Введение
Кислотный дождь — это дождь или любая другая форма осадков, обладающая необычно высокой кислотностью, то есть содержащая повышенный уровень ионов водорода (низкий pH). Большинство вод, включая питьевую, имеет нейтральный pH в диапазоне от 6,5 до 8,5, тогда как pH кислотного дождя обычно ниже этого значения и колеблется в среднем от 4 до 5. В экосистемах постоянные кислотные осадки снижают прочность коры деревьев, делая растительность более уязвимой к экологическим стрессорам, таким как засуха, жара, холод и нашествие вредителей. Кислотные дожди также могут ухудшать состав почвы, вымывая из нее важные питательные вещества, такие как кальций и магний, необходимые для роста растений и поддержания ее здоровья. Что касается объектов инфраструктуры, созданных человеком, кислотный дождь вызывает отслаивание краски, коррозию стальных конструкций, например мостов, и разрушение каменных зданий и статуй, а также может оказывать негативное воздействие на здоровье человека. Некоторые правительства, в том числе в Европе и Северной Америке, с 1970-х годов предпринимают усилия по сокращению выбросов диоксида серы и оксидов азота в атмосферу посредством регулирования загрязнения воздуха. Эти усилия принесли положительные результаты благодаря широким исследованиям кислотных дождей, начатым в 1960-х годах, и широкой огласке информации об их вредных последствиях. Основным источником соединений серы и азота, вызывающих кислотные дожди, является деятельность человека, однако оксиды азота могут также образовываться естественным путем в результате ударов молний, а диоксид серы — при извержениях вулканов.
Acid rain is rain or any other form of precipitation that is unusually acidic, meaning that it has elevated levels of hydrogen ions (low pH). Most water, including drinking water, has a neutral pH that exists between 6.5 and 8.5, but acid rain has a pH level lower than this and ranges from 4–5 on average. In ecosystems, persistent acid rain reduces tree bark durability, leaving flora more susceptible to environmental stressors such as drought, heat/cold and pest infestation. Acid rain is also capable of detrimenting soil composition by stripping it of nutrients such as calcium and magnesium which play a role in plant growth and maintaining healthy soil. In terms of human infrastructure, acid rain also causes paint to peel, corrosion of steel structures such as bridges, and weathering of stone buildings and statues as well as having impacts on human health. Some governments, including those in Europe and North America, have made efforts since the 1970s to reduce the release of sulfur dioxide and nitrogen oxide into the atmosphere through air pollution regulations. These efforts have had positive results due to the widespread research on acid rain starting in the 1960s and the publicized information on its harmful effects. The main source of sulfur and nitrogen compounds that result in acid rain are anthropogenic, but nitrogen oxides can also be produced naturally by lightning strikes and sulfur dioxide is produced by volcanic eruptions.
Определение
"Кислотный дождь" – это общепринятый термин, обозначающий выпадение смеси влажных (дождь, снег, град, туман, облачная вода и роса) и сухих (кислотных частиц и газов) кислых компонентов. Дистиллированная вода, после удаления углекислого газа, имеет нейтральный pH, равный 7. Кислотное осаждение как экологическая проблема (которое будет обсуждаться далее в статье) включает в себя дополнительные кислоты, помимо H2CO3. В промышленных районах неоднократно регистрировались показатели pH в дождевой и туманной воде, значительно ниже 2,4. С начала промышленной революции выбросы диоксида серы и оксидов азота в атмосферу возросли. В 1852 году Роберт Ангус Смит впервые установил связь между кислотным дождем и загрязнением атмосферы в Манчестере, Англия. Смит ввел термин "кислотный дождь" в 1872 году. В конце 1960-х годов ученые начали активно наблюдать и изучать это явление. Первоначально основное внимание в этих исследованиях уделялось локальным последствиям кислотных дождей. Вальдемар Кристофер Брёггер первым отметил перенос загрязняющих веществ на большие расстояния через границы из Великобритании в Норвегию – проблему, которую Бринюльф Оттар систематически изучал в 1970-х годах. На работу Оттара оказал значительное влияние шведский почвовед Сванте Одэн, который привлек широкое внимание к проблеме кислотных дождей в Европе в популярных газетах и опубликовал основополагающую статью на эту тему в 1968 году.
В Соединенных Штатах
Самый ранний отчет о кислотных дождях в Соединенных Штатах был основан на химических данных, собранных в долине Хаббард-Брук; общественная осведомленность о кислотных дождях в США возросла в 1970-х годах после публикации этих результатов в The New York Times. В 1972 году группа ученых, включая Джина Ликенса, обнаружила, что дождевая вода, выпадающая в горах Уайт в Нью-Гэмпшире, была кислой. pH образца, измеренный в Хаббард-Брук, составил 4,03. После этого Исследование экосистемы Хаббард-Брук продолжилось серией исследований, анализирующих воздействие кислотных дождей на окружающую среду. Алюминий из почв нейтрализовал кислотный дождь, смешиваясь с водой ручьев в Хаббард-Брук. Результаты этих исследований показали, что химическая реакция между кислотным дождем и алюминием приводит к увеличению скорости выветривания почв. Экспериментальные исследования изучали влияние повышенной кислотности в ручьях на экологические виды. В 1980 году ученые изменили кислотность ручья Норрис-Брук в Нью-Гэмпшире и наблюдали за изменениями в поведении видов. Отмечалось снижение видового разнообразия, увеличение численности доминирующих видов и уменьшение сложности пищевой сети. В 1980 году Конгресс США принял Закон о кислотных отложениях. Этот закон учредил 18-летнюю программу оценки и исследований под руководством Национальной программы оценки кислотных осадков (NAPAP). NAPAP расширила сеть мониторинговых станций для определения степени кислотности осадков, с целью выявления долгосрочных тенденций, и создала сеть для мониторинга сухих отложений. Используя статистически обоснованный дизайн выборки, NAPAP количественно оценила влияние кислотных дождей на региональном уровне, направляя исследования и обследования для выявления и оценки воздействия кислотных осадков на пресноводные и наземные экосистемы. NAPAP также оценила воздействие кислотных дождей на исторические здания, памятники и строительные материалы, а также финансировала масштабные исследования атмосферных процессов и потенциальных программ контроля. С самого начала представители различных политических сил пытались влиять на деятельность NAPAP, чтобы поддержать свои собственные политические инициативы или дискредитировать усилия своих оппонентов. В 1981 году Национальная академия наук изучала исследования по спорным вопросам, связанным с кислотными дождями. Президент Рональд Рейган не придавал значения проблеме кислотных дождей до своего личного визита в Канаду, после которого он признал, что приграничные районы Канады страдают от загрязнения, переносимого из дымовых труб промышленных предприятий на Среднем Западе США. Рейган подтвердил соглашение с премьер-министром Канады Пьером Трюдо о применении антизагрязнительных мер. В 1982 году Рейган назначил Уильяма Ниренберга в Национальный научный совет. Ниренберг отобрал ученых, включая Джина Ликенса, для работы в комиссии по подготовке доклада о кислотных дождях. В 1983 году комиссия ученых представила проект доклада, в котором заключалось, что кислотные дожди – реальная проблема, и необходимо искать пути ее решения. Офис Белого дома по науке и технологической политике рассмотрел проект доклада и направил предложения Фреда Сингера, ставящие под сомнение причины кислотных дождей. Члены комиссии выразили несогласие с позицией Сингера и представили доклад Ниренбергу в апреле. В мае 1983 года Палата представителей проголосовала против законопроекта, направленного на контроль выбросов серы. Велись дебаты о том, задерживал ли Ниренберг публикацию доклада. Сам Ниренберг отрицал, что он подавлял доклад, и заявил, что он был отложен после голосования в Палате, поскольку еще не был готов к публикации. В 1991 году Национальная программа оценки кислотных осадков США (NAPAP) представила свою первую оценку кислотных дождей в Соединенных Штатах. В докладе указывалось, что 5% озер Новой Англии были кислыми, при этом сульфаты являлись наиболее распространенной проблемой. Отмечалось, что 2% озер больше не могли поддерживать популяцию форели ручьевой, а 6% озер были непригодны для выживания многих видов пескарей. В последующих докладах Конгрессу были задокументированы химические изменения в почве и пресноводных экосистемах, насыщение азотом, снижение содержания питательных веществ в почве, эпизодическое подкисление, региональный смог и повреждение исторических памятников. Тем временем, в 1990 году Конгресс США принял ряд поправок к Закону о чистом воздухе. Раздел IV этих поправок установил систему ограничения и торговли, предназначенную для контроля выбросов диоксида серы и оксидов азота. Оба этих выброса представляли серьезную проблему для граждан США и их доступа к чистому воздуху. Раздел IV предусматривал общее сокращение выбросов SO2 на 10 миллионов тонн от электростанций, что составляет почти 50% сокращения. В целом, программа ограничения и торговли успешно достигла своих целей. С 1990-х годов выбросы SO2 снизились на 40%, а по данным Pacific Research Institute, уровень кислотных дождей снизился на 65% с 1976 года. В Европейском Союзе использовалось традиционное регулирование, что привело к снижению выбросов SO2 более чем на 70% за тот же период. В 2007 году общие выбросы SO2 составили 8,9 миллиона тонн, что достигло долгосрочной цели программы до установленного законом срока 2010 года. В 2007 году EPA оценило, что к 2010 году общие затраты на соблюдение программы для бизнеса и потребителей составят от 1 до 2 миллиардов долларов в год, что составляет лишь четверть первоначального прогноза. Термин "наука граждан" (citizen science) можно проследить до января 1989 года, когда Общество Одюбона начало кампанию по измерению кислотных дождей. Ученый Муки Хаклай в аналитической записке для Центра Уилсона под названием "Наука граждан и политика: европейская перспектива" указывает на первое использование термина "наука граждан" Р. Керсоном в журнале MIT Technology Review в январе 1989 года. Цитируя отчет Центра Уилсона: "Новая форма участия в науке получила название "наука граждан". Первое зафиксированное использование этого термина относится к 1989 году, где описывается, как 225 добровольцев по всей территории США собирали образцы дождя, чтобы помочь Обществу Одюбона в кампании по повышению осведомленности о кислотных дождях. Добровольцы собирали образцы, проверяли их на кислотность и сообщали результаты в организацию. Эта информация затем использовалась для демонстрации масштабов явления". В 1970-х и 80-х годах кислотные дожди были важной темой исследований в Experimental Lakes Area (ELA) в Северо-Западной Онтарио, Канада. Исследователи добавляли серную кислоту в целые озера в контролируемых экспериментах с экосистемами, чтобы имитировать воздействие кислотных дождей. Благодаря своим удаленным условиям, позволяющим проводить эксперименты с целыми экосистемами, исследования в ELA показали, что воздействие кислотных дождей на популяции рыб начиналось при концентрациях, значительно более низких, чем те, которые наблюдались в лабораторных экспериментах. В контексте пищевой сети популяции рыб сокращались раньше, чем кислотные дожди оказывали прямое токсическое воздействие на рыб, поскольку кислотность приводила к сокращению популяций их добычи (например, мизид). Эти исследования показали как связь между подкислением и сокращением популяций рыб, так и возможность обратимости этого процесса при снижении выбросов серной кислоты, что повлияло на политику в Канаде и Соединенных Штатах. Провинции согласились ограничить свои общие выбросы диоксида серы до 2,3 миллиона тонн к 1994 году. Канадско-американское соглашение о качестве воздуха было подписано в 1991 году.
Выбросы химических веществ, приводящих к окислению
Наиболее важным газом, приводящим к закислению, является диоксид серы. Выбросы оксидов азота, которые окисляются с образованием азотной кислоты, приобретают все большее значение из-за более строгого контроля над выбросами соединений серы. 70 Тг(S) в год в виде SO2 образуется при сжигании ископаемого топлива и в промышленности, 2,8 Тг(S) – от лесных пожаров и 7–8 Тг(S) в год – от вулканов.
Природные явления
Основными природными явлениями, способствующими выбросу кислотообразующих газов в атмосферу, являются вулканические выбросы. Так, например, фумаролы кратера Лагуна Калиенте вулкана Поас создают чрезвычайно большое количество кислотных дождей и тумана с кислотностью до pH 2, уничтожая растительность и часто вызывая раздражение глаз и легких у жителей близлежащих населенных пунктов. Кислотообразующие газы также образуются в результате биологических процессов, происходящих на суше, в водно-болотных угодьях и в океанах. Основным биологическим источником соединений серы является диметилсульфид. Азотная кислота в дождевой воде является важным источником фиксированного азота для растений и образуется также в результате электрической активности в атмосфере, такой как молнии. Кислотные отложения обнаружены в ледниках возрастом в тысячи лет, расположенных в отдаленных уголках земного шара. К источникам кислотных отложений относятся и электростанции, использующие электрогенераторы, на долю которых приходится четверть оксидов азота и две трети диоксида серы в атмосфере. Кислотные дожди представляют собой серьезную проблему в Китае, России и прилегающих к ним территориях. Все эти регионы используют уголь, содержащий серу, для производства тепла и электроэнергии. Проблема кислотных дождей не только усилилась с ростом населения и промышленности, но и приобрела более широкий масштаб. Использование высоких дымовых труб для снижения локального загрязнения способствовало распространению кислотных дождей, поскольку газы выбрасываются в региональную атмосферную циркуляцию; рассеивание от этих высоких труб приводит к переносу загрязняющих веществ на большие расстояния, вызывая обширный экологический ущерб. Осаждение часто происходит на значительном расстоянии от источников выбросов, при этом горные районы, как правило, подвергаются наибольшему воздействию (из-за обильных осадков). Примером этого является низкий pH дождей, выпадающих в Скандинавии. Что касается низкого pH и дисбаланса pH, связанных с кислотными дождями, то значения ниже 7 считаются кислотными. Кислотные дожди имеют pH около 4, что делает их опасными для употребления человеком. При низких значениях pH в определенных регионах страдает не только окружающая среда, но и здоровье человека. Кислая среда в организме человека может вызывать выпадение волос, снижение pH мочи, серьезные нарушения минерального баланса, запоры и множество случаев хронических заболеваний, таких как фибромиалгия и базальноклеточный рак.
Химический процесс
Сжигание топлива образует диоксид серы и оксиды азота. Они превращаются в серную и азотную кислоты.
Сухое осаждение
Кислотное осаждение также происходит посредством сухого осаждения в отсутствие осадков. Это может составлять от 20 до 60% от общего объема кислотного осаждения. Это происходит, когда частицы и газы оседают на землю, растения или другие поверхности. Однако степень влияния кислотных дождей на кислотность озер и рек напрямую или косвенно, через сток с водосборного бассейна (то есть, в зависимости от характеристик окружающей территории), варьируется. На веб-сайте Агентства по охране окружающей среды США (EPA) указано: "Из обследованных озер и ручьев кислотные дожди стали причиной кислотности в 75% озер и примерно в 50% ручьев". Концентрация диоксида серы и закиси азота оказывает значительное влияние на водные экосистемы, включая изменение кислотности, увеличение содержания азота и алюминия, а также нарушение биогеохимических процессов. Как правило, диоксид серы и закись азота не оказывают непосредственного физиологического воздействия; большинство эффектов проявляются в результате накопления и продолжительного воздействия этих газов на окружающую среду, изменяя химический состав почвы и воды.
Лес и другая растительность
Неблагоприятные эффекты могут быть косвенно связаны с кислотными дождями, например, с воздействием кислоты на почву (см. выше) или высокой концентрацией газообразных предшественников кислотных дождей. Высокогорные леса особенно уязвимы, поскольку их часто окружают облака и туман, которые более кислые, чем дождь. Растения способны адаптироваться к кислотным дождям. На горе Цзиньюнь, в Чунцине, наблюдались виды растений, адаптирующиеся к новым условиям окружающей среды. Воздействие на виды варьировалось от полезного до вредного. При естественных осадках или слабокислых осадках улучшались биохимические и физиологические характеристики рассады растений. Как только pH достигает порога 3,5, кислотные дожди перестают быть полезными и начинают оказывать негативное воздействие. Кислотные дожди могут негативно влиять на фотосинтез в листьях растений: при воздействии более низкого pH на фотосинтез влияет снижение содержания хлорофилла. Кислотные дожди также способны вызывать деформацию листьев на клеточном уровне, например, рубцевание тканей и изменения в клетках устьиц, эпидермиса и мезофилла. Дополнительные последствия кислотных дождей включают уменьшение толщины кутикулы на поверхности листьев. Другие растения также могут быть повреждены кислотными дождями, но воздействие на продовольственные культуры минимизируется за счет применения извести и удобрений для восполнения потерянных питательных веществ. В сельскохозяйственных районах также может добавляться известняк для повышения способности почвы поддерживать стабильный pH, но эта тактика в значительной степени неприменима в отношении диких земель. Когда кальций вымывается из хвои красной ели, эти деревья становятся менее морозостойкими и подвержены повреждениям зимой и даже гибели. Кислотные дожди также могут влиять на урожайность сельскохозяйственных культур, вызывая некроз или изменения питательных веществ в почве, что в конечном итоге препятствует созреванию растений.
Окисление океана
Кислотные дожди оказывают гораздо меньшее вредное воздействие на океаны в глобальном масштабе, но оказывают более выраженное воздействие на мелководья прибрежных зон. Кислотные дожди могут приводить к снижению pH океана, известному как закисление океана, что затрудняет создание экзоскелетов различным прибрежным видам, необходимым для их выживания. Эти прибрежные виды связаны между собой в составе океанической пищевой цепи, и без них как источника питания для других морских организмов, большее количество морских обитателей погибнет. Известняковый скелет кораллов особенно чувствителен к снижению pH, поскольку карбонат кальция, основной компонент известнякового скелета, растворяется в кислых (с низким pH) растворах. Помимо закисления, избыточное поступление азота из атмосферы способствует усиленному росту фитопланктона и других морских растений, что, в свою очередь, может вызывать более частые вредные вспышки водорослей и эвтрофикацию (образование обедненных кислородом "мёртвых зон") в некоторых частях океана. Количество SO3, выделяемого с выдыхаемым воздухом через рот, больше, чем количество SO3, выделяемого через нос. Кроме того, OSHA установила предельно допустимую концентрацию диоксида азота в 5 ppm для 15-минутного воздействия на рабочем месте. Объём диоксида серы, который может выбрасываться в атмосферу, ограничен EPA. Это снижает количество диоксида серы в воздухе, который превращается в триоксид серы и серную кислоту.
Зараженные районы
В регионах, серьезно пострадавших от кислотных дождей по всему миру, выделяются большая часть Восточной Европы от Польши на север до Скандинавии, восточная треть Соединенных Штатов и юго-восточная Канада. К другим затронутым территориям относятся юго-восточное побережье Китая и Тайвань.
Технические решения
Многие угольные электростанции используют установку для десульфуризации дымовых газов (FGD) для удаления серосодержащих газов из отходящих газов. Для типичной угольной электростанции FGD удаляет 95% или более SO2 из дымовых газов. Примером FGD является мокрый скруббер, который широко используется. Мокрый скруббер представляет собой, по сути, реакционную башню, оснащенную вентилятором, который забирает горячие отходящие газы с электростанции в башню. В башню также впрыскивается известь или известняк в виде суспензии для смешивания с отходящими газами и соединения с присутствующим диоксидом серы. Карбонат кальция, содержащийся в известняке, образует нейтральный по pH сульфат кальция, который физически удаляется из скруббера. Таким образом, скруббер превращает загрязнение серой в промышленные сульфаты. В некоторых регионах сульфаты продаются химическим компаниям в качестве гипса, когда чистота сульфата кальция достаточно высока. В других случаях они отправляются на полигон. Последствия кислотных дождей могут сохраняться на протяжении поколений, поскольку изменение уровня pH может стимулировать непрерывное выщелачивание нежелательных химических веществ в иные чистые источники воды, уничтожая уязвимые виды насекомых и рыб и препятствуя усилиям по восстановлению местной флоры и фауны. Сжигание в псевдоожиженном слое также снижает количество серы, выбрасываемой при производстве электроэнергии. Системы контроля выбросов транспортных средств снижают выбросы оксидов азота автомобилями.
Международные договоры
Международные договоры о трансграничном переносе загрязняющих веществ в атмосфере на большие расстояния были заключены западными странами еще некоторое время назад. Начиная с 1979 года, европейские страны собирались для ратификации общих принципов, обсуждавшихся в рамках Конвенции ЕЭК ООН. Целью было противодействие трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния. Хельсинкский протокол 1985 года о сокращении выбросов серы в рамках Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния укрепил результаты конвенции. Эффективность договора уже проявилась, о чем свидетельствует приблизительное 40-процентное снижение содержания твердых частиц в Северной Америке. Успех Конвенции в борьбе с кислотными дождями стимулировал дальнейшие международные обязательства по предотвращению распространения твердых частиц. Канада и США подписали Соглашение о качестве воздуха в 1991 году. Большинство европейских стран и Канада подписали эти договоры. Деятельность Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния оставалась в спящем режиме после 1999 года, когда 27 стран собрались для дальнейшего снижения последствий кислотных дождей. В 2000 году в Азии впервые началось международное сотрудничество по предотвращению кислотных дождей. Десять дипломатов из стран, расположенных по всему континенту, собрались для обсуждения способов предотвращения кислотных дождей. По итогам этих обсуждений в 2001 году была создана Сеть мониторинга кислотных выпадений в Восточной Азии (EANET) – межправительственная инициатива, призванная предоставлять научно обоснованные данные лицам, принимающим решения, и содействовать международному сотрудничеству в области кислотных выпадений в Восточной Азии. В 2023 году в число стран-членов EANET входят Камбоджа, Китай, Индонезия, Япония, Лаосская НДР, Малайзия, Монголия, Мьянма, Филиппины, Республика Корея, Россия, Таиланд и Вьетнам.
Торговля квотами
В рамках данной системы регулирования каждому действующему источнику загрязнения предоставляется или он может приобрести на открытом рынке разрешение на выбросы за каждую единицу выбрасываемого загрязняющего вещества. Операторы могут устанавливать оборудование для контроля загрязнений и продавать излишки разрешений на выбросы, которые им не требуются для собственных нужд, тем самым компенсируя часть капитальных затрат на инвестиции в такое оборудование. Цель состоит в том, чтобы предоставить операторам экономические стимулы для установки систем контроля загрязнений. Первый рынок торговли выбросами был создан в Соединенных Штатах посредством принятия поправок к Закону о чистом воздухе 1990 года. Общая цель программы по борьбе с кислотными дождями, учрежденной этим законом, – достижение значительных экологических и медицинских преимуществ за счет сокращения выбросов диоксида серы (SO2) и оксидов азота (NOx), основных причин кислотных дождей. Для достижения этой цели с минимальными затратами для общества программа использует как нормативные, так и рыночные механизмы контроля загрязнения воздуха.