Кислотные дожди

 Питсбург, на электростанциях, заводах и теплоцентралях сжигалось огромное количество серосодержащих угля и тяжелой нефти. Зимой такие города страдали от промышленного смога, состоящего главным образом из смеси диоксида серы, взвешенных капелек серной кислоты, образовавшейся из части диоксида серы, и разнообразных взвешенных твердых частиц. Теперь уголь и тяжелая нефть сжигаются только в больших бойлерных, где налажен контроль за выбросами вредных веществ или установлены высокие дымовые трубы, так что промышленный смог редко является проблемой. Однако в Китае и некоторых восточноевропейских странах, как, например, в Чехословакии, где большие количества угля сжигаются без соответствующих мер контроля за выбросами, ситуация не изменилась. 

 Местный климат, рельеф и смог. Частота и плотность  смога на данной территории  зависят от климата и рельефа  местности, плотности населения  и промышленности, а также от  основных видов топлива, используемого  в промышленности, на теплоцентралях  и на транспорте. В районах  с большим среднегодовым количеством  осадков дождь и снег помогают  очистить воздух от загрязнителей.  Ветры также способствуют удалению  загрязнителей и приносят свежий  воздух, но они же и переносят  некоторые загрязнители на большие  расстояния. 

 Холмы и горы  создают преграду на пути ветров, в результате чего в низинах  в приземном слое увеличивается  загрязнение воздуха. Высокие  здания в больших городах также  замедляют скорость ветра и,  соответственно, способствуют созданию  высоких концентраций загрязнителей. 

 В течение дня  солнце нагревает воздух у  поверхности земли. Обычно этот  теплый воздух расширяется и  поднимается, растворяя скапливающиеся  внизу загрязнители и унося  их вверх в тропосферу. Одновременно воздух из соседних областей высокого давления опускается вниз в образующиеся области низкого давления (Рисунок II, левый). Это непрерывное перемешивание воздуха помогает сохранять загрязнение вблизи поверхности в пределах допустимого уровня. 

 Но иногда в  результате погодных условий  теплый воздух натекает на  нижерасположенный плотный холодный  воздух в городском воздушном  бассейне или в долине, препятствуя  развитию вертикальных движений  воздуха. Это явление называется  температурной, или термической,  инверсией (Рисунок II, правый). В  результате массы теплого воздуха  распространяются над регионом  и препятствуют выносу загрязнителей.  Обычно такие инверсии длятся  от одного до нескольких часов,  но иногда, в условиях устойчивого  антициклона, они могут сохраняться  до нескольких дней. В этом  случае концентрация загрязнителей  воздуха у поверхности земли  представляет угрозу здоровью  и даже жизни людей. Термические  инверсии также усиливают вредное  воздействие островов тепла и  пыльных куполов, которые образуются  над городскими территориями. 

 Наиболее продолжительные и частые термические инверсии характерны для городов, расположенных в долинах, окруженных горами (Донора, штат

 Пенсильвания), для подветренных склонов горных хребтов (Денвер) или побережий (Нью-Йорк). Большие города, насчитывающие несколько миллионов жителей и автомобилей, расположенные в безветренных районах с преобладанием солнечных дней, окруженных с трех сторон горами и морем с четвертой, создают идеальные условия для фотохимического смога, отягченного частыми термическими инверсиями. Именно такая ситуация наблюдается в Лос-Анджелесе, где почти ежедневно возникают инверсии, особенно продолжительные летом, и где насчитывается 12 млн. жителей, 8 млн. автомобилей и тысячи фабрик.

 Несмотря на  самую строгую в мире систему  контроля за загрязнением воздуха,

 Лос-Анджелес  занимает первое место по загрязнению  воздуха в Соединенных

 Штатах. 

 Кислотные дожди 

 Термин «кислотные  дожди» ввел в 1872 г. английский  инженер Роберт Смит в книге  «Воздух и дождь: начало химической  климатологии». Кислотные дожди,  содержащие растворы серной и  азотной кислот, наносят значительный  ущерб природе. Земля, водоемы,  растительность, животные и постройки  становятся их жертвами. На территории  России в 1996 г. вместе с осадками  выпало более 4 млн. т серы  и 1,25 млн. т нитратного азота.  Особенно тревожная ситуация  сложилась в Центральном и  Центрально-Черноземном районах,  а также в

 Кемеровской области  и Алтайском крае, в Норильске.  В Москве и Санкт-

 Петербурге с  кислотными дождями на землю  в год выпадает до 1500 кг серы  на

1 км2. Заметно меньше кислотность осадков в прибрежной зоне северных, западно- и восточносибирских морей. Самым благоприятным регионом в этом отношении признана Республика Саха (Якутия). 

 При сжигании  любого ископаемого топлива (угля, горючего сланца, мазута) в составе  выделяющихся газов содержатся  диокиси серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть меньше или больше. Особенно насыщенные сернистым газом выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в слабый раствор кислот. 

 Окислы азота  образуются при соединении азота  с кислородом воздуха при высоких  температурах, главным образом в  двигателях внутреннего сгорания  и котельных установках. Получение  энергии, увы, сопровождается закислением окружающей среды. Дело осложняется еще и тем, что трубы теплоэлектростанций стали расти в высоту, и достигают 250—300, даже 400 м, следовательно, выбросы в атмосферу теперь рассеиваются на огромные территории. 

 Кислотность водного  раствора определяется присутствием  в нем положительных водородных  ионов Н+ и характеризуется  концентрацией этих ионов в  одном литре раствора C(H+) (моль/л  или г/л). Щелочность водного раствора  определяется присутствием гидроксильных  ионов ОН– и характеризуется их концентрацией C(ОН–). 

 Как показывают  расчеты, для водных растворов  произведение молярных концентраций  водородных и гидроксильных ионов  – величина постоянная, равная 

C(H+)C(ОН–) = 10–14, другими  словами, кислотность и щелочность  взаимосвязаны: увеличение кислотности  приводит к снижению щелочности, и наоборот. 

 Раствор является  нейтральным, если концентрации  водородных и гидроксильных ионов  одинаковы и равны (каждая) 10–7  моль/л. Такое состояние характерно  для химически чистой воды. 

 Из сказанного  следует, что для кислых сред  выполняется условие: 

10–7 < C(H+) ? 100, для щелочных сред: 

10–14 ? C(H+) < 10–7. 

 На практике  степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным  водородным показателем рН, представляющим  собой отрицательный десятичный  логарифм молярной концентрации  водородных ионов: рН = –lgC(H+). 

 Например, если  в растворе концентрация водородных  ионов равна 10–5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и

5 соответственно. 

 В кислых растворах  рН < 7, и чем меньше, тем кислее  раствор. В щелочных растворах  рН > 7, и чем больше, тем выше  щелочность раствора. 

 Шкала кислотности  идет от рН = 0 (крайне высокая  кислотность) через рН

= 7 (нейтральная среда)  до рН = 14 (крайне высокая щелочность). 

 Чистая природная,  в частности дождевая, вода в  отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты: 

 СО2 + Н2О [pic]Н2СО3. 

 Для определения  показателя кислотности используют  различные рН-метры, в частности  дорогостоящие электронные приборы.  Простым способом определения  характера среды является применение  индикаторов – химических веществ,  окраска которых изменяется в  зависимости от рН среды. Наиболее  распространенные индикаторы –  фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а  также естественные красители  из красной капусты и черной  смородины. 

 Дождевая вода, образующаяся при конденсации  водяного пара, должна иметь нейтральную  реакцию, т.е. рН=7. Но даже в самом чистом воздухе всегда есть диоксид углерода, и дождевая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН

 5,6—5,7). А вобрав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь становится заметно кислым. Уменьшение рН на одну единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на две — в 100 раз и т.д. Мировой рекорд принадлежит шотландскому городку Питлокри, где 20 апреля 1974 г. выпал дождь с рН 2,4, — это уже не вода, а что-то вроде столового уксуса. 

 Последствия кислотных  осадков. 

 В 70-х гг. 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% лесов.  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. 

 Проведены исследования  степени восприимчивости к кислотным  дождям 18 видов сельскохозяйственных  культур и 11 видов декоративных  растений на ранних стадиях  роста. Наиболее подверженными  вредоносному воздействию оказались  листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника.  Наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер. 

 Кислотные дожди  не только убивают живую природу,  но и разрушают памятники архитектуры.  Прочный, твердый мрамор, смесь  окислов кальция (СаО и СО2), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО4).

 Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают  этот мягкий материал.

 Исторические  памятники Греции и Рима, простояв  тысячелетия, в последние годы  разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и  Тадж-Махалу — шедевру индийской  архитектуры периода Великих  Моголов, в Лондоне — Тауэру  и

 Вестминстерскому  аббатству. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме. 

 Более 100 тыс.  ценнейших витражей, украшающих  соборы в Шатре,

 Контербери, Кёльне, Эрфурте, Праге, Берне, в других городах Европы могут быть полностью утрачены в ближайшие 15— 20 лет. 

 Изучив новые  данные о кислотности осадков,  выпадающих в различных регионах  Западной Европы, и о воздействии  их на здания и сооружения, сотрудники Дублинского университета (Ирландия) выявили, что самое  катастрофическое положение сложилось  в центре Манчестера (Великобритания), где за 20 месяцев кислотные осадки  растворили более 120 г на 1 м2 камня