеси скапливаются в тонком слое под ними, в результате чего сильно возрастает концентрация вредных веществ, что и приводит к наиболее опасным смогам.
Существенный фактор химического загрязнения окружающей среды – атмосферные осадки загрязненные оксидами азота, которые сорбируются каплями воды, приводя к уменьшению их РН. В результате этого в каплях образуются азотная и азотистая кислоты:
2NО2 + Н2О = НNО3 + НNО2.
Впервые атмосферные осадки с пониженными значениями рН, называемые кислотными дождями, были отмечены в Западной Европе, в частности Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов азота.
В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн км2, составляет 5–4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3–2,5.
В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. В экваториальных и тропических регионах, где промышленность практически неразвита, кислотные осадки вызваны поступлением в атмосферу оксидов азота за счет сжигания биомассы.
В России наиболее высокие уровни выпадений оксидов азота (до 750 кг/км2 в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны – в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2) – в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом.
За последние пять лет, согласно результатам измерений Росгидромета, наблюдается неизменное повышение кислотности дождей (минимальные значения рН = 3,1–3,4) на Урале и в Предуралье, на северо-западе и юге европейской территории России.
Специфическая особенность кислотных дождей – их трансграничный характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния – сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда «политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха.
Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих выбросов. Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады.
За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций. До сих пор острота этой проблемы сохраняется, она постоянно в центре внимания национальных правительств и международных природоохранных организаций.
Негативные последствия выпадения кислотных дождей:
- Кислоты, содержащиеся в каплях воды, повреждают листья.
- При попадании в почвы в избыточном количестве они выщелачивают (переводят в растворимое состояние) так много содержащихся в них микроэлементов, что растения их не могут потребить. Эти вещества смываются с полей поверхностным и подземным стоком, в результате чего почвы обедняются и утрачивают плодородие.
- При избытке нитратов, потребляемых растениями, они оказывают на их развитие ингибирующее действие, а также снижают качество сельскохозяйственной продукции (не многим нравятся нитратные арбузы).
- При попадании в водоемы они снижают РН, что приводит к гибели рыбы и их заболачиванию.
- Повреждаются инженерные сооружения а также памятники культуры из мрамора, бетона, металла, дерева и пластмасс, которые взаимодействуя с кислотами, быстро корродируют; кислотами разрушаются практически все красители.