Кислотные дожди — одна из главных угроз современности, возникшая в результате хозяйственной деятельности человека.

Эту тему мы уже затрагивали в нашем материале — КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ — ВРАГ ВСЕМУ ЖИВОМУ. В данном же материале мы приведем несколько точных определений, даваемых этому явлению в уважаемых словарях и энциклопедиях.

Кислотные дожди — это …

Словарь СТРАНЫ МИРА

Кислотные дожди (acid rain), термин, используемый для описания осаждения химических загрязнителей в виде как твердых частиц, так и кислотных дождя, града, снега или тумана. Автомобили, процессы промышленного производства, сжигание ископаемого топлива на энергетических станциях создают загрязнение главным образом в форме выброса двуокиси серы, окиси азота и углеводородов, которые реагируют с водой и солнечным светом, образуя при этом слабую серную или азотную кислоту, соли аммония, а также другие минеральные кислоты. Все это осаждается на землю, часто на большом расстоянии от источника выброса, являясь причиной коррозии, гибели деревьев, нежелательного подкисления воды и почвы, а потому и угрозой для здоровья людей. Степень кислотности обычно измеряют по шкале pH, логарифмической системе измерения концентрации ионов водорода. Амплитуда значений – от 0 (максимальная кислотность) до 14 (максимальная щелочность). Значение pH = 5, 6 соответствует чистой воде.

Страны мира. Словарь. 1998

Народы и культуры. Оксфордская иллюстрированная энциклопедия

Кислотные дожди (acid rain), химическое загрязнение водных ресурсов, флоры и фауны, вызванное эмиссией отработанных газов в результатете сжигания ископаемых видов топлива. Кислотность дождя, снега и тумана увеличивается в связи с абсорбацией отработанных газов, преимущ. оксидов серы и азота, выделяемых электростанциями, заводами и автомобильным транспортом. К. д. наносят ущерб здоровью людей, вызывая бронхиальные заболевания, разрушают здания из известняка, повышают кислотность озер и рек, гибельную для рыбы, животных, растительного покрова и лесов. Кислотные воды опасны еще и тем, что содержат вредные металлы, например, кадмий и ртуть, которые обычно удерживаются в почве. Впервые тревогу относительно воздействия К. д. забили в Швеции в 1960-х гг.; от них, безусловно, пострадала значит, часть лесных массивов Европы, гл.об. Центр., а также С., В. и С.-В. США и Японии. В 1984 г. мн. страны подписали протокол к Женевской конвенции о контроле за загрязнением воздуха (1979), согласившись понизить выбросы серы, хотя самые злостные загрязнители воздуха - Великобритания, США, Польша и Испания - свои подписи на этом документе не поставили. Для существенного сокращения выбросов серы необходима реконструкция или закрытие работающих на угле электростанций. Снижение уровней оксида азота может быть достигнуто за счет уменьшения срока использования и сокращения оборотов двигателей легковых автомобилей и грузовиков, а также оснащения их каталитическими нейтрализаторами, удаляющими большую часть этого газа (и углеводорода, способствующего образованию к-т) из автомобильных выхлопов; с 1992 г. установка каталитических нейтрализаторов обязательна в странах Европы; в США они широко используются для контроля за загрязнением воздуха с 1970-х гг.

Народы и культуры. Оксфордская иллюстрированная энциклопедия. - М.: Инфра-М. Под редакцией Р. Хоггарта. 2002

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ (кислые дожди), характеризуются повышенным содержанием кислот (в основном серной); водородный показатель pH<4,5. Образуются при взаимодействии атмосферной влаги с транспортно-промышленными выбросами (главным образом серы диоксид, а также азота оксиды и др.). Вредно действуют на здоровье людей, растительный и животный мир, сооружения и конструкции; закисляют почвы и водоемы. Распространены в промышленных районах США, стран Западной Европы, России и др. Кислотные загрязнения могут содержаться в других атмосферных осадках (снег, град и т.п.).

Современная энциклопедия. 2000

Экологический словарь

Кислотные дожди — дожди, вызванные загрязнением атмосферы двуокисью серы (SО 2). Оказывают биоцидное действие, в частности, гибель рыбы (напр., в водоемах Скандинавии из-за переноса газовых выбросов в промышленных городах Англии).

Экологический словарь. - Алма-Ата: «Наука». Б.А. Быков. 1983

География. Современная иллюстрированная энциклопедия

Кислотные дожди — один из видов интенсивного загрязнения окружающей среды, представляющий собой выпадение с дождём капель серной и азотной кислот, возникающих при реагировании оксидов серы и азота, выбрасываемых в воздух промышленными предприятиями и транспортом, с водяными каплями в атмосфере. Капли кислоты могут переноситься воздушными течениями на большие расстояния, прежде чем выпасть с кислотным дождём. Кислотные дожди приносят большой ущерб лесам, водоёмам, посевам, постройкам и т. д., а также неблагоприятно сказываются на здоровье людей. Наиболее сильные кислотные дожди выпадают в самых развитых промышленных районах мира и неподалёку от них. В 1984 г. в массиве Шварцвальд (Германия) около половины деревьев в лесах были повреждены кислотными дождями. Также значительные повреждения лесных массивов отмечаются в северо-восточных штатах США и на Востоке Канады. Для преодоления неблагоприятных воздействий кислотных дождей устанавливаются национальные и международные нормы по сокращению выбросов азота и серы в атмосферу.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн. Под редакцией профессора А. П. Горкина. 2006

Как мы видим из вышеприведенных определений, кислотные дожди — это не локальная проблема отдельно взятых промышленных районов нашей планеты. Урон наносимый такими дождями имеет глобальный характер и требует соответствующих глобальных решений. Если быть более точными — активных глобальных решений, поскольку такой урон, зачастую, носит невосполнимый / непоправимый характер.

В норме водородный показатель (рН) атмосферных осадков, выпадающих в твёрдом или жидком состоянии, составляет 5,6–5,7. Будучи слабокислым раствором, такая вода не причиняет вреда окружающей среде.

Другое дело – осадки с повышенной кислотностью. Их образование свидетельствует о высоком уровне загрязнения атмосферы и воды рядом окислов. Они считаются аномальными.

Впервые понятие «кислотные дожди» ввёл шотландский химик Роберт Ангус Смит в 1872 году. Сейчас этим термином принято обозначать любые кислые осадки, будь то туман, снег или град.

Причины образования кислотных дождей

В составе нормальных осадков, помимо воды, присутствует угольная кислота. Она является результатом взаимодействия Н2О с углекислым газом. Распространённые компоненты кислотных осадков – слабые растворы азотной и серной кислоты. Изменение состава в сторону понижения рН происходит вследствие взаимодействия атмосферной влаги с окислами азота и серы. Реже окисление осадков происходит под влиянием фторводорода или хлора. В первом случае в составе дождевой воды присутствует плавиковая кислота, во втором – соляная.

• Природным источником соединениями серы являются вулканы в период активности. Во время извержения выделяется в основном оксид серы, в меньших количествах сероводород и сульфаты.
• Серо- и азотосодержащие вещества попадают в атмосферу при гниении растительных остатков и трупов животных.
• Факторами естественного азотными соединениями являются молнии и грозовые разряды. На них приходится 8 млн тонн кислотообразующих выбросов в год.

Кислотные дожди естественного происхождения – постоянное явление на Венере, так как планета окутана облаками из серной кислоты. Следы ядовитого тумана, разъедающего скалы у кратера Гусева, обнаружены на Марсе. Природные кислотные дожди кардинально меняли облик и доисторической Земли. Так, 252 млн лет назад они стали причиной вымирания 95% биологических видов планеты. В современном же мире главный виновник – человек, а не природа.

Основные антропогенные факторы, вызывающие образование кислотных дождей:

• выбросы предприятий металлургии, машиностроения и энергетики;
• выделение метана при выращивании риса;
• выхлопы автотранспорта;
• использование спреев, содержащих хлороводород;
• сжигание органического топлива (мазута, угля, газа, дров);
• угольная, газовая и нефтяная добыча;
• удобрение почв азотсодержащими препаратами;
• утечка фреона из кондиционеров и холодильников.

Как образуются кислотные осадки?

В 65 случаях из 100 в составе кислотных дождей присутствуют аэрозоли серной и сернистой кислот. Каков механизм формирования таких осадков? Вместе с промышленными выбросами в воздух попадает диоксид серы. Там в ходе фотохимического окисления он частично трансформируется в серный ангидрид, который, в свою очередь, вступив в реакцию с парами воды, превращается в мелкие частицы серной кислоты. Из оставшейся (большей) части диоксида серы образуется сернистая кислота. Постепенно окисляясь от влаги, она становится серной.

В 30% случаев кислотные дожди являются азотными. Осадки, в составе которых преобладают аэрозоли азотистой и азотной кислоты, образуются по такому же принципу, что и серные. Попавшие в атмосферу оксиды азота реагируют с дождевой водой. Образовавшиеся в результате кислоты орошают почву, где распадаются на нитраты и нитриты.

Соляные кислотные дожди – редкость. Например, в США их доля от общего числа аномальных осадков составляет 5%. Источник для формирования таких дождей – хлор. Он попадает в воздух при сжигании отходов или с выбросами химических предприятий. В атмосфере он взаимодействует с метаном. Получившийся в результате хлорводород, реагируя с водой, превращается в соляную кислоту. Кислотный дождь с плавиковой кислотой в составе образуется при растворении в воде фторводорода – вещества, выделяемого предприятиями стекольной и алюминиевой промышленности.

Влияние на людей и экосистемы

Кислотные дожди впервые были зафиксированы учёными в середине прошлого века в Северной Америке и Скандинавии. В конце 70-х годов в местечке Уилинг (США) в течение трёх дней моросило влагой, что была на вкус, как сок лимона. Измерения рН показали: кислотность местных осадков превышает норму в 5 тысяч раз.

По версии Книги рекордов Гиннеса, самый кислый из дождей выпал в 1982 году на американо-канадской границе – в районе Великих озёр. Показатель рН осадков составлял 2,83. Кислотные дожди стали настоящим бедствием для Китая. 80% жидких осадков, выпадающих в Поднебесной, имеют пониженный уровень рН. В 2006 году в стране были зафиксированы рекордно кислые дожди.

Чем опасно такое явление для экосистем? Кислотный дождь негативно влияет, прежде всего, на озёра и реки. Для флоры и фауны водоёмов идеальной является нейтральная среда. Ни щелочная, ни кислая вода не способствуют биоразнообразию. О том, насколько опасны кислотные осадки для жизни в водоёмах, хорошо известно жителям озёрных краёв Шотландии, Канады, США, Скандинавии. Последствиями дождей там стали:

• утрата рыбных ресурсов;
• сокращение популяции птиц и животных, обитающих поблизости;
• интоксикация воды;
• выщелачивание тяжёлых металлов.

Закисление почв осадками приводит к вымыванию питательных веществ и высвобождению ионов токсичных металлов. Как результат, разрушается корневая система растений, а в камбии накапливаются яды. Кислотный дождь, повреждая хвойные иглы и листовую поверхность, нарушает процесс фотосинтеза. Он способствует ослаблению и замедлению роста растений, вызывает их усыхание и гибель, провоцирует болезни у животных. Влажный воздух с частицами серы и сульфатов опасен для людей, страдающих дыхательными и сердечнососудистыми заболеваниями. Он может вызвать обострение астмы, отёк лёгких, повышает смертность от бронхитов.

Кислая дождевая вода разрушает туф, мрамор, мел и известняк. Из стекла и минеральных стройматериалов она выщелачивает как карбонаты, так и силикаты. Ещё быстрее осадки уничтожают металл: железо покрывается ржавчиной, на поверхности бронзы образуется патина. Проект по защите старинных зданий и скульптур от кислотных дождей действует в Афинах, Венеции, Риме. На грани исчезновения оказался «Большой Будда» в китайском Лэшане.

Впервые кислотные дожди, как негативный экологический фактор, стали предметом обсуждения мирового сообщества в 1972 году. Стокгольмская конференция, участниками которой были представители 20 государств, запустила процесс разработки глобального природоохранного проекта. Следующим важным шагом в борьбе с кислотными осадками стало подписание Киотского протокола (1997), рекомендующего ограничить выбросы в атмосферу.

Сейчас в большинстве стран мира действуют национальные экологические проекты, предполагающие разработку правовой базы для защиты окружающей среды, внедрение очистных сооружений на предприятиях (установка воздушных, вакуумных, электрических фильтров). Для нормализации кислотности водоёмов применяют метод известкования.

Кисло́тный дождь - все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - при которых наблюдается понижение pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами, обычно оксидами серы и оксидами азота

Кислотные дожди – один из терминов, который принесла человечеству индустриализация.

Впервые упомянутое в далеком 1872 году, по-настоящему актуальным понятие стало только во второй половине 20 века.

Определенный уровень кислотности имеет любая дождевая вода. Но в нормальном случае этот показатель соответствует нейтральному уровню pH – 5,6-5,7 или несколько выше.

Предпосылки для повышения кислотности атмосферной воды возникают, когда промышленные предприятия выбрасывают большие объемы оксидов серы и оксидов азота. Наиболее характерные источники таких загрязнений – это выхлопные газы автомобилей, металлургическое производство и тепловые электростанции (ТЭЦ). К сожалению, современный уровень развития технологий очистки не позволяет отфильтровывать соединения азота и серы, который возникают в результате сгорания угля, торфа, других видов сырья, что используются в промышленности.

Последствия кислотных дождей

1 Кислотные дожди заметно повышают кислотность озер, прудов, водохранилищ, в результате чего там постепенно вымирает их естественная флора и фауна. В результате изменения экосистемы водоемов, происходит их заболачивание, засорение, повышенная илистость. Кроме того, в результате таких процессов вода становится непригодной для использования человеком. В ней повышается содержание солей тяжелых металлов и различных токсичных соединений, которые в нормальной ситуации поглощаются микрофлорой водоема.

2 Кислотные дожди приводят к деградации лесов, вымиранию растений. Особенно страдают хвойные деревья, так как медленное обновление листвы не дает им возможности самостоятельно устранять последствия кислотных дождей. Очень подвержены таким осадкам и молодые леса, качество которых стремительно падает. При постоянном воздействии воды с повышенной кислотностью, деревья погибают.

3 В США и Европе кислотные дожди – одна из распространенных причин плохих урожаев, вымирания сельскохозяйственных культур на огромных площадях. При этом причина такого ущерба кроется как в прямом воздействии, которое оказывают кислотные дожди на растения, так и в нарушениях минерализации почвы.

4 Кислотные дожди наносят непоправимый ущерб памятникам архитектуры, здания, сооружениям. Действие таких осадков вызывает ускоренную коррозию металлов, выход из строя механизмов.

5 При текущей кислотности, которую имеют кислотные дожди, в некоторых случаях они могут наносить прямой вред человеку и животных. Прежде всего, люди в зонах повышенной опасности страдают от заболеваний верхних дыхательных путей. Впрочем, не так далек тот день, когда насыщенность вредных веществ в атмосфере достигнет уровня, при котором в виде осадков будет выпадать серная и нитратная кислота достаточно высокой концентрации. В такой ситуации угроза здоровью человека окажется уже значительно более высокой.

Бороться с самими осадками практически невозможно. Выпадая на огромных территориях, кислотные дожди наносят значительный ущерб, и конструктивного решения этой проблемы нет.

Другое дело, что в случае с кислотными дождями критически необходимо бороться не с последствиями, а с причинами такого явления. Поиск альтернативных источников добычи энергии, экологически безопасный автотранспорт, новые технологии производства и технологии очистки выбросов в атмосферу – неполный список того, чем обязано озаботиться человечество, чтоб последствия не приобрели катастрофический характер.

КОНКУРС «Я ИДУ НА УРОК»

Кислотные дожди

10–11 классы с углубленным изучением экологии

Цели.

• Раскрыть причины и механизм образования кислотных дождей;
• показать их влияние на все компоненты биосферы, в том числе на человека;
• обсудить основные методы снижения кислотообразующих выбросов в атмосферу.

На занятиях используются следующие аудиовизуальные технические средства обучения :

• плакаты «Шкала кислотности», «Кислотные дожди», «Последствия кислотных дождей»;
• дидактический раздаточный материал в виде таблицы, диаграммы источников выбросов в атмосферу оксидов серы и азота, схемы образования кислотных аэрозолей и дождей;
• видеофильм Москомприроды о состоянии воздушного бассейна Москвы.

Тема «Кислотные дожди» изучается на нескольких уроках и завершается контролем полученных школьниками знаний.

Ход урока

В новое тысячелетие человечество вступает в условиях экологического кризиса. До ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле еще очень далеко. В последней четверти ХХ в. три глобальные экологические проблемы – разрушение озонового слоя Земли, прогрессирующее потепление ее климата и кислотные дожди – сделали вполне реальной угрозу самоуничтожения человечества.
Еще в конце прошлого века Фридрих Энгельс предупреждал: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень часто уничтожают последствия первых». Знакомство с проблемой кислотных дождей подтвердит нам правоту этих слов.
Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к деградации природы и, как следствие, к деградации и исчезновению человечества, жизненно необходимо. Не должны оказаться пророческими слова великого ученого-естествоиспытателя, впервые создавшего теорию развития живой природы, Жана Батиста Ламарка: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».
Для успешного разрешения планетарных экологических кризисов и дальнейшего развития человеческой цивилизации необходимо понимание и осознание этих кризисных проблем всеми, в том числе подрастающим поколением, чтобы направить свою деятельность на изменение структуры общественного и хозяйственного устройства, формирование экологического мировоззрения, ответственного за состояние дома, в котором мы все живем, – нашей планеты Земли.

Теперь подробно познакомимся с сутью проблемы кислотных осадков, в том числе дождей.

Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, туман, роса) с кислотностью выше нормы.

1. Понятие кислотности

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н + и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C (H +) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и характеризуется их концентрацией C (ОН –).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C(H+)C (ОН –) = 10 –14 ,

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязанны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным , если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10–7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10 –7 < C (H +) Ј 10 0 ,

для щелочных сред:

10 –14 Ј C (H +) < 10 –7 .

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН , представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = –lgC (H +).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10 –5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность). Показатель кислотности рН различных веществ, встречающихся в повседневной жизни, приведен на рис. 1.

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО 2 + Н 2 О Н 2 СО 3 .

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов – химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы – фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Достаточно точно показатель кислотности рН измеряется с помощью индикаторной бумаги, содержащей кислотореагирующие пигменты (демонстрируется определение рН различных веществ, указанных на плакате (см. рис. 1) с помощью полосок индикаторной бумаги из блокнота) .

2. Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу – диоксид серы SO 2 (cернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота NО х (монооксид, или оксид азота NО, диоксид азота NO 2 и др.).

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SО 2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м 3 (Арктика) – 1,28 мкг/м 3 (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО 2 , равного 15 мкг/м 3 .

(Школьникам раздают диаграмму «Источники выбросов в атмосферу оксидов серы и азота» (рис. 2), которую они потом вклеивают в свою тетрадь-конспект.)

Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает ее естественное поступление и составляет в год около 100 млн т (для сравнения: природные выбросы SO 2 в год равны примерно 20 млн т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России – менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (~50%).

При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серы в виде главным образом ее диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы); в 4–5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута.

Как показывают данные, приведенные в таблице (учащимся раздают эту таблицу ), в России выбросы диоксида серы составляют более 30% всех вредных промышленных выбросов. На предприятиях энергетической отрасли промышленности, черной и цветной металлургии доля выбросов диоксида серы составляет примерно 40 и 50% соответственно (см. табл.).Меньше доля выбросов SO 2 предприятиями нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, угольной и газовой отраслей промышленности (см. табл.) – около 8% собственных выбросов загрязняющих веществ и около 5% суммарных выбросов и оксида серы предприятиями России, хотя предприятия этих отраслей дают примерно пятую часть всех техногенных выбросов загрязняющих веществ.

Анализ техногенных источников выбросов сернистого газа в атмосферу показывает, что выбросы производят высокоразвитые промышленные страны, и это становится проблемой в первую очередь для них и их ближайших соседей.

Данные мониторинга воздушной атмосферы свидетельствуют об увеличении в последние годы доли выбросов азотных соединений в закисление атмосферных осадков.

Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NО, впоследcтвии – NО 2 . Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м 3 (Арктика) – 1,23 мкг/м 3 (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м 3 .

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 °С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO 2 и тетраоксид диазота N 2 O 4 . Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид – гораздо более опасное соединение.

При высокотемпературном сгорании органического природного топлива происходят реакции двух типов: между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе (в угле содержание азота составляет в среднем около 1%, нефти и газе – 0,2–0,3%), и между кислородом воздуха и азотом, также содержащимся в воздухе.

Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% – на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов – на долю России (см. табл.). Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов – сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами.

В России (см. рис. 2) около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электро- и теплоэнергетики, столько же – на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере – автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Распределение выбросов оксидов азота по основным отраслям промышленного производства приведены в таблице.

Следует отметить, что при наметившейся в 1990-е гг. в России тенденции снижения выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями (см. табл.) доля диоксида серы и оксидов азота в этих выбросах увеличивается.

Суммарные выбросы всех загрязнителей в воздушную среду в 1997 г. по сравнению с 1993 г. сократились примерно на 30%, диоксида серы – примерно на 20%, оксидов азота – на 30%. (школьники делают расчеты, пользуясь данными таблицы.)

Однако лишь 20% этих сокращений обусловлены природоохранными мероприятиями и усилением экологического контроля. Основная причина – спад производства, который за эти годы составил более 50%. Расхождение между относительными показателями спада производства и сокращения выбросов свидетельствует о росте отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу произведенного продукта. Как показывает анализ, спад производства был неравномерен в различных отраслях хозяйства – наименьшим он оказался в самых экологически напряженных секторах (энергетика, металлургия и др.) и наибольшим – в отраслях, оказывающих относительно слабое воздействие на окружающую среду (машиностроение, оборонная отрасль промышленности и др.), при этом выбросы автотранспорта возросли, причем в крупных городах – очень значительно.

Отметим еще два – экономических – аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на общую экологическую ситуацию в России, в том числе и связанную с кислотными осадками. К началу спада производства в России (1991) на предприятиях срок эксплуатации наличного промышленного оборудования был запредельным, в базовых отраслях промышленности (среди них те, что дают наибольшие кислотообразующие выбросы) средний возраст оборудования приближался к 30 годам. Изношенное оборудование требует больше ресурсов для эксплуатации, производит больше отходов, отличается повышенной аварийностью. Помимо отсутствия средств на капитальные затраты предприятия не имеют средств и на текущие затраты. В этих критических условиях для снижения удельных затрат на производимую продукцию предприятие экономит на всем и в первую очередь на охране окружающей среды, строительстве или модернизации очистных сооружений и других мероприятиях.

Как следует из ежегодных государственных докладов Госкомэкологии «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации», данных мониторинга Росгидромета, во многих регионах даже сократившийся поток загрязнений превосходит ассимиляционный потенциал соответствующих экосистем, т. е. является для них заведомо чрезмерным.

3. Механизм образования кислотных осадков

(Ученикам раздают схему образования кислотных аэрозолей и дождей (рис. 3).)

Рис. 3 Схема образования кислотных аэрозолей и дождей

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот.

Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО 3:

2SO 2 + O 2 ® 2SO 3 ,

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO 3 + Н 2 O ® Н 2 SO 4 .

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО 2 n H 2 O, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н 2 SО 3:

SO 2 + H 2 O ® H 2 SO 3 .

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

2Н 2 SО 3 + О 2 ® 2Н 2 SO 4 .

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег).

При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.

Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы:

2NО 2 + Н 2 О ® НNО 3 + НNО 2 .

Существуют еще два вида кислотных дождей, которые пока не отслеживаются мониторингом атмосферы. Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлороводород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

Сl + СН 4 ® CН 3 + НСl,

СН 3 + Сl 2 ® CН 3 Cl + Сl .

Очень опасны выбросы фтороводорода (производство алюминия, стекольное), который хорошо растворяется в воде, что приводит к появлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты.

4. Выпадение кислотных дождей

Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азота (рис. 4).

За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций. До сих пор острота этой проблемы сохраняется, она постоянно в центре внимания национальных правительств и международных природоохранных организаций.

В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн км2, составляет 5–4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3–2,5.

В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков. В тропических районах, где промышленность практически неразвита, кислотные осадки вызваны поступлением в атмосферу оксидов азота за счет сжигания биомассы.

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км 2 в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км 2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны – в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км 2) – в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом.

Превышение уровня критических нагрузок по выпадению окисленной серы отмечается в ряде областей (Ленинградская, Московская, Рязанская), на европейской территории России и по выпадениям оксидов азота – на половине этой территории.

За последние пять лет, согласно результатам измерений Росгидромета, наблюдается неизменное повышение кислотности дождей (минимальные значения рН = 3,1–3,4) на Урале и в Предуралье, на северо-западе и юге европейской территории России.

Специфическая особенность кислотных дождей – их трансграничный характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния – сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда «политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха. Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия. В свою очередь, из России больше всего окисленной серы направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной – 1:17, с Польшей – 1:32, с Норвегией – 7:1. Экспортируется «мокрая» часть выбросов (аэрозоли), сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости от источника выброса или на незначительном удалении от него.

Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной Америки. Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной серы к соседям, чем получают от них. Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70% кислотных дождей в этих странах – результат «экспорта» из Великобритании и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады.

5. Влияние кислотных дождей на экосистемы и людей

Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду (рис. 5).

Рис. 5 Воздействия кислотных дождей на окружающую среду

В первую очередь отрицательному воздействию подвергаются водные экосистемы, почва и растительность.

Природные поверхностные воды обладают буферными способностями по отношению к посторонним водородным и гидроксильным ионам, т. е. способностью поддерживать постоянную величину рН вблизи нейтральной точки; за пределами интервала значений
рН = 4–13 буферная способность полностью утрачивается. Главным буферным соединением в воде является гидрокарбонат-ион HCO 3 – , образующийся при диссоциации угольной кислоты и способный нейтрализовать кислоты и основания:

НСО 3 – + Н + Н 2 СО 3 ,

НСО 3 – + ОН – СО 3 2– + Н 2 О.

Таким образом, гидрокарбонат-ион принимает на себя более или менее значительную часть добавляемых водородных или гидроксильных ионов, благодаря чему рН раствора меняется незначительно. Особенно высокими буферными способностями обладает морская вода, рН которой составляет в общем от 7 до 8,5, что соответствует слабощелочной реакции. Снеговые воды, а также большинство пресных водоемов, особенно в северных областях земного шара, обладают слабыми буферными свойствами и имеют кислую реакцию: 7 > рН > 4.

Самый богатый животный мир присущ водам, рН которых лежит в нейтральной или слабощелочной области. Он во много раз богаче, чем животный мир кислых или щелочных вод. Водоемы с очень кислыми водами необитаемы, жизни в них нет, как нет жизни и в водоемах со значениями рН больше 11.

Первыми жертвами кислотных дождей стали озера и реки. Сотни озер в Скандинавии, на северо-востоке США и на юго-востоке Канады, в Шотландии превратились в кислотные водоемы. Кислотные дожди привели к резкому снижению продуктивности 2500 озер Швеции. В Норвегии примерно половина поверхностных вод имеет повышенную кислотность, из 5000 озер в 1750 исчезла рыба. В провинции Онтарио (Канада) пострадало 20% озер, а в провинции Квебек – до 60% озер.

При повышении кислотности воды (еще до критического порога выживания водной биоты, например для моллюсков таким порогом является рН = 6, для окуней – рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:

Аl(ОН) 3 + 3H + ® Al 3+ + 3Н 2 О.

Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам.

Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов – кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам.

Дефицит питательных веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной «стерилизации» водоемов. Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, а главное – снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями (цепи питания).

«Мертвая вода» усиливает дефицит пресной воды, обусловленный возрастающими масштабами хозяйственного и бытового использования и ее загрязнением.

Что касается состояния рек и озер России, то качество воды большинства водных объектов в течение всех последних лет наблюдений и контроля со стороны Госкомэкологии не отвечает нормативным требованиям из-за сильного загрязнения промышленными сточными водами. Все (обратите на это внимание! ) основные реки России и их крупные притоки оцениваются как «загрязненные» или «сильно загрязненные». При таком положении кислотные осадки мало изменяют качественные характеристики воды.

Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям рН почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью, особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они «нейтрализуют» почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевые черви погибают. Среди других нарушений, происходящих в почве вследствие ее подкисления, следует отметить нарушение процессов питания растений, разрушение их корневой системы.

Почвенное подкисление считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария, причем этот фактор долгодействующий, который может проявиться через много лет после прекращения вредных кислотообразующих выбросов в атмосферу. Больше всего страдают елово-пихтовые и дубовые леса. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации (испарение с поверхности листа) и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла (это воздействие можно определить зрительно по побурению листьев и игл).

Многообразно косвенное влияние: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическим изменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям – грибам, бактериям, жукам и др.

В то же время подкисление почвы азотокислыми дождями стимулирует развитие лесных вредителей.

Наибольший урон кислотные дожди нанесли лесам Центральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн м 3 древесины в год (из них около 35 млн м 3 на европейской территории России). В меньшей степени от кислотных дождей страдают сельскохозяйственные растения, поскольку подкисление почв здесь можно контролировать агрохимикатами.

Воздействию кислотообразующих газов и кислотных осадков подвергаются органические материалы – кожа, бумага, ткани, резина, красители. Бумага, большинство тканей, кожа образованы гидрофильными веществами, которые накапливают воду между волокнами. Кислоты постепенно гидролизуют макромолекулы (главным образом целлюлозы и белков), в результате чего эти материалы становятся хрупкими и разрушаются. Как восстановитель диоксид серы вызывает обесцвечивание красителей, что приводит к выцветанию тканей.

Известняк, мел, мрамор, туф, содержащие карбонат кальция, разрушаются под действием кислотных дождей:

СаСО 3 + Н 2 SО 4 ® Са 2+ + SO 4 2– + СО 2 ­ + Н 2 О,

СаСО 3 + 2HNO 3 ® Са 2+ + 2NО 3 – + СО 2 ­ + Н 2 О.

Многие скульптуры и здания в Риме, Венеции и других городах, памятники зодчества, такие, как Акрополь в Афинах, Кёльнский собор и другие, за несколько последних десятилетий получили значительно большие повреждения, чем за все предыдущее время. Под угрозой полного разрушения в результате действия кислотных осадков находятся более 50 тыс. скульптур скального «Города Будд» под Юньанем в Китае, построенного 15 веков назад.

Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекла под действием кислотных дождей выщелачиваются не только карбонаты, но и силикаты. Если рН осадков достигает значений, равных 4,5–3, то ионы алюминия начинают вымываться из кристаллической решетки. С уменьшением рН интенсивно протекает разрушение силикатной кристаллической структуры, как, например, в полевом шпате (сырье для производства керамики, стекла, цемента):

3KAlSi 3 O 8 + 12Н 2 О + 2H+ ® КAl 3 Si 3 O 10 (ОН) 2 + 6H 4 SiO 4 + 2К + ,

2КAl 3 Si 3 O 10 (ОН) 2 + 18Н 2 О + 2Н + ® 3Al 2 O 3 (Н 2 О) 3 + 6H 4 SiO 4 + 2К + .

Подобным образом кислотные дожди разрушают древние оконные стекла церквей, соборов и дворцов. Старинное стекло из-за повышенного содержания оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов более подвержено действию кислот, чем современное.

Металлы под действием кислотных дождей, туманов и рос разрушаются еще быстрее, чем строительные материалы и стекло. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины:

2FeSO 4 + Н 2 О + 0,5O2 ® 2Fe(ОН)SO 4 .

Такой же ущерб претерпевают изделия из бронзы, на которых образуется так называемая патина, состоящая из карбонатов и сульфатов. Слои пыли и копоти на поверхности создают пленку, которая удерживает влагу и в которой постоянно растворяются кислотообразующие газы. Кислота разъедает металл, переводя его в виде ионов в раствор, что становится заметным при отслаивании корки налета, достигающей миллиметровой толщины. Изделие при этом теряет свою первоначальную форму.

Загрязнение воздуха кислотообразующими выбросами оказывает многообразное вредное влияние и на организм человека.

Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями, в тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Вредно это и для здоровых людей, поскольку SO 2 и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием. Установлена тесная взаимосвязь между повышением смертности от бронхитов и ростом концентрации диоксида серы в воздухе. Во время трагического лондонского тумана 1952 г. более 4000 смертей было отнесено за счет повышенного содержания во влажном воздухе диоксида серы и сульфатных частиц.

Многочисленные исследования показали увеличение числа заболеваний дыхательных путей в районах, воздух которых загрязнен диоксидом азота NО 2 . Попадая в дыхательные пути, он взаимодействует с гемоглобином крови, затрудняя перенос кислорода к органам и тканям, вызывает респираторные, астматические и сердечные заболевания. В феврале 1972 г. в Японии по этой причине заболело более 70 000 человек, для многих из них заболевание имело летальный исход.

Кислотные дожди подобным образом действуют и на животных, однако систематических исследований здесь не проводилось, за исключением обитателей водных экосистем.

6. Меры по охране атмосферы от кислотообразующих выбросов

Чистота атмосферного воздуха планеты – одно из приоритетных направлений природоохранной деятельности национальных правительств, которая развивается в рамках программы, принятой на ХIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций в июне 1997 г.

Международными соглашениями установлены критические нормы выбросов диоксида серы и оксидов азота, ниже которых их воздействие на наиболее чувствительные компоненты экосистем не обнаруживается, а также ряд рекомендаций по осуществлению снижения этих выбросов.

Основными на сегодняшний день методами снижения загрязнения атмосферы, в том числе кислотообразующими выбросами, являются разработка и внедрение различных очистных сооружений и правовая защита атмосферы.

Ведутся исследования по снижению загрязнений от выхлопных газов автомобилей. Наибольшие трудности здесь вызывает именно уменьшение выбросов оксидов азота, которые помимо образования кислотных осадков ответственны за появление фотохимических загрязнителей (фотохимический смог) и разрушение озонового слоя в стратосфере. Для решения этой проблемы ведутся работы по созданию различных каталитических конвертеров, преобразующих оксиды азота в молекулярный азот.

Среди эффективных методов борьбы с выбросами окисленной серы в атмосферу через дымовые трубы следует отметить различные газоочистители, такие, как электрические фильтры, вакуумные, воздушные или жидкие фильтры-скрубберы. В последних газообразные продукты сгорания пропускаются через водный раствор извести, в результате образуется нерастворимый сульфат кальция СаSО 4 . Этот метод позволяет удалить до 95% SО 2 , но является дорогостоящим (снижение температуры дымовых газов и понижение тяги требует дополнительных затрат энергии на их подогрев; кроме того, возникает проблема утилизации СаSO 4) и экономически эффективен лишь при строительстве новых крупных предприятий. Такой же дорогостоящий метод очистки дымовых газов от оксидов азота с помощью изоциановой кислоты НNСО (удаляется до 99% оксидов азота, превращающихся в безвредные азот и воду).

Восстановление нормальной кислотности водоемов возможно за счет известкования, при этом не только уменьшается кислотность воды, но и повышается ее буферная способность, т. е. сопротивляемость по отношению к будущим кислотным осадкам.

Известкование можно применять и для защиты лесов от кислотных дождей, используя распыление с самолетов свежемолотого доломита (СаСО 3 MgCO 3), который реагирует с кислотами с образованием безвредных веществ:

СаМg(СО 3) 2 + 2Н 2 SО 3 = СаSО 3 + МgSО 3 + 2СО 2 ­ + 2Н 2 О,

СаМg(СО 3) 2 + 4НNО 3 = Са(NО 3) 2 + Мg(NО 3) 2 + 2СО 2 ­ + 2Н 2 О.

Для защиты памятников культуры и ценных архитектурных сооружений используют покрытия из высокомолекулярных соединений – силиконов или производных эфиров кремниевой кислоты; для защиты металлических изделий – покрытие их лаком, масляной краской или легирование сталей, образующих устойчивую к кислотам оксидную пленку.

Все перечисленные меры представляют собой реализацию метода «контроля на выходе» – снижение концентрации загрязнителей на стадии их попадания в атмосферу.

Более эффективен с экологической точки зрения метод «контроля на входе», предусматривающий очистку топлива от потенциальных загрязнителей, использование экологически более чистых источников энергии и создание так называемых безотходных технологий, т. е. технологических процессов, сопоставимых с природными циклами в биосфере.

Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используя низкосернистый уголь, а также путем физической или химической его промывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы, таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляется органическая сера. Отметим, что физические методы очистки малорентабельны, а применение химических методов очистки из-за ряда технических сложностей эффективно лишь на вновь строящихся электростанциях. Для средних и малых предприятий энергетики используется метод сжигания топлива в кипящем слое, при котором удаляется до 95% диоксида серы и от 50 до 75% оксидов азота.

Хорошо разработана технология уменьшения содержания оксидов азота (на 50–60%) путем снижения температуры горения.

Перспективна замена бензина в автомобилях другими видами топлива (например, смесью спиртов), применение газобаллонных автомобилей, использующих природный газ, и электромобилей; использование на электростанциях в качестве топлива природного газа.

Реально заменить горючие ископаемые могут возобновимые экологически чистые энергетические ресурсы, такие, как солнечная энергия, ветер, морские приливы, термальные источники недр Земли. Пока возможности таких энергопроизводств относительно ограничены, но тем не менее, например, в Дании ветровые электростанции дают около 12% энергии (столько же дают все АЭС в России).

Энергосбережение, внедрение новых неэнергоемких технологий и безотходных и малоотходных технологий производственных процессов, применение альтернативных источников энергии, все меры экологического контроля способны решить проблему загрязнения атмосферного воздуха, оздоровить окружающую среду, снять угрозу необратимых отрицательных изменений в биосфере Земли.

Вариант контрольной работы

1. Записать реакции, приводящие к появлению аэрозолей серной кислоты при выбросах в атмосферу сернистого газа.
2. Воздействие кислотных дождей на водную биоту.
3. Основные методы «контроля на входе» выбросов диоксида серы в атмосферу.

Л и т е р а т у р а

Государственные доклады Госкомэкологии «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации». Российская экологическая газета «Зеленый мир», 1994–1998;
Красилов В.А . Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты. М.: Институт охраны природы и заповедного дела, 1992;
Миллер Т . Жизнь в окружающей среде. В 3 кн. М: Пангея, 1996, т. 3;
Фелленберг Г . Загрязнение природной среды. М.: Мир, 1997;
Небел Б . Наука об окружающей среде. В 2 т. М.: Мир, 1993.

Е.Э.Боровский,
преподаватель экологического
лицея № 330 (Москва)

Загрязнение атмосферы соединениями серной и азотной кислот с последующим выпадением осадков называется кислотными дождями. Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота предприятиями топливно-энергетического комплекса, автотранспортом, а также химическими и металлургическими заводами. При анализе состава кислотного дождя основное внимание обращается на содержание катионов водорода, определяющих его кислотность (рН). Для чистой воды водородный показатель рН = 7, что соответствует нейтральной реакции. Растворы с рН ниже 7 являются кислыми, выше - щелочными. Весь диапазон кислотности-щелочности охватывается значениями рН от 0 до 14.

Примерно две трети кислотных дождей вызываются диоксидом серы. Оставшаяся треть обусловлена в основном оксидами азота, которые также служат одной из причин парникового эффекта и входят в состав городского смога.

Промышленность разных стран ежегодно выбрасывает в атмосферу более 120 млн. т диоксида серы, который, реагируя с атмосферной влагой, превращается в серную кислоту. Попадая в атмосферу, эти загрязнители могут разноситься ветром на тысячи километров от источника и возвращаться на землю с дождем, снегом или туманом. Они превращают озера, реки и пруды в «мертвые» водоемы, уничтожая в них практически все живое - от рыб до микроорганизмов и растительности, губят леса, разрушают сооружения и памятники архитектуры. Многие животные и растения не могут выжить в условиях повышенной кислотности. Кислотные дожди не только вызывают подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв, но и распространяются с нисходящими потоками воды на весь почвенный профиль и вызывают значительное подкисление грунтовых вод.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, медные и железные руды, при этом одни из них используются как топливо, а другие перерабатываются в химической и металлургической промышленности. При переработке сера превращается в различные химические соединения, среди которых преобладают диоксид серы и сульфаты. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными устройствами, оставшаяся их часть выбрасывается в атмосферу.

Сульфаты образуются при сжигании жидких топлив и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, а также серной кислоты. При сжигании жидких топлив образуется около 16% общего количества сульфатов.

Хотя кислотные дожди не создают таких проблем мирового масштаба, как глобальное потепление климата и истощение озонового слоя, их воздействие сказывается далеко за пределами страны, создающей это загрязнение.

Кислотные дожди и водоемы. Как правило, рН большей части рек и озер составляет 6...8, но при высоком содержании в их водах минеральных и органических кислот рН значительно ниже. Процесс попадания кислотных дождей в водоемы (реки, пруды, озера и водохранилища) включает много этапов, на каждом из которых их рН может и уменьшаться и возрастать. Например, изменение рН осадков возможно при их движении по лесной подстилке, взаимодействии с минералами, продуктами деятельности микроорганизмов.

Все живое чувствительно к изменению рН, поэтому повышение кислотности водоемов наносит непоправимый вред рыбным запасам. В Канаде, например, из-за частых кислотных дождей более 4 тыс. озер объявлены мертвыми, еще 12 тыс. - на грани гибели. Нарушено биологическое равновесие 18 тыс. озер в Швеции. В половине озер южной части Норвегии исчезла рыба.

Из-за гибели фитопланктона солнечный свет проникает на большую глубину, чем обычно. Поэтому все умершие от кислотных дождей озера поразительно прозрачные и необычайно голубые.

Кислотные дожди и леса. Огромный урон кислотные дожди наносят лесам, садам, паркам. Опадают листья, молодые побеги делаются хрупкими, как стекло, и гибнут. Деревья становятся более подверженными воздействию болезней и вредителей, отмирает до 50% их корневой системы, главным образом мелкие корни, питающие дерево. В ФРГ кислотными дождями уже погублена почти треть всех елей. В таких лесистых районах, как Бавария и Баден, пострадало до половины лесных угодий. Кислотные дожди наносят урон не только лесам, расположенным на равнинах, ряд повреждений зарегистрирован в высокогорных лесах Швейцарии, Австрии, Италии.

Кислотные дожди и урожайность сельскохозяйственных куль тур. Установлено, что последствия воздействия на сельскохозяйственные культуры кислотных дождей определяются не только их кислотностью и катионным составом, но и продолжительностью, а также температурой воздуха. В общем случае установлено, что зависимость роста и созревания сельскохозяйственных культур от кислотности осадков свидетельствует о взаимосвязи физиологии растений, развития микроорганизмов и ряда других факторов. Отсюда очевидно, что необходим количественный учет всех компонентов кислотных дождей, влияющих на урожайность и качество продукции, а также на сложные процессы функционирования почвенной биоты для каждого конкретного региона.

Кислотные дожди и материалы. Влияние кислотных дождей на широкую гамму конструкционных материалов становится из года в год все очевиднее. Так, ускоренная коррозия металлов под воздействием кислотных осадков, как отмечает американская печать, приводит к гибели самолетов и мостов в США. Серьезной проблемой, как известно, стало сохранение античных памятников в Греции и Италии. Основными повреждающими ингредиентами являются катион водорода, диоксид серы, оксиды азота, а также озон, формальдегид и пероксид водорода.

Интенсивность разрушения материалов зависит: от их пористости, так как чем выше удельная поверхность, тем больше ее сорбционная способность; от конструкционных особенностей, так как при наличии различных выемок они являются коллекторами кислотных осадков; от условий эксплуатации: скорости ветра, температуры, влажности воздуха и т.п.

На практике наибольшее внимание уделяют трем группам материалов: из металлов - нержавеющей стали и оцинкованному железу; из строительных материалов - материалам для наружных конструкций зданий; из защитных - краскам, лакам и полимерам для поверхностных покрытий. При воздействии осадков и газов их повреждающее действие обусловлено интенсивностью каталитических реакций с участием металлов, а также синергизмом (синергизм - способность одного вещества усиливать действие другого), при этом наиболее часто наблюдается равномерная коррозия.

По данным Европейского парламента, экономический ущерб от кислотных осадков составляет 4% валового национального продукта. Это должно учитываться при выборе стратегии борьбы с кислотными дождями в долгосрочной перспективе.

Конкретные меры по уменьшению выбросов серы в атмосферу реализуются в двух направлениях:

использование на ТЭЦ углей с низким содержанием серы;

очистка выбросов.

Малосернистыми считаются угли с содержанием серы менее 1%, а высокосернистыми - с содержанием серы более 3%. Чтобы уменьшить вероятность образования кислотных дождей, высокосернистые угли подвергают предварительной обработке. В состав угля обычно входят пиритная и органическая сера. Современные многостадийные методы очистки угля позволяют извлечь из него до 90% всей пиритной серы, т.е. до 65% общего количества ее. Для удаления органической серы в настоящее время разрабатываются методы химической и микробиологической очистки.

Аналогичные методы необходимо применять и к высокосернистой нефти. Мировые запасы нефти с низким содержанием серы (до 1 %) невелики и составляют не более 15%.

При сжигании мазута с высоким содержанием серы используют специальные химические присадки, которые позволяют снизить содержание диоксида серы в выбросах.

Одним из наиболее простых способов снижения количества оксидов азота при сжигании топлива является проведение процесса в условиях недостатка кислорода, что обеспечивается скоростью подачи воздуха в зону горения. В Японии разработана технология «дожигания» первичных продуктов сгорания. При этом сначала топливо (нефть, газ) сжигают в оптимальном режиме для образования оксидов азота, а затем в зоне дожигания уничтожают непрореагировавшее топливо. При этом реакции, приводящие к восстановлению оксидов, и их выброс снижаются на 80%.

Следующим направлением в решении этой проблемы является отказ от практики рассеивания газообразных выбросов. Их следует не рассеивать, уповая на огромные масштабы атмосферы, а, наоборот, улавливать и концентрировать.

Наиболее эффективный способ очистки выбросов от диоксида серы основан на реакции его с измельченной известью. В результате реакции 90% диоксида серы связывается с известью, образуя гипс, который можно использовать в строительстве. Так, теплоэлектроцентраль мощностью 500 МВт, снабженная установкой для очистки выбросов, дает за год 600 тыс. м 3 гипса.

Перспективной мерой по снижению вредных воздействий является установление лимитов на выбросы. Так, Агенство по охране окружающей среды США установило лимит общего выброса диоксида серы на территории страны, предусмотрев его ежегодное снижение. Это мероприятие дало определенный положительный эффект.