Кислотные осадки

(свободный радикал  + радикал гидроксила серная кислота)

В результате реакции  образуются молекулы серной кислоты, которые  в воздухе или на поверхности  аэрозольных частиц быстро конденсируются.

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в  гетерогенной среде. Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая происходит не в  газовой фазе, а в каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере.

Кроме двуокиси серы в атмосфере можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые в конечном счете окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалы и атомы. Конечные продукты играют определенную роль в анторпогенной кислотной седиментации.

3.2 Химические  превращения соединений азота

Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота , котрая при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота. Последняя в результате реакции с радикалом гидроксида превращается в азотную кислоту:

(двуокись азота  + радикал гидроксила азотная  кислота).

Полученная  таким образом азотная кислота  может долгое время оставаться в  газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Другими словами, азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной кислоты могут быть поглощены капельками облаков, осадков или частицами аэрозоля.

4.Кислотная седиментация (кислотные осадки)

Заключительным  этапом в круговороте загрязняющих веществ является седиментация, которая  может происходить двумя путями. Первый путь вымывание осадков или  влажная седиментация. Второй путь выпадение осадков или сухая  седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной седиментацией.

4.1 Вымывание  кислотных веществ из атмосферы

Вымывание происходит во время образования облаков  и осадков. Одним из условий образования  облаков является перенасыщенность. Это означает, что воздух содержит больше водяного пара, чем он может принять при заданной температуре, сохраняя равновесие. При понижении температуры способность воздуха накапливать воду в виде пара уменьшается.

Тогда начинается конденсация водяного пара, которая  происходит до тех пор, пока не прекратится перенасыщенность. Однако при обычных атмосферных условиях водяной пар способен конденсироваться только при относительной влажности 400-500. Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100,5. При такой перенасыщенности капельки облаков могут возникать только на частицах аэрозоля так называемых конденсационных ядрах. Этими ядрами часто являются хорошо растворимые в воде соединения серы и азота.После начала образования капель элементы облака продолжают поглощать аэрозольные частицы и молекулы газа. Поэтому воду облака или его кристаллы можно рассматривать как раствор атмосферных элементов.

Элементы облака не могут безгранично увеличиваться. Возникающая под действием гравитации седиментация, которая растет с увеличением  размера капель, рано или поздно приводит к выпадению капель облаков с высоты нескольких сотен или тысяч метров. Во время выпадения эти капли промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью земли. В это время поглощаются новые молекулы газа и новые аэрозольные частицы захватываются падающей каплей. Таким образом, достигающая поверхности земли вода вопреки всеобщему мнению никоим образом не является дистиллированной водой. Более того, во многих случаях растворенные в воде осадков вещества могут служить важным и иногда даже единственным источником восстановления запасов этих веществ в различных сферах.

4.2 Сухие  осадки

Хотя эта  форма седиментации существенно  отличается от влажной седиментации, конечный результат их действительно  идентичен попадание кислотных атмосферных микроэлементов, соединений серы и азота на поверхность Земли.

Известно достаточно много разнообразных кислотных  микроэлементов, однако содержание большинства  из них настолько мало, что их роль в кислотной седиментаци  можно не принимать во внимание.Эти кислотные вещества могут выпадать на поверхность двумя способами. Один из них турбулентная диффузия, под действием которой в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии.

Турбулентное  диффузионное движение в первую очередь  возникает из-за того, что движение струящегося воздуха над почвой и другой поверхностью является неравномерным вследствие трения. Обычно в вертикальном от поверхности направлении ощущается увеличение скорости ветра и горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность.

Таким путем  компоненты воздуха достигают Земли, и наиболее активные кислотные вещества легко взаимодействуют с поверхностью.

5. Влияние  кислотных осадков на биосферу

Кислотные осадки оказывают вредное воздействие  не только на отдельные предмет или живые существа, но и на их совокупность. В природе и в окружающей среде образовались сообщества растений и животных, между которыми, как и между живыми и неживыми организмами, существует постоянный обмен веществ. Эти сообщества, которые можно также называть экологической системой, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организмы, потребители и разрушители.

Влияние кислотности  в первую очередь сказывается  на состоянии пресных вод и  лесов. Обычно воздействия на сообщества бывают косвенными, т.е. опасность представляют не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы (например, высвобождение алюминия). В определенных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости от кислотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения рН изменяется их растворимость. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсичные металлы. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений (например, отдельных деревьев). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источника загрязнения.

Выпадение кислотных  осадков на современном этапе  биосферы представляет собой достаточно насущную проблему и оказывает достаточно негативное воздействие на биосферу.Причем негативное влияние кислотных дождей наблюдается в экосистемах многих стран.Особенно негативное воздействие от выпадения «кислотных дождей» ощутила на себе Скандинавия.

В 70-х годах  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 [3, с. 67]. 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 подвергнутыми вредоносному воздействию оказались листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника. Наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер [3, с. 67].

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 (песчаника, мрамора или известняка).

Город пострадал  очень сильно, хотя общее количество осадков в наблюдаемый отрезок  времени там было крайне низким. Очевидно, слишком высока была степень их кислотности.За Манчестером следует Липхун (графство Гэмпшир в Великобритании) и Антверпен (Бельгия), где каждый камень под открытым небом потерял 100 г с 1 м². Даже такие известные загрязненностью атмосферы города, как Афины, Копенгаген и Амстердам, подверглись кислотному разрушению в значительно меньшей степени.

Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные  потреблять питьевую воду, загрязненную токсическими металлами — ртутью, свинцом, кадмием.Спасать природу  от закисления необходимо. Для этого придется резко снизить выбросы в атмосферу окислов серы и азота, но в первую очередь сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на 70—80% обусловливают кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от места промышленного выброса.

Наблюдения  за химическим составом и кислотностью осадков в России ведут 131 станция, отбирающие на химический анализ суммарные  пробы, и 108 пунктов, на которых в  оперативном порядке измеряют только величину рН. Пробы осадков на содержание от 11 до 20 компонентов анализируются в пяти кустовых лабораториях [1, с. 132].Система контроля загрязнения снежного покрова на территории России осуществляется на 625 пунктах, обследующих площадь в 15 млн. км². Пробы забирают на наличие ионов сульфата, нитрата аммония, тяжелых металлов, определяют значение рН [1, с. 132].

Природные осадки имеют разную кислотность, но в среднем  рН=5,6. Кислотные осадки с рН < 5,6 представляют серьезную угрозу, особенно если величина рН падает ниже 5,1.

Ниже нами перечисляются  основные последствия выпадения кислотных осадков.

- Повреждение  статуй, зданий и отделки автомобилей.

- Гибель рыб,  водных растений и микроорганизмов  в озерах и реках.

- Понижение  способности к воспроизводству  лососей и форели при рН < 5,5.

- Гибель и  понижение продуктивности многих видов фитопланктона, когда рН<6 — 8.

- Разрыв азотного  цикла в озерах, когда величина  рН колеблется от 5,4 до 5,7.

- Ослабление  или гибель деревьев, особенно  хвойных пород, произрастающих  на больших высотах, из-за вымывания  из почвы кальция, натрия и других питательных веществ.

- Повреждение  корней деревьев и гибель многих  видов рыб из-за высвобождения  из почв и донных осадков  ионов алюминия, свинца, ртути и  кадмия.

- Ослабление  деревьев и усиление их подверженности  болезням, насекомым, засухам, грибам и мхам, которые процветают в кислой среде.

- Замедление  роста культурных растений, таких,  как помидоры, соя, фасоль, табак,  шпинат, морковь, капуста-брокколи  и хлопок.

- Рост популяции  81агола, простейшего, вызывающего  серьезную кишечную инфекцию, которая поражает скалолазов и альпинистов, пьющих воду из, казалось бы, чистых горных ручьев.

- Возникновение  и обострение многих болезней  дыхательной системы человека, преждевременная  гибель людей.

Кислотные осадки иллюстрируют пороговый эффект. Большинство почв, озер и рек содержат щелочные химические вещества, которые могут взаимодействовать с некоторым количеством кислот, нейтрализуя их. Однако регулярное многолетнее воздействие кислот истощает большинство из этих сдерживающих закисление веществ. Затем как бы внезапно начинается массовая гибель деревьев и рыб в озерах и реках. Когда это происходит, какие-либо меры по предотвращению серьезного ущерба предпринимать уже поздно. Опоздание составляет 10 — 20 лет.

Кислотные осадки уже являются серьезной проблемой в Северной и Центральной Европе, на северо-востоке Соединенных Штатов, на юго-востоке Канады, в некоторых районах Китая, Бразилии и Нигерии. Все большую угрозу они начинают представлять в промышленных регионах Азии, Латинской Америки и Африки и в некоторых местах на западе Соединенных Штатов (главным образом из-за сухих осадков). Выпадают кислотные осадки и в ряде тропических районов, где промышленность практически не развита, главным образом из-за выделения оксидов азота при сжигании биомассы. Большая часть кислотообразующих веществ, произведенных в одной стране, переносится преобладающими приземными ветрами на территорию другой. Более трех четвертей кислотных осадков в Норвегии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Нидерландах и Финляндии приносится в эти страны ветром из промышленных районов Западной и Восточной Европы.