|
Реферат: Вечный двигатель. Стоит ли его изобретать? (Естествознание)
Санкт-Петербургский Государственный Университет
Реферат
по курсу «Концепция современного естествознания»
Вечный двигатель
Стоит ли его изобретать?
студентки II курса
факультета социологии
Шевцовой Евгении
Под возможностью создания современного "вечного" двигателя.
подразумевается, во-первых, создание эффективных преобразователей известных
перспективных потенциальных источников энергии, и, во-вторых, возможности
использования новых видов энергии, в частности, свободной энергии вакуума.
Т.е. возможность создания устройств, кажущийся кпд которых (грамотно
измеренный современными методами) больше 1, что обусловлено неизвестными в
настоящее время новыми эффектами (каковыми были, например, электричество в
средние века и атомная энергия в 19 веке). Конечно, истинные вечные
двигатели (perpetuum mobile) не существуют и не могут существовать. Поэтому
можно рассматривать только такие устройства, которые не противоречат
глобальным законам физики. Хотя именно изобретатели вечного двигателя все
же были двигателем прогресса на протяжении веков.
Стоит ли изобретать вечные двигатели?
Среди большого и все возрастающего числа изобретателей всегда находятся
увлеченные мечтатели или максималисты, которые пытаются создать вечные
двигатели, "перпетуум мобиле". Это слово произошло от латинского perpetuum
mobile, что означает вечно движущееся или вечный двигатель. Истории
известны многие тысячи таких "открытий" и связанных с ними судеб, их
неистово увлеченных авторов, наполненных радостями творчества, восторгами
полученных сопутствующих побочных результатов и горькими разочарованиями за
несостоявшиеся результаты.
Пока еще никому не удалось сконструировать вечный двигатель, и
составить рецепт эликсира бессмертия. Но при этом, сам собой напрашивается
вопрос: так стоит ли вообще тогда заниматься изобретением "вечного"
двигателя? Но многовековая мировая и отечественная история работы над
"вечным" двигателем не позволяет дать скоропалительный, а может быть, и
легкомысленный ответ.
Если обратиться с этим вопросом к популярным книгам и сугубо научным
историческим источникам, к простым безвестным инженерам или известнейшим
мэтрам науки, то никогда не получить на него однозначного ответа.
Одними из первых, кто открыл эпоху создания "вечных двигателей" были
алхимики (здесь под термином "вечный двигатель" подразумевается не только
техническое устройство, а любой объект творческой и изобретательской
деятельности, обладающий свойствами "абсолютности", "вечности"). "Химия -
дочь алхимии" - так высоко оценил роль алхимии, одного из самых ложных
учений среди многих лжеучений прошлой поры, гений русской и мировой
математики Николай Лобачевский. Эта "наука" родилась еще в первых столетиях
нашей эры в Египте, перекинулась на другие страны и была узаконена арабами.
Они присоединили к более раннему термину "химия" (наука о превращениях
веществ) артикль "ал" и тем самым ввели алхимию в круг других наук,
известных на Земле к тому времени. В основу своих воззрений алхимики взяли
убеждение в одушевленности металлов. Якобы металлы все время "растут" и
"созревают" в лоне Земли, чем и обусловлены их превращения.
Еще со времен средневековых алхимиков, открывших в поисках
"философского камня" много новых и ценных химических веществ, история
хранит немало примеров, когда азартная погоня за призраком приводила к
важным изобретениям, не имевшим иногда никакой видимой связи с намерениями
искателей. Так, американский наборщик Хьятт, обуреваемый благим желанием
искусственно создать слоновую кость для биллиардных шаров (за это была
обещана огромная премия), изобрел в 1863 году первую в мире пластмассу,
которая под именем целлулоида получила широчайшее применение и быстро
распространилась.
Любой творческой находке предшествует обычно довольно длительная, порой
мучительная стадия поисков. Обостренная избирательность и особая зоркость
нередко позволяют первооткрывателю добиться цели, пользуясь доступными и
широко известными сведениями.
Свою задачу алхимики усматривали в содействии с помощью некоего
эликсира бессмертия, философского камня естественному взрослению металлов,
которые проходят те же, что и человек, ступени судьбы. Заветная цель -
вырастить из недозрелых состояний - зрелые, из неблагородных металлов -
благородные (из меди - золото, из железа - серебро).
Сейчас очевидно, что это утопия. Но овладев умам, алхимиия, увлекла их
жаждой поиска и проложила первые тропинки к большой и истинной науке.
Расцвет алхимии пришелся на 15 - 17-й век, и это как раз в то время, когда
она жестоко преследовалась церковью. Многие ученые того времени, обвиненные
в занятиях черной магией и распространении учения Сатаны, закончили свою
жизнь в тюрьмах и даже были казнены.
В то же время, алхимия помогла людям открыть немало секретов природы,
принесших пользу человечеству. Люди научились делать сплавы, различные
красители, стекло.
Немецкий алхимик Бранд, пытаясь добыть философский камень, открыл новый
химический элемент фосфор. В другое время немецкие же алхимики "варили" (в
1710 году) в одной из примитивных лабораторий золото. Естественно, что это
им сделать не удалось, зато они изобрели фарфор знаменитой саксонской
марки.
Одно из направлений поисков творцов, энтузиастов и упорных
изобретателей - это создание, разработка "абсолютного двигателя", "вечного
двигателя", который, будучи однажды запущен в действие, совершал бы работу
неограниченно долгое время без привлечения энергии со стороны.
Первое упоминание о вечном двигателе ученые обнаружили в древней
санскритской рукописи "Сиддхантасиромани", написанной великим индийским
математиком Бхаскаром примерно в 1150 году. В этой книге рассказано о
колесе, которое имело специальные полости, заполненные ртутью.
Утверждалось, что если такое колесо закрепить на оси и придать ему
первоначальное вращение, то оно в дальнейшем будет вращаться вечно.
Аналогичное колесо было описано и в астрономическом кодексе короля
Кастилии Алфонса Великого, относящемся к 1272 году.
В арабской рукописи 1200 года, написанной Фахр ад дин Ридвана бен
Мухаммедом, изложено три разных конструкции вечных двигателей.
Изыскания в этой области особенно активизировались в 16 веке, когда
началось бурное развитие машинного производства.
В изданной в начале этого века книге итальянского врача, философа и
алхимика Марко Антонио Зимара "Пещера медицинской магии" описана "вечная
ветряная мельница". Этот изобретатель предложил поставить напротив лопастей
колеса ветряной мельницы кузнечные меха (воздушные насосы), приводимые в
действие самим колесом. Зимара, по-видимому, был уверен, что воздух,
выходящий из мехов, способен вращать то же самое мельничное колесо, которое
и приводит в движение эти меха.
В литературных источниках тех времен содержатся описания "вечных
двигателей", основанных на использовании энергии воды. Основным элементом
таких двигателей являлся спиральный водяной подъемник, так называемый,
архимедов винт. При этом идея вечного движения казалась чрезвычайно
простой: архимедов винт поднимает воду из резервуара на какую-то высоту,
эта вода падает на лопасти водяного (мельничного) колеса, которое при этом
вращается и, в свою очередь, приводит в движение архимедов винт.
Гипотеза создания идеально экономичной машины занимала тогда и сейчас
занимает умы не только мечтателей - самоучек, но и умы многих видных
ученых. Понятно, что вечный двигатель так и остался "работающим" лишь в
воображении его творцов. Хотя их замыслы и были утопичны, попытки
материализовать идею, споры вокруг нее принесли немало интересных
теоретических и конструктивных решений, позволили выявить новые
закономерности, увидеть ранее неизвестные процессы.
Приведем исторический факт, произошедший с нидерландским математиком
С.Стевиным в 1857 году. Работая над вечным двигателем он поставил такой
эксперимент. Соединив 14 шаров в одну цепь, он накинул ее на трехгранную
призму в надежде, что шары, скатываясь по наклонной грани, вовлекут в
движение всю цепь и создадут за счет этого непрерывное ее вращение. Но
несмотря на страстное желание изобретателя, шары не захотели непрерывно
вращаться, а неподвижно зависали в накинутом на призму положении. Зато эта
неподвижная система навеяла ему идею равновесия. Данный результат и вошел в
научную терминологию как закон равновесия сил на наклонной плоскости.
Рассмотрим исторические примеры некоторых вечных двигателей. На рисунке
изображен мнимый самодвижущийся механизм - один из древнейших проектов
вечного двигателя.
В его теле имеется ряд улиткообразных камер, в каждую из которых
помещен тяжелый груз-шар. Изобретатель воображал, что шары с одной стороны
колеса (например, с правой) всегда находятся ближе к краю обода колеса, чем
с левой, и своим весом заставят колесо бесконечное время вращаться, стоит
лишь один раз подтолкнуть его в направлении движения по часовой стрелке.
Ясно, что при демонстрации этого чуда произошел конфуз - колесо всякий раз
после его запуска останавливалось.
Этот пример пришел в нашу литературу из Западной Европы. Однако нечто
подобное имело место и в практике российских изобретателей - самоучек.
Интересный эпизод неудачной демонстрации такого вечного двигателя можно
найти в рассказе нашего соотечественника - писателя Н.Е.Петропавловского с
символическим названием "Perpetuum mobili". Вот как он образно рассказывает
об изобретателе - крестьянине из Пермской губернии Лаврентии Голдыреве,
изображенном в этом рассказе под псевдонимом Пыхтин.
"Перед нами стояла странная машина больших размеров, с первого взгляда
похожая на тот станок, в котором подковывают лошадей; виднелись плохо
тесаные деревянные столбы, перекладины и целая система колес, маховых и
зубчатых; все это было неуклюже, не обстругано, безобразно. В самом низу,
под машиной, лежали какие-то чугунные шары; целая куча этих шаров лежала и
в стороне.
- Это она и есть? - спросил управляющий.
- Она - с...
-Такое чудовище! Ты бы хоть немного обтесал ее.
- Да, она точно ... не обтесана малость.
- Что же, вертится она? - спросил управляющий.
- Как же, вертится ...
- Да у тебя есть лошадь, чтобы вертеть-то ее?
- Зачем же лошадь? Она сама, - отвечал Пыхтин и принялся показывать
устройство чудища.
Главную роль играли те чугунные шары, которые были сложены тут же в
кучу.
- Главная сила в этих вот шарах ... Вот глядите: наперво шар бухнется
на этот черпак ... отсюда свистнет, подобно молнии, вон по этому желобу, а
там его подденет тот черпак, и он перелетит, как сумасшедший, на то колесо
и опять даст ему хорошего толчка, - такого то-есть толчка, от которого он
зажужжит даже... А пока этот шар лежит, там уже свое дело делает другой...
Там уж он опять летит ... бросится на тот черпак, перескочит на то колесо и
опять р-раз! Так и далее. Вот она в чем штука- то ... Вот я пущу ее...
Пыхтин торопливо метался по сараю, собирая разбросанные шары. Наконец,
свалив их в одну кучу подле себя, он взял один из них в руку и с размаху
бухнул его на ближайший черпак колеса, потом быстро другой, за ним
третий... В сарае поднялось что--то невообразимое: шары лязгали о железные
черпаки, дерево колес скрипело, столбы стонали. Адский свист, жужжание,
скрежет наполнили полутемное место ... "
Как нам нетрудно догадаться, машина вращалась до тех пор, пока
изобретатель продолжал подбрасывать все новые и новые шары. Сила их удара и
вес были единственным источником работы мнимого вечного двигателя. И Пыхтин
невольно сказал правду, что "главная сила в этих вот шарах".
Рассказывают, что позднее изобретатель глубоко разочаровался в своем
детище, когда он представил его на промышленную выставку в г.Екатеринбург и
впервые увидел настоящие действующие машины. Когда посетители выставки
попросили его рассказать об изобретенной им "самодвижущейся машине", он в
отчаянии произнес: - "Да ну ее к шуту! Прикажите изрубить ее на дрова ... "
Любопытно узнать, что "вечные двигатели" разрабатывались не только учеными
и любителями-изобретателями, но и предпринимателями-шарлатанами. Последних
соблазняли возможные баснословные барыши, некоторые из них рисковали своими
деньгами, а иногда и теряли их, когда такого двигателя на получалось. В
ряде случаев шарлатаны-изобретатели вынуждены были даже скрываться, когда
их технические фокусы не удавались или разоблачались.
Однажды на такую тонкую уловку чуть было не попался царь Петр I, хорошо
разбиравшийся в технике и собиравший через своих посланцев редкостные
поделки на Западе. В те петровские времена в Германии некий доктор Орфиреус
(Беслер) изобрел "самодвижущееся колесо", которое будто бы не только
вращалось само собой, но и поднимало при этом тяжелый груз на значительную
высоту. С этим колесом его автор путешествовал по Европе по выставкам и
ярмаркам и зарабатывал очень большие деньги. Великие мира сего осыпали его
высокими милостями, поэты слагали оды и гимны в честь его волшебного
колеса. Весть об изумительном изобретении Орфиреуса дошла до Петра 1,
сильно падкого до всяких "хитрых махин". Через своего российского дипломата
царь предварительно сговорился о покупке этой машины за сто тысяч рублей,
но только до сделки дело не дошло из-за смерти царя. Между тем, у
знаменитого изобретателя были и недруги, которые изобличили его в обмане. А
многолетняя тайна заключалась в том, что в действительности "вечный
двигатель" приводился в движение его братом и служанкой, спрятанными в
соседней комнате, незаметно и периодически сообщающими колесу энергию
вращения через рычаги и тонкий шнурок.
Более безобидным представляется использование "вечных двигателей" в
рекламных целях. Об одном из таких примеров их "применения" рассказал автор
широко известных и увлекательных книг по физике, астрономии и математике
Я.И.Перельман. В одном из крупных кафе в Лос-Анджелесе (Америка) для
привлечения внимания публики на входной гигантской рекламе был установлен
"вечный двигатель" в виде колеса с перекатывающимися шарами (подобно тому,
что приведен на рисунке). Этот двигатель незаметно приводился в действие
искусно скрытым электродвигателем, хотя всем прохожим и посетителям
казалось, что колесо двигают перекатывающиеся в прорезях тяжелые шары.
Рабочие - слушатели школы Я.И. Перельмана - были страшно поражены увиденным
и не хотели верить доказательствам учителя о невозможности вечных
двигателей. Учителя выручило только то, что в городе в выходные дни
электрическая сеть полностью отключалась. Зная об этом, он посоветовал
слушателям наведаться к витрине в эти дни. Последовав его совету, они
увидели, что по выходным дням двигатель не работал и предусмотрительно
прикрывался занавеской. И за счет этого, как шуточно пишет автор, закон
сохранения энергии вновь завоевал доверие слушателей.
Важно отметить, что открытиями вечных двигателей, как правило,
занимаются "бессребряники", т.е. люди, которые это делают не ради корысти,
не ради денег, не ради золота, а в силу своей творческой увлеченности,
своего новаторского призвания. Яркой иллюстрацией сказанного может служить
ученый - алхимик Бертольд, описанный А.С.Пушкиным в его прозаическом
произведении "Сцены из рыцарских времен". Бедный ученый Бертольд делает
бесконечные опыты по получению золота из разных химических элементов. Его
многообещающие опыты поддерживает кредитами богатый купец Мартын в надежде
на успех изобретателя. В одном из диалогов между ними Мартын спрашивает:
"Если твой опыт тебе удастся и у тебя будет золота и славы вдоволь, будешь
ли ты наслаждаться жизнью?" В ответ ему Бертольд говорит: "... Займусь еще
одним исследованием. Мне кажется, есть средство открыть перпетуум мобиле.
Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому.
Видишь ли, добрый мой Мартин, делать золото задача заманчивая, но найти
перпетуум мобиле... О!" Можно при этом упомянуть, что А.С.Пушкин написал
это произведение под впечатлением незадолго изобретенного до этого (в 1834
году) в Санкт-Петербурге академиком Борисом Семеновичем Якоби, которого он
знавал лично, первого электрического приводного двигателя. Этот двигатель,
питающийся на постоянном токе от батареи Вольта, настолько поразил своей
новизной и оригинальностью просвещенных современников, что они долгое время
называли его "перпетуум мобиле".
Живет в Самаре интереснейший человек - изобретатель Александр
Степанович Фабристов, которому ныне перевалило за 80 лет. Еще в молодости
он увлекся идеей вечного двигателя, много сочинил его конструкций, создал
много образцов, но все неудачно. И только лет 10 назад создал, наконец,
устройство, которое он называет "вечный двигатель", и которое, как он
убежден, способно вырабатывать "бесплатную" энергию только за счет сил
гравитации. Его устройство не так уж хитро по конструкции и состоит из 8
металлических "стаканов", укрепленных на крестовине, из свинцовых уголков,
храповиков и двух шестеренчатых дуг. "Стакан", прикрепленный к крестовине,
движется по кругу, проходит через одну дугу - угольник внутри перемещается
и силовое плечо становится больше. Проходит через другую - угольник встает
на прежнее место. Так, что получается, что у четырех "стаканов" с одной
стороны масса значительно больше, чем у стаканов с другой, из-за действия
сил гравитации. К сожалению его "вечный двигатель" не запатентован, и не
апробирован, так как и наш российский институт патентной экспертизы не
принимает к рассмотрению проекты таких двигателей.
Создать же опытный образец изобретателю - одиночке не под силу, а
промышленным предприятиям вроде бы и неприлично заниматься разными
выдумками. А ведь, по идее, это экологически чистый двигатель, не портящий
ландшафт и природу, не загрязняющий атмосферу.
Прослеживая историю, можно заметить, что одни изобретатели и ученые
горячо верили в возможность создания вечного двигателя, другие - упорно
сопротивлялись этому, отыскивая все новые истины. Галилео Галилей,
доказывая, что любое имеющее тяжесть тело не может подняться выше того
уровня, с которого оно упало, открыл закон инерции. Таким образом, польза
для науки шла как со стороны верующих, так неверующих. Известный физик,
академик Виталий Лазаревич Гинзбург считал, что по-существу, идея вечного
двигателя была научной. Плохо ли, хорошо ли, но она готовила благодатную
почву грядущим естествоиспытателям для постижения более высоких истин. Как
хорошо сказал томский профессор, философ А.К.Сухотин:"... неуклонно
подогревая интерес, идея вечного двигателя стала своего рода идейным
двигателем вечного сгорания, подбрасывающим свежие поленья в топки ищущей
мысли".
Тем временем, из-за большого числа заявок изобретателей на выдачу
патентов на придуманные ими вечные двигатели, ряд национальных патентных
ведомств и академий наук зарубежных стран (в частности, Парижская академия
наук приняла запрет еще в 17-м веке), приняли решение вообще не принимать к
рассмотрению заявки на изобретения абсолютного двигателя, поскольку это
противоречит закону сохранения энергии.
Всемирно известный в области механики советский академик Борис
Викторович Раушенбах считает такие решения научных организаций ошибочными и
вредными для дальнейшего развития науки. Он утверждает, что наука должна
глубоко исследовать, доказывать и терпеливо разъяснять, а не пресекать и,
тем более, не запрещать любые изобретения ("не накидывать уздечку на
исследовательскую активность, куда бы она не расходовалась"). Понятно, что
принцип сохранения энергии никакими конструкциями вечных двигателей не
поколебать, но возможны уточнения, выяснение сфер его применения и
пересечения с другими физическими принципами. Открылось же, например, что
этот закон комбинируется с законом сохранения массы и такое проявление
пошло на пользу более глубокого осмысления этих двух законов.
На практике такие ((устройства оказались не работоспособными, а
заявленная их авторами дополнительная энергия (сверх затраченной)
существовала на самом деле на уровне погрешности экспериментов либо была
чистым вымыслом авторов. Возможно, их авторы при расчете эффективности
(когда получили КПД много больше 1) учли далеко не все факторы... В
большинстве же случаев просто было выдано желаемое за действительное, как
общеизвестная работа Флейшмана и Понса по открытию "холодного"
термоядерного синтеза, который наделал много шума из ничего и был закрыт...
Действующие модели "вечных" двигателей, якобы нарушающие 2 начало
термодинамики, на самом деле работали в полном соответствии с этим вторым
началом термодинамики (в общем виде для открытых неравновесных систем),
однако имели архинизкую эффективность и годились лишь как демонстрационные
модели возможности получать энергию. Так, простой расчет показал, что для
получения 1 киловатта энергии потребовалось бы построить агрегат размером с
современный 17-этажный дом! :-)) Гораздо более эффективно использовать
ветровую или солнечную энергию...
Практически все авторы "действующих" моделей используют постоянный
внешний источник энергии (обычно, электрическая сеть или батарейка) и
эффективность системы рассчитывают на основании соотношения полученной
энергии к затраченной. Поскольку суммарную поглощенную и выделенную энергию
точно замерить не всегда очень просто, по-видимому, в этом и кроется
большинство ошибок. Есть также и другие ошибки при расчете суммарного кпд
устройства. Казалось, чего бы проще, создать режим самогенерации свободной
энергии, т.е. часть получаемой энергии пустить на возбуждение устройства
вместо внешнего источника, который нужен лишь чтобы запустить машину, и
далее в чистом виде получать только заявленную сверхъединичную разность...
Однако таких устойств не существует.
Хотелось бы увидеть действительно работающую модель, в которой имеется
замкнутый контур и машина производит энергию без внешнего источника.
В заключение хочу отметить, что ВСЕ существующие естественно-научные
законы (физики, химии и т.д.) строго соблюдаются. В первую очередь это
касается второго начала термодинамики. Конечно, многие физические законы и
модели несовершенны, однако пока не известны надежные экспериментальные
данные, которые бы противоречили существующим законам.
Реферат на тему: Влияние кислотных осадков на биосферу Земли
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ
Институт национальной и мировой экономики
Курсовая работа
По предмету: Концепции современного естествознания
на тему
«Кислотные дожди»
Студентки
1 курса
1 группы
факультета Национальная Экономика
Рождественской Д.Д.
Содержание
Введение………………………………………………………………………3
1. Как попадают соединения серы в атмосферу
1.1Виды соединений серы.
1.2Источники соединений серы.
1.3Виды соединений азота
1.4Источники соединений азота
1.5Атмосферный аммиак
2 Распространение кислотных веществ в атмосфере.
3 Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере.
3.1Химические превращения соединений серы.
3.2Химические превращения соединений азота.
4. Кислотная седиментация (кислотные осадки).
4.1Вымывание кислотных веществ из атмосферы
4.2Сухие осадки
5. Влияние кислотных осадков на биосферу
5.1Косвенные воздействия
5.2Непосредственные воздействия
6. Способы защиты от кислотных дождей.
Заключение
Список литературы
Введение.
Интенсификация деятельности человека в последнее столетие привела к
значительному нарушению сложившегося в природе равновесия, в результате
чего возникло множество проблем, связанных с защитой окружающей среды.
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.
Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или
фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные
продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или
выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. Попадая на поверхность
биологических объектов, строительных конструкций и других предметов,
загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические
процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических
материалов.
Ущерб, наносимый живой природе атмосферными загрязнениями и продуктам
производственной деятельности человека, трудно оценить, но гибель лесов,
загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний,
нарушение биологического равновесия в экосистемах не в последнюю очередь
связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере.
Как попадают соединения серы и азота в атмосферу.
Виды соединений серы.
К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся
двуокись серы [оксид серы (IV)], оксисульфид (сероокись углерода),
сероуглерод, сероводород и диметилсульфид (табл. 2). Последние четыре
соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко
превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием
деятельности человека более всего изменяется содержание двуокиси серы.
В сильно загрязненных районах уровень двуокиси серы может в 1000 и
даже в десятки тысяч раз превысить естественную границу значений на суше и
в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из
естественных источников, более или менее одинакова вблизи поверхности
земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии,
принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и
гидросульфат аммония), а также морская соль.
Источники соединений серы.
Соединения серы, как мы уже упомянули, частично попадают в атмосферу
естественным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и
поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно
деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать
загрязнение серой только на этой территории.
Существуют три основных источника естественной эмиссии серы.
1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без
участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения
органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует
газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии
извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в
результате чего образуются сернистые газообразные соединения.
Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а
затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха
удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее
важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у
береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое
количество органических веществ.
Поверхность моря также может содержать значительные количества
сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водоросли.
Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-
40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.
2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу
наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и
элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой -
тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается
увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в
стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает
около 2 млн т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество
незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же
извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.
3. Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в
атмосферу с поверхности океанов, остается морская соль, содержащая наряду с
ионами натрия и хлора соединения серы — сульфаты.
Вместе с частицами морской соли ежегодно в атмосферу попадает 50-200
млн т серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы биологическим путем. В то
же время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из
атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в более
верхние слои или распыляется над сушей. Следует также учесть, что из
сульфатов морского происхождения не может образоваться серная кислота,
поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют
существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании
образования облаков и осадков.
В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные
количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди
источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях
и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание
серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром
угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы
остается в золе в твердом состоянии.
Содержание серы в неочищенной нефти также достаточно велико в
зависимости от места происхождения (0, 1-2%). При сгорании нефтяных
продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании
угля.
Источниками образования двуокиси серы могут быть также отдельные
отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также
предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На
транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно, там в
первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.
Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу
попадает 60-70 млн т серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и
антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет
атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это
происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с
развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз
превышают естественные, т. е. главным образом в Европе и Северной Америке.
Примерно половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40
млн т), приходится на Европу.
Виды соединений азота.
В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в
кислотной седиментации участвуют только два из них: окись и двуокись азота,
которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азотистую
кислоту.
Окись азота под действием окислителей (например, озона) или различных
свободных радикалов преобразуется в двуокись азота:
[pic]
(окись азота + радикал пероксида водорода --- двуокись азота + радикал
гидроксила);
[pic]
(окись азота + озон --- двуокись азота + молекулярный кислород).
Итак, можно предположить, что окисью азота можно пренебречь вследствие
указанных окислительных процессов. Однако это не совсем так, что
объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов
азота в значительной степени происходит в форме окиси азота, и требуется
время, чтобы [pic] полностью превратилась в [pic]. С другой стороны, в
непосредственной близости от источников загрязнения количество окиси азота
превышает количество двуокиси азота. Это соотношение увеличивается в
сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно
не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чистом воздухе над
поверхностью океана часть окиси азота составляет всего несколько процентов
от двуокиси азота. Соотношение этих газов, впрочем, может меняться
вследствие фотодиссоциации двуокиси азота:
[pic]
(двуокись азота+ квант света --- окись азота+ атом кислорода),
Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кислота,
образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота
нейтрализуется, то образуется азотнокислая соль, которая обычно
присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям
аммония, которые получаются в результате взаимодействий аммиака с какой-
либо кислотой.
Источники соединений азота.
Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными.
Рассмотрим наиболее важные естественные источники.
Естественные и антропогенные источники соединений азота, содержащихся
в атмосфере.
Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в
почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота.
Согласно современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т
оксидов азота.
Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за
очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные
азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плазмы
атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее
количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн т в
год.
Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и
искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате
выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в
саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в
год.
Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны
и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в
атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие
чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов [pic] в
тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах.
Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов
азота.
Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом
месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во
время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в
воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида
азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота
образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ.
Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов
азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.
В целом количества естественных и искусственных выбросов
приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений
серы, сосредоточены на ограниченных территориях Земли.
Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из
года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения
азота играют огромную роль в образовании кислотных осадков.
Атмосферный аммиак.
Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет
значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может
нейтрализовать атмосферные кислотные соединения с помощью следующих
реакций:
[pic]
(аммиак+ серная кислота - гидросульфат аммония);
[pic]
(аммиак+ гидросульфат аммония = сульфат аммония);
[pic]
(аммиак+ азотная кислота - нитрат аммония).
Таким образом, эти химические реакции ведут к образованию сульфата и
нитрата аммония.
Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся
в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним
из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Установлено, что
активность бактерий, приводящая в конечном счете к образованию аммиака,
зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких
географических широтах (Северная Европа и Северная Америка), особенно в
зимние месяцы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же
время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси
серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не
подвергаются нейтрализации и, таким образом, возрастает опасность выпадения
кислотного дождя.
В процессе распада мочи домашних животных высвобождается большое
количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что,
например, в Европе он превышает возможности выделения аммиака почвой.
Естественно, этот процесс также зависит от температуры, и в холодные зимние
месяцы скорость распада ниже. Существенными источниками аммиака могут
служить также производство и внесение в землю искусственных удобрений.
Меньшее количество аммиака может попасть в атмосферу в результате сгорания
угля или горючего транспортных средств.
Распространение кислотных веществ в атмосфере.
Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности
Земли, естественно, не задерживаются на одном месте, а распространяются в
вертикальном и горизонтальном направлениях, частично преобразовываясь при
этом. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, которое происходит
посредством конвекционных (упорядоченных вертикальных) или турбулентных
(неупорядоченных) движений. В зависимости от структуры атмосферы и еe
состояния в данный момент перемешивание может достигнуть только
определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения
температуры по вертикали в атмосфере. Как известно, начиная с поверхности
Земли температура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в
среднем на 0, 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от поверхности это
понижение исчезает, более того, двигаясь выше, можно наблюдать потепление.
Этот слой, где происходит изменение температуры в обратном направлении,
называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью —
тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и
для данного места остается постоянной. Выше находится стратосфера, где
потепление в вертикальном направлении происходит в результате поглощения
коротковолнового излучения и протекания фотохимических реакций. Разделяющая
две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий
слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока
вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлении. Поэтому
перемешивание в тропопаузе замедляется, и загрязняющие вещества уже могут
проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение).
Последняя представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те
загрязняющие вещества, которые находятся в тропосфере недолго, практически
не могут попасть в стратосферу. С другой стороны, вещества, имеющие
длительное время жизни, могут попасть в стратосферу, например, фреоны,
время нахождения которых в тропосфере исчисляется несколькими десятками
лет.
Микроэлементы, которые находятся в тропосфере в течение короткого
времени (например, соединения серы и азота), могут попасть в более высокие
слои воздуха другим путем, например, при сильном извержении вулкана или во
время полетов в стратосферу.
Таким образом, возвращаясь к тропопаузе, можно сказать, что в результате
увеличения температуры с высотой перемешивание на этом уровне прекращается.
В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхности,
наблюдается инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном
направлении, которое также приводит к прекращению вертикального
перемещения. Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным
глазом. Например, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, над загрязненными
местами иногда можно превосходно разглядеть границу между серым
загрязненным нижним и верхним чистым слоями воздуха. На этой границе
прекращается вертикальное перемешивание загрязняющих веществ. Этот близкий
к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от
времени 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 результате реакции с радикалом
гидроксида превращается в азотную кислоту:
[pic]
(двуокись азота + радикал гидроксила [pic] азотная кислота).
Полученная таким образом азотная кислота может долгое время оставаться в
газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Другими словами,
азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной
кислоты могут быть поглощены капельками облаков, осадков или частицами
аэрозоля.
Кислотная седиментация (кислотные дожди).
Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является
седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь(
вымывание осадков или влажная седиментация. Второй путь( выпадение осадков
или сухая седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной
седиментацией.
Вымывание кислотных веществ из атмосферы.
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.
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.
Сухие осадки.
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 седиментаци можно не принимать во внимание.
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 из-за 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.
Влияние кислотных осадков на биосферу.
Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные
предмет или живые существа, но и на их совокупность. 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.
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. Через питьевую воду и животную пищу, например,
через рыбу в организм человека также могут попасть токсичные металлы. 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.
Косвенные воздействия.
Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо
косвенным путем; через почву и корневую систему, либо непосредственно
(главным образом на листву). Подкисление почвы определяется различными
факторами. В отличие от вод почва обладает способностью к выравниванию
кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению
кислотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к
сохранению существенного закисления. Однако наряду с естественными
процессами на почвы в лесах и на пашнях воздействуют антропогенные факторы.
Химическая стабильность, способность к выравниванию, склонность почв к
закислению изменчивы и зависят от качества подпочвенных пород,
генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от
наличия поблизости значительного источника загрязнений (рис. 23). Кроме
того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности зависит от
химических и физических свойств подстилающих слоев.
Косвенные воздействия проявляются по-разному. Например, осадки,
содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев,
так как снабжают почву питательными веществами. Однако в результате
постоянного потребления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается
вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы.
Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, содержит больше
серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака, чем вода осадков,
что приводит к увеличению кислотности почвы. В результате этого возрастают
потери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к
повреждению деревьев.
Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве
катионами, в результате чего происходят либо выщелачивание кальция, магния
и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также
мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в
почвах с низкими значениями рН.
Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит от рН. Растворенные
и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются
ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что
алюминий, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живущих в почве
организмов. Во многих почвах, например, в северных умеренных и бореальных
лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по
сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в
состоянии выдержать это соотношение, однако при выпадении значительных
количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций в почвенных водах
настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создается опасность для
существования деревьев.
Происходящие в составе почвы изменения могут преобразовать состав
микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым
повлиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание
азота и внутреннее закисление.
Так, например, гибель лесов в Средней и Западной Европе произошла
главным образом под влиянием косвенных воздействий. Почти полностью погибли
леса на площади в несколько сотен тысяч гектаров.
В Венгрии, согласно исследованиям экологов, погибло более 10% дубов в
северном горном массиве. Большей частью это происходит из-за извлечения
тяжелых металлов в результате закисления лесных почв. Алюминий и различные
тяжелые металлы непосредственно воздействуют на живые существа, но могут
также изменить структуру почвы и ее способность обеспечивать питательными
веществами.
Вероятной причиной омертвения дубов является разрушение прикрепляющихся к
корневой системе грибов Mikorrhiza. Эти грибы находятся в симбиозной связи
с отдельными высшими растениями (например, с дубом); присоединяясь к
разветвленной корневой системе, они в несколько раз увеличивают ее
способность впитывать питательные вещества. Для грибов Mikorrhiza
характерна очень большая чувствительность к кислотности. Тен | |
