VI.1. Кислотные осадки

Впервые выражение "кислотный дождь" использовал в 1872 г. британский исследователь Р.А.Смит, а в 50-х годах нашего столетия скандинавские ученые отметили их потенциальную опасность для окружающей среды. Таким образом, эта проблема отнюдь не нова.

Кислотными называют осадки, рН которых ниже 5,6. Их источник в атмосфере — микрогазы, содержащие соединения серы и азота. Эти соединения могут попадать в атмосферу как в результате естественных природных процессов, так и деятельности человека.

К естественным источникам эмиссии двуоксиси серы, окиси и двуокиси азота, т.е основных "поставщиков" кислотных осадков, относятся:

1) процессы разрушения органических веществ с помощью анаэробных бактерий, в результате чего образуются газообразные соединения серы. Установлено, что выделение серы подобным путем составляет 30—40 млн. тонн в год;

2) извержения вулканов, что приводит к ежегодному попаданию в атмосферу около 2 млн. тонн серосодержащих соединений;

3) испарение воды с поверхности морей и океанов, в результате чего с частицами морской соли, содержащей сульфаты, в воздух поступает примерно 50—200 млн. тонн.

Однако с точки зрения образования кислотных дождей этот источник не имеет существенного значения, так как из-за больших размеров частицы соли не попадают в верхние слои атмосферы, а из сульфатов морского происхождения серная кислота не образуется. Вместе с тем этот источник важен как регулятор образования облаков и осадков;

4) почвенная эмиссия оксидов азота. Эти соединения образуются из нитритов в результате деятельности денитрифицирующих микроорганизмов (8 млн. тонн ежегодно в пересчете на азот);

5) грозовые разряды, сопровождающиеся высокой температурой и переходом молекулярных кислорода и азота в плазменное состояние также приводит к образованию оксидов азота (до 8 млн. тонн в год);

6) лесные пожары, в результате которых в воздух поступает 12 млн. тонн год оксидов азота;

7) прочие источники естественных выбросов соединений азота (окисление аммиака в атмосфере, разложение закиси азота с обратным поступлением NOx, фотолитические процессы на поверхности океанов и т.д.) с трудом поддаются оценке и составляют 2—12 млн. тонн в год.

Среди антропогенных источников образования атмосферных соединений серы основное место занимает сжигание угля, которое дает 70% выбросов двуокиси серы, а также сгорание нефтепродуктов и переработка нефти, металлургическая промышленность, предприятия по производству серной кислоты.

Таким образом в результате деятельности человека в атмосферу поступает 60—70 млн. тонн двуокиси серы, т.е. в два раза больше, чем это происходит естественным путем. Почти 40% из 56 млн. тонн ежегодных выбросов оксидов азота образуются из антропогенных источников. Главные из них: сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа) — 12 млн. тонн в год, и транспорт — от двигателей внутреннего сгорания поступает в атмосферу 8 млн. тонн. С различными видами промышленности выбрасывается в воздух около 1 млн. тонн оксидов азота. В целом количество естественных и искусственных выбросов соединений, принимающих участие в образовании кислотных осадков, приблизительно одинаково, однако антропогенные выбросы двуоксиси серы и оксидов азота сосредоточены на ограниченных территориях с развитой промышленностью и, таким образом именно в этих местах создаются высокие концентрации кислотных микроэлементов в атмосфере. Вымывание кислотных веществ из атмосферы происходит во время образования облаков и осадков. Если бы в воздухе не было микроэлементов, то рН атмосферных осадков составляло бы 5,6 благодаря наличию углекислого газа. Загрязнение окружающей среды, как последствие антропогенного вмешательства в природные процессы резко увеличивает кислотность. Вот что пишет известный специалист по проблеме кислотных дождей Л.Хорват:

"В Венгрии, например, за последние 10 лет среднее значение рН = 4,5. Максимальная для Венгрии кислотность осадков (рН = 3) уже означает примерно 400-кратное увеличение концентрации водородных ионов по сравнению с точкой нейтрализации.

Наибольшее в мире значение кислотности (рН = 2,25) установили в Китае в 1981 г. в районе с сильным загрязнением воздуха. Эта атмосферная вода, фактически являющаяся кислотой, представляет непосредственную опасность для окружающей среды и человека. В каждом ее литре содержалось около 0,3 г серной или азотной кислоты, в то время как даже используемый в хозяйстве уксус имеет рН = 2,8".

Каково же влияние кислотных дождей на окружающую среду? Кислотные осадки оказывают вредное воздействие на все объекты, т.е. процессы и предметы, на которое влияет изменение рН. Эти воздействия могут быть прямыми и/или косвенными.

Косвенные воздействия кислотных осадков на растения происходят через почву и могут проявляться по разному. Например, осадки, содержащие азотные соединения, первое время оказывают даже позитивный рост-стимулирующий эффект на растения. В дальнейшем же происходит перенасыщение азотом и увеличивается вымывание нитритов, что ведет к закислению почвы. Кислотные осадки приводят к выщелачиванию кальция, магния и калия из почвы, повышению мобильности тяжелых металлов. Поскольку растворимость последних также зависит от рН, то эти металлы, будучи ядами для растений, способны привести к их гибели. Соотношение алюминий/ кальций в почвенных водах в случае выпадения кислотных осадков настолько возрастает, что тормозится рост корневой системы, а сам алюминий оказывает токсическое действие на почвенные микроорганизмы. Изменение состава микроорганизмов явно влияет на процессы разложения, минерализации и связывания азота. Показателен следующий пример косвенного воздействия: известно, что грибы Mikorhiza, являясь симбионтами, живут на корневой системе дубов и значительно увеличивают способность этой системы к всасыванию питательных веществ. Но эти грибы чрезвычайно чувствительны к повышению кислотности и, погибая сами, являются причиной омертвения дубов. Подобная ситуация сложилась и с орхидеей — редким видом, находящимся в Европе под охраной. Вообще в результате действия кислотных осадков, деревья легче поражаются вредителями и патогенами.

Закисление пресных вод — это потеря ими способности к нейтрализации. Особо интенсивное закисление озер наблюдается в Скандинавии и Канаде. Дело в том, что большинство этих озер имеет бедное известняками (гранитное) ложе и потому не обладает достаточной способностью к нейтрализации. Исследования, проводимые в Швеции показали, что почти 18000 озер имеют рН ниже 5,5, что неблагоприятно влияет на здоровье рыбных сообществ и уже привело к исчезновению некоторых популяций рыб. Уменьшение рН также влияет и на земноводных, фито- и зоопланктон. Это особенно заметно, если сравнить видовой состав флоры и фауны в озерах с близким набором питательных веществ и ионов, но различной кислотностью. Когда среда водных экосистем имеет кислую реакцию, то, практически все организмы, особенно на ранних стадиях развития, погибают, прежде всего из-за невозможности размножения. Могут прерываться многие пищевые цепи, что в свою очередь приводит к снижению биоразнообразия.

Прямые или непосредственные воздействия кислотных осадков в наибольшей степени ощущается вблизи мест выбросов в атмосферу загрязнений (обычно не более нескольких десятков километров). Например, двуокись серы, проникая в организм растения, вмешивается в окислительные реакции, что приводит к образованию свободных радикалов. Последние окисляют ненасыщенные жирные кислоты мембран, изменяя их проницаемость, что оказывает негативное действие на дыхание и фотосинтез. Оксиды азота под влиянием солнечного света генерируют озон, который, соединяясь с теми же оксидами азота, образует весьма агрессивное вещество — PAN (пероксиацетилнитрат). PAN также вмешивается в жизненно важные процессы окисления, протекающие в растительных организмах, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Прямой эффект на растения может выражаться также и в генетических изменениях. Наиболее чувствительными к действию кислотных осадков являются некоторые виды лишайников и хвойных деревьев. Можно считать доказанной роль двуокиси серы и оксидов азота в гибели лесов. Важно отметить, что косвенные и прямые воздействия происходят обычно одновременно, дополняя и усиливая друг друга.

Поскольку от величины рН зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков, регулирующих обмен веществ в организме, его размножение, рост и развитие, то вполне очевидно, что атмосферные кислотные микроэлементы оказывают весьма выраженный эффект на человека. Правда, в данном случае (если иметь в виду прямой эффект), речь идет уже не о кислотных дождях, а о кислотных веществах per se (двуокись серы, двуокись азота, кислотные аэрозольные частицы). Установлена связь между различными заболеваниями дыхательных путей и загрязнением воздуха диоксидом серы.

Но, кроме непосредственного воздействия, на человека существенно и косвенное влияние кислотных осадков. В частности, выше мы указывали, что алюминий и тяжелые металлы, высвобожденные в результате действия кислотных дождей, могут попадать в трофические цепи, в конце которых стоит человек. В кислотных осадках, выпавших в 1988 г. в Черновцах, содержались таллий и алюминий. Эти осадки вызвали заболевания более 100 детей.

Следует отметить и влияние кислотных осадков на продукты культурной деятельности людей — жилые здания и архитектурные памятники. В первую очередь подвержены опасности памятники из песчаника и известняка; содержащийся в них карбонат кальция относительно легко растворяется и превращается в сульфат, который вымывается с водой. Действием, в основном, именно кислотных дождей можно объяснить разрушение за последние полвека памятников культуры в Италии и Греции, сохранявшихся на протяжении тысячелетий в условиях тогда стабильно чистой воздушной среды. Кислотные дожди способны коррозировать находящиеся на открытом воздухе металлические изделия и конструкции (линии электропередач, транспортные средства, мосты, машинное оборудование).