Влияние кислотных осадков на биосферу Земли
ни года и метеорологических условий. Тропопауза является верхней
границей перемешивания в том случае, если, например, инверсия находится
ниже, чем источник загрязнения.
Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распространяются 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 турбулентного
(неупорядоченного) движения. На больших расстояниях (более 50 км) решающим
фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна
молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени
ее пребывания в атмосфере. Все находящиеся в атмосфере вещества, в том
числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в
химическую реакцию либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадка.
Это выделение веществ на поверхность представляет собой седиментацию.
Время, в течение которого в среднем молекулы соединений проводят в
атмосфере, называется временем пребывания. Обычно чем короче время
пребывания заданного вещества в атмосфере, тем выше его способность
изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота
в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от места и времени
измерения, так как атмосферное (тропосферное) время ее пребывания
составляет около 25 лет. Концентрация же двуокиси азота может в несколько
раз изменяться в зависимости от места и времени. Время ее пребывания
составляет лишь 8-10 сут, а для серы оно еще короче — около 2 сут. Это,
естественно, не означает, что каждая молекула двуокиси серы точно через 2
сут исчезает из атмосферы, так как время жизни каждой молекулы
статистически колеблется вокруг среднего значения.
Что означают для двуокиси серы эти двое суток времени пребывания? На
какое расстояние в среднем она может распространиться с помощью ветра?
Возьмем скорость ветра 10 м/с, которая довольно часто бывает на высоте 1 км
от поверхности Земли. Легко можно подсчитать, что одна "средняя" молекула
двуокиси серы на "крыльях ветра" может удалиться примерно на 2000 км от
места выброса. Если же мы примем во внимание среднее значение скорости
ветра у поверхности почвы (в Венгрии приблизительно 3 м/с), то среднее
пройденное молекулой расстояние составит около 500 км. Таким образом,
молекула двуокиси серы в среднем может покрыть расстояние 1000 км. Для
двуокиси азота это расстояние из-за более продолжительного времени
пребывания может быть еще больше.
Распространение загрязняющих веществ в таких масштабах создало много
международных проблем. Поскольку загрязнение воздуха не знает границ,
выброс загрязняющих веществ в одном государстве может загрязнить воздух
другого. Например, существует тесная связь между образованием кислотных
дождей в Скандинавских странах и эмиссией двуокисей серы и азота в Средней
и Западной Европе. Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) в рамках
"Совместной программы наблюдения и оценки распространения загрязняющих
воздух веществ на большие расстояния в Европе" (ЕМЕП) подсчитала, в какой
степени то или иное европейское государство несет ответственность,
например, за выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах. Необходимо
принять во внимание также количества загрязняющих веществ, которые
удаляются из определенной страны и поступают туда из других стран. Это
можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в
какой-либо стране выброс загрязняющего вещества (например, двуокиси серы
или окиси азота) на ее территории превышает его выпадение в неизменной или
преобразованной форме, то баланс этой страны отрицательный, т.е. она больше
загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрицательный
баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как
баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.
За передвижением масс воздуха между странами и распространением таким
способом загрязняющих веществ можно проследить. Используя различные
метеорологические данные (например, направления ветра на различной высоте,
скорость ветра), можно определить, где находящаяся над определенной
территорией масса воздуха будет располагаться через 0; 3; 6; ... 36ч.
Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем
больше, чем ближе он находится от места измерения. Расположенный близко
менее значительный источник может перекрыть влияние более отдаленного
мощного источника загрязнения.
Таким образом, мы схематично ознакомились с вертикальным перемешиванием
(конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих
веществ. Однако их только теоретически можно отделить друг от друга, в
действительности оба эти процесса идут параллельно. Для математического
описания (моделирования) распространения загрязняющих веществ необходимо
также учитывать химическое взаимодействие, седиментацию микроэлементов,
влияние рельефа на формирование потока воздуха и т.д. Такие математические
модели очень сложны. Однако с некоторыми упрощениями можно получить
относительно хорошие результаты.
Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.
Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере
подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы
идут параллельно их распространению. Очень часто загрязняющие вещества,
испытав частичное или полное химическое превращение, выпадают в осадок,
изменив таким образом свое агрегатное состояние.
Рассмотрим подробнее химические реакции и фазовые изменения,
происходящие с атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).
Химические превращения соединений серы:
Сера входит в состав в неполностью окисленной форме (степень окисления
ее равна 4). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно
длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей
они превращаются в серную кислоту или сульфаты.
Рассмотрим в первую очередь наиболее значительное с точки зрения
кислотных дождей вещество( двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут
протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной.
Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси
серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к
ультрафиолетовой области:
[pic].
В результате этого процесса возникают так называемые активированные
молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным
состоянием. Звездочка означает активированное состояние. Активированные
молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в
химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших
количествах молекулярным кислородом:
[pic]
(активированная молекула двуокиси + молекулярный кислород [pic] свободный
радикал)
[pic]
(свободный радикал + молекулярный кислород [pic] трехокись серы + озон)
Образовавшаяся трехокись серы, взаимодействуя с атмосферной водой, очень
быстро превращается в серную кислоту, поэтому при обычных атмосферных
условиях трехокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах.
В гомогенной среде двуокись серы может вступить во взаимодействие с
атомарным кислородом, также с образованием трехокиси серы:
[pic]
(двуокись серы + атомарный кислород [pic] трехокись серы)
Эта реакция протекает в тех средах, где имеется относительно высокое
содержание двуокиси азота, которая также под действием света выделяет
атомарный кислород.
В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы
превращения двуокиси серы в атмосфере не имеют превалирующего значения, так
как реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов.
Свободные радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат
непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной
реакционноспособностью. Одна из таких реакций протекает следующим образом:
[pic]
(двуокись серы +радикал гидроксила [pic] свободный радикал)
[pic]
(свободный радикал + радикал гидроксила [pic] серная кислота)
В результате реакции образуются молекулы серной кислоты, которые в
воздухе или на поверхности аэрозольных частиц быстро конденсируются.
Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной среде.
Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая
происходит не в газовой фазе, ав каплях или на поверхности частиц,
находящихся в атмосфере.
Кроме двуокиси серы в атмосфере можно обнаружить значительное количество
других природных соединений серы, которые в конечном счете окисляются до
серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся
фотохимическим путем свободные радикалыи атомы. Конечные продукты играют
определенную роль в анторпогенной кислотной седиментации.
Химические превращения соединений азота:
Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов,
является окись азота [pic], котрая при взаимодействии с кислородом воздуха
образует двуокись азота. Последняя в резул
| |  скачать работу |
Влияние кислотных осадков на биосферу Земли |
