КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ

Источник: http://novgen.freeservers.com/lake/acid/acidrain2.htm

Несколько лет назад выражения “кислотные осадки” и “кислотные дожди” были известны лишь исключительно ученым, посвященным в определенных, специализированных областях экологии и химии атмосферы. За последние несколько лет эти выражения стали повседневными, вызывающими беспокойство словами во многих странах во всем мире.

Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать в результате существенные экономические и социальные издержки. Окисление почв и вод – это комплекс причин, исходных условий и следующих один за другим процессов в химической и биологической системах, которые мы обобщенно называем нашей окружающей средой. Часть процессов окисления является природной, но данные изменения кислотности в системах почвы и воды ни по скорости, ни по общему охвату не могут быть сравнены с окислением, ставшим результатом собственной деятельности человека в промышленной и энергетической областях,а также в определенной части современного использования земли.

Само понятие “кислотный дождь” вошло в обращение 110 лет тому назад. Английский химик Роберт Ангес Смит обнаружил, что в промышленном городе Манчестере и вокруг него имеются “три вида воздуха”, а именно: воздух с карбонатом аммония в отдаленных полях; воздух с сульфатом аммония в окресностях и воздух с серной кислотой или бисульфатом в городе. В 1872 году он писал о “кислотном дожде” в книге “Воздух и дождь” –начала химической климатологии” и рассматривал в ней ряд тех явлений, о которых мы сейчас говорим в связи с проблемой окисления :сжигание угля, разложение органических материалов, траектория ветров, близость к морю, количество осадков на месте. Смит указывал, что кислый воздух в городе обеспечивает краски в тканях и разъедает поверхности металлов, что кислая дождевая вода повреждает растительность и материалы, что такие вещества, как мышьяк, медь и прочие металлы выпадают вместе с дождями в промышленных районах.

В начале 40-х годов нашего века шведский почвовед Ханс Эгнер взял на себя инициативу проведения систематических исследований с целью определения возможности обеспечения для растительности дополнительных питательных веществ – “удобрения “за счет использования выпадающих, переносимых воздухом веществ.

До 50-х годов атмосферный перенос загрязнителей привлекал внимание прежде всего в связи с переносом и распространением в местном масштабе. Шведские ученые Карл Густав и Эрик Эрикссон убедились в том, что воздух служит в качестве транспортера на длинных и коротких отрезках, и что “багаж” может содержать вещества в различной химической форме, которые постепенно выпадают на землю на больших расстояниях от места их .

В 50-х годах нашего века Эвиль Горам заложил основы знаний, которыми мы сегодня располагаем в области окисления водных систем. Он смог свести результаты исследований к ряду принципов, объясняющих происходящее в водных системах при введении в них большого количества окисляющих веществ.

После 1950 года произошло очень сильное увеличение выбросов и к в 1960-х годах кислотные дожди определились как проблема в ряде стран Европы и Северной Америки. Появились первые публикации по окружающей среде, которые охватывали крупномасштабные регионы с основными загрязнителями – окислов серы (SOx) и окислов азота (NOx) от разработки полезных ископаемых. Которые распространялись на сотни миль от мест разработки ветром, после чего они вымывались из атмосферы дождями, туманами и снегом..В 1968 году Уден опубликовал работу, где он доказал, что осадки над скандинавскими странами постепенно становятся все более кислыми, а также что большие количества окисляющих веществ – сернистые соединения – поступают в виде выбросов из промышленных районов в Центральной Европе и Великобритании. Строго говоря, то, что ветры могут переносить видимые и осязаемые частицы, как например, сажу или песчаную пыль, новостью не было, поскольку такие случаи известны уже давно. В 1755 году было отмечено, что красная песчаная пыль из Сахары достигла Англии, пройдя длинный путь над странами и континентами. В 1881 году ученые в Норвегии утверждали, что загрязнители воздуха, поступившие с ветрами из Англии, явились причиной того, что снег в определенных районах Норвегии принял серую окраску. В 1950 году в Европе можно было чувствовать запах дыма от огромного лесного пожара по другую сторону Атлантического океана, в канадской провинции Альберта.

Источники загрезненных выбросов в атмосферу.

В 60-е годы огромное внимание привлекли исследования изменений, которые наблюдались в химии осадков , которые были вызваны кислотными дождями. Было установлено, что основную роль в составе кислотных дождей принадлежит двуокислу серы и окислу азота, которые оказывали загрязняющее действие на большиз расстояниях. Благодаря интенсивному переносу воздушных масс. Кислые осадки вызывают изменения, которые происходят на всей поверхности и производят мобилизацию ионов всех металлов, особенно Ca, Vg, Al, Mn, Fe, Zn.В природных условиях диоксид серы попадает в атмосферу несколькими путями: морской пеной, брызгами, волнами, в процессе гниения водорослей и жизнедеятельности планктона, в результате извержения вулканов. Однако, в настоящее время половина выбросов двуокиси серы является результатом хозяйственной деятельности человека.На сегодня общий антропогенный выброс серы в атмосферу составляет 75-100 млн. тонн в год. Это, по меньшей мере, столько же, сколько поступает в виде газообразных сернистых соединений вследствие естественных процессов из морей, болотистых почв и вулканов. 

                         Источники загрезненных выбросов в атмосферу

Источники Диоксиды серы (% от общего количества) Оксиды азота(% от общего количества)
Источники выработки тепла и электроэнергии 55 37
промышленность 44 13
транспорт 1 50

Изучение баланса серы для Европы в восточной части Северной Америки показало, что в этих регионах (которые являются наиболее загрязненными) антропогенный выброс составляет полностью доминирующую часть циркулирующей через атмосферу серы. Поэтому неудивительно, что на составе воздуха и осадков в этих регионах сильно сказывается деятельность человека. В Европе тепловые электростанции, работающие на угле, торфе, мазуте и газе, а также автотранспорт и сельхозтехника, использующие бензин и солярку, поставляют 85% всей атмосферной серы. В связи с этим многие страны стали вводить у себя контроль за выбросом диоксида серы электростанциями.

Превращение серы в атмосфере

В атмосфере благодаря кислороду и озону индустриальные выбросы  превращаются в серную и азотную кислоту, а углекислый газ, как исконный, так и внесенный в процессе хозяйственной деятельностью человека,превращается  в угольную кислоту.Стоит только SO2 попасть в воздух, как он сперва превращается в SO3  а вслед за этим в дело вступает вода, и рождается серная кислота.В сухом воздухе диоксид серы, выброшенный например, из трубы электростанции, может пропутешествовать многие сотни километров от источника и почти целиком избежать превращения в кислоту. А вот попав в облако, в результате соприкосновения с водными парами, диоксид серы окисляется в течение короткого времени (всего за несколько часов). Причем капельки влаги в самих облаках раз в десять кислее, чем дождь,выпадающий на поверхность земли.Другим воздушным загрязнителем являются оксиды азота (NO2 и NO),которые выбрасываются в атмосферу в результате работы электростанций,автомобильных двигателей. В атмосфере они превращаются в азотную кислоту.Вблизи большого индустриального города в воздухе находятся также и частицы железа, марганца, которые часто служат катализаторами химических реакций.

Вдали от промышленных центров решающий вклад в кислотность дождя и снега вносит углекислый газ (80%), на серную и азотную кислоты  приходится лишь 10%. По-иному обстоит дело в небе над индустриальными регионами. Здесь 60% кислотности дает серная кислота, 30% - азотная, 5% - соляная и только 2% - углекислый газ, оставшиеся 3% кислотности порождают другие примеси.

Кислотные дожди и водоемы

Об ущербе, наносимом окислением озерам и рекам, сообщается с разных концов света. Больше всего пострадали Швеция, Норвегия, США и Канада но и из ФРГ, Бельгии, Голландии, Дании, Шотландии, ГДР и Югославии поступают сведения о –том, что поверхностные воды начинают окисляться втех районах, где почвы бедны известью.

Наземные экосистемы

Воздействие кислотных дождей на наземные экосистемы не так четко проявляется. Одной из основных причин этого является то, что почвы по сравнению с водными экосистемами больше забуфферены. Кислотные добавки могут здесь хорошо нейтрализоваться. Кроме того, многие растения произрастают в обычном режиме на почвах с рН 3,8-5,5 и приспособлены к химическому составу почвенных растворов. Большая часть дождей, выпадающих на лесные массивы являются в основном перехваченными листвой, которые на своей поверхности производят химические изменения их состава.Известно,что любая почва содержит алюминий,который в ней в нерастворимой форме.Соединяясь же с кислотным осадкам алюминий высвобождается из сложных почвенных соединений и вымывается водными потоками.

Леса также подвергаются воздействию кислотных дождей. В середине 70-х годов стали замечать,что заросли норвежской ели начали желтеть и осыпаться.Впоследствии, бедствие разгулялось по всей Европе. В Голландии и Великобритании к 1986 г. около трети деревьев оказались “полностью или умеренно обнаженными” . В ФРГ то же самое случилось с 20%, в Чехословакии и Швейцарии примерно с 16% деревьев.Исследователи определили,что кислые дожди вымывают из почв питательные вещества, высвобождают алюминий, который попадает в корни деревьев. Из почвы вымываются кальций и магний.Диоксид серы прямо повреждает зелень – блокирует устьица на листьях и иголках, мешая фотосинтезу. Для некоторых деревьев ядом служит озон, порождаемый выхлопом автомобилей; особенно он вреден, когда соединяется с диоксидом серы. Уродливо быстро начинают расти ветвт, зато корни усыхают. И вообще многие процессы жизнедеятельности леса нарушаются.

Все больше азотной кислоты в осадках

В одном американском исследовании указывалось, что доля серной кислоты в общем количестве кислоты в осадках за десятилетний период ( с середины 60-х годов) уменьшилась с 83 до 66%. Одновременно доля азотной кислоты увеличилась с 15 до 30%. Таким образом, повышенная кислотность осадков может в значительной степени быть объяснена увеличением количества азотной кислоты.Для возможности оценки последствий окисления в почве и воде необходимо также принимать в расчеты сухое осаждение. К сожалению, сведения о его размерах являются немногочисленными и ненадежными. К тому же, при прохождении осадков через слой растительности со многими веществами происходят различные изменения. Как раз для сульфатов и нитратов может произойти резкое изменение распределения при прохождении осадков через кроны деревьев. Как видно, количество сульфатов, достигающих земли в сосновм и еловом лесу, на 50% больше, чем в открытом поле. В районах с высоким сухим осаждением данное количество может быть в 2-3 раза больше. Одновременно при прохождении воды через кроны деревьев отфильтровываются ионы нитратов. Это означает, что “вклад” нитратов в кислотность воды, поступающей в почву в хвойном лесу, составляет только 5-10% доли сульфатов. При этом кислотность сильно возрастае в хвойном лесу, где рН может быть на единицу ниже в каплях под деревьями по сравнению с рН вне крон деревьев. Изменение меньше для лиственных лесов, где рН во многих случая возрастает.

Таким образом, ”переработка” ионов сульфатов и нитратов происходит в природе по-разному. Это приводит к тому, что влияние нитратов на кислотность почвы и воды, как правило, меньше того, которое указывается величинами, определяющими количество мокрых осаждений.

Способствуют ли нитраты окислению озер?

Сравнительная оценка роли азотной кислоты в поступлении водородных ионов в поверхностные воды может быть выполнена по-разному.Для бедных питательными веществами, часто чувствительных к окислению озер доля азотной кислоты обычно составляет только малую часть (>5%) общего количества кислоты. Если такие озера имеют маленькие районы притоков, то большую роль играет непосредственное поступление осадков на поверхность озера. Поскольку кислота в осадках приблизительно на 30% состоит из азотной кислоты, ее значение в отношении окисления в таких случаях возрастает.Богатые питательными веществами озера часто окружены богатыми питательными веществами почвами, и поступление в них водородных ионов из окружения является сравнительно небольшим. В результате, соотношение между двумя кислотами будет приблизительно таким же, как в осадках, т.е. 30% азотной кислоты и около 70% серной кислоты. Когда нитратные ионы вымываются из окружающей почвы, с ними следуют не водородные ионы, а ионы кальция, магния и другие положительные ионы. Поэтому общая кислотная нагрузка для богатых питательными веществами озер ниже, чем для бедных питательными веществами озер, и относительно более сильное воздействие, оказываемое азотной кислотой, не является настолько решающим для окисления.

Поступающие в воду нитратные ионы воспринимаются растительностью в озерах. В результате щелочность повышается и, таким образом, рН понижается во время весенний половодий, а летом снова повышается. Одновременно уменьшается содержание нитратов. С учетом данного процесса оказывается, что результирующее поступление водородных ионов при воздействии азотной кислоты является очень низким в большинстве озерных систем.Если рассматривать положение в течение всего года, то выбросы окислов азота сравнительно мало сказываются на окислении озер. Вопрос заключается в том, играют ли они большую роль в так называемых кислотных толчках, которые преимущественно имеют место весной и осенью. Эти кратковременные, но сильные изменения в водной среде часто являются критическими, например для рыбы. Обычно нитраты составляют большую часть общего потока анионов весной и осенью, когда нитраты не могут эффективно поглащаться растительностью. Поэтому это совпадает с “периодами кислотных толчков”, нитраты могут при этом в течение коротких периодов составлять более чем 30% общего количества поступающей кислоты.

Попытка прогнозирования роли азотной кислоты в окислении озер в ближайшие десятилетия дала следующие результаты:

  • Доля нитратов в окислении озер составляет на сегодня в основном менее 10% (исходя из годового расчета). Воздействие нитратов часто является более определяющим при так называемых кислотных толчках.
  • При существующей тенденции в отношении осаждений в течение десятилетнего периода нитраты будут играть все более важную роль как “движущая сила”, обеспечивающая поступление водородных ионов в поверхностные воды. Произойдет некоторое усиление кислотных толчков. Однако осаждение сульфатов по-прежнему будет играть главную роль в окислении.

Если осаждение нитратов удвоится, а осаждение сульфатов при этом останется неизменным или уменьшится, то роль нитратов в окислении поверхностных и грунтовых вод сильно возрастет. Это зависит, во-первых, от того, что растения не будут в состоянии воспринять поступивший азот и, во-вторых, от того, что сульфаты сильнее связываются в почве при повышении ее кислотности

Различные реакции почв в близкой и дальней перспективах

Осаждение азота связано с поступлением водородных ионов, которые оказывают окисляющее воздействие на почву. Когда растение принимает отрицательно зараженные ионы, то корни выделяют гидроксильные ионы, в результате чего происходит нейтрализация части водородных ионов. Потребность растений в азоте значительно выше, чем в сульфатах. Поэтому основная часть нитратных ионов абсорбируется растениями в вегетационный период, в то время как значительная часть сульфатных ионов либо остается связанной в минеральной почве, либо вымывается.Поскольку нитраты поглащаются в значительно большей степени, чем сульфаты , то окончательное воздействие на окисление почвы будет слабее, если избыток кислоты поступаке в форме азотной кислоты, а не серной кислоты. Поступивший азот прочно удерживается в почвенной системе. Выщелачивание азота в бедных питательными веществами лесных почвах существенно меньше поступления с осадками. Выход нитратов из почв, богатых питательными веществами, может быть значительным, но это зависит от того, что при процессах распада в почве образуются нитраты. Однако большая часть серы мокрого осаждения выходит из почвы. Тем не менее, в большинстве почв образуется запас серы, поскольку поступления за счет сухого осаждения часто являются такими же, как поступления с осадками.

Нитраты постепенно окажут окисляющее действие

Существующее осаждение азота приводит к увеличению запасов азота в почве – что становится еще более заметным при удобрении почвы. Если денитрификация не будет большой, то произойдет насыщение лесных почв азотом.При этом возникает большая опасность усиленного высвобождения и выщелачивания нитратов из почвы. Следствием этого явится окисление поверхностных и грунтовых вод, поскольку нитратные ионы забирают с собой водородные ионы и растворимые соединения алюминия при прохождении вниз через окисленную почву. Это будет иметь особо ярко выраженный характер в связи со сплошной вырубкой, известкованием, а также сильными паводками весной и осенью. Чем больше имеется аккумулированного ащота, который может быть высвобожден, тем сильнее будет такое воздействие.Опасность сильной нитрификации также возрастет в случае поступления в почву или образования в ней (отмершие корни) содержащих азот соединений. Образующиеся при этом водородные ионы могут вызвать местное окисление и, как следствие этого, высвобождение алюминия и других металлов. Считают, что данный процесс прослужил одной из основных причин гибели ели, что в конце 70-х годов произошло на больших площадях в Германии.

Проблема кислотных дождей в развивающихся странах

Хотя имелись прогрессивные тенденции в контролировании кислотообразующих осадков в некоторых странах, глобальная угроза от кислых дождей еще не устранена. Действительно, размеры проблемы кислотных дождей быстро увеличиваются в странах Азии, где выпадение двуокиси серы ( Sulfur dioxide –SO2 )увеличилось начиная с 1990 года

В современных условиях проблема кислотных дождей становится актуальной в разных развивающихся странах земного шара, особенно в разных частях Азии, и Тихоокеанского региона, где энергетическое использование увеличилось и использование серосодержащих углей и нефти – главных источников кислотных осадков – очень высокие. Установлено, что в 1990 году 34 млн. тонн SO2 было выделено в азиатском регионе, что на 40% больше, чем в Северной Америке. Уровень кислотных осадков был, в частности, высокий в регионах южного Китая, северо-восточной Индии, Таиланда и республики Кореи, которые находятся около или ниже по направлению ветра от главных урбанизированных и индустриальных центров. Влияние этого фактора уже становится ощутимым в сельскохозяйственном секторе этих стран. Исследователи в Индии установили, что пшеница, растущая около электростанций, где осадки SO2 были почти в 5 раз больше чем критическая норма, на 49% испытывала поражение в урожае чем пшеница, которая выращивалась вдали на 22 км. В юго-западных регионах Китая, кислотные дожди выпадали на 2/3 всех сельскохозяйственных земель и почти 16% урожая было потеряно в результате этого действия.

Экономическое развитие и продолжающаяся добыча угля способствует увеличению кислотных дождей в Азии по крайней мере в течение будущих двух десятилетий. В 2000 году выпадение SO2 в Азии будет выше, чем Северной Америке и европе вместе взятых. Об этом свидетельствуют данные Всемирного банка (World Bank projections).

Даже в развитых странах, где осуществлены серьезные работы по контролю за кислотными дождями, остается ряд нерешенных проблем. Вопрос остается, например, в отношении того, как много вреда было нанесено лесным масивам, озерам и рекам за эти годы. Существует ли прогресс в защите наиболее восприимчивых экосистем? Как скоро подверженные кислотным дождям экосистемы смогут восстановиться

 

 

 

 


ООО «Сибирские водные технологии »
www.water-tec.ru