V.4. Асидификация экосферы и кислотные осадки

Асидификация - это антропогенный природный процесс повыше­ния кислотной реакции компонентов экосферы, прежде всего атмо­сферы, гидросферы и педосферы, а также и усиления воздействия повышенной кислотности на другие природные явления. Кислотные осадки известны еще с середины прошлого века, когда в окрестно­стях Манчестера (Англия) Роберт Ангус Смит измерил кислотность атмосферных осадков и в результате измерений назвал их кислотны­ми дождями. Затем, более 50 лет тому назад, в Скандинавии возник­ла проблема асидификации внутренних вод суши, в особенности озер. В последующие годы стало больше известно о воздействии ки­слотных компонентов на ухудшение состояния почв и о влиянии увеличивающейся кислотности на биологические компоненты ланд­шафтов суши. Одновременно увеличивались, и еще будут расти площади мира, подверженные процессу повышения кислотности. Так локальное явление кислотных осадков в небольшом старопро­мышленном районе Англии превратилось в глобальную проблему асидификации.

В естественных условиях атмосферные осадки обычно имеют ней­тральную или слабо кислую реакцию, то есть показатель их кислот­ности/ щелочности обычно меньше 7,0 (рН<7). В присутствии углеки­слого газа и при температуре 20°С дождевая вода имеет рН равный 5,6. В присутствии других природных газов рН дождевой воды снижа­ется примерно до 5,0. Однако часто случается выпадение атмосферных осадков, имеющих значительно более кислую реакцию. Кислотная ре­акция осадков может быть в 10 раз больше (то есть рН = 4), и даже временами, в очень загрязненных районах, достигать 3,5. Принято, что кислотные осадки (или "кислотные дожди") это осадки с рН<5.

Кислотные осадки бывают двух типов: сухие, обычно выпадаю­щие невдалеке от источника их поступления в атмосферу, и влажные (дождь, снег и пр.), распространяющиеся на большие расстояния, соизмеримые с размерами континентов, и потому зачастую превра­щающие проблему кислотных осадков в международную.

Основные компоненты кислотных осадков - аэрозоли оксидов се­ры и азота (SO_x и NO_x), которые при взаимодействии с атмосферной, гидросферной или почвенной влагой образуют серную, азотную и другие кислоты. Аммиак (NH₃) - еще один основной компонент ки­слотных осадков.

Кислотные осадки имеют как естественное, так и антропогенное происхождение. Основные природные источники - извержения вул­канов, лесные пожары, дефляция почв и др. Источниками антропо­генных кислотных осадков являются процессы сжигания горючих ископаемых, главным образом угля, в тепловых электростанциях, в котельных, в металлургии, нефтехимической промышленности, на транспорте и пр. Пока основным источником энергии остаются го­рючие ископаемые, в целом для мира доля антропогенных источни­ков будет неуклонно увеличиваться, ухудшая состояние атмосферы, а через нее и экосферы в целом. Напомним, что тепловая энергетика - также и источник эмиссии углекислого газа, главного фактора гло­бального изменения климата.

В настоящее время антропогенная эмиссия кислотных соединений для мира в целом превышает их суммарные естественные выбросы, а в Северном полушарии это соотношение достигает 90:10. В 1990 г. антропогенная эмиссия диоксида серы в атмосферу втрое превышала природные выбросы (соответственно 75 и 25 тераграмм в год).

Эмиссия азота только вследствие сжигания горючих ископаемых бо­лее чем вдвое превысила основные природные выбросы.

Другой источник кислотных соединений - сельское хозяйство. В настоящее время естественная фиксация соединений азота в процес­се построения растительной массы уже не в состоянии обеспечить потребности земледелия в этом биогенном элементе. Приходится увеличивать использование азотных удобрений и расширять площа­ди под бобовыми и рисом, поскольку эти культуры обладают азот- фиксирующими свойствами. Часть азотных соединений при этом уходит в окружающую среду.

Вследствие широкого использования ископаемого топлива в Ев­ропе и Северной Америке, эти территории выбрасывают в атмосферу около 70% общемирового объема веществ, образующих антропоген­ные кислотные осадки, при населении, составляющем только 14 % населения мира. Основные области распространения кислотных осадков - промышленные районы (Северная Америка, Западная Ев­ропа, Япония, Корея и Китай, промышленные узлы в России, от­дельные пятна в развивающихся странах). Доля развивающихся стран в распространении кислотных осадков постоянно нарастает и будет еще увеличиваться. В особенности заметным будет усиление асидификации в Азии.

Рис. 11 четко иллюстрирует рост среднегодового содержания суль­фатов в атмосферных осадках над Европой.

По состоянию на начало 1990 гг., вклад России в глобальную эмиссию диоксида серы составляет 12%, оксидов азота - 6%. Вклад США составляет соответственно 21% и 20%. Суммарное поступле­ние оксидов азота на единицу площади США в 11 раз больше, чем в России, а диоксида серы - в три раза. Эти цифры не говорят о хоро­шей экологической ситуации в России, они лишь указывают на то, что экологическая нагрузка по кислотным выпадениям в США отно­сительно выше, чем в нашей стране.

На территории России фоновое загрязнение оксидами серы и азота отмечается практически повсеместно, в особенности в Европейской части России. До начала экономической депрессии средняя за год величина выпадения серы на Европейской части России составляла 1 т/км², азота - 0,6 т/км². При этом около 20% приносилось из Европы через западную границу СССР. Вследствие экономической депрес­сии, к 1993 г. выпадения серы на территории России сократились на 27%, азота на 11%. Однако сохранились значительные территории с

Рис. 11. Увеличение содержания сульфатов в атмосферных осадках, выпадающих над Западной Европой, в мг серы/л

повышенным уровнем кислотности осадков (запад и центр Европей­ской части России, Урал, Кольский полуостров, Кузбасс и др.). Вну­три этих территорий имеются значительные площади, где выпадает более 3 т серы (до 5 т) и 1 т азота на 1 км² в год. В России весьма ве­лика эмиссия пылевых частиц, играющих роль ядер конденсации при образовании сульфатных аэрозолей, то есть, по сути дела, серной ки­слоты.

Так же как изменение климата тесно взаимосвязано с антропоген­ными воздействиями на глобальный биогеохимический цикл углеро­да, так кислотные осадки и асидификация - это проявление антропо­генных изменений глобальных биогеохимических циклов азота и серы.

Вероятно, азотный цикл, также как и серный, изменен человеком в наибольшей степени. Деятельность человека включает в глобальный цикл азота около 140 тераграмм (млн. тонн) азота в год. Это больше, чем суммарное поступление из естественных источников. При этом 80 тг возникает в виде производимых промышленностью азотных удобрений, 40 тг образуется вследствие посевов бобовых и риса и 20 тг вследствие сжигания горючих ископаемых в процессе производ­ства энергии. Из этого количества приблизительно 80 тг выбрасыва­ется в атмосферу. Из поступающих в атмосферу 80 тг N/год на кон­тиненты выпадает около 60 тг N/год, и около 20 тг N/год отлагается на поверхность океанов. Побережья морей получают со стоком рек еще 40 тг N/год.

Таким образом, из 140 тг N/год формирующегося атмосферного азота океаны получают около 60 тг N/год. Более высокое содержание азота отмечается в прибрежных зонах морей умеренного пояса, что приводит к развитию микроскопических водорослей, с возникающим иногда бурным их цветением, за которым следует разложение водо­рослей с иногда полным поглощением из воды растворенного кисло­рода. К этому явлению, называемому эвтрофикация, мы еще вернем­ся в главе, посвященной гидросфере.

Подавляющая часть остающихся 80 тг N/год аккумулируется на континентах, заметно влияя на процессы на суше. Например, леса во многих частях мира получают фактически дополнительное количе­ство азотных удобрений с неизвестными пока последствиями, в ча­стности, для накопления или расходования биомассы (то есть угле­рода). Наряду с этим, азотные соединения на суше распадаются в процессе денитрификации, и образующийся газ (N2) попадает снова в атмосферу. Относительно точные величины и соотношения антро­погенной аккумуляции азота и денитрификации пока неизвестны.

Антропогенный общемировой поток серы составляет около 150 тг (млн. тонн) в год. Главная причина эмиссии - сжигание горючих ис­копаемых, обычно имеющих заметные примеси серы, в процессе производства энергии. Из атмосферы сера примерно в одинаковых объемах попадает на сушу и океаны. Часть, попадающая на сушу, или взаимодействует с почвами и растительностью, или смывается в океан. Оценки антропогенного стока серы в океаны различаются вдвое (50-90 тг S/год).

Антропогенные соединения азота и серы повышают, иногда зна­чительно, степень кислотности атмосферы и экосистем. Это приво­дит к значительным изменениям состояния почв, лесов, подземных вод, озер, рек, а также неблагоприятно воздействует на инженерные сооружения.

Накопление антропогенной серы и азота в экосфере не только приводит к значительной и широко распространенной асидифика­ции, но также во все усиливающейся степени влияет на радиацион­ный баланс Земли, глобальный баланс питательных веществ (био­генов) и окисляющую способность тропосферы.

При оценке реального воздействия кислотных осадков на ланд­шафты и их компоненты необходимо сравнивать величины осадков с буферной способностью почв и почвообразующих пород. В целом в зонах недостаточного увлажнения кислотные осадки нейтрализуются и потому серьезной проблемы не представляют. Наоборот, в зонах избыточного увлажнения, в особенности на Канадском и Фенно- скандинавском кристаллических щитах, воздействие кислотных осадков на почвы, леса, водные объекты сказывается наиболее не­благоприятным образом (рис. 12).

Кислотные осадки играют решающую роль в резком увеличении подвижности в ландшафте алюминия, высокотоксичного для живых существ. Нижеследующая цепочка, на первый взгляд, не связанных событий приводит к внезапному вымыванию алюминия из почв вследствие медленного и постепенного изменения буферной способ­ности почв снижать кислотность:

а) В естественном состоянии алюминий в лесных почвах непод­вижен, если рН почвы превышает 4,2. Его подвижность резко увели­чивается, когда рН становится меньше 4,2.

чо

Составлено на основе материалов Stockholm Environment Institute 1997 г

Условные обозначения

наиболее чувствительные экосистемы суши

Рис. 12. Потенциальная чувствительность экосистем суши к кислотным осадкам

б) Атмосферные осадки начинают подкислять почвы, но процесс замедлен, потому что почвы содержат основные катионы, играющие буферную роль в снижении кислотности.

в) Однако, как только буферная способность почв израсходована, рН почв резко снижается.

г) При пороговой величине рН равной 4,2 алюминий начинает вы­мываться из почвы, попадает в гидрографическую сеть, накаплива­ясь в воде озер.

д) Проявляются неблагоприятные последствия, такие как гибель рыбы или ущерб лесу.

Почвы с низкой первоначальной буферной способностью, полу­чающие к тому же значительное количество кислотных осадков, бы­стрее асидифицируются и отдают алюминий по сравнению с почва­ми, отличающимися высокой буферной способностью и (или) полу­чающими меньше кислотных выпадений. Восстановление буферной способности почв происходит благодаря выветриванию горных по­род, содержащих основные ионы, нейтрализующие кислотность. Но в районах со значительными кислотными осадками скорость вывет­ривания не поспевает за скоростью асидификации.

Лесные почвы Центральной и Западной Европы (Германия, Поль­ша, Чешская Республика, Словакия, Нидерланды, Бельгия, Англия и др.) отличались высокой потенциальной способностью противосто­ять асидификации. Однако они подвергались воздействию кислот­ных осадков с начала промышленной революции, то есть в течение 200 лет, потеряли буферную способность и предрасположены к дальнейшей асидификации.

Экосистемы, расположенные на кристаллических щитах, отлича­ются повышенной кислотной реакцией и низкой буферностью. Поч­вы Скандинавии, имеющие низкую буферную способность, асиди- фицировались раньше почв Центральной Европы, несмотря на меньшую кислотную нагрузку.

При относительно небольшом уровне загрязнения воздуха высо­кие и сверхвысокие трубы тепловых электростанций и промышлен­ных предприятий способствуют дисперсии поллютантов и снижению концентрации загрязняющих веществ вблизи источника выбросов. Однако они не решают проблему при большой плотности источни­ков загрязнения. К тому же высокие трубы способствуют разносу кислотных осадков на большие расстояния. Таким образом проблема из локальной превратилась в региональную, требующую междуна- роного сотрудничества.

Поскольку главный антропогенный источник кислотных осадков - тепловая энергетика, то основной путь контроля кислотных осадков - снижение эмиссии оксидов серы и азота посредством таких техноло­гических приемов как использование менее загрязняющего топлива благодаря промывке измельченного угля перед его сжиганием, по­нижение температуры сжигания угля, извлечение серы из отходящих газов и т.п. Однако все эти приемы повышают стоимость производи­мой энергии. Другой, принципиально иной путь - экономия в ис­пользовании энергии.

Поскольку кислотные осадки переносятся на значительные рас­стояния, возникает необходимость в международном сотрудничестве в этой области. С этой целью в 1979 г. заключена европейская (с уча­стием США и Канады) Конвенция по трансграничному переносу за­грязнений воздуха, к которой впоследствии добавился ряд протоко­лов по сокращению эмиссий оксидов серы и азота. В процессе вы­полнения Конвенции достигнуты значительные успехи в снижении асидификации. В большей степени успехи относятся к соединениям серы, в меньшей - к соединениям азота.