Понятие «кислотный дождь» было определено в середине 1800-х годов шотландским химиком Робертом Смитом, который заметил, что фасад английских зданий в некоторых регионах слишком быстро портится. Также он выпустил книгу, где определил термин «кислотный дождь» и сделал связь между кислотным дождем и загрязнением воздуха. В местах, где наблюдался кислотный дождь и где происходило сжигание угля, быстрее и сильнее повреждались фасады зданий. Однако лишь в 1960-х годах о кислотных дождях стала говорить общественность. В 1960-х годах американский ученый Джин Ликенс и скандинавский ученый Сванте Оден обнаружили связь между повышенной кислотностью водоемов и дождя на определенных территориях США и Европы и концентрацией промышленных объектов, которые имели выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Ученые предположили, что диоксид серы и оксид азота образуют серную и азотную кислоту при реакции с водой в атмосфере. При этом кислотные дожди часто наблюдаются рядом с вулканами, которые естественным образом испускают диоксид серы, однако непрерывное сжигание угля людьми и загрязнение воздуха другими промышленными объектами намного больше влияет на образование кислотных дождей. Ветер переносит эти загрязнители воздуха на дальние расстояния, и кислотный дождь может пойти в сотнях километров от места выбросов, и даже в другой стране. По этой причине кислотные дожди считаются одной из проблем глобальной окружающей среды, наряду с истощением озонового слоя, глобальным потеплением и др.
Что такое кислотность?
Всем жидкостям присущ определенный уровень рН (от лат. pondus Hydrogenii, произносится [пэ-аш]), или уровень кислотности, зависящий от концентрации ионов водорода в ней. Концентрацию ионов в жидкостях измеряют в молях на литр. Для упрощения «водородного показателя» в водной среде существует шкала рН. В школе на уроке химии каждый ученик проводит такой эксперимент: опускает индикаторную бумагу в разные водные среды и смотрит, как меняется цвет бумажки. Цвет бумажки меняется именно из-за разной концентрации водорода — уровня рН.
Крайними значениями шкалы рН являются показатели 0 и 14; рН 7 находится посередине и является нейтральным показателем — это концентрация водорода, присущая чистой воде. Однако уровень рН может разниться в пределах 5–8.5 и оставаться безопасным для человека и животных, нашей кожи и слизистых. Считается, что водные растворы в диапазоне рН меньше 7 являются кислотными, а в диапазоне больше 7 — щелочными.
Любой нормальный дождь имеет отличный от питьевой воды уровень рН: 5.2–6 вместо 6.5–8.5. Так что технически, любой дождь является кислотным, так как находится в диапазоне кислотной среды (от 0 до 7). Чем ниже уровень рН дождя, тем он более кислотный, и, соответственно, более разрушительный и опасный для природы и человека. По определению UNECE (Европейская экономическая комиссия Организации объединенных наций, ЕЭКООН), дождь считается кислотным, если его рН ниже 5.6. При этом «кислотный дождь» может выражаться и в форме выпадения других осадков: снега, тумана или града.
Также есть такое понятие как «сухое осаждение», когда диоксид серы, диоксид азота и другие загрязнители оседают на поверхностях в сухом виде. Сухое осаждение происходит при ясной или облачной погоде, однако при влажности — т.е. реакции с водой — образует серную и азотную кислоту. Сухое осаждение данных веществ может попасть в наземные и подземные водоемы и продолжать оказывать негативное влияние на природу и существ.
В 1970-80-х были задокументированы наиболее сильные кислотные дожди с рН 2.1. Напомним, что нормальный рН дождя находится в диапазоне 5–6. В конце 1980-х годов половина всех водоемов в северо-восточной части США выше 300 метров над уровнем моря не имели или практически не имели никакой жизни. Значение имеет не столько уровень рН, сколько «доза» кислотности. Другими словами, намного опаснее в долгосрочной перспективе продолжительный и сильный кислотный дождь с не самым низким рН, чем короткий и сильный кислотный дождь с очень низким рН. При этом от резкого выпадения кислотного дождя (ливня) и снегопада в водоеме или реке может произойти массовая гибель взрослых рыб и мальков.
Диоксид серы и оксид азота выбрасываются в атмосферу при сжигании угля и нефти, а также из других природных источников, вроде вулканов или гниения растительных отходов. Однако выбросы серы при извержении вулкана меньше 1 млн тонна, а выбросы от антропогенных источников достигают сотни миллионов. В атмосфере они в реакции с водой образуют серную и азотную кислоту. Помимо этого, загрязнение воздуха от транспортных средств, вырубка лесов, сжигание мусора без очистных фильтров увеличивают вероятность образования кислотного дождя.
Последствия кислотного дождя
Кислотный дождь влияет на живые организмы напрямую и косвенно. Кислотные осадки размывают породы, высвобождая из почв кальций, который нужен растениям и деревьям для жизни и роста, алюминий, который отравляет растения и животных. Одним из способов проверки снижения воздействия кислотных дождей является проверка концентраций кальция в почве — если концентрация стала выше, то кислотных дождей стало меньше, что означает снижение выбросов диоксида серы. То же самое, но в обратную сторону, можно сказать и насчет алюминия — если концентрация снизилась, то кислотных дождей стало меньше.
Лесная экосистема
Размывание кальция из почв оставляет некоторые виды растений и деревьев чувствительными к холоду. Кислотные дожди также способны размывать магний, который также необходим для роста и развития растений. При этом искусственно обогащать почвы кальцием — долгий процесс: за 4.5 года обогащения кальцием он проник в лесные почвы всего на 15 см вглубь.
Кислотные дожди делают деревья восприимчивыми к болезням, экстремальной погоде и вредителям за счет уничтожения листьев и коры. Кислотные туман или облака в горных экосистемах может предотвратить приток питательных веществ к листве у деревьев, из-за чего они опадают.
В Европе больше всего ущерба понесли леса в районе Германии, Чехии и Польши, так как там было наиболее интенсивное сжигание угля: им даже дали название «Черный треугольник» (Black Triangle). Сильный вред также был нанесен лесам в южно-западной части Китая и в центральной части Японии из-за добычи и обработки меди. Леса России и сейчас подвергаются негативному воздействию кислотных осадков из-за концентрации промышленных объектов на Урале и в Сибири.
Основную опасность кислотные дожди наносят водным обитателям. Кислотные дожди размывают алюминий в почве, который утекает в водоемы, и которым заражаются рыбы, а также вносит свой вклад в окисление водоемов. В период с 1900-х по 1930-е года норвежского лосося было практически невозможно поймать, ученые позже предположили, что резкое снижение популяции было связано с кислотными дождями. К такому же результату пришли норвежские ученые в 1970-х годах, показав, что диоксид серы окисляет водоемы и ведет к гибели пресноводных рыб, таких как лосось и форель.
Большинство мальков при рН водоема ниже 5 не могут вылупиться из икринок. Гибель лосося из-за кислотности в северных странах обычно происходит при их рождении весной, так как зимой диоксид серы и азота выпадает вместе со снегом и попадает в водоемы и реки при потеплении. Некоторые виды рыб, например озерная форма нерки — японские кокани, перестают размножаться при рН воды ниже или выше определенного уровня. Ракообразные, планктоны, растения и другие морские организмы также чувствительны к изменению рН воды и могут меняться соответственно ему.
Для регулирования рН уровня водоемов многие страны, например Швеция, вспрыскивают в них известняк. Известны также предложения о выводе морских видов, которые могут жить и развиваться в более кислотной среде. Однако оба способа слишком ресурсозатратные. Впрыскивание известняка должно проводиться для всех водоемов и на регулярной основе. Намного эффективнее просто снизить уровень выбросов диоксида серы и диоксид азота.
Человек и города
Кислотный дождь оказывает наибольший негативный эффект на здания, скульптуры и другие культурно-исторические объекты, краску, а также машины, мосты, трубы и здания, сделанные из известняка и мрамора, бронзы, меди, стали, металла и других сплавов. Кислотный дождь вымывает минералы в материалах, из которых сделаны сооружения, и повреждает их поверхность.
Для здоровья человека кислотный дождь не несет серьезной опасности, так как в жидком виде он недостаточно концентрированный. Большинство людей могут пить апельсиновый сок, рН уровень которого равен 3.3–4. Однако сухое осаждение диоксида серы и диоксида азота на поверхностях и в воздухе несет с собой угрозы для дыхательной системы человека и может способствовать развитию астмы, аллергии и других хронических легочных заболеваний.
Текущая ситуация по кислотным дождям
Региональная Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution), принятая в 1979 году (в России в том же году), была ответом стран-участниц UNECE (Европейская экономическая комиссия Организации объединенных наций, ЕЭКООН) на возмущения, вызванные новостями о кислотных дождях. Конвенция расширялась и включала в себя ограничения все большего количество веществ. Благодаря Конвенции за 16 лет выбросы диоксида серы и диоксида азота снизились на 70% и 35% соответственно в ЕС. Глобальные выбросы диоксида серы снизились на около 80% от выбросов 1980-х годов.
В России из-за широкой тяжелой промышленности выбросы диоксида серы являлись и являются одними из крупнейших в мире. По данным Озоновой программы — проекта Монреальского протокола и Минприроды России — отечественные теплоэлектростанции ежегодно выбрасывают более 18 миллионов тонн диоксида серы. Подавляющая часть всех промышленных выбросов России, и диоксида азота в том числе, приходится на Норильский промышленный район, и на 2018 год концентрация выбросов была на слишком высоком уровне. Выбросы диоксида серы снизились в Европейской части России на 65% с 1990 по 2010, однако выросли в Восточной части России на 8%. В 2022 году Норникель заявил о сокращении выбросов диоксида серы на 90% к 2025 году. На территориях, где сосредоточены добывающие и обрабатывающие объекты (восточная и северная части России), леса часто страдают от кислотных дождей. Лесные пожары, которые тоже участились как в России, так и во всем мире, серьезно ухудшают проблему.
Сейчас кислотные дожди происходят реже, чем 40–50 лет назад. Однако на некоторых территориях, где кальция в почвах всегда было немного, кислотные дожди вымыли практически весь кальций. Поэтому сейчас негативное воздействие от кислотных дождей стало намного более серьезным. В Европе, США и Канаде выбросы диоксида серы стали меньше, чем полстолетия назад, но есть мнение, что количество выбросов загрязняющих веществ в Китае начали превышать показатели США 1970-х годов, когда показатель кислотного дождя достигал 2.1 рН.
В развитых странах (Северная Америка, ЕС, Япония, Австралия и др.) проблема кислотных дождей успешно решена, однако выбросы диоксида серы, диоксида азота и других загрязнителей воздуха остается острой проблемой в развивающихся странах (Африка, Латинская Америка, Юго-Восточная Азия, Россия, Китай и др.)
Способы предотвращения кислотных дождей
Многие страны добились снижения частоты кислотных дождей в промышленности при помощи установки фильтров, не допускающих загрязнение атмосферного воздуха диоксидом серы (скрубберы), вместе с использованием обработанного угля, при сжигании которого выбросы серы, ртути и других загрязнителей снижаются. Однако более эффективным является переход на добычу электроэнергии из природного газа и возобновляемых источников энергии, что сделали многие европейские страны. Выбросы диоксида серы и диоксида азота от транспортных средств были снижены за счет установки фильтров в выхлопных системах — каталитических конвертеров или нейтрализаторов. Каталитические нейтрализаторы являются обязательными в развитых странах. В России автомобиль без этого элемента выхлопной системы не может быть выше экологического класса Евро-2.
Москва
