Причины возникновения и экологические последствия кислотных дождей

2.2.2 Источники соединений азота.

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

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.

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( 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 [pic] свободный радикал)

 (свободный радикал + молекулярный кислород [pic] 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( вымывание осадков или влажная седиментация. Второй путь( 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( 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( 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  воздействие не только на отдельные  предмет или живые существа, но и на их совокупность. В природе  и в окружающей среде образовались сообщества растений и животных, между  которыми, как и между живыми и  неживыми организмами, существует постоянный обмен веществ. Эти сообщества, которые  можно также называть экологической  системой, обычно состоят из четырех  групп: неживые объекты, живые организмы, потребители и разрушители.

Влияние кислотности в первую очередь  сказывается на состоянии пресных  вод и лесов. Обычно воздействия  на сообщества бывают косвенными, т.е. опасность представляют не сами кислотные  осадки, а протекающие под их влиянием процессы (например, высвобождение  алюминия). В определенных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости  от кислотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в  результате изменения рН изменяется их растворимость. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсичные 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 источника загрязнения.

2.5.1 Косвенные воздействия.

Воздействия на леса и пашни. Кислотные  осадки воздействуют либо косвенным  путем; через почву и корневую систему, либо непосредственно 
(главным образом на листву). Подкисление почвы определяется различными факторами. В отличие от вод почва обладает способностью к выравниванию кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению кислотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наряду с естественными процессами на почвы в лесах и на пашнях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая стабильность, способность  к выравниванию, склонность почв к  закислению изменчивы и зависят от качества подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от наличия поблизости значительного источника загрязнений. Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности зависит от химических и физических свойств подстилающих слоев.

Косвенные воздействия проявляются  по-разному. Например, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время  способствуют росту деревьев, так  как снабжают почву питательными веществами. Однако в результате постоянного  потребления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание  нитрата, что ведет к закислению почвы.

Во время выпадения осадков  вода, стекающая с листьев, содержит больше серы, калия, магния, кальция  и меньше нитрата и аммиака, чем  вода осадков, что приводит к увеличению кислотности почвы. В результате этого возрастают потери необходимых  для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев.

Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в  почве катионами, в результате чего происходят либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных  тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями рН.

Растворимость тяжелых металлов также  сильно зависит от рН. 
Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. 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.