Кислотний дощ: як він утворюється та яку загрозу несе природі
У XX столітті вчені з тривогою заговорили про явище, небезпечне не тільки для живої природи, але й для людської культури. Йдеться про кислотні дощі – опади, які здатні отруїти цілі водоймища, ґрунт, підземні води, ліси. Сьогодні ми розберемося, звідки беруться отруйні зливи та з якими наслідками доводиться стикатися з людиною.
Що таке кислотний дощ
Вода складається з молекул, які містять два атоми водню та один атом кисню. Але навіть у чистій воді є певна кількість іонів водню H+, або протонів. Щоб оцінити кількість іонів водню, вчені використовують рН – водневий показник. pH чистої води дорівнює 7.
Вода звичайного дощу – це слабокислий розчин, його pH = 5,6-5,7. Це відбувається через те, що вуглекислий газ, розчиняючись у дощовій воді, вступає з нею в реакцію та утворює слабку вугільну кислоту. Але така вода практично нешкідлива для людини, тварин та будівель. Інша річ – кислотні опади. Так називають не лише дощ, а й град, туман, сніг, дощ зі снігом. Тут спостерігається підвищена кислотність pH нижче 5,0. Чим нижчий рівень кислотності, тим страшнішими є наслідки опадів для навколишнього середовища.
Вперше термін «кислотний дощ» виник середині ХІХ століття Англії, де стрімко розвивалася промисловість. Лише через 100 років вчені зрозуміли, що кислотні дощі загрожують навколишньому середовищу.
Як утворюється кислотний дощ
В атмосфері присутні забруднюючі речовини – оксиди сірки та оксиди азоту. Вони викидаються у повітря через автомобілі, промислові підприємства, ТЕЦ, а також через виверження вулканів.
Під дією сонячних променів, з'єднуючись з дощовою водою, оксиди перетворюються на розчини сильних кислот: сірчаної, сірчистої, азотистої та азотної. Випадаючи разом з опадами на землю, кислоти проникають у водотоки, водоймища, грунт та підземні води.
Наслідки кислотних дощів
Такі опади підвищують кислотність води в озерах, річках та ставках до такого рівня, що рослини та тварини не можуть вижити. Спочатку гинуть водяні рослини, через що зменшується рівень кисню у воді, а тваринам не вистачає їжі. Якщо рН знижується до 5,5, гинуть донні бактерії, які переробляють органічні речовини та планктон. Коли рН досягає 4,5, вмирають риба, жаби та комахи. Також згубний дощ закисляє ґрунт, через що погіршується стан лісів.
У воді підвищеної кислотності швидше розчиняються небезпечні метали: свинець, ртуть, кадмій. Потрапляючи в їжу та питну воду, вони викликають серйозні захворювання.
Дощі завдають шкоди і культурі: багато історичних будівель побудовано з використанням карбонату кальцію (вапняку), який реагує з кислотою. Згодом кислота роз'їдає поверхню будинків, скульптур, пам'яток.
Факти про кислотні дощі
- Згідно з дослідженнями, збитки від кислотних дощів на східному узбережжі США становлять щорічно 13 мільйонів доларів.
- Руйнівні опади можуть пошкодити навіть металеві конструкції: трубопроводи, автомобілі, дроти.
- Кислотні опади можуть випадати за сотні та тисячі кілометрів від місця своєї освіти – це явище називають транскордонністю.
- Не всі живі організми гинуть від кислоти: у 2005 році в болотах Суматри було виявлено рибку Paedocypris progenetica завдовжки менше сантиметра.Вона змогла пристосуватися до життя у воді, кислотність якої була в сотню разів вищою за дощову.
Кислотними дощами прийнято називати будь-які атмосферні опади (дощ, сніг, град), що містять кількість кислот. Наявність кислот призводить до зниження рівня рН. Водневий показник (рН) – величина, що відображає концентрацію іонів водню у розчинах. Чим нижчий рівень рН, тим більше іонів водню в розчині, тим кислішим є середовище.
Для дощової води середнє значення рН дорівнює 5,6. У разі коли рН опадів менше 5,6 – говорять про кислотні дощі. З'єднаннями, що призводять до зниження рівня рН опадів, є оксиди сірки, азоту, водень хлористий і леткі органічні сполуки (ЛОС).
Причини кислотних дощів
Кислотні дощі за своєю природою походження бувають двох типів: природні (виникають в результаті діяльності самої природи) і антропогенні (викликаються діяльністю людини).
Природні кислотні дощі
Причин виникнення кислотних дощів природним шляхом небагато:
діяльність мікроорганізмів Ряд мікроорганізмів у процесі своєї життєдіяльності спричиняє руйнування органічних речовин, що призводить до утворення газоподібних сполук сірки, які природно потрапляють в атмосферу. Кількість оксидів сірки, що утворюються таким шляхом, обчислюється порядком 30-40 млн. тонн на рік, що становить приблизно 1/3 від загальної кількості;
вулканічна діяльність постачає в атмосферу ще 2 млн тонн з'єднань сірки. Разом з вулканічними газами до тропосфери потрапляють діоксид сірки, сірчистий водень, різні сульфати та елементарна сірка;
розпад азотовмісних природних сполук.Оскільки в основі всіх білкових сполук є азот, чимало процесів призводить до утворення оксидів азоту. Наприклад, розпад сечі. Звучить не дуже приємно, але це життя;
грозові розряди дають близько 8 млн. тонн сполук азоту на рік;
горіння деревини та іншої біомаси.
Антропогенні кислотні дощі
Оскільки мова пішла про антропогенний вплив, то не треба мати великий розум, щоб здогадатися, що мова піде про згубний вплив людства на стан планети. Людина звикла жити в комфорті, забезпечувати себе всім необхідним, тільки от «прибирати» за собою не звикла. Чи то з повзунків ще не виріс, чи то розумом не доріс.
Основною причиною кислотних дощів є забруднення атмосфери. Якщо років тридцять тому як глобальні причини, що викликають появу в атмосфері з'єднань, що «окислюють» дощ, називалися промислові підприємства та теплові електростанції, то сьогодні цей список доповнився автомобільним транспортом.
Теплоелектростанції та металургійні підприємства «дарують» природі близько 255 млн. тонн оксидів сірки та азоту.
Твердопаливні ракети також зробили і роблять чималий внесок: запуск одного комплексу «Шаттл» призводить до викиду в атмосферу понад 200 тонн хлористого водню, близько 90 тонн оксидів азоту.
Антропогенними джерелами оксидів сірки є підприємства, що виробляють сірчану кислоту та переробляють нафту.
Вихлопні гази автомобільного транспорту – 40% оксидів азоту, що у атмосферу.
Основним джерелом ЛОС в атмосфері, звичайно, є хімічні виробництва, нафтосховища, бензозаправки та бензоколонки, а також різні розчинники, що застосовуються як у промисловості, так і в побуті.
Підсумковий результат наступний: людська діяльність постачає в атмосферу понад 60% сполук сірки, близько 40-50% сполук азоту та 100% летких органічних сполук.
З погляду хімії в тому, що утворюються кислотні дощі, нічого складного та незрозумілого немає. Оксиди, потрапляючи в атмосферу, реагують із молекулами води, утворюючи кислоти. Оксиди сірки, потрапляючи у повітря, утворюють сірчану кислоту, оксиди азоту – азотну. Слід зважати і на такий факт, що в атмосфері над великими містами завжди містяться частинки заліза та марганцю, які виступають каталізаторами реакцій. Оскільки в природі існує кругообіг води, то вода у вигляді опадів рано чи пізно потрапляє на землю. Разом із водою потрапляє й кислота.
Наслідки кислотних дощів
Термін «кислий дощ» вперше з'явився в другій половині XIX століття і був уведений у вжиток британським хімікам, які займалися питаннями забруднення Манчестера. Їм було помічено, що суттєві зміни у складі дощової води викликаються парами та димом, що потрапляють в атмосферу внаслідок діяльності підприємств. В результаті проведених досліджень було виявлено, що кислотні дощі викликають знебарвлення тканин, корозію металу, руйнування будматеріалів та призводять до загибелі рослинності.
Минуло близько ста років, перш ніж вчені всього світу забили на сполох, говорячи про шкідливий вплив кислотних дощів. Ця проблема вперше була піднята у 1972 році на конференції ООН, присвяченій навколишньому середовищу.
Окислення водних ресурсів. Найбільш чутливими виявляються річки та озера. Відбувається загибель риб. Незважаючи на те, що деякі види риб можуть витримувати незначне підкислення води, вони також гинуть через втрату кормових ресурсів.У тих озерах, де рівень рН менше 5,1, не було спіймано жодної риби. Пояснюється це тим, що гинуть дорослі екземпляри риб – при рН рівному 5,0, більшість може вивести мальків з ікринок, у результаті відбувається скорочення числового і видового складу популяцій риб.
Шкідливий вплив на рослинність. Кислотні дощі діють на рослинний покрив прямо та опосередковано. Пряма дія відбувається у високогірних районах, де крони дерев виявляються у прямому сенсі зануреними у кислотні хмари. Надмірно кисла вода руйнує листя та послаблює рослини. Непряма дія відбувається за рахунок зниження рівня поживних речовин у ґрунті і, як наслідок, збільшення частки токсичних речовин.
Руйнування творінь рук людини. Фасади будівель, пам'ятники культури та архітектури, трубопроводи, машини – все піддається впливу кислотних дощів. Було проведено багато досліджень і всі вони говорять про одне: за останні три десятиліття процес впливу кислотних дощів значно зріс. У результаті під загрозою опиняються не тільки мармурові скульптури, вітражне скло старовинних будівель, а й вироби зі шкіри та паперу, що мають історичну цінність.
Здоров'я людини. Самі по собі кислотні дощі не безпосередньо впливають на здоров'я людини – потрапивши під такий дощ або поплававши у водоймі з підкисленою водою, людина нічим не ризикує. Загрозу здоров'ю представляють сполуки, які утворюються у атмосфері через потрапляння до неї оксидів сірки та азоту. Сульфати, що утворюються, переносяться повітряними потоками на значні відстані, вдихаються багатьма людьми, і, як показують дослідження, провокують розвиток бронхітів і астми.Іншим моментом є те, що людина харчується дарами природи, гарантувати нормальний склад продуктів можуть не всі постачальники.
Оскільки ця проблема носить глобальний характер, то й вирішити її можна лише спільно. Реальним виходом буде скорочення викидів діяльності підприємств, як у атмосферу, і у воду. Варіантів рішення лише два: припинення діяльності підприємств або встановлення дорогих фільтрів. Є третє рішення, але воно лише в перспективі – створення екологічно безпечних виробництв.
Слова про те, що кожна людина має усвідомлювати наслідки своїх вчинків, давно набили оскому. Але й те, що поведінка суспільства складається з поведінки окремих індивідуумів, не посперечаєшся. Складність полягає в тому, що людина в питаннях екології звикла відокремлювати себе від людства: повітря забруднюють підприємства, токсичні відходи потрапляють у воду через несумлінні фірми та компанії. Вони – це вони, а я – це я.
Побутові аспекти та індивідуальні шляхи вирішення проблеми
Строго дотримуватись правил утилізації розчинників та інших речовин, що містять токсичні та шкідливі хімічні сполуки.
Відмовитися від автомобілів. Можливо? – Навряд.
Вплинути на встановлення фільтрів, впровадження альтернативних способів виробництва може далеко не кожен, але дотримання екологічної культури та виховання підростаючого покоління екологічно грамотним і культурним – не тільки можливо, це має стати нормою поведінки кожної людини.
Нікого не дивує безліч книг та фільмів, присвячених результатам техногенного впливу людини на природу.У фільмах яскраво та з лякаючою реалістичністю постають мертва поверхня планети, боротьба за виживання та різні мутантні форми життя. Казка, вигадка? – Цілком реальна перспектива. Вдумайтеся, ще недавно польоти в космос здавалися вигадкою, гіперболоїд інженера Гаріна (сучасні лазерні установки) – фантастикою.
Думаючи про майбутнє планети Земля, варто думати не про те, що чекає людство, а про те, в якому світі житимуть діти, онуки та правнуки. Лише особиста зацікавленість може спонукати людину на реальні кроки.
Сподобалася стаття? Напишіть свою думку у коментарях.
Кислотні дощі – це опади з високими рівнями азотної та сірчаної кислот, з показником кислотності pH від 4,2 до 4,4. Нейтральним вважається pH 7. Чим нижче pH речовини, тим більше кисле. Цей показник у звичайного дощу становить приблизно 5,6. Кислотні опади можуть випадати у вигляді снігу, мокрого снігу, туману та частинок.
Вперше термін "кислотний дощ" використовував шотландський хімік Роберт Ангус Сміт, в 1852 він показав зв'язок між цим явищем і забрудненням навколишнього середовища в Манчестері.
У 1872 році вчений у своїй монографії "Повітря і дощ: початок хімічної кліматології" дав визначення кислотним дощам і вперше досліджував їх наслідки. Але серйозною проблемою такі опади визнали лише наприкінці 1960-х та на початку 1970-х років. Тоді з наслідками цієї проблеми зіткнулися на значних територіях Західної Європи та східної частини Північної Америки, меншою мірою – в Азії та деяких частинах Африки, Південної Америки та Австралії.
Причини та механізм утворення кислотних дощів
Кислотні дощі утворюються внаслідок діяльності людини, а також з природних причин.
При спалюванні викопного палива відбувається викид діоксиду сірки та оксиду азоту. Ці забруднювачі повітря реагують з водою, киснем та іншими речовинами з утворенням сірчаної та азотної кислот, що переноситься повітрям. Вітрами ці кислотні сполуки поширюються в атмосфері, поєднуються з водою та іншими речовинами і випадають з опадами. Енергетична промисловість, особливо вугільні електростанції, та вихлопні гази двигунів внутрішнього згоряння у відповіді за значну кількість викидів діоксиду сірки та оксиду азоту.
Серед природних причин кислотних дощів – вулканічна діяльність. В результаті її утворюються вугільна кислота, органічні кислоти та сірчана кислота, азотна та соляна кислоти. Усі ці сполуки сприяють підвищенню кислотності опадів. Ще однією причиною може стати розкладання рослин. Перетворення атмосферного молекулярного азоту під впливом блискавок та органічного азоту внаслідок лісових пожеж також роблять свій внесок у підвищення кислотності опадів.
Наслідки кислотних дощів
Зазвичай одноразовий кислотний дощ незначно впливає на навколишнє середовище. Але якщо pH опадів постійно нижче 4,5, це негативно впливає попри всі рівні екосистеми.
Порівняння кислотності речовин (в pH) та вплив кислотних дощів Environment Canada
Кислотні дощі:
- Сприяють виснаженню ґрунту та шкодять урожайності сільгоспкультур. Накопичення кислот у землі витісняє корисні речовини із верхніх шарів ґрунту.
- Сприяють корозії поверхонь, які перебувають у контакті з повітрям.
- Приводять до зменшення площі лісів через скорочення ґрунтових мікробних угруповань на тлі активного підкислення ґрунту.
- Забруднюють довкілля та знижують продуктивність рослин
- Приводять до швидкого руйнування будівель та пам'ятників з вапняку та мармуру. Газоподібний діоксид сірки реагує з вапняком у присутності води і утворюється гіпс. Згодом він відшаровується або розчиняється у воді.
- Негативно впливають на озерні, гирлові та прибережні морські системи. Надлишок азоту призводить до інтенсивного зростання рослин та водоростей. При їх загибелі і розкладанні у водоймах стає все менше розчиненого кисню, який необхідний для багатьох організмів, що там живуть.
Країни, де можна потрапити під кислотні дощі
Занадто кислі опади спостерігаються в районах, де багато промислових підприємств та автобанів, а також висока щільність населення. Кислотні дощі йдуть на значній частині Європи від Польщі на північ до Скандинавії, на сході США та південному сході Канади.
Європа та Північна Америка
У Західній Європі та східній частині Північної Америки вчені ще наприкінці 1960-х років зафіксували зміну хімічного складу річок та озер у віддалених районах.
Там зазначалося погіршення стану популяцій риб, раків та молюсків. У холодному кліматі водоймища забруднюються також внаслідок накопичення сірчаної та азотної кислот у сніговому покриві. Коли сніг тане, ці сполуки швидко вимиваються і призводять до утворення кислої талої води, яка, своєю чергою, негативно впливає грунт і живі організми.
Кислотність дощової води у Канаді, Данії та Німеччині періодично становить від 4,2 до 4,5, а США – 4,8. Показник кислотності опадів у Польщі знаходиться в діапазоні від 3,64 до 7,36, а середні значення – від 4,52 до 6,58.В Австрії, Республіці Білорусь, Хорватії, Фінляндії, Ірландії, Норвегії, Італії, Швейцарії та Великобританії pH – між 4,19 та 5,82 із середнім значенням 4,8.
Китай
Райони Китаю також страждають від цього явища. У кількох десятках міст КНР значення pH дощової води перебувають у діапазоні від 3,8 до 4,5, а середнє значення становить близько 5,6.
Індія
В Індії частота випадання кислих опадів зростає останні 40 років. Промисловість цієї країни є відповідальною за величезні викиди діоксиду сірки. Очікується, що викиди цієї сполуки та діоксиду азоту в Індії зростатимуть принаймні до 2030 року. Крім того, місцеві аграрії через надмірне використання добрив та пестицидів додають в атмосферу аміак та хімічно активні азотні сполуки, що ще більше збільшує кислотність опадів.
Загалом, за даними експертів, сьогодні викиди діоксиду сірки у західних частинах світу знижуються, ситуація з кислотними дощами там покращується. При цьому на сході, в регіонах Південної та Центральної Азії, ситуація посилюється через зростання промислового сектора та збільшення щільності населення.
Кислотні дощі в Росії
Діоксид сірки та оксид азоту можуть переноситися вітрами на великі відстані, у тому числі через кордони, що робить кислотні дощі проблемою для всіх країн, а не лише тих, хто є відповідальним за масштабні викиди. Ще 1984 року радянські вчені повідомили, що станції моніторингу вздовж західних кордонів СРСР фіксують випадання кислотних дощів із Центральної та Західної Європи. Тоді зазначалося, що вода в озерах на північному заході Росії, особливо в Карелії та Кольському півострові, має підвищену кислотність.Згідно з доповіддю, від кислих опадів постраждало 4% радянської території, що примикає до західного кордону.
Розвиток енергетики та промисловості в Росії також призводить до зростання викидів діоксиду сірки. Наприклад, згідно з супутниковими даними, отриманими в ході спостереження за скупченнями цієї сполуки, у 2017 році серед її антропогенних джерел виділявся Норильськ. Там є кілька копалень на великих родовищах нікелю, міді, платини та паладію. Плавлення руди призводить до серйозних викидів діоксиду сірки. Вчені зазначали, що вплив Норильська за обсягами виділення цієї сполуки можна порівняти з пасивною дегазацією деяких найбільш активних вулканів, що вивергаються. Дослідники зафіксували масштабну деградацію лісів навколо Норильська, пов'язану із регулярним впливом високих концентрацій газу.
Сьогодні значна частина сполук сірки та азоту у більшості регіонів РФ приноситься з територій прикордонних країн. Винятки становлять Челябінська, Мурманська та Свердловська області. Там за викиди здебільшого відповідальні місцеві підприємства.
За кислотністю опадів у нашій країні спостерігають понад 100 станцій. Також діє система контролю забруднення сніжного покриву. Вчені також відстежують показник pH, вміст в осадах важких металів та інших забруднювачів.
Як можна запобігти кислотним дощам
Відрізнити кислотний дощ від звичайного із нормальним рівнем pH неможливо без спеціальних досліджень. Але хороша новина в тому, що з причинами таких опадів можна боротися, і багато країн це успішно роблять.
У 1970-х роках розпочалася розробка Меморандуму про наміри між США та Канадою щодо скорочення забруднення повітря та кислотних викидів.На конференції ООН з навколишнього середовища в Стокгольмі в 1972 році країни започаткували міжнародне співробітництво для вирішення цих проблем. Женевська конвенція про транскордонне забруднення повітря, прийнята у 1979 році, лягла в основу комплексу заходів для скорочення забруднення повітря та кислотних дощів у Європі. По суті, цей документ став першою юридично обов'язковою міжнародною угодою з цієї теми.
Завдяки вжитим заходам частота випадання кислотних опадів у Європі та сході Північної Америки скоротилася. Якщо в 1970-80 роки р. дощу в останньому регіоні міг опуститися до 2,1, то зараз завдяки контролю максимальна кислотність дощів фіксується в середньому в 3,7.
У 2007 році в Китаї почали суворо контролювати промислові викиди, до 2019 року це призвело до зниження на 75% обсягу діоксиду сірки, що виділяється. При цьому в Індії контроль не посилювали, і викиди продовжували зростати.
Сьогодні багато країн акцентують увагу на джерелах викиду сполук, які роблять опади кислими. Що можна зробити на підприємствах та в побуті, щоб мінімізувати викиди:
- Очищати димові та вихлопні труби,
- Розширювати використання альтернативних джерел енергії,
- Використовувати вугілля з низьким вмістом сірки,
- Оснащувати виробництва скруберами – пристроями для очищення твердих або газоподібних середовищ від домішок,
- Застосовувати десульфурізацію або очищення димових газів, яка дозволяє видалити до 95% діоксиду сірки з викидів,
- Використовувати на вихлопних трубах каталітичні нейтралізатори, які дозволяють зменшити викиди оксиду азоту при спалюванні автомобільного палива.