Влияние кислотных дождей на природные объекты, здания, памятники и технику

Кислотные дожди наносят существенный урон объектам биосферы. Это касается в равной мере водных объектов, почвы, растительного и животного мира (рис. 2.11).

Кислотные дожди:

1. оказывают негативное влияние на водные экосистемы, повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна.

Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы:

- первая стадия - начальная. С увеличением кислотности воды (показатели рН меньше 7) водные растения начинают погибать,

лишая других животных водоема пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро- зеленые). При кислотности рН=6 погибают пресноводные креветки;

- вторая стадия - кислотность воды повышается до рН 5,5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон, который составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ;

- третья стадия - кислотность достигает рН=4,5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Первая и вторая стадии обратимы при прекращении воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как алюминий, кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзные заболевания;

Рисунок 2.11 – Вредное воздействие кислотных дождей на почву и растительность

2) кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца ещё не изучен, «сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов. На леса и пашни кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем - через почву и корневую систему, либо непосредствен­но - главным образом на листву.

Подкисление почвы опреде­ляется различными факторами. В отличие от вод почва обла­дает способностью к выравниванию кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению кис­лотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наря­ду с естественными процессами на почвы в лесах и на паш­нях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая стабильность, способность к выравниванию, склонность почв к закислению изменчивы и зависят от каче­ства подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от наличия поблизости значительного источника загрязнений. Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности за­висит от химических и физических свойств подстилающих слоев.

Косвенные воздействия проявляются по-разному. 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, содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака, чем вода осадков, что приводит к увели­чению кислотности почвы. В результате этого возрастают по­тери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев.

Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе нескольких десятков километров от их источника. Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в ос­новном на его листьях, и оказывает на него вредное влияние. Двуокись серы, проникая в организм растения, принимает участие в различных окислительных процессах. Эти процессы протекают с участием свободных радикалов, образованных из двуокиси серы в результате химических реакций. Они окисляют нена­сыщенные жирные кислоты мембран, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.).

Непосредственные воздействия на растения могут прини­мать различные формы: а) генетические изменения; б) видо­вые изменения; в) нанесение прямого вреда растительности;

3) вытесняют ионы биогенных элементов из почвы. Частички гумуса и глины обычно заряжены отрицательно и удерживают такие биогенные ионы, как К⁺, NH₄⁺, Ca²⁺. При поступлении в почву кислотного дождя биогенные ионы вытесняются ионами водорода. Дефицит биогенов вызывает замедление роста растений, снижает их сопротивляемость к болезням и вредителям;

4) переводят тяжелые токсичные металлы из нерастворимых в растворимые соединения. Растворимость тяжелых металлов сильно зависит от рН. 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. Во многих почвах, например, в се­верных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, од­нако при выпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций в почвенных водах настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создает­ся 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 разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление;

5) осадки, формирующиеся в дождевых облаках и находящиеся в контакте с атмосферой, содержащей значительные количества углекислого газа, обладают слабокислой реакцией и разрушающе действуют на строения с известковой кладкой:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃^-.

Этот эффект значительно усиливается при подкислении влаги дождевых облаков кислыми газами антропогенного происхождения при абсорбции водяными парами. Сернокислотные осадки разрушают строения на основе известняка:

CaCO₃ + H₂SO₄ → Ca²⁺ + SO₄^2- + CO₂ + H₂O.

Наиболее ярко и наглядно это иллюстрируется состоянием таких исторических памятников, как Акрополь в Афинах, Колизей в Риме, Кельнский собор и др., которые разрушаются под действием кислотных дождей.

Подобное разрушающее действие атмосферных осадков с низкими значениями рН складывается на прочностных свойствах бетона, стекол, сложных силикатов, из которых выщелачивается алюминий, входящий в состав решетки алюмосиликатного характера:

3KAlSi₃O₈ + 12H₂O + 2H⁺ KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ + 6 Н₄SiО₄ + 2K⁺

2KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ + 18H₂O + 2H⁺ Al₂O₃(H₂O)₃ + 6H₄SiO₄ + 2K⁺.

Еще более разрушительное воздействие оказывают кислотные дожди на изделия и механизмы из металла. Жидкая пленка на поверхности металла, содержащая кислоты, является средой, в которой осуществляются процессы коррозии металла. Так, на поверхности изделий из железа при взаимодействии с влагой, содержащей серную кислоту, образуется корка гигроскопичного сульфата закисного железа (FeSO₄), которая на воздухе окисляется до ржавчины:

2 FeSO₄ + H₂O + ½ O₂ 2 Fe(OH)SO₄.

Памятники, выполненные из бронзы, покрываются так называемой патиной, представляющей собой пористую корку из карбонатов, сульфатов, иногда из хлоридов, пропитанную водой и адсорбирующую кислые газы. Образующаяся кислота продолжает свою разрушительную силу и разъедает металл, переводя его в раствор в виде ионов. Следствием этого является нарушение целостности изделия.

Разрушающее действие кислотных дождей проявляется и в ухудшении свойств многих органических материалов – кожи, бумаги, резины, тканей, ряда пластических масс. Изделия из этих веществ становятся хрупкими, теряют свою эластичность, форму.

Но кроме вреда кислотные дожди имеют и полезное действие. Кислоты, содержащиеся в облаках над океаном, могут разрушать относительно крупные частицы пыли, содержащие железо, на чрезвычайно мелкие и хорошо растворимые наночастицы, которые легко усваиваются планктоном,

Атмосфера очищается от диоксида серы и других кислотных газов главным образом при вымывании их дождем или снегом, а также при сухом осаждении, т.е. в виде самого газа или газа, адсорбированного на мельчайших частицах пыли. Сухая часть загрязнений обычно выпадает в непосредственной близости от источника выброса либо на незначительном расстоянии от него. При длительном переносе воздухом в основном выпадает связанная с водой часть выбросов. Гребни гор и наветренная сторона возвышенностей в большей степени подвергаются действию осадков в виде дождей, чем подветренная сторона. Лесами с их большей и разветвленной поверхностью удерживается больше выбросов, чем лугами и пашнями. С деревьев сухая часть выбросов в основном уносится с водой, и на листьях, хвойных иглах и в трещинах коры остается меньшая часть загрязнений.