Основные причины возникновения кислотных дождей, их разновидности и особенности химического состава. Анализ главных экологических последствий и оценка негативного воздействия. Предпосылки возникновения смога лондонского типа и его влияние на здоровье.
Цель работы - рассмотреть виды осаждения кислот, изучить образование смога лондонского типа и его влияние на здоровье человека. Кислотные дожди приводят к уничтожению флоры и фауны, что вкупе с остальными экологическими проблемами может привести к серьезной деградации биосферы и поставить под угрозу само существование человечества [1]. Термином «кислотные дожди» называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - РН которых меньше, чем среднее значение РН дождевой воды (средний РН для дождевой воды равняется 5.6). И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота (NOX).Изучены виды осаждения кислот.
Введение
Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека [3].
Среди весьма серьезных проблем экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу. Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. В период промышленной и научно-технической революции увеличился объем эмиссии в атмосферу газов и аэрозолей антропогенного происхождения. По ориентировочным данным ежегодно в атмосферу поступают сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенопроизводных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт [2]. В связи с этим реферат является актуальным.
Цель работы - рассмотреть виды осаждения кислот, изучить образование смога лондонского типа и его влияние на здоровье человека.
Для реализации поставленной цели ставились следующие задачи: 1. Рассмотреть основные причины возникновения кислотных дождей.
4. Рассмотреть основные причины возникновения смога лондонского типа и его влияние на здоровье человека.
Экономический аспект
Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать существенные экономические издержки. Убытки от потери лесов, урожая, а также медицинские расходы ежегодно составляют миллиарды долларов [2].
Экологический аспект
Проблема кислотных дождей стала одной из экологических проблем глобального масштаба. Кислотные дожди приводят к уничтожению флоры и фауны, что вкупе с остальными экологическими проблемами может привести к серьезной деградации биосферы и поставить под угрозу само существование человечества [1].
Социальный аспект
Повышенная кислотность вод способствует высокой растворимости таких опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец, которые в свою очередь представляют опасность для здоровья человека и могут привести к серьезным заболеваниям. Смог также оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека, и в особенности он опасен для детей, пожилых людей и людей с пороками сердца и легких, больных бронхитом, астмой, эмфиземой [9].
Актуальность выбранной темы
Среди наиболее острых экологических проблем особое значение приобрела проблема образования и осаждения кислотных дождей. Значимость этой проблемы для нынешнего и будущих поколений определяется темпами развития индустриального общества. Закисление окружающей среды является следствием антропогенной деятельности, в частности промышленными выбросами оксидов серы и азота в атмосферу. Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать и уже в некоторых регионах вызывает существенные экономические и социальные издержки. В дальнейшем ожидается рост закисления окружающей среды, а причиняемый кислотными осадками ущерб станет катастрофическим [2].
Практическая значимость
Кислотные дожди неминуемо ведут к коррозии металлов, а также разрушению зданий и памятников природы. Смог является причиной внезапного нарушения нормальной деятельности людей и приводит к человеческим жертвам [1].
1. Кислотные дожди смог лондонский экологический кислотный
Термином «кислотные дожди» называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - РН которых меньше, чем среднее значение РН дождевой воды (средний РН для дождевой воды равняется 5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO2) и окислы азота (NOX) трансформируются в атмосфере земли в кислотообразующие частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая ее в растворы кислот, которые и понижают РН дождевой воды. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы [1].
1.1 Образование кислотных дождей
Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO2 H2O -> H2CO3). Тогда как в идеале РН дождевой воды равняется 5.6-5.7, в реальной жизни показатель кислотности (РН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота. Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота (NOX). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины (таблица 1.1) [7].
Таблица 1.1 - Содержание основных загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу (в %)
Источник загрязнения Монооксид углерода Диоксид серы Оксиды азота Углеводороды Другие
Двигатель внутреннего сгорания 91,5 3,8 46,0 63,0 8,5
Промышленность 2,8 34,8 15,4 21,0 50
Электростанции 1,5 46,0 23,6 5,0 25,0
Различные топки 4,2 15,6 15,0 11,0 16,5
Всего 100 100 100 100 100
Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю (рисунок 1.1) [7].
Рисунок 1.1 - Блок-схема модели возникновения кислотных дождей в атмосфере
Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и еще во многих странах земного шара [11].
1.2 Кислотная седиментация
Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь - вымывание осадков или влажное осаждение. Второй путь - выпадение осадков или сухое осаждение. Совокупность этих процессов является кислотной седиментацией [1].
Влажное осаждение кислот
Влажное осаждение - это косвенный перенос частиц из атмосферы к поверхности земли с дождем, снегом или градом внутри или на поверхности частицы [6].
Таким образом, вымывание происходит во время образования облаков и осадков. Одним из условий образования облаков является перенасыщенность. Это означает, что воздух содержит больше водяного пара, чем он может принять при заданной температуре, сохраняя равновесие. При понижении температуры способность воздуха накапливать воду в виде пара уменьшается. Тогда начинается конденсация водяного пара, которая происходит до тех пор, пока не прекратится перенасыщенность. Однако при обычных атмосферных условиях водяной пар способен конденсироваться только при относительной влажности 400-500%. Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100,5%. При такой перенасыщенности капельки облаков могут возникать только на частицах аэрозоля, так называемых конденсационных ядрах. Этими ядрами часто являются хорошо растворимые в воде соединения серы и азота [5].
После начала образования капель элементы облака продолжают поглощать аэрозольные частицы и молекулы газа. Поэтому воду облака или его кристаллы можно рассматривать как раствор атмосферных элементов.
Элементы облака не могут безгранично увеличиваться. Возникающая под действием гравитации седиментация, которая растет с увеличением размера капель, рано или поздно приводит к выпадению капель облаков с высоты нескольких сотен или тысяч метров. Во время выпадения эти капли промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью земли. В это время поглощаются новые молекулы газа и новые аэрозольные частицы захватываются падающей каплей. Таким образом, достигающая поверхности земли вода вопреки всеобщему мнению никоим образом не является дистиллированной водой. Более того, во многих случаях растворенные в воде осадков вещества могут служить важным и иногда даже единственным источником восстановления запасов этих веществ в различных сферах [5].
Сухое осаждение кислот
Сухое осаждение - это прямой перенос кислот из атмосферы в виде молекул SO2 или SO2, адсорбированных на мельчайших частицах пыли, с последующей адсорбцией природными поверхностями (растительностью, водой, почвой) [6].
Хотя эта форма седиментации существенно отличается от влажной седиментации, конечный результат их действительно идентичен: попадание кислотных атмосферных микроэлементов, соединений серы и азота на поверхность Земли.
Известно достаточно много разнообразных кислотных микроэлементов, однако содержание большинства из них настолько мало, что их роль в кислотной седиментации можно не принимать во внимание [5].
Эти кислотные вещества могут выпадать на поверхность двумя способами. Один из них - турбулентная диффузия, под действием которой в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии. Турбулентное диффузионное движение в первую очередь возникает изза того, что движение струящегося воздуха над почвой и другой поверхностью является неравномерным вследствие трения. Обычно в вертикальном от поверхности направлении ощущается увеличение скорости ветра и горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность.
Таким путем компоненты воздуха достигают Земли, и наиболее активные кислотные вещества легко взаимодействуют с поверхностью [5].
1.3 Влияние кислотных осадков на природу и человека
Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные предметы или живые существа, но и на их совокупность (рисунок 1.2). В природе и в окружающей среде образовались сообщества растений и животных, между которыми, как и между живыми и неживыми организмами, существует постоянный обмен веществ. Эти сообщества, которые можно также называть экологической системой, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организмы, потребители и разрушители [11].
Влияние кислотности в первую очередь сказывается на состоянии пресных вод и лесов. Обычно воздействия на сообщества бывают косвенными, т.е. опасность представляют не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы (например, высвобождение алюминия). В определенных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости от кислотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения РН изменяется их растворимость. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений (например, отдельных деревьев). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источника загрязнения [3].
Как уже говорилось, кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера, реки, заливы, пруды - повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Первая стадия - начальная. С увеличением кислотности воды (показатели РН меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые). Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности РН = 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия - кислотность понижается до РН = 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон - крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Третья стадия - кислотность достигает РН = 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Первая и вторая стадии обратимы при прекращении воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьезные заболевания. Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца еще не изучен, сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов (рисунок 1.3). Экономические потери от кислотных дождей в США, по оценкам одного исследования, составляют ежегодно на восточном побережье 13 миллионов долларов и к концу века убытки достигнут 1,750 миллиардов долларов от потери лесов, 8,300 миллиардов долларов от потери урожаев (только в бассейне реки Огайо) и только в штате Минессота 40 миллионов долларов на медицинские расходы [1].
Рисунок 1.3 - Лес после кислотных осадков
Кислотный дождь может также причинять вред металлам, различным зданиям и памятникам. В первую очередь подвержены опасности памятники, построенные из песчаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры [4].
В Италии, Греции и других странах сохранявшиеся на протяжении сотен и тысяч лет памятники старины и различные предметы за последние десятилетия сильно разрушились в результате действия выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ [3].
Единственный способ изменить ситуацию к лучшему, по мнению многих специалистов, - это уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.
Для уменьшения эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу существует ряд способов: - сильное сокращение использования энергии;
- ввод новых технологий, установка фильтрующего оборудования;
- использование слабозагрязняющих либо совсем незагрязняющих источников энергии [2].
2. Смог
Смог - загрязнение приземного слоя воздуха в больших городах смесью дыма и газовых отходов предприятий и транспорта. Смог может образовываться практически при любых природных и климатических условиях в крупных городах и индустриальных центрах с сильным загрязнением воздуха. Наиболее вреден смог в теплые периоды года, в солнечную безветренную погоду, когда верхние слои воздуха достаточно теплые, чтобы останавливать вертикальную циркуляцию воздушных масс. Это явление часто встречается в городах, защищенных от ветров естественными преградами, например, холмами или горами. Смог относят к стихийным бедствиям, так как он приводит к внезапному нарушению нормальной деятельности людей, человеческим жертвам, нарушениям экосистем [8].
Существуют три вида смога: 1 - влажный смог лондонского типа, возникающий в результате сочетания тумана с примесью дыма и газовых отходов производства.
2 - сухой смог лосанджелесского типа, возникающий в результате фотохимических реакций в газовых выбросах под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. Этого рода смог образует едкую устойчивую синеватую дымку-пелену.
3 - ледяной смог аляскинского типа, возникающий от бытовых выбросов и пара на отопительных систем. Он типичен для резкоконтинентальных зон умеренного пояса [10].
2.1 Влажный смог лондонского типа
Это сочетание газообразных и твердых примесей с туманом - результат сжигания большого количества угля (или мазута) при высокой влажности атмосферы (рисунок 2.1). Впоследствии в нем практически не образуется каких-либо новых веществ. Таким образом, токсичность целиком определяется исходными загрязнителями [8].
Рисунок 2.1 - Смог лондонского типа
Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промышленных городах при неблагоприятных погодных условиях (отсутствие ветра и температурная инверсия). Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300 - 400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Рассеять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию - сокращение выбросов загрязняющих веществ [8].
2.2 Образование смога
При полном сгорании ископаемого топлива (угля или углеводородов) образуются достаточно безобидные продукты - диоксид углерода и вода, однако в условиях недостатка кислорода образуется ядовитый монооксид углерода. Если кислорода еще меньше, среди продуктов сгорания появляется углерод (в виде сажи).
Загрязнение воздуха могут вызывать и входящие в состав топлива примеси, в первую очередь, соединения серы. Ее содержание в некоторых углях может достигать 6%. При сжигании такого топлива образуется диоксид серы. Растворяясь в капельках воды, которые конденсируются вокруг частиц дыма, диоксид серы существенно снижает ее РН.
Сажа и диоксид серы, образующиеся непосредственно при сжигании топлива, являются первичными загрязнителями воздуха. В условиях сырости и тумана, характерных для зимнего Лондона, они стали причинами длительных смогов, приводящих к росту легочных заболеваний. Со временем смог стал обычным явлением и в других крупных городах и промышленных центрах.
Смог наблюдается обычно при слабой турбулентности (завихрение воздушных потоков) воздуха, и следовательно, при устойчивом распределении температуры воздуха по высоте, особенно при инверсиях температуры, при слабом ветре или штиле [8].
2.3 Великий смог 1952 г.
Великий смог (1952 г.) окутал Лондон 5 декабря 1952 года и рассеялся только к 9 декабря того же года. Случившееся стало настоящей катастрофой, в результате которой погибло несколько тысяч человек, что послужило, как считается, отправной точкой современного природоохранного (экологического) движения.
В начале декабря 1952 года холодный туман опустился на Лондон (рисунок 2.2). Изза холода горожане стали использовать для отопления уголь в большем количестве, чем обычно. Примерно к этому же времени завершился процесс замены городского электротранспорта (трамваев) на автобусы с дизельным двигателем. В таблице 2.1 представлены основные составляющие Великого смога 1952 г. [10].
Таблица 2.1 - Основные составляющие смога Лондона 1952 года
Загрязняющий агент Скорость распространения (тонны / день)
Частицы дыма 1000
Серная кислота 800
Серный диоксид 370
Соляная кислота 140
Соединения фтора 14
Запертые более тяжелым слоем холодного воздуха, продукты горения в воздухе в считанные дни достигли чрезвычайной концентрации. Туман был таким густым, что препятствовал движению автомобилей.
Рисунок 2.2 - Великий смог 1952-го года
Были отменены концерты, прекращена демонстрация кинофильмов, поскольку смог легко проникал внутрь помещений. Зрители иногда попросту не видели сцену или экран изза плотной завесы.
Поначалу реакция горожан была спокойной, поскольку в Лондоне туманы не редкость. В последующие недели, однако, статистические данные, собранные медицинскими службами города, выявили смертоносный характер бедствия - количество смертей среди младенцев, престарелых и страдающих респираторными заболеваниями достигло четырех тысяч человек. Еще около восьми тысяч человек умерло в последующие недели и месяцы.
Шок, вызванный этим жестоким уроком, заставил людей изменить свое отношение к загрязнению воздуха. Бедствие со всей очевидностью продемонстрировало людям во всем мире, что данная проблема представляет собой непосредственную угрозу жизни людей. Были приняты новые экологические стандарты, направленные на ограничение использования грязных видов топлива в промышленности и на запрет сажесодержащих выхлопных газов. Среди принятых мер - введение в действие Закона «О чистом воздухе» (редакции от 1956 и 1968 гг.) и аналогичного Закона города Лондона [10].
2.4 Последствия смога
Особенно опасен смог, когда изза погодных условий пелена висит на одном месте, не рассеиваясь. Последствия для здоровья людей могут быть весьма тяжелыми. Как установили патологоанатомы, поверхность органов дыхания жителей крупных промышленных городов не нормального розового цвета, а покрыта темным налетом. Смог является большой проблемой во многих мегаполисах мира. Он особенно опасен для детей, пожилых людей и людей с пороками сердца и легких, больных бронхитом, астмой, эмфиземой. Смог может стать причиной одышки, затруднения и остановки дыхания, кашля. Также он вызывает воспаление слизистых оболочек глаз, носа и гортани, снижение иммунитета. Во время смога часто повышается количество госпитализаций, ремиссий смерти от респираторных и сердечных заболеваний.
Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности. Отравления угарным газом возможны на производстве и в быту: в доменных, мартеновских, литейных цехах; при испытании двигателей, использовании топливных газов для сушки и подогрева; в химической промышленности; в гаражах; при дровяном отоплении и т.п. [9].
Поступая в организм через органы дыхания, угарный газ взаимодействует с гемоглобином и образует карбоксигемоглобин, не обладающий способностью переносить кислород к тканям. Наряду с этим уменьшается коэффициент утилизации кислорода тканями. Возникают гипокапния, затруднение диссоциации оксигемоглобина, ферментные нарушения тканевого дыхания и т.д.
Защитную роль играет железо плазмы крови: его соединение с угарным газом препятствует образованию карбоксигемоглобина и способствует извлечению угарного газа из тканей.
При острых отравлениях могут наблюдаться головная боль, головокружение, тошнота, рвота, слабость, одышка, учащенный пульс; возможны быстрая потеря сознания, судороги, кома (с последующим двигательным возбуждением), нарушения кровообращения и дыхания, поражение зрительного нерва и т.д. На 2-3-е сутки может развиться токсическая пневмония, спазмы, повышение количества эритроцитов в крови.
В связи с отрицательным воздействием смога на флору, фауну и человека разработаны международные и внутригосударственные предельно допустимые нормы (ПДК) промышленных выбросов в атмосферу [9].
Вывод
1. Рассмотрены основные причины возникновения кислотных дождей.
