 Tajemnica kwaśnych deszczy
Zanieczyszczeniami powietrza nazywamy wszelkie substancje (gazy, ciecze, ciała stałe), które w wyniku zdarzeń naturalnych lub działalności człowieka dostają się do atmosfery, co powoduje zmiany jej składu.
Zanieczyszczenia powietrza podzielono na cztery grupy:
a) gazy i pary związków chemicznych, np. tlenki węgla (CO, CO2), siarki (SO2, SO3) i azotu (NOx), fluor (F), ozon (O3), radon (Rn), amoniak (NH3), węglowodory i ich chlorowe pochodne, fenole;
b) drobne kropelki cieczy, np. kropelki zasad, kwasów, rozpuszczalników;
c) drobne ciała stałe, np. popioły, pyły, związki metali ciężkich, sadze, stałe związki organiczne, azbest, pestycydy;
d) mikroorganizmy, których ilość lub rodzaj nie są charakterystyczne dla naturalnego składu powietrza;
e) makroorganizmy (np. grzyby) wraz z produktami ich metabolizmu.
Zanieczyszczenia powietrza mogą pochodzić zarówno ze źródeł naturalnych, jak i sztucznych. Do momentu gdy rozpoczął się gwałtowny rozwój przemysłu, wszystkie zanieczyszczenia powietrza były pochodzenia naturalnego.
Z naturalnych źródeł zanieczyszczeń powietrza możemy wymienić m.in.:
* pożary lasów;
* wybuchy wulkanów;
* silne wiatry unoszące cząsteczki piasku;
* substancje organiczne pochodzące z procesów rozkładu martwej materii organicznej;
* pyłki kwiatowe;
* bakterie;
* pyły kosmiczne z meteorytów;
* ozon powstający podczas wyładowań elektrycznych.
Źródłami sztucznymi (zwanymi inaczej antropogenicznymi) zanieczyszczeń powietrza są te, które wiążą się z działalnością człowieka, przede wszystkim przemysł, komunikacja, rolnictwo, gospodarstwa domowe.
Zanieczyszczenia powietrza pochodzące zarówno ze źródeł naturalnych, jak i sztucznych występują w trzech postaciach: stałej, ciekółej i gazowej. Zanieczyszczenia stałe to:
* popioły i sadze;
* pyły mineralne, metaliczne i organiczne powstaj¹ce przy ścieraniu się różnych cia³;
* chemiczne środki ochrony roślin i nawozy sztuczne;
* rdza;
* pyły radioaktywne.
Zanieczyszczenia ciekłe to płynne środki ochrony roślin, które dostają się do powietrza podczas oprysku, i drobne cząstki wody unoszące się w postaci mgły, które mogą być toksyczne ze względu na rozpuszczone w niej gazy i substancje stałe. Zanieczyszczenia gazowe stanowią głównie substancje lotne powstające podczas spalania.
Największe ilości substancji zanieczyszczających powietrze powstają w wyniku spalania paliw kopalnych (węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej, gazu ziemnego). Skutkiem tego jest uwalnianie do atmosfery olbrzymich ilości gazów spalinowych (tlenków: węgla, siarki i azotu) oraz pyłów, popiołów i sadzy.
Poniżej przedstawiamy krótką charakterystykę wymienionych wyżej gazów spalinowych.
* Tlenek węgla (CO), zwany również czadem, powstaje podczas niecałkowitego spalania węgla w piecach oraz innych paliw w silnikach spalinowych, dlatego jego największe stężenie obserwuje się w miastach i ośrodkach przemysłowych.
* Dwutlenek węgla (CO2) jest gazem bezbarwnym powstającym np. w wyniku całkowitego spalania węgla oraz w procesie oddychania organizmów. Stały wzrost CO2 w atmosferze może spowodować efekt cieplarniany, o którym już pisaliśmy na łamach „Biologii w Szkole” (D. Basak, M. Zielińska, M. Szablewski, Przekazywanie energii cieplnej. Efekt cieplarniany, 2/2011).
* Dwutlenek siarki (SO2) jest gazem bezbarwnym, ma ostry zapach, powstaje przede wszystkim podczas spalania zasiarczonego węgla i oleju opałowego oraz przy produkcji kwasu siarkowego. Jego największe stężenie obserwuje się na obszarach przemysłowych.
* Tlenki azotu powstają podczas spalania paliw w wysokiej temperaturze, a więc w elektrowniach, ciepłowniach, silnikach odrzutowych. Mają barwę żółto-czerwono-brązową i ostry zapach.
* Amoniak (NH3) powstaje w procesie gnicia i rozkładu materii organicznej, może też uwalniać się do atmosfery, gdy jest stosowany jako czynnik roboczy w układach chłodniczych.
* Czteroetylek ołowiu jako aerozol pochodzi głównie ze spalin samochodowych.
* Freony (fluorochlorowęglowodory) to gazy powoduj¹ce efekt cieplarniany, a także zmniejszenie warstwy ozonowej w stratosferze(…).
Zjawisko kwaśnego deszczu zostało odkryte już pod koniec XVII w. W 1692 r. Robert Boyle (założyciel The Royal Society) opublikował książkę Historia powietrza (A general history of the air), w której opisał kwaśny deszcz jako „azotowe lub solno-siarkowe ciecze” („nitrous or salino-sulfurous spirits”). Termin kwaśne deszcze pojawił się po raz pierwszy w roku 1842. Wówczas to w niemieckim czasopiśmie przyrodniczym „Annalen der Physik und Chemie” ukazał się artykuł zatytułowany Kwaśne deszcze nad Wezuwiuszem. W artykule przedstawiono list Pilla do E. Beaumonta. Zawarto w nim dane o straszliwych gazach wydobywających się z krateru wulkanu. Gdy nad Wezuwiuszem unoszą się obłoki rozpylonego kwasu solnego i pada deszcz, to kałuże stają się kwaśne, a plony ulegają zniszczeniu.
Termin kwaśny deszcz został również użyty w roku 1872 przez Roberta Angusa Smitha (1817–1884), naukowca z Manchesteru, w jego książce Powietrze i deszcz: podstawy klimatologii chemicznej (Air and Rain: The Beginnings of Chemical Climatology). Jednak na szerszą skalę problem kwaśnego deszczu podniesiono dopiero w latach 60. XX wieku. Okazało się wówczas, że wzrastało zakwaszenie jezior w Skandynawii i równocześnie malała liczba żyjących w nich ryb. Podobne zjawiska obserwowano w Ameryce Północnej. Ponadto zauważono liczne zniszczenia w lasach Europy i Ameryki Północnej. Obserwacje te stały się siłą napędową wielu działań naukowych, politycznych i technologicznych.
Powstaje pytanie, kiedy mamy do czynienia z kwaśnymi deszczami, skoro „czysty” deszcz ma odczyn lekko kwaśny. Taki „normalny” deszcz ma pH ok. 5,6–6,0. Fakt, że pH deszczu jest niższe niż 7,0, ma związek z naturalną obecnością w powietrzu dwutlenku węgla, który reagując z wodą, tworzy słaby kwas węglowy. O kwaśnych deszczach mówimy dopiero wtedy, kiedy odczyn deszczówki jest poniżej 5,6. Niektórzy naukowcy za kwaśny deszcz uznają jednak dopiero opad, którego pH jest poniżej 5,0.
Mierzenie odczynu kwaśnych deszczy
Kwasowość opadu można zmierzyć, używając skali pH. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych [H3O+] w roztworach wodnych. Tradycyjnie pH definiuje się jako:
pH = –log10[H3O+]
czyli ujemny logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny.
Pojęcie pH wprowadził duński biochemik w 1909 r. Oryginalnie pH zdefiniował jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych (H+). Współczesne badania wykazały jednak, że wolne jony wodorowe (wolny proton) nigdy nie występują w roztworach wodnych, gdyż natychmiast ulegają (proces otaczania cząsteczek rozpuszczanego związku chemicznego przez cząsteczki rozpuszczalnika) wg równania:
H+ + H2O H3O+
Ponieważ skala pH jest logarytmiczna, co oznacza, że jeżeli przesuwamy się w dół skali o wartość równą 1,0, to kwasowość roztworu wzrośnie dziesięciokrotnie, np. pH = 3 oznacza, że roztwór jest 10 razy bardziej kwaśny niż roztwór o pH = 4 i 100 razy niż płyn o pH = 5.
Przyczyny powstawania kwaśnych deszczy
Do czterech głównych czynników powodujących kwaśne zanieczyszczenia powietrza zaliczamy: tlenki siarki SxOy, tlenki azotu NxOy, węglowodory CxHy i ozon O3. Najważniejszymi z nich, bo występującymi powszechnie, są dwutlenek siarki i tlenki azotu.
Dwutlenek siarki SO2
Siarka jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie. Występuje w niemal wszystkich żywych organizmach oraz w tzw. paliwach kopalnych: węglu, ropie i gazie ziemnym. Zawartość siarki w niektórych rodzajach węgla wynosi aż 14%, w ropie naftowej i gazie – zwykle poniżej 1%. Podczas spalania paliw kopalnianych zawarta w nich siarka łączy się z tlenem, tworząc tlenki siarki SxOy – głównie dwutlenek siarki SO2.
Ogólnie można powiedzieć, że na świecie 50% SO2 pochodzi ze źródeł naturalnych: wulkanów (ok. 3 mln ton/rok), pyłów, wód morskich i rozkładu materii organicznej (ok. 32 mln ton/rok to siarkowodór, H2S, który utlenia się, tworząc SO2). Naturalna emisja jest rozproszona po całym świecie, natomiast w uprzemysłowionych regionach świata działalność człowieka jest powodem wytworzenia aż 90% występującego tam w powietrzu SO2.
Za największą emisję SO2 na świecie odpowiadają: huty, koksownie i elektrownie węglowe, np. w Kanadzie huty emitują 66% SO2 uwalnianego do atmosfery w wyniku aktywności człowieka. Jedna tylko huta niklu i miedzi w Ontario może wytworzyć prawie tyle samo SO2, co cała Grecja. W Wielkiej Brytanii natomiast głównym źródłem skażenia atmosfery tlenkami siarki są elektrownie węglowe.
Na rysunku 6 przedstawiono główne źródła skażenia powietrza tlenkami siarki w Polsce, która zajmuje trzecie miejsce w Europie pod względem emisji SO2.
Emisję dwutlenku siarki można zmniejszyć poprzez zaprzestanie wykorzystania węgla o dużej zawartości siarki, spalanie węgla w obecności wiążącego siarkę wapienia lub dolomitu, odsiarczanie spalin i zastąpienie węgla innymi źródłami energii.
Tlenki azotu
Znanych jest wiele tlenków azotu opisywanych ogólnym wzorem NOx lub NxOy. Około 50% z nich pochodzi ze źródeł naturalnych. Jednakże w uprzemysłowionej Europie i Ameryce Północnej tylko 10% NxOy jest pochodzenia naturalnego, reszta, czyli aż 90%, powstaje podczas wysokotemperaturowego spalania paliw kopalnych. Azot występujący w paliwach kopalnych oraz w powietrzu łączy się z tlenem i tworzy głównie toksyczne gazy: tlenek azotu(II) NO – bezwonny i bezbarwny, oraz tlenek azotu(IV) NO2 – brunatny o duszącej woni (…)
Największymi „producentami” NOx na świecie są elektrownie węglowe, koksownie i transport.
Przemiana tlenków azotu oraz dwutlenku siarki w kwasy może nastąpić zarówno podczas suchej, jak i mokrej depozycji, która polega na usuwaniu z atmosfery i osadzaniu się na powierzchni ziemi różnych składników powietrza. Procesy te obejmują opady atmosferyczne (mokra depozycja, np. deszcz, śnieg albo mgła), jak również opadanie na ziemię cząstek stałych i gazów (sucha depozycja).
Sucha depozycja ma miejsce, gdy NOx i SO2 oraz produkty ich utleniania docierają do ziemi w formie gazowej jako aerozole lub cząstki stałe. Następnie reagują z wodą zawartą w glebie lub znajdującą się na powierzchni ziemi, np. w rzekach. Około połowy kwaśnych zanieczyszczeń atmosferycznych dociera do powierzchni ziemi na skutek suchej depozycji. Wiatr przenosi te substancje i osadza je na budynkach, samochodach, drzewach. Gazy i cząstki osadzone w wyniku suchej depozycji mogą zostać wymyte z powierzchni drzew i innych obiektów przez krople deszczu. W takim przypadku wody ze spływu powierzchniowego są zakwaszone podwójnie: przez sam kwaśny deszcz i przez wymyte, np. z gleby, kwaśne substancje.
Mokrą depozycją nazywamy proces usuwania z atmosfery i osadzania na powierzchni ziemi – wraz z deszczem, mżawką, ze śniegiem, z wodą chmurową i mgłą – substancji chemicznych. Kwaśny deszcz to skutek wielu reakcji chemicznych zachodzących w powietrzu. Gazy emitowane do atmosfery, głównie na skutek spalania paliw kopalnych w elektrowniach i zakładach przemysłowych, czyli SO2, NO2 i NO, wchodzą w reakcje z rodnikami hydroksylowymi i atomami tlenu, tworząc kwasy. Cząsteczki kwasów są bardzo higroskopijne (tzn. łatwo wchłaniają wodę), są zatem dobrymi jądrami kondensacji i przyspieszają tworzenie się chmur. Następnie kwaśny deszcz dociera do ziemi. Kwaśne gazy w połączeniu z mgłą mogą utworzyć kwaśną mgłę, a w połączeniu ze śniegiem – kwaśny śnieg itd.
Sucha depozycja zanieczyszczeń ma miejsce głównie w pobliżu źródła emisji, natomiast mokra może zachodzić nawet w odległości 1000 km. Wysokie kominy fabryczne mogą wynosić zanieczyszczenia na znaczne wysokości, co powoduje zmniejszenie stężenia zanieczyszczeń przy powierzchni ziemi, ale naraża większe obszary na skażenie. Zakwaszenie wód opadowych jest zwykle większym problemem niż zakwaszenie wskutek suchej depozycji, gdyż towarzyszy mu cała gama reakcji chemicznych zachodzących w powietrzu i w czasie transportu zanieczyszczeń na duże odległości od źródła emisji.
Oprócz SO2 i NOx, które są emitowane w czasie spalania paliw kopalnych, inne substancje również przyczyniają się do powstawania kwaśnych deszczy. Są to m.in. chlorowodór (HCl) i lotne związki organiczne. Kiedy chlorowodór rozpuści się w wodzie, np. w kroplach deszczu, powstaje kwas solny (HCl). Lotne związki organiczne są prekursorami kwasów organicznych (np. kwasu octowego CH3COOH), które powstają w powietrzu poprzez utlenianie np. alkoholi lub aldehydów i przyczyniają się do zakwaszania deszczy. Lotne związki organiczne pochodzą głównie ze spalin samochodowych, ale w skali globalnej rośliny uwalniają ich 10-krotnie więcej niż człowiek.
W zależności od wielu czynników odczyn deszczu może być bardzo różny. Deszcz bywa bardziej kwaśny po długim okresie suszy i bezwietrznej pogody, która sprzyja gromadzeniu się w powietrzu zanieczyszczeń. Stwierdza się również, że niewielkie opady są często bardziej kwaśne niż obfite, które rozcieńczają kwasy powstające w atmosferze. Nie bez znaczenia jest również kierunek wiatru, gdyż – jak wiadomo – zanieczyszczenia nie znają granic. Zjawisko przenoszenia skażeń zachodzące na skutek ruchu mas powietrza atmosferycznego nazywa się rozprzestrzenieniem zanieczyszczeń.
Wiatr powoduje, że zanieczyszczenie powietrza może być przenoszone na tereny sąsiednich państw, ujawniając niekorzystne skutki wpływu przemysłu na środowisko w znacznej odległości od źródła emisji. Przykładem tego jest obszar Czarnego Trójkąta położony u zbiegu granic Polski, Niemiec i Czech (Rys. 10). Znajdują się w nim trzy duże zagłębia węgla brunatnego: Turoszowskie, Łużyckie i Północnoczeskie oraz siedem dużych elektrowni o łącznej mocy 16 000 MW.
W 1989 r. z regionu tego, zajmującego zaledwie 32 400 km2 powierzchni, pochodziło 30% wyemitowanego w Europie dwutlenku siarki (SO2), co spowodowało wystąpienie kwaśnych deszczy. Ich efektem stała się największa w Europie katastrofa ekologiczna – obumieranie lasów górskich. W latach 1981–1987 w Sudetach obumarły świerki na powierzchni 11 000 ha, w tym 10 000 ha w Sudetach Zachodnich. W tym samym czasie w północno-zachodnich Czechach i Saksonii obumarło łącznie 15 000 ha lasów.
Dzięki współpracy zainteresowanych państw na początku lat 90. XX w. zapoczątkowano działania na rzecz poprawy stanu środowiska w tym rejonie; w 1992 r. uruchomiono zintegrowaną sieć 43 automatycznych stacji monitoringu powietrza rozmieszczonych w Polsce, Czechach i Niemczech. Rozpoczęto likwidowanie lokalnych źródeł emisji dwutlenku siarki poprzez modernizację indywidualnych systemów grzewczych i unowocześnianie procesów technologicznych w starych elektrowniach. Innym czynnikiem, który wpłynął na poprawę jakości powietrza, był kryzys gospodarczy i spadek produkcji w krajach Europy Środkowej. Dzięki tym wszystkim wysiłkom i zbiegowi okoliczności emisja szkodliwych związków z roku na rok maleje.
Mechanizm rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń lotnych, w szczególności pyłów, dwutlenku siarki i tlenków azotu, np. z przewodów kominowych, zależy w znacznym stopniu od temperatury gazów, szybkości ich wypływu, wysokości i konstrukcji komina. Zastosowanie wysokich i szerokich kominów pozwoliło na istotne zmniejszenie stężenia zanieczyszczeń emitowanych w miastach. Niestety, może to powodować przenoszenie zanieczyszczeń na znaczne odległości, często ponad granicami państw. Jest to tzw. przenoszenie trans graniczne.
Na obszarach uprzemysłowionych pH kwaśnego deszczu wynosi zwykle ok. 4,0. Mgły w Los Angeles często mają pH poniżej 3,0. W pewnych regionach świata to związki organiczne emitowane przez rośliny powodują zakwaszenie opadów, np. w północnej Australii pH opadów może z tego powodu wynosić zaledwie 4,4.
Zakwaszona woda deszczowa może mieć pH = 2,4. Mgła i śnieg mogą być jeszcze bardziej kwaśne, np. odczyn smogu, który wystąpił w Londynie w 1952 r., powodując śmierć 4000 osób (w ciągu 6 dni), był tak niski, że wynosił zaledwie ok. 1,5. Był to tzw. kwaśny smog typu Londyn. Jest to mieszanina aerozolu kwasu siarkowego(VI), sadzy, dwutlenku siarki i tlenków azotu. Smog typu londyńskiego występuje w miesiącach jesienno-zimowych, rano, po wschodzie słońca przy wysokich temperaturach. Wywiera on silne działanie korozyjne na środowisko oraz jest bardzo szkodliwy dla żywych organizmów. Poraża układ krążenia, drogi oddechowe, powodując duszności i łzawienie oraz podrażnienia skóry.
Innym przykładem smogu jest smog typu Los Angeles (smog fotochemiczny, utleniający) (...)
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
