Глобальные экологические проблемы

Введение

«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается  в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным  для обитания».

Жан Батист Ламарк

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных  водородных ионов Н+ и характеризуется  концентрацией ионов водорода в  одном литре раствора (моль/л или  г/л). Щелочность водного раствора определяется 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 на единицу соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз. Однако вода обычного дождя представляет собой слабокислый раствор, в котором показатель кислотности рН дождевой воды равняется 5.6-5.7. Кислотные дожди обозначает осадки с pH меньше 5,7. 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). 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. В дождевой воде присутствуют, и катионы щелочных элементов (Na+, K+) и анионы (HCO3- , Cl- и др.), практически нет катионов щелочноземельных элементов (Ca+2, Mg+2).

Кислотный дождь это все виды метеорологических осадков —  дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение  pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами, в основном оксидами серы и оксидами азота. Термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

Впервые в 1950-х гг. кислотные дожди  были отмечены в Западной Европе, в  Скандинавии, и Северной Америке. В  среднем кислотный показатель осадков  pH, выпадающих в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн. км2, меняется от pH 5 до 4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3-2,5. В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков. В связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азот эта проблема приобрела особое значение во всем индустриальном мире. За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций.

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов  азота см. таблицу (до 750 кг/км2 в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны - в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2) - в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом. Минимальные значения рН осадков в этих местах достигают 3,1-3,4. Больше всего окисленной серы из России направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной - 1:17, с Польшей - 1:32, с Норвегией - 7:1.

I.Возникновение и состав кислотных дождей

Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере, испытывая частичное  или полное химическое превращение. При этом может меняться агрегатное состояние. Эти процессы идут параллельно  их распространению. Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие  азотной (HNO3) и серной (H2SO4) кислот. Около 2/3 кислотных осадков составляют аэрозоли серной и сернистой кислот, остальное приходится на долю аэрозолей  азотной и азотистой кислот. Присутствие  соединений азота и серы связано  с выбросом этих элементов в атмосферу. Схема образования кислотных  аэрозолей и дождей приведена  на рис.1.

1.1Источники азота и серы в  атмосферу

Источники соединений азота (рис.6б):

Естественные источники эмиссии  соединений азота в атмосферу:

I. 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).

II. 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.

III. 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 течение года.

IV. 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 течение 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. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре  горения.

Оксиды азота образуются и при  горении имеющихся в топливе  азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодно выбрасывает  в воздушный бассейн 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.

Техногенные мировые выбросы оксидов  азота в атмосферу составляют в год около 70 млн. т (природные  выбросы оксидов азота, по некоторым  оценкам, 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. В табл. приведены выбросы  вредных веществ в атмосферу  в России с 1993-1997г.

Суммарные антропогенные выбросы  оксидов азота в атмосферу  больше. Дополнительный источник таких  выбросов – сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в  первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы  оксидами азота учесть трудно, по некоторым  данным, поступление оксидов азота  в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными  выбросами. 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 двуокись азота NO2 и аммиак NH3.

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

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.

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.

Азот, как и сера, входит в состав биологических структур. 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 или дождем, выпадают на землю. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов - сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно. По некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами. В России около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электро- и теплоэнергетики, столько же -на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Для окислов азота среди стационарных источников топливно-энергетический дает 85% выбросов, производство цемента, извести, стекла, металлургические процессы, сжигание мусора и др.-12%. Азотные загрязнения поступают из нестационарных источников животноводческих предприятий и удобрений. Основные источники ЛОС-химические производства, промышленные и бытовые растворители, нефтехранилища, бензоколонки и т.д. Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере - автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется N0, впоследствии - NО2. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика) - 1,23 мкг/м3 (средние широты), что существенно ниже ПДК, равной 40 мкг/м3. Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 "С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота N0, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид N02 и тетраоксид диазота N2О4. Первоначально образующийся оксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид - гораздо более опасное соединение. Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота NO

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.

Источники соединений серы (рис.6а):

Естественные источники эмиссии  серы в атмосферу:

I. 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 экосистемах  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 чрезвычайно 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 предполагается, 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.

II. 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.