Влияние кислотных осадков на биосферу Земли

это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты дейст­вуют совместно. На значительных территориях при повыше­нии определенных значений кислотности осадков поверхност­ные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способ­ность нейтрализовать кислоты, то значение рН может сни­зиться на 1, 5, а в крайних случаях — даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под дейст­вием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смывае­мых с территории водного бассейна.

Изменение рН воды од­ного из шведских озер. Начиная 60-x годов, кислотность увеличилась почти в 100 раз, т.е. значение рН уменьшилось на 2 (по Ренбергу и Хедбергу)

Особенно интенсивно происходит закисление озер в Скан­динавских странах и в Канаде. Большинство скандинавских озер имеют гранитное или бедное известняками ложе. Такие озера обладают гораздо меньшей способностью к нейтрализации кислот, чем озера, расположенные на терри­ториях, богатых известняком. Это связано с тем, что из изве­стняковых почв выделяется ион гидрокарбоната, который обеспечивает щелочную среду и, следовательно, способность к нейтрализации кислот. Такая же ситуация сложилась и у большинства озер в Венгрии. Например, рН воды в оз. Бала-тон больше 8. Поскольку в химии атмосферы для нейтраль­ной среды принято значение рН = 5, 6, то воду этого озера следует отнести к щелочной.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз.

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способ­ности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.

2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение рН тогда падает ниже 5, 5. Наибо­лее чувствительные виды живых организмов начинают поги­бать уже при рН = 6, 5 (рис. 25).

3. При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и жи­вотный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают гибнуть уже при зачениях рН < 6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни (по данным SNV).

Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кад­мий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тя­желые металлы. Количество растительных питательных ве­ществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нераст­воримый фосфат алюминия:

,

который осаждается в форме донного осадка. Гибель водных живых сообществ может приводить к за-кислению и выделению тяжелых металлов, а также к нару­шению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций или гибелью рыб,

Чувствительность водных организмов к снижению рН в пре­сных водах.

земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества прочих живых организмов. Можно заметить характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близ­кий состав питательных веществ и ионов, но различную кис­лотность. До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотно­сти, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пище­вую цепочку. Наибольших масштабов достигло закисление озер и рек в Швеции, Норвегии, США, Канаде, но этот про­цесс уже начал распространяться в Дании, Бельгии, Голлан­дии, ФРГ, ГДР, Шотландии и Югославии.

Изучение 5000 озер южной Норвегии показало, что в 1750 из них исчезли популяции рыб, а 900 другим озерам уг­рожает серьезная опасность. Гибель рыбы из-за постоянного выпадения кислотных осадков продолжается.

В южной и средней Швеции отмечены потери рыбы в 2500 озерах, то же самое предполагается еще в 6500 озерах, где обнаружены признаки закисления. Почти в 18 000 озерах рН воды меньше 5, 5, что неблагоприятно влияет на популя­цию рыб. В Канаде и северной части США существуют ана­логичные проблемы. В Онтарио приблизительно 50 тыс. озер, имеющих гранитное ложе, подвержены относительно сильно­му действию соединений серы. В Квебеке чувствительные к загрязнениям территории распространены еще больше. На ос­новании скандинавского опыта ожидается, что в будущем эти озера начнут закисляться. В северной части США уже подме­чено сокращение популяции лосося приблизительно в 100 озерах. Проблем, связанных с закислением поверхностных вод, в Венгрии, к счастью, не возникает, поскольку в этих водах имеется большое содержание карбонатов и гидрокарбо­натов, которые обеспечивают способность нейтрализовать кислоты. Проведенные в различных водах исследования по нагрузке и расчеты на моделях показывают, что воды вен­герских рек и озер в большинстве своем способны выдержи­вать на протяжении долгого времени даже возросшие нагруз­ки. Исключением являются только некоторые водохранили­ща, вода которых химически нейтральна, а следовательно, способность их к выравниванию кислотности относитель­но мала

Непосредственные (прямые) воздействия. Гибель растений.

Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе некольких десятков километров от их источника. Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в ос­новном на его листьях, и оказывает на него вредное влияние. Двуокись серы, проникая в организм растения, принимает участие в различных окислительных процессах. Эти процессы протекают с участием свободных радикалов, образованных из двуокиси серы в результате химических реакций. Они окисляют нена­сыщенные жирные кислоты мембран, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.).

Непосредственные воздействия на растения могут прини­мать различные формы: 1) генетические изменения; 2) видо­вые изменения; 3)нанесение прямого вреда растительности. Естественно, в зависимости от чувствительности вида и размеров нагрузки масштаб воздействия может простираться от восполнимого (обратимого) ущерба до полной гибели растения.

В первую очередь погибают наиболее чувствительные ви­ды, например, отдельные лишайники, которые могут сохра­ниться только в самой чистой среде, поэтому их считают "ин­дикаторами" чистого воздуха. Обычно в сильнозагрязненных местах образуется "лишайная пустыня". В современном городе она су­ществует уже при средней концентрации двуокиси серы 100 мкг/м". Во внутренних его районах лишайник вообще отсутствует, а на окраинах его можно встретить очень редко. Впрочем, существуют также виды лишайника, хорошо переносящие нагрузки двуокиси серы, поэтому отдельные со­противляющиеся виды иногда занимают место погибших ви­дов лишайника.

Однако кислотные атмосферные соединения, естественно, могут также оказывать прямое вредное воздействие и на рас­тения более высокого класса. Непосредственный вред, прино­симый двуокисью серы, зависит от многих факторов — мест­ного климата, вида деревьев, состояния почвы, способов обра­ботки леса, рН влажных осадков и др. Опасный уровень ат­мосферной двуокиси серы оказался гораздо ниже, чем счита­лось раньше, так как определенные физиологические и био­химические изменения могут происходить без каких-либо признаков гибели. Однако эта опасная граница становится еще ниже при воздействии двуокиси азота, озона, кислотного дождя и т.д.

Роль двуокиси серы в гибели лесов, таким образом, мож­но считать доказанной. Также доказано вредное влияние влажных кислотных осадков на рост деревьев. Однако эти осадки в первую очередь влияют косвенно — через почву и корневую систему. В наибольшей степени непосредственная гибель растений наблюдается в районах с сильнозагрязнен­ным воздухом, например, в Средней Европе. Масштабы гибе­ли растений и повышенные концентрации двуокиси серы в Европе распространены примерно одинаково. Сухие осадки, содержащие двуокись серы, уже атаковали леса Чехослова­кии, Польши и ГДР. Возможно, самый значительный ущерб причинен ФРГ, где треть всех лесов наполовину погибла. Од­нако считается, что на упомянутых территориях гибель леса связана не столько с двуокисью серы, сколько с оксидами азота, которые образуются из выхлопов автомобилей. Оксиды азота под воздействием солнечных лучей выделяют озон. Озон с оксидами азота, а также частично с углеводородами, поступающими в атмосферу не только с выхлопными газами, но и из других источников, образует весьма агрессивное ве­щество PAN (пероксиацетилнитрат).

Трудно решить, кто же несет непосредственную ответст­венность за гибель леса — двуокись серы или оксиды азота. Кажется достаточно вероятным, что вредное воздействие ока­зывают совместно все агрессивные кислотные вещества, за­грязняющие воздух. Многие также придерживаются мнения, что при совместном воздействии вредных веществ влияние каждого из них еще больше усиливается (синергизм).

Прямое разрушение растительности кислотными атмос­ферными веществами происходит и в Венгрии, хотя и в меньших масштабах, чем в Средней Европе. Действие дву­окиси серы в Венгрии имеет широкий диапазон, начиная с трудно контролируемого снижения урожайности и кончая ги­белью растительности.

Здесь, как и в других районах мира, более всего чув­ствительны к прямому загрязнению хвойные деревья, так как хвоя подвержена воздействию загрязняющих веществ на протяжении нескольких лет в отличие от деревьев, сбрасыва­ющих листву. Самые чувствительные породы — это ель, лист­венница и пихта. Однако многие деревья, сбрасывающие лис­тву, также с трудом переносят прямые воздействия вредных веществ (например, бук, граб).

Необходимо подчеркнуть, что упомянутая здесь непосред­ственная гибель растений и косвенные воздействия на них не могут быть отделены друг от друга, так как обычно эти про­цессы происходят одновременно, и в зависимости от обстоя­тельств доминирует какой-либо из них. В любом случае, есте­ственно, вредные воздействия дополняют и усиливают друг друга.

Следует упомянуть, что наряду с так называемыми небио­тическими воздействиями гибели леса содействуют и биотиче­ские факторы. К ним относятся, например, некоторые грибы и насекомые (гриб Ceratocystis, лист Ожорка). Иногда вред­ное влияние приписывают только биотическим факторам, иногда, наоборот, только небиотическим. Наиболее вероят­ным кажется мнение, согласно которому небиотические фак­торы, т.е. факторы окружающей среды, ослабляют растения, которые в меньшей степени могут сопротивляться биотиче­скими воздействиям, и, таким образом, эти воздействия про­являются совместно.

Прямые воздействия на человека.

Естественно, атмосфер­ные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества (двуокись серы, двуокись азота, кислотные аэрозольные частицы) при дыхании.

Уже давно установлено, что существует тесная зависи­мость между уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации около 1 мг/м³ возрастает число смертельных случа­ев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Статистиче­ские данные показали, что такое серьезное заболевание, как ложный круп, требующее моментального вмешательства вра­ча и распространенное среди детей, возникает по этой же причине. То же самое можно сказать и о ранней смертности новорожденных в Европе и Северной Америке, которая еже­годно исчисляется несколькими десятками тысяч.

Кроме оксидов серы и азота опасны для здоровья челове­ка также аэрозольные частицы кислотного характера, содер­жащие сульфаты или серную кислоту. Степень их опасности зависит от размеров. Так, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а мелкие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или частицы сульфатов могут проникать в самые дальние участки легких.

Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значе­ние, ниже которого даже у самых чувствительных людей не обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы. Напри­мер, для двуокиси серы среднесуточная пороговая концентра­ция для здоровых людей составляет приблизительно 400 мкг/м³ .

В настоящее время норма для состава воз­духа на незащищенных территориях почти соответствует это­му значению.

На защищенных территориях нормативы, естественно, строже. В то же время ожидается, что в недалеком будущем установят еще более низкие нормативные значения. Однако опасная концентрация может оказаться еще ниже, если раз­личные кислотные загрязняющие вещества будут усиливать воздействие друг друга, т.е. проявится уже упомянутый сине-ргизм. Также установлена зависимость между за­грязнением двуокисью серы и различными заболеваниями дыхательных путей (грипп, ангина, бронхит и т.д.). На от­дельных загрязненных территориях число заболева­ний было в несколько раз больше, чем на контрольных тер­риториях.

Помимо первичного прямого воздействия, на человека косвенно влияет и закисление окружающей среды. В предыдущих главах мы видели, что косвенные воздействия в первую очередь оказывают ядовитые металлы (алюминий, тяжелые металлы). Эти металлы легко могут попасть в пище­вую цепочку, в конце которой стоит человек. Проведенные в Венгрии обследования показали, что содержание цинка в свинине и говядине, а также в мясных продуктах довольно часто превышает допустимый уровень(10%). Кадмий также встречается в говядине в концентрациях, превышающих до­пустимые. Медь и ртуть в безопасных концентрациях обнару­жены главным образом в мясе птицы.

Кислотный дождь может также причинять вред метал­лам, различным зданиям и памятникам. В первую оче­редь подвержены опасности памятники, построенные из пес­чаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры. В Италии, Греции и других странах сохранявшиеся на протяжении сотен и тысяч лет памятники старины и различ­ные предметы за последние десятилетия сильно разрушились в результате действия выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ.

Способы защиты от кислотных дождей.

Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть раз­личными.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в ат­мосферу — удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения и другие технологические решения.

Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содер­жанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время ми­ровых запасов нефти только 20% имеют содержание серы ме­нее 0, 5%. Среднее содержание серы в используе­мой нефти увеличивается, так как нефть с низким со­держанием серы добывается ускоренными темпами.

Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержа­нием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей уг­ля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1, 0%.

Таким образом, энергоносители с низким содержанием се­ры у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее уда­ления.

Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (ма­зут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута — процесс очень сложный, а в результате удается ос­вободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капиталь­ных вложений.

Сера в угле находится частично в неорганической, а час­тично в органической форме. Во время очистки, когда удаля­ют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие сое­динения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо до­роже предыдущего.

Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представ­ляет собой достаточно сложный и малораспространенный про­цесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, да­же после очистки энергоносителей в них остается приблизи­тельно половина первичного содержания серы. Поэтому очи­стка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

Применение высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается в следующем. Перемеши­вание загрязняющих веществ в значительной степени зави­сит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближай­шем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота бу­дет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воз­действия уменьшаются, но возрастает эффективность переме­шивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся во время горения топлива химического состава атмосферы, изменение кли­мата). Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязне­ния воздуха, зато в значительной степени увеличивает "экс­порт" кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воз­действия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются. Строитель­ство высоких труб в известной степени безнравственно, по­скольку страна, где происходят сильные выбросы загрязне­ний, переадресовывает часть кислотных осадков вместе с их неблагоприятными последствиями в другие страны.

Технологические изменения.

Известно, что в процессе


29-04-2015, 02:10