logo
ЭколКульт1 / EKOLOGIY

8.7.2. Кислотные осадки

В отсутствие загрязнителей дождевая вода обычно имеет не нейтральную (pH = 7), а слабокислую реакцию (pH = 5,6), обусловленную растворением в ней углекислого газа из воздуха с образованием слабой угольной кислоты. Таким образом, кислотными называются осадки с показателем pH от 5,5 и ниже. Кислотными могут быть любые осадки (дождь, снег, град, туман и т.д.), возможно также выпадение сухих кислых частиц – кислотных отложений, которые накапливаются, например, на поверхности растений и при смачивании небольшим количеством воды дают сильные кислоты – кислотную росу. Сильные дожди, как правило, менее кислотные, у туманов же показатель pH может упасть ниже всего, т.к. в них кислоты растворены в относительно меньшем количестве воды.

Химический анализ кислотных осадков показал, что их кислотность на две трети обусловлена присутствием серной кислоты (H2SO4) и на одну треть – азотной кислоты (HNO3). И серная, и азотная кислоты являются вторичными загрязнителями, образующимися в атмосфере в результате сложных, идущих в несколько этапов реакций между оксидами серы и азота и парами воды. Общая схема этих реакций может быть выражена следующим образом:

Установив причину возникновения кислотных осадков, нетрудно понять, что в наибольшей степени от них страдают промышленные районы и крупные города с большим количеством автотранспорта. Кислотные осадки уже являются серьезной проблемой в Северной и Центральной Европе, на северо-востоке и в ряде районов запада США, на юго-востоке Канады. Выпадают кислотные осадки и в некоторых тропических районах, где промышленность практически не развита, из-за выделения оксидов азота при сжигании биомассы. В среднем осадки в перечисленных регионах имеют кислотность около 4, однако отмечались случаи осадков, для которых pH = 1,5, т.е. с концентрацией ионов водорода в 10000 раз превышающей норму (напомним, что шкала pH – логарифмическая).

Кислотные осадки весьма пагубно сказываются на экосистемах. Рассмотрим, как это происходит.

Влияние на водные экосистемы.Кислотные осадки могут сильно повлиять на кислотность воды в водоемах. Кислотность среды играет чрезвычайно важную роль, т.к. от нее зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков. На крупные виды незначительные изменения кислотности могут и не оказывать сильного влияния, поскольку необходимый уровень pH внутри организма поддерживается за счет метаболизма, а кожа обеспечивает более или менее надежную защиту от внешних воздействий. Однако яйцеклетки, сперма и молодые особи защищены недостаточно, и именно на них сказывается, в первую очередь, повышение кислотности. В пресноводных водоемах показатель pH обычно колеблется около значения 7, к чему хорошо адаптированы водные организмы. При повышении кислотности водные организмы вымирают либо в результате прямого действия ионов водорода, либо из-за невозможности размножения. При снижении pH до 6,5 – 6,0 погибают многие моллюски, ракообразные, пиявки, гибнет икра земноводных. При дальнейшем снижении pH до 6,0 – 5,0 гибнут наиболее чувствительные планктонные организмы и насекомые, сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь, щука. При pH < 5,5 гибнут угорь и голец, мхи и нитчатые водоросли вытесняют основную растительность водоемов, иногда в воду с суши даже переселяется сфагновый мох. При снижении pH до 4,5 вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные процессы с выделением метана и сероводорода. Дополнительный ущерб возникает из-за того, что кислотные осадки, просачиваясь в почву, выщелачивают алюминий, в изобилии присутствующий в глинистых почвах, и тяжелые металлы (ртуть, свинец и др.). Обычно эти металлы связаны в почве в нерастворимых соединениях и не поглощаются организмами, однако под действием кислотных осадков они переходят в растворимые формы и, попадая затем с грунтовыми и поверхностными водами в водоемы, оказывают сильное токсическое действие на живые организмы (этот процесс называется биологической мобилизацией). Алюминий повреждает жаберный аппарат, вызывает аномалии развития и гибель эмбрионов рыб. Из-за нарушений кальциевого равновесия рыбы теряют способность к воспроизводству. Ущерб от кислотных осадков не ограничивается гибелью водных организмов: из-за сокращения количества насекомых, личинки которых развиваются в воде, сокращаются популяции многих птиц, питающихся этими насекомыми, уменьшаются и исчезают популяции рыбоядных птиц и т.д.

Влияние на растительность.Кислотные осадки – одна из причин деградации лесов. Наиболее чувствительны к ним лишайники, которые поэтому называют "индикаторами" чистого воздуха. Самые чувствительные из деревьев – ель, лиственница, пихта, бук, граб. Существует несколько путей воздействия кислотных осадков на растения. Во-первых, это нарушение защитного воскового покрова листьев, что делает растения более уязвимыми для насекомых, грибов, других патогенных организмов, повышает испарение влаги. Во-вторых, это вымывание биогенов (кальций, магний, натрий и др.) из почвы, а также снижение активности почвенных редуцентов и азотфиксаторов, что еще более обостряет дефицит биогенов. В-третьих, это биологическая мобилизация металлов, например, соединения алюминия разрушают корневые волоски, что приводит к водному стрессу и нарушениям процесса питания, последнее особенно опасно при невысоком отношении концентрации кальция к концентрации алюминия. Весьма возможно синергическое взаимодействие озона и кислотных осадков.

Влияние на людей.Биологически мобилизованные тяжелые металлы по пищевым цепям попадают в организм человека, вызывая различные нарушения (см. раздел 8.4). Большую опасность представляет и алюминий, вызывающий болезнь Альцгеймера (разновидность преждевременного старения). Кислотные осадки стимулируют возникновение и обострение многих болезней дыхательной системы, кроме того, способствуют росту популяцииgiardia, простейших, вызывающих серьезную кишечную инфекцию (например, у альпинистов и скалолазов, пьющих воду из, казалось бы, чистых горных ручьев).

Влияние на материалы.Кислотные осадки значительно ускоряют коррозию металлов, представляя серьезную опасность для различных металлических конструкций (железнодорожные рельсы, опоры мостов и эстакад и т.п.). Особенно губительно воздействие кислотных осадков на мрамор и известняк. Под угрозой полного разрушения находятся многие памятники: античные памятники Греции и Рима, шедевр индийской архитектуры Тадж-Махал, Тауэр и Вестминстерское аббатство в Лондоне, Казанский собор, Мраморный дворец, сооружения Александро-Невской лавры, скульптуры в Летнем саду в Санкт-Петербурге, собор Святого Павла в Риме, статуи на соборе Святого Иоанна и Королевский дворец в Голландии и др. Существует опасность утраты в ближайшие 15 – 20 лет ценнейших витражей в Шартре, Кентербери, Кельне, Эрфурте, Праге, Берне, Санкт-Петербурге, Москве, Новгороде, Пскове и других городах.

Многие районы получают примерно одинаковое количество кислотных осадков, однако последствия их выпадения различны. Это объясняется тем, что различные экосистемы имеют различную буферную емкость.

Под буферной емкостью понимается способность экосистем нейтрализовать кислоты, удерживая значение pH окружающей среды на более или менее одном уровне.

В качестве буфера в водоемах и почвах часто выступает известняк, т.е. карбонат кальция (CaCO3). В сельском хозяйстве давно используется это свойство известняка для нейтрализации кислых почв, для этой же цели используют также яичную скорлупу, раковины устриц и других моллюсков, также содержащих карбонат кальция.

В первую очередь от кислотных осадков страдают экосистемы с низкой буферной емкостью. Но буферная емкость любой экосистемы не безгранична. Рано или поздно регулярное многолетнее воздействие кислот истощает запас большинства сдерживающих закисление веществ, и как бы внезапно начинается массовая гибель водных организмов и растительности. Этот скрытый период истощения буферной емкости может длиться 10 – 20 лет, в чем состоит дополнительная опасность кислотных осадков.

Как и в случае других загрязнений, возможны две стратегии борьбы с кислотными осадками: устранение симптомов и устранение причин. С целью уменьшения отрицательного воздействия кислотных осадков искусственно повышают буферную емкость экосистем: вносят известь в водоемы, почвы и т.д., хотя еще неизвестно, способствует ли это сохранению естественных экосистем. По-настоящему проблему может решить лишь вторая стратегия. Основным в ней является сокращение выбросов кислотообразующих веществ. Наряду с уже рассмотренными в предыдущем разделе методами снижения выбросов в атмосферу оксидов азота (экономное расходование энергии, поиски альтернативных источников энергии, совершенствование двигателей и т.д.) упомянем также устройства, позволяющие снизить выбросы оксидов серы: