Кислотный дождь

Кислотный дождь

Общее понятие «кислотного дождя»:

Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом, внимание которого привлек смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня это очевидный факт, что кислотные дожди являются одной из причин гибели живых организмов, лесов, урожаев, и других видов растительности. Кроме того кислотные дожди разрушают здания и памятники архитектуры, приводят в негодность металлоконструкции, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, которое приблизительно равняется 5,6. «Чистый» дождь обычно всегда имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода (СО₂) вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. Теоретически такой «чистый», слабо-кислотный дождь должен иметь рН = 5,6, что соответствует равновесию между СО₂ воды и СО₂ атмосферы. Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ дождь никогда не бывает абсолютно «чистым», и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением около 5,0 для зоны умеренных лесов. Помимо СО₂ в атмосферу Земли попадают естесственным путем также различные соединения серы и азота, которые сообщают дождевым осадкам кислотную реакцию. Таким образом «кислотные дожди» могут возникать и по естественным причинам. Однако помимо естественного попадания в атмомсферу Земли различных оксидов с кислотной реакцией существуют также и антропогенные источники, эмиссия из которых во много раз превышает естественную. Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота может увеличить кислотность осадков до    pН = 4,0, что выходит за пределы значений, переносимых большинством живых организмов.

Причины кислотных дождей:

Главной причиной кислотных дождей является присутствие в составе атмосферы Земли двуокиси серы SO₂ и двуокиси азота NO₂, которые в результате происходящих в атмосфере химичеких реакций, превращаются в соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность земли оказывает влияния на живые организмы и экотоп в целом.

Виды соединений серы:

К наиболее важным соединениям серы находящимся в составе  атмосферы Земли относятся:

1. Двуокись серы – SO₂
2. Оксисульфид углерода – COS
3. Сероуглерод – CS₂
4. Сероводород – H₂S
5. Диметилсульфид – (CH₃)₂S
6. Сульфат-ион – SO₄^2-

Источники соединений серы:

Естественные источники эмиссии серы в атмосферу:

1. Биологическое выделение. Почти все без исключения традиционные модели круговорота серы показывали, что около 50% серы появляется в атмосфере за счет её биологических превращений в почвенных и водных экосистемах. Предполагается, что в результате происходящих микробиологических процессов, в этих естественных экосиситемах сера улетучивается в форме сероводорода (H₂S). Многочисленные научные данные свидетельствуют, что микроорганизмы продуцируют 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 дренированные почвы. Данные микроорганизмы используют сульфаты как конечный акцептор электронов. Также черезвычайно большая и разнообразная группа микроорганизмов, включающая аэробы, термофилы, психрофилы, бактерии, актиномицеты и грибы, разлагает серосодержащие органические соединения и высвобождает сероводород. Поверхность моря и его глубинные слои также может содержать значительные количества сероводорода. В настоящее время не совсем точно известны источники образования диметилсульфида, но предпологается, что в их возникновении принимают участие морские водоросли. Выделения серы биологическим путем не превышают 30 – 40 млн. т. в год, что составляет приблизительно 1/3 от всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу Земли 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 данное количество серы незначительно по сравнению с биологическим выделением, для стратосферы же извержения вулканов являются самыми важными источниками появления серы.
3. 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  с частичками морской соли ежегодно в атмосферу Земли попадает от 50 до 200 млн. т. серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы в атмосферу  естественным путём. В тоже время  частицы соли из-за своих больших  размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в верхние слои и распыляется над сушей. Однако следует учитывать тот факт, что из сульфатов морского происхождения не может образовываться серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.

Антропогенные источники эмиссии  серы в атмосферу:

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде двуокиси (SO₂). Среди источников этих соединений на первом месте в мире стоит уголь, сжигаемый на электростанциях и др. промышленных предприятиях. Уголь дает 70% от всех антропогенных выбросов. В процессе горения часть серы содержащееся в топливе превращается в сернистый газ, а часть остается в золе в твердом состоянии. Содержание серы также достаточно велико (0.1 – 2%) и в неочищенной нефти, но эти показатели варьируются в зависимости от происхождения, однако при сгорании нефтепродуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля. В мире на первом месте по выбросам сернистых соединений в атмосферу стоят такие отрасли промышленности как: металлургическая, предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Таким образом в результате деятельности человека в атмосферу Земли попадает ежегодно около 60 – 70 млн. т. серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных источников эмиссии серы и её различных соединений в атмосферу показывает, что человек, в результате своей деятельности, загрязняет атмосферу Земли этими соединениями в 2 раза больше, чем это происходит в природе естественным путем.

Виды соединений азота: 

В состав атмосферы входит ряд азотосодержащих соединений, из которых наиболее распространена закись азота (N₂O). Этот газ в нижних слоях воздуха нейтрален и не участвует в образовании кислотных дождей. Также в составе атмосферы Земли находятся кислотные оксиды азота, такие как: окись азота NO, и двуокись азота NO₂. Кроме того в состав атмосферы входит единственное щелочное соединение азота – аммиак.

К наиболее важным соединениям азота  находящимся в составе  атмосферы  Земли относятся:

1. Закись азота – NO₂
2. Окись азота – NO
3. Азотистый ангидрид – N₂O₃
4. Двуокись азота – NO₂
5. Оксид азота – N₂O₅

 Источники соединений азота:

Естественные источники эмиссии соединений азота в атмосферу:

1. Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно данным на 1990 г. ежегодно во всем мире образуется этим путем около 8 млн. т. оксидов азота (в пересчете на азот).
2. 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. Образовавшееся таким способом количество оксида азота составляет около 8 млн. т.
3. Горение биомассы. Данный вид источника может иметь как искусственное так и естественное происхождение. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате процесса выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн. т.оксидов азота (в пересчете на азот) в течении года.
4. Прочие источники. 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 попадание смеси образовавшихся оксидов NO и NO₂ в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти источники совместно вырабатывают в течении года от 2-ух до 12 млн.т.оксидов азота (в пересчете на азот).

Антропогенные источники  эмиссии соединений азота в атмосферу:

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. В данном случае количество образовавшегося оксида азота NO попорционально темрпературе горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодно выбрасывает в воздушный бассеин Земли около12 млн.т. оксидов азота. Немного меньше 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. ежегодных выбросов оксида азота образуется из антропогенных источников. Этот процент, однако, будет намного больше, если к нему прибавить продукты сжигания биомассы.

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.

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.

Воздействие кислотных дождей на окружающую среду

Результатом кислотной седиминтации является то, что кислотные атмосферные микроэлементы, соединения серы и азота попадают на поверхность Земли, что приводит к сильным изменениям кислотности водоемов и почв. В первую очередь повышение кислотности сказывается на состоянии пресноводных водоемов и лесов. Кислотные дожди оказывают различное влияние. Изначально осадки имеющие повышенное содержание азота первое время способствуют росту деревьев в лесу, так как происходит снабжение деревьев питательными веществами. Однако в результате постоянного их потребления лес ими перенасыщается, что приводит к закислению почвы. В результате изменения кислотности почв изменяется растворимость в них тяжелых и токсичных металлов, которые могут попасть в организм животных и человека передаваясь по трофической цепочке, в которой будет происходить их накопление. Под действием кислотности изменяется биохимическая структура почвы, что приводит к гибели почвенной биоты и некоторых растений.