Кислотные дожди

Химические механизмы образования кислотных дождей

Кислотные дожди представляют собой осадки (дождь, снег, туман), имеющие пониженное значение pH вследствие растворённых в воде кислотных компонентов, прежде всего серной (H₂SO₄) и азотной (HNO₃) кислот. Кислотность атмосферных осадков обусловлена главным образом преобразованием выбросов диоксида серы (SO₂) и оксидов азота (NOₓ) в соответствующие кислоты под действием фотохимических и каталитических процессов в атмосфере.

Источники кислотных предшественников

Основные антропогенные источники кислотных дождей:

  • Сжигание ископаемого топлива (уголь, нефть, газ), особенно в ТЭС и промышленных установках.
  • Автомобильный транспорт — основной источник оксидов азота в городской атмосфере.
  • Металлургические производства, особенно цветной металлургии.
  • Нефтеперерабатывающие заводы.

Природные источники включают:

  • Извержения вулканов (SO₂).
  • Биологическую активность почв и болот (выделение NOₓ).
  • Лесные пожары и разложения растительной массы.

Физико-химические процессы в атмосфере

Преобразование исходных газов в кислоты происходит в несколько стадий:

  1. Гомогенное окисление SO₂ в газовой фазе SO₂ в атмосфере окисляется до триоксида серы (SO₃) при участии радикалов (например, •OH):

    SO2 + ⋅OH → HSO3

    HSO3 + O2 → SO3 + HO2

    SO₃ при контакте с влагой немедленно превращается в серную кислоту:

    SO3 + H2O → H2SO4

  2. Гетерогенное окисление в водной фазе (в каплях тумана или облака) В этом случае окисление SO₂ идёт быстрее при участии перекиси водорода (H₂O₂), озона (O₃) или ионов металлов (Fe³⁺, Mn²⁺) в капельках воды:

    SO2(aq) + H2O2 → H2SO4

  3. Образование азотной кислоты Оксиды азота (NO и NO₂) в присутствии озона и радикалов превращаются в HNO₃:

    NO2 + ⋅OH → HNO3

    Также возможно образование нитратов в аэрозольной фазе:

    HNO3 + NH3 → NH4NO3

Атмосферный транспорт и осаждение

Кислотные соединения могут находиться в атмосфере в виде:

  • Газов (SO₂, NO₂, HNO₃);
  • Аэрозолей (сульфаты, нитраты, аммоний);
  • Растворов в каплях воды.

Эти соединения переносятся на сотни и даже тысячи километров воздушными массами. Осаждение происходит в двух формах:

  • Мокрое осаждение — выпадение с дождём, снегом, градом. Основной механизм.
  • Сухое осаждение — поглощение газов и частиц поверхностями земли, растительности и сооружений.

Физические параметры кислотных осадков

  • Нормальное значение pH чистой дождевой воды ≈ 5.6 (из-за присутствия растворённого CO₂).
  • При кислотных дождях pH может снижаться до 4.0 и ниже.
  • Осадки с pH ниже 5.0 рассматриваются как экологически опасные.

Влияние на окружающую среду

  1. Почвы

    • Выщелачивание катионов (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺), ухудшение плодородия.
    • Повышение подвижности токсичных элементов (например, алюминия Al³⁺).
    • Нарушение микробиологического состава почвы.

  2. Растительность

    • Повреждение листьев и корневых систем.
    • Нарушение фотосинтеза, снижение продуктивности.
    • Ослабление устойчивости растений к болезням и вредителям.

  3. Гидросфера

    • Подкисление озёр, рек, водоёмов (особенно на гранитных и песчаных подстилающих породах, лишённых буферной ёмкости).
    • Гибель чувствительных водных организмов (рыб, моллюсков).
    • Нарушение биоценозов.

  4. Сооружения и памятники архитектуры

    • Коррозия металлических конструкций.
    • Разрушение известняковых, мраморных и других кальциевых пород.
    • Повреждение исторических памятников и скульптур.

Методы наблюдения и контроля

  • Мониторинг атмосферных осадков: определение pH, концентраций сульфатов, нитратов, аммония, анионов и катионов.
  • Газоанализ атмосферы: содержание SO₂, NOₓ, NH₃ и других соединений.
  • Моделирование атмосферных процессов: прогноз распространения кислотных соединений, оценка трансграничного загрязнения.

Меры снижения кислотных осадков

  1. Снижение выбросов:

    • Установка сероочистных установок на ТЭС.
    • Использование низкосернистого топлива.
    • Каталитические нейтрализаторы в автотранспорте.
    • Применение технологий селективного и неселективного восстановления NOₓ.

  2. Переход к возобновляемым источникам энергии:

    • Солнечные, ветровые и гидроэлектростанции.
    • Электрификация транспорта.

  3. Международные соглашения:

    • Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (Женева, 1979).
    • Протоколы об ограничении выбросов SO₂ и NOₓ.

Буферные свойства природной среды

Некоторые экосистемы способны частично нейтрализовать кислотные осадки за счёт:

  • Высокого содержания карбонатов в почве и горных породах.
  • Аммиачного баланса атмосферы (NH₃ способен нейтрализовать HNO₃ и H₂SO₄).
  • Биогенной регуляции кислотно-щелочного баланса.

Тем не менее, при длительном воздействии буферные свойства истощаются, и начинается необратимая деградация природных систем.

Оглавление