Сера образует ряд летучих соединений, присутствующих в атмосфере. Хотя концентрация их незначительна - около 10-4 ppm
(на четыре порядка ниже, чем CH4, и на шесть порядков ниже, чем CO2),
они могут оказывать значимое влияние на климат и на химический состав выпадающих осадков
Наиболее распространенные вещества:
- диоксид серы (сернистый газ) SO2 выделяется при извержении вулканов и при сжигании ископаемого топлива
- сероводород H2S часто образуется при гниении органических остатков в анаэробных условиях
- сульфат-ион SO42- попадает в воздух из морской воды при высыхании капель
- диметилсульфид (CH3)2S образуется морским фитопланктоном
Диоксид серы, или сернистый ангидрид (сернистый газ). Сера попадает в атмосферу в результате многих природных процессов, в том числе испарения брызг морской воды, развевания серосодержащих почв в аридных районах, эмиссии газов при извержениях вулканов и выделения биогенного сероводорода (Н2S).
Наиболее широко распространенное соединение серы - сернистый ангидрид (SO2) - бесцветный газ, образующийся при сгорании серосодержащих видов топлива (в первую очередь угля и тяжелых фракций нефти), а также при разных производственных процессах, например плавке сульфидных руд.
Сернистый газ особенно вреден для деревьев, он приводит к хлорозу (пожелтению или обесцвечиванию листьев) и карликовости. У человека этот газ раздражает верхние дыхательные пути, так как легко растворяется в слизи гортани и трахеи. Постоянное воздействие сернистого газа может вызвать заболевание дыхательной системы, напоминающее бронхит. Сам по себе этот газ не наносит существенного ущерба здоровью населения, но в атмосфере реагирует с водяным паром с образованием вторичного загрязнителя - серной кислоты (Н2SО4). Капли кислоты переносятся на значительные расстояния и, попадая в легкие, сильно их разрушают. Наиболее опасная форма загрязнения воздуха наблюдается при реакции сернистого ангидрида с взвешенными частицами, сопровождающейся образованием солей серной кислоты, которые при дыхании проникают в легкие и там оседают.
Соединения серы частично попадают в атмосферу естественным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать загрязнение серой только на этой территории.
Существуют три основных источника естественной эмиссии серы.
Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробних (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят разные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому сера, которая находится в них, образует газообразные соединения. Вместе с тем некоторые анаэробные бактерии изымают из сульфатов, раскрытых в естественных водах, кислород, в результате чего получаются сернистые газообразные соединения.
Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу вместе с большим количеством диоксида серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается увеличение концентрации соединений серы в более высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает близко 2 млн т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительное в сравнении с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов есть самым важным источником появления серы.
Поверхность океанов. После испарения капель воды, которые поступают в атмосферу из поверхности океанов, остается морская соль, которая содержит вместе с ионами натрия и хлора, соединение серы - сульфаты. Вместе с частицами морской соли ежегодно в атмосферу попадает 50-200 млн т серы, которое намного большее, чем эмиссия серы биологическим путем. В то же время частицы соли через свои большие размеры быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только незначительная часть серы попадает в более верхние слои и распыляется над сушей.
В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом виде ее диоксида. Среди источников этих соединений первое место занимает уголь, который сжигается в домах и на электростанциях и дает 70% антропогенных выбросов. В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.
Содержимое серы в неочищенной нефти также довольно большой, в зависимости от места происхождения (0,1-2%). При сгорании нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньшее, чем при сгорании угля.
Источниками образования двуокиси серы могут быть также отдельные области промышленности, главным образом металлургическая, а также предприятия из производства серной кислоты и переработки нефти. На транспорте загрязнения соединениями серы относительно незначительное.
Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн т серы в виде диоксида серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 2 раза больше, чем это происходит в природе. И вдобавок эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные.
Образование серной кислоты в воздухе.
В присутствии катализаторов (ими служат железо и марганец, также присутствующие в ископаемом топливе) растворенный в воде SO2 легко превращается в ион SO42-, который при взаимодействии с парами воды образует серную кислоту H2SO4
Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата.
Кислый дождь - содержащий кислоты, образующиеся в результате растворения в атмосферной влаге окислов серы, азота, хлористого водорода и др. промышленных выбросов. Попадание таких осадков в водоемы и почву приводит к гибели рыбы, резкому снижению плодородия сельхозугодий, прироста лесов и их усыханию.
Диметилсульфид.
Многие морские планктонные водоросли (но не диатомовые) синтезируют диметилсульфониопропионат (необходим для осморегуляции) В ходе метаболизма из диметилсульфониопропионата образуется диметилсульфид (CH3)2S - летучее соединение, плохо растворимое в воде.
Он вступает в реакцию с кислородом, образуя частицы сульфатов. На их поверхности конденсируются водяные пары. Образуются капли. Постепенно над океаном зарождаются облака. Чем жарче погода, тем больше диметилсульфида выделяют водоросли, тем облачнее становится небо. Итак, от деятельности этих микроорганизмов и зависит погода на континентах.
