Кислотные осадки

Свыше половины кислотных осадков в густонаселенных  районах юго-восточной Канады и  востока Соединенных Штатов обусловлены  выбросами крайне сконцентрированных предприятий угольной и нефтяной энергетики и промышленных предприятий в семи штатах Центра и верхнего Среднего Запада – Огайо, Индианы, Пенсильвании, Иллинойса, Миссури, Западной Виргинии и Теннеси. Степень кислотности осадков над большей частью Востока Северной Америки составляет 4,0-4,2.

Это в 30-40 раз  больше, чем кислотность нормальных осадков, которые выпадали в этих местах несколько десятилетий назад. Штатами, которые выбрасывают наибольшее количество кислотообразующих веществ, являются Калифорния, Индиана, Огайо и Техас.Около 75% кислотных осадков, выпадающих в Канаде, приносится ветрами из Соединенных Штатов, и только 15% кислотных осадков, выпадающих в северо-восточных штатах, обусловлено выбросами на территории самой Канады [1, с. 133].

Такой большой  положительный баланс переноса кислотных осадков между Соединенными Штатами и Канадой привел к обострению отношений между двумя странами.

Канадские ученые и чиновники и многие ученые США  критиковали правительство США  за недостаточно оперативные действия по уменьшению вредных выбросов промышленных предприятий и электростанций по крайней мере на 50%. По оценкам Министерства окружающей среды провинции Онтарио, кислотные осадки угрожают 48 тыс. канадских озер с их индустрией спортивного рыболовства (1,1 млрд. долларов в год) и туризма (10 млрд. долларов в год). Канадцы также обеспокоены тем, что кислотные осадки вредят лесному хозяйству и связанным с ним отраслям, которые дают работу каждому десятому жителю страны и приносят 14 млрд. долларов в год [1, с. 133].

По оценке Национальной академии наук, ущерб от кислотных осадков в Соединенных Штатах уже составляет, по крайней мере, 6 млрд. в год и будет резко возрастать, если не предпринять немедленных действий. Стоимость сокращения объема этих загрязнителей составит от 1,2 млрд. до 20 млрд. долларов в зависимости от степени очистки и технологии, которая будет использована.В некоторых областях почвы содержат известняк и другие щелочные вещества, которые могут нейтрализовать кислоты. Однако кислые почвы в других районах практически не способны к нейтрализации кислот. Кроме того, повторное воздействие на любые почвы кислотных осадков может в принципе истощить содержащиеся в них вещества, нейтрализующие кислоты. Кислотный речной сток может погубить многие формы жизни в озерах и реках. Так же как и почвы, некоторые озера и реки особенно чувствительны к воздействию кислоты из-за низкого содержания щелочей (особенно иона бикарбоната), которые могли бы способствовать нейтрализации поступающих в них кислот.

5.1 Косвенные  воздействия

Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем; через почву и корневую систему, либо непосредственно (главным образом на листву). Подкисление почвы определяется различными факторами. В отличие от вод почва обладает способностью к выравниванию кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению кислотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наряду с естественными процессами на почвы в лесах и на пашнях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая  стабильность, способность к выравниванию, склонность почв к закислению изменчивы  и зависят от качества подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа  ее обработки (возделывания), а также  от наличия поблизости значительного источника загрязнений (рис. 23). Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности зависит от химических и физических свойств подстилающих слоев.

Косвенные воздействия  проявляются по-разному. Например, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву питательными веществами. Однако в результате постоянного потребления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы.

Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака, чем вода осадков, что приводит к увеличению кислотности почвы. В результате этого возрастают потери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев.

Поступающие в  почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего происходят либо выщелачивание кальция, магния и  калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями рН.

Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит  от рН. Растворенные и вследствие этого  легко поглощаемые растениями тяжелые  металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что алюминий, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живущих в почве организмов. Во многих почвах, например, в северных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, однако при выпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций в почвенных водах настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создается опасность для существования деревьев.

Происходящие  в составе почвы изменения  могут преобразовать состав микроорганизмов  в почве, воздействовать на их активность и тем самым повлиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление. Так, например, гибель лесов в Средней и Западной Европе произошла главным образом под влиянием косвенных воздействий. Почти полностью погибли леса на площади в несколько сотен тысяч гектаров. В Венгрии, согласно исследованиям экологов, погибло более 10% дубов в северном горном массиве. Большей частью это происходит из-за извлечения тяжелых металлов в результате закисления лесных почв. Алюминий и различные тяжелые металлы непосредственно воздействуют на живые существа, но могут также изменить структуру почвы и ее способность обеспечивать питательными веществами. Вероятной причиной омертвения дубов является разрушение прикрепляющихся к корневой системе грибов Mikorrhiza. Эти грибы находятся в симбиозной связи с отдельными высшими растениями (например, с дубом); присоединяясь к разветвленной корневой системе, они в несколько раз увеличивают ее способность впитывать питательные вещества. Для грибов Mikorrhiza характерна очень большая чувствительность к кислотности.

Тенденция к  их сокращению и гибели в последние  годы находится в непосредственной связи с вымиранием дубов. Аналогичная  ситуация сложилась с очень редким, находящимся под охраной растением, -- орхидеей. Согласно исследованиям венгерских экологов, они в определенных местах полностью исчезли или значительно поредели. Дальнейшую озабоченность вызывает то, что в результате гибели наиболее чувствительных к закислению существ (микроорганизмы почвы, грибы, дубы) в структуре материального и энергетического баланса живых сообществ могут произойти неблагоприятные изменения, и в конечном итоге сам человек также пострадает из-за происходящих при этом необратимых процессов. Обрабатываемые земли (пашни) находятся в несколько ином положении по сравнению с естественными лесными системами. Причиной повышения кислотности обрабатываемых земель в первую очередь является широкое применение минеральных удобрений. Например, суперфосфаты содержат несколько процентов свободной серной кислоты. Азотистые удобрения содержат значительные количества нитратов и соединений аммония.

Способность почв к закислению в различных частях Земли .

1-высокая; 2-выше  средней; 3-средняя; 4-низкая.

 Растения, принимая  ион аммония, отдают соответствующее  количество ионов водорода в почву, что также ведет к ее закислению. Согласно наблюдениям в Венгрии обрабатываемые земли испытывают стремительное закисление. Частично это объясняется тем, что при уборке растений происходит перенос вещества производительного слоя, из-за чего снижается щелочная среда почвы. Главной же причиной является внесение минеральных удобрений. Для нейтрализации их воздействия на 1 га нужно внести 300-400 кг карбоната кальция в год, в то время как для нейтрализации воздействия кислотных осадков достаточно около 10 кг карбоната кальция. Таким образом, на интенсивно удобренных территориях кислотные осадки играют только второстепенную роль в закислении почв. Согласно мнению отдельных специалистов, из-за внесения удобрений в Венгрии может начаться закисление почвы в катастрофических размерах. Этого можно избежать только регулярным известкованием почвы, а также путем исключения использования аммонийсодержащих минеральных удобрений.

Закисление  пресных вод. /Собственно говоря, закисление прёсных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. На значительных территориях при повышении определенных значений кислотности осадков поверхностные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способность нейтрализовать кислоты, то значение рН может снизиться на 1, 5, а в крайних случаях -- даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под действием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смываемых с территории водного бассейна. Изменение рН воды одного из шведских озер. Начиная 60-x годов, кислотность увеличилась почти в 100 раз, т.е. значение рН уменьшилось на 2 (по Ренбергу и Хедбергу)

Особенно интенсивно происходит закисление озер в Скандинавских  странах и в Канаде. Большинство  скандинавских озер имеют гранитное  или бедное известняками ложе. Такие  озера обладают гораздо меньшей способностью к нейтрализации кислот, чем озера, расположенные на территориях, богатых известняком. Это связано с тем, что из известняковых почв выделяется ион гидрокарбоната, который обеспечивает щелочную среду и, следовательно, способность к нейтрализации кислот. Такая же ситуация сложилась и у большинства озер в Венгрии. Например, рН воды в оз. Бала-тон больше 8. Поскольку в химии атмосферы для нейтральной среды принято значение рН = 5, 6, то воду этого озера следует отнести к щелочной.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз.

1. Убыль ионов  гидрокарбоната, т.е. уменьшение  способности к нейтрализации  при неизменяющемся значении  рН.

2. Уменьшение  рН при уменьшении количества  ионов гидрокарбоната. Значение  рН тогда падает ниже 5, 5. Наиболее чувствительные виды живых организмов начинают погибать уже при рН = 6, 5 (рис. 25).

3. При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется.  В этих условиях кислотность  раствора регулируется реакцией  гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают гибнуть  уже при зачениях рН < 6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для  нормальной жизни (по данным SNV).

Гибель живых  существ помимо действия сильноядовитого  иона алюминия может быть вызвана  и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия,который осаждается в форме донного осадка. Гибель водных живых сообществ может приводить к за-кислению и выделению тяжелых металлов, а также к нарушению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций или гибелью рыб.Чувствительность водных организмов к снижению рН в пресных водах земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества прочих живых организмов. Можно заметить характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близкий состав питательных веществ и ионов, но различную кислотность. До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотности, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пищевую цепочку. Наибольших масштабов достигло закисление озер и рек в Швеции, Норвегии, США, Канаде, но этот процесс уже начал распространяться в Дании, Бельгии, Голландии, ФРГ, ГДР, Шотландии и Югославии.

Изучение 5000 озер южной Норвегии показало, что в 1750 из них исчезли популяции рыб, а 900 другим озерам угрожает серьезная  опасность. Гибель рыбы из-за постоянного выпадения кислотных осадков продолжается.

В южной и  средней Швеции отмечены потери рыбы в 2500 озерах, то же самое предполагается еще в 6500 озерах, где обнаружены признаки закисления. Почти в 18 000 озерах рН воды меньше 5, 5, что неблагоприятно влияет на популяцию рыб. В Канаде и северной части США существуют аналогичные проблемы. В Онтарио приблизительно 50 тыс. озер, имеющих гранитное ложе, подвержены относительно сильному действию соединений серы. В Квебеке чувствительные к загрязнениям территории распространены еще больше. На основании скандинавского опыта ожидается, что в будущем эти озера начнут закисляться. В северной части США уже подмечено сокращение популяции лосося приблизительно в 100 озерах. Проблем, связанных с закислением поверхностных вод, в Венгрии, к счастью, не возникает, поскольку в этих водах имеется большое содержание карбонатов и гидрокарбонатов, которые обеспечивают способность нейтрализовать кислоты. Проведенные в различных водах исследования по нагрузке и расчеты на моделях показывают, что воды венгерских рек и озер в большинстве своем способны выдерживать на протяжении долгого времени даже возросшие нагрузки. Исключением являются только некоторые водохранилища, вода которых химически нейтральна, а следовательно, способность их к выравниванию кислотности относительно мала

5.2 Непосредственные (прямые) воздействия. Гибель растений

Непосредственная  гибель растений в наибольшей степени  ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе некольких десятков километров от их источника. Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в основном на его листьях, и оказывает на него вредное влияние. Двуокись серы, проникая в организм растения, принимает участие в различных окислительных процессах. Эти процессы протекают с участием свободных радикалов, образованных из двуокиси серы в результате химических реакций. Они окисляют ненасыщенные жирные кислоты мембран, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.).

Непосредственные  воздействия на растения могут принимать  различные формы: 1) генетические изменения; 2) видовые изменения; 3)нанесение  прямого вреда растительности. Естественно, в зависимости от чувствительности вида и размеров нагрузки масштаб воздействия может простираться от восполнимого (обратимого) ущерба до полной гибели растения.

В первую очередь  погибают наиболее чувствительные виды, например, отдельные лишайники, которые  могут сохраниться только в самой чистой среде, поэтому их считают "индикаторами" чистого воздуха. Обычно в сильнозагрязненных местах образуется "лишайная пустыня". В современном городе она существует уже при средней концентрации двуокиси серы 100 мкг/м". Во внутренних его районах лишайник вообще отсутствует, а на окраинах его можно встретить очень редко. Впрочем, существуют также виды лишайника, хорошо переносящие нагрузки двуокиси серы, поэтому отдельные сопротивляющиеся виды иногда занимают место погибших видов лишайника.