Влияние кислотных осадков

Введение 

 

Интенсификация деятельности человека в последнее столетие привела  к значительному нарушению сложившегося в природе равновесия, в результате чего возникло множество проблем, связанных  с защитой окружающей среды.

Среди весьма серьезных проблем  экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение  воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу. Атмосферный  воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. В период промышленной и научно-технической  революции увеличился объем эмиссии  в атмосферу газов и аэрозолей  антропогенного происхождения. По ориентировочным  данным ежегодно в атмосферу поступают  сотни миллионов тонн оксидов  серы, азота, галогенопроизводных и  других соединений. Основными источниками  атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых  используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной  металлургии, химической и нефтехимической  промышленности, авиационный и автомобильный  транспорт.

Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с  участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются  из атмосферы с осадками или выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. Попадая на поверхность биологических  объектов, строительных конструкций  и других предметов, загрязнения  и продукты их превращения интенсифицируют  физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов.

Ущерб, наносимый живой  природе атмосферными загрязнениями  и продуктам производственной деятельности человека, трудно оценить, но гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение  аллергических заболеваний, нарушение  биологического равновесия в экосистемах  не в последнюю очередь связаны  с высокими концентрациями агрессивных  примесей в атмосфере.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Как попадают соединения серы и азота в атмосферу

 

Виды соединений серы. 

К наиболее важным соединениям  серы, находящимся в атмосфере, относятся  двуокись серы [оксид серы (IV)], оксисульфид (сероокись углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид (табл. 2). Последние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием деятельности человека более всего изменяется содержание двуокиси серы.

В сильно загрязненных районах  уровень двуокиси серы может в 1000 и даже в десятки тысяч раз  превысить естественную границу значений на суше и в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из естественных источников, более или менее одинакова вблизи поверхности земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии, принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и гидросульфат аммония), а также морская соль.

Источники соединений серы.  

Соединения серы, как мы уже упомянули, частично попадают в  атмосферу естественным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать загрязнение серой только на этой территории.

Существуют три основных источника естественной эмиссии  серы.

1. Процессы разрушения  биосферы. С помощью анаэробных (действующих  без участия кислорода) микроорганизмов  происходят различные процессы  разрушения органических веществ.  Благодаря этому содержащаяся  в них сера образует газообразные  соединения. Вместе с тем определенные  анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения.

Из указанных веществ  сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ.

Поверхность моря также может  содержать значительные количества сероводорода. В его возникновении  принимают участие морские водоросли. Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу  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 это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

3. Поверхность океанов.  После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с  поверхности океанов, остается  морская соль, содержащая наряду  с ионами натрия и хлора  соединения серы — сульфаты.

Вместе с частицами  морской соли ежегодно в атмосферу  попадает 50-200 млн т серы, что гораздо  больше, чем эмиссия серы биологическим  путем. В то же время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в более верхние слои или распыляется  над сушей. Следует также учесть, что из сульфатов морского происхождения не может образоваться серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.

Содержание серы в неочищенной  нефти также достаточно велико в  зависимости от места происхождения (0, 1-2%). При сгорании нефтяных продуктов  сернистого газа образуется значительно  меньше, чем при сгорании угля.

Источниками образования  двуокиси серы могут быть также отдельные отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно, там в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

Таким образом, ежегодно в  результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн т серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные, т. е. главным образом в Европе и Северной Америке.

Примерно половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40 млн т), приходится на Европу.

Виды соединений азота.

В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в кислотной седиментации участвуют  только два из них: окись и двуокись азота, которые в результате протекающих  в атмосфере реакций образуют азотистую кислоту.

Окись азота под действием  окислителей (например, озона) или различных  свободных радикалов преобразуется  в двуокись азота:

(окись азота + радикал  пероксида водорода --- двуокись азота  + радикал гидроксила);

(окись азота + озон --- двуокись  азота + молекулярный кислород).

Итак, можно предположить, что окисью азота можно пренебречь вследствие указанных окислительных процессов. Однако это не совсем так, что объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азота в значительной степени происходит в форме окиси азота, и требуется время, чтобы   полностью превратилась в  . С другой стороны, в непосредственной близости от источников загрязнения количество окиси азота превышает количество двуокиси азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чистом воздухе над поверхностью океана часть окиси азота составляет всего несколько процентов от двуокиси азота. Соотношение этих газов, впрочем, может меняться вследствие фотодиссоциации двуокиси азота:

 

(двуокись азота+ квант  света ---  окись азота+ атом кислорода),

Кислотную среду в атмосфере  создает также азотная кислота, образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота нейтрализуется, то образуется азотнокислая соль, которая обычно присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, которые получаются в результате взаимодействий аммиака с какой-либо кислотой.

Источники соединений азота.

Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными.  Рассмотрим наиболее важные естественные источники.

Естественные и антропогенные  источники соединений азота, содержащихся в атмосфере. 

 

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.

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 обратное попадание образовавшихся оксидов   в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

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. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на ограниченных территориях Земли.

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.

Атмосферный аммиак. 

Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения с помощью следующих реакций:

 

(аммиак+ серная кислота  - гидросульфат аммония);

(аммиак+ гидросульфат аммония  = сульфат аммония);

(аммиак+ азотная кислота  - нитрат аммония).

Таким образом, эти химические реакции ведут к образованию сульфата и нитрата аммония.

Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся  в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий, приводящая в конечном счете к образованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Европа и Северная Америка), 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.