المطر الحمضي: كيف يتشكل ، تكوينه ، تفاعلاته وآثاره - بيئة - 2026

و المطر الحمضي هو هطول الأمطار الرطب أو الجاف من المواد التي تولد درجة الحموضة أقل من 5.6. يمكن أن يكون هذا الترسيب رطبًا (مخففًا في مياه الأمطار) أو جافًا (ترسبات الجسيمات أو الهباء الجوي).

تم اقتراح مصطلح "المطر الحمضي" لأول مرة من قبل الباحث الإنجليزي روبرت أنجوس سميث في عام 1850 ، في منتصف الثورة الصناعية. أكثر الأحماض وفرة التي تتشكل في الغلاف الجوي هي النيتريك والكبريت عن طريق أكسدة الملوثات الطبيعية أو الاصطناعية.

خريطة المطر الحمضي. المصدر: Alfredsito94

الملوثات الأكثر صلة هي أكاسيد: NO2 ، NO3 ، SO2 ، التي مصادرها الطبيعية هي الانفجارات البركانية وحرائق الغابات والتحلل البكتيري. المصادر الاصطناعية هي انبعاثات الغازات الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري (النشاط الصناعي وحركة مرور السيارات).

يتسبب المطر الحمضي في آثار سلبية على البيئة مثل تحمض التربة والمياه ، مما يؤثر على الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر. أيضا ، التربة والمياه ملوثة بالمعادن الثقيلة ، ويحدث التخثث في المسطحات المائية.

على مستوى الغطاء النباتي ، يحدث ضرر مباشر للأوراق ويتأثر نمو النبات. بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي تحمض التربة إلى تجميد العناصر الغذائية ويؤثر على الفطريات الفطرية (فطريات التربة). وبالمثل ، فإن المباني والآلات والآثار والأعمال الفنية المعرضة للعوامل الجوية تتعرض لصدأ شديد أو تآكل بفعل تأثير الأحماض المترسبة.

لمعالجة تأثير المطر الحمضي ، يمكن اتخاذ بعض التدابير الأساسية مثل حماية الآثار وتصحيح تحمض التربة والمياه. ومع ذلك ، فإن الحل الأساسي للمطر الحمضي هو تقليل الانبعاث في الغلاف الجوي للمركبات الكيميائية التي هي سلائف تكوين الحمض.

كيف يتشكل المطر الحمضي؟

الضباب الحمضي بسبب انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت من مصفاة PDVSA في كوراساو. المصدر: HdeK

السلائف الكيميائية

تبدأ ظاهرة المطر الحمضي بانبعاث مركبات كيميائية في الغلاف الجوي ، وهي مقدمة لتكوين الأحماض. يمكن أن تنبعث هذه المركبات من مصادر طبيعية أو اصطناعية.

تشمل المصادر الطبيعية الانفجارات البركانية وحرائق الغطاء النباتي وانبعاثات المحيطات. حيث تعمل المصادر الاصطناعية على الانبعاثات الصناعية ، والانبعاثات من السيارات المحترقة أو حرق النفايات.

تنبعث من هذه المصادر مركبات مختلفة يمكن أن تولد أحماض في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، فإن أهمها أكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت.

تُعرف أكاسيد النيتروجين باسم أكاسيد النيتروجين ، وتشمل ثاني أكسيد النيتروجين (NO2) وأكسيد النيتروز (NO). من جانبه ، أكسيد الكبريت هو SO2 أو ثاني أكسيد الكبريت.

إنتاج عملية التروبوسفير والأحماض

تحدث ظاهرة المطر الحمضي في طبقة التروبوسفير (المنطقة الجوية التي تمتد من سطح الأرض إلى ارتفاع 16 كم).

في طبقة التروبوسفير ، يمكن للتيارات الهوائية أن تحمل هذه المركبات فوق أي جزء من الكوكب ، مما يجعلها مشكلة عالمية. في هذه العملية ، تتفاعل أكاسيد النيتروجين والكبريت مع مركبات أخرى لتكوين حمض النيتريك وحمض الكبريتيك على التوالي.

دعم رد الفعل

يمكن إجراء التفاعلات الكيميائية إما على جسيمات صلبة معلقة أو في قطرات ماء معلق.

يتكون حمض النيتريك بشكل أساسي في الطور الغازي ، بسبب انخفاض قابليته للذوبان في الماء. من جانبه ، حمض الكبريتيك أكثر قابلية للذوبان في الماء ، كونه المكون الرئيسي للمطر الحمضي.

حمض النيتريك

لتكوين حمض النيتريك (HNO3) ، تتفاعل أكاسيد النيتروجين مع الماء ، مع الجذور مثل OH (بدرجة أقل مع HO2 و CH3O2) ، أو مع أوزون التروبوسفير (O3).

حامض الكبريتيك

في حالة إنتاج حامض الكبريتيك (H2SO4) ، تشارك أيضًا الجذور OH و HO2 و CH3O2 والماء والأوزون. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تشكيله عن طريق التفاعل مع بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) وأكاسيد المعادن المختلفة.

حمض الكربونيك

يتكون H2CO3 عن طريق التفاعل الكيميائي الضوئي لثاني أكسيد الكربون مع الماء الجوي.

حامض الهيدروكلوريك

يمثل حمض الهيدروكلوريك 2٪ فقط من المطر الحمضي ، وسابقه هو كلوريد الميثيل (ClCH3). يأتي هذا المركب من المحيطات ويتأكسد بواسطة جذور OH لتكوين حمض الهيدروكلوريك.

ترسب

بمجرد تكوين المركبات الحمضية (حمض النيتريك أو حمض الكبريتيك ، وبدرجة أقل حمض الهيدروكلوريك) ، فإنها سوف تترسب.

يمكن أن يكون الترسيب عن طريق ترسب الجسيمات العالقة التي حدث فيها تفاعل التحميض في الطور الغازي. طريقة أخرى هي أن تترسب المياه المكثفة في المطر حيث تكونت الأحماض.

تكوين

تقترب الحموضة الطبيعية للمطر من الرقم الهيدروجيني 5.6 ، على الرغم من أن القيم في بعض المناطق غير الملوثة هي 5. ارتبطت قيم الأس الهيدروجيني المنخفضة هذه بوجود أحماض من أصل طبيعي.

يعتبر أنه بناءً على مستوى الأس الهيدروجيني ، يمكن تصنيف المطر إلى:

أ) حمضي قليلاً (الرقم الهيدروجيني بين 4.7 و 5.6)

ب) متوسط ​​الحمضية (الرقم الهيدروجيني بين 4.3 و 4.7)

ج) حمضي بشدة (الرقم الهيدروجيني أقل من أو يساوي 4.3).

إذا كان المطر يحتوي على تركيز> 1.3 ملجم / لتر للنترات و> 3 ملجم / لتر للكبريتات ، فإن التلوث يعتبر مرتفعًا.

يتكون المطر الحمضي في أكثر من ثلثي الحالات من وجود حامض الكبريتيك ، يليه بكثرة حمض النيتريك. المكونات الأخرى التي يمكن أن تسهم في حموضة المطر هي حمض الهيدروكلوريك وحمض الكربونيك.

التفاعلات الكيميائية للمطر الحمضي

تكوين حامض الكبريتيك (H2SO4)

يمكن أن يحدث إنتاج حامض الكبريتيك في الطور الغازي أو في المرحلة السائلة.

مرحلة الغاز

يتأكسد 3 إلى 4٪ فقط من ثاني أكسيد الكبريت في الطور الغازي لإنتاج حامض الكبريتيك. هناك العديد من الطرق لتكوين حامض الكبريتيك من السلائف الغازية ، وهنا يظهر تفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع أوزون التروبوسفير.

يحدث التفاعل على مرحلتين:

1.- يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع الأوزون التروبوسفيري ، ويولد ثالث أكسيد الكبريت ويطلق الأكسجين.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- ثم يتأكسد ثالث أكسيد الكبريت ببخار الماء وينتج حامض الكبريتيك.

SO3 + H2O = H2SO4

الطور السائل

يمكن إنتاج حمض الكبريتيك بعدة طرق في قطرات الماء التي ستشكل المطر:

1.- يذوب ثاني أكسيد الكبريت في الماء ويولد حامض الكبريتيك ويتأكسد ببيروكسيد الهيدروجين:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- آلية التحفيز الضوئي: في هذه الحالة ، يتم تنشيط جزيئات أكسيد المعادن (الحديد والزنك والتيتانيوم) بفضل تأثير أشعة الشمس (التنشيط الكيميائي الضوئي) وأكسدة ثاني أكسيد الكبريت ، مما يؤدي إلى إنتاج حامض الكبريتيك.

تكوين حمض النيتريك (HNO3)

ينتج أوزون التروبوسفير O3 تحول NO2 إلى HNO3 في عملية من ثلاث مراحل:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2

2.- NO3 + NO2 = N2O5

3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

التأثيرات على البيئة

تأثير المطر الحمضي في غابة في جبال Jizera في جمهورية التشيك. المصدر: Lovecz

تحمض التربة وتأثيراته على الغطاء النباتي

يختلف تأثير المطر الحمضي على التربة باختلاف تركيبتها. على سبيل المثال ، تتمتع التربة ذات الأصل الجيري والبازلتي والناري بقدرة أكبر على تحييد الحموضة.

من جانبهم ، التربة الغنية بالكوارتز كمادة خاملة غير قادرة على تنظيم المحتوى الحمضي. وهكذا ، في التربة حيث يزيد المطر الحمضي من الحموضة ، يتم إطلاق أيونات المعادن السامة للنباتات والحيوانات ونقلها بعيدًا.

ومن الحالات ذات الصلة تفكك الألومينو سيليكات ، التي تطلق أيونات الألومنيوم الضارة جدًا بالنباتات.

بشكل عام ، تقلل حموضة التربة من توافر العناصر الغذائية للنباتات. بالإضافة إلى ذلك ، فهو يعزز إطلاق وغسل الكالسيوم ، مما يسبب نقصًا في النباتات.

التأثير على طبقات المياه الجوفية وصحة الإنسان

في معظم الحالات ، لا يبدو المطر الحمضي أو مذاقه مختلفًا عن المطر العادي ، ولا يخلق إحساسًا على الجلد آثاره على صحة الإنسان غير مباشرة ، ونادراً ما تسبب تلف الجلد بسبب الحموضة الشديدة.

تتمثل إحدى مشكلات المطر الحمضي في أنه عن طريق خفض قيم الأس الهيدروجيني إلى أقل من 5 ، يتم إطلاق المعادن الثقيلة وإبعادها. يمكن لهذه الملوثات مثل الألمنيوم والكادميوم أن تدخل طبقات المياه الجوفية.

إذا مرت المياه من طبقات المياه الجوفية الملوثة إلى الآبار المستخدمة للاستهلاك البشري ، فقد يتسبب ذلك في أضرار جسيمة للصحة.

تدهور المباني والآثار والمواد

Gargoyle تضررت من المطر الحمضي. المصدر: نينو باربيري

أحجار جيرية

تتأثر الإنشاءات والآثار والتماثيل المصنوعة من الحجر الجيري أو الرخام بشدة بالمطر الحمضي. هذا أمر خطير للغاية ، حيث تم بناء العديد من المباني التاريخية والأعمال الفنية بهذه المواد.

في حالة الحجر الجيري ، يتسبب المطر الحمضي في انحلال الحجر الجيري ويسبب إعادة تبلور الكالسيت. ينتج عن عملية إعادة التبلور هذه نغمات بيضاء على السطح.

في حالة معينة من المطر مع حامض الكبريتيك ، تحدث ظاهرة الكبريت. من خلال هذه العملية ، يتم تحويل سطح الصخور إلى الجبس ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون.

على الرغم من أن الرخام أكثر مقاومة ، إلا أنه يتأثر أيضًا بالمطر الحمضي. في هذه الحالة يحدث تقشير للحجر ، وهذا هو سبب تساقط الطبقات السطحية منه.

مواد أخرى غير قابلة للتآكل

في بعض المباني ، يكون التدهور الهيكلي طفيفًا ، ولكن له أيضًا آثار سلبية. على سبيل المثال ، تجعل الرواسب الحمضية الجافة الجدران متسخة ، مما يزيد من تكاليف الصيانة.

المعادن

يتسبب المطر الحمضي في تآكل المعادن بسبب ظاهرة الأكسدة. يتسبب هذا في خسائر اقتصادية ضخمة ، حيث تتأثر الهياكل والمعدات والآلات والمركبات ذات الأجزاء المعدنية بشكل خطير.

النباتات والحيوانات

قتل الأسماك بسبب الأمطار الحمضية. المصدر: خدمة الأسماك والحياة البرية بالولايات المتحدة.

المطر الحمضي يعدل التوازن الطبيعي للأنظمة البيئية المائية والبرية.

النباتات والحيوانات في المسطحات المائية العدسية

تعتبر المسطحات المائية العدسية أكثر عرضة للتحمض ، لأنها أنظمة بيئية مغلقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تراكم الأحماض في الماء له عواقب سلبية على الحياة التي يسكنها.

نتيجة أخرى للتحمض هي ترسيب النترات من خلال المطر ، مما يسبب التخثث في المسطحات المائية. تقلل المغذيات الزائدة من الأكسجين المتاح وتؤثر سلبًا على بقاء الحيوانات المائية.

هناك تأثير سلبي آخر غير مباشر يتمثل في جذب أيونات المعادن الثقيلة من البيئة الأرضية إلى المسطحات المائية. يتم إطلاق هذه الأيونات في التربة عن طريق عمل أيونات الهيدرونيوم عندما تزداد الحموضة.

توافر الغطاء النباتي والمغذيات

إن أخطر المشاكل التي يسببها تحمض التربة هي عدم حركة العناصر الغذائية الأساسية وزيادة المعادن السامة.

على سبيل المثال ، يتم إطلاق الألمنيوم والمغنيسيوم من جزيئات التربة عن طريق استبدال الهيدروجين. يؤثر الألمنيوم على بنية ووظيفة الجذور ويقلل من امتصاص الكالسيوم الضروري للنباتات.

من ناحية أخرى ، يتسبب تحمض التربة في تلف الفطريات الفطرية (الفطريات المرتبطة بالجذور) ، والتي تعد ضرورية في ديناميكيات الغابة.

الضرر المباشر للنباتات والحيوانات

يتسبب حامض الكبريتيك في أضرار مباشرة للأوراق عن طريق تحلل الكلوروفيل وإنتاج داء الاخضرار (اصفرار الورقة). في بعض الأنواع ينخفض ​​نمو وإنتاج البذور القابلة للحياة.

البرمائيات (الضفادع والضفادع) معرضة بشكل خاص لتأثيرات الحموضة في الماء. بعض الأضرار هي إصابات مباشرة وانخفاض الدفاع ضد مسببات الأمراض (وخاصة فطريات الجلد).

حلول

الحد من انبعاثات

يتمثل الحد الأدنى للمطر الحمضي في تقليل انبعاثات المواد الكيميائية السليفة الحمضية إلى البيئة. وأهمها أكاسيد الكبريت والنيتروجين.

ومع ذلك ، فإن هذا ينطوي على بعض الصعوبات ، لأنه ينطوي على التأثير على المصالح الاقتصادية والتنموية للشركات والبلدان. على سبيل المثال ، أحد المصادر الرئيسية لثاني أكسيد الكبريت هو حرق الفحم ، والذي يمثل أكثر من 70٪ من الطاقة في الصين.

هناك بعض البدائل التكنولوجية التي يمكن أن تساعد في تقليل الانبعاثات. على سبيل المثال ، في الصناعة ، تشتمل ما يسمى بـ "الطبقات المميعة" على مواد ماصة (الحجر الجيري أو الدولوميت) التي تحتفظ بثاني أكسيد الكبريت. في حالة السيارات ومحركات الاحتراق بشكل عام ، تساعد المحولات الحفازة أيضًا في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت.

من ناحية أخرى ، قامت بعض البلدان بتنفيذ برامج محددة للحد من الأمطار الحمضية. على سبيل المثال ، طورت الولايات المتحدة البرنامج الوطني لتقييم ترسيب الحمض (NAPAP). من بين بعض التدابير التي توختها خطة العمل الوطنية للتكيف ، تنفيذ استخدام أنواع الوقود منخفضة الكبريت.

إجراء محتمل آخر هو استبدال أسطول المركبات بالسيارات الكهربائية لتقليل كل من الأمطار الحمضية والاحتباس الحراري. ومع ذلك ، على الرغم من وجود التكنولوجيا لتحقيق ذلك ، إلا أن الضغط من صناعات السيارات والنفط أخر القرارات في هذا الصدد. العوامل الأخرى التي تؤثر على العناصر الثقافية المتعلقة بالسرعة التي من المتوقع أن تصل إليها السيارة.

تطبيق تدابير تصحيح الحموضة

في بعض الحالات ، يمكن زيادة الرقم الهيدروجيني للتربة والمياه عن طريق إضافة القلويات ، على سبيل المثال عن طريق دمج كميات كبيرة من الجير. ومع ذلك ، فإن هذه الممارسة غير ممكنة في مساحات كبيرة جدًا من الأرض.

حماية السطح

حصاة

هناك طرق مختلفة لحماية أو على الأقل تقليل تدهور الحجر تحت تأثير المطر الحمضي. إحدى هذه الطرق هي غسلها بالبخار أو الماء الساخن.

يمكن أيضًا استخدام العوامل الكيميائية مثل حمض الهيدروفلوريك أو ثنائي فلوريد الأمونيوم. بمجرد غسل الحجر ، يمكن غلقه بوضع منتجات خاصة تسد المسام ، مثل هيدروكسيد الباريوم.

معدن

يمكن حماية الأسطح المعدنية المعرضة للتآكل عن طريق طلاءها بمعدن غير قابل للتآكل مثل الزنك.

لهذا ، يمكن تطبيق الترسيب الكهربائي ، أو يمكن غمر الهيكل المعدني المراد حمايته في المعدن الواقي في الحالة السائلة.

المراجع

1. Espada L و A. Sánchez (1995). تأثير المطر الحمضي على تآكل المعادن. ص. 145-171. في: Sastre de Vicente M. (المنسق) الكيمياء الكهربائية والبيئة على عتبة القرن الحادي والعشرين. جامعة لاكورونيا. خدمة المطبوعات. لاكورونيا ، إسبانيا.
2. غارسيا رويز جي (2018). حماية هياكل المباني في الأجواء المسببة للتآكل. مشروع نهاية الشهادة في الهندسة في التقنيات الصناعية. جامعة البوليتكنيك في قرطاجنة. المدرسة الفنية العليا للهندسة الصناعية. قرطاجنة ، إسبانيا. 75 ص.
3. Granados-Sánchez D و GF López-Ríos و MA Hernández-García (2010). المطر الحمضي والنظم الإيكولوجية للغابات.. سلسلة Revista Chapingo للغابات والعلوم البيئية 16: 187-206.
4. Likens GE و CT Driscoll و DC Buso (1996). الآثار طويلة المدى للأمطار الحمضية: استجابة واستعادة النظام البيئي للغابات. علم ، 272 ؛ 244 - 246.

   Likens GE و FH Bormann (1974). المطر الحمضي: مشكلة بيئية إقليمية خطيرة. Science، 184: 1176-1179.

5. شندلر DW (1988). آثار المطر الحمضي على النظم البيئية للمياه العذبة. Science، 239: 149-157.
6. Vélez-Upegui JJ، MC Valencia-Giraldo، A Londoño-Carvajal، CM González-Duque، JP Mariscal-Moreno (2010). تلوث الهواء والأمطار الحمضية. تشخيص الظاهرة في مدينة مانيزاليس. كلية الهندسة والعمارة. جامعة كولومبيا الوطنية. مقر مانيزاليس. التحرير Blanecolor Ltda. الطبعة الأولى. مانيزاليس ، كولومبيا. 150 ص.