Реферат на тему: Кислотные дожди

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, но в течение очень долгого времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Только в конце прошлого века изменения в биосфере под влиянием экономической деятельности привлекли внимание ученых. В первой половине этого века эти изменения усилились, и сейчас над человеческой цивилизацией обрушилась лавина. Стремясь улучшить условия своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть ресурсов, взятых из природы, возвращается в природу в виде отходов, зачастую токсичных или непригодных для использования. Это угрожает как существованию биосферы, так и существованию человека.

Среди очень серьезных проблем экологического плана наибольшую озабоченность вызывает растущее загрязнение воздушного бассейна Земли антропогенной природой. Атмосферный воздух является основной средой обитания биосферы, включая деятельность человека. В ходе промышленной, научно-технической революции увеличились выбросы в атмосферу газов и аэрозолей антропогенного происхождения. По ориентировочным данным, ежегодно в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн оксидов серы, оксидов азота, производных галогенов и других соединений. Основными источниками загрязнения воздуха являются электростанции, работающие на минеральном топливе, черная и цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, авиация и автомобильный транспорт.

Определение темы исследования

Термин «кислотный дождь» относится ко всем видам метеорологических осадков — дождь, снег, град, туман, дождь со снегом — рН которого ниже среднего рН дождевой воды (средний рН дождевой воды составляет 5,6). Двуокись серы (SO2) и оксиды азота (NOx), выделяемые в результате деятельности человека, преобразуются в подкисляющие частицы в атмосфере Земли. Эти частицы реагируют с атмосферной водой и преобразуют ее в кислые растворы, которые снижают значение pH дождевой воды. Термин «кислотный дождь» был впервые введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. Хотя в то время ученые отвергли теорию существования кислотных дождей, сегодня никто не сомневается в том, что кислотные дожди являются одной из причин гибели людей в воде, лесах, урожаях и растительности. Кроме того, кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, разрушают трубопроводы, делают бесполезными автомобили, снижают плодородие почвы и могут привести к проникновению токсичных металлов в слои грунтовых вод.

Обычная дождевая вода также является слегка кислым раствором. Это происходит потому, что природные атмосферные вещества, такие как углекислый газ (CO 2 ), реагируют с дождевой водой. Образовывается слабый углекислый газ (CO2 + H2O -> H2CO3). Хотя в идеале значение pH дождевой воды составляет 5,6-5,7, в реальности значение pH дождевой воды может отличаться от значения pH дождевой воды в том или ином районе. Это зависит, прежде всего, от состава газов в атмосфере конкретного района, таких как оксид серы и оксиды азота.

Кислотные дожди вызываются реакцией между водой и загрязняющими веществами, такими как оксид серы (SO2) и различные оксиды азота (NOx). Эти вещества выбрасываются в атмосферу на дорогах, на сталелитейных заводах и электростанциях, а также при сжигании угля и древесины. Реагируя с атмосферной водой, они превращаются в кислые растворы — серу, серную кислоту, азот и азот. Затем, вместе со снегом или дождем, они падают на землю.

Эффект кислотных дождей можно наблюдать в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и многих других странах мира.

Кислотные дожди негативно влияют на водные объекты — озера, реки, заливы, пруды — и повышают их кислотность настолько, что убивают флору и фауну. Лучше всего водные растения растут в воде при значениях pH от 7 до 9,2. При увеличении значений pH (значения pH удаляются слева от 7-ми баллов), водные растения начинают погибать, лишая других животных пищи. Пресноводные креветки погибают при рН 6. Когда уровень кислотности повышается до pH 5,5, почвенные бактерии, разлагающие органические вещества и оставляющие их, погибают, а органические отходы начинают собираться на дне. Затем планктон, крошечное животное, составляющее основу пищевой цепи пруда, умирает и питается веществами, которые образуются при разложении бактериями органических веществ. Когда кислотность достигает pH 4,5, все рыбы погибают, большинство лягушек и насекомых.

Кислотный дождь не только вредит водной флоре и фауне. Это также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя механизм еще не до конца изучен, «сложная смесь загрязняющих веществ, включая кислотные дожди, озон и тяжелые металлы…». …объединиться, чтобы уничтожить леса.

Описание проблемы исследуемой системы

Моделируемая модель появления кислотных дождей в атмосфере описывает различные источники выбросов соединений серы и азота в атмосферу, химические реакции, приводящие к образованию серной и азотной кислоты в атмосфере, а также влияние кислотных дождей на природные экосистемы и человека. Рассматривается также ряд мер по снижению образования кислотных дождей в атмосфере.

При вводе в модель учитываются различные источники оксидов серы и азота. Эти источники могут быть как природными, так и антропогенными. Вклад антропогенных источников в выпадение кислотных дождей во много раз превышает вклад природных источников. Поэтому необходимо применять меры по точному сокращению антропогенных выбросов оксидов серы и азота в атмосферу.

Результат модели рассматривает негативные явления, которые происходят в природных экосистемах, когда на них воздействуют кислотные дожди. кислотное осаждение

Выбор блоков модели

На основе изучения кислотных дождей в атмосфере были выделены следующие блоки модели:

Природные источники Природные источники
соединений серы. NOx
антропогенные источники
соединений серы.

Ввод соединений серы в атмосферу

К наиболее важным соединениям серы в атмосфере относятся диоксид серы [оксид серы (IV)], оксисульфид (оксид углерода), дисульфид углерода, сероводород и диметилсульфид. Последние четыре соединения легко преобразуются в диоксид серы или серную кислоту (сульфаты) благодаря сильному окислительному воздействию атмосферы. Под влиянием человеческой деятельности содержание диоксида серы изменяется больше всего.

В сильно загрязненных районах уровни диоксида серы могут превышать естественные пределы суши и уровня моря в 1000 или даже десятки тысяч раз. Концентрации других соединений серы, которые обычно поступают из природных источников, более или менее одинаковы вблизи поверхности. Среди соединений серы в твердой и жидкой форме учитываются только серная кислота и сульфаты (сульфат и гидросульфат аммония) и морская соль.

Источники соединений серы.

Соединения серы, как мы уже упоминали, частично попадают в атмосферу естественным и частично антропогенным путем. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, действует как природный источник. Как правило, деятельность человека ограничивается почвой, так что мы можем только объяснить загрязнение этого района серой.

Существуют три основных источника выбросов природной серы.

1. процессы разрушения биосферы С помощью анаэробных (без работы кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органического вещества. Таким образом, содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. В то же время некоторые анаэробные бактерии извлекают из растворенных в природных водах сульфатов кислород, что приводит к образованию серосодержащих газообразных соединений.

Из указанных выше веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем, с развитием измерительных приборов и методов отбора проб воздуха, можно было выделить ряд органических газообразных соединений серы. Важнейшими источниками этих газов являются болота, приливно-отливные зоны у морского побережья, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органического материала.

Поверхность моря может также содержать значительные количества сероводорода. Морские водоросли участвуют в его формировании. Можно предположить, что биологическое распределение серы составляет не более 30-40 млн. тонн в год, что составляет около 1/3 от общего объема выделенной серы.

Вулканическая активность. При извержении вулкана в атмосферу вместе с большим количеством диоксида серы выбрасываются сероводороды, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения в основном проникают в нижний слой — тропосферу, а во время единичных, высоких извержений происходит увеличение концентрации соединений серы, а в более высоких слоях — в стратосферу. В результате извержения вулканов в атмосферу ежегодно выбрасывается в среднем около 2 млн. тонн сернистых соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выбросами, в то время как вулканические извержения являются важнейшим источником серы в стратосфере.

В результате деятельности человека в атмосферу выбрасывается значительное количество соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений наиболее значимым является уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, на долю которого приходится 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (некоторые проценты) в угле достаточно высокое (особенно в буром угле). Во время сжигания сера превращается в сернистый газ, и часть серы остается в золе в твердом состоянии.

Содержание серы в сырой нефти также достаточно высокое (0,1-2%) в зависимости от места происхождения. При сжигании нефтепродуктов из диоксида серы они образуются значительно меньше, чем при сжигании угля.

Двуокись серы может также производиться отдельными отраслями промышленности, в основном в металлургии, но также и при переработке серной кислоты и нефти. В транспортном секторе загрязнение от соединений серы относительно невелико, причем основной его вклад вносят оксиды азота.

Таким образом, в результате деятельности человека в атмосферу ежегодно выбрасывается 60-70 млн. тонн серы в виде двуокиси серы. Сравнение природных и антропогенных выбросов сернистых соединений показывает, что человек загрязняет атмосферу серосодержащими газообразными соединениями в 3-4 раза больше, чем в природе. Кроме того, эти соединения сконцентрированы в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные, т.е. в основном в Европе и Северной Америке.

На Европу приходится около половины выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40 млн. тонн).

Выбросы в атмосферу соединений азота

В атмосфере содержится ряд азотных микроорганизмов, но только два из них участвуют в кислой седиментации: окись азота и двуокись азота, которые образуют азотную кислоту в результате реакций в атмосфере.

Оксид азота преобразуется в двуокись азота с помощью окислителей (например, озона) или различных свободных радикалов.

Поэтому можно предположить, что окисью азота можно пренебречь из-за этих процессов окисления. Однако это не совсем верно по двум причинам. Первое заключается в том, что выброс окислов азота происходит в основном в форме окиси азота, и требуется некоторое время для того, чтобы окись полностью превратилась в . Во-вторых, в непосредственной близости от источников загрязнения количество оксидов азота превышает количество двуокиси азота. Это соотношение увеличивается по отношению к оксиду азота, чем ближе он приближается к зонам, не подверженным непосредственному загрязнению. Например, в чистом воздухе над поверхностью моря количество окиси азота составляет всего несколько процентов от количества диоксида азота. Однако соотношение этих газов может меняться из-за фотодиссоциации диоксида азота.

Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кислота, которая образуется из оксидов азота. Когда азотная кислота, содержащаяся в воздухе, нейтрализуется, образуется соль азотной кислоты, которая обычно присутствует в виде аэрозолей в атмосфере. Это относится и к солям аммония, которые образуются при взаимодействии аммиака с кислотой.

Источники азотных соединений.

Эти источники могут быть как природными, так и антропогенными. Рассмотрим наиболее важные природные источники.

Выброс оксидов азота в почву. Активность денитрифицирующих бактерий, живущих в почве, высвобождает окиси азота из нитратов. По современным данным, в мире ежегодно производится 8 миллионов тонн окислов азота.

Грозы. Во время электрических разрядов в атмосфере очень высокие температуры и переход в плазменное состояние приводят к связыванию молекулярного азота и кислорода в воздухе с оксидами азота. В плазменном состоянии атомы и молекулы ионизируются и химически легко реагируют. Общее количество оксидов азота, образующихся таким образом, составляет 8 млн. тонн в год.

Сжигание биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сжигается при сжигании леса (для получения производственной площади) и при саванных пожарах. При сжигании биомассы в воздух ежегодно впрыскивается 12 миллионов тонн оксидов азота.

Другие источники выбросов природных окислов азота менее значительны и трудны для оценки. К ним относятся окисление аммиака в атмосфере, разложение окиси азота в стратосфере, приводящее к рефлюксу образовавшихся оксидов в тропосферу, и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. В совокупности эти природные источники производят 2-12 млн. тонн окислов азота в год.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота наиболее важным является сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа и др.). Во время сгорания азот и кислород в воздухе сочетаются из-за высоких температур. Количество образующихся оксидов азота NO пропорционально температуре горения. Оксиды азота образуются также при сжигании азотсодержащих веществ в топливе. В результате сжигания топлива человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 миллионов тонн оксидов азота. Транспорт также является важным источником окислов азота.

В целом, количество природных и техногенных выбросов примерно одинаково, но последние, как и соединения серы, сконцентрированы на ограниченных участках земли.

Однако следует отметить, что количество оксидов азота, в отличие от диоксида серы, с каждым годом увеличивается, поэтому соединения азота играют большую роль в выпадении кислотных осадков.

Химические преобразования соединений серы и азота в атмосфере

Загрязнители воздуха подвергаются сильному физическому и химическому воздействию в атмосфере. Эти процессы идут рука об руку с их распространением. Очень часто загрязняющие вещества выпадают в осадок после частичного или полного химического превращения и, таким образом, изменяют свое агрегатное состояние.

Рассмотрим более подробно химические реакции и фазовые изменения с атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).

Химические преобразования соединений серы.

Сера является частью неполностью окисленной формы (степень ее окисления составляет 4). Если соединения серы присутствуют в воздухе достаточно долгое время, то они преобразуются в серную кислоту или сульфаты с помощью окислителей, присутствующих в воздухе.

Рассмотрим, прежде всего, наиболее важное вещество диоксида серы по отношению к кислотным дождям. Реакции диоксида серы могут происходить как в гомогенной, так и в гомогенной среде.

Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы диоксида серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовому диапазону.

В результате этого процесса образуются так называемые активированные молекулы, которые имеют избыток энергии по сравнению с основным состоянием. Звездочка означает активированное состояние. В отличие от «нормальных» молекул, активированные молекулы диоксида серы могут химически реагировать с достаточно большим количеством молекулярного кислорода в воздухе.

Образующийся в результате этого триоксид серы очень быстро превращается в серную кислоту при взаимодействии с атмосферной водой, так что при нормальных атмосферных условиях триоксид серы в значительных количествах не присутствует в воздухе. В однородной среде диоксид серы может взаимодействовать с атомным кислородом и с образованием триоксида серы.

Эта реакция происходит в средах с относительно высокими концентрациями диоксида азота, который также производит атомный кислород при воздействии света.

В последние годы было показано, что описанные выше механизмы не имеют первостепенного значения для преобразования диоксида серы в атмосфере, так как реакции происходят в основном с участием свободных радикалов. Свободные радикалы, образующиеся в ходе фотохимических процессов, содержат непараллельный электрон, что делает их более реактивными. Одна из этих реакций заключается в следующем.

В результате реакции образуются молекулы серной кислоты, которые быстро конденсируются в воздухе или на поверхности аэрозольных частиц.

Преобразование диоксида серы может происходить и в гетерогенной среде. Под гетерогенным преобразованием мы понимаем химическую реакцию, которая происходит не в газовой фазе, а в капельках или на поверхности частиц в атмосфере.

Помимо диоксида серы в атмосфере встречается значительное количество других соединений природной серы, которые в конечном итоге окисляются до серной кислоты. Свободные радикалы и атомы, образованные фотохимией, играют важную роль в их трансформации. Конечные продукты играют роль в антропогенном осаждении кислот.

Химические преобразования соединений азота.

Наиболее распространенным соединением азота в выбросах является оксид азота , который при соединении с атмосферным кислородом образует двуокись азота. Последний реагирует с гидроксидным радикалом и превращается в азотную кислоту.

Полученная таким образом азотная кислота может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Другими словами: азотная кислота более летучая, чем серная. Пары азотной кислоты могут поглощаться каплями облака, осадками или аэрозольными частицами.

Кислотное осаждение (кислотный дождь)

Последняя стадия в цикле загрязняющих веществ — осаждение, которое может происходить двумя способами. Первое — это выщелачивание или влажная седиментация. Второе — это осадки или сухое осаждение. Сочетание этих процессов — кислотное осаждение.

Удалить кислые вещества из атмосферы.

Вымывание происходит во время формирования облаков и выпадения осадков. Одним из условий формирования облаков является насыщенность. Это означает, что воздух содержит больше водяного пара, чем может поглотить при определенной температуре, тем самым поддерживая его равновесие. При снижении температуры способность воздуха накапливать воду в виде паров уменьшается. Затем начинается конденсация водяного пара, которая происходит до конца насыщения. Однако при нормальных атмосферных условиях водяной пар может конденсироваться только при относительной влажности 400-500. Относительная влажность редко может превышать 100,5 . При таком насыщении капли облака могут появляться только на аэрозольных частицах так называемых ядер конденсации. Эти ядра часто являются водорастворимыми соединениями серы и азота.

После того, как начинается образование капель, элементы облака продолжают поглощать аэрозольные частицы и молекулы газа. Поэтому воду облака или его кристаллы можно рассматривать как раствор атмосферных элементов.

Элементы облака не могут расти бесконечно. Седиментация, вызванная гравитацией, которая увеличивается с увеличением размера капель, рано или поздно приводит к падению облачных капель с высоты нескольких сотен или тысяч метров. Во время седиментации эти капли вымывают атмосферный слой между облаками и поверхностью земли. За это время новые молекулы газа поглощаются, а новые аэрозольные частицы улавливаются падающей капелькой. Вопреки распространенному мнению, вода, достигающая поверхности земли, вовсе не дистиллированная. Кроме того, вещества, растворенные в воде, во многих случаях могут быть важным, а иногда даже единственным источником для восстановления этих веществ в различных областях.

Сухой дождь.

Хотя эта форма осаждения заметно отличается от мокрого осаждения, конечный результат на самом деле идентичен кислым атмосферным микроэлементам, соединениям серы и азота, достигающим земной поверхности. Известно много различных кислых микроэлементов, но содержание большинства из них настолько низкое, что их роль в кислотном осаждении можно пренебречь.

Эти кислые вещества могут падать на поверхность двумя способами. Одним из них является турбулентная диффузия, при которой вещества оседают в газообразном состоянии. Турбулентное диффузионное движение вызвано, главным образом, тем, что движение протекающего воздуха над землей и другой поверхностью неровно из-за трения. Обычно увеличение скорости ветра воспринимается вертикально от поверхности, а горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность. Таким образом, компоненты воздуха достигают земли, а наиболее активные кислые вещества легко взаимодействуют с поверхностью.

Влияние кислотных осадков на природу и человека

Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные объекты или существа, но и на их целостность. В природе и окружающей среде образовались сообщества растений и животных, между которыми существует постоянный обмен веществ, а также между живыми и неживыми организмами. Эти сообщества, которые также можно назвать экологическими системами, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организмы, потребители и разрушители.

Воздействие кислотности в основном сказывается на пресной воде и лесах. Воздействие на биотические сообщества носит в основном косвенный характер, т.е. опасность исходит не от самих кислотных осадков, а от процессов, происходящих под их воздействием (напр., от высвобождения алюминия). В некоторых местах (почва, вода, ил и т.д.) концентрация тяжелых металлов может увеличиваться в зависимости от кислотности, так как изменение pH изменяет их растворимость. Токсичные металлы также могут попасть в организм человека через питьевую воду и животную пищу, например, рыбу. При изменении структуры почвы, биологии и химии под влиянием кислотности растения (например, отдельные деревья) могут погибнуть. Как правило, эти косвенные эффекты не ограничиваются локально и могут находиться на расстоянии нескольких сотен километров от источника загрязнения.

Косвенные эффекты

Воздействие на леса и сельскохозяйственные угодья. Кислотные осадки воздействуют на леса и сельскохозяйственные угодья либо опосредованно, через почву и корневую систему, либо непосредственно (в основном листву). Подкисление почвы определяется различными факторами. В отличие от воды, почва обладает способностью уравновешивать кислотность среды, т.е. в определенной степени сопротивляется подкислению. Кислоты, присутствующие в почве, нейтрализуются, что приводит к сохранению необходимой кислотности. Однако наряду с естественными процессами на почву в лесах и сельскохозяйственных угодьях влияют и антропогенные факторы.

Химическая стабильность, выравнивающая способность и тенденция подкисления почв меняются и зависят от качества грунта, генетического состава почвы, способа ее обработки (возделывания) и наличия значительного источника загрязнения в окрестностях. Кроме того, способность почвы противостоять кислотности зависит от химических и физических свойств подстилающих пластов.

Косвенные эффекты проявляются по-разному. Например, отложения, содержащие азотные соединения, в течение некоторого времени способствуют росту деревьев, так как они снабжают почву питательными веществами. Однако в результате постоянного потребления азота лес пересыщается ими. Затем выщелачивание нитратов увеличивается и приводит к подкислению почвы.

Во время выпадения осадков стекающая с листьев вода содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитратов и аммиака, чем дождевая вода, что приводит к повышенной кислотности почвы. В результате увеличиваются потери кальция, магния и калия, которые жизненно необходимы растениям, вызывая повреждение деревьев.

Проникающие в почву ионы водорода могут быть заменены в почве катионами, что приводит либо к выщелачиванию кальция, магния и калия, либо к их осаждению в обезвоженном виде. Также увеличивается подвижность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями pH.

Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит от значения pH. Растворенные тяжелые металлы, которые легко усваиваются растениями, являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Общеизвестно, что алюминий, растворенный в сильно кислой среде, токсичен для организмов, живущих в почве. Во многих почвах, например, в северной умеренной и бореальной лесных зонах, поглощение алюминия выше, чем поглощение щелочных катионов. Хотя многие виды растений могут переносить это соотношение, при выпадении значительного количества кислотных дождей соотношение алюминия к кальцию в почвенной воде возрастает до такой степени, что ослабевает рост корней и существование деревьев находится под угрозой.

Изменения в составе почвы могут изменить состав микроорганизмов в почве, повлиять на их активность и, таким образом, повлиять на процессы разложения и минерализации, фиксации азота и внутренней подкисленности.

Например, смертность лесов в Центральной и Западной Европе была вызвана главным образом косвенными последствиями. Почти полностью уничтожены леса площадью в несколько сотен тысяч гектаров.

Еще одна проблема заключается в том, что гибель наиболее чувствительных к подкислению организмов (почвенных микроорганизмов, грибов, дубов) может привести к неблагоприятным изменениям в структуре материального и энергетического баланса биотических сообществ, и что в конечном итоге сам человек пострадает от необратимых процессов.

Подкисление пресной воды. На самом деле, подкисление пресной воды — это потеря ее способности нейтрализовать. Сильные кислоты, в основном сера и азот, вызывают подкисление. В течение более длительного периода времени сульфаты играют более важную роль, но во время эпизодических событий (например, таяния снега) сульфаты и нитраты взаимодействуют. На больших площадях поверхностные воды становятся кислотными, когда повышается определенный уровень кислотности осадков. Когда почва теряет способность нейтрализовать кислоты, pH может упасть на 1, 5, а в экстремальных случаях даже на 2 или 3. Подкисление происходит частично непосредственно под влиянием осадков, но в основном за счет веществ, смываемых из водного бассейна.

Процесс подкисления поверхностных вод состоит из трех фаз:

потеря ионов гидрокарбоната, т.е. снижение способности к нейтрализации при неизменном значении pH
снижение значения pH с уменьшением ионов гидрокарбоната. Значение pH затем падает ниже 5,5. Наиболее чувствительные виды живых существ уже начинают умирать при pH = 6,5.
при pH = 4,5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. Только несколько видов насекомых, растительный и животный планктон и белые водоросли могут жить в такой среде.

Многие виды животных и растений уже начинают умирать при pH < 6. При pH < 5 условия для нормальной жизни не задаются.

Смерть живых существ может быть вызвана другими причинами, помимо воздействия высокотоксичного иона алюминия. Например, ион водорода выделяет кадмий, цинк, свинец, марганец и другие токсичные тяжелые металлы. Количество питательных веществ растительного происхождения, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как ионы алюминия образуют нерастворимый фосфат алюминия с ионами ортофосфата в растворе.

который осаждается в виде донных отложений. Смерть водных сообществ может привести к подкислению и выбросу тяжелых металлов и нарушить экологический баланс. Уменьшение значения pH воды идет рука об руку со снижением или гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона и многих других организмов. Можно наблюдать характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близкий состав питательных веществ и ионов, но различную кислотность. Млекопитающие, включая человека, в определенной степени защищены от вредного воздействия кислотности, но у водных животных токсичные тяжелые металлы накапливаются и могут попасть в пищевую цепь.

Немедленное (прямое) воздействие.

Умирание растений.

Прямая гибель растений наиболее заметна вблизи выбросов загрязняющих веществ, т.е. в нескольких десятках километров от их источника. Основной причиной является высокая концентрация диоксида серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в основном на его листьях, и оказывает вредное воздействие на растение. Двуокись серы проникает в растение и принимает участие в различных процессах окисления. Эти процессы происходят с участием свободных радикалов, которые образуются из диоксида серы в результате химических реакций. Они окисляют ненасыщенные жирные кислоты мембран и тем самым изменяют их проницаемость, что впоследствии отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и т.д.).

Прямое воздействие на растения может принимать различные формы: 1) генетические изменения; 2) изменение видов; 3) прямое повреждение растительности. В зависимости от чувствительности вида и величины воздействия, степень воздействия может, конечно, варьироваться от возобновляемого (обратимого) ущерба до полного уничтожения растения.

Наиболее чувствительные виды, такие как отдельные лишайники, которые могут выжить только в самой чистой среде, умирают первыми, поэтому их считают «индикаторами» чистого воздуха. Как правило, в сильно загрязненных районах образуется «лишайниковая пустыня». В сегодняшнем городе она уже существует со средней концентрацией диоксида серы 100 мкг/м». В его интерьере вообще нет лишайников, а по краям он встречается очень редко. Однако существуют виды лишайников, которые хорошо совместимы с двуокисью серы, так что некоторые устойчивые виды иногда занимают место мертвых видов лишайников.

Однако кислые атмосферные соединения, конечно, могут также оказывать прямое вредное воздействие на растения более высоких классов. Прямой ущерб, наносимый двуокисью серы, зависит от многих факторов — местного климата, пород деревьев, состояния почвы, методов обработки леса, рН влажного дождя и т.д. Опасный уровень диоксида серы в атмосфере был значительно ниже, чем считалось ранее, так как определенные физиологические и биохимические изменения могут происходить без каких-либо признаков смерти. Однако этот уровень опасности еще ниже при воздействии двуокиси азота, озона, кислотных дождей и т.д.

Таким образом, роль диоксида серы в лесозаготовке может считаться доказанной. Также было продемонстрировано вредное воздействие влажных кислотных дождей на рост деревьев. Однако эти осадки оказывают косвенное воздействие, в первую очередь, через почву и корневую систему. Наиболее прямые потери растений можно наблюдать в районах с сильно загрязненным воздухом, например, в Центральной Европе. Степень смертности растений и повышенные концентрации диоксида серы почти равномерно распределены по всей Европе. Трудно решить, является ли диоксид серы или оксиды азота непосредственной причиной гибели лесов. Вполне вероятно, что все агрессивные кислые загрязняющие вещества имеют совокупный вредный эффект. Многие также считают, что при объединении загрязняющих веществ эффект от каждого из них еще больше (синергизм).

Хвойные деревья наиболее чувствительны к прямым загрязнениям, поскольку хвойные деревья подвергаются воздействию загрязняющих веществ в течение нескольких лет, в отличие от деревьев, которые линяют листья. Наиболее чувствительными видами являются ель, лиственница и пихта. Однако многие лиственные деревья также испытывают трудности при прямом воздействии загрязняющих веществ (например, бук, граб).

Следует подчеркнуть, что упомянутые здесь прямые потери жизни и косвенное воздействие на растения не могут быть разделены, так как эти процессы обычно происходят одновременно и в зависимости от обстоятельств доминирует один из этих процессов. В любом случае вредные последствия естественным образом дополняют и усиливают друг друга.

Прямое воздействие на людей.

Конечно, кислые микроэлементы в атмосфере также неэкономичны для человека. Но речь идет не только о кислотных дождях, но и об ущербе, который наносят кислые вещества (диоксид серы, диоксид азота, аэрозольные частицы кислоты), когда мы дышим.

Давно известно, что существует тесная корреляция между уровнем смертности и уровнем загрязнения местности. При концентрации около 1 мг/м³ увеличивается количество смертей, особенно среди пожилых людей и людей с респираторными заболеваниями. Статистика показала, что такое серьезное заболевание, как фальшивое зерно, которое требует немедленного медицинского вмешательства и часто встречается у детей, возникает по той же причине. То же самое относится и к ранней смертности новорожденных в Европе и Северной Америке, которая оценивается в несколько десятков тысяч в год.

Помимо оксидов серы и азота, опасными для здоровья человека являются также частицы сульфатов или аэрозолей серной кислоты. Степень их опасности зависит от их размера. Например, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а небольшие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или сульфатных частиц могут проникать даже в самые отдаленные части легких.

Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует порог, ниже которого даже самые чувствительные люди не находят никаких отклонений. Для диоксида серы, например, среднесуточная пороговая концентрация для здоровых людей составляет около 400 мкг/м3.

В настоящее время стандарт для состава воздуха в незащищенных зонах близок к этому значению.

В заповедных зонах правила естественным образом ужесточаются. В то же время можно ожидать, что в ближайшем будущем будут установлены еще более низкие нормативные значения. Однако опасные концентрации могут быть еще ниже, если различные кислотные загрязнители усиливают друг друга, т.е. синергетический эффект, о котором уже говорилось. Установлена также связь между загрязнением диоксидом серы и различными респираторными заболеваниями (грипп, стенокардия, бронхит и т.д.). В некоторых загрязненных районах число заболеваний было в несколько раз выше, чем в районах контроля.

В дополнение к основным прямым эффектам, на человека также косвенно влияет подкисление окружающей среды. В предыдущих главах мы видели, что косвенные эффекты вызваны в основном токсичными металлами (алюминий, тяжелые металлы). Эти металлы могут легко попасть в пищевую цепь, в конце которой находится человек. Обследования, проведенные в Венгрии, показали, что содержание цинка в свинине, говядине и мясных продуктах довольно часто превышает допустимый уровень (10%). Кадмий также содержится в говядине в концентрациях выше порога допуска. Медь и ртуть в безопасных концентрациях были обнаружены в основном в мясе птицы.

Кислотные дожди также могут повредить металлы, различные здания и памятники. Памятники из песчаника и известняка, а также скульптуры на открытом воздухе в первую очередь находятся под угрозой. В Италии, Греции и других странах древние памятники и различные объекты, которые сохранялись сотни и тысячи лет, в последние десятилетия были серьезно разрушены в результате воздействия загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Воздействие на общины

Воздействие кислотности в основном сказывается на пресной воде и лесах. Воздействие на биотические сообщества носит в основном косвенный характер, т.е. опасность исходит не от самого кислотного дождя, а от процессов, происходящих под его воздействием (например, высвобождение алюминия). В некоторых местах (почва, вода, ил и т.д.) концентрация тяжелых металлов может увеличиваться в зависимости от кислотности, так как pH меняет их растворимость. Токсичные металлы также могут попасть в организм человека через питьевую воду и животную пищу, например, рыбу. При изменении структуры почвы, биологии и химии под влиянием кислотности растения (например, отдельные деревья) могут погибнуть. Эти эффекты обычно не ограничены локально и могут происходить на расстоянии нескольких сотен километров от источника загрязнения.

Меры по борьбе с кислотными дождями

Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на дикую природу и неживые организмы. В результате меры по частичной компенсации ущерба или предотвращению дальнейшей деградации окружающей среды могут варьироваться.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и оксидов азота. Этого можно добиться различными способами, в том числе за счет снижения энергопотребления и строительства электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие варианты сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу включают удаление серы из топлива через фильтры, регулирование процессов сгорания и другие технологические решения.

Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего использовать топливо с низким содержанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приблизительным оценкам, лишь 20% известных в настоящее время мировых запасов нефти имеют содержание серы ниже 0,5%. Среднее содержание серы в отработанном масле увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами.

То же самое с углем. Уголь с низким содержанием серы встречается почти только в Канаде и Австралии, но это лишь малая часть имеющихся угольных ресурсов. Содержание серы в угле колеблется от 0.5 до 1.0%.

Поэтому мы имеем ограниченный запас энергии с низким содержанием серы. Если мы не хотим, чтобы сера, содержащаяся в нефти и угле, попадала в окружающую среду, необходимо принять меры по ее удалению.

В процессе переработки нефти (перегонки) остаток (мазут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута — очень сложный процесс, поэтому можно удалить только 1/3 или 2/3 серы. Кроме того, процесс удаления мазута из серы требует больших капиталовложений со стороны производителя.

Сера в угле частично неорганическая и частично в органической форме. Во время очистки, когда удаляются негорючие части, также удаляется часть пирита. Однако даже при самых благоприятных условиях таким образом может высвобождаться только 50% общего содержания серы в угле. Химические реакции могут использоваться для удаления как органических, так и неорганических соединений, содержащих серу. Но в связи с тем, что процесс осуществлялся при высоких температурах и давлениях, этот метод оказался значительно дороже предыдущего.

Поэтому очистка угля и масла от серы является довольно сложным и экономичным процессом, а затраты на нее очень высоки. Кроме того, около половины первичного содержания серы остается после энергетической обработки. Поэтому обработка серы не является лучшим решением для кислотных дождей.

Применение высоких труб. Это один из самых противоречивых способов. По сути, это включает в себя следующее. Смешивание загрязняющих веществ в значительной степени зависит от высоты дымоходов. Если мы используем низкие дымовые трубы (здесь мы должны в первую очередь думать о дымовых трубах электростанции), то выделяемая смесь серы и соединений азота выделяется в меньшей степени и выпадает в осадок быстрее, чем в случае высоких дымовых труб. В результате концентрация оксидов серы и азота в непосредственной близости будет высокой (от нескольких километров до нескольких десятков километров), и, естественно, эти соединения нанесут больший ущерб. Если труба высокая, то прямые эффекты будут снижены, но эффективность смешивания повысится, что означает больший риск для отдаленных районов (кислотные дожди) и для атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся при сжигании топлива химического состава атмосферы, изменение климата). Таким образом, несмотря на распространенное мнение, строительство высоких труб не решает проблемы загрязнения воздуха, а значительно увеличивает «экспорт» кислых веществ и опасность кислотных дождей в отдаленные районы. Поэтому увеличение высоты труб сопровождается уменьшением прямого воздействия загрязнения (гибель растений, коррозия зданий и т.д.), а косвенного воздействия (воздействие на экологию отдаленных районов) — увеличением.

Технологические изменения. Известно, что при сжигании топлива азот и атмосферный кислород образуют оксид азота NO, что значительно повышает кислотность осадочных пород. Уже упоминалось, что на сжигание топлива приходится две трети всех антропогенных выбросов в мире.

Количество оксида азота NO, образующегося во время горения, зависит от температуры горения. Установлено, что чем ниже температура горения, тем меньше образуются оксиды азота, а количество NO зависит от времени пребывания топлива в зоне горения и избыточного воздуха. Таким образом, количество выбросов загрязняющих веществ может быть уменьшено за счет соответствующего изменения технологии.

Сокращение выбросов диоксида серы может быть достигнуто также за счет очистки конечных газов от серы. Наиболее распространенным методом является мокрый способ, при котором конечные газы колют раствором известняка, образуя сульфит или сульфат кальция. Этот метод удаляет большую часть серы. Этот метод еще не получил широкого распространения.

Лайм. Для уменьшения подкисления в озера и почвы добавляются щелочные вещества (например, карбонат кальция). Эта операция называется известкование. Когда известь попадает в воду, она быстро растворяется, а образующаяся при гидролизе щелочь сразу же нейтрализует кислоты. Известь используется для обработки кислых почв с целью их нейтрализации.

Помимо своих преимуществ, известь имеет и ряд недостатков:

при проточении и быстром смешивании морской воды нейтрализация недостаточно эффективна.
Происходит грубое нарушение химического и биологического баланса воды и почвы;
все вредные последствия подкисления не могут быть устранены;
Тяжелые металлы нельзя удалять известковым налетом. Хотя эти металлы снижают кислотность, их трудно растворять и выпадать в осадок, но при добавлении новой дозы кислоты происходит их повторное растворение, что делает их постоянной потенциальной опасностью для озер.

Кроме того, известно множество других способов защиты от загрязнения. Например, мертвые популяции животных и растений заменяются новыми, которые лучше переносят подкисление. Для предотвращения их дальнейшего разрушения памятники культуры обработаны специальной глазурью.

Рассмотренные здесь методы имеют одну общую характеристику — их применение пока не привело к значительному сокращению выбросов оксидов серы и азота. Недостаточный прогресс достигнут и в предотвращении пагубных последствий кислотных дождей.

Как уже упоминалось, основной причиной кислотных осадков в атмосфере является выброс в атмосферу соединений серы и азота. Эти соединения природного или антропогенного происхождения взаимодействуют с различными веществами в атмосфере и преобразуются в серную и азотную кислоту. Эти кислоты падают на поверхность земли вместе с осадками и наносят вред природе и человечеству.

Заключение

Еще несколько десятилетий назад термины «кислотный дождь» и «кислотный дождь» были известны только ученым, посвятившим себя определенным специализированным областям экологии и атмосферной химии. В последние годы эти выражения стали обычным явлением и вызывают тревогу во многих странах мира. Проблема кислотных дождей стала одной из глобальных экологических проблем. Кислотные дожди — это проблема, которая, если она развивается неконтролируемым образом, может иметь и уже имеет значительные экономические и социальные последствия в некоторых регионах. Для решения этой проблемы можно использовать имитационную модель кислотного дождя в атмосфере. Эта модель показывает, что основной причиной кислотных дождей является антропогенная активность. Международный институт прикладных системных исследований (IIASA) изучает модели для определения возможной кислотности почв, вод и т.д. на протяжении десятилетий. Результаты показывают, что почвы и леса в Европе могут быть защищены от дальнейшего подкисления только в том случае, если выбросы значительно сократятся. Эти выбросы должны регулироваться каждой страной.

Существует ряд способов сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу:

значительное сокращение потребления энергии;
Внедрение новых технологий, установка фильтрующих систем;
использование низкозагрязняющих или полностью экологически чистых источников энергии.

Такое решение звучит довольно нереально. Ни одно государство не будет готово сократить потребление энергии и тем самым ухудшить уровень жизни. Внедрение новых технологий и установка фильтрующих систем также является экономической проблемой. Однако единственным решением проблемы кислотных дождей является снижение потребления энергии, улучшение контроля над выбросами или разработка альтернативных методов производства электроэнергии, таких как атомная энергетика.

Список литературы

Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера», Москва, Издованные Знания, 1992 .
Акимушкин И.И. Невидимые нити природы. — М.: Мысли, 1984 г. — 287 в.
Баландин Р.К., Бондарев Л.Г. Природа и цивилизация. — — М, 1993. — 391 с.
Банников А.Г., Рустамов А.К., Вакулин А.А. Охрана природы: образование для сельскохозяйственных учебных заведений. — М.: Агропромиздат, 1994 г. — 287 в.
Кровати Л.Г. «Погода в нашей жизни», издательство «Велт», Москва, 1985г.
Ермаков А.Н., Пурмаль А.П. Физическая химия кислотных дождей // Энергия. — – 1994.
Дедушка И.И. Экологический энциклопедический словарь. — Кишинёв, 1991 г. — 406 с.
Драйер О.К., Лось В.А. Развивающиеся страны и экологические проблемы. — М.: Знания, 1996. — 64 в.
Новиков Ю.В. Природа и человек. — М.: Просвещение, 1995 г. — 223 с.
Проблемы экологии в России. — — М., 1992. — 348 с.
Л.Хорват «Кислотный дождь», Москва, Стройиздат, 1994.