Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере
Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере
Содержание.
Стр.
Введение…………………………………………………………………………...3
1. Определение темы исследования…………………………………………4
2. Проблемное описание изучаемой системы………………………………6
3. Выделение блоков модели…………………………………………………7
1. Поступление в атмосферу соединений серы…………………………8
1. Виды соединений серы…………………………………………..8
2. Источники соединений серы……………………………………8
2. Поступление в атмосферу соединений азота……………………….11
1. Виды соединений азота………………………………………...11
2. Источники соединений азота…………………………………..12
3. Химические превращения соединений серы и азота в атмосфере...14
1. Химические превращения соединений серы…………………14
2. Химические превращения соединений азота…………………16
4. Кислотная седиментация……………………………………………..17
1. Вымывание кислотных веществ из атмосферы………………17
2. Сухие осадки……………………………………………………18
5. Влияние кислотных осадков на природу и человека……………….19
1. Косвенные воздействия………………………………………...19
2. Непосредственные (прямые) воздействия…………………….22
3. Прямые воздействия на человека……………………………...24
6. Мероприятия по снижению негативного воздействия кислотных
дождей……………………………………………………………………..26
4. Описание взаимосвязей между блоками системы……………………...29
Заключение…………………………………………………………………...30
Список использованной литературы……………………………………….31
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.
1. 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 (SO2)
и окислы азота (NОx) 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. [1]
Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это
происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как
двуокись углерода (СО2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом
образуется слабая угольная кислота (CO2 + H2O —> H2CO3). 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 (SO2) и различными оксидами азота
(NOх). 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.[2]
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.
2. Проблемное описание изучаемой системы.
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.
На выходе модели рассматриваются негативные явления, которые возникают
в природных экосистемах при воздействии на них кислотных осадков.
3. Выделение блоков модели.
На основе изучения процесса возникновения кислотных дождей в атмосфере
были выделены следующие блоки модели:
Естественные источники
Естественные источники
соединений серы. NOx
Атмосфера
Антропогенные источники
соединений серы.
Антропогенные источники
NOx
Блок-схема модели возникновения кислотных дождей в атмосфере.
3.1 Поступление в атмосферу соединений серы.
3.1.1 Виды соединений серы.
К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере,
относятся двуокись серы [оксид серы (IV)], оксисульфид (сероокись
углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. Последние четыре
соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко
превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием
деятельности человека более всего изменяется содержание двуокиси серы.
В сильно загрязненных районах уровень двуокиси серы может в 1000 и
даже в десятки тысяч раз превысить естественную границу значений на суше и
в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из
естественных источников, более или менее одинакова вблизи поверхности
земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии,
принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и
гидросульфат аммония), а также морская соль.
3.1.2 Источники соединений серы.
Соединения серы, как мы уже упоминалось, частично попадают в атмосферу
естественным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и
поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно
деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать
загрязнение серой только на этой территории.
Существуют три основных источника естественной эмиссии серы.
1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без
участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения
органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует
газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии
извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в
результате чего образуются сернистые газообразные соединения.[3]
Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а
затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха
удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее
важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у
береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое
количество органических веществ.
Поверхность моря также может содержать значительные количества
сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водоросли.
Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-
40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.
2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу
наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и
элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой -
тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается
увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в
стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает
около 2 млн т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество
незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же
извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.
В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные
количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди
источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях
и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание
серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром
угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы
остается в золе в твердом состоянии. [4]
Содержание серы в неочищенной нефти также достаточно велико в
зависимости от места происхождения (0, 1-2%). При сгорании нефтяных
продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании
угля.
Источниками образования двуокиси серы могут быть также отдельные
отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также
предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На
транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно, там в
первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.
Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу
попадает 60-70 млн т. серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и
антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет
атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это
происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с
развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз
превышают естественные, т. е. главным образом в Европе и Северной Америке.
Примерно половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40
млн т), приходится на Европу. [5]
3.2 Поступления в атмосферу соединений азота.
3.2.1 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 азотистую
кислоту.
Окись азота под действием окислителей (например, озона) или различных
свободных радикалов преобразуется в двуокись азота:
[pic]
(окись азота + радикал пероксида водорода = двуокись азота + радикал
гидроксила);
[pic]
(окись азота + озон = двуокись азота + молекулярный кислород).
Итак, можно предположить, что окисью азота можно пренебречь вследствие
указанных окислительных процессов. Однако это не совсем так, что
объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов
азота в значительной степени происходит в форме окиси азота, и требуется
время, чтобы [pic] полностью превратилась в [pic]. С другой стороны, в
непосредственной близости от источников загрязнения количество окиси азота
превышает количество двуокиси азота. Это соотношение увеличивается в
сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно
не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чистом воздухе над
поверхностью океана часть окиси азота составляет всего несколько процентов
от двуокиси азота. Соотношение этих газов, впрочем, может меняться
вследствие фотодиссоциации двуокиси азота:
[pic]
(двуокись азота+ квант света = окись азота+ атом кислорода),
Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кислота,
образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота
нейтрализуется, то образуется азотнокислая соль, которая обычно
присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям
аммония, которые получаются в результате взаимодействий аммиака с какой-
либо кислотой.
3.2.2 Источники соединений азота.
Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными.
Рассмотрим наиболее важные естественные источники.
Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в
почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота.
Согласно современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т
оксидов азота.
Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за
очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные
азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плазмы
атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее
количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн т в
год.
Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и
искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате
выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в
саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в
год.
Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны
и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в
атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие
чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов [pic] в
тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах.
Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов
азота.
Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом
месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во
время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в
воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида
азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота
образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ.
Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов
азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.[6]
В целом количества естественных и искусственных выбросов
приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений
серы, сосредоточены на ограниченных территориях Земли.
Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из
года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения
азота играют огромную роль в образовании кислотных осадков.[7]
3.3 Химические превращения соединений серы и азота 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).
3.3.1 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 вещество( 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:
[pic].
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:
[pic]
(активированная молекула двуокиси + молекулярный кислород [pic] свободный
радикал)
[pic]
(свободный радикал + молекулярный кислород [pic] триоксид серы + озон)
Образовавшаяся триоксид серы, взаимодействуя с атмосферной водой,
очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому при обычных
атмосферных условиях триокись серы не содержится в воздухе в значительных
количествах. В гомогенной среде двуокись серы может вступить во
взаимодействие с атомарным кислородом, также с образованием триокиси серы:
[pic]
(двуокись серы + атомарный кислород [pic] триокись 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:
[pic]
(двуокись серы +радикал гидроксила [pic] свободный радикал)
[pic]
(свободный радикал + радикал гидроксила [pic] 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, а в каплях или на поверхности частиц,
находящихся в атмосфере. [8]
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 радикалы и атомы. Конечные
продукты играют определенную роль в антропогенной кислотной седиментации.
3.3.2 Химические превращения соединений азота:
Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав
выбросов, является окись азота [pic], который при взаимодействии с
кислородом воздуха образует двуокись азота. Последний в результате реакции
с радикалом гидроксида превращается в азотную кислоту:
[pic]
(двуокись азота + радикал гидроксила [pic] 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.
3.4 Кислотная седиментация (кислотные дожди).
Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является
седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь(
вымывание осадков или влажная седиментация. Второй путь( выпадение осадков
или сухая седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной
седиментацией.
3.4.1 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 аэрозоля( 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.[9]
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.
3.4.2 Сухие осадки.
Хотя эта форма седиментации существенно отличается от влажной
седиментации, конечный результат их действительно идентичен( 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 них( 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.
3.5 Влияние кислотных осадков на природу и человека.
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.[10]
3.5.1 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. 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.
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.
Закисление пресных вод. Собственно говоря, закисление прёсных вод - 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.
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.
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.
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:
[pic],
который осаждается в форме донного осадка. Гибель водных живых сообществ
может приводить к закислению и выделению тяжелых металлов, а также к
нарушению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с
сокращением популяций или гибелью рыб, 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. [11]
3.5.2 Непосредственные (прямые) воздействия.
Гибель растений.
Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи
от выбросов загрязнений, в радиусе нескольких 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. 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).
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.
3.5.3 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 [pic] 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 синергизм. 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.
3.6 Мероприятия по снижению негативного воздействия 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.[12]
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.
Технологические изменения. Известно, что в процессе горения топлива
азот и кислород воздуха образуют окись азота NO, которая в значительной
степени способствует повышению кислотности осадков. Выше было указано, что
в целом в мире горение топлива дает две трети всех антропогенных выбросов.
Количество оксида азота NO, который образуется при горении, зависит от
температуры горения. Выявлено, что чем меньше температура горения, тем
меньше возникает оксида азота, к тому же количество NO зависит от времени
нахождения топлива в зоне горения и от избытка воздуха. Таким образом,
соответствующим изменением технологии можно сократить количество
выбрасываемого загрязняющего вещества.
Сокращения выброса двуокиси серы можно также достичь очисткой конечных
газов от серы. Наиболее распространенный метод — мокрый процесс, когда
конечные газы барботируют через раствор известняка, в результате чего
образуются сульфит или сульфат кальция. Таким способом удаляется большая
часть серы. Этот способ еще не получил широкого распространения.
Известкование. Для уменьшения закисления в озера и в почву добавляют
щелочные вещества (например, карбонат кальция). Эта операция называется
известкованием. Известь, попадая в воду, быстро растворяется, а
образующаяся в результате гидролиза щелочь сразу же нейтрализует кислоты.
Известкование применяют для обработки кислых почв с целью их нейтрализации.
Наряду с преимуществами известкование имеет ряд недостатков:
в проточной и быстро перемешивающейся воде озер нейтрализация проходит
недостаточно эффективно;
происходит грубое нарушение химического и биологического равновесия вод
и почв;
не удается устранить все вредные последствия закисления;
С помощью известкования нельзя удалять тяжелые металлы. Эти металлы во
время уменьшения кислотности переходят в труднорастворимые соединения и
осаждаются, однако при добавлении новой дозы кислот снова растворяются,
представляя таким образом постоянную потенциальную опасность для озер.
Кроме описанных выше известно еще множество способов защиты от
загрязнений. Например, погибшие популяции животных и растений заменяют
новыми, которые лучше переносят закисление. Памятники культуры с целью
предотвращения дальнейшего их разрушения обрабатывают специальной глазурью.
Рассмотренные здесь способы имеют одно общее свойство — их использование
до сих пор не привело к существенному уменьшению выбросов оксидов серы и
азота. Не достигнуты заметные успехи и в предотвращении вредных
воздействий, вызываемых кислотными дождями.
4. Описание взаимосвязей между блоками системы.
Как уже было упомянуто выше, основной причиной образования кислотных
осадков в атмосфере является выброс соединений серы и азота. Эти
соединения, имея за собой природное или антропогенное происхождение,
взаимодействуют в атмосфере с различными веществами и превращаются в серную
и азотную кислоты. Эти кислоты вместе с осадками выпадают на поверхность
земли нанося при этом вред природе и человеку.
Заключение.
Несколько десятилетий назад выражения “кислотные осадки” и “кислотные
дожди” были известны лишь исключительно ученым, посвященным в определенных,
специализированных областях экологии и химии атмосферы. За последние
несколько лет эти выражения стали повседневными, вызывающими беспокойство
во многих странах мира. Проблема кислотных дождей стала одной из
экологических проблем глобального масштаба. Кислотные осадки являются
проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать и
уже в некоторых регионах вызывает существенные экономические и социальные
издержки. Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере
может быть использована для решения этой проблемы. Из этой модели видно,
что основной причиной кислотных дождей является антропогенная деятельность.
Международный исследовательский институт прикладного системного анализа
(IIASA) проводит изучение моделей с целью установления возможной
кислотности почв, вод и т.п. через десятки лет. Результаты говорят о том,
что почвы и леса в Европе могут быть спасены от дальнейшего закисления
только путем значительного сокращения выбросов. Эти выбросы должно
самостоятельно регулировать каждое государство. Для уменьшения эмиссии
загрязняющих веществ в атмосферу существует ряд способов:
сильное сокращение использования энергии;
ввод новых технологий, установка фильтрующего оборудования;
использование слабозагрязняющих либо совсем незагрязняющих источников
энергии.
Подобное решение звучит довольно нереально. Ни одно государство не
согласится уменьшить масштабы потребления энергии и тем самым ухудшить
уровень жизни. Ввод новых технологий и установка фильтрующего оборудования
также представляют собой экономическую проблему. Тем не менее единственным
решением проблемы кислотных дождей видится в сокращении потребления
энергии, улучшении контроля над выбросами или разработке альтернативных
методов производства электроэнергии, таких, как использование ядерной
энергии.
Список использованной литературы.
1. Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера», Москва, изд-во Знание, 1996г.
2. Акимушкин И.И. Невидимые нити природы. - М.: Мысль, 1985. - 287 c.
3. Баландин Р.К., Бондарев Л.Г. Природа и цивилизация. – М, 1998. – 391
с.
4. Банников А.Г., Рустамов А.К., Вакулин А.А. Охрана природы : Учеб. для
с.-х. учеб. заведений. - М.: Агропромиздат, 1995. - 287 c.
5. Беттен Л. Г. «Погода в нашей жизни», Издательство «Мир», Москва,
1985г.
6. Ермаков А.Н., Пурмаль А.П. Физическая химия кислотных дождей //
Энергия. — 1998.
7. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. – Кишинев,1990. -
406 с
8. Дрейер О.К., Лось В.А. Развивающийся мир и экологические проблемы. -
М.: Знание, 1991. - 64 c.
9. Новиков Ю.В. Природа и человек. – М.: Просвещение, 1991. – 223 с.
10. Проблемы экологии России. – М., 1993. – 348 с.
11. Л.Хорват «Кислотный дождь», Москва, Стройиздат, 1990г.
3.2
-----------------------
[1] Л.Хорват «Кислотный дождь», Москва, Стройиздат, 1990г.
[2] Л.Хорват «Кислотный дождь», Москва, Стройиздат, 1990г.
[3] Ермаков А.Н., Пурмаль А.П. Физическая химия кислотных дождей //
Энергия. — 1998.
[4] Банников А.Г., Рустамов А.К., Вакулин А.А. Охрана природы : Учеб. для
с.-х. учеб. заведений. - М.: Агропромиздат, 1995. - 287 c.
[5] Баландин Р.К., Бондарев Л.Г. Природа и цивилизация. – М, 1998. – 391
с.
[6] Ермаков А.Н., Пурмаль А.П. Физическая химия кислотных дождей //
Энергия. — 1998.
[7] Новиков Ю.В. Природа и человек. – М.: Просвящение, 1991. – 223 с.
[8] Дрейер О.К., Лось В.А. Развивающийся мир и экологические проблемы. -
М.: Знание, 1991. - 64 c.
[9] Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера», Москва, из-во Знание, 1996г.
[10] Проблемы экологии России. – М., 1993. – 348 с.
[11] Дрейер О.К., Лось В.А. Развивающийся мир и экологические проблемы. -
М.: Знание, 1991. - 64 c.
[12] Л.Хорват «Кислотный дождь», Москва, Стройиздат, 1990г.
-----------------------
Сжигание
ископаемого
топлива
Транспорт
Кислотные дожди
pH < 5,6
Воздействие на природные экосистемы
Мероприятия по снижению
негативного воздействия
кислотных дождей.
Сжигание ископаемого топлива
Промышленность (химическая и металлургическая).
2NO + O2 = 2NO2
4NO2 + 2H2O + O2 =
= 4HNO3
Горение биомассы.
2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O
2SO2 + O2 = 2SO3
SO3 + H2O = H2SO4
Грозовые разряды
Почвенная эмиссия оксидов азота.
Вулканическая
деятельность
Процессы разрушения биосферы