Влияние кислотных дождей на окружающую среду

История термина

Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским учёным Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии»

Его внимание привлёк смог в Манчестере. И хотя учёные того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели лесов, урожаев и растительности, а также одной из причин разрушения зданий и памятников культуры, трубопроводов, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почвы и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как углекислый газ, вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота, тогда как в идеале pH дождевой воды равняется 5,6—5,7. В реальной жизни показатель кислотности дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это прежде всего зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

В 1883 году шведский учёный Сванте Август Аррениус ввел в обращение два термина — кислота и основание. Он назвал кислотами вещества, которые при растворении в воде образуют свободные положительно заряженные ионы водорода. Основаниями он назвал вещества, которые при растворении в воде образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы. Водородный показатель является взятым с обратным знаком десятичным логарифмом активности ионов водорода в растворе и его используют в качестве показателя кислотности воды.

Кислотные дожди – что это такое

Считается, что любые осадки должны иметь кислотность, находящуюся в пределах 5,6–5,8 рН. В таком случае вода, выпадающая на конкретной территории, является слабокислым раствором. Он не представляет опасности для окружающей среды и безвреден для людей.

Что такое кислотные дожди

Если кислотность осадков повышается, их называют кислотными. В норме дождь отличается слабокислыми свойствами, что объясняется химической реакцией, которая происходит в воздухе между углекислым газом и водой. Вследствие такого взаимодействия образуется угольная кислота. Именно она придает дождю слабокислые свойства. Повышение кислотности осадков объясняется присутствием в составе нижних слоев атмосферы различных загрязняющих веществ.

Чаще всего данное явление вызвано оксидом серы. Он вступает в фотохимическую реакцию, что приводит к образованию серного ангидрида. Данное вещество взаимодействует с водой, что заканчивается формированием сернистой кислоты. Постепенно она окисляется при высокой влажности воздуха. В результате формируется особенно опасная серная кислота.

Другим веществом, которое провоцирует кислотные дожди, называют оксид азота. Он таким же образом вступает в химическую реакцию с частицами воздуха и воды, формируя опасные соединения. Основной опасностью таких осадков называют то, что они внешне никак не отличаются от обычных по цвету или запаху.

Образование кислотных дождей

История появления термина

Начало развития европейской промышленности в начале XIX века привело к упоминанию в ученых кругах явления повышенной кислотности дождей. Химик из Шотландии Роберт Смит на протяжении своей жизни изучал взаимосвязь между загрязнениями атмосферы в Манчестере и кислотными осадками. В 1852 году он первым заговорил о климатологической аномалии в виде кислотных дождей, но поддержки своей гипотезы Смит не получил.

Не сдаваясь, он в течение 10 лет публиковал доклады о химическом составе атмосферы. Общественность заинтересовалась мнением учёного только после выхода его книги в 60-е годы. Термин официально признали после публикации в «Нью-Йорк Таймс» отчетов о влиянии природных изменений на леса. Со временем стали появляться предложения по решению проблемы кислотных дождей в странах Старого и Нового света.

Интересные факты о кислотных дождях

Согласно заключению учёных, 252 млн лет назад массовые кислотные осадки стали причиной вымирания 95% видов живых организмов на Земле. А причиной образования этих осадков стало массовое извержение вулканов, активизировавшихся из-за падения метеорита.

На планете Венера кислотные дожди являются обычным природным явлением, поскольку в атмосфере планеты находится огромное количество облаков серной кислоты.

На планете Марс имеются следы кислотного тумана. На протяжении длительного времени он образовывался в кратере Гусева, разъедая там скалы. Вероятно, в других местах планеты смертельно опасный туман тоже иногда появляется.

Как бороться с кислотными дождями

Кислотные дожди наносят непоправимый вред, и чтобы найти пути решения, человечеству следует объединить свои усилия. Необходимо установить дорогостоящие фильтры на предприятиях или уменьшить их деятельность. Это снизит выброс вредных веществ в атмосферу и воду. Также уже несколько лет рассматривается вариант создания безопасных для экологии производств.

Сокращение вредных выбросов

Ежегодно звучит призыв к сокращению токсичных выбросов с предприятий. Они являются основными источниками вредных веществ. Владельцев предприятий побуждают установить мощные очистные сооружения. Ученые пытаются создать систему очистки, которая сделает промышленные предприятия более безопасными.

Использование экологичных автомобилей

Сильно загрязняют атмосферу выбросы, которые производит транспорт. Полностью отказаться от него не получится. Решить эту проблему можно с помощью электромобилей и гибридов.

Новые автомобили могут использовать более чистый вид топлива — природный газ. Свыше 20 лет их оборудуют каталитическим нейтрализатором. Он снижает уровень окислов азота, который образуется в процессе работы автомобиля.

Переход на альтернативные источники энергии

Внести свой вклад в сокращение выброса вредных веществ в атмосферу может каждый. Для этого человеку нужно уменьшить употребление электроэнергии. Достаточно лишь выключать свет, когда уходите из комнаты, пользоваться кондиционером в случаях особой надобности.

Чтобы снизить количество выбрасываемой серы в атмосферу, было принято решение на электростанциях использовать уголь, который предварительно промывают водой. Также используются солнечные и ветряные электростанции.

Одни ли кислотные дожди могут таить в себе угрозу?

Проблематика кислотных дождей в последние десятилетия стала более глобальной, поэтому всем жителям Земли не мешало бы призадуматься о своей роли — положительной или отрицательной — в данном природном явлении. Следует знать, что большинство вредных веществ, которые попадают в воздух, являются продуктом жизнедеятельности людей и практически никуда не пропадают. Большинство их остается в атмосфере и в один прекрасный день вернется на землю вместе с осадками. А само влияние кислотных дождей настолько серьезно, что для ликвидации последствий в некоторых случаях может потребоваться не одна сотня лет.

Чтобы более детально ознакомиться с возможными последствиями кислотных дождей, желательно понять, что несет в себе само понятие. Большинство ученых единодушно полагают, что такую формулировку можно считать чрезмерно узкой для того, чтобы охватить весь потенциал глобальной проблемы

Не следует заниматься изучением исключительно одних дождей, нужно обратить внимание и на кислотный град, туман и снегопад, которые тоже относятся к носителям вредных веществ и соединений, потому что процессуально их образование в большинстве своем идентично. Не следует забывать и то, что при устойчивой засушливой погоде возможно появление токсических газов или пылевых облаков или всего вместе

А ведь эти образования тоже относятся кислотным осадкам.

Глобальные экологические проблемы кислотных осадков

Среди глобальных экологических проблем, вызванных кислотными осадками, могут быть:

• Изменения в экосистеме водоемов, приведшие к гибели животного и растительного мира. Такими источниками невозможно будет пользоваться для питья, ведь тяжелые металлы будут многократно превышать нормы;
• Повреждение корней и листьев, приведет к уничтожению защиты от холодов и болезней. Особенно это касается хвойных деревьев в лютые морозы;
• Загрязнения грунта токсинами. Растительный мир, находящийся на зараженных участках почвы, непременно ослабеет или погибнет. Вредоносные элементы будут поступать вместе с полезными веществами, которых будет оставаться все меньше и меньше.

Как образуются кислотные осадки?

В 65 случаях из 100 в составе кислотных дождей присутствуют аэрозоли серной и сернистой кислот. Каков механизм формирования таких осадков? Вместе с промышленными выбросами в воздух попадает диоксид серы. Там в ходе фотохимического окисления он частично трансформируется в серный ангидрид, который, в свою очередь, вступив в реакцию с парами воды, превращается в мелкие частицы серной кислоты. Из оставшейся (большей) части диоксида серы образуется сернистая кислота. Постепенно окисляясь от влаги, она становится серной.

В 30% случаев кислотные дожди являются азотными. Осадки, в составе которых преобладают аэрозоли азотистой и азотной кислоты, образуются по такому же принципу, что и серные. Попавшие в атмосферу оксиды азота реагируют с дождевой водой. Образовавшиеся в результате кислоты орошают почву, где распадаются на нитраты и нитриты.

Соляные кислотные дожди – редкость. Например, в США их доля от общего числа аномальных осадков составляет 5%. Источник для формирования таких дождей – хлор. Он попадает в воздух при сжигании отходов или с выбросами химических предприятий. В атмосфере он взаимодействует с метаном. Получившийся в результате хлорводород, реагируя с водой, превращается в соляную кислоту. Кислотный дождь с плавиковой кислотой в составе образуется при растворении в воде фторводорода – вещества, выделяемого предприятиями стекольной и алюминиевой промышленности.

Отрицательные последствия кислотных дождей

Кислотность дождя изменяется в сочетании с серной и азотной кислотой. Поэтому, когда он падает на землю или воду, он меняет свои химические характеристики и ставит под угрозу баланс экосистем. Такое явление определяется, как подкисление окружающей среды. Приводит к серьезным последствиям.

1. Океаны и моря с их флорой и фауной;
2. Внутренние воды, пресноводные источники с их обитателями;
3. Зеленые насаждения, делая их сильно уязвимыми;
4. На культурные и исторические памятники;
5. На человека – прямо или посредственно губя его здоровье.   

Океаны теряют биоразнообразие и продуктивность. Неестественное изменение кислотности морских вод наносит вред фитопланктону, источнику пищи для различных организмов и животных, который может изменить пищевую цепь и привести к вымиранию различных морских видов;

Внутренние воды также подкисляются очень быстрыми темпами, что вызывает особую обеспокоенность, поскольку, хотя только 1% воды планеты является пресной, в ней живет 40% рыб. Это подкисление увеличивает концентрацию ионов металлов – в основном ионов алюминия – что может привести к гибели многих рыб, земноводных и водных растений в подкисленных озерах. Кроме того, тяжелые металлы транспортируются в подземные воды, которые становятся непригодными для потребления.

В лесах изменившийся уровень кислотности почвы и концентрации металлов, таких как алюминий, не позволяют растительности должным образом поглощать воду и питательные вещества, в которых она нуждается. Наносится вред корням, замедляется рост растений, они становятся более слабыми и более уязвимыми для болезней и вредителей.

Кислотный дождь также влияет на художественное, историческое и культурное наследие. Помимо коррозии металлических элементов зданий и инфраструктуры, ухудшается внешний вид памятников. Наибольший ущерб наносится известняковым конструкциям, изготовленных из мрамора, которые постепенно растворяются под действием кислот и воды.

Химические реакции

Даже нормальная дождевая вода имеет слабокислую реакцию из-за наличия в воздухе диоксида углерода. Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксиды серы (SO₂ и SO₃) и различными оксидами азота. Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий, тепловых электростанций.

Соединения серы, сульфиды, самородная сера и другие содержатся: в углях и в руде (особенно много сульфидов в бурых углях, при сжигании или обжиге которых образуются летучие соединения — оксид серы(IV) (сернистый ангидрид), оксид серы(VI) (серный ангидрид), сероводород — (образуется в малых количествах при недостаточном обжиге или неполном сгорании, при низкой температуре). Различные соединения азота содержатся в углях, и особенно в торфе (так как азот, как и сера, входит в состав биологических структур, из которых образовались эти полезные ископаемые).

При сжигании таких ископаемых образуются оксиды азота (например, оксид азота, вступая в реакцию с водой атмосферы, под воздействием солнечного излучения, или так называемых «фотохимических реакций»), которые превращаются в растворы кислот — серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

Причины появления кислотных дождей

Причины выпадения ядовитых дождей являются антропогенные и естественные. В результате развития промышленности и технологий заводы, фабрики и различные предприятия стали выбрасывать в воздух огромное количество оксидов нитрогена и сульфура. Так, когда сера попадает в атмосферу, она взаимодействует с парами воды, образуется серная кислота. Тоже происходит и с двуокисью азота, образуется азотная кислота, выпадает вместе с атмосферными осадками.

Очередной источник загрязнений атмосферы – это выхлопные газы автомобильного транспорта. Попадая в воздух, вредные вещества окисляются и выпадают на землю в виде кислотных дождей. Выпадение в атмосферу азота и серы происходит в результате сгорания торфа, угля на тепловых электростанциях. Огромное количество окиси серы попадает в воздух при переработке металлов. Азотные соединения выделяются при производстве строительных материалов.

Определенная часть серы в атмосфере имеет естественное происхождение, к примеру, после извержения вулкана освобождается диоксид серы. Азотосодержащие вещества могут выделяться в воздухе в результате деятельности некоторых почвенных микробов и грозовых разрядов.

Деятельность микроорганизмов

Причиной возникновения кислотных дождей выступает активизация микробов, ведущая к гниению растительных остатков и мёртвых животных. Происходит выделение серы в газообразном состоянии. Ежегодно объём вещества достигает 40 миллионов тонн, что составляет треть общего количества образовываемого газа.

Вулканическая деятельность

Вулканы влияют на загрязнение осадков, но проявляется лишь в активный период. Здесь же основной причиной образования кислотных дождей становится повышенная концентрация химических веществ в воздухе.

Распад азотсодержащих природных соединений

В природе оксид азота появляется после распада конечных продуктов потребления (кал, моча и другие естественные источники белка) и гниения.

Антропогенные факторы

Кислотные дожди чаще всего выпадают из-за загрязнений, связанных с жизнедеятельностью человека. В итоге антропогенных выбросов в воздух попадает более 60-65% (65-75 млн. т) производных серы, 37-50% (57 млн. тонн) азотсодержащих соединений и 100% летучих органических соединений (ЛОС).

Выбросы промышленных предприятий

Нефтеперерабатывающие, металлургические и производящие серную кислоту предприятия опережают остальные производства по выбросам сернистых соединений. Причиной ежегодного поступления 1 млн. тонн азота в атмосферу Земного шара также являются промышленные предприятия.

Выхлопы транспортных средств

Чем опасны автомобильные выхлопы. Они поставляют в тропосферу до 35-40% оксидов азота. При сгорании дизельного топлива, бензина в приземном слое образуются вредные вторичные загрязнители (озон, серная кислота, формальдегид и пероксиацетилнитрат). Их присутствие может вызвать кислотные дожди.

Удобрения и пестициды, используемые в сельском хозяйстве

Избыточное использование в сельском хозяйстве пестицидов и азотсодержащих удобрений выглядит оправданным, улучшая рост культур, но на самом деле приводит к накоплению вредных веществ в почве, часть из которых поступает в воздух.

Токсичные туманы

Еще один результат постоянного загрязнения атмосферы — это токсические туманы или смог. Впервые появившийся в Лондоне 20 века смог содержал большое количество взвешенных частиц угля, сажи и серы. За 5 дней значительно увеличилось количество смертей от сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний. Нужно отметить, что состав загрязнений стал куда более изощренным.

Сегодня смог можно увидеть в Нью-Йорке, Лондоне, Осаке или Пекине. Возникает это явление как следствие большого числа заводов, сосредоточенных в одном месте. Чем это грозит? Нарушением процессов обмена веществ в организме. К сожалению, раковые, респираторные и сердечно-сосудистые заболевания — это лишь часть картины.

В Китае в результате индустриализации в относительно короткие сроки, смог стал достаточно частым явлением. Над Пекином вообще каждое лето держится туман из выбросов, который сопровождается ухудшение качества воды. Все это привело к росту популярности процедуры кесарева сечения. Из-за нарушения обмена веществ в организме женщины центральной части страны вынуждены вынашивать ребенка до 12 месяцев в ожидании естественных родов.

Правительство Китая борется за чистоту города, много заводов покинули столицу, но когда это скажется на экологической ситуации непонятно.

Кислотная седиментация

Загрязнение воздуха происходит от антропогенных и природных источников. Фоновый уровень естественного зашлаковывания стабилен и редко изменяется. Степень загрязненности атмосферы в результате промышленного прогресса увеличивается постоянно.

Под общим понятием седиментации понимают оседание, всплывание дисперсных частиц в дисперсионной среде. Это заключительный этап круговорота загрязняющих веществ.

Процесс седиментации проходит двумя путями:

1. Влажный (вымывание кислотных веществ из атмосферы).
2. Сухой (выпадение осадков).

Взаимосвязь этих процессов — это кислотная седиментация, приводящая в итоге к закислению атмосферы.

Сухая седиментация

При сухой седиментации газообразные вещества выпадают в осадок под действием турбулентной диффузии. Она появляется из-за неравномерного трения по поверхности Земли воздушных масс при передвижении.

Опасность для окружающей среды представляет прямой перенос молекул серы и азота, адсорбированных на пылевых частицах. После осаждения токсичные элементы поглощаются природными поверхностями (водой, почвой, растениями).

Влажная седиментация

Важным условием образования облаков является перенасыщение воздуха водяным паром. Водяной пар конденсируется до перенасыщения. Процесс должен происходить при 500°С, но температура в атмосфере на этом уровне не превышает 100,5°С. Вследствие чего перенасыщенность возникает только на ядрах сернистых и азотистых соединений и приводит к накоплению кислотных осадков.

Облака увеличиваются и накапливают аэрозольные частицы. Седиментация повышается, соответствуя размерам капель и под гравитационным действием они падают. Падающие капли дождя промывают атмосферу, одновременно поглощая новые частицы.

На землю осадки попадают с растворенными веществами, которые повышают истощаемые запасы необходимых элементов или приводят к загрязнению, в зависимости от состава.

Как уберечься от кислотных осадков и предотвратить их появление?

Меры для предупреждения агрессивного воздействия кислотных дождей разрабатывают в США, Китае и на территории Российской Федерации, что обусловлено наличием у данных стран большого количества углеперерабатывающих предприятий и металлургических заводов.

Бороться с экологической проблемой в локальном масштабе практически невозможно. Для купирования катастрофы необходимо принять комплексные меры, которые возможны только при сотрудничестве нескольких государств. Специалисты продолжают разработку воздушных фильтров и очистительных систем, стараясь разобраться с экопроблемами в короткие сроки, но процент негативных последствий от выпадения разбавленных кислот увеличивается с каждым годом.

Чтобы уберечь организм от действия кислот, необходимо брать с собой зонт или дождевик в пасмурную погоду. Нужно остерегаться попадания воды с растворенными в ней химическими веществами на открытые участки кожного покрова

При этом важно помнить, что отличить невооруженным глазом нормальные осадки от кислоты невозможно

Поэтому рекомендуется постоянно придерживаться мер предосторожности и следить за новостями

Если СМИ предупреждают о возможном появлении кислотных ливней, не нужно выходить на улицу без необходимости. При выпадении снега, града и дождевых капель требуется плотно запереть окна и двери, чтобы избежать проникновения летучих и жидких токсичных соединений.

Опасность кислотных дождей для человека

Очень сильные кислоты сгорят, если они коснутся вашей кожи и нанесут ей большой ущерб. Есть даже такой термин, как кислотный ожег. Они могут даже разрушить металлы. Кислотный дождь намного, намного слабее этого, и никогда не бывает достаточно кислым, чтобы нанести непоправимый вред вашей коже, как неразбавленная кислота.

Уксус имеет значение рН 2,2, а лимонный сок имеет значение рН 2,3, а самый сильный из зарегистрированных кислотных дождей был pH2, так что он примерно такой же кислотный, как лимонный сок или уксус, а мы знаем, что они не причиняют непоправимого вреда (кроме людей с очень чувствительной кожей, но их и мыло бывает раздражает) — так в чем же тогда опасность кислотных дождей?

Для человека ее практически нет, но и приятного не очень много, другое дело, что такого в принципе не должно быть. Другое дело, как он влияет на почву и животных, но об этом немного позже.

Схема образования кислотных дождей

Появлению таких осадков предшествует цепочка химических реакций. Так проходит процесс образования кислотных дождей, на примере серы:

1. Диоксид серы, попав в воздух с отходами промышленности, трансформируется вследствие фотохимических реакций. Образуется серный ангидрид.
2. Последний, соединяясь с молекулами воды, образует серную кислоту.
3. Другая часть диоксида посредством реакций преобразовывается в сернистую кислоту.
4. Сернистая кислота, пройдя окисление, становится серной.

Аномальные осадки, содержащие N2O5, образуются по принципу серных, поскольку оксид азота, взаимодействуя с дождевой водой, образует кислоты.

Если причина кислотности хлор, то образование происходит следующим образом:

1. Наполнение хлором воздуха за счёт отходов химической промышленности или продуктов горения.
2. Вследствие реакции хлора и метана получается хлороводород.
3. Образовавшееся вещество взаимодействует с водой, получается соляная кислота.

Исходя из указанного, можно утверждать, что многие вещества, загрязняющие атмосферу образуют аномальные осадки повышенной кислотности. При этом основную массу среди «образующих» элементов составляет SO2, поскольку его выбрасывает в воздух промышленные предприятия.

Схема образования кислотных дождей зависит от уровня кислотности осадков, а он обусловлен составляющими веществами.

Преобразование соединений серы

Многие промышленные выбросы содержат серу. Механизм образования кислотных дождей заключается в окислении указанного вещества. Воздух наполняется частично окисленной серой. Атмосфера содержит окислители, превращающие соединения серы в сульфаты и кислоту.

Взаимодействие сернистой кислоты и кислорода повышает уровень окисления серы, из чего получается сернистый ангидрид. Триокись при взаимодействии с водой, находящейся в воздухе, преобразуется в серную кислоту.

Помимо двуокиси, окисляются и другие соединения этого вещества. Они образуют кислоту, молекулы которой быстро конденсируется. Этим объясняется относительно небольшое количество серы в аномальных осадках.

Преобразование соединений азота

Азот также наполняет атмосферу, как правило, это NO (окись). Реакция её окисления образует двуокись, которая преобразовывается в азотную кислоту. Этому способствует взаимодействие с радикалом гидроксила.

По сравнению с серной кислотой, азотная более летучая, поэтому она почти не конденсируется, а её пары поглощаются частицами аэрозоли, облаками, осадками.

Такая ситуация считается проблемой промышленных государств, но подобные химические превращения серы и азота характерны для регионов, подверженных горению биомасс.