Кислотный дождь и условия его образования

Атмосферный аммиак:

Аммиак, имеющий в водном  растворе  щелочную  реакцию,  играет  значительную роль в регулировании  кислотных  дождей,  так  как  он  может  нейтрализовать атмосферные  кислотные соединения:

NH3 + H2SO4 = NH4HSO4

NH3 + NH4HSO4 = (NH4)2SO4

NH3 + HNO3 = NH4NO3

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

Важнейшим источником атмосферного  аммиака  является  почва.  Находящиеся  в почве органические вещества разрушаются определенными  бактериями,  и  одним из  конечных  продуктов  этого  процесса  является  аммиак.  Ученым  удалось установить,  что  активность  бактерии,  приводящая  в  конечном   счете   к образованию аммиака, зависит в первую очередь  от  температуры  и  влажности почвы.  В  высоких  географических  широтах  (Северная  Америка  и  Северная Европа), особенно в зимние  месяцы,  выделение  аммиака  почвой  может  быть незначительным. В то же время на  этих  территориях  наблюдается  наибольший уровень  эмиссии  двуокиси  серы  и  оксидов  азота,   в   результате   чего находящиеся в атмосфере  кислоты  не  подвергаются  нейтрализации  и,  таким образом,  возрастает  опасность  выпадения  кислотного  дождя.  В   процессе распада мочи домашних животных высвобождается  большое  количество  аммиака.

Этот источник аммиака  настолько  значителен,  что  в  Европе  он  превышает возможности  выделения аммиака почвой.

 

2.2.Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.

 Попадающие в воздух загрязняющие  вещества в значительной мере  подвергаются физическим  и   химическим  преобразованиям   в  атмосфере.  Данные   процессы  протекают одновременно с распространением  этих веществ.

Химические превращения  соединений серы:

Как правило сера входит в состав выбросов не  в полностью окисленной  форме (степень окисления серы в ее двуокиси равна 4, т.е. к двум атомам  кислорода присоединяется один атом серы). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно длительного времени,  то  под  действием  содержащихся  в воздухе окислителей они  превращаются  в  серную  кислоту  или  сульфаты.  В процессе окисления кислородом (О2)  сернистого  газа  (SO2),  сера  повышает свою степень окисления и переходит в трехокись серы (SO3),  которая в свою очередь являясь очень гигроскопичным   веществом   и   взаимодействуя   с атмосферной водой,  очень быстро  превращается  в H2SO4.  Именно  по  этой причине в обычных атмосферных условиях  трехокись серы  не  содержится  в воздухе в больших количествах.  В  результате  реакции  образуются  молекулы серной кислоты, которые в воздухе  или  на  поверхности  аэрозольных  частиц быстро конденсируются.

Кроме двуокиси серы в  атмосфере  находится  также  значительное  количество других природных соединений серы, которые в  конечном  счете  окисляются  до серной кислоты (или сульфатов).

Химические превращения  соединений азота:

Наиболее распространённым соединением  азота,  входящим  в  состав  выбросов, является окись азота NO, которая при взаимодействии  с кислородом  воздуха образует  двуокись  азота.  Последняя в результате  реакции с   радикалом гидроксила превращается в азотную кислоту NO2 + OH = HNO3. Полученная  таким образом азотная кислота в отличае от серной может долгое время оставаться  в газообразном состоянии, так как она плохо  конденсируется.  Это  связанно  с тем, что азотная кислота  обладает  большей  летучестью,  чем  серная.  Пары азотной кислоты могут быть поглощены  капельками  облаков  или  осадков  или частицами аэрозоля.

Кислотная седиментация (кислотные  дожди)

Заключительным  этапом   в   круговороте   загрязняющих   веществ   является седиментация, которая может происходить двумя  путями:

1. вымывание осадков, или влажная  седиментация

2. выпадение осадков, или сухая седиментация

Совокупность этих двух процессов  и называется кислотной седиментацией.

2.3.Механизм образования и выпадения кислотных осадков.

По ряду показателей, в первую очередь по массе и  распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер один считают диоксид серы³

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3, который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты: 2SО2 + О2 = 2SО3, SО3 + Н2О=Н2SО4. Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО2 o nН2О, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н2SО3: SО2 + Н2О=Н2SО3. Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной: 2Н2S03 + 02= 2Н2S04.

Аэрозоли серной и сернистой  кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег). При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы. Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы: 2NО2 + Н2О=НNО3 + НNО2.

Существуют еще два вида кислотных дождей, которые пока не отслеживаются мониторингом атмосферы .

Находящийся в атмосфере хлор (выбросы  химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлоро-водород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

СL. + СН4 =СH.3 + НС1, СH3. + С12= СН3С1 + СL.

 

Поступление в атмосферу  больших количеств SO₂ и окислов азота приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот – серной и азотной. В этих реакциях участвуют кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализаторов:

 

2SO₂ + О₂ + 2Н₂О ¾® 2H₂SO₄;

4NO₂ + 2Н₂O + О₂ ¾®4HNO₃.

 

В атмосфере оказывается  и ряд промежуточных продуктов  указанных реакций. Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению «кислотных дождей».

Показатель рН осадков  в ряде случаев снижается на 2 – 2,5 единицы, то есть, вместо, нормальных 5,6 – 5,7 до 3,2 – 3,7 [1, с. 130].

Следует напомнить, что  рН – это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, и, следовательно, вода с рН = 3,7 в сто раз «кислее» воды с рН = 5,7. В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота рН дождевой воды колеблется от 3 до 5.

Впервые кислотные дожди  были отмечены в Западной Европе, в частности в 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 серы и азота. 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 организаций⁴.

До сих пор острота  этой проблемы сохраняется, она постоянно  в центре внимания национальных правительств и международных природоохранных  организаций. 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. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км² выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков⁵ .

В тропических районах, где промышленность практически  неразвита, кислотные осадки вызваны  поступлением в атмосферу оксидов  азота за счет сжигания биомассы. В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и 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. Минимальные значения рН осадков в этих местах достигают 3,1-3,4 .

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. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия.

В свою очередь, из России больше всего окисленной серы направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной – 1:17, с Польшей – 1:32, с Норвегией – 7:1.

Экспортируется «мокрая» часть выбросов (аэрозоли), сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости от источника выброса или на незначительном удалении от него. Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной Америки. Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной серы к соседям, чем получают от них. Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70% кислотных дождей в этих странах – результат «экспорта» из Великобритании и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады.

3..Влияние кислотных дождей на экосистемы и людей.

Выпадение кислотных  осадков на современном этапе биосферы представляет собой достаточно насущную проблему и оказывает достаточно негативное воздействие на биосферу.

Причем негативное влияние  кислотных дождей наблюдается в  экосистемах многих стран.

Особенно негативное воздействие от выпадения «кислотных дождей» ощутила на себе Скандинавия.

В 70-х годах в реках и озерах скандинавских стран стала исчезать рыба, снег в горах окрасился в серый цвет, листва с деревьев раньше времени устлала землю. Очень скоро те же явления заметили в США, Канаде, Западной Европе. В Германии пострадало 30%, а местами 50% лесов⁶ . И все это происходит вдали от городов и промышленных центров. Выяснилось, что причина всех этих бед — кислотные дожди.

Показатель рН меняется в разных водоемах, но в ненарушенной природной среде диапазон этих изменений  строго ограничен. Природные воды и  почвы обладают буферными возможностями, они способны нейтрализовать определенную часть кислоты и сохранить среду. Однако очевидно, что буферные способности природы не беспредельны.

В водоемы, пострадавшие от кислотных дождей, новую жизнь  могут вдохнуть небольшие количества фосфатных удобрений; они помогают планктону усваивать нитраты, что ведет к снижению кислотности воды. Использование фосфата дешевле, чем извести, кроме того, фосфат оказывает меньшее воздействие на химию воды.

Земля и растения, конечно, тоже страдают от кислотных дождей: снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ, меняется состав почвенных микроорганизмов.

Огромный вред наносят  кислотные дожди лесам. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает  подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит.

Все больший ущерб  кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные  ткани растений, изменяется обмен  веществ в клетках, растения замедляют  рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.

Специалисты американского  университета штата Северная Каролина изучили воздействие, оказываемое  кислотными дождями на растения в  период их максимальной восприимчивости  к факторам внешней среды. Под  влиянием кислотных дождей непосредственно после опыления в початках кукурузы формировалось меньше зерен, чем при орошении чистой водой. Причем чем больше в дождевой воде содержалось кислоты, тем меньше зерен образовывалось в початках. Вместе с тем выяснилось, что кислотные дожди, прошедшие до опыления, не оказывали заметного влияния на формирование зерен.