גשם חומצי: איך הוא נוצר, הרכב, תגובות והשפעות - סביבה - 2025

גשם חומצי הוא משקעים רטובים או יבשים של חומרים אשר יוצרים pH מתחת 5.6. משקעים אלה יכולים להיות רטובים (מדוללים במי גשם) או יבשים (חלקיקי חלקיקים או תרסיסים).

המונח "גשם חומצי" הוצע לראשונה על ידי החוקר האנגלי רוברט אנגוס סמית בשנת 1850, באמצע המהפכה התעשייתית. החומצות הנפוצות ביותר שנוצרות באטמוספרה הן חנקן וגופרית על ידי חמצון של מזהמים טבעיים או מלאכותיים.

מפת גשם חומצית. מקור: Alfredsito94

המזהמים הרלוונטיים ביותר הם תחמוצות: NO2, NO3, SO2, אשר המקורות הטבעיים שלהם הם התפרצויות געש, שריפות יער והשפלת חיידקים. מקורות מלאכותיים הם פליטת הגז הנובעת משריפת דלקים מאובנים (פעילות תעשייתית ותעבורת רכב).

גשם חומצי גורם להשפעות שליליות על הסביבה כמו החמצת קרקעות ומים, המשפיעים על יצורים חיים, כולל בני אדם. כמו כן, קרקעות ומים מזוהמים במתכות כבדות, והאוטרופיקציה מתרחשת בגופי מים.

ברמת הצמחייה נגרם נזק ישיר לעלים ונפגעת צמיחת הצומח. בנוסף, החמצת האדמה מניעה חומרים מזינים ומשפיעה על mycorrhizae (פטריות אדמה). באופן דומה, מבנים, מכונות, אנדרטאות ויצירות אמנות שנחשפו לאלמנטים מתחמצנים או נשחקים קשה כתוצאה מההשפעה של חומצות זורזות.

כדי לתקן את השפעת הגשם החומצי, ניתן לנקוט באמצעים חיוניים כגון הגנה על אנדרטאות ותיקון החמצה של קרקעות ומים. עם זאת, הפיתרון הבסיסי לגשם חומצי הוא הפחתת הפליטה לאטמוספירה של תרכובות כימיות שהן מבשרי היווצרות החומצה.

כיצד נוצר גשם חומצי?

ערפל חומצי כתוצאה מפליטת SO2 מבית הזיקוק של PDVSA בקורסאו. מקור: HdeK

מבשרי כימיה

תופעת הגשם החומצי מתחילה בפליטה לאטמוספירה של תרכובות כימיות אשר מקדימות להיווצרות חומצות. תרכובות אלה ניתנות לפליטה על ידי מקורות טבעיים או מלאכותיים.

מקורות טבעיים כוללים התפרצויות געשיות, שריפות צמחייה ופליטת אוקיינוס. ככל שמקורות מלאכותיים פועלים פליטות תעשייתיות, פליטות מכלי רכב בעירה או שריפת פסולת.

מקורות אלה פולטים תרכובות שונות שיכולות לייצר חומצות באטמוספרה. עם זאת, החשובים ביותר הם תחמוצות חנקן ותחמוצות גופרית.

תחמוצות חנקן מכונות NOx וכוללות חנקן דו חמצני (NO2) ותחמוצת החנקן (NO). מצידו, תחמוצת הגופרית היא SO2 או דו תחמוצת הגופרית.

תהליך טרופוספרי וחומצות המיוצרות

תופעת הגשם החומצי מתרחשת באיזור הטרופוספירה (אזור אטמוספרי שעובר משטח כדור הארץ לגובה של 16 ק"מ).

בטרופוספירה, זרמי אוויר יכולים לשאת תרכובות אלה על כל חלק של כדור הארץ, מה שהופך אותו לבעיה עולמית. בתהליך זה, תחמוצות חנקן וגופרית אינטראקציות עם תרכובות אחרות ויוצרות חומצה חנקתית וחומצה גופרתית בהתאמה.

תמיכה בתגובה

תגובות כימיות יכולות להתבצע על חלקיקים מוצקים במתלה או בטיפות מים במתלה.

חומצה חנקתית נוצרת בעיקר בשלב הגז, בגלל המסיסות הנמוכה שלה במים. חומצה גופרתית מצידה מסיסה יותר במים, והיא המרכיב העיקרי בגשם חומצי.

חומצה חנקתית

ליצירת חומצה חנקתית (HNO3), תחמוצות חנקן מגיבות עם מים, עם רדיקלים כמו OH (במידה פחותה עם HO2 ו- CH3O2), או עם אוזון טרופוספרי (O3).

חומצה גופרתית

במקרה של ייצור חומצה גופרתית (H2SO4), משתתפים גם הרדיקלים OH, HO2, CH3O2, מים ואוזון. בנוסף, זה יכול להיווצר על ידי תגובה עם מי חמצן (H2O2) ותחמוצות מתכת שונות.

חומצה פחמנית

H2CO3 נוצר על ידי התגובה הפוטוכימית של פחמן דו חמצני עם מים אטמוספריים.

חומצה הידרוכלורית

HCl מייצג רק 2% מהגשם החומצי, והמבשר שלו הוא מתיל כלוריד (ClCH3). תרכובת זו מגיעה מהאוקיאנוסים ומחמצנת על ידי רדיקלים של OH ליצירת חומצה הידרוכלורית.

מִשׁקָע

לאחר שנוצרו תרכובות חומציות (חומצה חנקתית או חומצה גופרתית, ובמידה פחותה חומצה כלורית), הם ישקעו.

משקעים יכולים להיות על ידי הצבת החלקיקים התלושים בהם התרחשה תגובת ההחמצה בשלב הגז. דרך נוספת היא שהמים המרוכזים ישקעו בגשם בו נוצרו החומצות.

הרכב

החומציות הטבעית של גשם קרובה ל- pH של 5.6, אם כי באזורים לא מזוהמים ערכים של 5. ערכי pH נמוכים אלו נקשרו לנוכחות חומצות ממקור טבעי.

זה נחשב כי בהתאם לרמת החומציות, ניתן לסווג את הגשם ל:

א) מעט חומצי (pH בין 4.7 ל 5.6)
ב) חומצה בינונית (pH בין 4.3 ל 4.7).
ג) חומצי מאוד (pH שווה או פחות מ- 4.3).

אם לגשם יש ריכוז של> 1.3 מ"ג לליטר עבור חנקות ו> 3 מ"ג לליטר לסולפטים, הזיהום נחשב לגדול.

גשם חומצי מורכב ביותר משני שליש מהמקרים על ידי נוכחות של חומצה גופרתית, ואחריה בשפע על ידי חומצה חנקתית. מרכיבים אחרים שיכולים לתרום לחומציות הגשם הם חומצה הידרוכלורית וחומצה פחמית.

תגובות כימיות של גשם חומצי

היווצרות של חומצה גופרתית (H2SO4)

ייצור חומצה גופרתית יכול להתרחש בשלב הגז או בשלב הנוזל.

שלב הגז

רק 3 עד 4% מ- SO2 מתחמצנים בשלב הגז לייצור חומצה גופרתית. ישנם דרכים רבות להיווצרות חומצה גופרתית ממבשרים גזים, כאן מוצגת התגובה של SO2 לאוזון טרופוספרי.

התגובה מתרחשת בשני שלבים:

1.- דו תחמוצת הגופרית מגיבה עם אוזון טרופוספרי, מייצרת תחמוצת הגופרית ומשחררת חמצן.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- ואז תחמוצת הגופרית מתחמצנת באדי מים ומייצרת חומצה גופרתית.

SO3 + H2O = H2SO4

שלב נוזלי

בטיפות המים שיווצרו את הגשם, ניתן לייצר חומצה גופרתית בכמה דרכים:

1.- SO2 מתמוסס במים המייצרים חומצה גופרתית, וזה מתחמצן על ידי מי חמצן:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- מנגנון פוטו-קטליטי: במקרה זה, חלקיקי תחמוצת מתכת (ברזל, אבץ, טיטניום) מופעלים בזכות פעולת אור השמש (הפעלה פוטוכימית) ומחמצנים SO2, ויוצרים חומצה גופרתית.

היווצרות חומצה חנקתית (HNO3)

אוזון טרופוספרי O3 מייצר טרנספורמציה של NO2 ל- HNO3 בתהליך תלת-שלבי:

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

השפעות על הסביבה

השפעת גשם חומצי ביער בהרי ג'יזרה בצ'כיה. מקור: לובץ '

החמצת קרקע והשפעותיו על הצמחייה

ההשפעה של גשם חומצי על האדמה משתנה בהתאם להרכב שלה. לדוגמא, לקרקעות ממקור פחמי, בזלתי וגורמי יש יכולת גבוהה יותר לנטרל חומציות.

קרקעות עשירות בקוורץ כחומר אינרטי מצדן אינן מסוגלות לווסת את תכולת החומצה. כך, בקרקעות בהן גשם חומצי מגביר את החומציות, משוחררים יוני מתכת אשר רעילים לצמחים ובעלי חיים.

מקרה רלוונטי הוא פירוק אלומינו-סיליקטים המשחררים יוני אלומיניום המזיקים מאוד לצמחייה.

באופן כללי, חומציות האדמה מורידה את הזמינות של חומרים מזינים לצמחים. בנוסף, זה מעודד שחרור ושטיפת סידן הגורם למחסור בצמחים.

השפעה על אקוויפרים ובריאות האדם

ברוב המקרים, גשם חומצי לא נראה או נראה שונה מגשם רגיל, וגם לא יוצר תחושות על העור. השפעותיו על בריאות האדם הן עקיפות, ולעתים נדירות היא גורמת לנזקי עור כתוצאה מחומציות קיצונית.

אחת הבעיות בגשם חומצי היא שעל ידי הורדת ערכי ה- pH מתחת ל -5, מתכות כבדות משוחררות ונשאבות. מזהמים אלה כמו אלומיניום וקדמיום יכולים להיכנס לאקוויפרים תת-קרקעיים.

אם המים מהאקוויפרים המזוהמים הללו עוברים לבארות המשמשות לצריכה אנושית, הם עלולים לגרום נזק קשה לבריאות.

הרעה של מבנים, אנדרטאות וחומרים

גרגויל פגום בגשם חומצי. מקור: נינו ברביירי

אבנים מסוג סיד

קונסטרוקציות, אנדרטאות ופסלים עשויים אבן גיר או שיש מושפעות קשות מגשם חומצי. זה די רציני, שכן בניינים היסטוריים רבים ויצירות אמנות בנויים עם חומרים אלה.

במקרה של אבן גיר, גשם חומצי גורם להמסת אבן הגיר וגורם להתגבשות מחדש של הסיד. התגבשות מחדש זו מייצרת גוונים לבנבן על פני השטח.

במקרה הספציפי של גשם עם חומצה גופרתית, תופעה של גופרת מתרחשת. בתהליך זה משטח הסלע הופך לגבס ומשתחרר CO2.

שיש, אף שהוא עמיד יותר, מושפע גם מגשם חומצי. במקרה זה, פילינג האבן מתרחש וזו הסיבה ששכבות שטחיות ממנו מנותקות.

חומרים אחרים שאינם מאכלים

בחלק מהבניינים ההידרדרות המבנית היא מינורית, אך גם עם השפעות שליליות. לדוגמא, מרבצי חומצות יבשות מלכלכים את הקירות, ובכך מגדילים את עלויות התחזוקה.

מתכות

גשם חומצי גורם לקורוזיה של מתכות כתוצאה מתופעת החמצון. זה גורם להפסדים כלכליים עצומים, מכיוון שמבנים, ציוד, מכונות ורכבים עם חלקי מתכת מושפעים קשה.

חי וצומח

דגים שנהרגו בגשם חומצי. מקור: שירות הדגים וחיות הבר של ארצות הברית.

גשם חומצי משנה את האיזון הטבעי של מערכות אקולוגיות ימיות ויבשתיות.

צמחים ובעלי חיים בגופי מים עדשים

גופי מים עדשים רגישים יותר להחמצה, מכיוון שהם מערכות אקולוגיות סגורות. בנוסף, להצטברות החומצות במים השלכות שליליות על החיים שהם מקיימים.

תוצאה נוספת של החמצה היא משקעים של חנקות דרך גשם, הגורמת להחמצה בגופי מים. עודפי חומרים מזינים מפחיתים את החמצן הזמין ומשפיעים לרעה על הישרדותם של בעלי חיים ימיים.

השפעה שלילית עקיפה נוספת היא הפניית יוני מתכת כבד מהסביבה היבשתית לגופי מים. יונים אלה משתחררים לאדמה על ידי פעולת יוני הידרוניום כאשר החומציות עולה.

זמינות של צמחיה וחומרים מזינים

הבעיות החמורות ביותר הנגרמות כתוצאה מחמצת קרקע הן חוסר תנועה של חומרים מזינים חיוניים והעלייה במתכות רעילות.

לדוגמה, אלומיניום ומגנזיום משתחררים מחלקיקי אדמה על ידי החלפתם למימן. האלומיניום משפיע על מבנה השורשים ותפקודם ומפחית את ספיגת הסידן החיוני לצמחים.

מצד שני, החמצת הקרקע גורמת נזק למיקוריזה (פטריות הקשורות לשורש), החיוניים לדינמיקה של היער.

נזק ישיר לצמחים ובעלי חיים

חומצה גופרתית גורמת לפגיעה ישירה בעלים על ידי הרס הכלורופיל והפקת כלורוזיס (הצהבה של העלה). בחלק מהמינים גידול וייצור זרעים קיימא יורדים.

דו-חיים (צפרדעים וקרפדות) רגישים במיוחד להשפעות של חומציות במים. חלק מהנזקים הם פגיעות ישירות וירידה בהגנה מפני פתוגנים (בעיקר פטריות עור).

פתרונות

הפחית את הפליטות

בשורה התחתונה גשם חומצי הוא הפחתת פליטות של כימיקלים מקדימים חומצה לסביבה. החשובים שבהם הם תחמוצות גופרית וחנקן.

עם זאת, יש לזה קשיים מסוימים, מכיוון שיש בכך כדי להשפיע על האינטרסים הכלכליים והפיתוחיים של חברות ומדינות. לדוגמה, אחד המקורות העיקריים של דו תחמוצת הגופרית הוא שריפת פחם, המהווה יותר מ -70% מהאנרגיה בסין.

יש כמה אלטרנטיבות טכנולוגיות שיכולות לעזור להפחית את הפליטות. לדוגמה, בענף מה שמכונה "מיטות נזילות" משלבים סופגים (אבן גיר או דולומיט) השומרים על SO2. במקרה של מכוניות ומנועי בעירה באופן כללי, הממירים הקטליטיים מצייתים גם הם עוזרים להפחתת פליטת SO2.

מצד שני, מדינות מסוימות מיישמות תוכניות ספציפיות להפחתת גשם חומצי. לדוגמה, ארצות הברית פיתחה את תוכנית הערכת המשק הלאומית לחומצות חומצה (NAPAP). בין כמה מהאמצעים שנחשבו על ידי NAPAP הוא יישום השימוש בדלקים דלי גופרית.

אמצעי אפשרי נוסף הוא החלפת צי הרכב במכוניות חשמליות להפחתת גשם חומצי וגם התחממות כדור הארץ. עם זאת, למרות שהטכנולוגיה קיימת בכדי להשיג זאת, הלחץ של תעשיות הרכב והנפט עיכב את ההחלטות בעניין זה. גורמים נוספים המשפיעים הם אלמנטים תרבותיים הקשורים למהירות שאליה צפוי רכב להגיע.

החל אמצעי תיקון חומציות

במקרים מסוימים ניתן להעלות את רמת החומציות של קרקעות ומים על ידי הוספת אלקולות, למשל על ידי שילוב כמויות גדולות של סיד. עם זאת, תרגול זה אינו בר ביצוע באזורים גדולים מאוד של קרקעות.

הגנת משטח

אֶבֶן

ישנן שיטות שונות להגנה או לפחות להפחתת התדרדרות האבן תחת השפעת גשם חומצי. אחת השיטות הללו היא לשטוף אותו באדים או במים חמים.

ניתן להשתמש גם בחומרים כימיים כמו חומצה הידרפלואורית או אמוניום בפלואוריד. לאחר הכביסה ניתן לאטום את האבן על ידי יישום של מוצרים מיוחדים הסותמים את הנקבוביות, כגון בריום הידרוקסיד.

מַתֶכֶת

ניתן להגן על משטחי מתכת העלולים לאשמת על ידי ציפוים במתכת לא מאכלת כמו אבץ.

לשם כך ניתן ליישם אלקטרופוזיציה, או לטבול את מבנה המתכת שיש להגן עליו במתכת המגן במצב נוזלי.

הפניות

1. Espada L ו- A. Sánchez (1995). השפעת גשם חומצי על קורוזיה של מתכות. עמ. 145-171. בתוך: Sastre de Vicente M. (Coord.) אלקטרוכימיה והסביבה על סף המאה ה- XXI. אוניברסיטת לה קורוניה. שירות פרסומים. לה קורוניה, ספרד.
2. García-Ruiz G (2018). הגנה על מבני מבנים באטמוספרות מאכלות. סוף פרויקט תואר בהנדסה בטכנולוגיות תעשייתיות. האוניברסיטה הפוליטכנית בקרטחנה. בית הספר הטכני הגבוה להנדסת תעשיה. קרטחנה, ספרד. 75 עמ '.
3. גרנדוס-סאנצ'ס ד, GF לופז-ריוס ומ.א. הרננדז-גרסיה (2010). מערכות גשם חומצות ומערכות אקולוגיות ביער. Revista Chapingo יערות ומדעי הסביבה סדרה 16: 187-206.
4. Likes GE, CT Driscoll ו- DC Buso (1996). השפעות ארוכות טווח של גשם חומצי: תגובה והתאוששות של מערכת אקולוגית של יער. מדע, 272; 244–246.
   אוהבת GE ו- FH בורמן (1974). גשם חומצי: בעיה סביבתית חמורה. מדע, 184: 1176-1179.
5. שינדלר DW (1988). השפעות גשם חומצי על מערכות אקולוגיות של מים מתוקים. מדע, 239: 149-157.
6. Vélez-Upegui JJ, MC ולנסיה-Giraldo, A Londoño-Carvajal, CM González-Duque, JP Mariscal-Moreno (2010). זיהום אוויר וגשם חומצי. אבחון התופעה בעיר מניזאלס. הפקולטה להנדסה ואדריכלות. האוניברסיטה הלאומית של קולומביה. מטה Manizales. עריכה Blanecolor Ltda. המהדורה הראשונה. Manizales, קולומביה. 150 עמ '.