Кислотный дождь

Кислотный дождь.

       Впервые  термин «кислотный дождь» был  введен в 1872 году английским  исследователем Ангусом Смитом, внимание которого привлек смог в Манчестере. 
       И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня это очевидный факт, что кислотные дожди являются одной из причин гибели живых организмов, лесов, урожаев, и других видов растительности. Кроме того кислотные дожди разрушают здания и памятники архитектуры, приводят в негодность металлоконструкции, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы. 
       Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, которое приблизительно равняется 5,6. «Чистый» дождь обычно всегда имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода (СО2) вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. Теоретически такой «чистый», слабо- кислотный дождь должен иметь рН = 5,6, что   соответствует равновесию между СО2 воды и СО2 атмосферы. Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ дождь никогда не бывает абсолютно «чистым», и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением около 5,0 для зоны умеренных лесов. Помимо СО2 в атмосферу Земли попадают естественным путем также различные соединения серы и    азота, которые сообщают дождевым осадкам кислотную реакцию. Таким образом «кислотные дожди» могут возникать и по естественным причинам.    Однако помимо естественного попадания в атмосферу Земли различных оксидов с кислотной реакцией существуют также и антропогенные источники, эмиссия из которых во много раз превышает естественную.                    Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота может     увеличить кислотность осадков до pН = 4,0, что выходит за пределы    значений, переносимых большинством живых организмов.

 
Причины кислотных  дождей: 

      Главной причиной кислотных дождей является присутствие в составе атмосферы  Земли двуокиси серы SO2 и двуокиси азота NO2, которые в результате происходящих в атмосфере химических реакций, превращаются в соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность земли оказывает влияния на живые организмы и экотоп в целом.

Атмосферный аммиак.

 
Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных  дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения: 
NH3 + H2SO4 = NH4HSO4 
NH3 + NH4HSO4 = (NH4)2SO4 
NH3 + HNO3 = NH4NO3 
Таким образом, нейтрализуются кислотные осадки и образуются сульфаты и нитрат аммония. Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Ученым удалось установить, что активность бактерии, приводящая в конечном счете к образованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Америка и Северная Европа), 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 в Европе он превышает возможности выделения аммиака почвой. 

Воздействие кислотных дождей на окружающую среду

 
      Результатом кислотной седиментации является то, что кислотные атмосферные микроэлементы, соединения серы и азота попадают на поверхность Земли, что приводит к сильным изменениям кислотности водоемов и почв. В первую очередь повышение кислотности сказывается на состоянии пресноводных водоемов и лесов. Кислотные дожди оказывают различное влияние. Изначально осадки, имеющие повышенное содержание азота первое время способствуют росту деревьев в лесу, так как происходит снабжение деревьев питательными веществами. Однако в результате постоянного их потребления лес ими перенасыщается, что приводит к закислению почвы. В результате изменения кислотности почв изменяется растворимость в них тяжелых и токсичных металлов, которые могут попасть в организм животных и человека передаваясь по трофической цепочке, в которой будет происходить их накопление. Под действием кислотности изменяется биохимическая структура почвы, что приводит к гибели почвенной биоты и некоторых растений. 
       Под воздействием кислотных дождей происходит вымывание из растений неорганических соединений, к которым относятся все основные микро– и макроэлементы. Так, например, в наибольших количествах обычно вымываются калий, кальций, магний и марганец. Также подвергаются вымыванию из растений и различных органических соединения, такие как: сахара, аминокислоты, органические кислоты, гормоны, витамины, пектиновые и фенольные вещества и т.п. В результате этих процессов возрастают потери необходимых для растений биогенных элементов, что в результате приводит к их повреждениям. 
        Поступающие в почву с кислотным дождем ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего происходит либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Возрастает мобильность токсичных тяжелых металлов, таких как марганец, медь, кадмий. Растворимость тяжелых металлов сильно зависит от рН. Раствореные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести их к гибели. Одним из наиболее опасных элементов, для живых организмов живущих в почве, является алюминий растворенный в сильнокислой среде.

Закисление пресных  вод. 
     Закисление пресных вод – это потеря ими способности к нейтрализации. 
     Закисление, как правило, вызывают сильные кислоты, такие как серная и азотная кислота. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. 
       Процесс закисления водоемов можно условно разделить на 3 фазы: 
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. 
3. При рН = 4,5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

 Непосредственное воздействие кислотных осадков на окружающую среду

 
     1. Гибель растений. Непосредственная гибель растений в наибольшей степени наблюдается вблизи от непосредственного источника выбросов, а также в радиусе нескольких десятков километров от этого источника. Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, главным образом на его листьях, и проникая в организм растения принимает участие в различных окислительно восстановительных реакциях. Под их воздействием происходит окисление ненасыщенных жирных кислот мембран, тем самым изменяется их проницаемость, что в дальнейшем оказывает влияние на такие жизнено-важные процессы как дыхание и фотосинтез. В первую очередь происходит гибель лишайников, которые могут существовать только при очень чистом состоянии окружающей среде. Лишайники являются чувствительными индикаторами различных видов воздушного загрязнения. Недавние исследования, произведённые в университете Ноттингема, показали, что образующие подушки виды рода Cladonia могут служить чувствительными индикаторами кислотных дождей. 
        2. Прямое воздействие на человека. Особую опасность для здоровья человека представляют аэрозольные частицы кислотного характера. Степень их опасности зависит в первую очередь от их размеров. Крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, тогда как мелкиет(менее 1 мкм.) капли состоящие из смеси серной и азотной кислот могут проникать в самые отдаленные участки легких и наносить там существенные повреждения. Кроме того такие металлы как алюминий (и др. тяжелые металлы) могут попасть в ту пищевую цепочку на вершине которой стоит человек, что может привести к его отравлению. 
      3. Коррозия металлов, зданий и памятников. Причиной коррозии является увеличение концентрации иона водорода на поверхности металлов, от которой в большой степени и зависит их окисление. В загородных районах степень коррозии металлоконструкции составляет несколько микрометров в год, в то время как в загрязненных городских районах она может достигнуть 100 мкм. в год. Кислотный дождь может причинять ущерб не только металлам, но и зданиям, памятникам и прочим сооружениям. Памятники построенные из известняка и песчанника подвергаясь воздействию кислотного дождя разрушаются очень быстро. Содержащийся в песчанниках и известняках СаСО3 превращаясь в сульфат кальция легко вымывается дождевой водой.

 
Пути решения  проблемы

    Для разрешения проблемы кислотных дождей необходимо уменьшить выбросы двуокиси серы и окиси азота в атмосферу. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения энергии получаемой человеком при сжигании ископаемого топлива и увеличения количества электростанций, использующих альтернативные источника энергии (энергия солнечного света, ветра, энергию приливов и отливов). Другие возможности для уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу это: 
          1. Снижение содержания серы в различных видах топлива.

          2. Применение высоких труб.

          3. Технологические изменения (чем меньше температура горения, тем меньше возникает оксида азота). 
          4. Известкование (для уменьшения закисления озер и почв в них добавляют щелочные вещества (СаСО3))  

Литература:

1. http://chemistry.narod.ru/razdeli/eco/5.htm 
2. «Кислотный дождь» Л. Хорват. Москва Стройиздат 1990. с 79 
3. «Лес и атмосфера» Уильям Х. Смит. Москва. «Прогресс» 1985. с 428