Все статьи

Кислотные дожди: анализ явления

26 Июня
0
В 2018 году крымский город Армянск стал эпицентром экологической катастрофы. Из-за аварийной ситуации на местном заводе «Крымский титан» северную часть Крымского полуострова и прилегающие территории накрыло кислотными дождями со всеми вытекающим неприятными последствиями для природы и здоровья людей.
 Эти события заставили всерьез задуматься над опасностями кислотных осадков – этой серьезной экологической угрозы.
 Как образуются кислотные осадки, каковы химические механизмы этого процесса? Что грозит территориям, которые хронически подвергаются загрязнению кислотными осадками? Об этом – в нашем сегодняшнем материале.
Фото: https://www.rock-cafe.info
Хвойные деревья после кислотных дождей. (Источник: https://www.rock-cafe.info/)

Откуда взялась проблема «кислой воды»? 

Кислотные осадки – это любые виды атмосферных осадков (дождь, снег, град, туман, смешанные осадки), в которых наблюдается отклонение водородного показателя (pH). Для дождевой воды среднее значение рН равно 5,6. В случае, когда рН осадков меньше этого значения – говорят о кислотных дождях. В этом случае, говоря простым языком, в атмосферной влаге содержится определенное количество кислоты. 

Соединениями, приводящими к снижению уровня рН осадков, являются оксиды серы, азота, хлористый водород и летучие органические соединения (ЛОС). 

Кислотные дожди впервые были описаны еще в 1684 году английским ученым Робертом Бойлем. А сам термин «кислотные дожди» появился в 1872 с подачи английского инженера Роберта Смита. 

Откуда в ту далекую доиндустриальную эпоху вообще появилась проблема «кислой воды»? Дело в том, что кислотные осадки - вовсе не «изобретение» индустриального мира. То, что с неба могут падать осадки, из-за которых страдают растения и животный мир было известно давно, и причиной этого явления служили вполне естественные процессы. 

Источниками такого «естественного» загрязнения (в смысле происходящего без участия человека) воздушного бассейна нашей планеты кислотными образованиями являются микрогазы содержащие серу, азот, фосфор и галогены. В большом количестве такие газы образуются, например, при извержении вулканов (в этом случае в атмосферу выбрасывается большое количество серы и ее газообразных соединений). 

Источником серы также служат почва и испарения морской воды (Мировой океан - просто неисчерпаемый источник сульфата серы, который при определенных условиях преобразуется в сероводород). Естественными производителями сероводорода являются болота или, например, тропические леса. Этот сероводород попадает в атмосферу, где происходит его окисление.

Кислотную среду создает также азотная кислота, образующаяся из, соответственно, соединений азота. В природе соединения азота образуются из-за жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, в результате грозовой деятельности, а также из-за лесных и степных пожаров. 


Лесной пожар.jpg

Лесные пожары являются источником выброса азотных соединений в атмосферу. (Источник: Nikolay Kondev)

В 1987 г. американские ученые Р. Принн и Б. Фегли даже выдвинули новую гипотезу о том, что причиной массового вымирания динозавров явились длительные кислотные дожди, возникшие из-за активизации вулканической деятельености и выброса в атмосферу большого количества серы. 

Впрочем, природа природой, но человек в результате своей промышленной деятельности давно обогнал естественные процессы по «поставкам» в атмосферу компонентов для «производства» кислотных дождей. 

Антропогенные источники кислотные осадков

Впервые проблема кислотных дождей стала предметом серьезного обсуждения в научном сообществе на XXVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии, проходившей в Мадриде в сентябре 1975 года.

К тому времени Европа и вообще все развитые индустриальные по полной программе ощутили «прелести» бурного промышленного развития после Второй мировой войны в виде гибнущих лесов, «выгорающей» тундры, безжизненных рек и озер. 

Главный источник химических компонентов для кислотных осадков  - углеводородная энергетика (прежде всего – сжигание угля), нефтепереработка, металлургическая промышленность, производство минеральных удобрений, автотранспорт. 

Ежегодно в результате деятельности человека, в атмосферу выбрасывается около 70 млн. тонн диоксида серы, что примерно в два раза больше, чем выброс серы в естественной среде.

Большая часть образовавшихся в атмосфере кислот выпадает в районе источников их образования, но в результате атмосферных процессов загрязнения могут переносится и тысячи километров от мест образования, перемешиваясь друг с другом.

Атмосферная лаборатория 

Итак, каков же химический механизм образования кислотных осадков? 

Попадая в атмосферу загрязняющие вещества (здесь мы будем подразумевать прежде всего окислы серы и азота) подвергаются химическим и фотохимическим превращениям. 

Прежде всего – вступают во взаимодействие с молекулами воды. В результате несложной, известных всем из школьного курса химии реакции взаимодействия оксида и воды происходит образование кислоты  

Оксиды серы, попадая в воздух, образуют серную кислоту, оксиды азота – азотную. Причем процессы происхождения той и другой кислоты немного разнятся.

В образовании серной кислоты участвуют гидроксильные радикалы.  В Образовавшаяся кислота либо выпадает на поверхность Земли, либо преобразуется в соли, которые тоже выводятся из атмосферы вместе с осадками. 

Есть и другой процесс образования серной кислоты, в котором участвует диоксид серы (сернистый ангидрид), SO2. При взаимодействии с кислородом из сернистого ангидрида образуется серный ангидрид (SO3), который, в свою очередь, при контакте с атмосферной влагой образует аэрозоль серной кислоты. 

В образовании азотной кислоты также участвуют гидроксильные радикалы. Эта реакция происходит днем, так как гидроксильные радикалы присутствуют в достаточном количестве лишь в дневное время.

Образующиеся кислоты входят в состав туманов, облачных и дождевых капель. В тумане концентрация ионов водорода (pH) имеет значение от 2,9 до 4,9, в облаках — 4,4, в дождевой воде — 4,6. Нейтральным считается значение pH 7, выше — кислотная среда, ниже — щелочная. Величина pH в пресных водоемах лежит в интервале 6-8.

Интересен тот факт, что имеющиеся в атмосфере над крупными городами частицы железа и марганца (входят в состав городского смога), выступают катализаторами (ускорителями) процессов образования кислот. 

Фото: scoopnest.com

Городской смог - спутник мегаполисов. (Источник: www.scoopnest.com/)

Другой примечательный факт: перемещаясь в атмосфере, аэрозоли кислот растворяют содержащиеся в атмосфере вредные вещества. Поэтому правильнее считать, что кислотные осадки - это не просто раствор той или иной кислоты (или, чаще всего, их смесь), а смесь (в виде раствора) разнообразных микроэлементов, в том числе и кислот. 

Более того, за счет того, что в атмосфере содержатся разные вещества-загрязнители - в том числе обладающие щелочной реакцией – может происходить частичная нейтрализация раствора дождевой воды.

Но понятно, что ущерб природной среде, наносимый кислотными осадками, не может быть нейтрализован за счет того, что в атмосфере содержатся и другие загрязнители – нет такого механизма.  

Воздействие на окружающую среду

Кислотные осадки оказывают исключительно негативное влияние на множество объектов и процессов, чувствительных к изменениям показателя  pH.

Воздействия «кислой воды» на неорганические объекты (здания, инфраструктурные сооружения и др.) приводят к разрушению и ускоренной коррозии за счет того, что раствор кислоты постепенно разъедает бетонные металлические поверхности. 

В том же Крыму, например, после аварийных выбросов завода «Крымский титан» выпадали осадки, моментально смывающие с асфальта дорожную разметку.

Английские ученые оценили влияние кислотных дождей на исторические памятники и здания за более двух с половиной веков — средняя скорость эрозии составляет 0,078 мм в год. В городах срок разрушения мрамора составляет 3,5 мм за 100 лет (а в сельской местности за это же время разрушается лишь 0,5 мм).

Воздействие кислотных осадков на живые объекты – процесс более сложный и многогранный. 

Так, окисление водных объектов приводит к гибели водной флоры и фауны, чувствительной к показателю рН. Несмотря на то, что некоторые виды рыб могут выдерживать незначительное подкисление воды, они в конечно счете тоже погибают из-за утраты кормовых ресурсов и общего нарушения пищевых цепочек. 

Те озера, где уровень рН менее 5,1 – обычно практически мертвы.  Объясняется это не только тем, что погибают взрослые экземпляры рыб: при рН 5,0, большинство видов рыб не может вывести мальков из икринок, в результате происходит сокращение числового и видового состава популяций рыб.

Что касается суши, то кислотные дожди воздействуют на растения как прямо, так и косвенно. Особенно чувствительными оказываются уязвимые растительные сообщества в тех местах, где растениям восстанавливаться не так просто. Хрестоматийные примеры - «выгоревшая» безжизненная тундра в районе Норильска или на Кольском полуострове, где ведется обработка никелевой руды. 

В лесных экосистемах подкисленная атмосферная влага разрушает листья и кору, ослабляя тем самым деревья, делая их уязвимыми для вредителей,  болезней, низовых лесных пожаров. Косвенное воздействие на древостой происходит за счет снижения уровня питательных веществ в почве (питательные элементы растворяются кислотой и выносятся из поверхностного слоя почвы).

Как следствие – нарушается вся лесная экосистема.


Фото: mainecoon-world.ru

Поврежденные кислотным дождем листья. (Источник: mainecoon-world.ru/)

Биохимические особенности воздействия кислотных осадков на растения приводят и к тому, что от них страдают и культурные посевы. Систематическое воздействие на почву кислотных дождей в теплый период года приводит к тому, что из нее вымываются питательные вещества, нарушаются нормальные биохимические процессы.  

При показателе кислотности почвы pH 3 на ней уже ничего практически не растет. Дополнительный вред заключается в том, что в почве увеличивается  концентрация тяжелых металлов (мы же помним, что на своем пути из атмосферы к поверхности земли кислотная аэрозоль «подбирает»  множество других веществ-загрязнителей).

Для здоровья человека опасность представляет не столько выпадающая кислота как таковая, сколько оксиды серы и азота. Образующиеся от них сульфаты переносятся воздушными потоками на значительные расстояния и, как показывают исследования, провоцируют развитие у людей легочные бронхитов и астмы. 

Решение проблемы

Кислотные осадки - это проблема, которая не относится к категории неразрешимых. Более того,  благодаря предпринятым в некоторых странах жестким мерам ситуацию уже удалось значительно выправить. 

Например, в Германии, в где 60-70 годы прошлого века из-за кислотных дождей гибли хвойный леса, этот процесс удалось остановить за счет внедрения жестких стандартов промышленных выбросов, стандартов качества автомобильного топлива, сокращением «грязной» энергетики в пользу возобновляемых источников энергии. 

Но понятно, что усилий, предпринимаемых отдельными странами или даже их союзами (например странами ЕС) все равно недостаточно для решения проблемы в глобальном масштабе. 

Радикально снизить поступление в атмосферу окислов серы и азота можно, если: 

  • сокращать потребление ископаемого топлива - прежде всего угля, решительнее переходить на возобновляемые источники энергии там, где это возможно;

  • внедрять более жесткие промышленные стандарты;  

  • развивать технологии очистки выбросов промышленных предприятий, радикально снижающих содержание в них соединений серы и азота (технологии каталитического восстановления азота, технологии улавливания серы и др., позволяющие снизить содержание в отходящих газах вредных примесей на 70-90 процентов);

  • решительнее экологизировать транспорт, переходить на новые стандарты моторного топлива, развивать газомоторный и электротранспорт;

  • эффективно бороться с лесными пожарами, незаконными сельскохозяйственными палами;  

  • развивать системы контроля (в том числе публичные) за выбросами и уровнем загрязнения атмосферы. 

Защита от кислотных дождей

Так как кислотные осадки сегодня имеют в большинстве антропогенное происхождение, наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов оксидов серы и азота человечеством. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо.

Оксиды азота, появляющиеся при сгорании топлива, можно снизить, если обеспечить сгорание топлива при более низкой температуре. В Германии используется процесс каталитического восстановления азота, что позволяет очищать отходящие газы от оксидов азота на 95%.

Уменьшить количество антропогенных выбросов серы можно путем очистки топлива и отходящих газов от серосодержащих веществ. Предварительная обработка угля уменьшает содержание серы на 10-30%.

Очистка отходящих газов, при использовании твердого топлива, позволяет снизить содержание двуокиси серы на 70-90%. Для этого используются специальные устройства, заполняемые известью, известняком и специальными добавками — скрубберы.

 Газовое топливо считается самым чистым и его использование, безусловно, является большим шагом на пути к сохранению окружающей среды, однако есть опасение, что его запасы могут исчерпаться.

Сегодня ситуация с кислотными осадками оставляет желать лучшего, однако стоит помнить, что все в наших руках. Ярким примером того, как человечество стало на путь восстановления планеты служит международный «Монреальский протокол», принятый в 1987 году. Тогда человечество всерьез обеспокоилось нарушением озонового слоя земли. И вот, спустя тридцать пять лет после подписания странами этого документа, ученые прогнозируют полное восстановление озонового слоя к 2050-м годам. Этим примером необходимо руководствоваться при принятии решений на счет многих экологических проблем, в том числе и на счет проблемы кислотных осадков.

Даниил Обирин

Источники:

Кислотные дожди, 2001, Н.М. Бажин.

Кислотный дождь, 1986, Л. Хорват.

Кислотные дожди и окружающая среда, 1991, Г.Е. Заиков, С.А. Маслов, В.Л. Рубайло.

Подписка на рассылку
Будь в курсе наших событий