Источники и распространение: антропогенные выбросы окислов серы и азота

Главными источниками кислотных осадков являются двуокись серы (SO₂) и окиси азота (NO_x), образующиеся при сжигании угля, нефти, бензина, плавка руд, содержащих серу. В целом поступление SO₂ и NO_x в атмосферу из антропогенных источников в 2–3 раза превышает естественное (например, из вулканов, почв, болот, морских вод) (Galloway, 1995).

SO₂ и NO_x и продукты их окисления, SO₄^2– и NO₃^–, в среднем, живут в атмосфере 1–3 дня. При средней скорости переноса 400 км сут^–1, они могут быть перенесены на расстояние от 400 до 1200 км. Окислы выпадают в виде дождя, содержащего H₂SO₄ и HNO₃, и сухих осадков в форме аэрозолей, или в виде газов. Измерение сухих осадков достаточно трудно. Так, при измерении баланса хлоридов в Норвегии оказалось, что в вытекающей реке хлоридов на 37 % больше, чем должно было быть по результатам измерения поступлений из атмосферы. Современные оценки доли сухого поступления – от 20 % от их количества, до превышения объема жидких осадков (Kalff, 2002). Современная кислотность осадков в Северном полушарии, включая Японию и Южную Корею, увеличилась в 10–30 раз, по сравнению с доиндустриальным уровнем.

В целом, SO₂ и NO_x составляют примерно половину кислотных техногенных выбросов. На третьем месте следует поставить хлорид–ионы, образуемые промышленностью, особенно, мусоросжигающими печами.

Антропогенные выбросы окислов серы и азота

Быстрый рост потребления минерального топлива после Второй мировой войны привел к значительному росту выбросов SO₂ и NO_x в атмосферу. На востоке Северной Америки и в Европе выбросы серы выросли более чем вдвое с 1900 по 1985 г. Контроль выбросов сделал возможным существенное снижение (>40 %) выбросов двуокиси серы к 2000 г. в США, Канаде, Западной Европе, Японии.

Антропогенные выбросы NO_x связаны, в первую очередь, с окислением газообразного азота в двигателях внутреннего сгорания, а не с самим топливом. В результате, закисление, вызванное окисями азота, сконцентрировано у мегаполисов. Масштабы этого загрязнения трудно оценить, поскольку оно связано со множеством мелких источников загрязнения. Тем не менее, выбросы окислов азота только на востоке США выросли в 12–20 раз в 1985 по сравнению с 1900. В отличие от окислов серы, эти выбросы не снизились, а продолжают расти (Kalff, 2002).

Действие кислотных осадков на окружающую среду: чувствительность водоемов к повышению кислотности, буферная емкость озер, рек, болот; действие закисления на водную биоту

Чувствительность водоемов к повышению кислотности

Внутренние водоемы, особенно чувствительные к повышению кислотности, характеризуются высокой прозрачностью, низкой минерализацией (проводимость ниже 50 мS см^–1), относительно низким содержанием гидрокарбонат–ионов, ANC<50 мкэкв л–1. В Восточной Канаде примерно 350 000 таких озер, из них уже 14 000 закислены (pH < 4,7, ANC < 0 мкэкв л^–1). В Швеции примерно 85 000 озер площадью более 1 га, из которых закислены около 20 000 и 90 000 км закисленных водотоков. В Норвегии водоемы и водотоки закислены на площади около 33 000 км².

При использовании видового состава водорослей в осадках как индикатора кислотности было показано, что большинство озер Адирондэйкских гор (США) в 1900 г. имели pH около 6,0. Сейчас pH снизился на величину от 1,0 (в 10 раз) до 2,0 (в 100 раз) в большинстве озер, при наибольшем росте кислотности между 1920 и 1950 г. (Cumming et al., 1994).

Чувствительность к закислению определяется (Kalff, 2002):

· способностью почв и пород бассейна нейтрализовать поступающие кислоты;

· морфометрией озера и особенностями бассейна;

· содержанием органических кислот в смывах с бассейна;

· нейтрализующими агентами и процессами в водной системе.

Способность почв и пород водосборного бассейна нейтрализовать поступающие кислоты – определяющий фактор закисления озер в регионах с низким pH осадков. Чем больше доля карбонатных пород в водосборном бассейне, тем выше устойчивость озер к закислению. В богатых карбонатами бассейнах поступающие ионы нейтрализуются, освобождая ионы кальция или магния, углекислота поступает в атмосферу. Наоборот, озера, расположенные в бассейнах, образованных изверженными породами (гранитами, базальтами, гнейсами) очень чувствительны к закислению.

Озера, расположенные в изголовье бассейна, также очень чувствительны, поскольку площадь бассейна мала, слой почвы тонок, практически все осадки напрямую попадают в озеро.

3/4 из 1 180 озер, исследованных в чувствительных к закислению частях США, были закислены органическими кислотами, поступающими с водосбора (Baker et al., 1991). В Финляндии большое число озер закислено по той же причине (Finnish lake…, 1991).

В бассейнах, сложенных изверженными породами, HCO^3– высвобождается в процессах выветривания. Некоторое количество водород–ионов связывается при растворении гидроксидов и оксидов алюминия, двуокиси кремния. Часть заменяет катионы в частичках почвы. Буферные свойства почв определяются:

Долей силикатов и глинистых веществ, способных к выветриванию;

Долей отрицательно заряженных частиц почвы, связанных с Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, Al³⁺, которые могут заменяться на H⁺;

Временем контакта воды с почвой, зависящим от толщины и структуры почвенного покрова.

Буферная емкость озер, рек и болот

Нейтрализационная емкость вод (процессы, воздействующие на нее, приведены в таблице 42) определяется, в упрощенной форме, как

ANC = [HCO₃^–] + [CO₃^2–] + [OH^–] ± [Al^–] – [H⁺] – У [Al⁺],

где

У [Al⁺] = 3 [Al³⁺] + 2 [AlOH²⁺] + [Al (OH)₂⁺].

Кроме того, обменная

ANC = [Ca²⁺] + [Mg²⁺] + [Na⁺] + [K⁺] + [NH₄⁺] – [SO₄^2–] – [Cl^–] – [NO₃^–].

Таблица 42

Процессы, воздействующие на ANC, выраженную в молях потребленного CH₂O (∆ ANC, органическая) и на моль восстановленного неорганического субстрата (∆ ANC, неорганическая) (Kalff, 2002)