Реферат: Влияние кислотных осадков на биосферу Земли

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате воз­никновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кро­ме того, оксиды азота образуются в результате горения имею­щихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным ис­точником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на огра­ниченных территориях Земли.

Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кис­лотных осадков.

Атмосферный аммиак.

Аммиак, имеющий в водном рас­творе щелочную реакцию, играет значительную роль в регу­лировании кислотных дождей, так как он может нейтрализо­вать атмосферные кислотные соединения с помощью следую­щих реакций:

(аммиак+ серная кислота - гидросульфат аммония);

(аммиак+ гидросульфат аммония = сульфат аммония);

(аммиак+ азотная кислота - нитрат аммония).

Таким образом, эти химические реакции ведут к образо­ванию сульфата и нитрата аммония.

Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разру­шаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий, приводящая в конечном счете к образо­ванию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Се­верная Европа и Северная Америка), особенно в зимние меся­цы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются ней­трализации и, таким образом, возрастает опасность выпаде­ния кислотного дождя.

В процессе распада мочи домашних животных высвобож­дается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что, например, в Европе он превыша­ет возможности выделения аммиака почвой. Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость распада ниже. Существенными ис­точниками аммиака могут служить также производство и внесение в землю искусственных удобрений. Меньшее коли­чество аммиака может попасть в атмосферу в результате сго­рания угля или горючего транспортных средств.

Распространение кислотных веществ в атмосфере.

Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, естественно, не задерживают­ся на одном месте, а распространяются в вертикальном и го­ризонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, ко­торое происходит посредством конвекционных (упорядочен­ных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe состо­яния в данный момент перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали в атмос­фере. Как известно, начиная с поверхности Земли темпера­тура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в среднем на 0, 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от по­верхности это понижение исчезает, более того, двигаясь вы­ше, можно наблюдать потепление. Этот слой, где происходит изменение температуры в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и для данного места остается по­стоянной. Выше находится стратосфера, где потепление в вертикальном направлении происходит в результате погло­щения коротковолнового излучения и протекания фотохими­ческих реакций. Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлении. Поэтому перемешивание в тропопаузе за­медляется, и загрязняющие вещества уже могут проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение). Последняя представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те загрязняющие вещества, кото­рые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу. С другой стороны, вещества, имеющие длительное время жизни, могут попасть в стратосферу, на­пример, фреоны, время нахождения кото­рых в тропосфере исчисляется несколькими десятками лет.

Микроэлементы, которые находятся в тропосфере в тече­ние короткого времени (например, соединения серы и азота), могут попасть в более высокие слои воздуха другим путем, например, при сильном извержении вулкана или во время полетов в стратосферу.

Таким образом, возвращаясь к тропопаузе, можно ска­зать, что в результате увеличения температуры с высотой пе­ремешивание на этом уровне прекращается. В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхно­сти, наблюдается инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном направлении, которое также приводит к прекращению вертикального перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным глазом. На­пример, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, над загряз­ненными местами иногда можно превосходно разглядеть гра­ницу между серым загрязненным нижним и верхним чис­тым слоями воздуха. На этой границе прекращается верти­кальное перемешивание загрязняющих веществ. Этот близ­кий к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических ус­ловий. Тропопауза является верхней границей перемешива­ния в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения.

Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распро­страняются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Этот процесс происходит под воздействием так называемой адвекции в направлении скорости ветра при упорядоченном движении воздуха или же в результате турбу­лентного (неупорядоченного) движения. На больших расстоя­ниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени ее пребывания в атмосфере. Все находящиеся в атмосфере вещества, в том числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в химическую реакцию либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадка. Это выделение веществ на поверхность представляет собой седиментацию. Время, в течение которого в среднем молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пре­бывания. Обычно чем короче время пребывания заданного ве­щества в атмосфере, тем выше его способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от мес­та и времени измерения, так как атмосферное (тропосферное) время ее пребывания составляет около 25 лет. Концентрация же двуокиси азота может в несколько раз изменяться в зави­симости от места и времени. Время ее пребывания составляет лишь 8-10 сут, а для серы оно еще короче — около 2 сут. Это, естественно, не означает, что каждая молекула двуокиси се­ры точно через 2 сут исчезает из атмосферы, так как время жизни каждой молекулы статистически колеблется вокруг среднего значения.

Что означают для двуокиси серы эти двое суток времени пребывания? На какое расстояние в среднем она может рас­пространиться с помощью ветра? Возьмем скорость ветра 10 м/с, которая довольно часто бывает на высоте 1 км от повер­хности Земли. Легко можно подсчитать, что одна "средняя" молекула двуокиси серы на "крыльях ветра" может удалить­ся примерно на 2000 км от места выброса. Если же мы при­мем во внимание среднее значение скорости ветра у поверх­ности почвы (в Венгрии приблизительно 3 м/с), то среднее пройденное молекулой расстояние составит около 500 км. Та­ким образом, молекула двуокиси серы в среднем может по­крыть расстояние 1000 км. Для двуокиси азота это расстоя­ние из-за более продолжительного времени пребывания мо­жет быть еще больше.

Распространение загрязняющих веществ в таких масшта­бах создало много международных проблем. Поскольку за­грязнение воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном государстве может загрязнить воздух друго­го. Например, существует тесная связь между образованием кислотных дождей в Скандинавских странах и эмиссией дву­окисей серы и азота в Средней и Западной Европе. Европей­ская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) в рамках "Совмест­ной программы наблюдения и оценки распространения за­грязняющих воздух веществ на большие расстояния в Евро­пе" (ЕМЕП) подсчитала, в какой степени то или иное ев­ропейское государство несет ответственность, например, за выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах. Необходимо принять во внимание также количества загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и посту­пают туда из других стран. Это можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в какой-либо стране выброс загрязняющего вещества (например, дву­окиси серы или окиси азота) на ее территории превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то ба­ланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрица­тельный баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.

За передвижением масс воздуха между странами и рас­пространением таким способом загрязняющих веществ мож­но проследить. Используя различные метеорологические дан­ные (например, направления ветра на различной высоте, ско­рость ветра), можно определить, где находящаяся над опреде­ленной территорией масса воздуха будет располагаться через 0; 3; 6; ... 36ч. Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем больше, чем ближе он находится от места измерения. Расположенный близко менее значительный ис­точник может перекрыть влияние более отдаленного мощного источника загрязнения.

Таким образом, мы схематично ознакомились с верти­кальным перемешиванием (конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих веществ. Однако их только теоретически можно отделить друг от друга, в дей­ствительности оба эти процесса идут параллельно. Для мате­матического описания (моделирования) распространения за­грязняющих веществ необходимо также учитывать химиче­ское взаимодействие, седиментацию микроэлементов, влия­ние рельефа на формирование потока воздуха и т.д. Такие математические модели очень сложны. Однако с некоторыми упрощениями можно получить относительно хорошие результаты.

Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.

Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут параллельно их распространению. Очень часто загрязняющие вещества, испытав частичное или полное химическое превращение, выпадают в осадок, изменив таким образом свое агрегатное состояние.

Рассмотрим подробнее химические реакции и фазовые изменения, происходящие с атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).

Химические превращения соединений серы:

Сера входит в состав в неполностью окисленной форме (степень окисления ее равна 4). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

Рассмотрим в первую очередь наиболее значительное с точки зрения кислотных дождей вещество¾ двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной.

Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

.