Михайлец М.А.

Кислотные дожди и их влияние на

окружающую среду

Интенсивная хозяйственная деятельность человека создает мощнейшее антропогенное давление на окружающее среду. Это приводит к нарушению равновесных процессов, протекающих в биосфере, что проявляется целым спектром проблем экологического характера.

Одной из актуальнейших экологических проблем последних десятилетий являются кислотные осадки. Термин «кислотный дождь» первоначально был введен еще в 1882 году Р. Смитом, о его влиянии на состояние природных и искусственных экосистем заговорили только в конце прошлого века.

Кислотные осадки и их последствия представляют собой серьезную социально-экономическую проблему. Они крайне негативно воздействуют на биоценозы замкнутых водоемов, являясь причиной уменьшения рыбного промысла. Они снижают плодородие сельскохозяйственных угодий, способствуют распространению тяжелых металлов, служат причиной разрушения строительных конструкций, а также памятников архитектуры и зодчества.

В основе механизма образования кислотных осадков лежит нарушение природных круговоротов веществ, в первую очередь серы, вследствие интенсивной хозяйственной деятельности человека (Рис. 1).

Рис. 1. Механизм образования кислотных дождей

1. выбросы кислотообразующих соединений

2. взаимодействие кислотообразующих веществ с парами воды

3. выпадение кислотных осадков

4. влияние кислотных дождей на ОС: закисление почвы и водоемов, угнетение и гибель растений, разрушение зданий, памятников архитектуры и зодчества

Диоксид серы в большом количестве образуется при сжигании богатого серой горючего, например угля и мазута (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%). Другими источниками являются электростанции (~40% антропогенного поступления в атмосферу), металлургическое производство, различные химические технологические процессы и ряд машиностроительных предприятий [1].

В атмосфере диоксид серы в результате фотохимического окисления частично превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3: 2SO2 + O2 = 2SO3.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы при достаточной атмосферной влажности образует кислотный полигидрат SО2•nH2O, или сернистую кислоту: SO2 + H2O = H2SO3. Аэрозоли серной и сернистой кислот считаются основной причиной выпадения кислотных осадков.

В нашей стране проблема кислотных дождей впервые была поднята только в конце 1980 х годов, а первые попытки ее решения начались в 1990 х годах.

В последние годы среднегодовые фоновые концентрации диоксида серы над территорией России оставались на низком уровне – около 0,3 мкг/м3, несколько увеличиваясь в холодный период года (в среднем около 2,5 мкг/м3). В долгосрочной динамике отмечается стабилизация уровня концентраций диоксида серы после некоторого ее уменьшения в течение 10 предыдущих лет. Среднегодовые фоновые концентрации диоксида азота в воздухе также оставались на уровне прошлых лет, изменяясь от 1,2 до 4,8 мкг/м3 [4].

Однако на территории Российской Федерации есть регионы чрезвычайно неблагополучные по данным показателям. Примером может служить Норильск и НПР, где основным источником выбросов кислотообразующих соединений является комбинат «Норильский никель». В его состав входят три завода – никелевый, медный заводы и Надеждинский металлургический комбинат. Как известно, металлургические предприятия вносят значительный вклад в загрязнение атмосферы кислотообразующими соединениями. В связи с этим на территории Норильского промышленного района регулярно регистрируется выпадение закисленных осадков (табл. 1), что приводит к выраженной деградации лесных биоценозов.

Таблица 1. Суточные величины закисленности атмосферных осадков в Норильске в 2012—2013 гг*

(критическое значение рН – ниже 4,0)

*(Материалы предоставлены Начальником территориального Центра по мониторингу загрязнения окружающей среды Н.С. Шленской).

Ареал поврежденных лесов Таймыра по большей части находится южнее Норильска, что связано с преобладающими ветрами. По свидетельству очевидцев, усыхание древостоев началось еще в 50-е годы прошлого столетия. К концу 60-х площадь погибших лесов составляла 5 тыс. га. Зона полной гибели древостоев в 1993 г. протянулась на 90 км в южном направлении от Норильска, а заметные повреждения лесов техногенного характера наблюдались на расстоянии до 170 км от города. Площадь погибших и поврежденных насаждений с 1976 по 1990 г. возросла с 322 до 550 тыс. га, а площадь погибших в 1989 г. составила 283 тыс. га [3] (рис. 2).

Рис. 2. Динамика величины исков, предъявляемых предприятиям «Норильского никеля» за ущерб лесным насаждениям

(по данным портала «Экомир»)

Следует отметить, что главную опасность для естественных и искусственных экосистем представляют не столько сами кислотные осадки, сколько процессы, протекающие в результате закисления окружающей среды. Выпадение кислотных осадков приводит к выщелачиванию из почвы жизненно необходимых растениям питательных веществ, а также токсичных тяжелых и легких металлов, таких как свинец, кадмий и др. Такие металлы и их токсичные соединения активно усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что и приводит к негативным последствиям. При повышенной кислотности почв из верхних горизонтов выносится обменный кальций, магний и другие элементы, активируются обменные процессы между абиотической и биотической частями экосистемы. В частности связанное с кислотными осадками увеличение поглощения деревьями алюминия приводит к выраженному снижению прироста древесины [4]. Непосредственное воздействие кислотных осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации и фотосинтеза.

В целом, можно заключить, что воздействие кислотных осадков на лесные биоценозы носит комплексный характер, затрагивая, в первую очередь, почвы и растительность (рис. 3).

Почвенное подкисление считается одним из негативных факторов, приводящих к деградации лесов умеренной зоны северного полушария. При этом эффект может проявляться спустя длительное время после выпадения кислотных осадков.

Рис. 3. Комплексный характер влияния кислотных осадков на лесные биоценозы [6]

Т.Ф. Тарасова и О.В. Чаловская выделяют несколько основных стадий, которые характерны для процесса трансформации экосистемы лесов северного полушария под действием кислотных осадков [5].

1. Выпадение наиболее чувствительных к условиям внешней среды видов при сохранении основных параметров экосистемы. Первыми при ухудшении параметров среды начинают исчезать лишайники.

2. Структурные перестройки экосистемы. Ухудшается санитарное состояние деревьев, при сохранении плотности древостоя и его запасов. Изменяется травяно-кустарничковый ярус, где выпадают чувствительные виды лесного разнотравья. Замедляются процессы, происходящие с участием почвенных микроорганизмов. Незначительно увеличивается толщина подстилки. Уменьшается разнообразие и численность эпифитных лишайников.

3. Стадия частичного разрушения экосистемы. Отмечается угнетение и изрежение древесного яруса, нарушение его возобновления. В травяном ярусе происходит замена лесных видов луговыми видами и видами-эксплерентами. Биологическая активность почвы резко снижена. Крупные почвенные сапрофаги отсутствуют. Уменьшается скорость деструкции листового опада, в результате происходит его накопление в виде толстого слоя подстилки. Лишайниковый покров сохраняется только у самого основания стволов, представлен одним-тремя устойчивыми видами. Происходит элиминация крупных лесных видов птиц, уменьшается плотность орнитофауны. Наблюдается вселение синантропных видов и видов, приуроченным к открытым местообитаниям (характерно для населения птиц, мелких млекопитающих и муравьев).

4. Стадия полного разрушения экосистемы. Древесный ярус полностью разрушен, сохраняются лишь отдельные, сильно угнетенные экземпляры деревьев. Травяной ярус представлен одним-двумя видами злаков, в увлажненных местах встречается хвощ. Лишайниковый покров отсутствует. Полностью смыты подстилка и верхние горизонты почвы. Биологическая активность почвы снижена до нуля. Почвенные животные отсутствуют. Группировка птиц и мелких млекопитающих существуют за счет притока мигрантов с соседних участков территории.

Меры по защите лесных биоценозов от кислотных осадков на первом этапе сводились к разработке и реализации организационных мероприятий, которые включали в себя ужесточение природоохранного законодательства, нормирование выбросов вредных веществ, повышение штрафов. Эти действия имели определенный экологический эффект, однако полностью проблему решить не смогли. Основными методами снижения загрязнения атмосферы кислотообразующими выбросами на сегодняшний день являются разработка и внедрение различных очистных сооружений и правовая защита атмосферы [2].

Для уменьшения выбросов окисленной серы в атмосферу через дымовые трубы используют различные газоочистители (электрические фильтры, вакуумные, воздушные или жидкие фильтры-скрубберы). Так, в скрубберах газообразные продукты сгорания пропускаются через водный раствор извести, в результате чего образуется нерастворимый сульфат кальция СаSО4. Этот метод позволяет удалить до 95% SО2, однако его главным недостатком является высокая стоимость. Таким же дорогостоящим является метод очистки дымовых газов от оксидов азота с помощью изоциановой кислоты НNСО. За счет химического взаимодействия в этом случае удаляется до 99% оксидов азота.

Для защиты лесов от кислотных дождей также применяют известкование. Для этого с самолетов распыляют свежемолотый доломит (СаСО3•MgCO3), который реагирует с кислотами с образованием безвредных веществ:

СаМg(СО3)2 + 2Н2SО3 = СаSО3 + МgSО3 + 2СО2­ + 2Н2О,

СаМg(СО3)2 + 4НNО3 = Са(NО3)2 + Мg(NО3)2 + 2СО2­ + 2Н2О.

Все перечисленные меры представляют собой реализацию метода «контроля на выходе», то есть снижение концентрации загрязнителей на стадии их попадания в атмосферу.

Более эффективен с экологической точки зрения метод «контроля на входе», который предусматривает очистку топлива от потенциальных загрязнителей, использование экологически более чистых источников энергии и создание так называемых безотходных технологий, то есть технологических процессов, сопоставимых с природными циклами в биосфере.

Таким образом, проблема кислотных осадков сохраняет свою актуальность как для России, так и для всего мира, затрагивая в первую очередь страны с развитым промышленным комплексом.

В основе закисления осадков, в первую очередь, лежат химические взаимодействия оксидов серы и азота с атмосферными водяными парами, в результате чего образуются серная и азотная кислоты. Интенсивные промышленные выбросы кислотообразующих соединений нарушают природные круговороты веществ и приводят к выпадению атмосферных осадков с рН меньше 5,6.

Кислотные осадки имеют широкий спектр негативных влияний, как на природные объекты, так и на объекты, созданные человеком. Наиболее подвержены действию кислотных осадков биоценозы озер и лесов, которые в результате закисления могут подвергаться полной или частичной деградации.

Решение данной проблемы требует усилий в области разработки мер по снижению количества кислотообразующих выбросов. Перспективными являются технологии, позволяющие очистить топливо и сырье от потенциальных загрязнителей атмосферы на начальном уровне.

Литература

1. Боровский Е.Э. Кислотные дожди // ECOTECO, № 6. – Электронный журнал. – URL: http://www.ecoteco.ru/library/magazine/zhurnal-111/ekologiya/kislotnye-dozhdi/.

2. Дубровин Т., Дубровин Е. «Кислота с неба» // Энергетика и промышленность России. – 2008, № 20. – URL: http://www.eprussia.ru/epr/112/8772.htm.

3. Зиганшин Р.А., Воронин В.И., Карбаинов Ю.М. Мониторинг лесных экосистем Таймыра // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2011. № 8. С. 117-123.

4. Илькун Г.М. Загрязнение атмосферы и растения. – Киев: Наукова думка, 1978. – 147 с.

5. Обзор фонового состояния окружающей природной среды на территории стран СНГ за 2009-2010 гг. / Под редакцией Ю.А. Израэля. – Росгидромет, 2011. – 128 

6. Тарасова Т.Ф., Чаловская О.В. Оценка возедйствия кислотных дождей на элементы экосистемы промышленного города // Вестник ОГУ. – 2005. - №10. С. 80 – 84.