КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПОСЛЕДСТВИЯ. ВОЗМОЖНЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

После изучения данной главы студент должен: знать

— что такое кислотные дожди, щелочность природных вод, жесткость воды, закисление водоема;

уметь

— экспериментально определять и рассчитывать щелочность природных вод, зная содержание компонентов карбонатной системы и pH раствора;

владеть

— способами экспериментального определения щелочности природных

вод.

Образование и свойства кислотных дождей. Интенсификация деятельности человека в последнее столетие привела к значительному нарушению сложившегося в природе равновесия, в результате чего возникло множество проблем, связанных с защитой окружающей среды.

Среди весьма серьезных проблем экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу. Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. В период промышленной и научно-технической революции увеличился объем эмиссии в атмосферу газов и аэрозолей антропогенного происхождения. По ориентировочным данным, ежегодно в атмосферу поступают сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенонроизвод- ных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, нредприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт. Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. На поверхности биологических объектов, строительных конструкций и других предметов загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов.

Вред, наносимый живой природе атмосферными загрязнениями и продуктами производственной деятельности человека, колоссален: гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний, нарушение биологического равновесия в экосистемах непосредственно связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере.

К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся оксид серы (IV), оксисульфид, сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. Последние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в диоксид серы S02 или соли серной кислоты (сульфаты). В результате деятельности человека более всего изменяется содержание диоксида серы.

В сильно загрязненных районах уровень S02 может в тысячи и даже десятки тысяч раз превысить ее нормированное значение на суше и в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из естественных источников, более или менее одинакова вблизи поверхности Земли. Из соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии, принимаются во внимание только серная кислота и ее соли, например сульфаты аммония, а также морская соль.

Как мы уже говорили, соединения серы частично попадают в атмосферу естественным путем, а частично — антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать загрязнение серой только этой территории.

Существуют три основных источника естественной эмиссии серы.

1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения.

Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха — ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ.

Поверхность моря также может содержать значительные количества сероводорода. В его образовании принимают участие морские водоросли. Предположительно, выделение серы биологическим путем не превышает 30—40 млн т в год, что составляет около */3 всего выделяемого количества серы.

  • 2. Вулканическая деятельность. При извержении вулканов в атмосферу, наряду с большим количеством S02, попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой — тропосферу, но при отдельных извержениях большой силы наблюдается увеличение концентрации соединений серы и в верхнем слое — стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество представляет малую величину по сравнению с биологическими выделениями, тогда как для стратосферы оно весьма значимо, поскольку для нее извержения вулканов являются основным источником серы.
  • 3. Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остается морская соль, содержащая, наряду с ионами натрия и хлора, соединения серы — сульфаты. Вместе с частицами морской соли ежегодно в атмосферу попадает 50—200 млн т серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы биологическим путем. В то же время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в верхние слои или распыляется над сушей. Следует учесть, что из сульфатов морского происхождения не может образоваться серная кислота, поэтому они не могут служить источниками возникновения кислотных дождей. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее диоксида. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы в угле (особенно буром) достаточно велико (несколько процентов). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть ее остается в золе в твердом состоянии.

Содержание серы в неочищенной нефти также достаточно велико в зависимости от места происхождения (0,1—2%). При сгорании нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля.

Источниками образования диоксида серы могут служить отдельные отрасли промышленности, прежде всего металлургическая, и предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязнение соединениями серы незначительно, в первую очередь необходимо иметь в виду оксиды азота.

Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60—70 млн т серы в виде диоксида серы. Сравнение объемов естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3—4 раза больше, чем природа. К тому же эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные, т.е. главным образом в Европе и Северной Америке. Примерно половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30—40 млн т), приходятся на Европу.

Виды соединений азота. В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в кислотной седиментации участвуют только два из них: оксид и диоксид азота, которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азотистую и азотную кислоты.

Оксид азота (II) под действием окислителей (например, озона) и их свободных радикалов преобразуется в диоксид азота (IV):

Кажется вполне вероятным, что оксидом азота (II) можно пренебречь вследствие указанных окислительных процессов. Однако это не совсем так, что объясняется двумя причинами.

Первая причина заключается в том, что выброс оксидов азота в большинстве случаев происходит в виде оксида азота (II), и требуется время, чтобы NO полностью превратился в N02. Вторая причина состоит в том, что в непосредственной близости от источников загрязнения количество оксида азота (II) превышает количество оксида азота (IV), причем соотношение увеличивается в сторону диоксида азота по мере приближения к более чистым территориям.

Например, в безусловно чистом воздухе над поверхностью океана часть оксида азота составляет всего несколько процентов от диоксида азота. Соотношение этих газов может меняться вследствие фотодиссоциации N02:

Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кислота, образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота нейтрализуется, то образуются соли, которые обычно присутствуют в атмосфере в виде аэрозолей, в том числе соли аммония, которые получаются в результате взаимодействий аммиака с какой-либо кислотой.

Источники соединений азота могут быть как естественными, так и антропогенными. Наиболее важными естественными источниками являются:

  • почвенная эмиссия оксидов азота. В результате деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т оксидов азота;
  • грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород воздуха соединяются в оксиды азота. В состоянии плазмы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее количество образовавшихся таким образом оксидов азота составляет 8 млн т в год;
  • горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее коли- чество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год;
  • прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящегося в стратосфере оксида азота (I), вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся Ж)2 в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год от 2 млн до 12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников оксидов азота главным является горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т.д.). Во время горения вследствие высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ. При сжигании топлива человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота. Значительным источником оксидов азота является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов оксидов азота приблизительно одинаковы, но искусственные выбросы оксидов азота, как и выбросы соединений серы, сосредоточены на ограниченных территориях Земли. Следует отметить, однако, что количество выбросов оксидов азота ежегодно увеличивается в отличие от эмиссии диоксида серы, поэтому соединения азота играют важную роль в образовании кислотных осадков.

Атмосферный аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, принимает активное участие в регулировании кислотных дождей, так как может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения с помощью следующих реакций:

Важнейшим источником атмосферного аммиака служит почва. Находящиеся в ней органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий в первую очередь зависит от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Европа и Северная Америка), особенно в зимние месяцы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же время на этих широтах наблюдается наибольший уровень эмиссии диоксида серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются нейтрализации и, таким образом, возрастает опасность выпадения кислотных дождей.

Большое количество аммиака высвобождается в процессе распада мочи домашних животных. Этот источник аммиака настолько значителен, что, например, в Европе превышает возможности выделения аммиака почвой. Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость этого процесса ниже.

Существенными источниками аммиака являются производство и внесение в землю искусственных удобрений. Меньшее количество аммиака может попасть в атмосферу в результате сгорания угля или горючего транспортных средств.

Распространение кислотных веществ в атмосфере. Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, не задерживаются на одном месте, а частично преобразовываясь, распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, которое происходит в результате конвекционных (упорядоченных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений.

В зависимости от структуры атмосферы и ее состояния в данный момент перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали. Как известно, начиная с поверхности Земли, температура воздуха по мере движения вверх снижается в среднем на 0,6°С на каждые 100 м.

Па высоте 8—18 км от поверхности это снижение прекращается, более того, двигаясь далее вверх, можно наблюдать потепление. Слой, в котором происходит изменение температуры в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы зависит от географической широты и для данного места остается постоянной.

Выше находится стратосфера, где потепление в вертикальном направлении происходит в результате поглощения коротковолнового излучения и протекания фотохимических реакций.

Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль — она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлении. Поэтому перемешивание в тропопаузе замедляется, и загрязняющие вещества уже могут проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярного движения). Последняя представляет собой очень медленный процесс, и поэтому те загрязняющие вещества, которые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу.

С другой стороны, вещества, имеющие длительное время жизни, могут попасть в стратосферу (например, фреоны, время нахождения которых в тропосфере исчисляется несколькими десятками лет). Микроэлементы, находящиеся в тропосфере в течение короткого времени (например, соединения серы и азота), могут попасть в более высокие слои воздуха другим путем, например, при сильном извержении вулкана или во время полетов в стратосферу. Таким образом, возвращаясь к тропопаузе, можно сказать, что в результате увеличения температуры с высотой перемешивание на этом уровне прекращается.

В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхности, наблюдается инверсия температуры, т.е. изменение ее в противоположном направлении, которое также приводит к прекращению вертикального перемешивания. Инверсию иногда можно наблюдать невооруженным глазом. Например, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, можно разглядеть четкую границу между нижним загрязненным и верхним чистым слоями воздуха. На этой границе прекращается вертикальное перемешивание загрязняющих веществ. Близкий к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических условий. Тропопауза является верхней границей перемешивания в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения.

Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распространяются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Этот процесс происходит под действием так называемой адвекции в направлении скорости ветра при упорядоченном движении воздуха или в результате турбулентного (неупорядоченного) движения. На больших расстояниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит не только от скорости ветра, но и от времени пребывания молекулы в атмосфере.

Находящиеся в атмосфере вещества, в том числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в химическую реакцию либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадков. Это выделение веществ на поверхность называется седиментацией. Время, которое в среднем молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пребывания. Обычно чем короче время пребывания вещества в атмосфере, тем выше его способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация оксида азота (I) в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от места и времени измерения, так как его атмосферное (тропосферное) время пребывания составляет около 25 лет.

Концентрация оксида азота (IV) может существенно изменяться в зависимости от места и времени. Его время пребывания составляет лишь восемь — десять суток, а для диоксида серы оно еще короче — около двух суток. Это, естественно, не означает, что каждая молекула Si02 точно через двое суток исчезает из атмосферы, так как время жизни каждой молекулы статически колеблется вокруг среднего значения.

Что означают для S02 эти двое суток времени пребывания? На какое расстояние в среднем оксид может распространиться с помощью ветра? Возьмем скорость ветра 10 м/с, которая довольно часто бывает на высоте 1 км от поверхности Земли. Легко подсчитать, что одна «средняя» молекула S02 на «крыльях ветра» может удалиться примерно на 2000 км от места выброса. Если принять во внимание среднее значение скорости ветра у поверхности почвы (в Венгрии — приблизительно 3 м/с), то среднее пройденное молекулой расстояние составит около 500 км. Таким образом, молекула S02 в среднем может преодолеть расстояние 1000 км.

Для диоксида азота это расстояние из-за более продолжительного времени пребывания может быть еще больше.

Распространение загрязняющих веществ в таких масштабах создает много международных проблем. Поскольку загрязнение воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном государстве может распространяться на территорию другого государства. Например, существует тесная связь между образованием кислотных дождей в Скандинавских странах и эмиссией диоксидов серы и азота в Западной Европе. Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) в рамках Совместной программы наблюдения и оценки распространения загрязняющих воздух веществ на большие расстояния в Европе подсчитала, в какой степени то или иное европейское государство несет ответственность, например, за выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах. При этом учитывались количества загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и поступают в другие страны. Расчет велся исходя из круговорота веществ на данной территории. Если выброс загрязняющего вещества (например, диоксида серы или азота) на территории какой-то страны превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то баланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Например, Венгрия имеет отрицательный баланс по сере, т.е. может считаться загрязняющей страной, в то время как ее баланс по кислотным соединениям азота находится в относительном равновесии.

За передвижением масс воздуха между странами и распространением таким способом загрязняющих веществ можно проследить. Используя различные метеорологические данные (например, направление ветра на различной высоте, скорость ветра), можно определить, где будет располагаться находящаяся над определенной территорией масса воздуха через 0; 3; 6;... 36 ч. Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем сильнее, чем ближе он находится от места измерения. Близко расположенный менее значительный источник загрязнения может перекрыть влияние более отдаленного мощного источника.

Итак, мы ознакомились с вертикальным перемешиванием (конвекцией) и горизонтальным распространением

(адвекцией) загрязняющих веществ. Следует отметить, что отделить их друг от друга можно лишь теоретически, в действительности оба эти процесса идут параллельно. Для математического описания (моделирования) распространения загрязняющих веществ необходимо учитывать химическое взаимодействие, седиментацию микроэлементов, влияние рельефа на формирование потока воздуха и т.д. Такие математические модели очень сложны. Однако с некоторыми упрощениями можно получить относительно хорошие результаты.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >