Кислотные дожди и их влияние на растительный и животный мир

 

Оглавление. 

1. Общее понятие  « кислотного дождя».
2. Причины кислотных дождей (виды соединения серы и азота, их источники).
3. Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.
4. Воздействие кислотных дождей на окружающую среду.
5. Закисление пресных водоемов.
6. Непосредственное воздействие кислотных осадков на окружающую среду.
7. Пути решения проблемы.
8. Список литературы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общее понятие «кислотного дождя»:

    Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом, внимание которого привлек смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня это очевидный факт, что кислотные дожди являются одной из причин гибели живых организмов, лесов, урожаев, и других видов растительности. Кроме того 
кислотные дожди разрушают здания и памятники архитектуры, приводят в негодность металлоконструкции, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы. 

      Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, которое приблизительно равняется 5,6. «Чистый» дождь обычно всегда имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода (СО₂) вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. Теоретически такой «чистый», слабо-кислотный дождь должен иметь рН = 5,6, что соответствует равновесию между СО₂ воды и СО₂ атмосферы. Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ дождь никогда не бывает абсолютно «чистым», и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением около 5.0 для зоны умеренных лесов. Помимо СО₂ в атмосферу Земли попадают естественным путем также различные соединения серы и азота, которые сообщают дождевым осадкам кислотную реакцию.                          Таким образом «кислотные дожди» могут возникать и по естественным причинам. Однако помимо естественного попадания в атмосферу Земли различных оксидов с кислотной реакцией существуют также и антропогенные источники, эмиссия из которых во много раз превышает естественную. Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота может увеличить кислотность осадков до   рН = 4,0, что выходит за пределы значений, переносимых большинством живых организмов. 

Причины кислотных дождей:

      Главной причиной кислотных дождей является присутствие в составе атмосферы Земли двуокиси серы SO₂ и двуокиси азота NО₂, которые в результате происходящих в атмосфере химических реакций, превращаются в соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность земли оказывает влияния на живые организмы и экотоп в целом.

1.1 Виды соединений серы:

        К наиболее важным соединениям серы находящимся в составе атмосферы Земли относятся:

1. Двуокись серы – SO₂

9. Оксисульфид углерода - COS
10. Сероуглерод – CS₂        

4.  Сероводород – H₂S 

5.  Диметилсульфид - (CH₃)₂S

6.  Сульфат-ион – SO₄^2- 

1.2 Источники соединений серы:

Естественные  источники эмиссии  серы в атмосферу:

1. Биологическое выделение. Почти все без исключения традиционные модели круговорота серы показывали, что около 50% серы появляется в атмосфере за счет её биологических превращений в почвенных и водных экосистемах. Предполагается, что в результате происходящих микробиологических процессов, в этих естественных экосистемах сера улетучивается в форме сероводорода (Н₂S). Многочисленные научные данные свидетельствуют, что микроорганизмы продуцируют сероводород в основном двумя путями:
1. восстановление сульфатов
2. разложение органического вещества

        Desulfovibrioa также родственные им бактерии, восстановители сульфатов, во множестве населяют болота, топи и слабо дренированные почвы. Данные микроорганизмы используют сульфаты как конечный акцептор электронов. Также чрезвычайно большая и разнообразная группа микроорганизмов, включающая аэробы, термофилы, психрофилы, бактерии, актиномицеты и грибы, разлагает серосодержащие органические соединения и высвобождает сероводород. Поверхность моря и его глубинные слои также может содержать значительные количества сероводорода. В настоящее время не совсем точно известны источники образования диметилсульфида, но предполагается, что в их возникновении принимают участие морские водоросли. Выделения серы биологическим путем не превышают 30 - 40 млн. т. в год, что составляет приблизительно 1/3 от всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу Земли 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 данное количество серы незначительно по сравнению с биологическим выделением, для стратосферы же извержения вулканов являются самыми важными источниками появления серы.
3. Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остаётся морская соль, содержащая наряду с ионами натрия и хлора соединения серы - сульфаты.

        Вместе с частичками морской соли ежегодно в атмосферу Земли попадает от 50 до 200 млн. т. серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы в атмосферу естественным путём. В тоже время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в верхние слои и распыляется над сушей. Однако следует учитывать тот факт, что из сульфатов морского происхождения не может образовываться серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.

1.3 Антропогенные источники эмиссии серы в атмосферу:

        В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде двуокиси (SO₂). Среди источников этих соединений на первом месте в мире стоит уголь, сжигаемый на электростанциях и др. промышленных предприятиях. Уголь дает 70% от всех антропогенных выбросов. В процессе горения часть серы содержащееся в топливе превращается в сернистый газ, а часть остается в золе в твердом состоянии. Содержание серы также достаточно велико (0.1 - 2%) и в неочищенной нефти, но эти показатели варьируются в зависимости от происхождения, однако при сгорании нефтепродуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля. В мире на первом месте по выбросам сернистых соединений в атмосферу стоят такие отрасли промышленности как: металлургическая, предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Таким образом в результате деятельности человека в атмосферу Земли попадает ежегодно около 60-70 млн.т. серы в виде двуокиси серы. Сравнивание естественных и антропогенных источников эмиссии серы и её различных соединений в атмосферу показывает, что человек, в результате своей деятельности, загрязняет атмосферу Земли этими соединениями в 2 раза больше, чем это происходит в природе естественным путем.

2.1 Виды соединений азота:

       В состав атмосферы входит ряд азотосодержащих соединений, из которых наиболее распространена закись азота (N₂О). Этот газ в нижних слоях воздуха нейтрален и не участвует в образовании кислотных дождей. Также в составе атмосферы Земли находятся кислотные оксиды азота, такие как: окись азота NO, и двуокись азота N₂O. Кроме того в состав атмосферы входит единственное щелочное соединения азота - аммиак. 

       К наиболее важным соединениям азота находящимся в составе атмосферы Земли относятся:

1. Закись азота – NO₂
2. Окись азота – NO
3. Азотистый ангидрид – N₂O₃
4. Двуокись азота – NO₂
5. Оксид азота – N₂O₅

2.2 Источники соединений азота:

Естественные  источники эмиссии  соединений азота  в атмосферу:

1. Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно данным на 1990 г. ежегодно во всем  мире образуется этим путем около 8 млн. т. оксидов азота (в пересчете на азот). 
2. Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. Образовавшееся таким способом количество оксида азота составляет около 8 млн. т.
3. Горение биомассы. Данный вид источника может иметь как искусственное так естественное происхождение. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате процесса выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн. т.оксидов азота (в пересчете на азот) в течении года.

IV. Прочие источники. Прочие источники естественных выбросов оксидов значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит попадание смеси образовавшихся оксидов NO и NO₂ в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти источники совместно вырабатывают в течении года от 2-ух до 12 млн.т.оксидов азота (в пересчете на азот). 

2.3 Антропогенные источники эмиссии соединений азота в атмосферу:

      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. В данном случае количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотосодержащих веществ, топливо, человечество ежегодно выбрасывает в воздушный бассейн Земли около 12 млн.т. оксидов азота. Немного меньше оксидов азота, около 8 млн.т. в год поступает от сжигания горючего (бензина, дизельное топливо и т.д.) в двигателях внутреннего сгорания. Промышленностью во всем мире выбрасывается около 1 млн.т. азота ежегодно. Таким образом, по крайней мере 37% из почти 56 млн.т. ежегодных выбросов оксида азота образуется из антропогенных источников. Этот процент, однако, будет намного больше, если к нему прибавить продукты сжигания биомассы. 

2.4 Атмосферный аммиак:

         Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения:

      NH₃ +H₂SO₂ = HN₄HSO₄

      NH₃  + NH₄HSO₄ =  (NH₄)₂SO₄

       NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

  Таким  образом, нейтрализуются кислотные  осадки и образуются сульфаты  и нитрат аммония. Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Ученым удалось установить, что активность бактерии, приводящая в конечном счете к образованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Америка и Северная Европа), особенно в зимние месяцы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются нейтрализации и, таким образом, возрастает опасность выпадения кислотного дождя. В процессе распада мочи домашних животных высвобождается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что в Европе он превышает возможности выделения аммиака почвой.