Кислотные дожди – причина деградации лесов и ухудшения экологического состояния водоемов

Термин деградация лесов имеет два значения. Он может просто означать замедление роста деревьев, что выражается в уменьшении толщины годичных колец на срезе ствола. Формально это звучит так: «снижение продуктивности леса». Неспециалист, бросивший взгляд на такой лес, вряд ли распознал бы, что произошло. Биолог, однако, наверняка уловил бы признаки снижения продуктивности. Другое значение термина деградация лесов – это реальное повреждение деревьев или даже их гибель. Такие симптомы едва ли останутся незамеченными.

Артур Джексон из университета Пенсильвания исследовал толщину годичных колец у ели красной и сосны ломкой, чтобы определить, действительно ли уменьшается продуктивность леса. Образцы ели красной были собраны им в самых разных лесах на северо-востоке США; образцы сосны ломкой он получил из южной части штата Нью-Джерси. От 30 до 40% изученных им срезов выявили неприглядную картину. Начиная с шестидесятых годов, толщина годичных колец – иными словами ежегодный прирост – существенно уменьшилась, и у многих деревьев прежняя величина прироста не возобновлялась.

В шт. Теннесси ученые обнаружили сходное явление не только у ели красной и сосны ломкой, но и у сосны ежовой, туи и пихты Фрейзера. Кроме того, оказалось, что процесс затронул и листопадные деревья – гикори и желтую березу. В Шварцвальде (Германия) повреждения также охватили не только хвойные породы деревьев, но и дубы, березы, рябину, буки и платаны. Масштаб заболевания, которое поразило деревья, столь многих видов как листопадных, так и вечнозеленых – оказался небывалым. Никто не мог объяснить, что случилось с таким множеством деревьев. Большинство ученых считали, что причиной этому были кислотные дожди и загрязнение воздуха, но доказательства были неубедительными. Иными словами, было признано, что кислотные дожди и загрязнение воздуха, безусловно, сыграли свою роль, но могли вмешаться и другие факторы, в частности засуха.

Если бы наблюдаемые факты ограничивались только снижением продуктивности лесов, то люди вряд ли обратили внимание на эту проблему. Но леса начали гибнуть. В Шварцвальде было умеренно повреждено каждое пятое дерево: у двух из каждых трех деревьев выявились более серьезные признаки повреждения, и больные деревья встречались на территории, составляющей две трети всей площади лесов. По оценкам 1984 г. уже три четверти деревьев в Германии получили повреждения различной степени тяжести. В Германии это явление получило название «Waldsterben» (буквально – «умирающие леса»); оно было отмечено на 50% площади лесов Германии, что составило примерно 2,5 млн. гектаров. Леса в Баварии (Германия) также серьезно повреждены. Например, у ели красной – вида, который наиболее чувствителен к повреждениям, - наблюдается пожелтение и раннее опадание хвои. Опадание хвои начинается с вершины дерева и постепенно распространяется к низу. Кроме того, хвоя начинает опадать с самых концов ветвей, и процесс развивается по направлению к стволу. Могут повреждаться также корни, ветки опускаются вниз. Под корой деревьев поселяются насекомые и грибы. В клетках камбия в высоких концентрациях накапливаются токсичные металлы, в том числе алюминий, кадмий, медь и марганец.

Многочисленные сообщения из Чехословакии, где интенсивно сжигается бурый уголь с высоким содержанием серы, подтверждают гибель целых лесных массивов. По имеющимся данным серьезно повреждены деревья на 200 тыс. га лесов. На одной пятой этой площади остались лишь мертвые деревья. В Польше, где также используется бурый уголь, повреждение деревьев достигло еще больших масштабов: погибшие деревья обнаруживаются на 500 тыс. га лесов. Деградация лесов отмечена также в Австрии, Швейцарии, Швеции, бывшей Восточной Германии, Голландии, Румынии, Великобритании и бывшей Югославии. На юго-западе Швеции каждое десятое дерево повреждено или погибает. У елей в Скании (область Швеции) хвоя удерживается лишь в течение одного года, тогда как у здоровых молодых деревьев она сменяется каждые три года. Буки в Скании, как и в западной части Германии, теряют листву уже в августе, причем листья опадают тогда, когда они еще зеленые. Кора у буков вздувается и трескается; ширина трещин может достигать размеров ладони.

Аналогичные повреждения деревьев обнаружены и в США: в горах Адирондак (шт. Нью-Йорк), Грин-Маунтинс (шт. Вермонт), Уайт-Маунтинс (шт. Нью-Гэмпшир) и Грейт-Маунтинс (на востоке шт. Северная Каролина). В этих лесах наблюдается быстрая гибель красных елей, но площадь погибших лесов пока не оценена количественно, как это сделано в Германии и других странах Европы.

Все описанные примеры характеризуются определенными особенностями, повторяющимися раз за разом. Во-первых, кислотные дожди охватывают все регионы. Окислы серы и азота переносятся ветрами и другими атмосферными процессами на большие расстояния, выпадая кислотными дождями, либо в виде сухих частиц сульфатов металлов. Во-вторых, в большом числе случаев поврежденные леса находятся на возвышенностях, относительно высоко над уровнем моря и довольно значительную часть года их окутывают облака. Это, безусловно, справедливо для Шварцвальда в Германии и Грин-Маунтинс в Вермонте (США), где деревья стоят в окружении облаков целую четверть года. Вода, образующая облака, может иметь рН до 3,5 и даже ниже, т.е. быть более кислой, чем дождь. Это дает основание говорить о том, что именно воздействием сильно кислой среды обусловлены повреждения деревьев. В-третьих, периодам, когда происходило уменьшение прироста годовых колец, как правило, предшествовали засухи. Если бы засуха была единственной причиной угнетения роста деревьев, то после улучшения погодных условий следовало бы ожидать восстановления нормального прироста. Однако по данным одного из исследований, восстановление нормального прироста годовых колец отмечено лишь в 20% деревьев, и рост колец никогда не возобновлялся у 40% деревьев.

Четвертая общая особенность – это характер почвы. В высокогорных лесах наблюдается тенденция к значительному повышению кислотности почвы, поскольку толщина почвенного слоя очень мала и в нем содержится незначительное количество органического вещества. Такие важные для почвы минеральные вещества, как карбонаты кальция и магния, легко удаляются из почвы за счет обилия водородных ионов в окружающей среде и потерь в результате вымывания, становясь недоступными для растущих деревьев. Вместе с тем кислотные дожди могут привести к тому, что алюминий – элемент, токсичный для растений и обычно связанный химически в различных соединениях – «мобилизуется» и приобретает химическую активность. Алюминий в активной форме способен проникать в корни деревьев и тем самым нарушать их нормальное функционирование. В–пятых, химический анализ листьев как листопадных, так и хвойных деревьев показывает, что в этих листьях примерно на 10% по сравнению с листьями здоровых деревьев повышается содержание серы (по крайней мере, в США).

В-шестых, анализ горных лесов, особенно на юге США и в Европе, свидетельствует о высоком содержании озона в воздухе, более высоком, чем наблюдалось в менее возвышенных местах, и даже выше уровня, зафиксированного в некоторых городах. Давно известно, что озон повреждает вечнозеленые растения, но обнаружение высоких концентраций озона на горных склонах оказалось неожиданностью. Не исключено, что это объясняется присутствием окислов азота. Мы уже знаем, что двуокись азота вступает в сложную цепь реакций с углеводородами в присутствии солнечного света, при которых образуется озон. Но откуда в горных лесах появляются углеводороды? Их источником могут быть сами деревья. Грейт-Смоки-Маунтинс («дымящиеся горы») получили свое название оттого, что над лесами висит дымка терпенов – органических веществ, выделяемых хвойными деревьями. Эти вещества являются высокоактивными углеводородами. На солнечном свету терпены могут вступать в реакции с двуокисью азота, в результате чего выделяется озон.

Итак, перед нами ряд факторов: кислотные дожди, большая высота над уровнем моря и облачный покров, в который попадают деревья; засухи, предшествующие повреждениям деревьев; повышение кислотности почвы и изменение ее минерального состава; сера в листве, озон в атмосфере. Совместное их действие приводит к тому, что выглядит как экологическая катастрофа в Северном полушарии.

Сначала в Скандинавских странах, затем на северо-востоке США и юго-востоке Канады, потом в Северной Европе, на Тайване и в Японии ученые обнаружили, что дождевая вода – казалось бы, самая чистая вода в природе – содержит кислоту. Как мы уже отмечали, окислы серы все большее количество кислоты. Среди используемых видов топлива первое место по поставке окислов серы является каменный уголь, на втором месте нефть, а природный газ занимает третье, - далекое от двух первых место. Окислы азота также образуются при сжигании ископаемых видов топлива, но их основным источником, видимо, оказывается сам воздух, поскольку ископаемое топливо, как правило, азота в больших количествах не содержит. Максимальные выбросы окислов азота в атмосферу обусловлены сжиганием всех трех видов топлива при высоких температурах.

Окислы серы в основном образуются при сжигании угля на тепловых электростанциях и при выплавке металлов. Окислы азота также образуются в больших количествах в топках тепловых электростанций, но дополнительным крупным источником окислов азота являются автомобили. Дымовые газы тепловых электростанций (вместе с загрязнителями) часто выбрасываются в атмосферу посредством высоких труб; поэтому окислы серы и азота из этих источников обычно распространяются на большие расстояния. Вместе с тем выбросы этих загрязнителей вблизи земли вряд ли могут подхватываться ветрами, дующими на больших высотах, и транспортироваться на значительные расстояния, столь характерные для кислотных дождей.

Двуокись серы и окись азота в атмосфере быстро вступают в химические реакции. Двуокись серы окисляется до трехокиси, которая затем растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты. Окись азота окисляется до двуокиси, которая тоже растворяется в капельках воды с образованием азотной кислоты. Эти две кислоты, а также соли этих кислот и обусловливают выпадение кислотных дождей. Чем выше содержание этих кислот в воздухе, тем чаще выпадают кислотные дожди.

Серная и азотная кислоты вносят неравные вклады в кислотные дожди. На северо-востоке США примерно 15-30% кислотности дождей определяются нитратами (азотной кислотой); оставшаяся часть кислотности обязана сульфатам (серной кислоте). Напротив, в Калифорнии наиболее обильным компонентом кислотных дождей являются нитраты. Данные по измерению кислотности дождей в Пасадене показали, что 57% кислотности обусловлено азотной кислотой, а 43% - серной. То, что кислотность дождей в Пасадене обусловлена именно азотной кислотой, объясняется большими выбросами окислов азота автомобилями в южных районах Калифорнии.

На растения и на почву из воздуха выпадают также сухие кислые частицы. Как правило, это сульфаты кальция и магния. Исследователи все больше склоняются к мысли, что выпадение таких сухих осадков оказывается важным механизмом, посредством которого кислоты из воздуха попадают на землю.

Дождевую воду нельзя назвать чистой водой; она находится в контакте с двуокисью углерода – естественным компонентом атмосферы – и растворяет ее. При растворении двуокиси углерода в воде образуется слабая угольная кислота. Концентрация водородных ионов относительно молекул воды в незагрязненной дождевой воде, содержащей двуокись углерода, составит примерно одну миллионную долю (10 ^-6), или 1 ион водорода на 1 млн. молекул воды. Таким образом, концентрация водородных ионов в дождевой воде при растворении в ней двуокиси углерода, присутствующей в атмосфере, увеличивается в 10 раз. Именно такое число водородных ионов должно быть характерно для чистой дождевой воды в природных условиях.

Наиболее очевидное влияние кислотные дожди оказывают на популяции рыб в озерах, вода в которых стала кислой. В зависимости от закисленности воды количество рыбы в озере может либо уменьшится, либо она может полностью исчезнуть. В Швеции, Норвегии и восточной части Северной Америки промышленному и спортивному лову рыбы из-за этого нанесен серьезный ущерб.

В бесчисленных озерах, расположенных в горах Андирондак на большой высоте (610 м над уровнем моря и выше) кислая вода стала обычным явлением. В 1975 г. 51% озер имели рН воды меньше 5, и в 90% этих озер полностью отсутствовала рыба. В целом в 45% высокогорных озер рыба совершенно отсутствовала. В тридцатых годах озера без рыбы составляли лишь 4% от их общего числа. Было также обнаружено, что треть из более чем 2000 озер в южной Норвегии совершенно лишены рыбы – изменение, которое произошло с конца сороковых годов.

Ясно, что кислая вода оказывает какое-то влияние на сокращение численности рыбы, однако нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает в большом числе из-за повышенной кислотности воды в этих озерах. Более правдоподобным представляется мнение, что сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметывать икру в кислой воде; если же икра все-таки попадает в воду, то она либо погибает, либо, если мальки все же вылупятся, они гибнут. В результате в озерах с закисленной водой мы не встречаем, а только взрослых особей.

Во многих районах, где количество рыбы уменьшилось вследствие кислотных дождей, наблюдались очень холодные зимы с обильными снегопадами. При таянии окрестных снегов подкисленная вода стекает в озера, что приводит к резкому повышению их кислотности. Таяние снежного покрова и резкое увеличение кислотности по времени примерно совпадают с началом нереста у рыбы. Таким образом, вымеченная икра попадает в максимально кислую воду, которая наблюдается в течение года. Можно предположить, что по мере сокращения численности рыбы будет уменьшаться и численность тех видов животных, которые питаются рыбой, таких, как белоголовый орлан, гагары, скопа, а также норки и выдры.

Ученые подсказывают, что из-за воздействия кислотных дождей численность лягушек, жаб и тритонов также будет сокращаться. Многие из этих видов размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью. Отметим, что численность этих видов сокращается не из-за массовой гибели взрослых особей, а из-за того, что новые молодые особи не пополняют популяцию, и она угасает.

Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Изменение видового состава растений в местах выпадения кислотных дождей заметить трудно; для выявления таких последствий, как изменение характера роста леса, необходимо достаточно длительное время. Чтобы преодолеть эти трудности, были выполнены эксперименты в лабораторных условиях, где растения поливались водой с величиной рН, соответствующей рН дождевой воды на северо-востоке США. Вода распылялась на сосны и помидоры таким образом, чтобы имитировать поступление природной дождевой воды к растениям. В этих экспериментах иголки у сосны достигали лишь половины нормальной длины, а урожай помидоров заметно снижался.

Ученые пока не обнаружили прямого воздействия кислотных дождей на здоровье людей, но возможность этого, несомненно, существует. Эта возможность связана с повышенной способностью подкисленной воды растворять или каким-то иным путем действовать на различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, может под влиянием кислой среды превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Рыбы будут накапливать это соединение ртути в своих тканях. Высокая концентрация ртути в тканях рыб была обнаружена в районах выпадения кислотных дождей, где вода в озерах также стала кислой. Как известно, ртуть – сильный яд для человека, и отравление рыбой, зараженной ртутью, в других условиях уже происходили.

Если водохранилища, откуда забирается питьевая вода, становятся более кислыми, то токсичные металлы из труб, пробок и т.п. могут растворяться в ней и попадать в воду, потребляемую человеком. Кроме того, подкисленная питьевая вода способна растворять свинец, содержащийся в водопроводных системах. Именно такой инцидент произошел недавно в шт. Нью-Йорк. Здесь сильно закисленная вода из водохранилища Хинкли вблизи Амстердама (шт. Нью-Йорк) растворила свинец в водопроводных трубах, так что содержание свинца в питьевой воде превысило допустимый уровень. Вода стояла в трубах всю ночь; когда она была выпущена из системы, концентрация свинца в ней упала до обычного низкого уровня.

Не все озера становятся закисленными; создается впечатление, что такие озера или их водосборный бассейн обладают способностью нейтрализовать кислые добавки. Другие озера, судя по их нынешнему состоянию, явно чувствительны к кислотным дождям. Водосборные бассейны озер, подверженных действию кислотных дождей, обычно подстилают изверженные породы (например, граниты) или метаморфические породы (например, гнейсы). Эти породы устойчивы к растворению, поэтому вода, контактирующая с ними, содержит очень незначительное количество солей; такая вода называется «мягкой».

Вместе с тем минеральные вещества осадочных пород растворяются в воде гораздо легче. Поэтому озера, водосборные бассейны которых подстилают осадочные породы, обычно имеют «жесткую» воду, т.е. обогащенную растворенными в ней солями. Если в подстилающих породах присутствует известняк (осадочная порода, состоящая из карбоната кальция), то вода в озере должна быть жесткой. Такие озера лучше «сопротивляются» закислению воды в них, поскольку карбонаты нейтрализуют кислоты. Водосборные бассейны озер в Адирондакских горах в основном сложены гранитами. Вода в этих озерах, как правило, мягкая, бедная растворенными минеральными веществами. Кислотные дожди оказывают сильное воздействие на такие озера.

Чувствительность озер к кислотным дождям определяется не только подстилающими породами; определенную роль играют и местные почвы. Почвы на водоразделах и берегах, богатые растворимыми минеральными солями, такими, как карбонаты кальция и магния, способствуют сохранению озера, поскольку эти соли нейтрализуют кислоты. Так, например, водоразделы на территории штата Мэн подстилают гранитные породы, однако озера здесь не становятся кислыми, по-видимому, вследствие нейтрализации кислотных дождей богатой известняком почвой; а ведь дожди, выпадающие в этом районе, имеют среднее значение рН 4,3. Однако некоторые озера во Флориде, питающиеся ручьями и речками, протекающими по осадочным породам, все же оказываются кислыми. Вероятно, приток грунтовых вод в эти озера невелик, а поверхностные воды текут по почвам, в которых содержится мало карбоната кальция.

Не только озера и населяющие их животные и растения чувствительны к кислотным дождям; почвенные и наземные экосистемы также страдают от их воздействия. Как и озера, почвы по-разному реагируют на кислотные дожди. Картина здесь аналогичная: почвы, возникшие на осадочных породах, например карбонатных минералах, или почвы, богатые органическими веществами, способны нейтрализовать кислотные дожди. Те же почвы, которые образовались на гранитах и гнейсах, мало или почти нерастворимых в воде, легко становятся закисленными. Примерно 70-80% земель в восточной части США имеют почвы, чувствительные к закислению. Кислотные дожди легко выщелачивают из таких почв небольшое количество минеральных питательных веществ, уменьшая их плодородие. Правда, воздействие кислотных дождей на плодородие. Правда, воздействие кислотных дождей на плодородие почвы легко продемонстрировать только в лабораторных условиях. Однако такая возможность в сочетании с другими уже известными эффектами способна привести к реальному воздействию.