Курсовая работа
"Химический состав снежного покрова Гомельского района в 2001–2003 гг."
Проблема выпадения кислотных осадков, возникшая в середине прошлого столетия, проявилась в ряде регионов мира такими негативными последствиями, как закисление поверхностных вод с последующим снижением численности популяций рыб, закисление почв, сокращение продуктивности лесов, коррозия промышленных материалов, разрушение культурных ценностей и ухудшение прозрачности атмосферы. Это стимулировало развитие комплексных исследований в рамках национальных и международных проектов, результаты которых отражены в ряде обзоров и монографий [1–3].
Основными техногенными предшественниками кислотных выпадений являются оксиды серы и азота в газовых выбросах энергетики, транспорта, ряда отраслей промышленности. Локальные выбросы летучих кислот (соляной, плавиковой и др.) или продуктов, трансформирующихся в атмосфере в кислоты (например, муравьиную), вносят дополнительный вклад в повышение естественной кислотности. Из катионов, нейтрализующих сумму анионов в ионном составе атмосферных аэрозолей и осадков, только аммоний образуется из газовой фазы, а другие (Ca2+Mg2+Na+K+) должны поступить с наземной или водной поверхности в составе солей твердых частиц. Таким образом, в ионном балансе атмосферных аэрозолей и осадков (в эквивалентах основных ионов):
[H+] = ([HCO3-]+[SO42-]+[NO3-]+[Cl-]+[F-])+([NH4+] – [Na+] – [K+] – [Ca2+] – [Mg2+])
избыточное количество Н+-ионов может быть следствием как избытка газообразных предшественников анионов, так и дефицита катионов терригенного или морского происхождения. Расчетное значение [H+] для осадков при фоновом уровне СО2, SO2, NH3 в атмосферном воздухе близко к 1,6×10-6 моль×кг-1, что соответствует рН=5,8 [2,6].
В регионах с выраженными кислотными выпадениями среднегодовые значения рН осадков достигают 4,1–4,4, а в отдельных дождях – до 2,3 [1].
Следует отметить, что пониженные значения рН дождей (4,5 и ниже) регистрируются и в фоновых регионах, удаленных как от техногенных, так и от природных (вулканы) источников газовых выбросов. Расчеты показывают, что такой уровень кислотности может достигаться при отсутствии в чистой атмосфере над океанами аммиака и карбоната кальция.
В геохимически чистых зонах основной вклад в кислотность осадков вносит диоксид углерода (около 80%); суммарный вклад серной и азотной кислот составляет около 10%. В высокоиндустриальных на диоксид углерода приходится не более 4%, а на серную, азотную и соляную кислоты – 95% [3]. В некоторых районах, например на юго-западе США, определяющий вклад в закисление вносят соединения азота (более половины), а на северо-востоке – соединения серы, что связано с высокой относительной эмиссией этих веществ в данных районах. [1]. В России за последние 30 лет также произошло увеличение минерализации атмосферных осадков. Кислотные дожди выпадают в районе крупных промышленных центров (Северо-западный округ, Московская область, Урал, Поволжье). По данным [1,2,6], концентрация сульфат-иона в атмосферных осадках Европейской России составляла от 5–10 мг/л до 25–30 мг/л, хлорида – 1–11 мг/л.
Крупные промышленные центры региона можно считать постоянно действующими источниками кислотообразующих поллютантов, формирующими основную антропогенную нагрузку на пригородные экосистемы и определяющими состав атмосферных аэрозолей, подверженный трансграничному переносу. Активность таких источников наиболее четко выявляется при исследовании состава атмосферных выпадений города и его ближайшего пригорода.
Целью настоящей работы являлось оценка возможности проявления проблемы кислотных выпадений на территории г. Гомеля и ближайшего пригорода. Такая оценка основана на обобщении экспериментальных данных (рН и химический состав снеговых вод), полученных 2001–2003 гг.
Отбор проб атмосферных осадков выполнялся: 4 марта 2001 г. (29 проб), 30 декабря 2001 г. (25 проб) и 19 января 2003 г. (29 проб) в пригороде г. Гомеля вдоль основных радиально расходящихся автотрасс на одних и тех же площадках, расположенных на открытых пространствах за пределами влияния транспорта. Расстояние от точек отбора проб до городской черты не превышало 15–17 км.
Расположение мест отбора проб снега показано на рисунке 1. Каждой площадке был присвоен порядковый номер. Площадки 1–5 расположены вдоль дороги Гомель-Калинковичи (западное направление), площадки 6–9 – вдоль шоссе Гомель-Минск (северо-западное направление), 11–15 площадки располагались в северном направлении (Гомель – Могилев), площадки 16–19 расположены по направлению Гомель – Ветка (северо-восточное), 20–24 площадки – вдоль дороги Гомель – Кленки (восточное направление), площадки 25–29 – в южном направлении (шоссе Гомель – Чернигов).
Пробы снега отбирали по стандартной методике [5] после окончания снегопада пластмассовым пробоотборником на полную толщину снегового покрова. Образцы помещали в полиэтиленовые емкости для оттаивания при комнатной температуре. Кислотность проб снега определяли при помощи рН-метра – милливольтметра рН‑150М, на следующие сутки после отбора, после доведения температуры снеговой воды до комнатной. Концентрацию анионов – SO42-, Cl-, NO3-, NO2-, F-, РО43- и катионов – NH4+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+ – определяли с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель‑103Р» по стандартной методике. При различных диапазонах измерений данных анионов и катионов погрешность составляет от 10 до 20%. Концентрацию гидрокарбонат-иона определяли методом обратного титрования избытка соляной кислоты раствором тетробората натрия. По метрологическим результатам исследования, при определении массовой концентрации гидрокарбонат-ионов в пробах атмосферных осадков в диапазоне 0–50 мг/дм3 суммарная погрешность не превышает 15% [5].
В пробах, отобранных в марте 2001 года, определяли хлорид, сульфат, нитрат, калий, натрий, кальций-ионы, ион-аммония, а также рН снеговых вод. В пробах декабря 2001 г. и пробах января 2003 г. дополнительно определяли магний, гидрокарбонат, нитрит и фосфат-ионы.
В отличие от химически чистой воды атмосферные осадки в естественных условиях всегда содержат различные примеси, влияющие на рН. Благодаря наличию в атмосфере углекислого газа рН даже очень чистых осадков бывает близким к 5,6. В незагрязненной атмосфере могут присутствовать кислотообразующие вещества естественного происхождения, вследствие чего за нижний предел естественного закисления принята величина рН=5,5. Во всяком случае, рН>5,8 атмосферных осадков свидетельствует не о закислении, а о защелачивании.
Следует отметить, что осадки вымывают из атмосферы как кислотные, так и щелочные примеси, поэтому в случае их соизмеримого количества происходит нейтрализация осадков уже на момент их выпадения, и значения рН становятся равными 5,2–5,8. В результате имеет место существенная минерализация осадков при значениях рН, близких к нейтральным.
Результаты определения рН отобранных проб снега приведены в таблице 1, в таблице 2 – результаты статистической обработки полученных данных по направлениям отбора.
Таблица 1. Значения рН снеговых вод по отдельной стационарной площадке
| Номерпробы | Направление | Дата отбора | ||
| 4 марта 2001 г. | 30 декабря 2001 г. | 19 января 2003 г. | ||
| 1 | Западное | 5,85 | 5,90 | 5,70 |
| 2 | 6,05 | 5,82 | 5,48 | |
| 3 | 5,85 | 5,80 | 5,52 | |
| 4 | 5,75 | 5,57 | 5,45 | |
| 5 | 6,05 | 5,91 | 5,87 | |
| 6 | Северо-западное | 6,65 | 5,60 | 6,02 |
| 7 | 6,0 | 5,62 | 5,72 | |
| 8 | 6,65 | 5,40 | 5,42 | |
| 9 | 5,80 | 5,67 | 6,15 | |
| 10 | 6,25 | 6,10 | 5,98 | |
| 11 | Северное | 5,90 | 5,87 | 6,11 |
| 12 | 6,00 | 7,05 | 6,25 | |
| 13 | 5,85 | 5,99 | 6,30 | |
| 14 | 6,00 | 7,15 | 6,18 | |
| 15 | 5,85 | 5,92 | 5,98 | |
| 16 | Северо-восточное | 6,25 | – | 6,22 |
| 17 | 6,05 | – | 5,62 | |
| 18 | 6,40 | – | 6,10 | |
| 19 | 6,00 | – | 5,72 | |
| 20 | Восточное | 5,90 | 5,87 | 5,55 |
| 21 | 5,95 | 5,71 | 5,58 | |
| 22 | 6,00 | 6,05 | 5,85 | |
| 23 | 5,80 | 5,70 | 5,68 | |
| 24 | 6,00 | 5,25 | 5,84 | |
| 25 | Южное | 5,75 | 5,84 | 5,55 |
| 26 | 6,00 | 6,10 | 5,50 | |
| 27 | 5,75 | 5,78 | 5,81 | |
| 28 | 5,80 | 5,38 | 5,72 | |
| 29 | 6,00 | 5,66 | 5,84 | |
Как видно из представленных данных, не обнаружено существенных отличий величин рН снега как в зависимости от удаленности точек отбора от города, так и от направлений розы ветров.
По результатам проведенных исследований можно заключить, что имеет место тенденция возрастания кислотности осадков. Так, все пробы 1 отбора имели слабощелочную реакцию, т.е. рН>5,6; из проб 2 отбора – 3 пробы являлись слабокислотными (рН<5,5), 2 пробы имели характеристики чистых осадков (рН=5,5–5,6) и 20 проб – слабощелочными (рН>5,6); для проб 3 отбора эти значения составляли 3,5,21 соответственно. Для западного, восточного и южного направлений отмечены наименьшие значения рН осадков. В тоже время, для северо-западного, северного и северо-восточного – более характерны условно щелочные осадки.
Таблица 2. Статистика рН осадков по направлениям отбора проб
| Направление | Периодотбора | Среднее | Медиана | Min | Max | 25% квантиль | 75%квантиль |
| Западное | 1 | 5,91±0,06 | 5,85 | 5,75 | 6,05 | 5,85 | 6,05 |
| 2 | 5,80±0,06 | 5,82 | 5,57 | 5,91 | 5,80 | 5,90 | |
| 3 | 5,60±0,06 | 5,52 | 5,45 | 5,87 | 5,48 | 5,70 | |
| Северо-западное | 1 | 6,27±0,17 | 6,25 | 5,80 | 6,65 | 6,00 | 6,65 |
| 2 | 5,68±0,12 | 5,62 | 5,40 | 6,10 | 5,600 | 5,67 | |
| 3 | 5,86±0,13 | 5,98 | 5,42 | 6,15 | 5,72 | 6,02 | |
| Северное | 1 | 5,92±0,03 | 5,90 | 5,85 | 6,00 | 5,85 | 6,00 |
| 2 | 6,40±0,29 | 5,99 | 5,87 | 7,15 | 5,92 | 7,05 | |
| 3 | 6,16±0,06 | 6,18 | 5,98 | 6,30 | 6,11 | 6,25 | |
| Северо-восточное | 1 | 6,18±0,09 | 6,15 | 6,00 | 6,40 | 6,03 | 6,33 |
| 3 | 5,92±0,15 | 5,91 | 5,62 | 6,22 | 5,67 | 6,16 | |
| Восточное | 1 | 5,93±0,15 | 5,95 | 5,80 | 6,00 | 5,90 | 6,00 |
| 2 | 5,72±0,13 | 5,71 | 5,25 | 6,05 | 5,70 | 5,87 | |
| 3 | 5,70±0,06 | 5,68 | 5,55 | 5,85 | 5,58 | 5,84 | |
| Южное | 1 | 5,86±0,06 | 5,80 | 5,75 | 6,00 | 5,75 | 6,00 |
| 2 | 5,75±0,12 | 5,78 | 5,38 | 6,10 | 5,66 | 5,84 | |
| 3 | 5,68±0,07 | 5,72 | 5,50 | 5,84 | 5,55 | 5,81 |
1 – 4 марта 2001 г.; 2 – 30 декабря 2001 г.; 3 – 9 января 2003 г.