Кислотная седиментация (кислотные дожди).

Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь¾ вымывание осадков или влажная седиментация. Второй путь¾ выпадение осадков или сухая седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной седиментацией.

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 400-500%. Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100,5%. При такой перенасыщенности капельки облаков могут возникать только на частицах аэрозоля¾ так называемых конденсационных ядрах. Этими ядрами часто являются хорошо растворимые в воде соединения серы и азота.

После начала образования капель элементы облака продолжают поглощать аэрозольные частицы и молекулы газа. Поэтому воду облака или его кристаллы можно рассматривать как раствор атмосферных элементов.

Элементы облака не могут безгранично увеличиваться. Возникающая под действием гравитации седиментация, которая растет с увеличением размера капель, рано или поздно приводит к выпадению капель облаков с высоты нескольких сотен или тысяч метров. Во время выпадения эти капли промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью земли. В это время поглощаются новые молекулы газа и новые аэрозольные частицы захватываются падающей каплей. Таким образом, достигающая поверхности земли вода вопреки всеобщему мнению никоим образом не является дистиллированной водой. Более того, во многих случаях растворенные в воде осадков вещества могут служить важным и иногда даже единственным источником восстановления запасов этих веществ в различных сферах.

Сухие осадки.

Хотя эта форма седиментации существенно отличается от влажной седиментации, конечный результат их действительно идентичен¾ попадание кислотных атмосферных микроэлементов, соединений серы и азота на поверхность Земли. Известно достаточно много разнообразных кислотных микроэлементов, однако содержание большинства из них настолько мало, что их роль в кислотной седиментаци можно не принимать во внимание.

Эти кислотные вещества могут выпадать на поверхность двумя способами. Один из них¾ турбулентная диффузия, под действием которой в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии. Турбулентное диффузионное движение в первую очередь возникает из-за того, что движение струящегося воздуха над почвой и другой поверхностью является неравномерным вследствие трения. Обычно в вертикальном от поверхности направлении ощущается увеличение скорости ветра и горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность. Таким путем компоненты воздуха достигают Земли, и наиболее активные кислотные вещества легко взаимодействуют с поверхностью.

Влияние кислотных осадков на биосферу.

Кислотные осадки оказывают вредное воз­действие не только на отдельные предмет или живые сущест­ва, но и на их совокупность. В природе и в окружающей сре­де образовались сообщества растений и животных, между ко­торыми, как и между живыми и неживыми организмами, су­ществует постоянный обмен веществ. Эти сообщества, кото­рые можно также называть экологической системой, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организ­мы, потребители и разрушители.

Влияние кислотности в первую очередь сказывается на со­стоянии пресных вод и лесов. Обычно воздействия на сообще­ства бывают косвенными, т.е. опасность представляют не са­ми кислотные осадки, а протекающие под их влиянием про­цессы (например, высвобождение алюминия). В определен­ных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости от кис­лотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения рН изменяется их раствори­мость. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсич­ные металлы. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений (например, отдельных деревьев). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источ­ника загрязнения.

Косвенные воздействия.

Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем; через почву и корневую систему, либо непосредствен­но (главным образом на листву). Подкисление почвы опреде­ляется различными факторами. В отличие от вод почва обла­дает способностью к выравниванию кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению кис­лотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наря­ду с естественными процессами на почвы в лесах и на паш­нях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая стабильность, способность к выравниванию, склонность почв к закислению изменчивы и зависят от каче­ства подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от наличия поблизости значительного источника загрязнений (рис. 23). Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности за­висит от химических и физических свойств подстилающих слоев.

Косвенные воздействия проявляются по-разному. Напри­мер, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву пита­тельными веществами. Однако в результате постоянного по­требления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы.

Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака, чем вода осадков, что приводит к увели­чению кислотности почвы. В результате этого возрастают по­тери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев.

Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего проис­ходят либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями рН.

Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит от рН. Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что алюми­ний, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живу­щих в почве организмов. Во многих почвах, например, в се­верных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, од­нако при выпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций в почвенных водах настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создает­ся опасность для существования деревьев.

Происходящие в составе почвы изменения могут преобра­зовать состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым повлиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление.

Так, например, гибель лесов в Средней и Запад­ной Европе произошла главным образом под влиянием кос­венных воздействий. Почти полностью погибли леса на площа­ди в несколько сотен тысяч гектаров.

В Венгрии, согласно исследованиям экологов, погибло бо­лее 10% дубов в северном горном массиве. Большей частью это происходит из-за извлечения тяжелых металлов в результате закисления лес­ных почв. Алюминий и различные тяжелые металлы непос­редственно воздействуют на живые существа, но могут также изменить структуру почвы и ее способность обеспечивать пи­тательными веществами.

Вероятной причиной омертвения дубов является разруше­ние прикрепляющихся к корневой системе грибов Mikorrhiza. Эти грибы находятся в симбиозной связи с отдельными вы­сшими растениями (например, с дубом); присоединяясь к разветвленной корневой системе, они в несколько раз увели­чивают ее способность впитывать питательные вещества. Для грибов Mikorrhiza характерна очень большая чувствитель­ность к кислотности. Тенденция к их сокращению и гибели в последние годы находится в непосредственной связи с выми­ранием дубов. Аналогичная ситуация сложилась с очень ре­дким, находящимся под охраной растением, — орхидеей. Со­гласно исследованиям венгерских экологов, они в определен­ных местах полностью исчезли или значительно поредели.

Дальнейшую озабоченность вызывает то, что в результате гибели наиболее чувствительных к закислению существ (мик­роорганизмы почвы, грибы, дубы) в структуре материального и энергетического баланса живых сообществ могут произойти неблагоприятные изменения, и в конечном итоге сам человек также пострадает из-за происходящих при этом необратимых процессов.

Обрабатываемые земли (пашни) находятся в несколько ином положении по сравнению с естественными лесными сис­темами. Причиной повышения кислотности обрабатываемых земель в первую очередь является широкое применение мине­ральных удобрений. Например, суперфосфаты содержат не­сколько процентов свободной серной кислоты. Азотистые удобрения содержат значительные количества нитратов и сое­динений аммония.

Способность почв к закислению в различных частях Земли.

1-высокая; 2-выше средней; 3-средняя; 4-низкая.

Растения, принимая ион аммония, отдают соответствую­щее количество ионов водорода в почву, что также ведет к ее закислению. Согласно наблюдениям в Венгрии обрабатываемые земли испытывают стремитель­ное закисление. Частично это объясняется тем, что при убор­ке растений происходит перенос вещества производительного слоя, из-за чего снижается щелочная среда почвы. Главной же причиной является внесение

минеральных удобрений. Для нейтрализации их воздействия на 1 га нужно внести 300-400 кг карбоната кальция в год, в то время как для ней­трализации воздействия кислотных осадков достаточно около 10 кг карбоната кальция. Таким образом, на интенсивно удобренных территориях кислотные осадки играют только второстепенную роль в закислении почв. Согласно мнению отдельных специалистов, из-за внесения удобрений в Венг­рии может начаться закисление почвы в катастрофических размерах. Этого можно избежать только регулярным извест­кованием почвы, а также путем исключения использования аммонийсодержащих минеральных удобрений.

Закисление пресных вод. /Собственно говоря, закисление прёсных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты дейст­вуют совместно. На значительных территориях при повыше­нии определенных значений кислотности осадков поверхност­ные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способ­ность нейтрализовать кислоты, то значение рН может сни­зиться на 1, 5, а в крайних случаях — даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под дейст­вием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смывае­мых с территории водного бассейна.

Изменение рН воды од­ного из шведских озер. Начиная 60-x годов, кислотность увеличилась почти в 100 раз, т.е. значение рН уменьшилось на 2 (по Ренбергу и Хедбергу)

Особенно интенсивно происходит закисление озер в Скан­динавских странах и в Канаде. Большинство скандинавских озер имеют гранитное или бедное известняками ложе. Такие озера обладают гораздо меньшей способностью к нейтрализации кислот, чем озера, расположенные на терри­ториях, богатых известняком. Это связано с тем, что из изве­стняковых почв выделяется ион гидрокарбоната, который обеспечивает щелочную среду и, следовательно, способность к нейтрализации кислот. Такая же ситуация сложилась и у большинства озер в Венгрии. Например, рН воды в оз. Бала-тон больше 8. Поскольку в химии атмосферы для нейтраль­ной среды принято значение рН = 5, 6, то воду этого озера следует отнести к щелочной.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз.

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способ­ности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.

2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение рН тогда падает ниже 5, 5. Наибо­лее чувствительные виды живых организмов начинают поги­бать уже при рН = 6, 5 (рис. 25).

3. При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и жи­вотный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают гибнуть уже при зачениях рН < 6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни (по данным SNV).

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 за-кислению 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 некольких 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 небио­тическими 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 небиотическим. Наиболее вероят­ным кажется мнение, согласно которому небиотические 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 сине-ргизм. 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.