Проблема кислотных дождей

 

1.5 Атмосферный аммиак

 

Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в  регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения с помощью следующих реакций:

 

(аммиак+ серная кислота - гидросульфат  аммония);

(аммиак+ гидросульфат аммония = сульфат  аммония);

(аммиак+ азотная кислота - нитрат аммония).

 

Таким образом, 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, в конечном счете, 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. 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.

 

2.1 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.

 

2.2 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 седиментации 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.

 

3. Влияние кислотных осадков  на биосферу

 

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.

 

4. Способы защиты от кислотных  дождей

 

Кислотные дожди могут оказывать как  прямое, так и косвенное воздействие  на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть различными.

Наиболее  эффективным способом защиты следует  считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого  можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное  топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в атмосферу  — удаление серы из топлива с  помощью фильтров, регулирование  процессов горения и другие технологические  решения.

Снижение  содержания серы в различных видах  топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содержанием  серы. Однако таких видов топлива  очень мало. 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.

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%.

Таким образом, энергоносители с низким содержанием  серы у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы  содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее удаления.

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.

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.

Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представляет собой достаточно сложный  и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. 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.

Применение  высоких 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 (здесь  в первую очередь необходимо вспомнить  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. Строительство  высоких труб в известной степени  безнравственно, поскольку страна, где происходят сильные выбросы  загрязнений, переадресовывает часть  кислотных осадков вместе с их неблагоприятными последствиями в  другие страны.

 

Заключение

 

Нам уже известно, что дальнейшее закисление окружающей среды зависит от того, как будет обстоять дело с антропогенными выбросами оксидов серы и азота  в атмосферу. Разумеется, предсказать  это очень сложно. Однако мы можем  сделать определенное заключение на основе анализа интенсивности выбросов в прошлом. Оцененный таким способом выброс двуокиси серы в будущем тысячелетии  значительно больше нынешнего уровня. Согласно этому ожидается рост закисления окружающей среды, а причиняемый  кислотными осадками ущерб станет катастрофическим. Это вызывает большое беспокойство, если принять во внимание, что и  настоящие уровни выброса уже  приводят к ужасающим последствиям.

Неблагоприятно  положение и с выбросами оксидов  азота, поскольку антропогенные  выбросы соединений азота по сравнению  с соединениями серы увеличиваются  еще более высокими темпами.

В определенных странах увеличение эмиссии двуокиси серы, кажется, удалось остановить. Что касается оксидов азота, то и  в Европе и во всем мире продолжают увеличиваться выбросы NOx, особенно в связи с возрастающим числом автомобилей.

В некоторых  странах проблема эмиссии оксидов  серы и азота является в какой-то мере политической, так как в результате их распространения загрязняющие вещества попадают за пределы государственной  границы, и одно государство может  обвинить другое в ущербе, причиненном  кислотными осадками, соответственно потребовав его возмещения. Канада, например, действует таким образом  по отношению к США, а Швеция —  по отношению к промышленно развитым государствам Европы. Специалисты Европы и Северной Америки серьезно обеспокоены дальнейшими последствиями выпадения кислотных осадков. Многочисленные международные организации по охране окружающей среды занимаются проблемами крупномасштабного распространения веществ, загрязняющих воздух.

Международный исследовательский институт прикладного  системного анализа (IIASA) проводит изучение моделей с целью установления возможной кислотности почв, вод  и т.п. через десятки лет. Результаты говорят о том, что почвы и  леса в Европе могут быть спасены  от дальнейшего закисления только путем  значительного сокращения выбросов.

Эти выбросы должно самостоятельно регулировать каждое государство. Для уменьшения эмиссии загрязняющих веществ в  атмосферу существует ряд способов: сильное сокращение использования  энергии; ввод новых технологий, установка  фильтрующего оборудования; использование слабозагрязняющих либо совсем незагрязняющих источников энергии.