Влияние кислотных осадков на биосферу Земли

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ

Институт национальной и мировой экономики

Курсовая работа

По предмету: Концепции современного естествознания

на тему

«Кислотные дожди»

Студентки

1 курса

1 группы

факультета Национальная Экономика

Рождественской Д.Д.

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

1 Как попадают соединения серы в атмосферу

1.1Виды соединений серы.

1.2Источники соединений серы.

1.3Виды соединений азота

1.4Источники соединений азота

1.5Атмосферный аммиак

2 Распространение кислотных веществ в атмосфере.

3 Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.

3.1Химические превращения соединений серы.

3.2Химические превращения соединений азота.

4 Кислотная седиментация (кислотные осадки).

4.1Вымывание кислотных веществ из атмосферы

4.2Сухие осадки

5 Влияние кислотных осадков на биосферу

5.1Косвенные воздействия

5.2Непосредственные воздействия

6 Способы защиты от кислотных дождей.

Заключение

Список литературы

Введение.

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, галогенопроизводных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия 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. Попадая на поверхность биологических объектов, строительных конструкций и других предметов, загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов.

Ущерб, наносимый живой природе атмосферными загрязнениями и продуктам производственной деятельности человека, трудно оценить, но гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний, нарушение биологического равновесия в экосистемах не в последнюю очередь связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере.

Как попадают соединения серы и азота в атмосферу.

Виды соединений серы.

К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся двуокись серы [оксид серы (IV)], оксисульфид (сероокись углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид (табл. 2). Послед­ние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием деятельно­сти человека более всего изменяется содержание двуокиси се­ры.

В сильно загрязненных районах уровень двуокиси серы может в 1000 и даже в десятки тысяч раз превысить естест­венную границу значений на суше и в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из естествен­ных источников, более или менее одинакова вблизи поверх­ности земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии, принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и гидросульфат аммония), а также морская соль.

Источники соединений серы.

Соединения серы, как мы уже упомянули, 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 на 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 удалось выделить 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 возникновении принимают участие морские водо­росли. Можно предположить, что выделение серы биологиче­ским путем не превышает 30-40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти со­единения поступают главным образом в нижний слой - тро­посферу, а при отдельных, большой силы извержениях на­блюдается увеличение концентрации соединений серы и в бо­лее высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления 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 более верхние слои или распыляется над сушей. Следует так­же учесть, что из сульфатов морского происхождения не мо­жет образоваться серная кислота, поэтому с точки зрения об­разования кислотных дождей они не имеют существенного значения. 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 двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбро­сов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы 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 двуокиси серы могут быть так­же отдельные отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также предприятия по производству сер­ной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязне­ние соединениями серы относительно незначительно, там в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

Таким образом, ежегодно в результате деятельности чело­века в атмосферу попадает 60-70 млн т серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов сое­динений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза боль­ше, чем это происходит в природе. 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), приходится на Европу.

Виды соединений азота.

В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в кислотной седиментации участвуют только два из них: окись и двуокись азота, которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азо­тистую кислоту.

Окись азота под действием окислителей (например, озона) или различных свободных радикалов преобразуется в дву­окись азота:

(окись азота + радикал пероксида водорода --- двуокись азота + радикал гидроксила);

(окись азота + озон --- двуокись азота + молекулярный кислород).

Итак, можно предположить, что окисью азота можно пре­небречь вследствие указанных окислительных процессов. Од­нако это не совсем так, что объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азота в значи­тельной степени происходит в форме окиси азота, и требуется время, чтобы полностью превратилась в . С другой стороны, в непосредственной близости от источников загряз­нения количество окиси азота превышает количество двуоки­си азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чис­том воздухе над поверхностью океана часть окиси азота со­ставляет всего несколько процентов от двуокиси азота. Соот­ношение этих газов, впрочем, может меняться вследствие фо­тодиссоциации двуокиси азота:

(двуокись азота+ квант света --- окись азота+ атом кислорода),

Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кис­лота, образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота нейтрализуется, то образуется азот­нокислая соль, которая обычно присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, кото­рые получаются в результате взаимодействий аммиака с ка­кой-либо кислотой.

Источники соединений азота.

Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмот­рим наиболее важные естественные источники.

Естественные и антропогенные источники соединений азота, содержащихся в атмосфере.

Почвенная эмиссия оксидов азота. В про­цессе 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 в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плаз­мы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Об­щее количество образовавшихся таким способом оксидов азо­та составляет 8 млн т в год.

Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью по­лучения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате воз­никновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кро­ме того, оксиды азота образуются в результате горения имею­щихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным ис­точником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на огра­ниченных территориях Земли.

Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кис­лотных осадков.

Атмосферный аммиак.

Аммиак, имеющий в водном рас­творе щелочную реакцию, играет значительную роль в регу­лировании кислотных дождей, так как он может нейтрализо­вать атмосферные кислотные соединения с помощью следую­щих реакций:

(аммиак+ серная кислота - гидросульфат аммония);

(аммиак+ гидросульфат аммония = сульфат аммония);

(аммиак+ азотная кислота - нитрат аммония).

Таким образом, эти химические реакции ведут к образо­ванию сульфата и нитрата аммония.

Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разру­шаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий, приводящая в конечном счете к образо­ванию аммиака, зависит в первую очередь 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 территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются ней­трализации и, таким образом, возрастает опасность выпаде­ния кислотного дождя.

В процессе распада мочи домашних животных высвобож­дается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что, например, в Европе он превыша­ет возможности выделения аммиака почвой. Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость распада ниже. Существенными ис­точниками аммиака могут служить также 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, естественно, не задерживают­ся на одном месте, а распространяются в вертикальном и го­ризонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, ко­торое происходит посредством конвекционных (упорядочен­ных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe состо­яния в данный момент перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали в атмос­фере. Как известно, начиная с поверхности Земли темпера­тура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в среднем на 0, 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от по­верхности это понижение исчезает, более того, двигаясь вы­ше, можно наблюдать потепление. Этот слой, где происходит изменение температуры в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) 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 (молекулярное движение). Последняя представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, 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, которые находятся 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 перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным глазом. На­пример, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, над загряз­ненными местами иногда можно превосходно разглядеть гра­ницу между серым загрязненным нижним и верхним чис­тым слоями воздуха. На этой границе прекращается верти­кальное перемешивание загрязняющих веществ. Этот 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 воздействием так называемой адвекции в направлении скорости ветра при упорядоченном движении воздуха или же 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 помимо скорости ветра и от времени ее пребывания в атмосфере. Все 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 осадка. Это выделение веществ на поверхность представляет собой седиментацию. Время, в течение которого в среднем молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пре­бывания. Обычно чем короче время пребывания заданного ве­щества в атмосфере, тем выше его способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от мес­та и времени измерения, так как атмосферное (тропосферное) время


29-04-2015, 02:10