Смог

Загрязнение атмосферы

В результате загрязнения окружающей среды возникают многие локальные и глобальные экологические проблемы, являющиеся характерной чертой современного экологического кризиса. Наиболее известные из них связаны с загрязнением атмосферного воздуха. Далее приводится информация о некоторых таких явлениях.

Загрязнение атмосферного воздуха - это любое изменение его состоя­ния и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье чело­века и животных, состояние растений и экосистем. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) или антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение воздуха вызывается вулканической деятель­ностью, выветриванием горных пород, ветровой эрозией, дымом от лесных и степных пожаров.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняю­щих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение.

Различают местное, региональное и глобальное загрязнения атмосфе­ры. Примером местного загрязнения может служить район г. Красноярска, примыкающий к КРАЗу; регионального - плато Путорана в окрестностях г. Норильска; глобального - повышенное содержание СО 2 во всей современ­ной атмосфере земного шара.

Главные загрязнители (поллютанты) - диоксид серы (SО 2), оксиды уг­лерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98 % в общем объеме вредных веществ. Помимо главных загрязнителей, в атмосфере горо­дов и крупных поселков наблюдается еще около 70 наименований вредных веществ, среди которых чаще встречаются формальдегиды, фтористый водо­род, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод и др. Однако во многих городах концентрация главных загрязнителей - диоксида серы и окиси углерода – наиболее часто превышает допустимые уровни.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются тепловые и атомные электростанции, котельные установки, предприятия черной метал­лургии, химическое производство, выбросы автотранспорта, газо- и нефтепе­реработка, сжигание мусора.

Выделяют следующие основные виды загрязнения атмосферы: смог, кислотные осадки, накопление парниковых газов и нарушение озонового экрана.

Смог – (в широком смысле) любое видимое невооруженным глазом загрязнение воздуха.

Самым первым из официально зарегистрированных случаев загрязнения атмосферы, имевшим серьезные последствия, стал смог в г. Донора (США) в 1948. В течение 36 часов было зарегистрировано два десятка смертей, сотни жителей чувствовали себя очень плохо. Спустя четыре года в декабре 1952 еще более трагический случай произошел в Лондоне. Из-за загрязнений, скопившихся в воздухе, за пять дней погибли более 4000 человек. Хотя в последующие годы сильный смог в Лондоне и других городах наблюдался неоднократно, таких катастрофических последствий, к счастью, больше не было.

Условия формирования : пылегазовое загрязнение воздуха в сочетании с неблагоприятными погодными условиями (повышенная влажность воздуха, повышенная солнечная активность), вследствие чего имеет место синергический (взаимоусиливающий) эффект. Дополнительным условием усиления смога является штилевая погода и температурная инверсия. Последнее проявляется в перекрытии холодного воздуха над землей слоем вышерасположенного теплого воздуха. Происходит это, когда холодный воздух «подтекает» (вклинивается) под теплый. Вследствие этого восходящее движение воздуха блокируется и загрязняющие вещества не уносятся вверх, а накапливаются над Землей. Явление температурной инверсии могут усиливать рельефные особенности. Так окружающие загрязненный участок горы препятствуют горизонтальному оттоку загрязнителей.

Существует три разновидности смога:

· Влажный смог (лондонского типа) – сочетание газообразных загрязнителей (в основном SO 2), пылевых частиц и капель тумана. Концентрации оксидов серы, пыли и оксида углерода достигает опасных для человека уровней. Так, в 1952 г. в Лондоне более 4000 людей погибло от влажности смога.

· Ледяной смог (аляскинского типа) – сочетание пылегазового загрязнения и замерзших капель тумана.

· Фотохимический смог (лос-анжелесского типа) – вторичное загрязнение воздуха вследствие разложения и химического взаимодействия загрязняющих веществ, в первую очередь оксидов азота и летучих углеводородов, под действием солнечных лучей. Следствием вторичного загрязнения атмосферы при фотохимическом смоге является образование фотохимических окислителей (агрессивных и вредных соединений O 3 (озон), СО (угарный газ), пероксилцилнитраты (ПАН) и др. Только в Токио в 1970 г такой вид смога вызвал отравление 10 тыс. людей, а в 1971 – 28 тыс.

Условия образования фотохимического смога. Сжигание топлива в двигателе автомобиля происходит при высокой температуре, начинается взаимодействие между кислородом и азотом, входящими в состав атмосферного воздуха. Образующийся при диссоциации молекул кислорода атомарный кислород способен расщепить молекулу сравнительно инертного азота, инициируя цепную реакцию:

O 2 + квант света ® O* + O* (радикалы кислорода)

O* + N 2 ® NO + N*

N* + O 2 ® NO + O*

В результате в выхлопных газах появляется монооксид азота, который, попав в атмосферу, окисляется кислородом воздуха, превращаясь в диоксид азота. Бурый диоксид азота фотохимически активен. Поглощая свет, он диссоциирует:

Таким образом, в воздухе появляется реакционноспособный атом кислорода, который может вступать в реакции с образованием озона:

O* + O 2 ® O 3 .

Присутствие озона – наиболее характерный признак фотохимического смога. Он не образуется при сгорании топлива, а является вторичным загрязнителем. Обладая сильнейшими окислительными свойствами, озон оказывает вредное действие на здоровье людей и разрушает многие материалы, в первую очередь, резину.

К отрицательным последствиям смога относится:

§ ухудшение состояния людей (головные боли, удушье, тошнота, аллергические явления на коже, глазах, слизистых верхних дыхательных путей); может повышать смертность;

§ смог приводит к усыханию растительности, потере урожаев сельскохозяйственных культур;

§ вызывает преждевременный износ зданий, металлических сооружений, резиновых изделий и т.д. Например, лос-анджелесский смог больше повреждает резину, а лондонский – железо и бетон.

Сейчас экологические проблемы автотранспорта в крупных российских городах стали серьезной проблемой. Так, автомобильные выхлопы в Москве и Санкт-Петербурге исчисляются сотнями тысяч тонн в год. Автотранспорт уверенно вышел на первое место среди всех прочих источников загрязнения воздуха. Поэтому в Москве, Петербурге и других крупных городах смог становится частым гостем, особенно в безветренную погоду.

Для предотвращения смога необходимо :

§ совершенствовать двигатели автомобилей;

§ эффективно очищать выхлопные газы;

§ количество монооксида углерода, образующегося в автомобильных двигателях, можно уменьшить, дожигая его до менее опасного диоксида углерода. Повышение доли воздуха в горючей смеси способствует уменьшению выброса не только СО, но и несгоревших углеводородов. Наиболее эффективными оказались каталитические преобразователи, в которых монооксид углерода и несгоревшие углеводороды окисляются до диоксида углерода и воды, а оксиды азота восстанавливаются до молекулярного азота. К сожалению, каталитические дожигатели нельзя использовать в случае заправки автомобиля этилированным бензином. Такой бензин содержит соединения свинца, необратимо отравляющие катализатор. Увы, в нашей стране этилированный бензин еще широко используется;

§ чтобы уменьшить выбросы диоксида серы, из нефти предварительно удаляют соединения серы, а отходящие дымовые газы дополнительно очищают. Попадание соединений серы в атмосферу можно уменьшить и за счет сжигания твердого топлива в кипящем слое. Выбросы твердых частиц тепловыми электростанциями снижают, применяя электрофильтры или вакуумные воздушные фильтры.

Кислотные осадки – это любые осадки (дождь, туман, снег), кислотность которых ниже нормальной вследствие их подкисления воздушными примесями. К кислотным осадкам относят также выпадение из атмосферы сухих кислых частиц (иначе кислотные отложения).

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит в монографии «Воздух и дождь: начало химической климатологии». В отсутствии загрязняющих примесей в воздухе реакция дождевой воды слабокислая (pH = 5,6), так как в ней легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты. Поэтому точнее кислотными следует называть осадки с pH £ 5,5.

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной (H 2 SO 4) и азотной (HNO 3) кислот. Наличие серы и азота в этих формулах показывает, что проблема связана с выбросом данных элементов в атмосферу. При сжигании топлива в воздух попадает диоксид серы, также происходит реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом и образуются оксиды азота. Поэтому условия образования кислотных осадков - массовое поступление в атмосферу двуокиси серы (SO 2) и оксидов азота (NO 2 и др.), которые вследствие их растворения в воде подкисляют осадки:

SO 3 + H 2 O ® H 2 SO 4 ,

NO 2 + H 2 O ® HNO 3 .

Кислотность осадков обычно обусловлена на 2/3 присутствием серной кислоты и на 1/3 – азотной кислоты.

Рисунок 2. Механизм образования кислотных осадков

Кислотность осадков зависит как от количества кислот (уровня загрязнения атмосферы окислами серы и азота), так и от количества воды, поступающей на землю в виде осадков. pH понижается (значит повышается кислотность) у осадков в такой последовательности: ливневые дожди ® моросящие дожди ® туманы. Значительной кислотностью может обладать кислотная роса, которая образуется из кислотных отложений (сухие кислые осадки) на поверхности растений и других объектах при выпадении небольшого количества капельной воды (росы).

Кислотные осадки иллюстрируют пороговый эффект. Большинство почв, озер и рек содержат щелочные химические вещества, которые могут взаимодействовать с некоторым количеством кислот, нейтрализуя их. Однако регулярное многолетнее воздействие кислот истощает большинство из этих сдерживающих закисление веществ. Затем как бы внезапно начинается массовая гибель деревьев и рыб в озерах и реках. Когда это происходит, какие-либо меры по предотвращению серьезного ущерба предпринимать уже поздно. Опоздание составляет 10 -- 20 лет.

Источники поступления в атмосферу окислов серы и азота: теплоэлектростанции (работающие на низкосортных углях и мазуте); промышленные котельные; выхлопные газы автомобильного транспорта и др. Получающиеся при этом в атмосфере слабые растворы серной и азотной кислоты могут выпадать в виде осадков иногда через несколько дней в сотнях километров от источника выделения (Рисунок 2).

В целом кислотность осадков, особенно в местах концентрации промышленных предприятий, может превышать нормальную в 10-1000 раз.

Динамика. Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности в Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире, и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азота.

В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн. км 2 , составляет 5-4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3-2,5.

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км 2 в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны - в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2) - в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом. Минимальные значения рН осадков в этих местах достигают 3,1-3,4. Самым благоприятным регионом в этом отношении признана Республика Саха (Якутия).

Специфическая особенность кислотных дождей - их трансграничный характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния - сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда «политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха.

Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия.

Около 75% кислотных осадков, выпадающих в Канаде, приносится ветрами из Соединенных Штатов, и только 15% кислотных осадков, выпадающих в северо-восточных штатах, обусловлено выбросами на территории самой Канады. Такой большой положительный баланс переноса кислотных осадков между Соединенными Штатами и Канадой привел к обострению отношений между двумя странами.

Канадские ученые и чиновники и многие ученые США критиковали правительство США за недостаточно оперативные действия по уменьшению вредных выбросов промышленных предприятий и электростанций по крайней мере на 50%. По оценкам Министерства окружающей среды провинции Онтарио, кислотные осадки угрожают 48 тыс. канадских озер с их индустрией спортивного рыболовства (1,1 млрд. долларов в год) и туризма (10 млрд. долларов в год). Канадцы также обеспокоены тем, что кислотные осадки вредят лесному хозяйству и связанным с ним отраслям, которые дают работу каждому десятому жителю страны и приносят 14 млрд. долларов в год.

Последствия выпадения кислотных осадков сводятся отрицательному влиянию на компоненты экосистем:

1. Кислые осадки приводят к деградации лесов вследствие прямого ожога тканей растений, вымывания биогенов из почв, снижения устойчивости растений к вредителям и болезням. Выщелачивание алюминия и тяжелых металлов из почвы поступающими кислотами, и дальнейшее их поступление в растения или водоемы вызывает отравление организмов. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит. В середине 70-х годов стали замечать, что заросли норвежской ели начали желтеть и осыпаться, 50 млн. га леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ, включающей кислотные дожди. Примеры:

§ В Голландии и Великобритании к 1986 г. около трети деревьев оказались «полностью или умеренно обнаженными». В ФРГ то же самое случилось с 20%, в Чехословакии и Швейцарии примерно с 16% деревьев.

§ В Германии пострадало 30%, а местами 50% лесов. И все это происходит вдали от городов и промышленных центров. Выяснилось, что причина всех этих бед – кислотные дожди.

§ Кроме того, загрязнение атмосферы ТЭС и ТЭЦ привело, как полагают учёные, к новому явлению поражению некоторых видов мягких пород деревьев, а также к быстрому и одновременному падению скорости роста по меньшей мере шести видов хвойных деревьев.

3. Особенно негативное воздействие от выпадения «кислотных дождей» ощутила на себе Скандинавия. В 70-х годах в реках и озерах скандинавских стран стала исчезать рыба, снег в горах окрасился в серый цвет, листва с деревьев раньше времени устлала землю. Очень скоро те же явления заметили в США, Канаде, Западной Европе. Показатель рН меняется в разных водоемах, но в ненарушенной природной среде диапазон этих изменений строго ограничен. Природные воды и почвы обладают буферными возможностями, они способны нейтрализовать определенную часть кислоты и сохранить среду. Однако очевидно, что буферные способности природы не беспредельны. Интенсивность влияния зависит от буферной емкости экосистемы. Однако возможности буфера ограничены, при непрекращающемся поступлении в экосистему кислотных осадков он химически расходуется и наступает момент, при котором даже незначительное дальнейшее поступление кислоты приводит к снижению pH в биотопе экосистемы. При уменьшении pH в водных экосистемах уменьшается репродуктивная способность, отмечается гибель (в первую очередь более примитивных) организмов; нарушаются длительно складывающиеся пищевые цепи не только в воде, но и околоводных наземных экосистемах. Зафиксировано:

§ Понижение способности к воспроизводству лососей и форели при рН < 5,5.

§ Гибель и понижение продуктивности многих видов фитопланктона, когда рН<6 – 8.

§ Разрыв азотного цикла в озерах, когда величина рН колеблется от 5,4 до 5,7.

§ Повреждение корней деревьев и гибель многих видов рыб из-за высвобождения из почв и донных осадков ионов алюминия, свинца, ртути и кадмия.

4. Канадским экологам удалось установить, что популяция обитающих в коралловых рифах Карибского моря рыб сократилась на 32-72% за последние 10-15 лет. Об этом сообщает Science NOW. Экологи называют несколько возможных причин сокращения численности кораллов. Среди них - увеличение кислотности воды в связи с ростом уровня CO 2 в атмосфере и повышение температуры океанов.

5. Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры . Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО 2), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО 4). Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают этот мягкий материал. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу – шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, в Лондоне – Тауэру и Вестминстерскому аббатству. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме. Более 100 тыс. ценнейших витражей, украшающих соборы в Шатре, Контербери, Кёльне, Эрфурте, Праге, Берне, в других городах Европы могут быть полностью утрачены в ближайшие 15 – 20 лет.

6. Изучение историй болезни большого числа горожан ясно показывает, что в городских районах с самым большим уровнем загрязнения воздуха наблюдается наибольшее число заболеваний органов дыхания и наиболее низкая средняя продолжительность жизни. Влияние на людей и изделия:

· аллергические реакции кожных и слизистых покровов у людей;

· преждевременный износ из-за ускоренной коррозии зданий, сооружений, памятников архитектуры (изготовленных из мрамора);

· резко снижается продуктивность сельскохозяйственных угодий.

Мероприятия по снижению разрушительного действия кислотных осадков. Спасать природу от закисления необходимо. Для этого придется резко снизить выбросы в атмосферу окислов серы и азота, но в первую очередь сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на 70 – 80% обусловливают кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от места промышленного выброса.

В водоемы, пострадавшие от кислотных дождей, новую жизнь могут вдохнуть небольшие количества фосфатных удобрений; они помогают планктону усваивать нитраты, что ведет к снижению кислотности воды. Использование фосфата дешевле, чем извести, кроме того, фосфат оказывает меньшее воздействие на химию воды.

Одним из мероприятий по контролю за кислотными осадками является мониторинг. Наблюдения за химическим составом и кислотностью осадков в России ведут 131 станция, отбирающие на химический анализ суммарные пробы, и 108 пунктов, на которых в оперативном порядке измеряют только величину рН.

Система контроля загрязнения снежного покрова на территории России осуществляется на 625 пунктах, обследующих площадь в 15 млн. км 2 . Пробы забирают на наличие ионов сульфата, нитрата аммония, тяжелых металлов, определяют значение рН.

Термин «кислотные дожди» был введен английским химиком Р.Э.Смитом более 100 лет назад.

В 1911 г. в Норвегии зафиксировали случаи гибели рыб в результате подкисления природной воды. Однако только в конце 60-х гг., когда аналогичные случаи в Швеции, Канаде, США привлекли внимание общественности, возникло подозрение, что причина - дождь с высоким содержанием серной кислоты.

Кислотные дожди - это атмосферные осадки (дождь, снег) с рН менее 5,6 (повышенной кислотностью).

Образуются кислотные дожди при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН = 3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе - рН =2,3.

Суммарные мировые антропогенные выбросы оксидов серы и азота составляют ежегодно более 255 млн т (1994). Кислотообразующие газы надолго остаются в атмосфере и могут передвигаться на расстояния в сотни и даже тысячи километров. Так, значительная часть выбросов Великобритании попадает в северные страны (Швецию, Норвегию и др.), т.е. с трансграничным переносом, и наносит ущерб их экономике.

Загрязнение атмосферы соединениями серной и азотной кислот с последующим выпадением осадков называется кислотными дождями. Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота предприятиями топливно-энергетического комплекса, автотранспортом, а также химическими и металлургическими заводами. При анализе состава кислотного дождя основное внимание обращается на содержание катионов водорода, определяющих его кислотность (рН). Для чистой воды водородный показатель рН = 7, что соответствует нейтральной реакции. Растворы с рН ниже 7 являются кислыми, выше - щелочными. Весь диапазон кислотности-щелочности охватывается значениями рН от 0 до 14.

Примерно две трети кислотных дождей вызываются диоксидом серы. Оставшаяся треть обусловлена в основном оксидами азота, которые также служат одной из причин парникового эффекта и входят в состав городского смога.

Промышленность разных стран ежегодно выбрасывает в атмосферу более 120 млн. т диоксида серы, который, реагируя с атмосферной влагой, превращается в серную кислоту. Попадая в атмосферу, эти загрязнители могут разноситься ветром на тысячи километров от источника и возвращаться на землю с дождем, снегом или туманом. Они превращают озера, реки и пруды в «мертвые» водоемы, уничтожая в них практически все живое - от рыб до микроорганизмов и растительности, губят леса, разрушают сооружения и памятники архитектуры. Многие животные и растения не могут выжить в условиях повышенной кислотности. Кислотные дожди не только вызывают подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв, но и распространяются с нисходящими потоками воды на весь почвенный профиль и вызывают значительное подкисление грунтовых вод.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, медные и железные руды, при этом одни из них используются как топливо, а другие перерабатываются в химической и металлургической промышленности. При переработке сера превращается в различные химические соединения, среди которых преобладают диоксид серы и сульфаты. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными устройствами, оставшаяся их часть выбрасывается в атмосферу.

Сульфаты образуются при сжигании жидких топлив и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, а также серной кислоты. При сжигании жидких топлив образуется около 16% общего количества сульфатов.

Хотя кислотные дожди не создают таких проблем мирового масштаба, как глобальное потепление климата и истощение озонового слоя, их воздействие сказывается далеко за пределами страны, создающей это загрязнение.

Кислотные дожди и водоемы. Как правило, рН большей части рек и озер составляет 6...8, но при высоком содержании в их водах минеральных и органических кислот рН значительно ниже. Процесс попадания кислотных дождей в водоемы (реки, пруды, озера и водохранилища) включает много этапов, на каждом из которых их рН может и уменьшаться и возрастать. Например, изменение рН осадков возможно при их движении по лесной подстилке, взаимодействии с минералами, продуктами деятельности микроорганизмов.

Все живое чувствительно к изменению рН, поэтому повышение кислотности водоемов наносит непоправимый вред рыбным запасам. В Канаде, например, из-за частых кислотных дождей более 4 тыс. озер объявлены мертвыми, еще 12 тыс. - на грани гибели. Нарушено биологическое равновесие 18 тыс. озер в Швеции. В половине озер южной части Норвегии исчезла рыба.

Из-за гибели фитопланктона солнечный свет проникает на большую глубину, чем обычно. Поэтому все умершие от кислотных дождей озера поразительно прозрачные и необычайно голубые.

Кислотные дожди и леса. Огромный урон кислотные дожди наносят лесам, садам, паркам. Опадают листья, молодые побеги делаются хрупкими, как стекло, и гибнут. Деревья становятся более подверженными воздействию болезней и вредителей, отмирает до 50% их корневой системы, главным образом мелкие корни, питающие дерево. В ФРГ кислотными дождями уже погублена почти треть всех елей. В таких лесистых районах, как Бавария и Баден, пострадало до половины лесных угодий. Кислотные дожди наносят урон не только лесам, расположенным на равнинах, ряд повреждений зарегистрирован в высокогорных лесах Швейцарии, Австрии, Италии.

Кислотные дожди и урожайность сельскохозяйственных куль тур. Установлено, что последствия воздействия на сельскохозяйственные культуры кислотных дождей определяются не только их кислотностью и катионным составом, но и продолжительностью, а также температурой воздуха. В общем случае установлено, что зависимость роста и созревания сельскохозяйственных культур от кислотности осадков свидетельствует о взаимосвязи физиологии растений, развития микроорганизмов и ряда других факторов. Отсюда очевидно, что необходим количественный учет всех компонентов кислотных дождей, влияющих на урожайность и качество продукции, а также на сложные процессы функционирования почвенной биоты для каждого конкретного региона.

Кислотные дожди и материалы. Влияние кислотных дождей на широкую гамму конструкционных материалов становится из года в год все очевиднее. Так, ускоренная коррозия металлов под воздействием кислотных осадков, как отмечает американская печать, приводит к гибели самолетов и мостов в США. Серьезной проблемой, как известно, стало сохранение античных памятников в Греции и Италии. Основными повреждающими ингредиентами являются катион водорода, диоксид серы, оксиды азота, а также озон, формальдегид и пероксид водорода.

Интенсивность разрушения материалов зависит: от их пористости, так как чем выше удельная поверхность, тем больше ее сорбционная способность; от конструкционных особенностей, так как при наличии различных выемок они являются коллекторами кислотных осадков; от условий эксплуатации: скорости ветра, температуры, влажности воздуха и т.п.

На практике наибольшее внимание уделяют трем группам материалов: из металлов - нержавеющей стали и оцинкованному железу; из строительных материалов - материалам для наружных конструкций зданий; из защитных - краскам, лакам и полимерам для поверхностных покрытий. При воздействии осадков и газов их повреждающее действие обусловлено интенсивностью каталитических реакций с участием металлов, а также синергизмом (синергизм - способность одного вещества усиливать действие другого), при этом наиболее часто наблюдается равномерная коррозия.

По данным Европейского парламента, экономический ущерб от кислотных осадков составляет 4% валового национального продукта. Это должно учитываться при выборе стратегии борьбы с кислотными дождями в долгосрочной перспективе.

Конкретные меры по уменьшению выбросов серы в атмосферу реализуются в двух направлениях:

использование на ТЭЦ углей с низким содержанием серы;

очистка выбросов.

Малосернистыми считаются угли с содержанием серы менее 1%, а высокосернистыми - с содержанием серы более 3%. Чтобы уменьшить вероятность образования кислотных дождей, высокосернистые угли подвергают предварительной обработке. В состав угля обычно входят пиритная и органическая сера. Современные многостадийные методы очистки угля позволяют извлечь из него до 90% всей пиритной серы, т.е. до 65% общего количества ее. Для удаления органической серы в настоящее время разрабатываются методы химической и микробиологической очистки.

Аналогичные методы необходимо применять и к высокосернистой нефти. Мировые запасы нефти с низким содержанием серы (до 1 %) невелики и составляют не более 15%.

При сжигании мазута с высоким содержанием серы используют специальные химические присадки, которые позволяют снизить содержание диоксида серы в выбросах.

Одним из наиболее простых способов снижения количества оксидов азота при сжигании топлива является проведение процесса в условиях недостатка кислорода, что обеспечивается скоростью подачи воздуха в зону горения. В Японии разработана технология «дожигания» первичных продуктов сгорания. При этом сначала топливо (нефть, газ) сжигают в оптимальном режиме для образования оксидов азота, а затем в зоне дожигания уничтожают непрореагировавшее топливо. При этом реакции, приводящие к восстановлению оксидов, и их выброс снижаются на 80%.

Следующим направлением в решении этой проблемы является отказ от практики рассеивания газообразных выбросов. Их следует не рассеивать, уповая на огромные масштабы атмосферы, а, наоборот, улавливать и концентрировать.

Наиболее эффективный способ очистки выбросов от диоксида серы основан на реакции его с измельченной известью. В результате реакции 90% диоксида серы связывается с известью, образуя гипс, который можно использовать в строительстве. Так, теплоэлектроцентраль мощностью 500 МВт, снабженная установкой для очистки выбросов, дает за год 600 тыс. м 3 гипса.

Перспективной мерой по снижению вредных воздействий является установление лимитов на выбросы. Так, Агенство по охране окружающей среды США установило лимит общего выброса диоксида серы на территории страны, предусмотрев его ежегодное снижение. Это мероприятие дало определенный положительный эффект.

Что такое вода, знают все. Ее на Земле огромное количество - полтора миллиарда кубических километров.

Если представить Ленинградскую область дном гигантского стакана и попытаться в него вместить всю воду Земли, то высота его должна быть больше, чем расстояние от Земли до Луны. Казалось бы, воды так много, что ее должно всегда хватать в избытке. Но беда в том, что во всех океанах вода соленая. Нам же, да и почти всему живому, нужна вода пресная. А вот ее не так много. Поэтому мы опресняем воду.

В пресной воде рек и озер много растворимых веществ, в том числе ядовитых, в ней могут быть болезнетворные микробы, поэтому использовать ее, а тем более пить без дополнительной очистки нельзя. Когда идет дождь, капли воды (или снежинки, когда идет снег) захватывают из воздуха вредные примеси, попавшие в него из труб какого-нибудь завода.

В результате в некоторых местах Земли выпадают вредные, так называемые кислотные дожди. Ни растениям, ни животным это не нравится.

Благодатные капли дождя всегда радовали человека, но теперь уже во многих районах планеты дожди превратились в серьезную опасность.

Кислотные осадки (дожди, туманы, снег) - это осадки, кислотность которых выше нормальной. Мерой кислотности является значение pH (водородный показатель). Шкала значения pH идет от 02 (крайне высокая кислотность), через 7 (нейтральная среда) до 14 (щелочная среда), причем нейтральная точка (чистая вода) имеет pH=7. Дождевая вода в чистом воздухе имеет pH=5,6. Чем ниже значение pH, тем выше кислотность. Если кислотность воды ниже 5,5 , то осадки считаются кислотными. На обширных территориях промышленно развитых стран мира выпадают осадки, кислотность которых превышает нормальную от 10 - 1000 раз (рН= 5-2,5).

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной (H 2 SO 4) и азотной (HNO 3) кислот. Наличие серы и азота в этих формулах показывает, что проблема связана с выбросом данных элементов в атмосферу. При сжигании топлива в воздух попадает диоксид серы, также происходит реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом и образуются оксиды азота.

Эти газообразные продукты (диоксид серы и оксид азота) реагируют с атмосферной водой с образованием кислот (азотной и серной).

В водных экосистемах кислотные осадки вызывают гибель рыб и других водных обитателей. Подкисление воды рек и озер серьезно влияет и на сухопутных животных, так как многие звери и птицы входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах.

Вместе с гибелью озер становится очевидной и деградация лесов. Кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных микроорганизмов. Во время засухи через поврежденные листья испаряется больше влаги.

Выщелачивание биогенов из почвы и высвобождение токсичных элементов способствует замедлению роста и гибели деревьев. Можно предположить, что происходит и с дикими видами животных, когда погибают леса.

Если разрушается лесная экосистема, то начинается эрозия почвы, засорение водоемов, наводнение и ухудшение запасов воды становятся катастрофическими.

В результате закисления в почве происходит растворение питательных веществ, жизненно необходимых растениям; эти вещества выносятся дождями в грунтовые воды. Одновременно выщелачиваются из почвы и тяжелые металлы, которые затем усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения. Используя такие растения в пищу, человек также получает вместе с ними повышенную дозу тяжелых металлов.

Когда деградирует почвенная фауна, снижаются урожаи, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции, а это, как мы знаем, влечет за собой ухудшение здоровья населения.

Под действием кислот из горных пород и минералов высвобождается алюминий, а также ртуть и свинец. которые затем попадают в поверхностные и грунтовые воды. Алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность преждевременного старения. Тяжелые металлы, находящиеся в природных водах, отрицательно влияют на почки, печень, центральную нервную систему, вызывая различные онкологические заболевания. Генетические последствия отравления тяжелыми металлами могут проявиться через 20 лет и более не только у тех, кто употребляет грязную воду, но и у их потомков.

Кислотные дожди разьедают металлы, краски, синтетические соединения, разрушают архитектурные памятники.

Наиболее характерны кислотные дожди для индустриальных стран с высокоразвитой энергетикой. За год теплоэлектростанции России выбрасывают в атмосферу около 18 миллионов тонн сернистого ангидрида, а помимо этого, благодаря западному переносу воздуха, приходят сернистые соединения с Украины и Западной Европы.

Для борьбы с кислотными дождями необходимо направить усилия на сокращения выбросов кислотообразующих веществ угольными электростанциями. А для этого необходимо:

использование низкосернистого угля или его очистка от серы

установка фильтров для очистки газообразных продуктов

применение альтернативных источников энергии

Большинство людей остается безучастными к проблеме кислотных дождей. Собираетесь ли вы равнодушно ждать гибели биосферы или будете действовать?

Кислотные осадки - это дождь, снег или дождь со снегом, имеющие повышенную кислотность. Они возникают главным образом из-за выбросов оксидов серы и азота в атмосферу при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа). Растворяясь в атмосферной влаге, эти оксиды образуют слабые растворы серной и азотной кислот и выпадают в виде кислотных дождей. Относительная кислотность раствора выражается индексом рН (кислотность определяется наличием свободных ионов водорода Н+; рН - это показатель концентрации ионов водорода). Обычная незагрязненная дождевая вода имеет рН = 5,65. Кислотными называются дожди с рН менее 5,65. кислотные осадки атмосферный загрязнение

Кислотные дожди могут также выпадать при поступлении в атмосферу серной кислоты и азотсодержащих газов (диоксида азота NO2 и аммиака NH3) от естественных источников (например, при извержении вулканов).

Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные предметы 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.

В восточных районах США кислотность атмосферных осадков приблизительно на 65% определяется присутствием серной кислоты (H2SO4), на 30% - азотной кислоты (HNO3) и на 5% - соляной кислоты (HCl). Главными источниками оксидов серы (SO2 и SO3), обусловливающих образование серной кислоты, являются тепловые электростанции, работающие на нефти и угле, а также металлургические заводы. Оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2), из которых образуется азотная кислота, поступают в атмосферу примерно в равных количествах от тепловых электростанций, работающих на нефтепродуктах и угле, и с выхлопными газами автомобильных двигателей. Сравнительно небольшое количество соляной кислоты в атмосферных осадках образуется в результате аккумуляции газообразного хлора от различных природных и промышленных источников.

Разные природные обстановки различным образом реагируют на повышение кислотности. Кислотные осадки могут привести к изменению химических свойств почвы и воды. Там, где вода в реках и озерах стала довольно кислой (рН менее 5), исчезает рыба. При нарушении трофических цепей сокращается число видов водных животных, водорослей и бактерий. В городах кислотные осадки ускоряют процессы разрушения сооружений из мрамора и бетона, памятников и скульптур.

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.

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.

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.

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.

Закисление пресных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. На значительных территориях при повышении определенных значений кислотности осадков поверхностные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способность нейтрализовать кислоты, то значение рН может снизиться на 1, 5, а в крайних случаях -- даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под действием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смываемых с территории водного бассейна.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз.

• 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 (рис. 25).
• 3. При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают гибнуть уже при зачениях рН < 6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни (по данным SNV).

Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы.

Гибель водных живых сообществ может приводить к закислению и выделению тяжелых металлов, а также к нарушению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций или гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества прочих живых организмов. Можно заметить характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близкий состав питательных веществ и ионов, но различную кислотность. До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотности, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пищевую цепочку.

Естественно, атмосферные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества при дыхании.

Уже давно установлено, что существует тесная зависимость между уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации около 1 мг/м 3 возрастает число смертельных случаев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей.

Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значение, ниже которого даже у самых чувствительных людей не обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы.

Помимо первичного прямого воздействия, на человека косвенно влияет и закисление окружающей среды. Косвенные воздействия в первую очередь оказывают ядовитые металлы (алюминий, тяжелые металлы). Эти металлы легко могут попасть в пищевую цепочку, в конце которой стоит человек. Проведенные обследования показали, что содержание цинка в свинине и говядине, а также в мясных продуктах довольно часто превышает допустимый уровень(10%). Кадмий также встречается в говядине в концентрациях, превышающих допустимые. Медь и ртуть в безопасных концентрациях обнаружены главным образом в мясе птицы.

Кислотный дождь может также причинять вред металлам, различным зданиям и памятникам. В первую очередь подвержены опасности памятники, построенные из песчаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры.

Плачевное состояние окружающей среды поставило современных ученых-экологов перед острой проблемой загрязнения нашей планеты. Необходимо найти новые методы решения этого вопроса. В настоящий момент ученые всего мира ищут выход из положения. Но не стоит забывать о том, что будущее планеты зависит в первую очередь от нас с вами.

Использованы материалы с сайтов.