Влияние кислотных осадков на биосферу Земли

(окись азота + радикал пероксида водорода --- двуокись азота + радикал гидроксила);

(окись азота + озон --- двуокись азота + молекулярный кислород).

Итак, можно предположить, что окисью азота можно пре¬небречь вследствие указанных окислительных процессов. Од¬нако это не совсем так, что объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азота в значи¬тельной степени происходит в форме окиси азота, и требуется время, чтобы полностью превратилась в . С другой стороны, в непосредственной близости от источников загряз¬нения количество окиси азота превышает количество двуоки¬си азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чис¬том воздухе над поверхностью океана часть окиси азота со¬ставляет всего несколько процентов от двуокиси азота. Соот¬ношение этих газов, впрочем, может меняться вследствие фо¬тодиссоциации двуокиси азота:

(двуокись азота+ квант света --- окись азота+ атом кислорода),

Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кис¬лота, образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота нейтрализуется, то образуется азот¬нокислая соль, которая обычно присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, кото¬рые получаются в результате взаимодействий аммиака с ка¬кой-либо кислотой.

Источники соединений азота.

Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмот¬рим наиболее важные естественные источники.

Естественные и антропогенные источники соединений азота, содержащихся в атмосфере.

Почвенная эмиссия оксидов азота. В про¬цессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Соглас¬но современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т оксидов азота.

Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и пе¬рехода в плазменное состояние молекулярные азот и кисло¬род в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плаз¬мы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Об¬щее количество образовавшихся таким способом оксидов азо¬та составляет 8 млн т в год.

Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью по¬лучения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате воз¬никновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кро¬ме того, оксиды азота образуются в результате горения имею¬щихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным ис¬точником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на огра¬ниченных территориях Земли.

Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кис¬лотных осадков.

Атмосферный аммиак.

Аммиак, имеющий в водном рас¬творе щелочную реакцию, играет значительную роль в регу¬лировании кислотных дождей, так как он может нейтрализо¬вать атмосферные кислотные соединения с помощью следую¬щих реакций:

(аммиак+ серная кислота - гидросульфат аммония);

(аммиак+ гидросульфат аммония = сульфат аммония);

(аммиак+ азотная кислота - нитрат аммония).

Таким образом, эти химические реакции ведут к образо¬ванию сульфата и нитрата аммония.

Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разру¬шаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что активность бактерий, приводящая в конечном счете к образо¬ванию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Се¬верная Европа и Северная Америка), особенно в зимние меся¬цы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются ней¬трализации и, таким образом, возрастает опасность выпаде¬ния кислотного дождя.

В процессе распада мочи домашних животных высвобож¬дается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что, например, в Европе он превыша¬ет возможности выделения аммиака почвой. Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние месяцы скорость распада ниже. Существенными ис¬точниками аммиака могут служить также производство и внесение в землю искусственных удобрений. Меньшее коли¬чество аммиака может попасть в атмосферу в результате сго¬рания угля или горючего транспортных средств.

Распространение кислотных веществ в атмосфере.

Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, естественно, не задерживают¬ся на одном месте, а распространяются в вертикальном и го¬ризонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, ко¬торое происходит посредством конвекционных (упорядочен¬ных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe состо¬яния в данный момент перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали в атмос¬фере. Как известно, начиная с поверхности Земли темпера¬тура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в среднем на 0, 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от по¬верхности это понижение исчезает, более того, двигаясь вы¬ше, можно наблюдать потепление. Этот слой, где происходит изменение температуры в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и для данного места остается по¬стоянной. Выше находится стратосфера, где потепление в вертикальном направлении происходит в результате погло¬щения коротковолнового излучения и протекания фотохими¬ческих реакций. Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлении. Поэтому перемешивание в тропопаузе за¬медляется, и загрязняющие вещества уже могут проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение). Последняя представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те загрязняющие вещества, кото¬рые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу. С другой стороны, вещества, имеющие длительное время жизни, могут попасть в стратосферу, на¬пример, фреоны, время нахождения кото¬рых в тропосфере исчисляется несколькими десятками лет.

Микроэлементы, которые находятся в тропосфере в тече¬ние короткого времени (например, соединения серы и азота), могут попасть в более высокие слои воздуха другим путем, например, при сильном извержении вулкана или во время полетов в стратосферу.

Таким образом, возвращаясь к тропопаузе, можно ска¬зать, что в результате увеличения температуры с высотой пе¬ремешивание на этом уровне прекращается. В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхно¬сти, наблюдается инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном направлении, которое также приводит к прекращению вертикального перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным глазом. На¬пример, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, над загряз¬ненными местами иногда можно превосходно разглядеть гра¬ницу между серым загрязненным нижним и верхним чис¬тым слоями воздуха. На этой границе прекращается верти¬кальное перемешивание загрязняющих веществ. Этот близ¬кий к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических ус¬ловий. Тропопауза является верхней границей перемешива¬ния в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения.

Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распро¬страняются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Этот процесс происходит под воздействием так называемой адвекции в направлении скорости ветра при упорядоченном движении воздуха или же в результате турбу¬лентного (неупорядоченного) движения. На больших расстоя¬ниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит