Кислотные дожди: причины и последствия

Кислотные дожди: причины  и последствия

Причины кислотных дождей

Основная причина выпадения  кислотных дождей — наличие в  атмосфере за счет промышленных выбросов оксидов серы и азота, хлористого водорода и других кислотообразующих  соединений. В результате дождь и  снег оказываются подкисленными. Образование  кислотных дождей и их воздействие  на окружающую среду показано на рис. 1 и 2.

Присутствие в воздухе заметных количеств, например, аммиака или  ионов кальция приводит к выпадению  не кислых, а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, поскольку они при попадании  на почву или в водоем меняют их кислотность.

Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе — с рН = 2,3, в Китае —  с РН = 2,25. Автором учебного пособия  на экспериментальной базе Экологического центра РАН в Подмосковье в 1990 г. был зарегистрирован дождь  с рН = 2,15.

Подкисление природной среды отрицательно отражается на состоянии экосистем. В этом случае из почвы выщелачиваются не только питательные вещества, но и токсичные металлы, например свинец, алюминий и др.

В подкисленной воде увеличивается  растворимость алюминия. В озерах это приводит к заболеванию и  гибели рыб, к замедлению развития фитопланктона  и водорослей. Кислотные дожди  разрушают облицовочные материалы (мрамор, известняки др.), значительно  снижают срок службы железобетонных конструкций.

Таким образом, окисление природной  среды — одна из важнейших экологических  проблем, требующая решения в  ближайшем будущем.

Проблема кислотных осадков 

Развитие промышленности, транспорта, освоение новых источников энергии  приводят к тому, что количество промышленных выбросов постоянно увеличивается. Это связано главным образом  с использованием горючих ископаемых на тепловых электростанциях, промышленных предприятиях, в двигателях автомобилей  и в системах отопления жилых  домов.

В результате сжигания ископаемого  топлива в атмосферу Земли  поступают соединения азота, серы, хлора, других элементов. Среди них преобладают  оксиды серы — S02 и азота — NOx (N20, N02). Соединяясь с частицами воды, оксиды серы и азота образуют серную (H2SO4) и азотную (HNO3) кислоты различной  концентрации.

В 1883 г. шведский ученый С. Аррениус ввел в обращение два термина —  «кислота» и «основание». Он назвал кислотами вещества, которые при  растворении в воде образуют свободные  положительно заряженные ионы водорода (Н+), а основаниями — вещества, которые при растворении в  воде образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы (ОН-).

Водные растворы могут иметь  рН (показатель кислотности воды, или  показатель степени концентрации ионов  водорода) от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН 7,0, кислая среда характеризуется  значениями рН меньше 7,0, щелочная —  больше 7,0 (рис. 3).

В среде с рН 6,0 гибнут такие виды рыб, как лосось, форель, плотва и  пресноводные креветки. При рН 5,5 погибают лонные бактерии, которые разлагают  органические вещества и листья, и  органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон —  крошечные одноклеточные водоросли  и простейшие беспозвоночные, которые  составляют основу пищевой цепи водоема. Когда кислотность достигает  рН 4,5, погибает вся рыба, большинство  лягушек и насекомых, выживают только некоторые виды пресноводных беспозвоночных.

Установлено, что на долю техногенных  выбросов, связанных со сжиганием  ископаемого угля, приходится около 60-70 % их общего количества, на долю нефтепродуктов — 20-30 %, на остальные производственные процессы — 10 %. 40 % выбросов NOx составляют выхлопные газы автомобилей.

Последствия кислотных дождей

Атмосферные осадки, характеризующиеся  сильнокислой реакцией (обычно рН<5,6), получили название кислотных (кислых) дождей. Впервые этот термин был  введен британским химиком Р.Э. Смитом в 1872 г. Занимаясь вопросами загрязнения  г. Манчестера, Смит доказал, что дым  и пары содержат вещества, вызывающие серьезные изменения в химическом составе дождя, и что эти изменения  можно заметить не только вблизи источника  их выделения, но и на большом расстоянии от него. Он также обнаружил некоторые  вредные последствия кислотных  дождей: обесцвечивание тканей, коррозию металлических поверхностей, разрушение строительных материалов и гибель растительности.

Специалисты утверждают, что термин «кислотные дожди» недостаточно точен. Для такого типа загрязнителей лучше  подходит выражение «кислотные осадки». Действительно, загрязняющие вещества могут выпадать не только в виде дождя, но и в виде снега, облаков, тумана («влажные осадки»), в виде газа и пыли («сухие осадки») в засушливый период.

Несмотря на то что сигнал тревоги  прозвучал больше ста лет назад, индустриальные государства долго  игнорировали опасность кислотных  осадков. Но вот в 60-е гг. XX в. экологи  сообщили об уменьшении косяков рыбы и даже полном ее исчезновении в  некоторых озерах Скандинавии. В 1972 г. проблема кислотных дождей была впервые  поднята учеными-экологами Швеции на Конференции ООН по окружающей среде. С этого времени опасность  глобального закисления окружающей среды превратилась в одну из наиболее острых проблем, обрушившихся на человечество.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Под действием кислотных  осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям  питательные вещества, но и токсичные  тяжелые и легкие металлы —  свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные  соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям.

Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным  загрязнениям, что приводит к еще  более выраженной их деградации как природных экосистем.

Ярким примером негативного воздействия кислотных  осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется  это тем, что значительная часть  выбросов серы в таких промышленно  развитых странах, как США, ФРГ и  Великобритании, выпадают именно на их территории. Наиболее уязвимы в этих странах озера, так как коренные породы, слагающие их ложе, обычно представлены гранито-гнейсами и гранитами, не способными нейтрализовать кислотные осадки, в  отличие, например, от известняков, которые  создают щелочную среду и препятствуют закислению. Сильно закислены и многие озера на севере США.

Закисление  озер в мире

• Канада  
• Более 14 тыс. озер сильно закислены; каждому седьмому озеру на востоке страны нанесен биологический ущерб
• Норвегия  
• В водоемах общей площадью 13 тыс. км2 уничтожена рыба и еще на 20 тыс. км2 - поражена
• Швеция  
• В 14 тыс. озер уничтожены наиболее чувствительные к уровню кислотности виды; 2 200 озер практически безжизненны
• Финляндия  
• 8 % озер не обладают способностью к нейтрализации кислоты. Наиболее закисленные озера в южной части страны
• США  
• В стране около 1 тыс. подкисленных озер и 3 тыс. почти кислотных (данные фонда охраны окружающей среды). Исследования АООС в 1984 г. показали, что 522 озера имеют сильную кислотную среду и 964 находятся на грани этого

Закисление  озер опасно не только для популяций  различных видов рыб (в том  числе лососевых, сиговых и др.), но часто влечет за собой постепенную  гибель планктона, многочисленных видов  водорослей и других его обитателей. Озера становятся практически безжизненными.

В нашей стране площадь значительного закисления от выпадения кислотных осадков  достигает несколько десятков миллионов  гектаров. Отмечены и частные случаи закисления озер (Карелия и др.). Повышенная кислотность осадков наблюдается  вдоль западной границы (трансграничный перенос серы и других загрязняющих веществ) и на территории ряда крупных  промышленных районов, а также фрагментарно на побережье Таймыра и Якутии.

По состоянию на 1985 г. в Швеции из-за кислотных дождей серьезно пострадал  рыбный промысел в 2500 озерах. В 1750 из 5000 озер Южной Норвегии полностью исчезла  рыба. Исследование водоемов Баварии (Германия) показало, что в последние годы наблюдается резкое сокращение численности, а в отдельных случаях —  и полное исчезновение рыбы. При  изучении 17 озер в осенний период было установлено, что показатель рН воды колебался от 4,4 до 7,0. В озерах, где показатель рН составил 4,4; 5,1 и 5,8, не было поймано ни одной рыбы, а  в остальных озерах обнаружены только отдельные экземпляры озерной и  радужной форели и гольца.

Наряду с гибелью озер происходит деградация лесов. Хотя лесные почвы  менее восприимчивы к подкислению, нежели водоемы, произрастающая на них  растительность крайне негативно реагирует  на увеличение кислотности. Кислые осадки в виде аэрозолей обволакивают хвою и листву деревьев, проникают в  крону, стекают по стволу, накапливаются  в почве. Прямой ущерб выражается в химическом ожоге растений, снижении прироста, изменении состава подпологовой растительности.

Кислотные осадки разрушают здания, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут способствовать просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Разрушительному действию кислотных  осадков подвергаются многие памятники  мировой культуры. Так, за 25 веков  мраморные статуи всемирно известного памятника архитектуры Древней  Греции Акрополя постоянно подвергались воздействию ветровой эрозии и дождей. В последнее время действие кислотных  осадков ускорило этот процесс. Кроме  того, это сопровождается и осаждением на памятниках корки сажи в виде двуокиси серы, выделяемой промышленными  предприятиями. Для соединения отдельных  архитектурных элементов древние  греки использовали небольшие стержни  и скобы из железа, покрытые тонким слоем свинца. Тем самым они  были защищены от ржавчины. Во время  реставрационных работ (1896-1933) были использованы стальные детали без всяких мер предосторожности, и вследствие окисления железа под действием  раствора кислот в мраморных структурах образуются обширные трещины. Ржавчина вызывает увеличение объема, и мрамор раскалывается.

Результаты исследований, проведенных  по инициативе одной из комиссий ООН, свидетельствуют, что кислотные  осадки оказывают губительное воздействие  и на старинные витражные стекла в некоторых городах Западной Европы, что может окончательно их разрушить. Под угрозой находится  более 100 000 образцов цветного стекла. Старинные  витражи находились в хорошем  состоянии до начала XX в. Однако за последние 30 лет процесс разрушения ускорился, и если не будут проведены необходимые  реставрационные работы, через несколько  десятков лет витражи могут погибнуть. Особой опасности подвергается цветное  стекло, изготовленное в VIII-XVII вв. Это  объясняется особенностями технологии производства.

Вещества, содержащие серу, оказывают  губительное влияние также на кожаные и бумажные изделия. Старинные  образцы кожи, обработанные органическими  веществами, так же как и бумага, подвержены воздействию двуокиси серы: в результате они становятся ломкими. Особенно страдает бумага, изготовленная  после 1750 г.