Последствия загрязнения атмосферы продуктами сгорания органического топлива
Кислотными осадками называют любые осадки – дожди, туманы, снег, - кислотность которых выше нормальной. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, более узко называемых кислотными отложениями. В двух словах, на обширных территориях США, Европы и других промышленно развитых зон мира выпадают осадки, кислотность которых превышает нормальную в 10-1000 раз, что по-разному воздействует на экосистемы.
Кислотные свойства (кислый вкус и разъедание многих материалов) обусловлен присутствием чрезвычайно активных ионов водорода (Н+), то есть атомов водорода без электронной оболочки. Таким образом, кислота – это любое химическое вещество, при растворении высвобождающее ионы водорода (таблица 3).
Таблица 3
Некоторые кислоты и ионы, высвобождаемые при их растворении в воде
| Кислоты | Формула | Ион водорода (катион) | Отрицательный ион (анион) |
| Соляная | HCl | Н+ | Cl- |
| Серная | H2SO4 | Н+ | SO42- |
| Азотная | HNO3 | Н+ | NO3- |
| Фосфорная | H3PO4 | Н+ | PO43- |
| Уксусная | CH3COOH | Н+ | COO- |
Чем больше концентрация водородных ионов в растворе, тем выше его кислотность. Аналогично, горький вкус и едкость растворов щелочей обусловлены присутствием гидроксильных ионов (OH-), то есть кислород-водородной группы с лишним электроном. Значит основание – это любое химическое вещество, способное высвобождать ионы OH- (таблица 4).
Таблица 4
Некоторые щелочи и ионы,
высвобождаемые при их растворении в воде
|
|
|
| Основания | Формула | Ион водорода (катион) | Отрицательный ион (анион) |
| Гидроксид натрия | NaOH | OH- | Na+ |
| Гидроксид калия | KOH | OH- | K+ |
| Гидроксид кальция | Ca(OH)2 | OH- | Ca2+ |
| Гидроксид аммония | NH4OH | OH- | NH+ |
Оказываясь в одном растворе, кислоты и основания нейтрализуют друг друга. Это происходит в результате соединения ионов Н+ и ОН- с образованием воды (Н2О). Добавляя постепенно основание к кислотному раствору, можно снижать его кислотность, пока не будет достигнута нейтральная точка, затем начинается повышение щелочности. Равновесное состояние – вода. Ионы, оставшиеся в растворе от кислоты и основания образуют соль и не влияют на реакцию среды.
Реальная концентрация ионов водорода вдоль кислотно-основного градиента выражается в единицах водородного показателя или рН. Шкала рН идет от 0 (крайне высокая кислотность) через точку 7 (нейтральная среда) до 14 (крайне высокая щелочность). Эти цифры – отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода, выраженный в граммах на литр. Например, рН=1 означает, что концентрация Н+ составляет 0,1 г/л (10-1). В точке рН=7 концентрация ионов водорода равна 10-7 граммов/литр, при этом концентрация ионов ОН такая же. Небольшое количество этих ионов присутствует даже в чистой воде. Важно отметить, что поскольку цифры шкалы рН выражают степень 10, то и разница между соседними единицами десятикратная.
|
|
|
Значения рН измеряют с помощью индикаторной бумаги, которая содержит пигменты, легко отдающие или присоединяющие ионы водорода и меняющие при этом цвет. Существуют также электронные приборы, измеряющие рН.
В отсутствии загрязнителей у дождевой воды обычно слабокислая реакция (рН=5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты. Таким образом, кислотными называют осадки с рН=5,5 и ниже. К сожалению, они выпадают в большинстве промышленных районов мира.
Над восточной частью США и Канады, вдоль западного побережья Северной Америки и почти над всей Европой рН дождя и снега обычно составляет около 4,5. Многие места в пределах этих регионов регулярно получают осадки с рН =4. Это – средние цифры. В отдельных случаях рН дождя может быть гораздо ниже, а туман и роса бывают более кислыми, чем дождь. Так рН тумана в районе Лос-Анджелеса обычно составляет 2,5-3. Таким образом, на значительных площадях промышленных зон и вокруг крупных городов осадки, как правило, в 10-1000 раз кислее нормальных и отмечались случаи рН=1,5, то есть в 10000 раз большей концентрации ионов водорода.
|
|
|
Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на 2/3 обусловлена серной и на 1/3 – азотной. Присутствие серы и азота показывает, что проблема связана с выбросами данных элементов в воздух. Как известно, при сжигании топлива образуется диоксид серы и оксиды азота. Эксперименты четко подтверждают, что диоксид серы и оксиды азота постепенно реагируют с парами воды, в конечном итоге образуя кислоты. Вымывая из атмосферы эти кислоты, осадки становятся кислыми. Их рН зависит от количества кислот и воды, в которой они растворены, поэтому сильные дожди обычно менее кислотные, а у туманов рН может быть самой низкой, так как воды в них меньше.
Известно, что кислоты могут выпадать из атмосферы и сами по себе, без воды, или с частицами пыли. Такие сухие кислотные отложения могут накапливаться на поверхности растений и при смачивании небольшим количеством воды, например при выпадении росы, дают сильные кислоты. Это кислотная роса – разновидность кислотных осадков.
Согласно данным об общих объемах выбросов оксидов азота и серы, кислотные осадки связаны в первую очередь с работой угольных электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Работой угольных электростанций обусловлено 50% кислотных осадков, выпадающих над США и Канадой. Местоположение основных загрязняющих электростанций определяли с помощью космических снимков. Оказалось, что для США источник более 50% таких осадков – это 50 высоких труб ТЭЦ. Эти трубы были построены специально для уменьшения загрязнения призменного воздуха диоксидов серы, но решение оказалось неудачным – возникли новые проблемы, которые воздействуют на сотни миль от источника.
|
|
|
Явление кислотных дождей впервые точно описано в середине XIX века Дж. Смитом по результатам изучения химизма осадков в районе Манчестера (Англия). Во второй половине XX века пропорционально растущим выбросам диоксида серы и оксидов азота возросла значимость последствий кислотных дождей. В 70-80 годы в промышленных регионах создалась ситуация, близкая к экологической катастрофе. Тогда же рыбаки заметили резкое сокращение популяций рыбы во многих озерах Швеции, Канады, США. В поисках причины были высказаны разнообразные гипотезы. Шведские ученые первыми определили, что все дело в повышении кислотности воды и связали это с осадками.
Значение рН среды чрезвычайно важно, так как от него зависит деятельность всех ферментов, гормонов, белков, регулирующих метаболизм. На крупные виды незначительные изменения рН среды могут влиять незначительно, так как метаболизм поддерживает рН внутренней среды, а кожа защищает от нарушений. Однако, яйцеклетки, сперма и молодь водных обитателей защищены недостаточно. При изменении рН всего на одну единицу они испытывают сильный стресс и часто погибают. У пресноводных озер и ручьев рН воды составляет обычно 6-7 и организмы адаптированы именно к этому уровню. Поэтому в подкисленной среде организмы быстро вымирают из-за невозможности размножения.
Влияние кислотных на экосистемы иногда усиливается в период таяния снегов, когда все накопившиеся за зиму кислотные осадки устремляются в ручьи и реки как раз в период размножения большинства организмов.
Дополнительный ущерб возникает в связи с тем, что кислотные осадки, просачиваясь сквозь почву, способны выщелачивать алюминий и тяжелые металлы. Обычно присутствие этих элементов в почве не создает проблем, так как они связаны в нерастворимые соединения и не поглощаются организмами. Однако, при низких значениях рН их соединения растворяются. Становятся доступными и оказывают сильное токсическое влияние на растения и на животных. Например, алюминий, обильный во многих почвах, попадая в озера вызывает аномалии развития и гибель эмбрионов рыбы.
В Швеции и в Норвегии рыба погибла примерно в 6500 озерах и в 7 реках, в которых водилась семга. В Канадской провинции Онтарио около 1200 озер сегодня мертвы, в окрестностях Нью-Йорка более 200 озер лишены рыбы, причем во многих выжило лишь несколько видов бактерий. Внешний вид таких водоемов обманчив – их вода чистая и голубая, но они совершенно пустынны.
Ущерб не ограничивается гибелью рыбы и других водных обитателей. Многие пищевые цепи начинаются в реках и в ручьях. В США в горах недалеко от Нью-Йорка полностью исчезли гагары и другие водоплавающие птицы. Резко сократились популяции птиц, питающихся личинками насекомых, развивающимися в воде, а также популяции енотов и других млекопитающих. Под угрозой гуси и другие перелетные птицы, которые останавливаются на озерах.
Наряду с гибелью озер становится очевидной и деградация лесов. С 1963 по 1973 год прирост ели в горах Грин-Маунтинс (штат Вермонт) сократился на 50%. Позднее ученые наблюдали аналогичное замедление роста на обширных территориях востока США и Калифорнии. Беспрецедентное число деревьев поражается насекомыми-вредителями и заболеваниями. В Новой Англии, Калифорнии и других районах, где выпадают кислотные осадки, буквально вымирают некоторые виды растений. В 1970-1980 годы в Европе было зафиксировано значительное увеличение кислотности осадков, связанное с сжиганием высокосернистых углей. В наибольшей степени пострадали леса на территориях ФРГ, Чехословакии, Польши, отмечена деградация лесов в Австрии, Швеции, Швейцарии, Голландии, Румынии, Великобритании, Югославии.
Первоначально снижается продуктивность лесов, прирост биомассы, что фиксируется по уменьшению размеров годичных колец на срезе ствола, а потом леса начинают гибнуть. По данным многочисленных наблюдений, наиболее чувствительны хвойные породы деревьев, хотя важную роль играют почвы и подстилающие породы.
Тщательные исследования показали, что деградация лесов – результат действия комплекса негативных факторов, который включает засухи, большую высоту над уровнем моря и облачный покров, в который попадали пострадавшие деревья, присутствие в листве серы и озона в атмосфере, а также – кислотные осадки. Совместное действие этих факторов привело к экологической катастрофе в Северном полушарии.
Многие ученые считают кислотные осадки одной из важнейших причин деградации лесов, так как обнаружены следующие пути их влияния на растительность:
- нарушение поверхности при прямом контакте;
- вымывание биогенов;
- мобилизация алюминия и других токсичных элементов;
Кроме того, деревья, испытывающие влияние одного или нескольких стрессовых факторов, легче поражаются вредителями и патогенами.
Опыты с моделированием кислотных дождей в теплицах показали, что кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов, других патогенов. Кроме того, во время засух через поврежденные листья испаряется больше влаги. Такое воздействие, вероятно, сказывается особенно сильно при густых кислотных туманах и при накоплении сухих кислотных отложений.
Анализ вод, дренирующих различные природные угодья при неодинаковых условиях, показал, что кислотные осадки значительно увеличивают выщелачивание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют их ионы с частиц почвы и гумуса. Кроме того, при низких значениях рН понижается активность редуцентов и азотфиксаторов, что еще больше обостряет дефицит биогенов. Наконец, кислотные осадки, стекая по растениям, вымывают из листьев биогены и другие метаболиты, особенно если поверхность листьев повреждена. Все это вызывает дефицит биогенов, а значит замедление роста деревьев и их уязвимость для естественных врагов и засух.
Наиболее чувствительными к закислению являются леса с глинистой и алюмосиликатной почвами. Из таких почв легко вымываются ионы алюминия, уничтожающие полезные почвенные бактерии и проникающие через корневую систему в древесину, где они действуют как клеточные яды. Так же действуют ртуть и свинец.
Многие растения очень чувствительны к алюминию. Этот элемент широко распространен, он присутствует в значительных количествах во многих горных породах и почвенных минералах. В естественных условиях они практически не растворимы и поэтому безвредны, но под действием кислот разрушаются, высвобождая алюминий в раствор. Этот процесс называется мобилизацией, в данном случае – алюминия. Другие токсичные элементы, в том числе ртуть и свинец, могут мобилизоваться при подкислении среды. Кроме того, известно синергетическое действие токсичных элементов и низких рН. Все эти факторы также могут вести к замедлению роста и гибели деревьев.
Многие районы получают примерно одинаковое количество кислотных осадков, но последствия их выпадения различны. Одни участки остаются практически без изменений, тогда как другие подкисляются настолько, что становятся необитаемыми. Если подстилающие породы водоема устойчивы к растворению (напр. Гранит), то для таких озер характерна мягкая вода, а если в подстилающих породах присутствует известняк, то вода жесткая и такие озера более устойчивы к закислению. Чувствительность экосистемы зависит также от состава почвы. Как это объяснить? и как строить прогнозы на будущее? Ключ к ответу на эти вопросы связан с понятием буферной емкости.
Защитить систему от изменения рН при добавлении кислоты может буфер. Так называют вещество, способное поглощать (или высвобождать) ионы водорода при данном значении рН. Когда в систему, содержащую буфер, добавляют кислоту, дополнительные ионы водорода им поглощаются и рН остается практически неизменным. Многие, но далеко не все водоемы и почвы содержат в качестве буфера известняк, то есть карбонат кальция (СаСО3). Фермеры давно используют известь для нейтрализации кислых почв. Для тех же целей в садоводстве используется яичная скорлупа. Однако возможности любого буфера ограничены. Известь, например, просто расходуется, реагируя с кислотой. Поэтому говорят о буферной емкости системы. Когда она исчерпана, дополнительные ионы водорода остаются в растворе и рН снижается.
При одинаковом количестве кислотных осадков в первую очередь подкисляются и гибнут экосистемы с низкой буферной емкостью, а те, у которых она высока, не страдают. Но что произойдет в будущем, если выпадение кислотных осадков будет продолжаться? Когда буферная емкость системы истощена, рН резко падает, при добавлении буквально нескольких капель кислоты. В 1980 году на границе между Восточной Германией и Чехией всего за два года погибло почти 40% лесов. Понятно, что это связано с тяжелыми последствиями для всех лесных обитателей. Если лесная система разрушается внезапно, что эрозия почвы, засорение водоемов, наводнения, ухудшение качества воды становится катастрофическим. При дальнейшей сукцессии погибшие деревья будут замещены ацидофильными («любящими кислотность») видами, состав которых очень ограничен. Большинство из них – это мхи, папоротники и другие низкорослые растения, не представляющие экономической ценности даже для выпаса скота.
Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии металла, разрушение зданий и сооружений. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельских районах. Одно из наиболее заметных последствий кислотных осадков – разрушение произведений искусства. Многочисленны примеры начавшегося с середины XX века разрушения памятников истории и культуры, изготовленных из природных минералов (мрамора, известняка и других, имеющих в своем составе CaCO3 и MgCO3). Известняк и мрамор – излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известняка приводит к их быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и здания, простоявшие сотни и тысячи лет с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.
Специалисты обеспокоены тем, что мобилизация кислотными осадками алюминия и других токсичных элементов может привести к загрязнению поверхностных и подземных вод. Показано, что алюминий может вызвать болезнь Альцмейгера (разновидность преждевременного старения). Повышенная кислотность воды мобилизует также свинец, который раньше применялся при строительстве водопроводных и канализационных систем. То есть, кислотные осадки обостряют проблему загрязнения среды.
Кислотные осадки представляют опасность для человека как при косвенном воздействии, через изменение объектов ОС, так и при непосредственном контакте. В середине XX века произошла одна из первых масштабных экологических трагедий, истинная причина которой была достоверно зафиксирована, когда в Лондоне около 4 тысяч человек погибло от смеси тумана с дымом – смога. Однако гибель озер и лесов – наиболее тяжелые для человечества последствия выпадения кислотных осадков.
Дата добавления: 2016-01-06; просмотров: 43; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!