Kwaśny deszcz - Acid rain

Procesy związane z kwaśnym osadzaniem (tylko SO 2 i NO x odgrywają znaczącą rolę w kwaśnych deszczach)
Kwaśne chmury mogą rosnąć na emisji SO 2 z rafinerii, jak widać na Curaçao .
Dźwięk zewnętrzny
ikona dźwięku „Co się stało z kwaśnym deszczem?” , Instytut Historii Nauki

Kwaśny deszcz to deszcz lub inna forma opadów, która jest niezwykle kwaśna , co oznacza, że ​​ma podwyższony poziom jonów wodorowych (niskie pH ). Może mieć szkodliwy wpływ na rośliny, zwierzęta wodne i infrastrukturę.

Kwaśne deszcze są spowodowane emisją dwutlenku siarki i tlenku azotu , które reagują z cząsteczkami wody w atmosferze, tworząc kwasy. Niektóre rządy od lat 70. XX wieku podjęły starania w celu ograniczenia uwalniania dwutlenku siarki i tlenku azotu do atmosfery, z pozytywnymi rezultatami. Tlenki azotu mogą być również wytwarzane naturalnie przez uderzenia pioruna , a dwutlenek siarki jest wytwarzany przez erupcje wulkanów .

Wykazano, że kwaśne deszcze mają niekorzystny wpływ na lasy, słodką wodę i glebę, zabijając owady i wodne formy życia, powodując łuszczenie się farby, korozję konstrukcji stalowych, takich jak mosty, wietrzenie kamiennych budynków i posągów, a także uderzenia na zdrowie ludzkie.

Definicja

„Kwaśny deszcz” jest popularnym terminem odnoszącym się do osadzania mieszaniny z mokrych (deszcz, śnieg, deszcz ze śniegiem, mgły, chmury i rosy) i suchych (cząstki i gazy zakwaszające) składników kwaśnych. Woda destylowana po usunięciu dwutlenku węgla ma obojętne pH 7. Ciecze o pH mniejszym niż 7 są kwaśne, a te o pH większym niż 7 są alkaliczne. „Czysty” lub niezanieczyszczony deszcz ma kwaśne pH, ale zwykle nie niższe niż 5,7, ponieważ dwutlenek węgla i woda w powietrzu reagują razem, tworząc kwas węglowy , słaby kwas zgodnie z następującą reakcją:

H 2 O(L) + CO 2(g) ⇌ H 2 CO 3( aq )

Kwas węglowy może następnie jonizować w wodzie, tworząc niskie stężenia jonów węglanowych i hydroniowych :

H 2 O(L) + H 2 CO 3(aq) ⇌ HCO 3 (roztwór wodny) + H 3 O+ (aq)

Niezanieczyszczony deszcz może również zawierać inne substancje chemiczne, które wpływają na jego pH (poziom kwasowości). Typowym przykładem jest kwas azotowy wytwarzany przez wyładowania elektryczne w atmosferze, takie jak wyładowania atmosferyczne . Osadzanie kwasów jako kwestia środowiskowa (omówiona w dalszej części artykułu) obejmowałaby dodatkowe kwasy inne niż H 2 CO 3.

Historia

Korozyjne działanie zanieczyszczonego, kwaśnego powietrza miejskiego na wapień i marmur zauważył w XVII wieku John Evelyn , który zwrócił uwagę na zły stan marmurów Arundel . Od czasu rewolucji przemysłowej wzrosła emisja dwutlenku siarki i tlenków azotu do atmosfery. W 1852 r. Robert Angus Smith jako pierwszy wykazał związek między kwaśnymi deszczami a zanieczyszczeniem atmosfery w Manchesterze w Anglii.

Pod koniec lat 60. naukowcy zaczęli szeroko obserwować i badać to zjawisko. Termin „kwaśny deszcz” ukuł w 1872 r. Robert Angus Smith. Kanadyjczyk Harold Harvey był jednym z pierwszych, którzy badali „martwe” jezioro. Początkowo główny nacisk w tych badaniach położono na lokalne skutki kwaśnych deszczy. Waldemar Christofer Brøgger jako pierwszy przyznał, że transport zanieczyszczeń na duże odległości przekracza granice z Wielkiej Brytanii do Norwegii. Świadomość społeczna dotycząca kwaśnych deszczy w USA wzrosła w latach 70. XX wieku po tym, jak The New York Times opublikował raporty z Lasu Eksperymentalnego Hubbard Brook w New Hampshire na temat szkodliwych skutków dla środowiska, które z tego wynikają.

Sporadyczne odczyty pH w wodzie deszczowej i mgle znacznie poniżej 2,4 odnotowano na obszarach uprzemysłowionych. Przemysłowe kwaśne deszcze stanowią poważny problem w Chinach i Rosji oraz na obszarach położonych za nimi. Wszystkie te obszary spalają węgiel zawierający siarkę w celu wytwarzania ciepła i energii elektrycznej.

Problem kwaśnych deszczy nie tylko zwiększył się wraz z rozwojem populacji i przemysłu, ale stał się bardziej powszechny. Zastosowanie wysokich kominów w celu zmniejszenia lokalnego zanieczyszczenia przyczyniło się do rozprzestrzeniania się kwaśnych deszczy poprzez uwalnianie gazów do regionalnej cyrkulacji atmosferycznej. Często depozycja następuje w znacznej odległości za wiatrem od emisji, przy czym regiony górskie mają tendencję do przyjmowania największej depozycji (z powodu większych opadów). Przykładem tego efektu jest niskie pH deszczu, który pada w Skandynawii .

W Stanach Zjednoczonych

Dźwięk zewnętrzny
Gene Likens 2015 Mariel Carr.JPG
ikona dźwięku „Co się stało z kwaśnym deszczem?” , podcast o destylacji , Science History Institute
Od 1998 r. Uniwersytet Harvarda każdego zimy owija niektóre posągi z brązu i marmuru na swoim kampusie, takie jak ta „ chińska stela ”, wodoodpornymi osłonami, aby chronić je przed korozją powodowaną przez kwaśne deszcze i kwaśny śnieg

Najwcześniejsze doniesienie o kwaśnych deszczach w Stanach Zjednoczonych pochodziło z dowodów chemicznych z Hubbard Brook Valley. W 1972 roku grupa naukowców, w tym Gene Likens, odkryła, że ​​deszcz osadzający się w White Mountains w New Hampshire był kwaśny. Zmierzono pH próbki na 4,03 w Hubbard Brook. Hubbard Brook Ecosystem Study kontynuował serię badań, w których analizowano wpływ kwaśnych deszczy na środowisko. Kwaśny deszcz, który zmieszał się z wodą ze strumienia w Hubbard Brook, został zneutralizowany przez tlenek glinu z gleby. Wyniki tych badań wskazują, że reakcja chemiczna między kwaśnymi deszczami a glinem prowadzi do coraz szybszego wietrzenia gleby. Przeprowadzono badania eksperymentalne w celu zbadania wpływu zwiększonej kwasowości strumieni na gatunki ekologiczne. W 1980 roku grupa naukowców zmodyfikowała kwasowość Norris Brook w New Hampshire i zaobserwowała zmianę zachowań gatunków. Nastąpił spadek różnorodności gatunkowej, wzrost dominujących społeczności i zmniejszenie złożoności sieci pokarmowej .

W 1980 roku Kongres USA uchwalił Ustawę o odkładaniu kwasu . Ustawa ta ustanowiła 18-letni program oceny i badań pod kierunkiem Narodowego Programu Oceny Opady Kwaśnej (NAPAP). NAPAP rozszerzył sieć punktów monitorowania, aby określić, jak kwaśne były opady, starając się określić długoterminowe trendy, i ustanowił sieć suchej depozycji. Wykorzystując statystycznie oparty projekt próbkowania, NAPAP określił ilościowo skutki kwaśnych deszczy na poziomie regionalnym, kierując badania i ankiety w celu zidentyfikowania i określenia ilościowego wpływu kwaśnych opadów na ekosystemy słodkowodne i lądowe. NAPAP ocenił również wpływ kwaśnych deszczy na budynki historyczne, pomniki i materiały budowlane. Sfinansowano również szeroko zakrojone badania procesów atmosferycznych i potencjalne programy kontroli.

Od samego początku orędownicy polityki ze wszystkich stron próbowali wpływać na działania NAPAP, aby wspierać ich konkretne wysiłki na rzecz propagowania polityki lub dyskredytować działania swoich przeciwników. Dla przedsiębiorstwa naukowego rządu USA, znaczący wpływ NAPAP miały wnioski wyciągnięte z procesu oceny i zarządzania badaniami środowiskowymi dla stosunkowo dużej grupy naukowców, kierowników programów i opinii publicznej.

W 1981 roku Narodowa Akademia Nauk zajmowała się badaniami nad kontrowersyjnymi kwestiami dotyczącymi kwaśnych deszczy. Prezydent Ronald Reagan odrzucił kwestię kwaśnych deszczy aż do swojej osobistej wizyty w Kanadzie i potwierdził, że granica kanadyjska cierpi z powodu dryfującego zanieczyszczenia z kominów pochodzących ze Środkowego Zachodu Stanów Zjednoczonych . Reagan uhonorował porozumienie w sprawie egzekwowania przez kanadyjskiego premiera Pierre'a Trudeau przepisów dotyczących przeciwdziałania zanieczyszczeniom. W 1982 roku Reagan zlecił Williamowi Nierenbergowi zasiadanie w Narodowej Radzie Naukowej . Nierenberg wybrał naukowców, w tym Gene Likensa, do udziału w panelu przygotowującym raport na temat kwaśnych deszczów. W 1983 roku panel naukowców opracował projekt raportu, w którym stwierdzono, że kwaśne deszcze to prawdziwy problem i należy szukać rozwiązań . Biuro Polityki Naukowej i Technologicznej Białego Domu zapoznało się z projektem raportu i przesłało sugestie Freda Singera dotyczące raportu, które podają w wątpliwość przyczynę kwaśnych deszczy. Paneliści ujawnili odrzucenia stanowisk Singera i w kwietniu przekazali raport Nierenbergowi. W maju 1983 r. Izba Reprezentantów głosowała przeciwko przepisom mającym na celu kontrolę emisji siarki. Odbyła się debata na temat tego, czy Nierenberg zwlekał z opublikowaniem raportu. Sam Nierenberg zaprzeczył powiedzeniu, że stłumił raport i stwierdził, że raport został wstrzymany po głosowaniu w Izbie, ponieważ nie był gotowy do publikacji.

W 1991 roku amerykański Narodowy Program Oceny Opadów Kwaśnych (NAPAP) przedstawił swoją pierwszą ocenę kwaśnych deszczy w Stanach Zjednoczonych. Poinformowano, że 5% jezior Nowej Anglii miało odczyn kwaśny, przy czym najczęstszym problemem były siarczany. Zauważyli, że 2% jezior nie jest już w stanie utrzymać pstrąga potokowego , a 6% jezior nie nadaje się do przetrwania wielu gatunków strzebli. Kolejne raporty dla Kongresu udokumentowały zmiany chemiczne w ekosystemach glebowych i słodkowodnych, nasycenie azotem, zmniejszenie ilości składników odżywczych w glebie, epizodyczne zakwaszenie, regionalne zamglenie i uszkodzenia zabytków.

Tymczasem w 1990 roku Kongres USA uchwalił serię poprawek do ustawy o czystym powietrzu . W tytule IV tych zmian ustanowiono system limitów i handlu mający na celu kontrolę emisji dwutlenku siarki i tlenków azotu. W tytule IV wezwano do całkowitej redukcji emisji SO 2 z elektrowni o około 10 milionów ton , blisko 50%. Został zrealizowany w dwóch fazach. Faza I rozpoczęła się w 1995 roku i ograniczyła emisje dwutlenku siarki ze 110 największych elektrowni do łącznej sumy 8,7 miliona ton dwutlenku siarki. Jedna elektrownia w Nowej Anglii (Merrimack) była w fazie I. Cztery inne elektrownie (Newington, Mount Tom, Brayton Point i Salem Harbor) zostały dodane w ramach innych postanowień programu. Faza II rozpoczęła się w 2000 roku i dotyczy większości elektrowni w kraju.

W latach 90. badania kontynuowano. 10 marca 2005 r. EPA wydała Międzystanową Zasadę Czystego Powietrza (CAIR). Ta zasada zapewnia państwom rozwiązanie problemu zanieczyszczenia elektrowni, które przenosi się z jednego stanu do drugiego. CAIR na stałe ograniczy emisje SO 2 i NO x we wschodnich Stanach Zjednoczonych. Po pełnym wdrożeniu, CAIR zmniejszy emisje SO 2 w 28 wschodnich stanach i Dystrykcie Kolumbii o ponad 70%, a emisje NO x o ponad 60% w stosunku do poziomów z 2003 roku.

Ogólnie rzecz biorąc, program dotyczący limitów i handlu w ramach programu z powodzeniem osiągnął swoje cele. Od lat 90. emisje SO 2 spadły o 40%, a według Pacific Research Institute poziomy kwaśnych deszczy spadły o 65% od 1976 r. Konwencjonalne przepisy były stosowane w Unii Europejskiej, która odnotowała spadek SO 2 o ponad 70% emisje w tym samym okresie.

W 2007 r. całkowita emisja SO 2 wyniosła 8,9 mln ton, osiągając długoterminowy cel programu przed ustawowym terminem 2010 r.

W 2007 r. EPA oszacowała, że ​​do 2010 r. całkowite koszty dostosowania się do programu dla firm i konsumentów wyniosą od 1 do 2 miliardów dolarów rocznie, czyli tylko jedna czwarta tego, co pierwotnie przewidywano. Forbes mówi: „W 2010 roku, kiedy system limitów i handlu został rozszerzony przez rządową regułę czystego powietrza międzystanowego administracji George'a W. Busha, emisje SO2 spadły do ​​5,1 miliona ton”.

Termin „ nauka obywatelska” wywodzi się ze stycznia 1989 r. z kampanii Towarzystwa Audubon mającej na celu pomiar kwaśnych deszczów. Naukowiec Muki Haklay cytuje w raporcie politycznym dla Wilson Center zatytułowanym „Nauka obywatelska i polityka: perspektywa europejska” pierwsze użycie terminu „nauka obywatelska” przez R. Kersona w magazynie MIT Technology Review ze stycznia 1989 roku. Raport Wilson Center: „Nowa forma zaangażowania w naukę otrzymała nazwę „nauka obywatelska”. Pierwszy odnotowany przykład użycia tego terminu pochodzi z 1989 roku i opisuje, jak 225 ochotników w całych Stanach Zjednoczonych zebrało próbki deszczu, aby pomóc Towarzystwu Audubon w kampania podnosząca świadomość na temat kwaśnych deszczy. Wolontariusze zbierali próbki, sprawdzali kwasowość i zgłaszali się do organizacji. Informacje te zostały następnie wykorzystane do wykazania pełnego zakresu zjawiska.

W Kanadzie

W latach 70. i 80. kwaśne deszcze były głównym tematem badań w Obszarze Jezior Eksperymentalnych (ELA) w północno-zachodnim Ontario w Kanadzie . Naukowcy dodali kwas siarkowy do całych jezior w kontrolowanych eksperymentach ekosystemowych, aby symulować skutki kwaśnych deszczy. Ponieważ jego odległe warunki pozwalały na eksperymenty na całym ekosystemie, badania w ELA wykazały, że wpływ kwaśnych deszczy na populacje ryb zaczynał się od stężeń znacznie niższych niż te obserwowane w eksperymentach laboratoryjnych. W kontekście sieci pokarmowej populacje ryb załamały się wcześniej niż wtedy, gdy kwaśne deszcze miały bezpośredni toksyczny wpływ na ryby, ponieważ kwasowość doprowadziła do załamania populacji ofiar (np. mysidów ). Po zmniejszeniu doświadczalnych ilości kwasu, populacje ryb i ekosystemy jeziorne przynajmniej częściowo odbudowały się, chociaż populacje bezkręgowców wciąż nie powróciły całkowicie do warunków wyjściowych. Badania te wykazały, że zakwaszenie było związane ze zmniejszaniem się populacji ryb oraz że skutki mogą zostać odwrócone, jeśli emisje kwasu siarkowego zmniejszą się i wpłyną na politykę w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych.

W 1985 roku siedem kanadyjskich prowincji (wszystkie z wyjątkiem Kolumbii Brytyjskiej , Alberty i Saskatchewan ) oraz rząd federalny podpisały Program Kwaśnych Deszczów Kanady Wschodniej. Prowincje zgodził się na ograniczenie ich łączna emisja dwutlenku siarki do 2,3 mln ton w roku 1994. Umowy jakości powietrza Kanada-USA została podpisana w roku 1991. W roku 1998, wszystkie federalne, prowincjonalne i terytorialne Ministrowie Energii i Środowiska podpisał Kanada-Szeroki kwas Strategia deszczowa na okres po 2000 r., która została zaprojektowana w celu ochrony jezior, które są bardziej wrażliwe niż te chronione wcześniejszymi zasadami.

Emisje chemikaliów prowadzące do zakwaszenia

Najważniejszym gazem prowadzącym do zakwaszenia jest dwutlenek siarki. Emisje tlenków azotu, które są utleniane do kwasu azotowego, mają coraz większe znaczenie ze względu na bardziej rygorystyczne kontrole emisji związków siarki. 70 Tg(S) rocznie w postaci SO 2 pochodzi ze spalania paliw kopalnych i przemysłu, 2,8 Tg(S) z pożarów , a 7–8 Tg(S) rocznie z wulkanów .

Zjawiska naturalne

Średnie emisje zakwaszające (zanieczyszczenie powietrza) różnych produktów spożywczych na 100g białka
Rodzaje żywności Emisje zakwaszające (g ekwiwalentu SO 2 na 100 g białka)
Wołowina
343,6
Ser
165,5
Mięso wieprzowe
142,7
Jagnięcina i Baranina
139,0
Skorupiaki hodowlane
133,1
Drób
102,4
Ryby hodowlane
65,9
Jajka
53,7
Orzeszki ziemne
22,6
Groszek
8,5
tofu
6,7

Głównymi zjawiskami naturalnymi , które powodują, że gazy wytwarzające kwasy trafiają do atmosfery, są emisje z wulkanów. I tak na przykład fumarole z krateru Laguna Caliente wulkanu Poás wytwarzają wyjątkowo duże ilości kwaśnych deszczy i mgły o kwasowości dochodzącej do pH 2, oczyszczając obszar z wszelkiej roślinności i często powodując podrażnienie oczu i płuc. mieszkańców w pobliskich osadach. Gazy wytwarzające kwasy powstają również w wyniku procesów biologicznych zachodzących na lądzie, na terenach podmokłych i w oceanach . Głównym biologicznym źródłem związków siarki jest siarczek dimetylu .

Kwas azotowy w wodzie deszczowej jest ważnym źródłem związanego azotu dla życia roślin, a także jest wytwarzany przez aktywność elektryczną w atmosferze, taką jak piorun .

W odległych częściach globu wykryto osady kwaśne w lodzie lodowcowym sprzed tysięcy lat.

Gleby lasów iglastych są naturalnie bardzo kwaśne z powodu zrzucania igieł, a skutków tego zjawiska nie należy mylić z kwaśnymi deszczami.

Ludzka aktywność

Opalana węglem elektrownia Gavin w Cheshire w stanie Ohio

Główną przyczyną kwaśnych deszczy są związki siarki i azotu pochodzące od człowieka, takie jak wytwarzanie energii elektrycznej , hodowla zwierząt , fabryki i pojazdy mechaniczne . Wytwarzanie energii elektrycznej z węgla jest jednym z największych czynników przyczyniających się do zanieczyszczenia gazowego odpowiedzialnego za kwaśne deszcze. Gazy mogą być przenoszone przez setki kilometrów w atmosferze, zanim zostaną przekształcone w kwasy i osadzone. W przeszłości fabryki miały krótkie lejki odprowadzające dym, ale lokalnie powodowało to wiele problemów; w ten sposób fabryki mają teraz wyższe lejki do dymu. Jednak rozproszenie z tych wyższych kominów powoduje dalsze przenoszenie zanieczyszczeń, powodując rozległe szkody ekologiczne.

Procesy chemiczne

Spalanie paliw wytwarza dwutlenek siarki i tlenki azotu. Są przekształcane w kwas siarkowy i kwas azotowy.

Chemia fazy gazowej

W fazie gazowej dwutlenek siarki jest utleniany w reakcji z rodnikiem hydroksylowym poprzez reakcję międzycząsteczkową :

SO 2 + OH· → HOSO 2 ·

po którym następuje:

HOSO 2 · + O 2 → HO 2 · + SO 3

W obecności wody trójtlenek siarki (SO 3 ) jest szybko przekształcany w kwas siarkowy :

SO 3 (g) + H 2 O (l) → H 2 SO 4 (roztwór wodny)

Dwutlenek azotu reaguje z OH, tworząc kwas azotowy:

Pokazuje to proces uwalniania zanieczyszczenia powietrza do atmosfery oraz obszary, które zostaną nim dotknięte.
NO 2 + OH· → HNO 3

Chemia w kropelkach chmur

Gdy chmury występuje, współczynnik utraty SO 2 jest większa niż można wyjaśnić za pomocą chemii w fazie gazowej, w spokoju. Wynika to z reakcji w kropelkach ciekłej wody.

Hydroliza

Dwutlenek siarki rozpuszcza się w wodzie, a następnie, podobnie jak dwutlenek węgla, hydrolizuje w szeregu reakcji równowagowych :

SO 2 (g) + H 2 O ⇌ SO 2 -H 2 O
SO 2 ·H 2 O ⇌ H + + HSO 3
HSO 3 ⇌ H + + SO 3 2−
Utlenianie

Istnieje wiele reakcji wodnych, które utleniają siarkę z S( IV ) do S(VI), prowadząc do powstania kwasu siarkowego. Najważniejsze reakcje utleniania zachodzą z ozonem , nadtlenkiem wodoru i tlenem (reakcje z tlenem są katalizowane przez żelazo i mangan w kropelkach chmury).

Kwaśne osadzanie

Mokre osadzanie

Mokre osadzanie kwasów występuje, gdy opady atmosferyczne (deszcz, śnieg itd.) usuwają kwasy z atmosfery i dostarczają je na powierzchnię Ziemi. Może to wynikać z osadzania się kwasów wytworzonych w kroplach deszczu (patrz chemia fazy wodnej powyżej) lub przez wytrącanie usuwające kwasy w chmurach lub pod chmurami. Usuwanie na mokro zarówno gazów, jak i aerozoli ma znaczenie dla mokrego osadzania.

Suche osadzanie

Kwaśne osadzanie następuje również przez osadzanie na sucho przy braku wytrącania. Może to odpowiadać nawet za 20 do 60% całkowitego osadzania kwasu. Dzieje się tak, gdy cząsteczki i gazy przyklejają się do ziemi, roślin lub innych powierzchni.

Niekorzystne skutki

Wykazano, że kwaśne deszcze mają negatywny wpływ na lasy, słodką wodę i glebę, zabijając owady i wodne formy życia, a także powodując uszkodzenia budynków i wpływając na zdrowie ludzi.

Wody powierzchniowe i zwierzęta wodne

Nie wszystkie ryby, skorupiaki lub owady, które jedzą, mogą tolerować taką samą ilość kwasu; na przykład żaby mogą tolerować wodę, która jest bardziej kwaśna (tj. ma niższe pH) niż pstrąg.

Zarówno niższe pH, jak i wyższe stężenia glinu w wodach powierzchniowych, które występują w wyniku kwaśnych deszczy, mogą powodować szkody dla ryb i innych zwierząt wodnych. Przy pH niższym niż 5 większość ikry rybiej nie wykluwa się, a niższe pH może zabić dorosłe ryby. Ponieważ jeziora i rzeki stają się bardziej kwaśne, bioróżnorodność maleje. Kwaśne deszcze wyeliminowały owady i niektóre gatunki ryb, w tym pstrągi potokowe w niektórych jeziorach, strumieniach i strumieniach na obszarach wrażliwych geograficznie, takich jak góry Adirondack w Stanach Zjednoczonych. Jednak stopień, w jakim kwaśne deszcze przyczyniają się bezpośrednio lub pośrednio poprzez spływ ze zlewni do zakwaszenia jezior i rzek (tj. w zależności od cech otaczającego zlewni), jest zmienny. Na stronie internetowej Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) czytamy: „Spośród badanych jezior i strumieni kwaśne deszcze spowodowały zakwaszenie 75% kwaśnych jezior i około 50% kwaśnych strumieni”. Jeziora, w których znajdują się krzemianowe skały podstawne, są bardziej kwaśne niż jeziora w wapieniu lub innych skałach podstawnych o składzie węglanowym (tj. marmurze) ze względu na efekt buforowania przez minerały węglanowe, nawet przy takiej samej ilości kwaśnych deszczy.

Gleby

Biologia i chemia gleby może zostać poważnie uszkodzona przez kwaśne deszcze. Niektóre drobnoustroje nie są w stanie tolerować zmian niskiego pH i są zabijane. Do enzymów tych drobnoustrojów są denaturacji (zmiana kształtu, tak aby nie dłuższy działania) przez kwas. Jony hydroniowe z kwaśnego deszczu mobilizują również toksyny , takie jak glin, i wypłukują niezbędne składniki odżywcze i minerały, takie jak magnez .

2 H + ( glina ) + Mg 2+ (glina) ⇌ 2 H + (glina) + Mg 2+ ( glina )

Chemia gleby może ulec dramatycznej zmianie, gdy kationy zasadowe, takie jak wapń i magnez, są wypłukiwane przez kwaśne deszcze, wpływając tym samym na wrażliwe gatunki, takie jak klon cukrowy ( Acer saccharum ).

Zakwaszenie gleby

Schemat wymywania składników pokarmowych w glebie o wysokim poziomie kwasowości gleby.

Oddziaływania kwaśnej wody i zakwaszenia gleby na rośliny mogą być niewielkie lub w większości przypadków poważne. Większość drobnych przypadków, które nie powodują śmierci roślin, można przypisać mniejszej podatności roślin na warunki kwaśne i/lub mniejszej sile kwaśnego deszczu. Jednak nawet w drobnych przypadkach roślina ostatecznie umrze z powodu kwaśnej wody obniżającej naturalne pH rośliny. Kwaśna woda dostaje się do rośliny i powoduje, że ważne minerały roślinne rozpuszczają się i zostają poniesione; co ostatecznie powoduje, że roślina umiera z powodu braku minerałów do odżywiania. W większych, bardziej ekstremalnych przypadkach dochodzi do tego samego procesu niszczenia, co w mniejszych przypadkach, czyli usuwania niezbędnych minerałów, ale w znacznie szybszym tempie. Podobnie kwaśne deszcze, które padają na glebę i liście roślin, powodują wysuszenie woskowatej naskórka liści, co ostatecznie powoduje szybką utratę wody z rośliny do atmosfery zewnętrznej i ostatecznie prowadzi do śmierci rośliny. Aby zobaczyć, czy roślina jest dotknięta zakwaszeniem gleby, można uważnie obserwować liście rośliny. Jeśli liście są zielone i wyglądają zdrowo, pH gleby jest normalne i akceptowalne dla życia roślin. Ale jeśli liście rośliny żółkną między żyłkami na liściach, oznacza to, że roślina cierpi na zakwaszenie i jest niezdrowa. Ponadto roślina cierpiąca na zakwaszenie gleby nie może fotosyntetyzować; proces wysychania rośliny indukowany kwasem i wodą może niszczyć organelle chloroplastowe. Bez zdolności do fotosyntezy roślina nie może wytwarzać składników odżywczych dla własnego przetrwania ani tlenu dla przetrwania organizmów tlenowych, co wpływa na większość gatunków na Ziemi i ostatecznie kończy cel istnienia rośliny.  

Lasy i inna roślinność

Kwaśne deszcze mogą mieć poważny wpływ na roślinność. Las w Czarnym Trójkącie w Europie.

Niekorzystne skutki mogą być pośrednio związane z kwaśnymi deszczami, jak wpływ kwasu na glebę (patrz wyżej) lub wysokie stężenie gazowych prekursorów kwaśnych deszczy. Lasy położone na dużych wysokościach są szczególnie wrażliwe, ponieważ często są otoczone chmurami i mgłą, która jest bardziej kwaśna niż deszcz.

Inne rośliny również mogą zostać uszkodzone przez kwaśne deszcze, ale wpływ na uprawy roślin spożywczych jest minimalizowany przez stosowanie wapna i nawozów w celu uzupełnienia utraconych składników odżywczych. Na obszarach uprawnych można również dodać wapień, aby zwiększyć zdolność gleby do utrzymywania stabilnego pH, ale ta taktyka jest w dużej mierze bezużyteczna w przypadku obszarów dzikich. Kiedy wapń jest wypłukiwany z igieł świerka czerwonego, drzewa te stają się mniej odporne na zimno i doznają urazów zimowych, a nawet śmierci.

zakwaszenie oceanu

Kwaśne deszcze mają znacznie mniej szkodliwy wpływ na oceany w skali globalnej, ale wywierają wzmocniony wpływ na płytszych wodach wód przybrzeżnych. Kwaśne deszcze mogą powodować spadek pH oceanu , co jest znane jako zakwaszenie oceanu , co utrudnia różnym gatunkom przybrzeżnym tworzenie egzoszkieletów , których potrzebują do przetrwania. Te gatunki przybrzeżne łączą się ze sobą w ramach łańcucha pokarmowego oceanu, a ponieważ nie są źródłem, z którego mogą żywić się inne organizmy morskie, umrze więcej organizmów morskich. Szkielet wapienny korala jest szczególnie wrażliwy na spadek pH, ponieważ węglan wapnia , składnik rdzenia szkieletu wapienia, rozpuszcza się w roztworach kwaśnych (o niskim pH).

Oprócz zakwaszenia, nadmiar azotu z atmosfery sprzyja zwiększonemu wzrostowi fitoplanktonu i innych roślin morskich, co z kolei może powodować częstsze szkodliwe zakwity glonów i eutrofizację (tworzenie ubogich w tlen „martwych stref”) w niektórych częściach oceanu.

Wpływ na zdrowie człowieka

Kwaśny deszcz nie wpływa bezpośrednio na zdrowie człowieka. Kwas w wodzie deszczowej jest zbyt rozcieńczony, aby mieć bezpośrednie negatywne skutki. Cząstki stałe odpowiedzialne za kwaśne deszcze (dwutlenek siarki i tlenki azotu) mają negatywny wpływ. Zwiększone ilości drobnego pyłu zawieszonego w powietrzu przyczyniają się do problemów z sercem i płucami, w tym astmy i zapalenia oskrzeli .

Inne negatywne skutki

Wpływ kwaśnego deszczu na posągi
Kwaśne deszcze i wietrzenie

Kwaśne deszcze mogą uszkodzić budynki, zabytki i posągi, zwłaszcza te wykonane ze skał, takich jak wapień i marmur , które zawierają duże ilości węglanu wapnia. Kwasy w deszczu reagują ze związkami wapnia zawartymi w kamieniach, tworząc gips, który następnie odpada.

CaCO 3 (s) + H 2 SO 4 (aq) ⇌ CaSO 4 (s) + CO 2 (g) + H 2 O (l)

Skutki tego są powszechnie widoczne na starych nagrobkach, gdzie kwaśne deszcze mogą spowodować, że napisy staną się całkowicie nieczytelne. Kwaśny deszcz zwiększa również szybkość korozji metali, w szczególności żelaza , stali , miedzi i brązu .

Dotknięte obszary

Miejsca, w których kwaśne deszcze mają duży wpływ na całym świecie, obejmują większość wschodniej Europy od Polski na północ do Skandynawii, wschodnią trzecią część Stanów Zjednoczonych i południowo-wschodnią Kanadę . Inne dotknięte obszary obejmują południowo-wschodnie wybrzeże Chin i Tajwan .

Metody zapobiegania

Rozwiązania techniczne

Wiele elektrowni węglowych stosuje odsiarczanie gazów spalinowych (FGD) do usuwania gazów zawierających siarkę z gazów kominowych. W typowej elektrowni opalanej węglem IOS usunie 95% lub więcej SO 2 ze spalin. Przykładem FGD jest mokra płuczka, która jest powszechnie stosowana. Mokra płuczka to w zasadzie wieża reakcyjna wyposażona w wentylator, który wyciąga gorące gazy z komina z elektrowni do wieży. Do wieży wtryskuje się również wapno lub kamień wapienny w postaci zawiesiny, aby zmieszać się z gazami kominowymi i połączyć z obecnym dwutlenkiem siarki. Węglan wapnia z wapienia wytwarza siarczan wapnia o neutralnym pH, który jest fizycznie usuwany z płuczki. Oznacza to, że skruber zamienia zanieczyszczenia siarką w siarczany przemysłowe.

W niektórych obszarach siarczany są sprzedawane firmom chemicznym jako gips, gdy czystość siarczanu wapnia jest wysoka. W innych trafiają na składowiska . Skutki kwaśnych deszczy mogą trwać przez pokolenia, ponieważ zmiany poziomu pH mogą stymulować dalsze wypłukiwanie niepożądanych substancji chemicznych do nieskazitelnych źródeł wody, zabijając wrażliwe gatunki owadów i ryb oraz blokując wysiłki na rzecz przywrócenia rodzimego życia.

Spalanie w złożu fluidalnym zmniejsza również ilość siarki emitowanej przy produkcji energii.

Kontrola emisji z pojazdów zmniejsza emisje tlenków azotu z pojazdów silnikowych.

Umowy międzynarodowe

Uzgodniono traktaty międzynarodowe dotyczące przenoszenia zanieczyszczeń atmosferycznych na dalekie odległości, na przykład Protokół Helsiński z 1985 r. w sprawie redukcji emisji siarki w ramach Konwencji o transgranicznym zanieczyszczaniu powietrza na dalekie odległości . Kanada i USA podpisały umowę o jakości powietrza w 1991 roku. Większość krajów europejskich i Kanada podpisały traktaty.

Handel emisjami

W tym systemie regulacyjnym każdy obecny zakład zanieczyszczający otrzymuje lub może nabyć na wolnym rynku przydział emisji dla każdej jednostki wyznaczonego zanieczyszczenia, które emituje. Operatorzy mogą następnie zainstalować sprzęt do kontroli zanieczyszczeń i sprzedać część swoich uprawnień do emisji, których już nie potrzebują do prowadzenia własnej działalności, odzyskując w ten sposób część kosztów kapitałowych swojej inwestycji w taki sprzęt. Intencją jest zapewnienie operatorom bodźców ekonomicznych do instalowania kontroli zanieczyszczeń.

Pierwszy rynek handlu uprawnieniami do emisji powstał w Stanach Zjednoczonych wraz z uchwaleniem nowelizacji ustawy o czystym powietrzu z 1990 roku . Ogólnym celem Programu Kwaśnych Deszczów ustanowionego ustawą jest osiągnięcie znaczących korzyści środowiskowych i zdrowotnych poprzez redukcję emisji dwutlenku siarki (SO 2 ) i tlenków azotu (NO x ), głównych przyczyn kwaśnych deszczy. Aby osiągnąć ten cel jak najniższym kosztem dla społeczeństwa, program wykorzystuje podejście regulacyjne i rynkowe do kontroli zanieczyszczenia powietrza.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki