Procesy związane z osadzaniem się kwasów. Zauważ, że wśród przedstawionych zanieczyszczeń atmosferycznych, tylko dwutlenek siarki (SO2) i tlenki azotu (NOx) odgrywają znaczącą rolę w kwaśnych deszczach.

Termin kwaśny deszcz jest powszechnie używany do określenia osadzania się kwaśnych składników w deszczu, śniegu, mgle, rosie lub suchych cząstkach. Dokładniejszym terminem jest kwaśny opad atmosferyczny. „Czysty” lub niezanieczyszczony deszcz jest lekko kwaśny, ponieważ dwutlenek węgla i woda w powietrzu reagują ze sobą tworząc kwas węglowy, słaby kwas. Deszcz nabiera dodatkowej kwasowości w wyniku reakcji zanieczyszczeń powietrza (głównie tlenków siarki i azotu) z wodą zawartą w powietrzu, tworząc silne kwasy (takie jak kwas siarkowy i azotowy). Głównymi źródłami tych zanieczyszczeń są emisje z pojazdów, zakładów przemysłowych i elektrowni.

Kwaśne deszcze mają negatywny wpływ na lasy, wodę słodką i gleby, zabijając owady i formy życia wodnego. Uszkadza również budynki i posągi, a także może negatywnie wpływać na zdrowie ludzi. Problemy te, które nasiliły się wraz z rozwojem populacji i przemysłu, są rozwiązywane poprzez stosowanie urządzeń do kontroli zanieczyszczeń, które zmniejszają emisję tlenków siarki i azotu.

Historia

Kwaśny deszcz został po raz pierwszy zaobserwowany przez Roberta Angusa Smitha w Manchesterze w Anglii. W 1852 roku zgłosił on związek między kwaśnymi deszczami a zanieczyszczeniem atmosfery. Jednak dopiero pod koniec lat 60. naukowcy zaczęli szeroko obserwować i badać to zjawisko. Harold Harvey z Kanady był jednym z pierwszych, który badał „martwe” jezioro. W Stanach Zjednoczonych świadomość społeczna problemu wzrosła w latach 90-tych, po tym jak New York Times rozpowszechnił raporty z Lasu Doświadczalnego Hubbard Brook w New Hampshire o niezliczonych szkodliwych skutkach środowiskowych wynikających z kwaśnych deszczy.

Od czasu rewolucji przemysłowej wzrosła emisja tlenków siarki i azotu do atmosfery. Obiekty przemysłowe i wytwarzające energię, które spalają paliwa kopalne, głównie węgiel, są głównymi źródłami zwiększonej emisji tlenków siarki.

Emisje związków chemicznych prowadzących do zakwaszenia

Najbardziej znaczącym gazem prowadzącym do zakwaszenia wód deszczowych jest dwutlenek siarki (SO2). Ponadto, emisje tlenków azotu, które utleniają się tworząc kwas azotowy, mają coraz większe znaczenie ze względu na bardziej rygorystyczne kontrole emisji związków zawierających siarkę. Oszacowano, że około 70 Tg(S) rocznie w postaci SO2 pochodzi ze spalania paliw kopalnych i przemysłu, 2,8 Tg(S) rocznie pochodzi z dzikich pożarów, a 7-8 Tg(S) rocznie pochodzi z wulkanów.

Działalność człowieka

Opalana węglem elektrownia Gavin w Cheshire, Ohio.

Związki siarki i azotu są głównymi przyczynami kwaśnych deszczy. Wiele z nich jest generowanych przez działalność człowieka, taką jak produkcja energii elektrycznej, fabryki i pojazdy silnikowe. Elektrownie węglowe należą do najbardziej zanieczyszczających środowisko. Gazy mogą być przenoszone setki kilometrów w atmosferze, zanim zostaną przekształcone w kwasy i osadzone.

Fabryki miały kiedyś krótkie kominy do uwalniania dymu, ale ponieważ zanieczyszczały powietrze w pobliskich miejscowościach, fabryki mają teraz wysokie kominy. Problem z tym „rozwiązaniem” polega na tym, że te zanieczyszczenia są przenoszone daleko, uwalniając gazy do regionalnej cyrkulacji atmosferycznej i przyczyniając się do rozprzestrzeniania kwaśnych deszczy. Często depozycja występuje w znacznych odległościach pod wiatr od emisji, przy czym regiony górskie otrzymują jej najwięcej (z powodu większych opadów). Przykładem tego efektu jest niskie pH deszczu (w porównaniu z lokalnymi emisjami), który spada w Skandynawii.

Chemia w kroplach chmur

Gdy chmury są obecne, tempo utraty SO2 jest szybsze niż może być wyjaśnione tylko przez chemię fazy gazowej. Wynika to z reakcji zachodzących w kroplach ciekłej wody.

Hydroliza

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

SO2 (g) + H2O ⇌ SO2-H2O SO2-H2O ⇌ H++HSO3- HSO3- ⇌ H++SO32- Utlenianie

Wiele reakcji wodnych utlenia siarkę z S(IV) do S(VI), prowadząc do powstania kwasu siarkowego. Najważniejszymi reakcjami utleniania są reakcje z ozonem, nadtlenkiem wodoru i tlenem. (Reakcje z tlenem są katalizowane przez żelazo i mangan w kroplach chmur).

Odkładanie kwasów

Odkładanie mokre

Odkładanie mokre kwasów występuje, gdy jakakolwiek forma opadu (deszcz, śnieg, i tak dalej) usuwa kwasy z atmosfery i dostarcza je na powierzchnię Ziemi. Może to wynikać z osadzania się kwasów produkowanych w kroplach deszczu (patrz chemia fazy wodnej powyżej) lub przez opady usuwające kwasy w chmurach lub pod chmurami. Mokre usuwanie zarówno gazów jak i aerozolu ma znaczenie dla mokrej depozycji.

Sucha depozycja

Depozycja kwasów występuje również poprzez suchą depozycję przy braku opadów. Może to być odpowiedzialne nawet za 20-60 procent całkowitej depozycji kwasów. Dzieje się tak, gdy cząsteczki i gazy przylegają do ziemi, roślin lub innych powierzchni.

Skutki uboczne

Wykres przedstawiający różne poziomy kwasowości wody tolerowane przez różne gatunki.

Wody powierzchniowe i zwierzęta wodne

Zarówno niższe pH, jak i wyższe stężenia glinu w wodach powierzchniowych, które występują w wyniku kwaśnych deszczy, mogą powodować uszkodzenia ryb i innych zwierząt wodnych. Przy poziomie pH niższym niż 5, większość rybich jaj nie będzie się wylęgać, a niższe poziomy pH mogą zabić dorosłe ryby. W miarę jak jeziora stają się coraz bardziej kwaśne, zmniejsza się ich bioróżnorodność. Odbyła się pewna debata na temat stopnia, w jakim spowodowane przez człowieka przyczyny zakwaszenia jezior spowodowały śmierć ryb – na przykład Edward Krug stwierdził, że kwaśne deszcze były uciążliwością środowiskową, a nie katastrofą, a nawet, że kwaśne deszcze mogą nie być przyczyną zakwaszenia jezior.

Gleby

Biologia gleby może być poważnie uszkodzona przez kwaśne deszcze. Niektóre tropikalne mikroby mogą szybko zużywać kwasy, ale inne mikroby nie są w stanie tolerować niskiego poziomu pH i są zabijane. Enzymy tych mikrobów są denaturowane (zmieniają kształt, więc już nie działają) przez kwas. Kwaśne deszcze usuwają również minerały i składniki odżywcze z gleby, które są potrzebne drzewom do wzrostu.

Lasy i inna roślinność

Wpływ kwaśnych deszczy na zalesiony obszar Gór Izerskich, Republika Czeska.

Kwaśne deszcze mogą spowolnić wzrost lasów, spowodować, że liście i igły staną się brązowe, odpadną i obumrą. W skrajnych przypadkach mogą obumierać drzewa lub całe hektary lasu. Śmierć drzew nie jest zwykle bezpośrednim skutkiem kwaśnych deszczy, ale często osłabia drzewa i czyni je bardziej podatnymi na inne zagrożenia. Uszkodzenia gleby (wspomniane powyżej) również mogą powodować problemy. Lasy położone na dużych wysokościach są szczególnie narażone, ponieważ często otaczają je chmury i mgły, które są bardziej kwaśne niż deszcz.

Kwaśne deszcze mogą również uszkadzać inne rośliny, ale wpływ na uprawy żywności jest minimalizowany przez stosowanie nawozów zastępujących utracone składniki odżywcze. W obszarach uprawnych można również dodać wapień, aby zwiększyć zdolność gleby do utrzymania stabilnego pH, ale ta taktyka jest w dużej mierze bezużyteczna w przypadku dzikich terenów. Kwaśny deszcz uszczupla minerały z gleby, a następnie hamuje wzrost roślin.

Zdrowie człowieka

Niektórzy naukowcy zasugerowali bezpośrednie powiązania ze zdrowiem człowieka, ale żadne z nich nie zostało udowodnione. Wykazano jednak, że drobne cząstki, których duża część powstaje z tych samych gazów, co kwaśne deszcze (dwutlenek siarki i dwutlenek azotu), powodują problemy z funkcjonowaniem serca i płuc.

Inne niekorzystne skutki

Posągi są uszkadzane przez kwaśne deszcze.

Kwaśne deszcze mogą również powodować uszkodzenia niektórych materiałów budowlanych i zabytków historycznych. Dzieje się tak, ponieważ kwas siarkowy w deszczu chemicznie reaguje ze związkami wapnia w kamieniach (wapień, piaskowiec, marmur i granit) tworząc gips, który następnie się łuszczy. Jest to również powszechnie widoczne na starych nagrobkach, gdzie kwaśny deszcz może spowodować, że napisy staną się całkowicie nieczytelne. Kwaśne deszcze powodują również zwiększone tempo utleniania żelaza, powodując uszkodzenia konstrukcji metalowych i pomników.

Metody zapobiegania

Rozwiązania technologiczne

W Stanach Zjednoczonych i różnych innych krajach wiele elektrowni spalających węgiel stosuje odsiarczanie gazów spalinowych (FGD) w celu usunięcia gazów zawierających siarkę z gazów kominowych. Przykładem FGD jest płuczka mokra, która jest w zasadzie wieżą reakcyjną wyposażoną w wentylator, który przepuszcza przez nią gorące gazy spalinowe. Wapno lub wapień w postaci zawiesiny jest również wstrzykiwany do wieży, aby zmieszać się z gazami kominowymi i połączyć się z obecnym w nich dwutlenkiem siarki. Węglan wapnia zawarty w wapieniu wytwarza siarczan wapnia o neutralnym pH, który jest fizycznie usuwany z płuczki. Innymi słowy, płuczka zamienia zanieczyszczenia siarkowe w siarczany przemysłowe.

W niektórych obszarach, siarczany są sprzedawane firmom chemicznym jako gips, gdy czystość siarczanu wapnia jest wysoka. W innych, są one umieszczane na wysypiskach śmieci. Jednakże skutki kwaśnych deszczy mogą trwać przez pokolenia, ponieważ skutki zmiany poziomu pH mogą stymulować ciągłe wypłukiwanie niepożądanych substancji chemicznych do skądinąd dziewiczych źródeł wody, zabijając wrażliwe gatunki owadów i ryb oraz blokując wysiłki zmierzające do przywrócenia rodzimego życia.

Traktaty międzynarodowe

Podpisano szereg traktatów międzynarodowych dotyczących transportu zanieczyszczeń atmosferycznych na dalekie odległości. Jednym z przykładów jest Protokół o ograniczeniu emisji siarki w ramach Konwencji w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości.

Handel emisjami

Najnowszy system regulacyjny obejmuje handel emisjami. W tym systemie, każdy obecnie zanieczyszczający obiekt otrzymuje licencję na emisję, która staje się częścią wyposażenia kapitałowego. Operatorzy mogą następnie zainstalować sprzęt do kontroli zanieczyszczeń i sprzedać części swoich licencji na emisje. Intencją jest tu zapewnienie operatorom bodźców ekonomicznych do zainstalowania kontroli zanieczyszczeń.

Zobacz także

• Inżynieria środowiska
• Dwutlenek azotu
• Dwutlenek siarki

Wskazówki

• McCormick, John. Acid Earth: The Global Threat of Acid Pollution (Globalne zagrożenie kwaśnym zanieczyszczeniem). Londyn, Wielka Brytania: Earthscan, 1989. ISBN 185383033X
• Morgan, Sally, and Jenny Vaughan. Acid Rain (Earth SOS). Londyn, Wielka Brytania: Franklin Watts Ltd., 2007. ISBN 0749676728
• Parks, Peggy J Our Environment – Acid Rain (Our Environment). Farmington Hills, MI: KidHaven Press (Thomson Gale), 2005. ISBN 0737726288
• Singh, Hanwant B. (ed.). Skład Chemia i Klimat Atmosfery. Wiley, 1995. ISBN 978-0471285144

All links retrieved November 3, 2019.

• National Acid Precipitation Assessment Program Report – 98-stronicowy raport dla Kongresu.
• Kwaśny deszcz dla szkół.
• U.S. Environmental Protection Agency – Acid Rain
• U.S. Geological Survey – What is acid rain?