Кислотные осадки. 
Экология

Кислотность среды характеризуется показателем pH = -lg (Н+), т. е. в конечном итоге определяется количеством ионов водорода Н+. Водная среда может иметь значение pH от 0 до 14. Нейтральный водный раствор имеет pH = 7, кислотный раствор — pH 7 (рис. 5.18).

Атмосферные осадки, имеющие показатель pH < 5,6, называют кислотными. Следует отметить, что даже в самом чистом воздухе есть углекислый газ, который, взаимодействуя с парами воды, образует слабый раствор угольный кислоты, поэтому дождевая вода всегда имеет pH = 5,6—6.

До начала промышленной революции проблема кислотных дождей отсутствовала. Шли слегка подкисленные дожди в виде слабого раствора угольной кислоты, которая является неустойчивой и легко распадается на воду и углекислый газ. В результате природных процессов (извержение вулканов, выделения из разломов земной коры) в атмосферу попадали соединения серы и азота, которые при взаимодействии с парами воды образовывали серную H₂S0₄ и азотную HN0₃ кислоты. Тогда для атмосферы концентрация оксидов серы и азота была незначительная и карбонаты экосистем (в основном СаС0₃) легко справлялись с кислотностью осадков.

Рис. 5.19. Вклад различных источников в выбросы оксидов серы и азота:

В — тепловые электростанции; Ш — транспорт;

Ш — промышленность;

? — прочие источники Антропогенное влияние на кислотность осадков стало проявляться в XX в., так как стало возрастать количество сжигаемого ископаемого топлива (рис. 5.19).

При сжигании угля и нефти образуются кислородные соединения серы — диоксид и триоксид серы (S0₂ и S0₃), которые, реагируя с парами воды, образуют сернистую и серную кислоты. Эти кислоты выпадают вместе с дождем, снегом, присутствуют в тумане, облаках.

Оксиды азота.

Рис. 5.18. Шкала pH.

Впервые это явление было исследовано английским химиком Робертом Смитом, который в 1872 г. проанализировал загрязнения атмосферы в городе Манчестере. В книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии» он привел обоснование того, что дым, образующийся при сжигании угля, содержит вещества, вызывающие повышение кислотности дождей.

Почти 100 лет после этого индустриально развитые государства не обращали внимания на кислотность осадков. Впервые внимание на эту проблему обратило правительство Канады, которое в 50-е гг. прошлого века разработало программу изучения и контроля вод в озерах Новой Шотландии, где наблюдалось быстрое повышение кислотности и резкое сокращение рыбных запасов. В 70-х гг. XX в. в реках и озерах Скандинавии стала исчезать рыба, снег в горах стал серым, листья с деревьев стали опадать ранней осенью. Вскоре такие же явления стали наблюдаться на северо-востоке США, юго-востоке Канады, в Западной Европе.

Впервые проблема кислотных дождей как всемирная экологическая проблема была поднята Швецией в 1972 г. на первой Конференции ООН по окружающей среде. И это неслучайно. Доля оксидов, поступающих извне и образующих кислоты в атмосфере, для Швеции приближается к 70%. В целом для Западной Европы проблема кислотных дождей стоит достаточно остро, так как в настоящее время выпадает дождевая вода с pH <5 14, с. 1391. Так, в шотландском городе Питлокри 20 апреля 1974 г. выпал дождь с pH = 2,4 — почти столовый уксус.

Масса кислотобразующих оксидов, ежегодно поступающих в атмосферу, составляет более 150 млн т [411, т. е. на каждого жителя Земли примерно 25 кг в год.

В пресноводных озерах, ручьях и прудах обычно pH = 6—7 и водные организмы адаптированы именно к этому уровню кислотности. Даже при незначительном снижении pH гибнут яйцеклетки, сперма и молодняк водных обитателей.

Наиболее чувствительны к кислотным дождям водные экосистемы. При pH = 5,8—6 гибнут ракообразные, улитки, моллюски, лосось, форель, насекомые, зоои фитопланктон. Если pH < 5, то погибают окунь, щука, угорь, начинается бурное развитие белого мха, выживают только некоторые виды водных насекомых.

При этом наносится урон и сухопутным экосистемам, так как многие пищевые цени начинаются в водоемах. Сокращается популяция птиц, питающихся рыбой и развивающимися в воде личинками насекомых.

Кислотные осадки приводят к деградации лесов. Попадая на защитный восковой покров листьев и хвои деревьев, они разрушают его, увеличивая возможность проникновения в ткани патогенных (болезнетворных) бактерий, грибов и насекомых. Кислотные осадки выщелачивают в почве алюминий и тяжелые металлы, которые повреждают молодые корни и вызывают преждевременное старение деревьев.

Всего на нашей планете кислотными осадками повреждено почти 31 млн га лесов. В Германии повреждено до 90% хвойных деревьев. Это и неудивительно, так как там на одного жителя в год приходится по 160 кг выбросов кислотообразующих оксидов. В Беларуси в последние годы наблюдается массовая гибель еловых лесов. Экологи в качестве одной из причин этого явления, наряду с изменением климата (засухи), называют кислотные осадки. В России повреждено почти 2 млн га лесов в районах Норильска, Братска, Мончегорска.

Наиболее ощутимо действие кислотных осадков на почвы проявляется в тропиках и северных районах. Почвы в тропиках практически не содержат нейтрализаторов кислот, а в северных районах подкисляются и без того кислые (подзолистые) почвы. В кислых почвах снижается активность редуцентов и азотофиксирующих организмов, повышается активность алюминия и тяжелых металлов, которые затем попадают в конечном итоге в водоемы и водопроводную сеть, ухудшая качество питьевой воды.

Для ликвидации последствий кислотных осадков в Швеции и США были проведены эксперименты по известкованию озер. В Германии в одном из лесов в почву внесли смесь сульфата магния (800 кг/га) и доломитовой муки (2270 кг/га). Было установлено, что эти меры приводят к «выздоровлению» озер и лесов.

Для уменьшения выбросов оксидов серы и азота в атмосферу используются очистные сооружения. Существуют достаточно эффективные технологии и технические средства для улавливания оксидов серы и получения чистой серы.

Кислотные дожди губительны не только для живых организмов. Под их воздействием разрушаются древние памятники архитектуры. Мрамор под воздействием раствора серной кислоты превращается в гипс. Температурные изменения, дождь и ветер разрушают этот мягкий материал. Древнейшие памятники Греции, Рима, Индии в последние десятилетия подвергаются очень быстрому разрушению.

Первоначально правительства развитых стран пытались снижать на своих территориях количество выбросов, вызывающих кислотные осадки, но эти меры не всегда оказывались эффективными из-за наличия трансграничного переноса загрязнителей с воздушными массами, поэтому в 1979 г. была подписана Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. Принятие в соответствии с этой Конвенцией серии протоколов, устанавливающих пределы снижения для главных загрязняющих воздух веществ, стимулировало осуществление правительствами стран Европы, Канады, США, России и Беларуси государственных мер по снижению выбросов.

В результате к настоящему времени в ряде районов Европы выбросы в атмосферу S0₂ антропогенного происхождения, вызывающие кислотные осадки, сократились почти на 70% по сравнению с их максимальными значениями в 70-е гг. XX в. Примерно на 40% эти выбросы уменьшились в США. Это в значительной степени способствовало восстановлению природного кислотного баланса, но крайней мере, в Европе. В то же время в Азиатско-Тихоокеанском регионе растущая эмиссия S0₂ в связи с ростом потребления угля и других высокосернистых видов топлива остается серьезной экологической угрозой (United Nations Environment Programme, 2006).