Влияние кислотных осадков на биосферу

   Содержание:

   Введение…………………………………………………………………..стр.3

   1. Как попадают соединения серы  в атмосферу……………………….стр.4

   1.1. Виды соединений серы…………………………………………..стр.4

   1.2. Источники соединений серы………………………………....стр.4-6

   1.3. Виды соединений азота……………………………………….стр.6-7

   1.4. Источники соединений азота…………………………………стр.7-8

   1.5. Атмосферный аммиак………………………………………...стр.8-9

   2. Распространение кислотных веществ в атмосфере……………..стр.9-11

3. Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере…………………………………………………………….стр.11

   3.1. Химические превращения соединений серы………………...стр.12

   3.2. Химические превращения соединений азота……………..стр.12-13

   4. Кислотная седиментация (кислотные  осадки)………..…………….стр.13

   4.1. Вымывание кислотных веществ из атмосферы…………..стр.13-14

   4.2. Сухие осадки…………………………………………………...стр.14

   5. Влияние кислотных осадков на  биосферу………………………стр.14-15

   5.1. Косвенные воздействия…………………………………….стр.15-18

   5.2. Непосредственные воздействия………………………..….стр.18-21

   6. Способы защиты от кислотных  дождей……………………..…стр.21-24

   Заключение…………………………………………………………..стр.25-26

   Список  литературы……………………………………………………..стр.27 
 
 
 

   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.
1. Виды соединений серы.

   К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся  двуокись серы (SO₂), оксисульфид (сероокись углерода), сероуглерод (CS₂), сероводород (H₂S) и диметилсульфид (CH₃SCH₃). Последние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в двуокись серы (SO₂) или в серную кислоту (H₂SO₄). Под влиянием деятельности человека более всего изменяется содержание двуокиси серы.

   В сильно загрязненных районах уровень  двуокиси серы (SO₂) 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 (H₂SO₄) и, сульфат и гидросульфат аммония ((NH₄)₂SO₄), а также морская соль.

2. 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  четыре 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.

   4. 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, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы 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.

3. Виды соединений азота.

   В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микро веществ, но в кислотной седиментации участвуют только два из них: окись и двуокись азота (NO и NO₂), которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азотистую кислоту (HNO₂).

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

   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 для полного превращения. 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.

   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.

4. Источники соединений азота.

   Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными.

   Рассмотрим  наиболее важные естественные источники.

   Естественные  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.

   Антропогенные источники соединений азота, содержащихся в атмосфере.

   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, 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.

5. Атмосферный аммиак.

   Аммиак (), имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения. 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 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.

   В процессе распада мочи домашних животных высвобождается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько  значителен, что, например, в Европе он превышает возможности выделения  аммиака почвой.

   Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость распада ниже. Существенными  источниками аммиака могут служить  также производство и внесение в  землю искусственных удобрений.

   Меньшее количество аммиака может попасть  в атмосферу в результате сгорания угля или горючего транспортных средств.

2. Распространение кислотных веществ в атмосфере.

   Загрязняющие  вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности земли, естественно, не задерживаются на одном месте, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях, частично преобразовываясь.

   Рассмотрим  сначала вертикальное перемешивание, которое происходит посредством  конвекционных (упорядоченных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe состояния в данный момент, перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали в атмосфере. Как известно, начиная с поверхности земли температура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в среднем на 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от поверхности это понижение исчезает, более того, двигаясь выше, можно наблюдать потепление.

   Этот  слой, где происходит изменение температуры  в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между  ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и для данного  места остается постоянной. Выше находится  стратосфера, где происходит потепление в вертикальном направлении.

   Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры  воздуха в этом же направлении. Поэтому  перемешивание в тропопаузе замедляется, и загрязняющие вещества уже могут  проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение), что представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те загрязняющие вещества, которые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу. Таким образом, можно сказать, что в результате увеличения температуры с высотой перемешивание на этом уровне прекращается.

   В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхности, наблюдается инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном  направлении, которое также приводит к прекращению вертикального  перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным  глазом. Например, в Будапеште, над  загрязненными местами иногда можно  превосходно разглядеть границу  между нижним серым загрязненным и верхним чистым слоями воздуха. Этот близкий к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических условий. Тропопауза является верхней границей перемешивания в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения.

   Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распространяются не только в вертикальном, но и в  горизонтальном направлении. Этот процесс  происходит под воздействием адвекции (при упорядоченном движении воздуха) или же в результате турбулентного (неупорядоченного) движения. На больших расстояниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени ее пребывания в атмосфере. Все находящиеся в атмосфере вещества, в том числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в химическую реакцию, либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадка.

   Это выделение веществ на поверхность  представляет собой седиментацию.

   Время, в течение которого в среднем  молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пребывания. Обычно чем короче время пребывания заданного  вещества в атмосфере, тем выше его  способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от места  и времени измерения. Концентрация же двуокиси азота может в несколько  раз изменяться.

   Распространение загрязняющих веществ в больших масштабах создало много международных проблем. Поскольку загрязнение воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном государстве может загрязнить воздух другого. Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) подсчитала, в какой степени то или иное европейское государство несет ответственность, за выпадение кислотных дождей. Количество загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и поступают в другие страны можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в какой-либо стране выброс загрязняющего вещества на ее территории превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то баланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрицательный баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.

   За  передвижением масс воздуха между  странами и распространением таким  способом загрязняющих веществ можно  проследить, используя различные метеорологические данные. Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем больше, чем ближе он находится от места измерения. Таким образом, мы схематично ознакомились с вертикальным перемешиванием (конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих веществ.

     Однако их только теоретически  можно отделить друг от друга,  в действительности оба эти  процесса идут параллельно. Для  математического описания (моделирования)  распространения загрязняющих веществ  необходимо также учитывать химическое  взаимодействие, седиментацию микроэлементов, влияние рельефа на формирование  потока воздуха и т.д. Такие  математические модели очень  сложны. Однако с некоторыми упрощениями  можно получить относительно  хорошие результаты.

3. Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.

   Попадающие  в воздух загрязняющие вещества в  значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут параллельно их распространению. Очень часто загрязняющие вещества, испытав частичное или  полное химическое превращение, выпадают в осадок, изменив таким образом  свое агрегатное состояние.

   Рассмотрим  подробнее химические реакции и  фазовые изменения, происходящие с  атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).

1. Химические превращения соединений серы.

   Сера  входит в состав в не полностью окисленной форме (степень окисления ее равна 4). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

   Рассмотрим  в первую очередь наиболее значительное с точки зрения кислотных дождей вещество двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать в гомогенной среде.

   Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном  в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области. В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием.

   Образовавшаяся  трехокись серы, взаимодействуя с  атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому  при обычных атмосферных условиях трехокись серы содержится в воздухе  в не значительных количествах. Реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов.

   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.

2. Химические превращения соединений азота.

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

   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 дожди).

   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.

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 40-50%. Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100%. 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.