Влияние кислотных осадков на биосферу Земли

ее пребывания составляет около 25 лет. Концентрация же двуокиси азота может в несколько раз изменяться в зави­симости от места и времени. Время ее пребывания составляет лишь 8-10 сут, а для серы оно еще короче — около 2 сут. Это, естественно, не означает, что каждая молекула двуокиси се­ры точно через 2 сут исчезает из атмосферы, так как время жизни каждой молекулы статистически колеблется вокруг среднего значения.

Что означают для двуокиси серы эти двое суток времени пребывания? На какое расстояние в среднем она может рас­пространиться с помощью ветра? Возьмем скорость ветра 10 м/с, которая довольно часто бывает на высоте 1 км от повер­хности Земли. Легко можно подсчитать, что одна "средняя" молекула двуокиси серы на "крыльях ветра" может удалить­ся примерно на 2000 км от места выброса. Если же мы при­мем 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 двуокиси серы в среднем может по­крыть расстояние 1000 км. Для двуокиси азота это расстоя­ние из-за более продолжительного времени пребывания мо­жет быть еще больше.

Распространение загрязняющих веществ в таких масшта­бах создало много международных проблем. Поскольку за­грязнение воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном государстве может загрязнить воздух друго­го. Например, существует тесная связь между образованием кислотных дождей в Скандинавских странах и эмиссией дву­окисей серы и азота в Средней и Западной Европе. Европей­ская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) в рамках "Совмест­ной программы наблюдения и оценки распространения за­грязняющих воздух веществ на большие расстояния в Евро­пе" (ЕМЕП) подсчитала, в какой степени то или иное ев­ропейское государство несет ответственность, например, за выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах. Необходимо принять во внимание также количества загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и посту­пают туда из других стран. Это можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в какой-либо стране выброс загрязняющего вещества (например, дву­окиси серы или окиси азота) на ее территории превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то ба­ланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрица­тельный баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.

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

Таким образом, мы схематично ознакомились с верти­кальным перемешиванием (конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих веществ. Однако их только теоретически можно отделить друг от друга, в дей­ствительности оба эти процесса идут параллельно. Для мате­матического описания (моделирования) распространения за­грязняющих веществ необходимо также 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.

Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.

Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут параллельно их распространению. Очень часто загрязняющие вещества, испытав частичное или полное химическое превращение, выпадают в осадок, изменив таким образом свое агрегатное состояние.

Рассмотрим подробнее химические реакции и фазовые изменения, происходящие с атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).

Химические превращения соединений серы:

Сера входит в состав в неполностью окисленной форме (степень окисления ее равна 4). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

Рассмотрим в первую очередь наиболее значительное с точки зрения кислотных дождей вещество¾ двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной.

Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

.

В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Звездочка означает активированное состояние. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом:

(активированная молекула двуокиси + молекулярный кислород свободный радикал)

(свободный радикал + молекулярный кислород трехокись серы + озон)

Образовавшаяся трехокись серы, взаимодействуя с атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому при обычных атмосферных условиях трехокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также с образованием трехокиси серы:

(двуокись серы + атомарный кислород трехокись серы)

Эта реакция протекает в тех средах, где имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием света выделяет атомарный кислород.

В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы превращения двуокиси серы в атмосфере не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов. Свободные радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционноспособностью. Одна из таких реакций протекает следующим образом:

(двуокись серы +радикал гидроксила свободный радикал)

(свободный радикал + радикал гидроксила серная кислота)

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

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной среде. Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая происходит не в газовой фазе, ав каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере.

Кроме двуокиси серы в атмосфере можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые в конечном счете окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалыи атомы. Конечные продукты играют определенную роль в анторпогенной кислотной седиментации.

Химические превращения соединений азота:

Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота , котрая при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота. Последняя в результате реакции с радикалом гидроксида превращается в азотную кислоту:

(двуокись азота + радикал гидроксила азотная кислота).

Полученная таким образом азотная кислота может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Другими словами, азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной кислоты могут быть поглощены капельками облаков, осадков или частицами аэрозоля.

Кислотная седиментация (кислотные дожди).

Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь¾ вымывание осадков или влажная седиментация. Второй путь¾ выпадение осадков или сухая седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной седиментацией.

Вымывание кислотных веществ из атмосферы.

Вымывание происходит во время образования облаков и осадков. Одним из условий образования облаков является перенасыщенность. Это означает, что воздух содержит больше водяного пара, чем он может принять при заданной температуре, сохраняя равновесие. При понижении температуры способность воздуха накапливать воду в виде пара уменьшается. Тогда начинается конденсация водяного пара, которая происходит до тех пор, пока не прекратится перенасыщенность. Однако при обычных атмосферных условиях водяной пар способен конденсироваться только при относительной влажности 400-500%. Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100,5%. При такой перенасыщенности капельки облаков могут возникать только на частицах аэрозоля¾ так называемых конденсационных ядрах. Этими ядрами часто являются хорошо растворимые в воде соединения серы и азота.

После начала образования 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 безгранично увеличиваться. Возникающая под действием гравитации седиментация, которая растет с увеличением размера капель, рано или поздно приводит к выпадению капель облаков с высоты нескольких сотен или тысяч метров. Во время выпадения эти капли промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью земли. В это время поглощаются новые молекулы газа и новые аэрозольные частицы захватываются падающей каплей. Таким образом, достигающая поверхности земли вода вопреки всеобщему мнению никоим образом не является дистиллированной водой. Более того, во многих случаях растворенные в воде осадков вещества могут служить важным и иногда даже единственным источником восстановления запасов этих веществ в различных сферах.

Сухие осадки.

Хотя эта форма седиментации существенно отличается от влажной седиментации, конечный результат их действительно идентичен¾ попадание кислотных атмосферных микроэлементов, соединений серы и азота на поверхность Земли. Известно достаточно много разнообразных кислотных микроэлементов, однако содержание большинства из них настолько мало, что их роль в кислотной седиментаци можно не принимать во внимание.

Эти кислотные вещества могут выпадать на поверхность двумя способами. Один из них¾ турбулентная диффузия, под действием которой в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии. Турбулентное диффузионное движение в первую очередь возникает из-за того, что движение струящегося воздуха над почвой и другой поверхностью является неравномерным вследствие трения. Обычно в вертикальном от поверхности направлении ощущается увеличение скорости ветра и горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность. Таким путем компоненты воздуха достигают Земли, и наиболее активные кислотные вещества легко взаимодействуют с поверхностью.

Влияние кислотных осадков на биосферу.

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

Влияние кислотности в первую очередь сказывается на со­стоянии пресных вод и лесов. Обычно воздействия на сообще­ства бывают косвенными, т.е. опасность представляют не са­ми кислотные осадки, а протекающие под их влиянием про­цессы (например, высвобождение алюминия). В определен­ных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости от кис­лотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения рН изменяется их раствори­мость. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсич­ные металлы. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений (например, отдельных деревьев). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источ­ника загрязнения.

Косвенные воздействия.

Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем; через почву и корневую систему, либо непосредствен­но (главным образом на листву). Подкисление почвы опреде­ляется различными факторами. В отличие от вод почва обла­дает способностью к выравниванию кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению кис­лотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наря­ду с естественными процессами на почвы в лесах и на паш­нях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая стабильность, способность к выравниванию, склонность почв к закислению изменчивы и зависят от каче­ства подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от наличия поблизости значительного источника загрязнений (рис. 23). Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности за­висит от химических и физических свойств подстилающих слоев.

Косвенные воздействия проявляются по-разному. Напри­мер, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву пита­тельными веществами. Однако в результате постоянного по­требления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы.

Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака, чем вода осадков, что приводит к увели­чению кислотности почвы. В результате этого возрастают по­тери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев.

Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего проис­ходят либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями рН.

Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит от рН. Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что алюми­ний, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живу­щих в почве организмов. Во многих почвах, например, в се­верных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, од­нако при выпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций в почвенных водах настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создает­ся опасность для существования деревьев.

Происходящие в составе почвы изменения могут преобра­зовать состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым повлиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление.

Так, например, гибель лесов в Средней и Запад­ной Европе произошла главным образом под влиянием кос­венных воздействий. Почти полностью погибли леса на площа­ди в несколько сотен тысяч гектаров.

В Венгрии, согласно исследованиям экологов, погибло бо­лее 10% дубов в северном горном массиве. Большей частью это происходит из-за извлечения тяжелых металлов в результате закисления лес­ных почв. Алюминий и различные тяжелые металлы непос­редственно воздействуют на живые существа, но могут также изменить структуру почвы и ее способность обеспечивать пи­тательными веществами.

Вероятной причиной омертвения дубов является разруше­ние прикрепляющихся к корневой системе грибов Mikorrhiza. Эти грибы находятся в симбиозной связи с отдельными вы­сшими растениями (например, с дубом); присоединяясь к разветвленной корневой системе, они в несколько раз увели­чивают ее способность впитывать питательные вещества. Для грибов Mikorrhiza характерна очень большая чувствитель­ность к кислотности. Тенденция к их сокращению и гибели в последние годы находится в непосредственной связи с выми­ранием дубов. Аналогичная ситуация сложилась с очень ре­дким, находящимся под охраной растением, — орхидеей. Со­гласно исследованиям венгерских экологов, они в определен­ных местах полностью исчезли или значительно поредели.

Дальнейшую озабоченность вызывает то, что в результате гибели наиболее чувствительных к закислению существ (мик­роорганизмы почвы, грибы, дубы) в структуре материального и энергетического баланса живых сообществ могут произойти неблагоприятные изменения, и в конечном итоге сам человек также пострадает из-за происходящих при этом необратимых процессов.

Обрабатываемые земли (пашни) находятся в несколько ином положении по сравнению с естественными лесными сис­темами. Причиной повышения кислотности обрабатываемых земель в первую очередь является широкое применение мине­ральных удобрений. Например, суперфосфаты содержат не­сколько процентов свободной серной кислоты. Азотистые удобрения содержат значительные количества нитратов и сое­динений аммония.

Способность почв к закислению в различных частях Земли .

1-высокая; 2-выше средней; 3-средняя; 4-низкая.

Растения, принимая ион аммония, отдают соответствую­щее количество ионов водорода в почву, что также ведет к ее закислению. Согласно наблюдениям в Венгрии обрабатываемые земли испытывают стремитель­ное закисление. Частично это объясняется тем, что при убор­ке растений происходит перенос вещества производительного слоя, из-за чего снижается щелочная среда почвы. Главной же причиной является внесение

минеральных удобрений. Для нейтрализации их воздействия на 1 га нужно внести 300-400 кг карбоната кальция в год, в то время как для ней­трализации воздействия кислотных осадков достаточно около 10 кг карбоната кальция. Таким образом, на интенсивно удобренных территориях кислотные осадки играют только второстепенную роль в закислении почв. Согласно мнению отдельных специалистов, из-за внесения удобрений в Венг­рии может начаться закисление почвы в катастрофических размерах. Этого можно избежать только регулярным извест­кованием почвы, а также путем исключения использования аммонийсодержащих минеральных удобрений.

Закисление пресных вод. /Собственно говоря, закисление прёсных вод -


29-04-2015, 02:10