Феномен «кислой воды»

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. Когда pH осадков меньше этого значения, то говорят о кислотных дождях. В этом случае 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» в 1872 году придумал английский инженер Роберт Смит.

Откуда в ту далекую доиндустриальную эпоху вообще появилась проблема «кислой воды»? Дело в том, что кислотные осадки — вовсе не «изобретение» индустриального мира. О том, 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 (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 огромное количество серы и ее газообразных соединений). 

Источниками 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. 

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

В 1987 году 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 деятельности 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 

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 страны в полной мере ощутили «прелести» бурного промышленного развития после Второй мировой войны в виде гибнущих лесов, «выгорающей» тундры, безжизненных рек и озер. 

Главные источники 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 миллионов 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, однако в результате атмосферных процессов загрязнения могут переноситься и за 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 окислы серы и азота) подвергаются химическим и фотохимическим превращениям. 

Прежде всего — вступают во взаимодействие с молекулами воды. В результате несложной, известной 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.  А 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. 

Городской смог — спутник мегаполисов

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, в связи с тем, что в атмосфере содержатся разные вещества-загрязнители (в том числе обладающие щелочной реакцией), может происходить частичная нейтрализация раствора дождевой воды.

Однако 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 чем два с половиной века. Согласно данным исследования, 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, в которых уровень рН менее 5,1, — обычно практически мертвы. Это можно объяснить тем, что погибают взрослые экземпляры рыб, а также тем, что 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.

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 почвы 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 бронхита и астмы.

Как победить «кислую воду»?

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, где в 1960–1970 годы из-за кислотных дождей гибли хвойные леса, этот процесс удалось остановить за счет внедрения жестких стандартов промышленных выбросов, стандартов качества автомобильного топлива, сокращения «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 %);

• 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. 

Так как большинство кислотных осадков сегодня имеет 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, на которых не будет использоваться 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 запасы данного вида топлива могут исчерпаться.

Сегодня ситуация с кислотными осадками оставляет желать лучшего, однако стоит помнить о том, что все в наших руках. Ярким примером того, как человечество выбрало путь восстановления планеты является международный «Монреальский протокол», подписанный в 1987 году. Тогда человечество всерьез обеспокоилось нарушением озонового слоя Земли. И вот через 35 лет после подписания странами этого документа ученые прогнозируют полное восстановление озонового слоя к 2050-м годам. Этим примером необходимо руководствоваться при принятии решений по многим экологическим проблемам, в том числе и по проблеме кислотных осадков.