Кислотные дожди представляют собой осадки (дождь, снег, туман), в которых рН оказывается значительно ниже естественных значений (около 5,6 для чистой дождевой воды). Основная причина их возникновения – образование в атмосфере кислотных соединений серы и азота, которые затем растворяются в воде.
В основе процесса лежат следующие ключевые реакции:
Окисление диоксида серы (SO₂): При выбросе в атмосферу SO₂, образующегося в результате сжигания ископаемого топлива, происходит его дальнейшая трансформация. В присутствии гидроксильных радикалов (OH•) и озона (O₃) происходит последовательное окисление до серной кислоты (H₂SO₄).
SO2 + OH• → HOSO2•
HOSO2 • +O2 → HO2 • +SO3
SO3 + H2O → H2SO4
Окисление оксидов азота (NOₓ): Основными источниками NO и NO₂ являются транспорт и промышленные процессы. В атмосфере NO₂ подвергается фотохимическим реакциям и взаимодействует с гидроксильными радикалами:
NO2 + OH• → HNO3
Таким образом образуется азотная кислота (HNO₃), являющаяся важным компонентом кислотных осадков.
Процессы окисления в атмосфере зависят от присутствия активных радикалов, в частности OH•, а также от фотохимической активности. Важную роль играют катализаторы – частицы металлов (например, железа или марганца), содержащиеся в атмосферной пыли. Они ускоряют превращение SO₂ в H₂SO₄ в жидкой фазе облаков.
Дополнительно, аммиак (NH₃), поступающий в атмосферу из сельскохозяйственных источников, может взаимодействовать с кислотами, образуя соли (например, сульфаты аммония). Это снижает кислотность частиц, но способствует их дальнейшему выпадению в осадках.
Образование кислотных дождей связано не только с газофазными реакциями, но и с химическими процессами в жидкой фазе облаков:
Растворение SO₂ в каплях воды с образованием сернистой кислоты (H₂SO₃):
SO2(газ) + H2O(жидк.) ⇌ H2SO3
Дальнейшее окисление H₂SO₃ растворённым озоном или перекисью водорода до H₂SO₄. Эти процессы особенно эффективны при высокой влажности и наличии облачных структур.
Растворение NO₂ в каплях воды сопровождается образованием HNO₂ и HNO₃, что усиливает кислотность осадков.
Таким образом, облачные капли являются мини-реакторами, где протекают многочисленные химические преобразования газов в кислоты.
Температура и влажность. При низких температурах растворимость газов в воде выше, что усиливает образование кислотных соединений. Высокая влажность и наличие туманов создают благоприятные условия для реакций в жидкой фазе.
Фотохимическая активность. Интенсивность солнечного излучения напрямую влияет на образование гидроксильных радикалов, играющих ключевую роль в механизмах окисления.
Структура атмосферы. Вертикальная стратификация воздуха определяет, насколько долго загрязняющие вещества задерживаются в тропосфере, взаимодействуя с влагой.
Кислотные дожди могут выпадать на сотни и даже тысячи километров от источников загрязнения. Это связано с:
Вследствие этого регионы с низкой индустриальной активностью могут подвергаться воздействию кислотных осадков, если расположены подветреннее относительно крупных промышленных центров.
Частицы аэрозолей, присутствующие в атмосфере, выполняют роль поверхностей, на которых протекают гетерогенные реакции. На их поверхности ускоряется окисление SO₂ и NOₓ. Кроме того, они способствуют увеличению гигроскопичности атмосферы, облегчая образование облаков и выпадение осадков.
Особенно важны вторичные аэрозоли, образующиеся при взаимодействии серной и азотной кислот с аммиаком. Эти частицы увеличивают оптическую плотность атмосферы, что в свою очередь влияет на климатические процессы.
Хотя основное внимание уделяется механизмам образования, важно учитывать и их воздействие:
Таким образом, кислотные дожди являются не только результатом сложных атмосферных процессов, но и важным фактором воздействия на биосферу и техносферу.