Глобальные экологические проблемы Земли. Кислотные дожди

2. Влияние на биосферу.

Самый богатый животный мир присущ водам, рН которых лежит в нейтральной или слабощелочной области. Он во много раз богаче, чем животный мир кислых или щелочных вод. Водоемы с очень кислыми водами необитаемы, жизни в них нет, как нет жизни и в водоемах со значениями рН > 11. Первыми жертвами кислотных дождей стали озера и реки. Связь жизни водных организмов с изменением рН в водоемах приведена на рис.4 Сотни озер в Скандинавии, на северо-востоке США и на юго-востоке Канады, в Шотландии превратились в кислотные водоемы. Кислотные дожди привели к резкому снижению продуктивности 2500 озер Швеции (рис.2). В Норвегии примерно половина поверхностных вод имеет повышенную кислотность, из 5000 озер в 1750 исчезла рыба. В провинции Онтарио (Канада) пострадало 20% озер, а в провинции Квебек - до 60% озер.

Подкисление водоемов происходит за счет вымывания анионов  серной и азотной кислот из почвы-главного аккумулятора кислотных загрязнений.

Выделяют три  стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Первая стадия - начальная. С увеличением кислотности воды (показатели рН меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые).

Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия - кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон — крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Третья стадия - кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.

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.

Первая и вторая стадии обратимы при прекращении  воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них  начинают выщелачиваться токсичные  металлы.

При повышении кислотности  воды (еще до критического порога выживания  водной биоты, например, для моллюсков таким порогом является рН = 6, для окуней - рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой: А1(ОН)3+ЗH2O+3Н+→[Al(H2O)6]3+. Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам. Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов - кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам. Дефицит питательных веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной "стерилизации" водоемов. Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, а главное - снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями (цепи питания). "Мертвая вода" усиливает дефицит пресной воды, обусловленный возрастающими масштабами хозяйственного и бытового использования и ее загрязнением.

Среди факторов, воздействующих на популяции рыб в связи с  подкислением, называют нехватку кальция, осаждение алюминия на жабрах и, главным  образом, нарушение репродуктивных процессов. Чувствительны к подкислению  также амфибии, ракообразные, хирономиды, личинки поденок и веснянок, сокращение биомассы которых существенно сказывается на численности околоводных птиц.

Эти токсичные металлы  представляют опасность для здоровья человека.

Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с  высоким содержанием ртути, могут  приобрести серьёзные заболевания.

Алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность  преждевременного старения. Тяжелые  металлы, находящиеся в природных  водах, отрицательно влияют на почки, печень, центральную нервную систему, вызывая  различные онкологические заболевания. Генетические последствия отравления тяжелыми металлами могут проявиться через 20 лет и более не только у тех, кто употребляет грязную  воду, но и у их потомков.

Что касается состояния  рек и озер России, то качество воды большинства водных объектов в течение  всех последних лет наблюдений и  контроля со стороны Госкомэкологии не отвечает нормативным требованиям из-за сильного загрязнения промышленными сточными водами. Все (обратите на это внимание!) основные реки России и их крупные притоки оцениваются как "загрязненные" или "сильно загрязненные". При таком положении кислотные осадки Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям рН почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью, особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они "нейтрализуют" почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевые черви погибают. мало изменяют качественные характеристики воды.

Подкисление почвы  приводит к изменению Аl/Са и Al/Mg отношений, которые в Центральной Европе за последние двадцать лет возросли почти в два раза. Однако емкость почв по отношению к кислотным загрязнениям определяется их минеральным составом, катионным обменом, почвенным дыханием и другими факторами, которые в свою очередь зависят от геологического субстрата, климата и растительности. Существует несколько расчетных моделей оценки кислотности почв и ее картографического анализа, в ряде случаев выявляющих очень высокую степень корреляции с геологическим субстратом.

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.

Среди других нарушений, происходящих в почве вследствие ее подкисления, следует отметить нарушение  процессов питания растений, разрушение их корневой системы.

Многообразно косвенное  влияние: загрязнения выступают  в роли пусковых механизмов биологических  и биохимических процессов, ослабляющих  растение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическим  изменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям - грибам, бактериям, жукам  и др. В то же время подкисление  почвы азотнокислыми дождями  стимулирует развитие лесных вредителей. Наибольший урон кислотные дожди  нанесли лесам Центральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн. га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для  европейских лесов оценивается  в 118 млн. м3 древесины в год (из них  около 35 млн. м3 на европейской территории России). В меньшей степени от кислотных дождей страдают сельскохозяйственные растения, поскольку подкисление  почв здесь можно контролировать агрохимикатами.

Почвенное подкисление  считают одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного  полушария (рис.8), причем этот фактор долго  действующий, который может проявиться через много лет после прекращения  кислотообразующих выбросов в атмосферу. Больше всего пострадали елово-пихтовые и дубовые леса. Непосредственное воздействие кислотных осадков  приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение  с поверхности листа) и фотосинтеза  за счет разрушения хлорофилла (это  воздействие можно определить зрительно  по побурению листьев и игл).

Старые леса при  этом терпят больший ущерб, чем молодые. Эффекты подкисления можно подразделить на химические и биологические. Первые заключаются главным образом в изменении катионного обмена растения, в результате которого деревья страдают от недостатка магния (особенно на естественно бедных магнием почвах) и избытка алюминия, в котором видят главную причину пожелтения хвои. Вторые весьма многообразны и большей частью носят косвенный характер: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, делающих его менее устойчивым к вредителям и климатическим воздействиям. В частности, кислая среда подавляет развитие микоризы и рост корней. В то же время повышенное содержание азота и свободных нуклеиновых кислот стимулирует развитие лесных вредителей. Косвенные воздействия выражаются в пролонгации летнего роста и соответственно повышенной чувствительности к первым заморозкам. К ним можно отнести также изменение генофонда в результате естественного отбора на устойчивость к кислотным загрязнениям.

Уже давно установлено, что существует тесная зависимость между уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации SO2 около 1 мг/м3 возрастает число смертельных случаев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Статистические данные показали, что такое серьезное заболевание, как ложный круп, требующее моментального вмешательства врача и распространенное среди детей, возникает по этой же причине. То же самое можно сказать и о ранней смертности новорожденных в Европе и Северной Америке, которая ежегодно исчисляется несколькими десятками тысяч.

3. Способы борьбы.

Чистота атмосферного воздуха планеты – одно из приоритетных направлений природоохранной деятельности национальных правительств, которая  развивается в рамках программы, принятой на XIX специальной сессии Генеральной  Ассамблеи Организации Объединенных Наций в июне 1997 г.

Международными  соглашениями установлены критические  нормы выбросов диоксида серы и оксидов  азота, ниже которых их воздействие  на наиболее чувствительные компоненты экосистем не обнаруживается, а также  ряд рекомендаций по осуществлению  снижения этих выбросов.

Среди эффективных  методов борьбы с выбросами окисленной серы в атмосферу через дымовые  трубы следует отметить различные  газоочистители, такие, как электрические  фильтры, вакуумные, воздушные или  жидкие фильтры-скрубберы. В последних газообразные продукты сгорания пропускаются через водный раствор извести, в результате образуется нерастворимый сульфат кальция СаSО4. Этот метод позволяет удалить до 95% SО2, но является дорогостоящим (снижение температуры дымовых газов и понижение тяги требует дополнительных затрат энергии на их подогрев; кроме того, возникает проблема утилизации СаSO4) и экономически эффективен лишь при строительстве новых крупных предприятий. Такой же дорогостоящий метод очистки дымовых газов от оксидов азота с помощью изоциановой кислоты НNСО (удаляется до 99% оксидов азота, превращающихся в безвредные азот и воду).

Применение высоких  дымовых труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается  в следующем. Перемешивание загрязняющих веществ в значительной степени зависит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближайшем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота будет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воздействия уменьшаются, но возрастает эффективность перемешивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся во время горения топлива химического состава атмосферы, изменение климата). Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязнения воздуха, зато в значительной степени увеличивает "экспорт" кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воздействия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются. Страны, где происходят сильные выбросы загрязнений, переадресовывают в этом случае часть кислотных осадков вместе с их неблагоприятными последствиями в другие страны.

Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используя  уголь с малым содержанием  серы, а также путем физической или химической его промывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы, таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляется  органическая сера. Однако, физические методы очистки малорентабельны, а  применение химических методов очистки  из-за ряда технических сложностей эффективно лишь на вновь строящихся электростанциях. Для средних и  малых предприятий энергетики используется метод сжигания топлива в кипящем слое, при котором удаляется до 95% диоксида серы и от 50 до 75% оксидов азота.

По приближенным оценкам из известных в настоящее  время мировых запасов нефти только 20% имеют содержание серы менее 0, 5%. Среднее содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами.

Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (мазут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута — процесс очень сложный, а в результате удается освободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капитальных вложений.

Так же обстоит  дело и с углями. Угли с низким содержанием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей угля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1, 0%.

Сера в угле находится  частично в неорганической, а частично в органической форме. Во время очистки, когда удаляют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие соединения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо дороже предыдущего.

Таким образом, очистка  угля и нефти от серы, представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс. И затраты на него высокие. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

В зону горения (с  перфорированной подстилкой) направляют поток несгораемого вещества, связывающего серу. Всасываемый снизу с большой скоростью воздух измельчает и перемешивает вещество, находящееся в объеме горения. С помощью этого процесса можно не только уменьшить выброс двуокиси серы, но и снизить количество образующегося оксида азота NO, так как при этом снижается температура горения, так как количество оксида азота NO, который образуется при горении: зависит от температуры горения, чем меньше температура горения, тем меньше образуется оксида азота. Количество NO зависит и от времени нахождения топлива в зоне горения и от избытка воздуха. Путем снижение температуры горения можно уменьшить содержание оксидов азота на 50-60%. Таким образом, соответствующим изменением технологии можно сократить количество выбрасываемых загрязняющих веществ.