Влияние кислотных осадков на биосферу

   Сжигая  топливо, человек ежегодно выбрасывает  в воздух 12 млн. т. оксидов азота. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

   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, 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.

5. Атмосферный аммиак.

   Аммиак (), имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения. Эти химические реакции ведут к образованию сульфата и нитрата аммония ().

   Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными  бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий, приводящая к образованию  аммиака, зависит в первую очередь  от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Европа и Северная Америка), 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, например, в Европе он превышает возможности выделения  аммиака почвой.

   Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость распада ниже. Существенными  источниками аммиака могут служить  также производство и внесение в  землю искусственных удобрений.

   Меньшее количество аммиака может попасть  в атмосферу в результате сгорания угля или горючего транспортных средств.

2. Распространение кислотных веществ в атмосфере.

   Загрязняющие  вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности земли, естественно, не задерживаются на одном месте, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях, частично преобразовываясь.

   Рассмотрим  сначала вертикальное перемешивание, которое происходит посредством  конвекционных (упорядоченных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe состояния в данный момент, перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали в атмосфере. Как известно, начиная с поверхности земли температура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в среднем на 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от поверхности это понижение исчезает, более того, двигаясь выше, можно наблюдать потепление.

   Этот  слой, где происходит изменение температуры  в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между  ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и для данного  места остается постоянной. Выше находится  стратосфера, где происходит потепление в вертикальном направлении.

   Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры  воздуха в этом же направлении. Поэтому  перемешивание в тропопаузе замедляется, и загрязняющие вещества уже могут  проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение), что представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те загрязняющие вещества, которые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу. Таким образом, можно сказать, что в результате увеличения температуры с высотой перемешивание на этом уровне прекращается.

   В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхности, наблюдается инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном  направлении, которое также приводит к прекращению вертикального  перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным  глазом. Например, в Будапеште, над  загрязненными местами иногда можно  превосходно разглядеть границу  между нижним серым загрязненным и верхним чистым слоями воздуха. Этот близкий к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических условий. Тропопауза является верхней границей перемешивания в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения.

   Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распространяются не только в вертикальном, но и в  горизонтальном направлении. Этот процесс  происходит под воздействием адвекции (при упорядоченном движении воздуха) или же в результате турбулентного (неупорядоченного) движения. На больших расстояниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени ее пребывания в атмосфере. Все находящиеся в атмосфере вещества, в том числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в химическую реакцию, либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадка.

   Это выделение веществ на поверхность  представляет собой седиментацию.

   Время, в течение которого в среднем  молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пребывания. Обычно чем короче время пребывания заданного  вещества в атмосфере, тем выше его  способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от места  и времени измерения. Концентрация же двуокиси азота может в несколько  раз изменяться.

   Распространение загрязняющих веществ в больших масштабах создало много международных проблем. Поскольку загрязнение воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном государстве может загрязнить воздух другого. Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) подсчитала, в какой степени то или иное европейское государство несет ответственность, за выпадение кислотных дождей. Количество загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и поступают в другие страны можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в какой-либо стране выброс загрязняющего вещества на ее территории превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то баланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрицательный баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.

   За  передвижением масс воздуха между  странами и распространением таким  способом загрязняющих веществ можно  проследить, используя различные метеорологические данные. Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем больше, чем ближе он находится от места измерения. Таким образом, мы схематично ознакомились с вертикальным перемешиванием (конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих веществ.

     Однако их только теоретически  можно отделить друг от друга,  в действительности оба эти  процесса идут параллельно. Для  математического описания (моделирования)  распространения загрязняющих веществ  необходимо также учитывать химическое  взаимодействие, седиментацию микроэлементов, влияние рельефа на формирование  потока воздуха и т.д. Такие  математические модели очень  сложны. Однако с некоторыми упрощениями  можно получить относительно  хорошие результаты.

3. Химические превращения загрязняющих кислотных веществ 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).

1. Химические превращения соединений серы.

   Сера  входит в состав в не полностью 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 в гомогенной среде.

   Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном  в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области. В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием.

   Образовавшаяся  трехокись серы, взаимодействуя с  атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому  при обычных атмосферных условиях трехокись серы содержится в воздухе  в не значительных количествах. Реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов.

   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.

   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.

2. Химические превращения соединений азота.

   Наиболее  распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота (), которая при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота (). Последняя в результате реакции с радикалом гидроксида превращается в азотную кислоту ().

   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.

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.

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 40-50%. Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100%. 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.