ЛЕКЦИЯ №18. Кислотные осадки
При конденсации водяного пара в атмосфере образуется дождевая вода, изначально она имеет нейтральную реакцию (рН=7,0). Но в воздухе всегда имеется углекислый газ, и дождевая вода, растворяя его, несколько подкисляется за счет образовавшейся угольной кислоты (рН =5,6–5,7), то есть природная дождевая вода имеет слабокислую реакцию.
«Кислотные дожди» имеют рН от 3,0 до 5,0, и пресные водоемы становятся не способны нейтрализовать избыток кислоты, попавшей с дождем. Попадая в пресноводные экосистемы (озера, реки, пруды), кислые осадки повышают кислотность и жесткость воды. При рН ниже 6,0 обычно сильно подавляется деятельность ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, от которых зависит рост и развитие гидробионтов. Особенно чувствительны к кислой среде половые клетки и молодь. Нарушается воспроизводство популяций, что ведет к их вымиранию. Гибнут рыбы, лягушки, пиявки, губки. Таким образом, в результате выпадения кислотных осадков происходит закисление и деградация пресноводных экосистем.
В результате выпадения «кислотных осадков» происходит подкисление почвы. «Кислотные осадки» особенно опасны в районах с кислыми почвами и низкой буферностью природных вод. В Евразии и Америке это обширные территории севернее 55◦с.ш. Подкисление почвы считают одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария.
В угрожающих масштабах деградация лесов проявилась в начале 70-х годов. Больше всего пострадали елово-пихтовые и дубовые леса. В европейских странах дефолиация порядка 25% отмечена у 15% деревьев старше 60 лет. Старые леса терпят больший ущерб, чем молодые. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн м3 древесины в год (из них около 35 млн м3 на европейской территории России).
Химические эффекты подкисления почвы заключаются главным образом в изменении катионного обмена растения, в результате которого деревья страдают от недостатка магния (особенно на бедных магнием почвах) и избытка алюминия, который является главной причиной пожелтения хвои. Биологические эффекты многообразны и проявляются в ослаблении растений, снижении их устойчивости к вредителям и климатическим воздействиям, подавлении развития микоризы и роста корней и др.
«Кислотные осадки», выпадающие в зонах земледелия, наносят ущерб сельскохозяйственным культурам: повреждают покровные ткани растений, замедляют их рост и развитие, снижают сопротивляемость к болезням и вредителям, снижают их урожайность. По данным американских исследователей под влиянием «кислотных дождей» в период опыления у кукурузы в початках формируется меньше зерен. Наиболее восприимчивыми к негативному воздействию «кислотных дождей» являются озимая пшеница, кукуруза, люцерна, клевер, томаты, соя, фасоль, баклажаны, подсолнечник, хлопчатник и другие культуры. Кроме прямого негативного воздействия «кислотные осадки» нарушают процессы минерального питания растений, способствуя вымыванию биогенных элементов из почвы.
Одним из ощутимых последствий «кислотных осадков» является разрушение произведений искусства, памятников архитектуры. Известняк и мрамор являются основными материалами, из которых сооружали в древности здания, делали скульптуры для оформления фасадов и др. Прочный, твердый мрамор (смесь окислов кальция) при взаимодействии с раствором серной кислоты превращается в гипс. Взаимодействие кислоты и известняка приводит к быстрому его разрушению, выветриванию и эрозии. Памятники и здания Греции, Рима, Англии, Франции, Индии и других стран, простоявшие сотни и даже тысячи лет, сейчас растворяются и рассыпаются.
Антропогенным источником самых распространенных загрязнителей атмосферы – диоксидов серы и азота, является сжигание любого серосодержащего ископаемого топлива (уголь, нефть, сланцы и др.) и переработка сульфидных руд (никелевых, железных, медных и др.) в промышленности. При окислении серы, содержащейся в топливе или в составе сульфидных руд, образуется диоксид серы:
S + О2 = SО2;
Cu2S + О2= 2 Cu + SО2.
В связи с увеличением мощности высокотемпературных процессов, переводом многих ТЭС на газ и расширением парка автомобилей растут выбросы окислов азота, образующихся при окислении атмосферного азота:
N2 + O2 = 2NO;
2NO + O2 = 2NO2.
Сернистый газ не относится к обязательным компонентам атмосферы, по массе и распространенности негативных эффектов он является атмосферным загрязнителям номер один. В индустриальную эпоху сернистый газ техногенного происхождения в громадных количествах образуется при сжигании серосодержащего топлива, переработке серосодержащих руд и присутствует в приземном слое воздуха промышленных центров и городов. Сернистый газ естественного происхождения периодически попадает в атмосферу при извержении вулканов. Соединяясь с водяными парами, сернистый газ превращает атмосферные осадки в «кислотные дожди». В промышленных районах рН дождевой воды составляет 3,0–5,0, отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2–2,3.
Суть проблемы кислотных осадков состоит в том, что в атмосфере образуются растворы серной и азотной кислот при соединении с атмосферной влагой попадающих в воздух диоксидов серы и азота. Затем эти кислоты выпадают на поверхность Земли в виде «кислых дождей», «кислых туманов», «кислого снега», а также «кислых сухих осадков». «Кислотные осадки» оказывают негативное воздействие на водные и наземные экосистемы. Из-за «кислотных дождей» исчезает в озерах рыба, засыхают и гибнут леса (особенно страдают хвойные деревья), снижается продуктивность почв, падает урожайность и т.д.
Таким образом, суть проблемы «кислотных осадков» состоит в образовании в атмосфере и выпадении на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом или пылью серной и азотной кислот.