Кислотные дожди и биосфера Земли

Сингх Владимир, 9А
Муниципальноеобщеобразовательное учреждение «Лицей» г. Дедовска
2010-2011 год
Введение
«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человеказаключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шарнепригодным для обитания».
Жан Батист Ламарк
Кислотность водного раствора определяется присутствиемв нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией ионовводорода в одном литре раствора (моль/л или г/л). Щелочность водного раствораопределяется присутствием гидроксильных ионов ОН — и характеризуется их концентрацией.Шкала кислотности лежит в интервале от pH = 0 (высокая кислотность) через pH =7 (нейтральная среда) до pH = 14 (высокая щелочность). Изменение значения pH наединицу соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз. Однаковода обычного дождя представляет собой слабокислый раствор, в которомпоказатель кислотности рН дождевой воды равняется 5.6-5.7. Кислотные дождиобозначает осадки с pH меньше 5,7. Это происходит вследствие того, чтоприродные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО2), вступают вреакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO2 +H2O —> H2CO3). Показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местностиможет отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это,прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или инойместности, таких как оксид серы и оксиды азота. В дождевой воде присутствуют, икатионы щелочных элементов (Na+, K+) и анионы (HCO3-, Cl- и др.), практическинет катионов щелочноземельных элементов (Ca+2, Mg+2).
Кислотный дождь это все виды метеорологических осадков— дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижениеpH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами, в основномоксидами серы и оксидами азота. Термин «кислотный дождь» был введен в 1872 годуанглийским исследователем Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: началохимической климатологии».
Впервые в 1950-х гг. кислотные дожди были отмечены вЗападной Европе, в Скандинавии, и Северной Америке. В среднем кислотныйпоказатель осадков pH, выпадающих в виде дождей в Западной Европе и СевернойАмерике на площади почти 10 млн. км2, меняется от pH 5 до 4,5, а туманы здесьнередко имеют рН, равный 3-2,5. В последние годы кислотные дожди сталинаблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например,в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на1 км2 выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков. В связи свозросшими техногенными выбросами оксидов серы и азот эта проблема приобрелаособое значение во всем индустриальном мире. За несколько десятилетий размахэтого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики,что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция покислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и рядамеждународных организаций.
В России наиболее высокие уровни выпадений окисленнойсеры и оксидов азота см. таблицу (до 750 кг/км2 в год) на значительных поплощади ареалах (несколько тыс. км2) наблюдаются в густонаселенных ипромышленных регионах страны — в Северо-Западном, Центральном,Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадьюдо 1 тыс. км2) — в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, атакже больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск,Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками иавтотранспортом. Минимальные значения рН осадков в этих местах достигают3,1-3,4. Больше всего окисленной серы из России направляется в страныСкандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной — 1:17, с Польшей — 1:32, сНорвегией — 7:1.
I.Возникновение и составкислотных дождей
Попадающие в воздух загрязняющие вещества взначительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям ватмосфере, испытывая частичное или полное химическое превращение. При этомможет меняться агрегатное состояние. Эти процессы идут параллельно ихраспространению. Химический анализ кислотных осадков показывает присутствиеазотной (HNO3) и серной (H2SO4) кислот. Около 2/3 кислотных осадков составляютаэрозоли серной и сернистой кислот, остальное приходится на долю аэрозолейазотной и азотистой кислот. Присутствие соединений азота и серы связано свыбросом этих элементов в атмосферу. Схема образования кислотных аэрозолей идождей приведена на рис.1.
1.1Источники азота и серы в атмосферу
Источники соединений азота (рис.6б):
Естественные источники эмиссии соединений азота ватмосферу:
I. Почвенная эмиссия оксидов азота. В процесседеятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаютсяоксиды азота. Согласно данным на 1990 г. ежегодно во всем мире образуется этим путемоколо 8 млн. т. оксидов азота (в пересчете на азот).
II. Грозовые разряды. Во время электрических разрядов ватмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярныеазот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. Образовавшееся такимспособом количество оксида азота составляет около 8 млн. т.
III. Горение биомассы. Данный вид источника может иметькак искусственное, так и естественное происхождение. Наибольшее количествобиомассы сгорает в результате процесса выжигания леса (с целью получения производственныхплощадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн.т. оксидов азота (в пересчете на азот) в течение года.
IV. Прочие источники. Прочие источники естественныхвыбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К нимотносятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закисиазота, вследствие чего происходит попадание смеси образовавшихся оксидов NO иNO2 в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах.Эти источники совместно вырабатывают в течение года от 2-ух до 12 млн.т.оксидов азота (в пересчете на азот).
Антропогенные источники эмиссии соединений азота ватмосферу:
Среди антропогенных источников образования оксидов азотана первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т.д.). Вовремя горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся ввоздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NOпропорционально температуре горения.
Оксиды азота образуются и при горении имеющихся в топливеазотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодновыбрасывает в воздушный бассейн Земли около12 млн.т. оксидов азота. Немногоменьше оксидов азота, около 8 млн.т. в год поступает от сжигания горючего(бензина, дизельное топливо и т.д.) в двигателелях внутреннего сгорания.
Промышленностью во всем мире выбрасывается около 1 млн.т.азота ежегодно. Таким образом, по крайней мере, 37% из почти 56 млн.т. ежегодныхвыбросов оксида азота образуется из антропогенных источников. Этот процент, однако,будет намного больше, если к нему прибавить продукты сжигания биомассы.
Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферусоставляют в год около 70 млн. т (природные выбросы оксидов азота, по некоторымоценкам, равны в год 700 млн. т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% –на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов – на долю России. Втабл. приведены выбросы вредных веществ в атмосферу в России с 1993-1997г.
Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота ватмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов – сельское хозяйство,интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединенияазота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидамиазота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферус сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами. В состав атмосферывходит ряд азотосодержащих соединений, из которых наиболее распространеназакись азота (N2O). Этот газ в нижних слоях воздуха нейтрален и не участвует вобразовании кислотных дождей. Также в составе атмосферы Земли находятсядвуокись азота NO2 и аммиак NH3.
Атмосферный аммиак:
Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играетзначительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализоватьатмосферные кислотные соединения:
NH3 + H2SO4 = NH4HSO4
NH3 + NH4HSO4 = (NH4)2SO4
NH3 + HNO3 = NH4NO3
Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва.Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями,и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Ученым удалосьустановить, что активность бактерии, приводящая, в конечном счете, кобразованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы.В высоких географических широтах (Северная Америка и Северная Европа), особеннов зимние месяцы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то жевремя на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы иоксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаютсянейтрализации 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 превышаетвозможности выделения аммиака почвой.
Почвенная эмиссия оксидов азота. В про­цессе деятельностиживущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксидыазота. Соглас­но современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн. токсидов азота.
Грозовые разряды. Во время электрических разрядов ватмосфере из-за очень высокой температуры и пе­рехода в плазменное состояниемолекулярные азот и кисло­род в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянииплаз­мы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Об­щееколичество образовавшихся таким способом оксидов азо­та составляет 8 млн. т вгод.
Горение биомассы. Этот источник может быть какестественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает врезультате выжигания леса (с целью по­лучения производственных площадей) ипожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн. т оксидовазота в год.
Азот, как и сера, входит в состав биологическихструктур. Различные соединения азота содержатся в углях, и особенно в торфе.Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот —серной, сернистой, азотистой и азотной и, в дальнейшим вместе со снегом илидождем, выпадают на землю. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота ватмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов — сельское хозяйство,интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащиесоединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферыоксидами азота учесть трудно. По некоторым данным, поступление оксидов азота ватмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами. ВРоссии около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятияхэлектро- и теплоэнергетики, столько же -на предприятиях металлургической,машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химическойотраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатыхвеществ). Для окислов азота среди стационарных источниковтопливно-энергетический дает 85% выбросов, производство цемента, извести,стекла, металлургические процессы, сжигание мусора и др.-12%. Азотныезагрязнения поступают из нестационарных источников животноводческих предприятийи удобрений. Основные источники ЛОС-химические производства, промышленные ибытовые растворители, нефтехранилища, бензоколонки и т.д. Главный источниктехногенных оксидов азота в атмосфере — автотранспорт и другие виды моторноготранспорта (около 40%). Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаныглавным образом с электрическими разрядами, при которых образуется N0,впоследствии — NО2. Значительная часть оксидов азота природного происхожденияперерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимическийкруговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоноваяконцентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика) — 1,23 мкг/м3 (средниешироты), что существенно ниже ПДК, равной 40 мкг/м3. Оксиды азота техногенногопроисхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температурапревышает 1000 «С. При высоких температурах часть молекулярного азотаокисляется до оксида азота N0, который в воздухе немедленно вступает в реакциюс кислородом, образуя диоксид N02 и тетраоксид диазота N2О4. Первоначальнообразующийся оксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота ватмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается вдиоксид — гораздо более опасное соединение. Наиболее распространеннымсоединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота NO
Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросовоксидов азота из года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтомусоединения азота играют огромную роль в образовании кис­лотных осадков.
Источники соединений серы (рис.6а):
Естественные источники эмиссии серы в атмосферу:
I. Биологическое выделение. Почти все без исключения традиционныемодели круговорота серы показывали, что около 50% серы появляется в атмосфере засчет её биологических превращений в почвенных и водных экосистемах.
Предполагается, что в результате происходящихмикробиологических процессов, в этих естественных экосистемах сера улетучиваетсяв форме сероводорода (H2S). Многочисленные научные данные свидетельствуют, что микроорганизмыпродуцируют сероводород в основном двумя путями:
1. восстановление сульфатов.
2. разложение органического вещества.
Desulfovibrio, а также родственные им бактерии,восстановители сульфатов, во множестве населяют болота, топи и слабо дренированныепочвы. Данные микроорганизмы используют сульфаты как конечный акцепторэлектронов. Также чрезвычайно большая и разнообразная группа микроорганизмов, включающаяаэробы, термофилы, психрофилы, бактерии, актиномицеты и грибы, разлагаетсеросодержащие органические соединения и высвобождает сероводород.
Поверхность моря и его глубинные слои также может содержатьзначительные количества сероводорода. В настоящее время не совсем точно известныисточники образования диметилсульфида, но предполагается, что в ихвозникновении принимают участие морские водоросли. Выделения серы биологическимпутем не превышают 30 – 40 млн. т. в год, что составляет приблизительно 1/3 отвсего выделяемого количества серы.
II. Вулканическая деятельность. При извержении вулканав атмосферу Земли наряду с большим количеством двуокиси серы попадаютсероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образомв нижний слой – тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях, наблюдаетсяувеличение 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 данное количество серы незначительнопо сравнению с биологическим выделением, для стратосферы же извержения вулкановявляются самыми важными источниками появления серы.
III. Поверхность океанов. После испарения капель воды,поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остаётся морская соль,содержащая наряду с ионами натрия и хлора соединения серы – сульфаты. Вместе счастичками морской соли ежегодно в атмосферу Земли попадает от 50 до 200 млн.т. серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы в атмосферу естественным путём. Втоже время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают изатмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в верхние слоии распыляется над сушей. Однако следует учитывать тот факт, что из сульфатовморского происхождения не может образовываться серная кислота, поэтому с точкизрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Ихвлияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.
Антропогенные источники эмиссии серы в атмосферу:
В результате деятельности человека в атмосферу попадаютзначительные количества соединений серы, главным образом в виде двуокиси (SO2).Среди источников этих соединений на первом месте в мире стоит уголь, сжигаемый наэлектростанциях и др. промышленных предприятиях. Уголь дает 70% от всехантропогенных выбросов. В процессе горения часть серы держащееся в топливепревращается в сернистый газ, а часть остается в золе в твердом состоянии. Содержаниесеры также достаточно велико (0.1 – 2%) и в неочищенной нефти, но эти показателиварьируются в зависимости от происхождения, однако при сгорании нефтепродуктов сернистогогаза образуется значительно меньше, чем при сгорании угля. В мире на первомместе по выбросам сернистых соединений в атмосферу стоят такие отраслипромышленности как: металлургическая, предприятия по производству сернойкислоты и переработке нефти. Таким образом, в результате деятельности человекав атмосферу Земли попадает ежегодно около 60 – 70 млн. т. серы в виде двуокиси серы.Сравнение естественных и антропогенных источников эмиссии серы и её различныхсоединений в атмосферу показывает, что человек, в результате своей деятельности,загрязняет атмосферу Земли этими соединениями в 2 раза больше, чем это происходитв природе естественным путем. Соединения серы, сульфид, самородная сера идругие содержатся: в углях и в руде (особенно много сульфидов в бурых углях,при сжигании или обжиге которых образуются летучие соединения — оксид серы(сернистый ангидрид SO2), оксид серы (серный ангидрид SO3). Диоксид серыобразуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут(содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5-6%), на электростанциях (~40%антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, припереработке содержащих серу руд, при различных химических технологическихпроцессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности(-50%). При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серыв виде главным образом ее диоксида (до серного ангидрида окисляется менее 3%серы), в 4-5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута. По данным ЕЭК,двуокись (трехокись) серы поступает из теплоэлектростанций и другихстационарных источников при сжигании ископаемого топлива (88%), при переработкесульфидных руд (5%), нефтепродуктов, производстве серной кислоты и др. (7%).Принедостаточном обжиге или неполном сгорании, при низкой температуре образуется вмалых количествах сероводород(H2S).
1.2Кислородные соединения азота
В состав атмосферы входит ряд азотсодержащихмикровеществ, но в кислотной седиментации участвуют только два из них: окись идвуокись азота, которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азо­тистуюкислоту.
NO+O3→ NO2+O2
(окись азота + озон — двуокись азота + молекулярныйкислород).
Итак, можно предположить, что окисью азота можно пре­небречьвследствие указанных окислительных процессов. Од­нако это не совсем так, чтообъясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азотав значи­тельной степени происходит в форме окиси азота, и требуется время,чтобы NO полностью превратилась в NO2. С другой стороны, в непосредственнойблизости от источников загряз­нения количество окиси азота превышает количестводвуоки­си азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мереприближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению.Например, в чис­том воздухе над поверхностью океана часть окиси азота со­ставляетвсего несколько процентов от двуокиси азота. Соот­ношение этих газов, впрочем,может меняться вследствие фо­тодиссоциации двуокиси азота:
NO2+ hυ →NO+O
(двуокись азота+ квант света — окись азота+ атомкислорода),
Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кис­лота,образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислотанейтрализуется, то образуется азот­нокислая соль, которая обычно присутствует ватмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, кото­рыеполучаются в результате взаимодействий аммиака с ка­кой-либо кислотой.
1.3Кислородные соединения серы
У диоксид серы, попавшего в атмосферу, под действиемсолнечной энергии возникают так называемые активированные молекулы, которыерасполагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием.Активированные молекулы диоксида серы в отличие от «нормальных» молекул могутвступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно большихколичествах молекулярным кислородом:
SO2+hυ→SO2*
SO2*+2O2→ SO3+O3
*--активированная молекула двуокиси
В тех средах, где имеется относительно высокоесодержание двуокиси азота под действием света (hυ) может выделятьсяатомарный кислород и протекать следующие реакции:
NO2+hυ →NO+O
SO2+O→ SO3
Образовавшийся оксид серы (SO3), очень быстровзаимодействует с атмосферной водой и образуется серная кислота.
SO3 + Н2O → Н2SO4
Однако основная часть выбрасываемого диоксида серы вовлажном воздухе образует кислотный полигидрат SО2•nH2O, который часто называютсернистой кислотой и изображают условной формулой Н2SО3:
SO2 + H2O → H2SO3
Сернистая кислота во влажном воздухе постепенноокисляется до серной:
2Н2SО3 + О2 → 2Н2SO4.
Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят кконденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков(дожди, туманы, снег). При сжигании топлива образуются твердые микрочастицысульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде,которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.
Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химическихпредприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее кобразованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступленияметана в атмосферу: антропогенный — рисовые поля, а также результат таяниягидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образуетхлоро-водород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей солянойкислоты
Сl• + СН4 → CН•3 + НСl,
СН•3 + Сl2 → CН3Cl + Сl•.
Очень опасны выбросы фтороводорода (производствоалюминия, стекольное), который хорошо растворяется в воде, что приводит кпоявлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты.
2.Влияние на биосферу
Самый богатый животный мир присущ водам, рН которыхлежит в нейтральной или слабощелочной области. Он во много раз богаче, чемживотный мир кислых или щелочных вод. Водоемы с очень кислыми водаминеобитаемы, жизни в них нет, как нет жизни и в водоемах со значениями рН >11. Первыми жертвами кислотных дождей стали озера и реки. Связь жизни водных организмовс изменением рН в водоемах приведена на рис.4 Сотни озер в Скандинавии, насеверо-востоке США и на юго-востоке Канады, в Шотландии превратились вкислотные водоемы. Кислотные дожди привели к резкому снижению продуктивности2500 озер Швеции (рис.2). В Норвегии примерно половина поверхностных вод имеетповышенную кислотность, из 5000 озер в 1750 исчезла рыба. В провинции Онтарио(Канада) пострадало 20% озер, а в провинции Квебек — до 60% озер.
Подкисление водоемов происходит за счет вымыванияанионов серной и азотной кислот из почвы-главного аккумулятора кислотныхзагрязнений.
Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей наводоемы. Первая стадия — начальная. С увеличением кислотности воды (показателирН меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоемапищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиватьсяводоросли (буро-зеленые).
Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема.При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия — кислотностьповышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органическиевещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затемгибнет планктон — крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепиводоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериямиорганических веществ. Третья стадия — кислотность достигает рН 4.5, погибаетвся рыба, большинство лягушек и насекомых.
При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется. Вэтих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединенийалюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых,растительный и жи­вотный планктон, а также белые водоросли.
Первая и вторая стадии обратимы при прекращениивоздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществна дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы.
При повышении кислотности воды (еще до критическогопорога выживания водной биоты, например, для моллюсков таким порогом являетсярН = 6, для окуней — рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия засчет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:А1(ОН)3+ЗH2O+3Н+→[Al(H2O)6]3+. Даже небольшая концентрация ионов алюминия(0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитиефитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием,становятся малодоступными этим организмам. Повышение кислотности приводит кпоявлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов — кадмия, свинца идругих, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и непредставляли угрозы живым организмам. Дефицит питательных веществ иинтоксикация воды приводят к своеобразной „стерилизации“ водоемов.Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, аглавное — снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит ксокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотойтрофическими цепями (цепи питания). „Мертвая вода“ усиливает дефицитпресной воды, обусловленный возрастающими масштабами хозяйственного и бытовогоиспользования и ее загрязнением.
Среди факторов, воздействующих на популяции рыб всвязи с подкислением, называют нехватку кальция, осаждение алюминия на жабрахи, главным образом, нарушение репродуктивных процессов. Чувствительны кподкислению также амфибии, ракообразные, хирономиды, личинки поденок ивеснянок, сокращение биомассы которых существенно сказывается на численностиоколоводных птиц.
Эти токсичные металлы представляют опасность дляздоровья человека.
Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца илипринимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзныезаболевания.
Алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера,разновидность преждевременного старения. Тяжелые металлы, находящиеся вприродных водах, отрицательно влияют на почки, печень, центральную нервнуюсистему, вызывая различные онкологические заболевания. Генетические последствияотравления тяжелыми металлами могут проявиться через 20 лет и более не только утех, кто употребляет грязную воду, но и у их потомков.
Что касается состояния рек и озер России, то качествоводы большинства водных объектов в течение всех последних лет наблюдений иконтроля со стороны Госкомэкологии не отвечает нормативным требованиям из-засильного загрязнения промышленными сточными водами. Все (обратите на этовнимание!) основные реки России и их крупные притоки оцениваются как»загрязненные" или «сильно загрязненные». При такомположении кислотные осадки Почвенные организмы более приспособлены к пониженнымзначениям рН почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью,особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые червимогут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они «нейтрализуют»почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевыечерви погибают. мало изменяют качественные характеристики воды.
Подкисление почвы приводит к изменению Аl/Са и Al/Mgотношений, которые в Центральной Европе за последние двадцать лет возрослипочти в два раза. Однако емкость почв по отношению к кислотным загрязнениямопределяется их минеральным составом, катионным обменом, почвенным дыханием идругими факторами, которые в свою очередь зависят от геологического субстрата,климата и растительности. Существует несколько расчетных моделей оценкикислотности почв и ее картографического анализа, в ряде случаев выявляющихочень высокую степень корреляции с геологическим субстратом.
Широко известно, что алюми­ний, растворенный в сильнокислойсреде, ядовит для живу­щих в почве организмов. Во многих почвах, например, в се­верныхумеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высокихконцентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотямногие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, од­нако привыпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций впочвенных водах настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создает­сяопасность для существования деревьев.
Среди других нарушений, происходящих в почвевследствие ее подкисления, следует отметить нарушение процессов питаниярастений, разрушение их корневой системы.
Многообразно косвенное влияние: загрязнения выступаютв роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющихрастение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическимизменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям — грибам, бактериям,жукам и др. В то же время подкисление почвы азотнокислыми дождями стимулируетразвитие лесных вредителей. Наибольший урон кислотные дожди нанесли лесамЦентральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн.га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оцениваетсяв 118 млн. м3 древесины в год (из них около 35 млн. м3 на европейскойтерритории России). В меньшей степени от кислотных дождей страдаютсельскохозяйственные растения, поскольку подкисление почв здесь можноконтролировать агрохимикатами.
Почвенное подкисление считают одной из основных причинусыхания лесов умеренной зоны северного полушария (рис.8), причем этот фактордолго действующий, который может проявиться через много лет после прекращениякислотообразующих выбросов в атмосферу. Больше всего пострадали елово-пихтовыеи дубовые леса. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит кнарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение с поверхностилиста) и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла (это воздействие можноопределить зрительно по побурению листьев и игл).
Старые леса при этом терпят больший ущерб, чеммолодые. Эффекты подкисления можно подразделить на химические и биологические.Первые заключаются главным образом в изменении катионного обмена растения, врезультате которого деревья страдают от недостатка магния (особенно наестественно бедных магнием почвах) и избытка алюминия, в котором видят главнуюпричину пожелтения хвои. Вторые весьма многообразны и большей частью носяткосвенный характер: загрязнения выступают в роли пусковых механизмовбиологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, делающих егоменее устойчивым к вредителям и климатическим воздействиям. В частности, кислаясреда подавляет развитие микоризы и рост корней. В то же время повышенноесодержание азота и свободных нуклеиновых кислот стимулирует развитие лесныхвредителей. Косвенные воздействия выражаются в пролонгации летнего роста исоответственно повышенной чувствительности к первым заморозкам. К ним можноотнести также изменение генофонда в результате естественного отбора наустойчивость к кислотным загрязнениям.
Уже давно установлено, что существует тесная зависи­мостьмежду уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации SO2около 1 мг/м3 возрастает число смертельных случа­ев, в первую очередь средилюдей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей.Статистиче­ские данные показали, что такое серьезное заболевание, как ложныйкруп, требующее моментального вмешательства вра­ча и распространенное среди детей,возникает по этой же причине. То же самое можно сказать и о ранней смертностиноворожденных в Европе и Северной Америке, которая еже­годно исчисляетсянесколькими десятками тысяч.
3.Способы борьбы
Чистота атмосферного воздуха планеты – одно изприоритетных направлений природоохранной деятельности национальныхправительств, которая развивается в рамках программы, принятой на XIXспециальной сессии Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций в июне 1997 г.
Международными соглашениями установлены критическиенормы выбросов диоксида серы и оксидов азота, ниже которых их воздействие нанаиболее чувствительные компоненты экосистем не обнаруживается, а также рядрекомендаций по осуществлению снижения этих выбросов.
Среди эффективных методов борьбы с выбросамиокисленной серы в атмосферу через дымовые трубы следует отметить различныегазоочистители, такие, как электрические фильтры, вакуумные, воздушные илижидкие фильтры-скрубберы. В последних газообразные продукты сгоранияпропускаются через водный раствор извести, в результате образуетсянерастворимый сульфат кальция СаSО4. Этот метод позволяет удалить до 95% SО2,но является дорогостоящим (снижение температуры дымовых газов и понижение тягитребует дополнительных затрат энергии на их подогрев; кроме того, возникаетпроблема утилизации СаSO4) и экономически эффективен лишь при строительственовых крупных предприятий. Такой же дорогостоящий метод очистки дымовых газовот оксидов азота с помощью изоциановой кислоты НNСО (удаляется до 99% оксидовазота, превращающихся в безвредные азот и воду).
Применение высоких дымовых труб. Это один из наиболееспорных способов. Сущность его заключается в следующем. Перемеши­ваниезагрязняющих веществ в значительной степени зави­сит от высоты дымовых труб.Если мы используем низкие трубы (трубы электростанции), то выбрасываемыесоединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают восадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближай­шем окружении (отнескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидовсеры и азота бу­дет высокой и, естественно, эти соединения будут причинятьбольше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воз­действия уменьшаются,но возрастает эффективность переме­шивания, что означает большую опасность дляотдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменениесеры в газах, образующихся во время горения топлива химического составаатмосферы, изменение кли­мата). Таким образом, строительство высоких труб,несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязне­ния воздуха,зато в значительной степени увеличивает «экс­порт» кислотных веществи опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно,увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воз­действиязагрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однакокосвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются.Страны, где происходят сильные выбросы загрязне­ний, переадресовывают в этомслучае часть кислотных осадков вместе с их неблагоприятными последствиями вдругие страны.
Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используяуголь с малым содержанием серы, а также путем физической или химической егопромывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы,таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляется органическая сера.Однако, физические методы очистки малорентабельны, а применение химическихметодов очистки из-за ряда технических сложностей эффективно лишь на вновьстроящихся электростанциях. Для средних и малых предприятий энергетикииспользуется метод сжигания топлива в кипящем слое, при котором удаляется до95% диоксида серы и от 50 до 75% оксидов азота.
Схема технологии сжигания топлива с большой скоростьюв специальной печи (рис.9).
По приближенным оценкам из известных в настоящее времями­ровых запасов нефти только 20% имеют содержание серы ме­нее 0, 5%. Среднеесодержание серы в используе­мой нефти увеличивается, так как нефть с низким со­держаниемсеры добывается ускоренными темпами.
Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (ма­зут)содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута — процесс оченьсложный, а в результате удается ос­вободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К томуже процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капиталь­ныхвложений.
Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержа­ниемсеры находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшаячасть имеющихся залежей уг­ля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1,0%.
Сера в угле находится частично в неорганической, а час­тичнов органической форме. Во время очистки, когда удаля­ют несгораемые части,удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самыхблагоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серыв угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так инеорганические серосодержащие сое­динения. Но в связи с тем, что процесс идет привысоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо до­рожепредыдущего.
Таким образом, очистка угля и нефти от серы, представ­ляетсобой достаточно сложный и малораспространенный про­цесс. И затраты на неговысокие. Кроме того, да­же после очистки энергоносителей в них остаетсяприблизи­тельно половина первичного содержания серы. Поэтому очи­стка от серыявляется не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.
В зону горения (с перфорированной подстилкой) на­правляютпоток несгораемого вещества, связывающего серу. Всасываемый снизу с большойскоростью воздух измельчает и перемешивает вещество, находящееся в объемегорения. С помощью этого процесса можно не только уменьшить выброс двуокисисеры, но и снизить количество образующегося ок­сида азота NO, так как при этомснижается температура горения, так как количество оксида азота NO, которыйобразуется при го­рении: зависит от температуры горения, чем меньше температурагорения, тем меньше образуется оксида азота. Количество NO зависит и от временинахож­дения топлива в зоне горения и от избытка воздуха. Путем снижениетемпературы горения можно уменьшить содержание оксидов азота на 50-60%. Та­кимобразом, соответствующим изменением технологии можно сократить количествовыбрасываемых загрязняющих веществ.
Заключение
Несколько десятилетий назад выражения “кислотныеосадки” и “кислотные дожди” были известны лишь исключительно ученым,посвященным в определенных, специализированных областях экологии и химииатмосферы. За последние несколько лет эти выражения стали повседневными,вызывающими беспокойство во многих странах мира. Проблема кислотных дождейстала одной из экологических проблем глобального масштаба. Кислотные осадкиявляются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызватьи уже в некоторых регионах вызывает существенные экономические и социальныеиздержки. Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере можетбыть использована для решения этой проблемы. Из этой модели видно, что основнойпричиной кислотных дождей является антропогенная деятельность. Меж­дународныйисследовательский институт прикладного систем­ного анализа (IIASA) проводитизучение моделей с целью ус­тановления возможной кислотности почв, вод и т.п.через де­сятки лет. Результаты говорят о том, что почвы и леса в Европе могутбыть спасены от дальнейшего закисления только путем значительного сокращениявыбросов. Эти выбросы должно само­стоятельно регулировать каждое государство.Для уменьшения эмиссии загрязняю­щих веществ в атмосферу существует рядспособов:
сильное сокращение использования энергии;
ввод новых технологий, установка фильтрующего обору­дования;
использование слабозагрязняющих либо совсем незагряз­няющихисточников энергии.
Подобное решение звучит довольно нереально. Ни одногосударство не согласится уменьшить масштабы потребления энергии и тем самымухудшить уровень жизни. Ввод новых технологий и установка фильтрующего обору­дованиятакже представляют собой экономическую проблему. Тем не менее, единственнымрешением проблемы кислотных дождей видится в сокращении потребления энергии,улучшении контроля над выбросами или разработке альтернативных методовпроизводства электроэнергии, таких, как использование ядерной энергии.
Основные последствия выпадения кислотных осадков приведенына рис.4 и 5.
— Повреждение статуй, зданий и отделки автомобилей.
— Гибель рыб, водных растений и микроорганизмов возерах и реках.
— Понижение способности к воспроизводству лососей ифорели при рН
— Гибель и понижение продуктивности многих видовфитопланктона, когда рН
— Разрыв азотного цикла в озерах, когда величина рНколеблется от 5,4 до 5,7.
— Ослабление или гибель деревьев, особенно хвойныхпород, произрастающих на больших высотах, из-за вымывания из почвы кальция,натрия и других питательных веществ.
— Повреждение корней деревьев и гибель многих видоврыб из-за высвобождения из почв и донных осадков ионов алюминия, свинца, ртутии кадмия.
— Ослабление деревьев и усиление их подверженностиболезням, насекомым, засухам, грибам и мхам, которые процветают в кислой среде.
— Замедление роста культурных растений, таких, какпомидоры, соя, фасоль, табак, шпинат, морковь, капуста-брокколи и хлопок.
— Рост популяции 81агола, простейшего, вызывающегосерьезную кишечную инфекцию, которая поражает скалолазов и альпинистов, пьющихводу из, казалось бы, чистых горных ручьев.
— Возникновение и обострение многих болезнейдыхательной системы человека, преждевременная гибель людей.
Список литературы
Заиков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дождии окружающая среда. М.: Химия, 1991. 142 с.
Небел Б. Наука об окружающей среде. М.: Мир, 1993. Т.1-2.
Новиков Ю.В., Экология, окружающая среда и человек:Учеб. Пособие для вузов, средних школ и колледжей. – М.: ФАИР-ПРЕСС, 2000. –320 с.
Миллер Т., Жизнь в окружающей среде М.: Прогресс,Пангея, Т.3 1993 г. 400с.
Шандала М.Г., Звиняцковский Я.И. Окружающая среда и здоровьеКиев: Здоровье, 1988. 152с.
Акимова, Т. А., Кузьмин А. П., Хаскин В. В., Экология.Природа — Человек — Техника: Учебник для вузов.- М.: ЮНИТИ — ДАНА, 2001.- 343с.
Исаев, А. А. Экологическая климатология.- 2-е изд.исп. и доп.- М.: Научный мир, 2003.- 470с.
Найдыш, В. М. Концепции современного естествознания:Учебник.- Издание 2-е перераб. и доп.- М.: Альфа — М; Инфра — М, 2004.- 622с.
Николайкин, Н. И., Николайкина Н. Е., Мелехова О. П.экология.- 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Дрофа, 2004.- 624с.
Новиков, Ю. В. Экология, окружающая среда, человек:Учебное пособие.- М.: Гранд: Фаир — пресс, 2000.- 316с.
Л.Хорват «Кислотный дождь», М.: Стройиздат, 1990г. 81с.
Л.Беттен «Погода в нашей жизни», Издательство «Мир»,Москва, 1985г.224с.
Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера», Москва, изд-воЗнание, 1996г.96с.
Ермаков А.Н., Пурмаль А.П. Физическая химия кислотныхдождей // Энергия. №9 1999г. −С.22-28.
Дрейер О.К., Лось В.А. Развивающийся мир иэкологические проблемы. М.: Знание, 1991. — 64 c.
Для подготовки данной работы были использованыматериалы с сайта referat.ru/