Причины возникновения кислотных дождей. Последствия влияния на биосферу

Для существования  первых «живых» молекул, прокариотов  необходим, как для всего живого, приток энергии извне. Каждая клетка – маленькая «энергетическая  станция». Непосредственным источником энергии для клеток служит аденозинтрифосфорная кислота и другие соединения, содержащие фосфор. Энергию клетки получают с  пищей, они способны не только тратить, но и запасать энергию.

Предметом дискуссии  является вопрос о том, возник ли на Земле сначала какой-то один вид  организма или появилось их великое  множество. Предполагают, что возникло множество первых комочков живой  протоплазмы.

Приблизительно 2 млрд. лет тому назад в живых  клетках появилось ядро. Из прокариотов  возникли эукариоты – одноклеточные  организмы с ядром. Их на Земле  насчитывается 25-30 видов. Самые простые  из них – амебы. У эукариотов существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза белка. Приблизительно к этому времени наметился  «выбор» растительного или животного  образа жизни. Основное различие этих образов жизни связано со способом питания, с возникновением такого важного  для жизни на Земле процесса, как  фотосинтез. Фотосинтез заключается  в создании органических веществ, например, сахаров, из углекислоты и воды при  использовании энергии света. Благодаря  фотосинтезу растения вырабатывают органические вещества, за счет которого происходит наращивание массы растений. Ежегодно растения на Земле вырабатывают свыше 200 миллионов тонн органического  вещества. С возникновением фотосинтеза в атмосферу Земли стал поступать кислород. В результате фотосинтеза образовалась вторичная атмосфера Земли с высоким содержанием кислорода. Нынешнее содержание кислорода было достигнуто 250 млн. лет назад в ходе интенсивного развития наземных растений.

Появление кислорода  и многоклеточных – величайший этап в развитии жизни на Земле. С этого момента началось постепенное видоизменение и развитие живых форм.

Жизнь со всеми  её проявлениями произвела глубочайшие  изменения в развитии нашей планеты, по крайней мере, наружных её оболочек. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы всё шире распространялись по планете, принимая всё большее  участие в перераспределении  энергии и веществ в земной коре, а также в воздушной и  водной оболочках Земли. Возникновение  и распространение растительности привели к коренному изменению  состава атмосферы, первоначально  содержавшей очень мало свободного кислорода и состоявшей главным  образом из двуокиси углерода и, вероятно, метана в аммиака. Растения, ассимилирующие углерод из CO2, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород и лишь следы CO2. Свободный кислород в составе атмосферы служил не только активным химическим агентом, но также источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли ("озоновый экран"). Одновременно углерод, веками скапливавшийся в остатках растений, образовал в земной коре грандиозные энергетические запасы в виде залежей органических соединений (каменный уголь, торф).

Растительный  покров изменил физические и химические характеристики планеты; изменился, в  частности, коэффициент отражения  поверхностью суши различных участков солнечного спектра. Развитие жизни  в Мировом океане привело к  созданию осадочных пород, состоящих  из скелетов и др. остатков морских  организмов. Эти отложения, их механическое давление, химические и физические превращения изменили поверхность земной коры. Активное избирательное поглощение веществ организмами вызвало перераспределение веществ в верхних слоях коры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Причины возникновения  кислотных дождей. Последствия влияния  на биосферу.

 

2.1 Причины возникновения  кислотных дождей.

 

Хозяйственная деятельность человечества в течение  последнего столетия привела к серьезному загрязнению  нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных  промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых  превышает предельно допустимую. Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека.

Среди весьма серьезных проблем  экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение  воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу. В  период промышленной и научно-технической  революции увеличился объем эмиссии  в атмосферу газов и аэрозолей  антропогенного происхождения. По ориентировочным  данным ежегодно в атмосферу поступают  сотни миллионов тонн оксидов  серы, азота, галогенопроизводных и  других соединений. Основными источниками  атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых  используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной  металлургии, химической и нефтехимической  промышленности, авиационный и автомобильный  транспорт.

Термином "кислотные дожди" называют все  виды метеорологических  осадков - дождь, снег, град, туман, дождь  со снегом, - рН которых меньше, чем  среднее  значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO2) и окислы азота (NОx) трансформируются в атмосфере земли в кислотообразующие частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая ее в растворы кислот, которые и понижают рН дождевой воды. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Аргусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере.  И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Вода  обычного дождя тоже представляет собой  слабокислый  раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO2 + H2O —> H2CO3). Тогда как в идеале рН дождевой воды равняется 5.6-5.7, в реальной жизни показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой  и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота (NOх). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

 

Атмосферные выбросы  загрязняющих  веществ.

 

При анализе соединений, которые являются предшественниками  кислотных дождей, а так же при  определении интенсивности кислотных  дождей необходимо учитывать не только антропогенные источники, но и природные источники, например лесные массивы, поскольку они в процессе газообмена выделяют значительное количество органических веществ. Имеет значение и степень урбанизации отдельных регионов, например выделяемый из антропогенных источников аммиак может существенно влиять на нейтрализацию кислотных компонентов. При этом вследствие загрязнения воздуха природными источниками сокращение промышленных выбросов не всегда может дать требуемый положительный эффект.

 

Поступление в  атмосферу соединений  серы.

 

       Соединения  серы частично попадают в атмосферу   естественным путем, а частично  антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов  и морей, играет роль естественного  источника. Обычно деятельность  человека ограничивается сушей,  поэтому мы можем учитывать  загрязнение серой только на  этой территории.

 

Существуют  три основных источника естественной эмиссии  серы.

 

1. Процессы разрушения  биосферы. С  помощью анаэробных (действующих  без участия кислорода)  микроорганизмов  происходят  различные процессы  разрушения  органических веществ.  Благодаря  этому содержащаяся  в них сера  образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные  анаэробные бактерии извлекают  из сульфатов, растворенных в  естественных водах, кислород, в  результате чего образуются сернистые  газообразные соединения.

            2. Вулканическая деятельность. При   извержении вулкана в атмосферу   наряду с большим количеством   двуокиси серы попадают сероводород,  сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным  образом в нижний слой - тропосферу, а при отдельных, большой силы  извержениях наблюдается увеличение  концентрации соединений серы  и в более высоких слоях  - в стратосфере. С извержением  вулканов в атмосферу ежегодно  в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество  незначительно по сравнению с  биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

3. В результате деятельности  человека в  атмосферу попадают  значительные количества соединений  серы, главным образом в виде  ее двуокиси. Среди источников  этих соединений на первом  месте стоит уголь, сжигаемый  в зданиях и на электростанциях,  который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (несколько процентов)  в угле достаточно велико (особенно  в буром угле). В процессе горения  сера превращается в сернистый  газ, а часть серы остается  в золе в твердом состоянии.

Содержание  серы в неочищенной  нефти также достаточно велико в  зависимости от места происхождения (0, 1-2%). При сгорании нефтяных продуктов  сернистого газа образуется значительно  меньше, чем при сгорании угля.

Источниками образования  двуокиси серы могут  быть также  отдельные отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно, там в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

Таким образом, ежегодно в  результате деятельности человека в  атмосферу попадает 60-70 млн т. серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные, т. е. главным образом в Европе и Северной Америке.

Примерно  половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40 млн т), приходится на Европу.

 

 

 

 

 

Поступления в  атмосферу соединений  азота.

 

Соединения  азота могут  попадать в атмосферу как естественными, так и антропогенными путями.  Рассмотрим наиболее важные естественные источники.

Почвенная эмиссия оксидов  азота. В процессе деятельности живущих  в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т оксидов азота.

Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плазмы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн т в год.

Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так  и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания  леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в саванне.  При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие  источники естественных выбросов оксидов азота менее  значительны и с трудом поддаются  оценке. К ним относятся: окисление  аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов  в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн. тонн оксидов азота.

Среди  антропогенных  источников образования оксидов  азота на первом месте стоит горение  ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения  в результате возникновения высокой  температуры находящиеся в воздухе  азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально  температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе  азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и  искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на ограниченных территориях  Земли.

Необходимо  упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов  азота из года в год  растет в  отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кислотных  осадков.

 

Химические превращения  соединений серы  и азота в  атмосфере.

 

Попадающие  в воздух загрязняющие вещества в  значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут параллельно  их распространению. Очень часто  загрязняющие вещества, испытав частичное  или полное химическое превращение, выпадают в осадок, изменив, таким образом, свое агрегатное состояние.