Кислотные осадки: источники и свойства, способствующие их образованию. Последствия и защита

     Гибель  живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия, который осаждается в форме донного осадка. Гибель водных живых сообществ может приводить к закислению и выделению тяжелых металлов, а также к нарушению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций или гибелью рыб, чувствительность водных организмов к снижению рН в пресных водах, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества прочих живых организмов. Можно заметить характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близкий состав питательных веществ и ионов, но различную кислотность. До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотности, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пищевую цепочку. Наибольших масштабов достигло закисление озер и рек в Швеции, Норвегии, США, Канаде, но этот процесс уже начал распространяться в Дании, Бельгии, Голландии, ФРГ, ГДР, Шотландии и Югославии.

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

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

Непосредственные (прямые) воздействия. Гибель растений. 

     Непосредственная  гибель растений в наибольшей степени  ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе 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. Сухие осадки, содержащие двуокись серы, уже атаковали леса Чехословакии, Польши и ГДР. Возможно, самый значительный ущерб причинен ФРГ, где треть всех лесов наполовину погибла. Однако считается, что на упомянутых территориях гибель леса связана не столько с двуокисью серы, сколько с оксидами азота, которые образуются из выхлопов автомобилей. Оксиды азота под воздействием солнечных лучей выделяют озон. Озон с оксидами азота, а также частично с углеводородами, поступающими в атмосферу не только с выхлопными газами, но и из других источников, образует весьма агрессивное вещество PAN (пероксиацетилнитрат).

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

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

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

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

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

Прямые  воздействия на человека. 

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

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

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

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

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

     На  защищенных территориях нормативы, естественно, строже. В то же время  ожидается, что в недалеком будущем  установят еще более низкие нормативные  значения. Однако опасная концентрация может оказаться еще ниже, если различные кислотные загрязняющие вещества будут усиливать воздействие друг друга, т.е. проявится уже упомянутый 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. 
 

Способы защиты от кислотных дождей. 

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

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

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

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

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

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