Кислотные дожди

Естественно, атмосферные кислотные микроэлементы не щадят не только природу, но и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества (двуокись серы, двуокись азота, кислотные, аэрозольные частицы) при дыхании. Уже давно установлено, что существует тесная зависимость между уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации около возрастает число смертельных случаев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Статистические данные показали, что такое серьезное заболевание, как ложный круп, требующее моментального вмешательства врача и распространенное среди детей, возникает по этой же причине. То же самое можно сказать и о ранней смертности новорожденных в Европе и Северной Америке, которая ежегодно исчисляется несколькими десятками тысяч. Кроме оксидов серы и азота опасны для здоровья человека также аэрозольные частицы кислотного характера, содержащие сульфаты или серную кислоту (H2SO4 ). Степень их опасности зависит от размеров. Так, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а мелкие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или частицы сульфатов могут проникать в самые дальние участки легких. Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значение, ниже которого даже у самых чувствительных людей не обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы. Например, для двуокиси серы среднесуточная пороговая концентрация для здоровых людей составляет приблизительно . В настоящее время норма для состава воздуха на незащищенных территориях почти соответствует этому значению. На защищенных территориях нормативы, естественно, строже. В то же время ожидается, что в недалеком будущем установят еще более низкие нормативные значения. Однако опасная концентрация может оказаться еще ниже, если различные кислотные загрязняющие вещества будут усиливать воздействие друг друга, т.е. проявится уже упомянутый синергизм. Также установлена зависимость между загрязнением двуокисью серы и различными заболеваниями дыхательных путей (грипп, ангина, бронхит и т.д.). На отдельных загрязненных территориях число заболеваний было в несколько раз больше, чем на контрольных территориях. Помимо первичного прямого воздействия, на человека косвенно влияет и закисление окружающей среды. В предыдущих главах мы видели, что косвенные воздействия в первую очередь оказывают ядовитые металлы (алюминий, тяжелые металлы). Эти металлы легко могут попасть в пищевую цепочку, в конце которой стоит человек. Проведенные в Венгрии обследования показали, что содержание цинка в свинине и говядине, а также в мясных продуктах довольно часто превышает допустимый уровень(10%). Кадмий также встречается в говядине в концентрациях, превышающих допустимые. Медь и ртуть в небезопасных концентрациях обнаружены главным образом в мясе птицы.

Кислотный дождь может также причинять вред металлам, различным зданиями, памятникам. В первую очередь подвержены опасности памятники, построенные из песчаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры. Прочные строительные сооружения подвержены влиянию кислотных дождей, так как оксид азота и оксид серы вступает в реакцию с магнием и кальцием ,которые входят в состав строительных смесей. Обычные материалы для каменной кладки - это известняк, мрамор, песчаники, базальт, гранит. Кроме того, используются и искусственные материалы, такие, как кирпич, бетон, различные известковые растворы. Хорошо известно, что эти материалы в основном состоят из карбонатов и силикатов, все обладают высокой чувствительностью к воздействию кислых осаждений и к присутствию атмосферного:

Основной реакцией, ответственной за разрушение мрамора и повреждения памятников, является образование сульфата, которое происходит на поверхности этих материалов. При этом окисление  до  происходит за счет каталитического действия таких поверхностных примесей, как , копоть, влага, а также благодаря окисляющим серу бактериям.

Обобщение большой информации, в том числе и рассмотренной выше, позволяет сделать ряд далеко идущих выводов о влиянии кислотных дождей на окружающую среду. В частности, можно утверждать, что:

           - кислотный  дождь изменяет величину рН  рек и озер и может вызвать  их биологическую смерть;

- при поглощении почвами кислотный дождь выщелачивает основные природные минералы (калий, кальций, магний) и, унося их в подпочвенный слой, лишает деревья и растения питательных веществ;

- под влиянием кислотных дождей  возрастает геохимическая подвижность  алюминия, приводящая одновременно со снижением рН к возрастанию его концентраций и изменению его токсичных форм;

- кислотные дожди способствуют  разрушению каменной кладки, а  также архитектурных сооружений  и памятников. Под длительным воздействием таких дождей кислота из зданий и памятников архитектуры вымывается и они в скором времени разрушаются. Для защиты памятников культуры и ценных архитектурных сооружений используют покрытия из высокомолекулярных соединений-силиконов или производных эфиров кремниевой кислоты, для защиты металлических изделий-покрытие их лаком ,масляной краской.

-под 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. Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные предмет или живые существа, но и на их совокупность. Влияние кислотности в первую очередь сказывается на состоянии пресных вод и лесов. Естественно, кислотные вещества вредят не только природе, но и человеку(двуокись серы, двуокись азота, кислотные ,аэрозольные частицы)при дыхании.

 

4.Проблема кислотных дождей и их влияние на экосистемы

В плане вопросов охраны окружающей среды проблема кислотных дождей привлекает к себе пристальное внимание. Эта проблема довольно сложна и во многом неоднозначна. В принципе имеются два альтернативных варианта подхода к проблеме кислотных дождей. Один из них базируется на утверждениях, что антропогенная деятельность является причиной выпадения кислотных дождей. Эта проблема возникла во второй половине XX в. и обусловлена главным образом чрезмерным выбросом в атмосферу окислов азота и сернистого газа. Кислотные дожди экологически опасны в силу их отрицательного влияния на любые экосистемы.

Второй вариант базируется на утверждениях, что исследования исторических данных не обнаруживают тенденций их изменения, что взаимосвязь между выбросами , а также NOх и степенью кислотности атмосферных осадков значительно слабее предполагаемой и что взаимосвязь между кислотными дождями и экологическим ущербом проявляется в значительно меньшей степени или даже почти отсутствует.

Рассмотрим первый вариант. Примем следующие четыре исходных положения:

- большие количества атмосферных  загрязнений, выделяющихся за счет сгорания топлива, промышленного производства и широкого применения химикатов, определяют большие потоки первичных кислых примесей, которые могут вносить существенный вклад в кислотность атмосферы;

- среднее время существования  загрязнений зависит от многих факторов, в частности от стабильности атмосферы, частоты выпадения осадков, присутствия индивидуальных компонентов атмосферы и т.д.;

- большинство загрязнений остается  в пределах нижней части тропосферы  и относительно равномерно распределено  внутри перемешивающегося слоя;

- увеличение потоков кислотности  к поверхности земли возникает  за счет атмосферных осадков  с повышенной кислотностью ("мокрое  осаждение") и за счет адсорбции  и выпадения в осадок газов  и аэрозолей ("сухое осаждение").

Газовые выбросы от производственных процессов, широкомасштабное применение минеральных удобрений, пестицидов, растворителей, фреонов, использование ископаемых видов топлива для производства тепла и энергии, включая двигатель внутреннего сгорания, являются основными источниками загрязнения атмосферы. При этом  и NOх считаются главными предшественниками кислотных дождей после превращения в серную и азотную кислоты. Надо сказать, что выяснение механизма окисления первичных загрязнений - , NOх, HCl - весьма сложная физико-химическая задача, хотя и представляет собой наиболее интересный аспект атмосферной кислотности. Достаточно указать на то, что процесс превращения диоксида серы в сульфат в атмосфере протекает различными путями и приводит к образованию различных продуктов окисления:  и т.д.

Если говорить о серном цикле, то показательной будет заимствованная из трудов химического факультета римского университета "Ла Сапиенца", характеризующая возможные атмосферные процессы окисления :

1.                                    9.

2.                             10.

3.                           11.

4.                            12.

5.                        13.

6.                   14.

7.                          15.

8.                   16.

В целом фотохимически инициированные реакции свободных радикалов представляют собой основной механизм превращения  в сульфат в нижележащих слоях атмосферы. При этом в зависимости от времени суток, времени года и степени загрязненности атмосферы скорость окисления  заметно изменяется. Например, в зависимости от степени загрязнения атмосферы при солнечном свете она падает на порядок с переходом от чистого воздуха (0,5%/час) к загрязненному (5%/час), а в зимнее время (при солнечном свете) эти скорости будут в 2-3 раза ниже.

Наконец, свой вклад в кислотные дожди вносит и хлористый водород, обнаруживаемый в газовых выбросах за счет сжигания и окисления хлорсодержащих веществ. Следует отметить, что сам хлористый водород достаточно устойчив к окисляющим агентам и с учетом растворимости может быть включен в дождевую воду либо адсорбироваться путем сухого осаждения. Вместе с тем имеется цикл реакций, на которые следует обратить внимание. Исходным моментом в этом цикле является способность хлористого водорода подвергаться окислению радикалами  аналогично такому же процессу с участием SO2. :

Образующийся атомарный хлор в результате взаимодействия с водородсодержащими газами вновь превращается в НСl, а взаимодействие хлора с озоном приводит к образованию радикала  с дальнейшим его превращением в устойчивый нитрат хлора . Гидролиз этого соединения в соответствии с реакцией:

приводит к появлению двух сильных кислот и имеет поэтому прямое отношение к процессам, обусловливающим появление кислотных дождей.

Как уже отмечалось, к проблеме кислотных дождей имеются два противоположных подхода. Переходя к рассмотрению варианта, альтернативного предыдущему, необходимо подчеркнуть, что, по утверждению некоторых американских ученых, этот вариант представляет новый взгляд на проблему кислотных дождей. В соответствии с ним общепринятое мнение о том, что причиной кислотного дождя, а следовательно и экологического ущерба, является повышенное содержание серы  и NOx в газовых выбросах, основано на ограниченном отборе данных и не подкреплено доказательствами с привлечением более широких доступных сведений. Чтобы понять суть данного подхода, целесообразно проследить взаимосвязь между выбросами серы  и кислотностью дождей в какой-либо части планеты. Когда все внимание сосредоточено на содержании выбросов серы и сульфатов в атмосферных осадках, то кажется возможным принять, что сульфат является основным признаком кислотности в атмосферных осадках и выразителем концентрации водородных ионов. Между тем в действительности для корректного определения кислотности дождя с помощью химических методов требуется учет по меньшей мере восьми видов ионов: трех анионов, активирующих кислоту (сульфата, нитрата, хлорида), и пяти катионов, нейтрализующих кислоту (калия, натрия, кальция, магния, аммония). Выраженная в микроэквивалентах на 1 л разность между суммами анионов и катионов определяется как концентрация водородных ионов или кислотность:

Итак, в заключение следует отметить, что сам факт наличия двух альтернативных подходов к проблеме кислотных дождей и их влияния на экосистемы говорит о том, что многое в ней пока остается неясным. Тем не менее в целом оценка состояния окружающей среды на сегодня заставляет признать, что существуют кислотные дожди с рН меньше 5,5, что очень кислые осадки выпадают в разных местностях всего мира, что в образовании кислотных дождей участвуют выбросы в атмосферу промышленных предприятий и что такие дожди все же приводят к экологическому ущербу. Существует также общее согласие, что окислы азота и серы переносятся и превращаются в соответствующие кислоты, хотя и сохраняются расхождения относительно скоростей их переноса, превращения и отложения.

Для решения проблемы кислотных дождей необходимо уменьшить выбросы двуокиси серы и окиси азота в атмосферу. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения энергии получаемой человеком при сжигании ископаемого топлива и увеличения количества электростанций использующих альтернативные источника энергии (энергия солнечного света, ветра, энергию приливов и отливов). Другие возможности для уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу это:

1.Снижение содержания серы в различных видах топлива. Наиболее приемлемым решением было бы использование только тех видов топлива, которые содержат минимальные количества соединений серы. Однако таких видов топлива очень мало. Только 20% из всех мировых запасов нефти имеют содержание серы менее 0,5%. И в будущем, к сожалению, содержание серы в используемом топливе будет увеличиваться, так как нефть с низкими содержаниями серы добывается ускоренными темпами. Также дело обстоит и с ископаемыми углями. Удаление серы из состава топлива оказалось очень дорогим процессом в финансовом плане, к тому же удается вывести из состава топлива не более 50% соединений серы, что является недостаточным количеством.

2.Ввод новых технологий, установка фильтрующего оборудования.

3.Использование слабозагрязняющих либо совсем незагрязняющих источников энергии.

 

 

 

Заключение

Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать в результате существенные экономические и социальные издержки. Виной таким изменениям — оксиды серы и азота, в промышленных масштабах выбрасываемые в атмосферу автомобилями, электростанциями, металлургическими заводами. В воздушной среде на частицах сульфатов и нитратов конденсируются молекулы воды, образуются облачные капельки, которые при определенных погодных условиях становятся частью дождевых капель или снежинок. Если концентрация сульфатов и нитратов в атмосфере велика, то дождь или снег получается значительно закисленным. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей, под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофила в листьях растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает.