Причины кислотных дождей: антропогенные и природные факторы, их источники и меры по устранению

Кислотные дожди представляют собой серьезное экологическое явление, незаметное на первый взгляд, но имеющее значительные последствия для окружающей среды и человека.

Атмосферные осадки, богатые кислотными соединениями, стали предметом внимания ученых, экологов и общественности в связи с их воздействием на водные ресурсы, почвенное покрытие, растительность и, что немаловажно, на здоровье человека.

Почему же они возникают?

В данной статье мы рассмотрим, что вызывает кислотные дожди, а именно какие газы в основном могут стать причиной их образования, какие из кислот ответственны за это, механизм их возникновения, а также кратко обсудим развитие деятельности АЭС и ГЭС и как их работа связана с осадками.

От глобальных промышленных выбросов, которыми обусловлена экологическая проблема, до химических реакций в атмосфере эти причины олицетворяют сложное взаимодействие человека с природой, требующее внимательного изучения и разработки эффективных стратегий для сокращения негативного воздействия.

Виды причин

Рассмотрим, с чем связано образование и выпадение этого явления, почему появляются кислотные дожди в природе. Обстоятельства, от которых зависят образование и выпадение кислотных осадков, в большинстве случаев напрямую связаны с человеческим фактором (антропогенные причины).

В результате непрестанного загрязнения атмосферы кислотообразующими соединениями крупными промышленными предприятиями, сжигающими уголь и мазут, образуется неблагоприятная среда, с которой связано нарушение природного баланса.

Кроме антропогенных причин, существуют природные процессы, загрязняющие воздух и влияющие на выпадение кислотных дождей, которые являются результатом загрязнения атмосферы выбросами.

Антропогенные

Поговорим о том, что является причиной возникновения кислотных дождей из человеческих источников.

В соответствии с данными научных публикаций, в результате жизнедеятельности человека в атмосферный воздух попадает:

• 100% органических летучих соединений от выбросов промышленности, транспорта, энергетической отрасли (сжигание топлива), сельского хозяйства (пестициды и минеральные удобрения, особенно — азотосодержащие);
• 60-65% производных серы;
• 37-50% соединений азота.

Какие вещества участвуют в образовании рассматриваемого нами явления?

Основными антропогенными причинами кислотных дождей и других осадков являются:

1. Выбросы оксидов азота (NO_x), которые образуются вследствие сжигания топлива в транспорте, промышленности и энергетике. Этот газ затем взаимодействует с водяным паром и кислородом, вызывающими образование азотных кислот в атмосфере — основных веществ, которые служат причиной выпадения кислотных осадков.
2. Выбросы диоксида серы (SO₂) — сернистого газа, который выделяется при сжигании топлива, особенно угля и нефти, в промышленности и электростанциях. В атмосфере SO₂ может окисляться до серной кислоты.
3. Выбросы атмосферных аэрозолей. Мелкие частицы в атмосфере, такие как сажа и другие аэрозоли, могут служить «носителями» кислотных веществ, образуя кислотные частицы.
4. Выбросы аммиака (NH₃), поступающие от сельскохозяйственной сферы. Аммиак взаимодействует с оксидами азота и образует азотные кислоты.
5. Химические реакции в атмосфере. Оксиды азота и серы, попадая в атмосферу, могут подвергаться сложным химическим реакциям с водяным паром и другими веществами, приводя к образованию кислотных соединений.

Это список оксидов и других веществ, вызывающих кислотный дождь. То есть источниками первопричины служат газы, содержащие кислотообразующие элементы.

Промышленные и густонаселенные районы Европы ежегодно сбрасывают в атмосферу нашей планеты порядка 60 млн тонн двуокиси серы, источниками которой являются:

• сжигание нефти (50% выбросов);
• сжигание угля (40%);
• промышленная переработка, например, обжиг сернистой руды (10%).

В соответствии с расчетами специалистов, суммарный годовой выброс в атмосферу серы от антропогенной мировой деятельности приравнивается к 75-100 млн тонн. Только на долю Северной Америки приходится порядка 15 млн тонн выбросов серы в год.

Таким образом, причиной таких осадков является массовое сжигание некоторых веществ и наличие повышенной концентрации продуктов горения в атмосфере.

Природные

Из-за чего еще бывают кислотные дожди и какие вещества участвуют в их образовании?

Влияние причин природного характера на формирование и появление кислотных осадков намного меньше по сравнению с антропогенными источниками, определение им мы дали выше.

К природным факторам, которые могут являться причиной образования кислотных осадков, относятся:

1. Вулканическая активность. В результате вулканических извержений в атмосферу выбрасываются различные газы, в том числе сернистый газ (SO₂) и оксиды азота (NO_x), которые могут стать источниками кислотных осадков при их реакции с влагой в атмосфере.
2. Природные пожары, которые способны привести к выбросам различных газов, включая оксиды азота и серы, что также может влиять на качество воздуха и привести к образованию кислотных осадков.
3. Биологические процессы, такие как разложение органических материалов в почве или воде, могут вести к выпадению кислотных соединений.
4. Естественные источники аэрозолей. Морские волны, осадки морской соли и другие природные источники могут создавать аэрозоли, которые, взаимодействуя с различными газами в атмосфере, могут являться причиной кислотных осадков.

Хотя природные факторы вносят свой вклад в формирование кислотных осадков, существенную роль в их возникновении преимущественно играют антропогенные источники, такие как выбросы из промышленных предприятий, автотранспорта и энергетических установок.

Какая причина является основной?

Одной, и пожалуй, основной причиной образования кислотных осадков является антропогенная деятельность человека, приводящая к выбросам двуокиси серы SO₂ (сернистого ангидрида или сернистого газа) и оксидов азота NO_х.

Основные источники этих ангидридов:

• производственные предприятия;
• транспортные средства;
• электростанции;
• сжигающие горючие вещества (природный газ, нефть, уголь).

Соединения NO₂ и SO₂ накапливаются в воздушном слое нашей планеты и, реагируя с атмосферным кислородом, образуют азотную и серную кислоты. В дальнейшем кислоты в виде кислотного дождя, снега или других атмосферных осадков выпадают на землю.

В соответствии с научными данными, происхождение кислотных осадков на 60% зависит от двуокиси серы и на 40% от окислов азота.

Какой газ участвует в образовании кислотных осадков?

Одним из главных компонентов кислотообразующих выбросов в атмосферу является диоксид серы — SO₂, который также называется сернистым газом.

Основные источники этого газа расположены в странах с высокоразвитой промышленностью и связаны с выбросами в атмосферу:

• от тепловых электростанций при сжигании угля и углеводородов;
• из нефтедобывающих и газовых скважин;
• от предприятий, перерабатывающих сырье, и газоперерабатывающих заводов;
• от транспортных средств, которые работают на двигателях внутреннего сгорания.

Роль диоксида серы или сернистого газа SO₂ в образовании кислотных дождей заключается в его окислении кислородом O₂, что приводит к повышению степени окисления серы, с ее переходом в трехокись (SO₃).

Гигроскопичная трехокись серы взаимодействует с атмосферной водой и превращается в серную кислоту H₂SO₄, которая выпадает на поверхность земли с кислотными дождями.

Соединения каких элементов влекут за собой проблему?

Какие же вещества вызывают данное явление? Главные виновники, основные производные кислотных осадков, которых можно выбрать из всех существующих — это соединения серы и азота.

Сера

Элемент содержится в угле и нефти, рудах (медных, железных и других), используемых в качестве топлива, и на предприятиях металлургической и химической промышленности.

Например, при процессе обжига руд сера переходит в сернистый газ SO₂ (оксид или диоксид серы), который частично выбрасывается в атмосферу, в окисленном состоянии соединяется с водяными парами и образует серную кислоту. Различают природные и антропогенные источники образования соединений серы.

Природные

Среди природных факторов первенство отводится выбросам при извержении вулканов. К преобладающим выбросам вулканов относится оксид серы SO₂. В атмосферу также поступают в небольших количествах сероводород и сульфаты в виде твердых частиц или аэрозолей.

В среднем в результате деятельности вулканов в год выделяется от 4 до 16 млн тонн соединений серы. По подсчетам вулканологов, в 1991 году 25 млн тонн диоксида серы было выброшено в атмосферу во время извержения вулкана Пинатубо в Филиппинах.

Считают, что это явилось причиной выпадения кислотных дождей. А в Новой Зеландии выбросы серы местными вулканами — первопричина кислотных дождей.

К естественным факторам образования серосодержащих соединений в атмосферном воздухе также относятся продукты жизнедеятельности растений и биогенные выбросы из почвы.

Антропогенные

Основными поставщиками антропогенных выбросов соединений серы являются электростанции, работающие на органическом топливе. Среди выбросов преобладают диоксид серы SO₂ и сульфаты.

Выделение сульфатов происходит в процессе сжигания топлива, а также при производстве серной кислоты, гипса, цемента и переработки нефти.

В соответствии со статистикой, ежегодное поступление оксида серы антропогенной природы составляет порядка 100 млн тонн, из которых 20% приходится на США, 10% — на Россию.

Источники диоксида серы:

• сжигание на электростанциях угля и мазута, богатого серой (40% поступлений в атмосферу);
• металлургическое производство, химические технологические процессы, переработка серных руд, машиностроительная промышленность (50% поступлений выбросов).

Выделение порядка 25 тыс. тонн диоксида серы происходит при сжигании 1 млн тонн угля. А при сжигании такого же количества мазута выбросы SO₂ в 4-5 раз меньше.

Азот

Встречается в ископаемом топливе (нефти, угле). Порядка 93% оксидов азота выделяется из антропогенных источников. На содержание оксидов азота в атмосферном воздухе ученые обратили внимание после открытия азотного цикла разрушения озона и обнаружения озоновых дыр.

Результаты современного мониторинга атмосферы указывают на увеличение доли выбросов соединений азота, участвующих в закислении атмосферных осадков. Существуют естественные и антропогенные источники соединений азота, влияющих на образование кислотных осадков.

Естественные

К этой категории относятся:

• грозовые разряды и молнии, с образованием NO и NO₂;
• горение биомассы;
• почвенная эмиссия.

Часть оксидов азота естественной природы микроорганизмы перерабатывают в почве, что является биохимическим круговоротом.

Антропогенные

Главными источниками наиболее распространенных соединений азота, оксидов NO и NO₂, к которым причастен человек, являются выбросы:

• тепловых электростанций;
• промышленности;
• транспорта.

Соединения азота поступают в атмосферный воздух:

• от источников промышленности с дымовыми газами предприятий теплоэнергетики и металлургии;
• с выбросами транспорта;
• от переработки азотных удобрений.

Первенство среди выбросов в атмосферу оксидов азота держит автомобильный транспорт.

Дополнительный источник антропогенных выбросов азота — сельскохозяйственная отрасль, интенсивно применяющая химические удобрения, особенно с содержанием соединений азота.

По данным некоторых источников, объемы выбросов оксидов азота с сельскохозяйственных полей приравниваются к промышленным выбросам.

Объем мировых техногенных выбросов оксидов азота в атмосферу измеряется 70 млн тонн в год. В соответствии со статистическими данными, 30% выбросов приходится на США, 25% — страны Западной Европы.

Деятельность ГЭС

Деятельность гидроэлектростанций не является причиной кислотных дождей. Гидроэлектростанции генерируют электроэнергию, используя силу потока воды.

Поступая в турбину ГЭС из верхнего бьефа реки, вода уходит в нижний бьеф, из-за чего происходит преобразование в турбине энергии движения воды в механическую энергию, с ее генерированием в энергию электричества.

Исходя из описанного принципа работы гидроэлектростанций становится ясно, что их деятельность не является причиной кислотных дождей. ГЭС не производят значительных выбросов в атмосферу оксидов азота NO_х или диоксида серы SO₂, которые являются основными предшественниками кислотных осадков.

Однако существуют определенные обстоятельства, из-за чего возникает влияние гидроэлектростанций на окружающую среду и вызывать некоторые изменения в экосистемах.

Это может включать следующие аспекты:

1. Изменения водных режимов. Постройка плотин и создание водохранилищ может привести к изменениям в режимах водотока и качестве воды, что может повлиять на экосистемы вниз по течению.
2. Разложение органического материала. При поднятии уровня воды в результате гидроэнергетической деятельности возможно разложение органического материала в водоеме, аз-за чего могут образовываться кислотные вещества в воде.
3. Высвобождение металлов. В процессе размыва почвы и горных пород при строительстве ГЭС возможно высвобождение металлов, в том числе тех, которые могут участвовать в формировании кислот.

Получается так, что в сравнении с другими источниками энергии, такими как термальные электростанции или сжигание угля, гидроэлектростанции считаются более экологически чистыми и менее влияющими на атмосферные процессы, связанные с образованием кислотных осадков.

Работа АЭС и кислотные дожди

Деятельность АЭС обычно не является прямой причиной выпадения кислотных дождей. Атомные электростанции используют ядерный реактор для производства электроэнергии. В реакторе происходит выделение тепловой энергии.

Механизм следующий:

1. При делении ядер U-236, 238, 234 (радиоактивные изотопы урана) под воздействием нейтронов высвобождается энергия связи протонов и нейтронов.
2. Происходит превращение тепловой энергии в механическую.
3. Механическая энергия превращается в электрическую.

В процессе этого практически не происходит выбросов оксида азота NO_х и диоксида серы SO₂ — основных причин кислотных осадков.

Например, в соответствии с данными научной публикации, в 1998-1999 гг. были проведены исследования Смоленской АЭС. По итогам исследований было сделано заключение о благоприятном состоянии региона после 15 лет работы атомной электростанции.

Радиационные влияния этой станции на население города Десногорска составляли 0.6-0.7% допустимого. Последствий радиационных воздействий атомной электростанции на природное окружение не было выявлено.

Также не были обнаружены последствия малого химического загрязнения, причиной которого было возникновение теплового загрязнения водоема-охладителя. Но следует заметить, что атомные электростанции не лишены влияния на окружающую среду.

Возможные факторы воздействия АЭС, которые могут быть связаны с экологическими проблемами, включают:

1. Тепловыделение. Атомные электростанции используют воду для охлаждения, и отвод нагретой воды обратно в водоем может изменять температурные режимы и состав воды в водоемах.
2. Радиоактивные выбросы. В процессе производства электроэнергии на АЭС возможно выделение радиоактивных веществ. В случае аварии или неполадок могут возникнуть проблемы с радиационной безопасностью.

Хотя атомные электростанции не приводят к образованию кислотных дождей, их деятельность требует строгого контроля и мер по предотвращению потенциальных негативных действий на окружающую среду и здоровье человека.

Современные стандарты безопасности и экологической устойчивости включают в себя меры по минимизации влияния АЭС на окружающую среду.

Механизм и схема образования

Образование кислотных дождей связано с химическими реакциями, происходящими в атмосфере. Основной механизм включает в себя образование кислотных соединений в результате взаимодействия загрязняющих веществ с атмосферными компонентами.

Механизм образования кислотных осадков включает такие этапы:

1. Выбросы загрязняющих веществ. Происходят выбросы оксидов азота NO_x и диоксида серы SO₂ в атмосферу. Источниками этих оксидов могут быть промышленные предприятия, автомобильные двигатели, электростанции, а также естественные источники, например, вулканы.
2. Реакции в атмосфере. NO_x и SO₂ взаимодействуют с влажным воздухом и водяными каплями в атмосфере, образуя азотные и серные кислоты: NO_x реагируют с водой и кислородом, образуя азотные кислоты, такие как азотная кислота HNO₃; сернистый газ SO₂ в процессе фотохимического окисления может окисляться до серного ангидрида SO₃ в атмосфере, а затем реагировать с водой, образуя серную кислоту H₂SO₄.
3. Осаждение. Кислоты, образовавшиеся в атмосфере, могут осаждаться на поверхность Земли в виде дождя, снега, тумана или других атмосферных осадков.

Схема и механизм образования кислотных осадков:

Процесс образования кислотных осадков происходит в тесной связи с атмосферными условиями, влажностью воздуха и наличием других веществ в атмосфере.

Меры по устранению причин

Борьба с проблемой кислотных дождей включает в себя ряд мероприятий, направленных на снижение выбросов загрязняющих веществ и улучшение качества атмосферы. Назовем несколько ключевых мер, которые предпринимаются для устранения причин возникновения кислотных осадков.

Сокращение выбросов из источников

Промышленные предприятия, энергетические установки и автотранспорт стали объектами строгого контроля в отношении оксидов азота и диоксида серы. Использование более эффективных технологий снижает количество выбросов в атмосферу.

С целью сокращения выбросов предприятиями промышленности внедряют новые или модифицированные технологии, включающие:

• сокращение сжигания топлива с содержанием серы и сернистых соединений;
• применение эффективных способов для улавливания из выхлопных газов соединений азота и серы;
• разработку современных каталитических нейтрализаторов для автомобильной отрасли.

Перспективным методом считается замена в автомобилях бензина другими видами топлива, расширение применения газобаллонных автомобилей на природном газе, а также электромобилей и машин-гибридов.

Применение технологий очистки газов

Установка различных систем очистки газов, таких как сажеуловители и системы очистки дымовых газов, помогает уменьшить выбросы загрязняющих веществ.

С целью снижения вредных выбросов промышленного производства в воздух, на всех предприятиях рекомендуется использовать очистные фильтры и устройства.

Так, для борьбы с выбросами через дымовые трубы в атмосферу окисленной серы используют газоочистители:

• электрические, вакуумные, воздушные фильтры;
• жидкие фильтры-скрубберы.

В скрубберах газы пропускают через водный раствор извести. С помощью этого метода удаляется до 95% диоксида серы, но способ является дорогостоящим.

Дорогим методом также считается очистка дымовых газов от оксидов азота с использованием изоциановой кислоты. Происходит удаление до 99% оксидов азота с превращением в воду и безвредный азот.

Использование альтернативных источников энергии

Переход к более чистым источникам энергии, таким как ветроэнергия, солнечная энергия и ядерная энергия, помогает уменьшить зависимость от традиционных источников, сопровождаемых большими выбросами.

Также можно использовать энергию морских приливов и термальных источников недр Земли. Возможности таких производств пока ограничены, не пользуются популярностью.

Но, к примеру, применяемые ветряные электростанции в Дании вырабатывают порядка 12% энергии. Для сравнения — такой же процент обеспечивают все атомные электростанции России.

Лесовосстановление

После долгого времени воздействия кислотные дожди могут негативно влиять на леса. Восстановление лесных покрытий и поддержка устойчивого лесного хозяйства способствуют снижению ущерба.

Одним из методов защиты лесов от кислотных осадков является известкование, заключающееся в распылении с самолетов молотого доломита. Вступая в реакцию, доломит с кислотами образует безвредные вещества, не приводящие к появлению неблагоприятных последствий.

Международное сотрудничество

Проблема кислотных дождей не ограничивается рубежами одной страны. Международные соглашения и сотрудничество помогают разрабатывать и внедрять общие стандарты и стратегии по сокращению выбросов на глобальном уровне.

Так, в июне 1997 года 19-й специальной сессией Генеральной Ассамблеи ООН была принята программа о чистоте атмосферного воздуха нашей планеты.

В международных соглашениях зафиксированы нормы выбросов оксидов азота и диоксидов серы, ниже которых не обнаруживается влияние этих оксидов на чувствительные компоненты экологических систем. Также предложены рекомендации по снижению выбросов диоксида серы и оксида азота.

Образовательные программы

Проведение образовательных кампаний по охране окружающей среды и воздействию выбросов на атмосферу помогает повысить общественное сознание и поддержку устойчивых практик.

Для улучшения ситуации требуется принимать комплексные меры, которые помогут решить проблему кислотных осадков, оздоровить окружающую среду и не допустить необратимые изменения в биосфере нашей планеты.

Из-за внедрения этих мер удалось снизить уровень кислотных дождей в ряде регионов, где они чаще всего возникают, но проблема остается актуальной, поэтому необходимо продолжать прилагать усилия в этом направлении. Следует отметить, что принятые меры зависят от конкретных условий в каждой стране и регионе.

Видео ролик на тему статьи

Как образуются кислотные дожди, соединения каких элементов его вызывают, из-за чего появляются негативные последствия этих осадков — об этом видео ролик ниже:

Здесь также простыми словами и кратко рассказывается о том, что вызывает кислотные дожди, как и почему они образуются, каковы причины их возникновения, что является источником их компонентов:

Заключение

Исследование причин кислотных дождей позволяет глубже понять сложные процессы, приводящие к этому явлению, и рассмотреть его в контексте взаимодействия человеческой деятельности с окружающей средой.

Антропогенные факторы, такие как выбросы оксидов азота и диоксида серы, стали ключевыми источниками кислотных осадков, формируя вызовы для экосистем, водных ресурсов и здоровья человека.

Успешная борьба с проблемой кислотных дождей требует комплексного подхода, включая сокращение выбросов, разработку чистых технологий, международное сотрудничество и образование общественности.

Научившись распознавать и эффективно реагировать на источники загрязнений, можно продвигаться в сторону устойчивого развития, минимизируя воздействие человеческой деятельности на природную среду и обеспечивая будущие поколения чистым и здоровым окружением.

Мы рассмотрели, откуда берутся и почему идут кислотные дожди, какие кислоты образуют опасные соединения, какой газ их вызывает, какие эффекты влечет за собой возникновение этих осадков.