Механизмы и последствия воздействия на природные экосистемы
2.1. Фоновые значения pH осадков.
Значения рН осадков можно вычислить, если достаточно точно известно содержание основных анионов и катионов. Химический состав природных вод изучается с конца прошлого столетия, что позволяет судить о кислотности дождей в период конца прошлого — начала этого веков. Расчеты показывают, что в Европе и Северной Америке в первые десятилетия ХХ в. осадки имели нейтральную или щелочную реакцию. Исходя из этого некоторые исследователи считают, что в доиндустриальную эпоху значение рН осадков над континентами превышало 5,6. Основным щелочным агентом в этом случае мог быть кальций.
Для получения полной версии работы перейдите по ссылке.
Специфическая особенность кислотных дождей – их трансграничный характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния – сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда «политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха. Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия. В свою очередь, из России больше всего окисленной серы направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной – 1:17, с Польшей – 1:32, с Норвегией – 7:1. Экспортируется аэрозольная часть выбросов, сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости от источника выброса или на незначительном удалении от него.
Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной Америки. Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной серы к соседям, чем получают от них. Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70% кислотных дождей в этих странах – результат «экспорта» из Великобритании и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады.
Таблица 2.2.
Кислотность осадков в промышленных районах мира. [7,6]
| Пункт, регион | pH | |
| МО МГУ, Москва, РФ | Средневзвешенное значение | 4,79 |
| г. Кэррол, шт.Мериленд, США | 4,28 | |
| г. Эссекс, шт. Нью-Йорк, США | 4,44 | |
| Шотландия | 4,52 | |
| Юг Норвегии | Среднее многолетнее | 4,1 |
| Урал, Предуралье, СЗ и Ю ЕТР | Минимальные значения | 3,1-3,4 |
2.3. Закисление воды озёр.
Практически одновременно с закислением осадков был отмечен феномен закисления воды озер. Впервые это явление в широких масштабах было обнаружено в Швеции и Норвегии, а затем и в США и Канаде. Причиной закисления вод озер является поступление на площадь водосбора озера кислот как с осадками, так и в результате сухого поглощения.
До 50-х годов все озера Скандинавии имели нейтральную или щелочную реакцию. Озера с рН воды < 5,0 практически отсутствовали. Постоянный мониторинг химического состава озерной воды в странах Северной Европы ведется сравнительно недавно, поэтому практически невозможно установить динамику изменения кислотности в 50 е и 60 е годы. Измерения, выполненные в 70 е годы, обнаружили резкое изменение химического состава. В 70 е годы проводилось тщательное исследование озер и было установлено, что закисление продолжалось
Для получения полной версии работы перейдите по ссылке.
На выносливость водных организмов к изменениям кислотности воды влияет ряд факторов окружающей водной среды. В частности, жесткие воды (воды с повышенной бикарбонатной щелочностью) при той же степени закисления могут быть более токсичными за счет образования при действии привнесенных кислых вод свободной углекислоты (Н2СО3).
После того как в водоеме погибает рыба, возможности для увеличения численности получают разнообразные водные насекомые; стрекозы, ручейники, вислокрылки, планктонные мелкие двукрылые насекомые хорошо выносят закисление воды.
Сфагновые мхи предпочитают подкисленную (pH=6) воду; положительным фактором для них является и то обстоятельство, что вода в закисленных озерах становится очень светлой и прозрачной, поскольку сфагновые мхи светолюбивы. Поэтому они заселяют ложе озер, которые до закисления были для них слишком темными.
При закислении обилие обычного тростника (Phagmites communis) и растений с длинными побегами (например, рдест) уменьшается или они совсем исчезают. Водяные лилии более устойчивы, поскольку своими длинными корнями они добывают питательные вещества с больших глубин, где рН выше.
Закисление пресных вод оказывает отрицательное воздействие и на птиц, живущих на реках и озерах. Как уже говорилось, в закисленных водных объектах наблюдается много насекомых и почти нет рыбы, что благоприятно для развития птенцов, но определяет дефицит пищи для взрослых птиц. Кроме того, высокое содержание в пище птиц тяжелых металлов (особенно ртути), а также алюминия нарушает репродуктивные процессы и ведет к снижению численности популяций птиц.
Что касается состояния рек и озер России, то качество воды большинства водных объектов в течение всех последних лет наблюдений и контроля со стороны Госкомэкологии не отвечает нормативным требованиям из-за сильного загрязнения промышленными сточными водами. Все основные реки России и их крупные притоки оцениваются как «загрязненные» или «сильно загрязненные». При таком положении кислотные осадки мало изменяют качественные характеристики воды.
По своему химическому составу, в том числе по показателю рН почвы могут резко отличаться друг от друга. Оптимальный диапазон рН почв для жизнедеятельности большинства растений находится в пределах 5 — 7. Изменения рН внутри этого диапазона не вызывают какого-либо заметного снижения плодородности почв. Однако падение рН ниже 5 приводит к значительному изменению свойств почв и прогрессирующему уменьшению их плодородия. При рН=З почвы становятся практически бесплодными. Следовательно, в наибольшей степени закислению подвержены почвы, имеющие начальную кислую реакцию. К таким почвам относятся широко распространенные кислые подзолы с рН= 4 — 5.
Почвы представляют собой сложные физико-химические системы, обладающие высокой буферной способностью. Выпадающие с осадками или образующиеся на поверхности свободные ионы водорода более или менее полно поглощаются при реакциях с компонентами почвы. Можно выделить пять характерных для почв важнейших буферных зон, в пределах которых происходит нейтрализация свободных ионов водорода.
1. Угольно-кислотная (карбонатная) буферная зона 6,2≤рН≤8,6. Свободные ионы водорода в этом случае поглощаются при растворении карбоната кальция. Буферная емкость определяется количеством карбоната кальция в почве.
2. Угольно-кислотная (силикатная) буферная зона 5,0≤рН<6,2. Свободные ионы водорода поглощаются при выщелачивание силикатов. Буферная емкость зависит от типа и количества исходных силикатов.
3. Катионно-обменная буферная зона, 4,2≤рН<5,0. Свободные ионы водорода поглощаются за счет выщелачивания Al(OH)3 из силикатов с образованием полимерных алюминийгидроксикатионов. Последние замещают ионы кальция и магния на поверхности катионнообменных коллоидов. Буферная емкость зависит от наличия выветриваемых силикатов.
4. Алюминиевая буферная зона, 3,0≤рН<4,2. Свободные ионы водорода поглощаются при образовании ионов Al3+ из полимерных алюминийсодержащих веществ. Буферная емкость определяется наличием алюминия в почве. Как правило, она высока для всех типов почв, за исключением почв с высоким содержанием кварцевого песка.
5. Железная буферная зона, 2,5≤рН<3,0. Свободные ионы водорода поглощаются при образовании ионов железа из окислов железа. Многие почвы отличаются высоким содержанием окислов железа, поэтому буферная емкость достаточно велика.
Для получения полной версии работы перейдите по ссылке.
Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекла под действием кислотных дождей выщелачиваются не только карбонаты, но и силикаты. Если рН осадков достигает значений, равных 4,5–3, то ионы алюминия начинают вымываться из кристаллической решетки. С уменьшением рН интенсивно протекает разрушение силикатной кристаллической структуры, как, например, в полевом шпате (сырье для производства керамики, стекла, цемента):
3KAlSi3O8 + 12Н2О + 2H+→ КAl3Si3O10(ОН)2 + 6H4SiO4 + 2К+,
2КAl3Si3O10(ОН)2 + 18Н2О + 2Н+ → 3Al2O3(Н2О)3 + 6H4SiO4 + 2К+.
Подобным образом кислотные дожди разрушают древние оконные стекла церквей, соборов и дворцов. Старинное стекло из-за повышенного содержания оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов более подвержено действию кислот, чем современное.
Металлы под действием кислотных дождей, туманов и рос разрушаются еще быстрее, чем строительные материалы и стекло. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины:
2FeSO4 + Н2О + 0,5O2 → 2Fe(ОН)SO4.
Такой же ущерб претерпевают изделия из бронзы, на которых образуется так называемая патина, состоящая из карбонатов и сульфатов. Слои пыли и копоти на поверхности создают пленку, которая удерживает влагу и в которой постоянно растворяются кислотообразующие газы. Кислота разъедает металл, переводя его в виде ионов в раствор, что становится заметным при отслаивании корки налета, достигающей миллиметровой толщины. Изделие при этом теряет свою первоначальную форму.