Кислотные дожди

Следующий процесс связан с переносом сильных кислот и их солей к поверхности земли посредством сухого осаждения.

Процесс сухого осаждения связан с прямым переносом с последующей адсорбцией газов и частиц природными поверхностями(вода, почва). Хотя эта форма седиментации существенно отличается от влажной седиментации, конечный результат их действительно идентичен-попадание кислотных атмосферных микроэлементов, соединений серы и азота на поверхность Земли. Известно достаточно много разнообразных кислотных микроэлементов, однако содержание большинства из них настолько мало, что их роль в кислотной седиментации можно не принимать во внимание. Эти кислотные вещества могут выпадать на поверхность двумя способами. Один из них - турбулентная диффузия, под действием которой в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии. Турбулентное диффузионное движение в первую очередь возникает из-за того, что движение струящегося воздуха над почвой и другой поверхностью является неравномерным вследствие трения. Обычно в вертикальном от поверхности направлении ощущается увеличение скорости ветра и горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность. Таким путем компоненты воздуха достигают Земли, и наиболее активные кислотные вещества легко взаимодействуют с поверхностью.

Итак, главной причиной кислотных дождей является присутствие в составе атмосферы Земли двуокиси серы SO2 и двуокиси азота NO2, которые в результате происходящих в атмосфере химических реакций, превращаются в соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность земли оказывает влияния на живые организмы и экосистемы в целом. Так же в состав атмосферы входит ряд азотосодержащих соединений, из которых наиболее распространена закись азота (N2O). Этот газ в нижних слоях воздуха нейтрален и не участвует в образовании кислотных дождей.

Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь - влажная седиментация. Второй путь - сухая седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной седиментацией.

 

2.Процессы окисления в тропосфере оксидов азота и серы, абсорбированных капельками воды

В плане рассмотрения проблемы кислотных дождей заслуживает внимания окисление  в жидкой фазе, и, в частности, окисление в дождевых каплях, аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения:

Таким образом, нейтрализуются кислотные осадки и образуются сульфаты и нитрат аммония.

Окисление  в жидкой фазе может происходить также за счет озона и пероксида водорода, источником которого служат фотохимические реакции в газовой фазе. Нельзя не отметить и то, что окисление  в каплях, содержащих частицы копоти, протекает достаточно энергично, указывая на явное влияние углеродистых материалов на процесс превращения в сульфат-ион. Это обстоятельство приобретает особое значение в загрязненных районах.

Заслуживают должного внимания процессы адсорбции  на атмосферных частицах с последующими превращениями в сульфат. Сам процесс сорбции включает очень быструю стадию адсорбции  на поверхности и медленную стадию диффузии в глубь частицы. Что касается превращения в сульфат, то оно протекает быстро на щелочной пыли и не идет на нейтральной или кислой пыли, если вещество пыли не проявляет каталитических свойств за счет присутствия в ней аэрозолей солей металлов. Особую роль в рассматриваемых процессах играет влажность, увеличение которой способствует большей степени превращения в сульфат. Процесс превращения нитратов и хлоридов:

Касаясь тропосферного цикла азота, необходимо указать на сильное влияние оксидов азота, обусловленное окислением азота в воздухе в ходе процессов горения. Работа двигателей внутреннего сгорания, тепловые электростанции и нагревание окружающей среды являются основными факторами, способствующими накоплению оксидов. Имеется достаточно оснований утверждать, что многие реакции, происходящие в газовой фазе, вводят в дополнение к NO и  высшие оксиды -  и , а также азотистую, азотную и надазотную кислоты. В принципе, образование азотной кислоты, вносящей свой вклад в кислотные дожди, обусловлено нижеследующими реакциями:

в которых азотистая кислота образуется за счет радикалов , фотохимически генерируемых на дневном свете, тогда как азотная - за счет реакций с озоном и взаимодействия образующегося  с водой.

 

3.Характеристика кислотных дождей и  их опасность для биосферы

3.1 Понятие кислотности и характеристика кислотных дождей

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и характеризуется их концентрацией C(ОН–).Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, которое приблизительно равняется 5,6. «Чистый» дождь обычно всегда имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода (СО2) вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. Теоретически такой «чистый», слабо-кислотный дождь должен иметь рН = 5,6, что соответствует равновесию между СО2 воды и СО2 атмосферы. Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ,дождь никогда не бывает абсолютно «чистым», и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением около 5,0 для зоны умеренных лесов. Помимо СО2 в атмосферу Земли попадают естесственным путем также различные соединения серы и азота, которые сообщают дождевым осадкам кислотную реакцию. Таким образом «кислотные дожди» могут возникать по естественным причинам. Однако помимо естественного попадания в атмомсферу Земли различных оксидов с кислотной реакцией,существуют также и антропогенные источники, эмиссия из которых во много раз превышает естественную. Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота может увеличить кислотность осадков до    pН = 4,0, что выходит за пределы значений, переносимых большинством живых организмов. Когда кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. 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 еще не изучен, сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов.

3.2 Влияние кислотных осадков на природу и человека

Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные предметы или живые существа, но и на их совокупность (рис.1). В природе и в окружающей среде образовались сообщества растений и животных, между которыми, как и между живыми и неживыми организмами, существует постоянный обмен веществ. Эти сообщества, которые можно также называть экологической системой, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организмы, потребители и разрушители. Влияние кислотности в первую очередь сказывается на состоянии пресных вод и лесов. Обычно воздействия на сообщества бывают косвенными, т.е. опасность представляют не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы (например, высвобождение алюминия). В определенных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости от кислотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения рН изменяется их растворимость. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсичные металлы. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений (например, отдельных деревьев). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источника загрязнения.

 

Рис.1 Последствия кислотных дождей.

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 (рис.2). 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 S, K, Mg, Ca 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. Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего происходят либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (Mr, Cu, Cd и др.) в почвах с низкими значениями рН. Растворимость тяжелых металлов также 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 Al/Ca 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. Так, например, гибель лесов в Средней и Западной Европе произошла главным образом под влиянием косвенных воздействий. Почти полностью погибли леса на площади в несколько сотен тысяч гектаров. Дальнейшую озабоченность вызывает то, что в результате гибели наиболее чувствительных к закислению существ (микроорганизмы почвы, грибы, дубы) в структуре материального и энергетического баланса живых сообществ могут произойти неблагоприятные изменения, и в конечном итоге сам человек также пострадает из-за происходящих при этом необратимых процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Повреждение растительности

Кислотные осадки так же влияют на закисление пресных вод и гибель растений. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная.Собственно говоря, закисление пресных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. На значительных территориях при повышении определенных значений кислотности осадков поверхностные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способность нейтрализовать кислоты, то значение рН может снизиться на 1,5, а в крайних случаях — даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под действием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смываемых с территории водного бассейна. Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз:

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.

 2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение рН тогда падает ниже 5,5. Наиболее чувствительные виды живых организмов начинают погибать уже при рН = 6, 5.

3. При рН = 4,5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли. Многие виды животных и растений начинают гибнуть уже при значениях рН <6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни. Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются Cd, Zn, Pb, Mr, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия:

 который осаждается в форме донного осадка. Гибель водных живых сообществ может приводить к закислению и выделению тяжелых металлов, а также к нарушению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций или гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества прочих живых организмов. Можно заметить характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близкий состав питательных веществ и ионов, но различную кислотность. До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотности, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пищевую цепочку.

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 (SO2)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: 1) генетические изменения; 2) видовые изменения; 3)нанесение прямого вреда растительности. Естественно, в зависимости от чувствительности вида и размеров нагрузки масштаб воздействия может простираться от восполнимого (обратимого) ущерба до полной гибели растения. В первую очередь погибают наиболее чувствительные виды, например, отдельные лишайники, которые могут сохраниться только в самой чистой среде, поэтому их считают "индикаторами" чистого воздуха. Обычно в сильнозагрязненных местах образуется "лишайная пустыня". В современном городе она существует уже при средней концентрации двуокиси серы . Во внутренних его районах лишайник вообще отсутствует, а на окраинах его можно встретить очень редко. Впрочем, существуют также виды лишайника, хорошо переносящие нагрузки двуокиси серы, поэтому отдельные сопротивляющиеся виды иногда занимают место погибших видов лишайника. Однако кислотные атмосферные соединения, естественно, могут также оказывать прямое вредное воздействие и на растения более высокого класса. Непосредственный вред, приносимый двуокисью серы, зависит от многих факторов — местного климата, вида деревьев, состояния почвы, способов обработки леса, рН влажных осадков и др. Опасный уровень атмосферной двуокиси серы оказался гораздо ниже, чем считалось раньше, так как определенные физиологические и биохимические изменения могут происходить без каких-либо признаков гибели. Однако эта опасная граница становится еще ниже при воздействии двуокиси азота, озона, кислотного дождя и т.д. Роль двуокиси серы в гибели лесов, таким образом, можно считать доказанной. Также доказано вредное влияние влажных кислотных осадков на рост деревьев. Однако эти осадки в первую очередь влияют косвенно — через почву и корневую систему. В наибольшей степени непосредственная гибель растений наблюдается в районах с сильнозагрязненным воздухом, например, в Средней Европе. Масштабы гибели растений и повышенные концентрации двуокиси серы (SO2) в Европе распространены примерно одинаково. Трудно решить, кто же несет непосредственную ответственность за гибель леса — двуокись серы или оксиды азота. Кажется достаточно вероятным, что вредное воздействие оказывают совместно все агрессивные кислотные вещества, загрязняющие воздух. Многие также придерживаются мнения, что при совместном воздействии вредных веществ, влияние каждого из них еще больше усиливается (синергизм). Более всего чувствительны к прямому загрязнению хвойные деревья, так как хвоя подвержена воздействию загрязняющих веществ на протяжении нескольких лет в отличие от деревьев, сбрасывающих листву. Самые чувствительные породы — это ель, лиственница и пихта. Однако многие деревья, сбрасывающие листву, также с трудом переносят прямые воздействия вредных веществ (например, бук, граб). Необходимо подчеркнуть, что упомянутая здесь непосредственная гибель растений и косвенные воздействия на них не могут быть отделены друг от друга, так как обычно эти процессы происходят одновременно, и в зависимости от обстоятельств доминирует какой-либо из них. В любом случае, естественно, вредные воздействия дополняют и усиливают друг друга.