KWAŚNE DESZCZE: JAK POWSTAJE, SKŁAD, REAKCJE I SKUTKI - ŚRODOWISKO - 2026

Kwaśny deszcz jest mokra lub sucha wytrącanie substancji wytwarzających pH poniżej 5,6. Opad ten może być mokry (rozcieńczony w wodzie deszczowej) lub suchy (osadzanie się cząstek stałych lub aerozolu).

Termin „kwaśny deszcz” został po raz pierwszy zaproponowany przez angielskiego badacza Roberta Angusa Smitha w 1850 r., W środku rewolucji przemysłowej. Najliczniejsze kwasy, które powstają w atmosferze to azotowy i siarkowy w wyniku utleniania naturalnych lub sztucznych zanieczyszczeń.

Mapa kwaśnych deszczy. Źródło: Alfredsito94

Najbardziej istotnymi zanieczyszczeniami są tlenki: NO2, NO3, SO2, których naturalnymi źródłami są erupcje wulkanów, pożary lasów i degradacja bakteryjna. Sztuczne źródła to emisje gazów wynikające ze spalania paliw kopalnych (działalność przemysłowa i ruch samochodowy).

Kwaśne deszcze powodują negatywne skutki dla środowiska, takie jak zakwaszenie gleb i wód, wpływając na istoty żywe, w tym ludzi. Gleby i woda są również zanieczyszczone metalami ciężkimi, aw zbiornikach wodnych dochodzi do eutrofizacji.

Na poziomie wegetacji następuje bezpośrednie uszkodzenie liści, co wpływa na wzrost roślin. Ponadto zakwaszenie gleby unieruchamia składniki pokarmowe i wpływa na mikoryzę (grzyby glebowe). Podobnie budynki, maszyny, pomniki i dzieła sztuki narażone na działanie czynników atmosferycznych są silnie zardzewiałe lub ulegają erozji pod wpływem wytrąconych kwasów.

Aby zaradzić skutkom kwaśnych deszczy, można podjąć pewne niezbędne środki, takie jak ochrona zabytków i korygowanie zakwaszenia gleb i wód. Jednak podstawowym rozwiązaniem problemu kwaśnych deszczy jest ograniczenie emisji do atmosfery związków chemicznych, które są prekursorami powstawania kwasów.

Jak powstaje kwaśny deszcz?

Kwaśna mgła spowodowana emisjami SO2 z rafinerii PDVSA na Curaçao. Źródło: HdeK

Prekursory chemiczne

Zjawisko kwaśnych deszczy zaczyna się od emisji do atmosfery związków chemicznych, które są prekursorami powstawania kwasów. Te związki mogą być emitowane ze źródeł naturalnych lub sztucznych.

Źródła naturalne obejmują erupcje wulkanów, pożary roślinności i emisje oceaniczne. Jako sztuczne źródła działają emisje przemysłowe, emisje z pojazdów silnikowych spalinowych lub spalanie odpadów.

Źródła te emitują różne związki, które mogą generować kwasy w atmosferze. Najważniejsze są jednak tlenki azotu i tlenki siarki.

Tlenki azotu są znane jako NOx i obejmują dwutlenek azotu (NO2) i podtlenek azotu (NO). Z kolei tlenek siarki to SO2 lub dwutlenek siarki.

Proces troposferyczny i wytwarzane kwasy

Zjawisko kwaśnych deszczy występuje w troposferze (strefie atmosferycznej rozciągającej się od powierzchni ziemi na wysokość 16 km).

W troposferze prądy powietrzne mogą przenosić te związki na dowolną część planety, co czyni go problemem globalnym. W tym procesie tlenki azotu i siarki oddziałują z innymi związkami, tworząc odpowiednio kwas azotowy i siarkowy.

Wsparcie reakcji

Reakcje chemiczne można przeprowadzać na stałych cząstkach w zawiesinie lub w kroplach wody w zawiesinie.

Kwas azotowy powstaje głównie w fazie gazowej ze względu na małą rozpuszczalność w wodzie. Ze swojej strony kwas siarkowy jest lepiej rozpuszczalny w wodzie, będąc głównym składnikiem kwaśnych deszczy.

Kwas azotowy

Przy tworzeniu kwasu azotowego (HNO3) tlenki azotu reagują z wodą, z rodnikami takimi jak OH (w mniejszym stopniu z HO2 i CH3O2) lub z ozonem troposferycznym (O3).

Kwas Siarkowy

W przypadku produkcji kwasu siarkowego (H2SO4) biorą udział także rodniki OH, HO2, CH3O2, woda i ozon. Dodatkowo może powstać w reakcji z nadtlenkiem wodoru (H2O2) i różnymi tlenkami metali.

Kwas węglowy

H2CO3 powstaje w wyniku fotochemicznej reakcji dwutlenku węgla z wodą atmosferyczną.

Kwas chlorowodorowy

HCl stanowi tylko 2% kwaśnych deszczy, a jego prekursorem jest chlorek metylu (ClCH3). Związek ten pochodzi z oceanów i jest utleniany przez rodniki OH, tworząc kwas solny.

Opad atmosferyczny

Po utworzeniu się kwaśnych związków (kwas azotowy lub siarkowy oraz w mniejszym stopniu kwas solny) wytrącają się.

Wytrącanie może następować przez osadzanie zawieszonych cząstek, w których reakcja zakwaszania miała miejsce w fazie gazowej. Innym sposobem jest wytrącanie się skroplonej wody podczas deszczu, w którym powstały kwasy.

Kompozycja

Naturalna kwasowość deszczu jest bliska pH 5,6, chociaż na niektórych niezanieczyszczonych obszarach wartości pH sięgają 5. Te niskie wartości pH są związane z obecnością kwasów pochodzenia naturalnego.

Uważa się, że w zależności od poziomu pH deszcz można podzielić na:

a) lekko kwaśne (pH między 4,7 a 5,6)
b) średnio kwaśne (pH między 4,3 a 4,7)
c) silnie kwaśne (pH mniejsze lub równe 4,3).

Jeśli stężenie deszczu wynosi> 1,3 mg / l dla azotanów i> 3 mg / l dla siarczanów, zanieczyszczenie uważa się za duże.

Kwaśne deszcze w ponad dwóch trzecich przypadków są spowodowane obecnością kwasu siarkowego, a następnie kwasu azotowego. Inne składniki, które mogą przyczyniać się do zakwaszenia deszczu, to kwas solny i kwas węglowy.

Reakcje chemiczne kwaśnych deszczy

Tworzenie kwasu siarkowego (H2SO4)

Wytwarzanie kwasu siarkowego może następować w fazie gazowej lub w fazie ciekłej.

Faza gazowa

Tylko 3 do 4% SO2 jest utleniane w fazie gazowej, tworząc kwas siarkowy. Istnieje wiele dróg powstawania kwasu siarkowego z prekursorów gazowych, tutaj pokazano reakcję SO2 z ozonem troposferycznym.

Reakcja przebiega w dwóch etapach:

1.- Dwutlenek siarki reaguje z ozonem troposferycznym, wytwarzając trójtlenek siarki i uwalniając tlen.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Następnie trójtlenek siarki utlenia się z parą wodną i wytwarza kwas siarkowy.

SO3 + H2O = H2SO4

Faza ciekła

W kroplach wody, które utworzą deszcz, kwas siarkowy można wytwarzać na kilka sposobów:

1.- SO2 rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas siarkowy, utleniany przez nadtlenek wodoru:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- Mechanizm fotokatalityczny: W tym przypadku cząsteczki tlenków metali (żelazo, cynk, tytan) są aktywowane pod wpływem światła słonecznego (aktywacja fotochemiczna) i utleniają SO2 wytwarzając kwas siarkowy.

Tworzenie kwasu azotowego (HNO3)

Ozon troposferyczny O3 powoduje przemianę NO2 w HNO3 w trzystopniowym procesie:

1. - NO2 + O3 = NO3 + O2
2. - NO3 + NO2 = N2O5
3. - N2O5 + H2O = 2HNO3

Skutki dla środowiska

Wpływ kwaśnych deszczy w lesie w Górach Izerskich w Czechach. Źródło: Lovecz

Zakwaszenie gleb i jego wpływ na roślinność

Wpływ kwaśnych deszczy na glebę jest różny w zależności od jej składu. Na przykład gleby pochodzenia wapiennego, bazaltowego i magmowego mają większą zdolność neutralizowania kwasowości.

Ze swojej strony gleby bogate w kwarc jako materiał obojętny nie są w stanie regulować zawartości kwasu. Tak więc w glebach, w których kwaśne deszcze zwiększają kwasowość, jony metali, które są toksyczne dla roślin i zwierząt, są uwalniane i odprowadzane.

Istotnym przypadkiem jest rozpuszczanie glinokrzemianów, które uwalniają jony glinu bardzo szkodliwe dla roślinności.

Ogólnie zakwaszenie gleby obniża dostępność składników pokarmowych dla roślin. Dodatkowo sprzyja uwalnianiu i przemywaniu wapnia, który powoduje niedobory u roślin.

Wpływ na warstwy wodonośne i zdrowie ludzi

W większości przypadków kwaśny deszcz nie wygląda ani smakuje inaczej niż zwykły deszcz, ani też nie wywołuje wrażeń na skórze. Jego wpływ na zdrowie człowieka jest pośredni i rzadko powoduje uszkodzenia skóry z powodu ekstremalnej kwasowości.

Jednym z problemów związanych z kwaśnymi deszczami jest to, że obniżenie wartości pH poniżej 5 powoduje uwalnianie i odprowadzanie metali ciężkich. Te zanieczyszczenia, takie jak aluminium i kadm, mogą dostać się do podziemnych warstw wodonośnych.

Jeśli woda z tych zanieczyszczonych warstw wodonośnych trafi do studni wykorzystywanych do spożycia przez ludzi, może to spowodować poważne szkody zdrowotne.

Zniszczenie budynków, zabytków i materiałów

Rzygacz uszkodzony przez kwaśne deszcze. Źródło: Nino Barbieri

Kamienie wapienne

Konstrukcje, pomniki i rzeźby wykonane z wapienia lub marmuru są silnie narażone na kwaśne deszcze. Jest to dość poważne, ponieważ wiele historycznych budynków i dzieł sztuki jest zbudowanych z tych materiałów.

W przypadku wapienia kwaśne deszcze powodują rozpuszczanie się wapienia i rekrystalizację kalcytu. Ta rekrystalizacja tworzy białawe odcienie na powierzchni.

W specyficznym przypadku deszczu z kwasem siarkowym występuje zjawisko zasiarczenia. W wyniku tego procesu powierzchnia skały jest przekształcana w gips i uwalnia się CO2.

Marmur, choć bardziej odporny, jest również podatny na kwaśne deszcze. W tym przypadku następuje złuszczanie kamienia, dlatego odrywają się jego powierzchowne warstwy.

Inne materiały niekorozyjne

W niektórych budynkach pogorszenie konstrukcji jest niewielkie, ale ma również negatywne skutki. Na przykład osady suchego kwasu brudzą ściany, zwiększając w ten sposób koszty konserwacji.

Metale

Kwaśne deszcze powodują korozję metali w wyniku zjawiska utleniania. Powoduje to ogromne straty ekonomiczne, ponieważ poważnie wpływa to na konstrukcje, wyposażenie, maszyny i pojazdy z częściami metalowymi.

Flora i fauna

Ryby zabite przez kwaśne deszcze. Źródło: United States Fish and Wildlife Service.

Kwaśne deszcze modyfikują naturalną równowagę ekosystemów wodnych i lądowych.

Rośliny i zwierzęta w lentycznych zbiornikach wodnych

Stoczniowe zbiorniki wodne są bardziej podatne na zakwaszenie, ponieważ są zamkniętymi ekosystemami. Ponadto gromadzenie się kwasów w wodzie ma negatywny wpływ na życie w niej żyjące.

Inną konsekwencją zakwaszenia jest wytrącanie azotanów przez deszcz, co powoduje eutrofizację zbiorników wodnych. Nadmiar składników odżywczych zmniejsza ilość dostępnego tlenu i niekorzystnie wpływa na przeżycie zwierząt wodnych.

Innym pośrednim negatywnym skutkiem jest porywanie jonów metali ciężkich ze środowiska lądowego do zbiorników wodnych. Jony te są uwalniane do gleby w wyniku działania jonów hydroniowych, gdy wzrasta kwasowość.

Roślinność i dostępność składników odżywczych

Najpoważniejszymi problemami spowodowanymi zakwaszeniem gleby są unieruchomienie niezbędnych składników odżywczych i wzrost zawartości metali toksycznych.

Na przykład aluminium i magnez są uwalniane z cząstek gleby poprzez zastąpienie ich wodorem. Aluminium wpływa na strukturę i funkcję korzeni oraz ogranicza wchłanianie niezbędnego dla roślin wapnia.

Z drugiej strony zakwaszenie gleby powoduje uszkodzenia mikoryz (grzybów korzeniowych), które są istotne dla dynamiki lasu.

Bezpośrednie uszkodzenie roślin i zwierząt

Kwas siarkowy powoduje bezpośrednie uszkodzenie liści przez degradację chlorofilu i wytwarzanie chlorozy (żółknięcie liści). U niektórych gatunków zmniejsza się wzrost i produkcja nasion zdolnych do życia.

Na działanie kwaśności wody szczególnie narażone są płazy (żaby i ropuchy). Niektóre uszkodzenia to obrażenia bezpośrednie i zmniejszona ochrona przed patogenami (zwłaszcza grzybami skórnymi).

Rozwiązania

Zmniejsz emisje

Najważniejsze w przypadku kwaśnych deszczy jest ograniczenie emisji prekursorów kwasów do środowiska. Najważniejsze z nich to tlenki siarki i azotu.

Stwarza to jednak pewne trudności, ponieważ pociąga za sobą wpływ na interesy gospodarcze i rozwojowe przedsiębiorstw i krajów. Na przykład jednym z głównych źródeł dwutlenku siarki jest spalanie węgla, który stanowi ponad 70% energii w Chinach.

Istnieje kilka alternatyw technologicznych, które mogą pomóc w ograniczeniu emisji. Na przykład w przemyśle tak zwane „złoża fluidalne” zawierają absorbenty (wapień lub dolomit), które zatrzymują SO2. W przypadku pojazdów silnikowych i ogólnie silników spalinowych, konwertery katalityczne również pomagają zmniejszyć emisję SO2.

Z drugiej strony, niektóre kraje wdrażają specjalne programy mające na celu ograniczenie kwaśnych deszczy. Na przykład Stany Zjednoczone opracowały National Acid Precipitation Assessment Program (NAPAP). Jednym z działań rozważanych w KPRU jest wdrożenie paliw o niskiej zawartości siarki.

Innym możliwym środkiem jest zastąpienie floty pojazdów samochodami elektrycznymi, aby ograniczyć zarówno kwaśne deszcze, jak i globalne ocieplenie. Jednak chociaż istnieje technologia umożliwiająca osiągnięcie tego celu, presja ze strony przemysłu motoryzacyjnego i naftowego opóźniła podjęcie decyzji w tej sprawie. Inne czynniki, które mają na to wpływ, to elementy kulturowe związane z przewidywaną prędkością, jaką pojazd ma osiągnąć.

Zastosuj środki korygujące kwasowość

W niektórych przypadkach pH gleby i wód można zwiększyć przez dodanie alkaliów, na przykład przez dodanie dużych ilości wapna. Jednak taka praktyka nie jest wykonalna na bardzo dużych obszarach.

Ochrona powierzchni

Złóg

Istnieją różne metody ochrony lub przynajmniej ograniczenia zniszczenia kamienia pod wpływem kwaśnych deszczy. Jedną z tych metod jest mycie go parą lub gorącą wodą.

Można również stosować środki chemiczne, takie jak kwas fluorowodorowy lub bifluorek amonu. Po umyciu kamień można uszczelnić, stosując specjalne produkty zatykające pory, takie jak wodorotlenek baru.

Metal

Powierzchnie metalowe podatne na korozję można chronić, pokrywając je niekorozyjnym metalem, takim jak cynk.

W tym celu można zastosować osadzanie elektrolityczne lub zanurzoną metalową konstrukcję w stanie ciekłym w metalu ochronnym.

Bibliografia

1. Espada L i A. Sánchez (1995). Wpływ kwaśnych deszczy na korozję metali. s. 145-171. W: Sastre de Vicente M. (Coord.) Elektrochemia i środowisko u progu XXI wieku. Uniwersytet La Coruña. Serwis publikacji. La Coruña, Hiszpania.
2. García-Ruiz G (2018). Ochrona konstrukcji budowlanych w atmosferach korozyjnych. Projekt ukończenia studiów inżynierskich w dziedzinie technologii przemysłowych. Politechnika w Kartagenie. Wyższa Szkoła Techniczna Inżynierii Przemysłowej. Cartagena, Hiszpania. 75 pkt.
3. Granados-Sánchez D, GF López-Ríos i MA Hernández-García (2010). Kwaśne deszcze i ekosystemy leśne .. Revista Chapingo Forestry and Environmental Sciences Seria 16: 187-206.
4. Likens GE, CT Driscoll i DC Buso (1996). Długoterminowe skutki kwaśnego deszczu: reakcja i odbudowa ekosystemu leśnego. Science, 272; 244–246.
   Likens GE i FH Bormann (1974). Kwaśne deszcze: poważny regionalny problem środowiskowy. Science, 184: 1176-1179.
5. Schindler DW (1988). Wpływ kwaśnych deszczy na ekosystemy słodkowodne. Science, 239: 149-157.
6. Vélez-Upegui JJ, MC Valencia-Giraldo, A Londoño-Carvajal, CM González-Duque, JP Mariscal-Moreno (2010). Zanieczyszczenie powietrza i kwaśne deszcze. Diagnoza zjawiska w mieście Manizales. Wydział Inżynierii i Architektury. Narodowy Uniwersytet Kolumbii. Siedziba Manizales. Od redakcji Blanecolor Ltda. Wydanie pierwsze. Manizales, Kolumbia. 150 pkt.