Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Klimat Miasta. Poziom zaawansowany.
dział KLIMAT MIASTA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

Powstawanie kwaśnych deszczy

Kwaśne opady są jedną z form kwaśnej depozycji, która może być mokra lub sucha. Tworzenie się kwasów w powietrzu jest spowodowane fotochemicznym utlenianiem SO2 i NOx, ale w znacznym stopniu zależy również od obecności w powietrzu innych substancji, łącznie z lotnymi związkami organicznymi. 

Kilka szczegółów o pH

W części "Co to jest kwaśny deszcz?" (poziom "podstawy", patrz link na dole strony), zostało wyjaśnione co to jest skala pH. Konstrukcja skali jest oparta na tym, że czysta woda dysocjuje i tworzą się jony hydroniowe H3O+ oraz wodorotlenowe OH-.

Dysocjacja odbywa się zgodnie z prawem zachowania masy. Stała Kw jest nazywana iloczynem jonowym wody i wynosi zawsze 10-14.

A zatem dla każdego roztworu kwasu pKw = pH + pOH = 14
W czystej wodzie c(H3O+) = c(OH-) = 10-7 mol/l i pKw = 7 + 7 = 14
Nazywamy to auto-dysocjacją czystej wody.

Dostrzeżenie problemu kwaśnych deszczy

Zjawisko kwaśnego deszczu zostało rozpoznane już pod koniec XVII w. W 1692 r. Robert Boyle 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 "kwaśny deszcz" został po raz pierwszy 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 został postawiony dopiero w latach 60. XX w. Okazało się, że zakwaszenie jezior w Skandynawii wzrastało a liczba ryb malała. Podobne zjawiska obserwowano w Ameryce Pn. Ponadto zauważono liczne zniszczenia w lasach Europy i Ameryki Pn. To stało się siłą napędową wielu działań naukowych, politycznych i technologicznych.

Emisje antropogeniczne jako przyczyna kwaśnych deszczy

Oprócz SO2 i NOx, które są emitowane w czasie spalania paliw kopalnych, także inne substancje przyczyniają się do powstawania kwaśnych deszczy. Są to m.in. chlorowodór (HCl(g)) i lotne związki organiczne. Kiedy chlorowodór rozpuści się w wodzie znajdującej się w kroplach deszczu tworzy się kwas solny (HCl (aq)). Lotne związki organiczne są prekursorami kwasów organicznych (np. octowego), które powstają poprzez utlenianie np. alkoholi lub aldehydów w powietrzu i przyczyniają się do zakwaszania deszczy. Lotne związki organiczne pochodzą głównie ze spalin samochodowych, ale ilości wydzielane przez roślinność są w skali globalnej 10-krotnie większe niż ze źródeł antropogenicznych.

Podwójna rola amoniaku 

Amoniak (NH3) odgrywa podwójną rolę w zakwaszaniu środowiska. Z jednej strony neutralizuje w atmosferze w znacznym stopniu kwasy tworzące się wskutek utleniania SO2 i NOx , w wyniku czego powstają cząsteczki jonów amonowych (NH4+). Roztwór wodny amoniaku (NH3) ma zasadowe pH. Jednakże reagując w powietrzu z silnymi kwasami jak kwas siarkowy czy azotowy, tworzy nieco kwaśne sole: siarczan amonu (NH4)2SO4, azotan amonu (saletra amonowa) NH4NO3. Są one mniej lotne, tworzą cząsteczki i opadają na ziemię jako depozycja sucha lub z deszczem. Kiedy jon amonowy NH4+  ulega depozycji i dostaje się do gleby dochodzi do nitryfikacji. Jony wodorowe, pochodzące z kwasów atmosferycznych zneutralizowanych przez NH3, są uwalniane i tworzy się kwas:

NH4+ + 2 O2  -> 2 H+ + NO3- + H2O

Tak więc depozycja NH4+ i następująca potem nitryfikacja prowadzą bezpośrednio do zakwaszenia gleby.

1. Przyczyny i skutki kwaśnego deszczu i innych form kwaśnej depozycji.
Autor: Sebastian Wypych

Depozycja

Procesy, w których różne składniki powietrza są usuwane z atmosfery na powierzchnię ziemi nazywamy depozycją. Procesy te obejmują opady atmosferyczne (mokra depozycja, np. deszcz albo mgła), jak również opadanie na ziemię cząstek stałych i gazów (sucha depozycja). Kiedy na ziemię usuwane są z powietrza np. kwasy lub ich prekursory nazywamy to kwaśną depozycją.

Mokra depozycja 

Proces, w którym substancje chemiczne są usuwane z atmosfery i osadzane na powierzchni ziemi wraz z deszczem, mżawką, śniegiem, wodą chmurową i mgłą nazywamy mokrą depozycją. 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, w połączeniu ze śniegiem - kwaśny śnieg itd.

2. Trendy w mokrej depozycji siarki (w kg/ha) we wsch. USA na podstawie danych NADP/NTN. Rycina po lewej pokazuje dane z lat 1989-1991, a po prawej - 1995-1998. Na początku lat 90. XX w. mokra depozycja siarki była najwyższa w szerokim pasie środkowo-zachodnim i na wsch. USA, łącznie z Ohio River Valley, zach. Pensylwanią i środk. częścią Appalachów (patrz 1989-1991). Na skutek znaczących redukcji emisji SO2 po roku 1995 (I faza programu przeciwdziałania kwaśnym deszczom), całkowita depozycja siarki w wodach deszczowych wyraźnie zmalała nawet o 25% na większości terytorium wsch. USA (porównaj z 1995-1998).
Źródło: U.S. Environmental Protection Agency 
https://www.epa.gov/airmarkets/cmap/mapgallery/mg_wetsulfate.html

2b. Trendy w mokrej depozycji siarki (w kg/ha) we wsch. USA na podstawie danych NADP/NTN
Źródło: https://www3.epa.gov/castnet/maps/prismdep.html

Sucha depozycja

Kwaśna depozycja ma miejsce nie tylko w deszczowe dni, kiedy może nam grozić kwaśny deszcz, ale także wtedy gdy świeci słońce. Osiadanie na powierzchni ziemi kwaśnych gazów i cząstek stałych znajdujących się w powietrzu nazywamy suchą depozycją. Ma ona 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, znajdującą się na powierzchni ziemi lub np. w rzekach, ale także powodują uszkodzenia liści u roślin, powierzchni budynków itp. Około połowa 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 na skutek 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 kwaśne substancje. Sucha depozycja ma miejsce głównie w pobliżu źródeł emisji, natomiast mokra depozycja zanieczyszczeń może zachodzić nawet w odległości 1000 km od źródła emisji. Wysokie kominy fabryczne mogą dostarczać zanieczyszczenia bezpośrednio na znaczne wysokości, co powoduje zmniejszenie stężenia zanieczyszczeń przy powierzchni ziemi, ale naraża większe obszary na zanieczyszczenie. Zakwaszenie wód opadowych jest zwykle większym problemem niż zakwaszenie wskutek suchej depozycji gdyż towarzyszy mu cała gama reakcji chemicznych, zachodzących w powietrzu w czasie transportu zanieczyszczeń na duże odległości od źródła emisji.

Zajrzyj na inne strony Encyklopedii ESPERE:

Podstawowe informacje o kwaśnym deszczu:
Klimat miasta - podstawy - część 3 - Co to jest?
Wpływ kwaśnej depozycji na środowisko przyrodnicze i ludzi:
Klimat miasta - podstawy - część 3 - Oddziaływanie (1) 
Klimat miasta - więcej - część 3 - Oddziaływanie (2)

O tej stronie:

Autorzy: Anita Bokwa - Uniwersytet Jagielloński, Kraków i Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry,  Moguncja, Niemcy 
Recenzent: Kimitaka Kawamura - Hokkaido University, Sapporo, Japonia - 2004-08-12, Prof. Irena Wilkosz - Politechnika Śląska, Gliwice - 2007-01-08
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - University of Duisburg, Duisburg, Niemcy  
ostatnia aktualizacja: 2007-01-15

Ostatnia modyfikacja: sobota, 16 luty 2019, 13:14