ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
КИСЛОТНЫХ ДОЖДЕЙ
Введение.
Человек всегда
использовал окружающую среду
в основном как источник ресурсов,
однако в течение очень длительного
времени его деятельность не
оказывала заметного влияния
на биосферу. Лишь в конце прошлого
столетия изменения биосферы
под влиянием хозяйственной деятельности
обратили на себя внимание
ученых. В первой половине нынешнего
века эти изменения нарастали
и в настоящее время лавиной
обрушились на человеческую цивилизацию.
Стремясь к улучшению условий
своей жизни, человек постоянно
наращивает темпы материального
производства, не задумываясь о
последствиях. При таком подходе
большая часть взятых от природы
ресурсов возвращается ей в
виде отходов, часто ядовитых
или непригодных для утилизации.
Это создает угрозу и существованию
биосферы, и самого человека.
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.
Определение темы
исследования.
Термином "кислотные
дожди" называют все виды
метеорологических осадков - дождь,
снег, град, туман, дождь со снегом,
- рН которых меньше, чем среднее
значение рН дождевой воды (средний
рН для дождевой воды равняется
5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой
деятельности двуокись серы (SO 2 )
и окислы азота (NО x ) трансформируются
в атмосфере земли в кислотообразующие
частицы. Эти частицы вступают
в реакцию с водой атмосферы,
превращая ее в растворы кислот,
которые и понижают рН дождевой
воды. Впервые термин «кислотный
дождь» был введен в 1872 году
английским исследователем Ангусом
Смитом. Его внимание привлек
викторианский смог в Манчестере.
И хотя ученые того времени
отвергли теорию о существовании
кислотных дождей, сегодня уже
никто не сомневается, что кислотные
дожди являются одной из причин
гибели жизни в водоемах, лесов,
урожаев, и растительности. Кроме
того кислотные дожди разрушают
здания и памятники культуры,
трубопроводы, приводят в негодность
автомобили, понижают плодородие
почв 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
двуокись углерода (СО 2 ), вступают
в реакцию с дождевой водой.
При этом образуется слабая
угольная кислота (CO 2 + H 2 O —> H 2
CO 3 ). Тогда как в идеале рН дождевой воды
равняется 5.6-5.7, в реальной жизни показатель
кислотности (рН) 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.
Кислотный дождь
образуется в результате реакции
между водой и такими загрязняющими
веществами, как оксид серы (SO 2 ) и
различными оксидами азота (NO
х ). Эти вещества выбрасываются
в атмосферу автомобильным транспортом,
в результате деятельности металлургических
предприятий и электростанций, а
также при сжигании угля и
древесины. Вступая в реакцию
с водой атмосферы, они превращаются
в растворы кислот - серной, сернистой,
азотистой и азотной. Затем,
вместе со снегом или дождем,
они выпадают на землю.
Последствия выпадения
кислотных дождей наблюдаются
в США, Германии, Чехии, Словакии,
Нидерландах, Швейцарии, Австралии,
республиках бывшей Югославии
и еще во многих странах
земного шара.
Кислотный дождь
оказывает отрицательное воздействие
на водоемы - озера, реки, заливы,
пруды - повышая их кислотность
до такого уровня, что в них
погибает флора и фауна. Водяные
растения лучше всего растут
в воде со значениями рН
между 7 и 9.2. С увеличением кислотности
(показатели рН удаляются влево
от точки отсчета 7) водяные
растения начинают погибать, лишая
других животных водоема пищи.
При кислотности рН 6 погибают
пресноводные креветки. Когда кислотность
повышается до рН 5.5, погибают
донные бактерии, которые разлагают
органические вещества и листья,
и органический мусор начинает
скапливаться на дне. Затем
гибнет планктон - крошечное животное,
которое составляет основу пищевой
цепи водоема и питается веществами,
образующимися при разложении
бактериями органических веществ.
Когда кислотность достигает
рН 4.5, погибает вся рыба, большинство
лягушек и насекомых
Кислотный дождь
наносит вред не только водной
флоре и фауне. Он также уничтожает
растительность на суше. Ученые
считают, что хотя до сегодняшнего
дня механизм до конца еще
не изучен, сложная смесь загрязняющих
веществ, включающая кислотные
осадки, озон, и тяжелые металлы
в совокупности приводят к
деградации лесов.
Выделение блоков
модели.
Имитационная
модель возникновения кислотных
дождей в атмосфере описывает
различные источники выбросов
соединений серы и азота в
атмосферу, химические реакции,
в результате которых в атмосфере
образуются серная и азотная
кислоты и влияние кислотных
осадков на природные экосистемы
и человека. Также рассматривается
ряд мероприятий по снижению
образования кислотных дождей
в атмосфере.
На входе модели
рассматриваются различные источники
поступления окислов серы и
азоты. Эти источники могут
иметь как природное так и
антропогенное происхождение. Вклад
антропогенных источников в образование
кислотных дождей во много
раз превышает вклад природных
источников. Поэтому необходимо
применение мер по снижению
именно антропогенных выбросов
окислов серы и азота в атмосферу.
2.1. Поступление в
атмосферу соединений серы.
2.1.1 Виды соединений
серы.
К наиболее
важным соединениям серы, находящимся
в атмосфере, относятся двуокись
серы (оксид серы (IV)), оксисульфид
(сероокись углерода), сероуглерод,
сероводород и диметилсульфид. Послед¬ние
четыре соединения вследствие
сильного окислительного действия
атмосферы легко превращаются
в двуокись серы или в серную
кислоту (сульфаты). Под влиянием
деятельно¬сти человека более
всего изменяется содержание
двуокиси се¬ры
В сильно загрязненных
районах уровень двуокиси серы
может в 1000 и даже в десятки
тысяч раз превысить естест¬венную
границу значений на суше и
в океане. Концентрация других
соединений серы, обычно образующихся
из естествен¬ных источников, более
или менее одинакова вблизи
поверх¬ности 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.
2.1.2 Источники соединений
серы.
Соединения серы,
как мы уже упоминалось, частично
попадают в атмосферу естествен¬ным
путем, а частично антропогенным.
Поверхность суши, как и поверхность
океанов и морей, играет роль
естественно¬го 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
анаэ¬робные бактерии извлекают
из сульфатов, растворенных в
ес¬тественных водах, кислород, в
результате чего образуются сернистые
газообразные соединения
Из указанных
веществ сначала в атмосфере
был обнару¬жен сероводород, а
затем с развитием измерительных
прибо¬ров и способов отбора
проб воздуха удалось выделить
ряд ор¬ганических газообразных
соединений серы. Наиболее важны¬ми
источниками этих газов являются
болота, зоны приливов и отливов
у береговой линии морей, устья
рек и некоторые почвы, содержащие
большое количество органических
ве¬ществ.
Поверхность моря
также может содержать значительные
количества сероводорода. В его
возникновении принимают участие
морские водо¬росли. Можно предположить,
что выделение серы биологиче¬ским
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 со¬единения поступают
главным образом в нижний слой
- тро¬посферу, а при отдельных,
большой силы извержениях на¬блюдается
увеличение концентрации соединений
серы и в бо¬лее 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.
В результате
деятельности человека в атмосферу
попада¬ют 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 выбро¬сов.
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 так¬же
отдельные отрасли промышленности,
главным образом металлургическая,
а также предприятия по производству
сер¬ной кислоты и переработке
нефти. На транспорте загрязне¬ние
соединениями серы относительно
незначительно, там в первую
очередь необходимо считаться
с оксидами азота.
Таким образом,
ежегодно в результате деятельности
чело¬века в атмосферу попадает
60-70 млн т. серы в виде двуокиси
серы. Сравнение естественных и
антропогенных выбросов сое¬динений
серы показывает, что человек
загрязняет атмосферу газообразными
соединениями серы в 3-4 раза
боль¬ше, чем это происходит
в природе. К тому же эти
соедине¬ния концентрируются в
районах с развитой промышленно¬стью,
где антропогенные выбросы в
несколько раз превыша¬ют естественные,
т. е. главным образом в Европе
и Северной Америке.
Примерно половина
выбросов, связанных с деятельностью
человека (30-40 млн т), приходится на
Европу.
2.2 Поступления в
атмосферу соединений азота.
2.2.1 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 азо¬тистую
кислоту.
Окись азота
под действием окислителей (например,
озона) или различных свободных
радикалов преобразуется в дву¬окись
азота:
(окись азота +
радикал пероксида водорода = двуокись
азота + радикал гидроксила);
(окись азота +
озон = двуокись азота + молекулярный
кислород).
Итак, можно предположить,
что окисью азота можно пре¬небречь
вследствие указанных окислительных
процессов. Од¬нако это не совсем
так, что объясняется двумя
причинами. Первая заключается
в том, что выброс оксидов
азота в значи¬тельной степени
происходит в форме окиси азота,
и требуется время, чтобы полностью
превратилась в . С другой стороны,
в непосредственной близости
от источников загряз¬нения количество
окиси азота превышает количество
двуоки¬си азота. Это соотношение
увеличивается в сторону двуокиси
азота по мере приближения
к территориям, непосредственно
не подверженным загрязнению.
Например, в безусловно чис¬том
воздухе над поверхностью океана
часть окиси азота со¬ставляет
всего несколько процентов от
двуокиси азота. Соот¬ношение
этих газов, впрочем, может
меняться вследствие фо¬тодиссоциации
двуокиси азота: