ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
КИСЛОТНЫХ ДОЖДЕЙ
Введение.
Человек всегда
использовал окружающую среду
в основном как источник ресурсов,
однако в течение очень длительного
времени его деятельность не
оказывала заметного влияния
на биосферу. Лишь в конце прошлого
столетия изменения биосферы
под влиянием хозяйственной деятельности
обратили на себя внимание
ученых. В первой половине нынешнего
века эти изменения нарастали
и в настоящее время лавиной
обрушились на человеческую цивилизацию.
Стремясь к улучшению условий
своей жизни, человек постоянно
наращивает темпы материального
производства, не задумываясь о
последствиях. При таком подходе
большая часть взятых от природы
ресурсов возвращается ей в
виде отходов, часто ядовитых
или непригодных для утилизации.
Это создает угрозу и существованию
биосферы, и самого человека.
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.
Определение темы
исследования.
Термином "кислотные
дожди" называют все виды
метеорологических осадков - дождь,
снег, град, туман, дождь со снегом,
- рН которых меньше, чем среднее
значение рН дождевой воды (средний
рН для дождевой воды равняется
5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой
деятельности двуокись серы (SO 2 )
и окислы азота (NО x ) трансформируются
в атмосфере земли в кислотообразующие
частицы. Эти частицы вступают
в реакцию с водой атмосферы,
превращая ее в растворы кислот,
которые и понижают рН дождевой
воды. Впервые термин «кислотный
дождь» был введен в 1872 году
английским исследователем Ангусом
Смитом. Его внимание привлек
викторианский смог в Манчестере.
И хотя ученые того времени
отвергли теорию о существовании
кислотных дождей, сегодня уже
никто не сомневается, что кислотные
дожди являются одной из причин
гибели жизни в водоемах, лесов,
урожаев, и растительности. Кроме
того кислотные дожди разрушают
здания и памятники культуры,
трубопроводы, приводят в негодность
автомобили, понижают плодородие
почв и могут приводить к
просачиванию токсичных металлов
в водоносные слои почвы.
Вода обычного
дождя тоже представляет собой
слабокислый раствор. Это происходит
вследствие того, что природные
вещества атмосферы, такие как
двуокись углерода (СО 2 ), вступают
в реакцию с дождевой водой.
При этом образуется слабая
угольная кислота (CO 2 + H 2 O —> H 2
CO 3 ). Тогда как в идеале рН дождевой воды
равняется 5.6-5.7, в реальной жизни показатель
кислотности (рН) дождевой воды в одной
местности может отличаться от показателя
кислотности дождевой воды в другой местности.
Это, прежде всего, зависит от состава
газов, содержащихся в атмосфере той или
иной местности, таких как оксид серы и
оксиды азота.
Кислотный дождь
образуется в результате реакции
между водой и такими загрязняющими
веществами, как оксид серы (SO 2 ) и
различными оксидами азота (NO
х ). Эти вещества выбрасываются
в атмосферу автомобильным транспортом,
в результате деятельности металлургических
предприятий и электростанций, а
также при сжигании угля и
древесины. Вступая в реакцию
с водой атмосферы, они превращаются
в растворы кислот - серной, сернистой,
азотистой и азотной. Затем,
вместе со снегом или дождем,
они выпадают на землю.
Последствия выпадения
кислотных дождей наблюдаются
в США, Германии, Чехии, Словакии,
Нидерландах, Швейцарии, Австралии,
республиках бывшей Югославии
и еще во многих странах
земного шара.
Кислотный дождь
оказывает отрицательное воздействие
на водоемы - озера, реки, заливы,
пруды - повышая их кислотность
до такого уровня, что в них
погибает флора и фауна. Водяные
растения лучше всего растут
в воде со значениями рН
между 7 и 9.2. С увеличением кислотности
(показатели рН удаляются влево
от точки отсчета 7) водяные
растения начинают погибать, лишая
других животных водоема пищи.
При кислотности рН 6 погибают
пресноводные креветки. Когда 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.
Когда кислотность достигает
рН 4.5, погибает вся рыба, большинство
лягушек и насекомых
Кислотный дождь
наносит вред не только водной
флоре и фауне. Он также уничтожает
растительность на суше. Ученые
считают, что хотя до сегодняшнего
дня механизм до конца еще
не изучен, сложная смесь загрязняющих
веществ, включающая кислотные
осадки, озон, и тяжелые металлы
в совокупности приводят к
деградации лесов.
Выделение блоков
модели.
Имитационная
модель возникновения кислотных
дождей в атмосфере описывает
различные источники выбросов
соединений серы и азота в
атмосферу, химические реакции,
в результате которых в атмосфере
образуются серная и азотная
кислоты и влияние кислотных
осадков на природные экосистемы
и человека. Также рассматривается
ряд мероприятий по снижению
образования кислотных дождей
в атмосфере.
На входе модели
рассматриваются различные источники
поступления окислов серы и
азоты. Эти источники могут
иметь как природное так и
антропогенное происхождение. Вклад
антропогенных источников в образование
кислотных дождей во много
раз превышает вклад природных
источников. Поэтому необходимо
применение мер по снижению
именно антропогенных выбросов
окислов серы и азота в атмосферу.
2.1. Поступление в
атмосферу соединений серы.
2.1.1 Виды соединений
серы.
К наиболее
важным соединениям серы, находящимся
в атмосфере, относятся двуокись
серы (оксид серы (IV)), оксисульфид
(сероокись углерода), сероуглерод,
сероводород и диметилсульфид. Послед¬ние
четыре соединения вследствие
сильного окислительного действия
атмосферы легко превращаются
в двуокись серы или в серную
кислоту (сульфаты). Под влиянием
деятельно¬сти человека более
всего изменяется содержание
двуокиси се¬ры
В сильно загрязненных
районах уровень двуокиси серы
может в 1000 и даже в десятки
тысяч раз превысить естест¬венную
границу значений на суше и
в океане. Концентрация других
соединений серы, обычно образующихся
из естествен¬ных источников, более
или менее одинакова вблизи
поверх¬ности 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.
2.1.2 Источники соединений
серы.
Соединения серы,
как мы уже упоминалось, частично
попадают в атмосферу естествен¬ным
путем, а частично антропогенным.
Поверхность суши, как и поверхность
океанов и морей, играет роль
естественно¬го 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
анаэ¬робные бактерии извлекают
из сульфатов, растворенных в
ес¬тественных водах, кислород, в
результате чего образуются сернистые
газообразные соединения
Из указанных
веществ сначала в атмосфере
был обнару¬жен сероводород, а
затем с развитием измерительных
прибо¬ров и способов отбора
проб воздуха удалось выделить
ряд ор¬ганических газообразных
соединений серы. Наиболее важны¬ми
источниками этих газов являются
болота, зоны приливов и отливов
у береговой линии морей, устья
рек и некоторые почвы, содержащие
большое количество органических
ве¬ществ.
Поверхность моря
также может содержать значительные
количества сероводорода. В его
возникновении принимают участие
морские водо¬росли. Можно предположить,
что выделение серы биологиче¬ским
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 со¬единения поступают
главным образом в нижний слой
- тро¬посферу, а при отдельных,
большой силы извержениях на¬блюдается
увеличение концентрации соединений
серы и в бо¬лее 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.
В результате
деятельности человека в атмосферу
попада¬ют 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 выбро¬сов.
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 так¬же
отдельные отрасли промышленности,
главным образом металлургическая,
а также предприятия по производству
сер¬ной кислоты и переработке
нефти. На транспорте загрязне¬ние
соединениями серы относительно
незначительно, там в первую
очередь необходимо считаться
с оксидами азота.
Таким образом,
ежегодно в результате деятельности
чело¬века в атмосферу попадает
60-70 млн т. серы в виде двуокиси
серы. Сравнение естественных и
антропогенных выбросов сое¬динений
серы показывает, что человек
загрязняет атмосферу газообразными
соединениями серы в 3-4 раза
боль¬ше, чем это происходит
в природе. К тому же эти
соедине¬ния концентрируются в
районах с развитой промышленно¬стью,
где антропогенные выбросы в
несколько раз превыша¬ют естественные,
т. е. главным образом в Европе
и Северной Америке.
Примерно половина
выбросов, связанных с деятельностью
человека (30-40 млн т), приходится на
Европу.
2.2 Поступления в
атмосферу соединений азота.
2.2.1 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 азо¬тистую
кислоту.
Окись азота
под действием окислителей (например,
озона) или различных свободных
радикалов преобразуется в дву¬окись
азота:
(окись азота +
радикал пероксида водорода = двуокись
азота + радикал гидроксила);
(окись азота +
озон = двуокись азота + молекулярный
кислород).
Итак, можно предположить,
что окисью азота можно пре¬небречь
вследствие указанных окислительных
процессов. Од¬нако это не совсем
так, что объясняется двумя
причинами. Первая заключается
в том, что выброс оксидов
азота в значи¬тельной степени
происходит в форме окиси азота,
и требуется время, чтобы полностью
превратилась в . С другой стороны,
в непосредственной близости
от источников загряз¬нения количество
окиси азота превышает количество
двуоки¬си азота. Это соотношение
увеличивается в сторону двуокиси
азота по мере приближения
к территориям, непосредственно
не подверженным загрязнению.
Например, в безусловно чис¬том
воздухе над поверхностью океана
часть окиси азота со¬ставляет
всего несколько процентов от
двуокиси азота. Соот¬ношение
этих газов, впрочем, может
меняться вследствие фо¬тодиссоциации
двуокиси азота:
(двуокись азота+
квант света = окись азота+ атом
кислорода),
Кислотную среду
в атмосфере создает также
азотная кис¬лота, образующаяся
из оксидов азота. Если находящаяся
в воздухе азотная кислота
нейтрализуется, то образуется азот¬нокислая
соль, которая обычно присутствует
в атмосфере в виде аэрозолей.
Это относится также к солям
аммония, кото¬рые получаются
в результате взаимодействий
аммиака с ка¬кой-либо кислотой.
2.2.2 Источники соединений
азота.
Эти источники
могут быть как естественными,
так и антропогенными. Рассмот¬рим
наиболее важные естественные
источники.
Почвенная эмиссия
оксидов азота. В про¬цессе
деятельности живущих в почве
денитрифицирующих бактерий из
нитратов высвобождаются оксиды
азота. Соглас¬но 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 пе¬рехода в
плазменное состояние молекулярные
азот и кисло¬род в воздухе
соединяются в оксиды азота.
В состоянии плаз¬мы атомы
и молекулы ионизируются и
легко вступают в химическую
реакцию. Об¬щее количество образовавшихся
таким способом оксидов азо¬та
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 по¬лучения 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
воз¬никновения высокой температуры
находящиеся в воздухе азот
и кислород соединяются. Количество
образовавшегося оксида азота
NO пропорционально температуре горения.
Кро¬ме того, оксиды азота образуются
в результате горения имею¬щихся
в топливе азотсодержащих веществ.
Сжигая топливо, человек ежегодно
выбрасывает в воздух 12 млн т
оксидов азота.. Значительным ис¬точником
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 огра¬ниченных 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 кис¬лотных
осадков.
2.3 Химические превращения
соединений серы и азота 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).
2.3.1 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 ѕ двуокись серы. Реакции
двуокиси серы могут протекать
как в гомогенной среде, так
и в гомогенной.
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. Звездочка означает
активированное состояние. Активированные
молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных»
молекул могут вступать в химическое взаимодействие
с находящимся в воздухе в довольно больших
количествах молекулярным кислородом:
(активированная
молекула двуокиси + молекулярный
кислород свободный радикал)
(свободный радикал
+ молекулярный кислород триоксид
серы + озон)
Образовавшаяся
триоксид серы, взаимодействуя с
атмосферной водой, очень быстро
превращается в серную кислоту,
поэтому при обычных атмосферных
условиях триокись серы не
содержится в воздухе в значительных
количествах. В гомогенной среде
двуокись серы может вступить
во взаимодействие с атомарным
кислородом, также с образованием
триокиси серы:
(двуокись серы +
атомарный кислород триокись
серы)
Эта реакция
протекает в тех средах, где
имеется относительно высокое
содержание двуокиси азота, которая
также под действием света
выделяет атомарный кислород
В последние
годы было установлено, что
описанные выше механизмы превращения
двуокиси серы в атмосфере
не имеют превалирующего значения,
так как реакции протекают
главным образом при участии
свободных радикалов. Свободные
радикалы, возникающие при фотохимических
процессах, содержат непарный
электрон, благодаря чему они
обладают повышенной реакционноспособностью.
Одна из таких реакций протекает
следующим образом:
(двуокись серы +радикал
гидроксила свободный радикал)
(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 антропогенной кислотной
седиментации
2.3.2 Химические превращения
соединений азота:
Наиболее распространенным
соединением азота, входящим в
состав выбросов, является окись
азота , который при взаимодействии
с кислородом воздуха образует
двуокись азота. Последний 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
2.4 Кислотная седиментация
(кислотные дожди).
Заключительным
этапом в круговороте загрязняющих
веществ является седиментация,
которая может происходить двумя
путями. Первый путь ѕ вымывание
осадков или влажная седиментация.
Второй путь ѕ выпадение осадков
или сухая седиментация. Совокупность
этих процессов является кислотной
седиментацией
2.4.1 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
ѕ 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.
2.4.2 Сухие осадки.
Хотя эта форма
седиментации существенно отличается
от влажной седиментации, конечный
результат их действительно идентичен
ѕ 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
2.5 Влияние кислотных
осадков на природу и человека.
Кислотные осадки
оказывают вредное воз¬действие
не только на отдельные предмет
или живые сущест¬ва, но и
на их совокупность. В природе
и в окружающей сре¬де образовались
сообщества растений и животных,
между ко¬торыми, как и между
живыми и неживыми организмами,
су¬ществует постоянный обмен
веществ. Эти сообщества, кото¬рые
можно также называть экологической
системой, обычно состоят из четырех
групп: неживые объекты, живые
организ¬мы, потребители и разрушители.
Влияние кислотности
в первую очередь сказывается
на со¬стоянии пресных вод
и лесов. Обычно воздействия
на сообще¬ства бывают косвенными,
т.е. опасность представляют не
са¬ми кислотные осадки, а протекающие
под их влиянием про¬цессы
(например, высвобождение алюминия).
В определен¬ных объектах (почва,
вода, ил и т.д.) в зависимости
от кис¬лотности могут возрасти
концентрации тяжелых металлов,
так как в результате изменения
рН изменяется их раствори¬мость.
Через питьевую воду и животную
пищу, например, через рыбу в организм
человека также могут попасть
токсич¬ные 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 источ¬ника загрязнения.
