 |
Аэральная миграция химических элементов из океана на сушу и с материков в пределы Мирового океана
|
|
|
|
Надземная атмосфера в основном состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа. Объемные проценты среднего состава воздуха на уровне моря лишенного водяных паров составляют: 78.09%, 20.95%, 0.93% и 0.03% соответственно. Кроме этого, в атмосферном воздухе содержатся инертные газы, водород, метан, окислы азота, аммиак, озон, пары йода, ртуть, летучие вещества, выделяемые растениями (фитанциды), радон. Переменными компонентами воздуха являются вода в твердой, жидкой и газообразной фазах, пыль, микроорганизмы. Атмосфера обладает свойствами коллоидных систем и основная часть примесей в атмосфере содержится в виде аэрозоля.
Перемещение примесей воздушными потоками называется воздушной (аэральной) миграцией. Суммарная геохимическая нагрузка атмосферных потоков определяется аэрозолями самого разного размера - от ионов и агрегатов молекул до частиц. Количественно преобладают частицы размером меньше 0.1 мкм (частицы Айтмена). Эти частицы являются основными ядрами конденсации водяного пара. Частицы более крупного размера определяют основную часть суммарной массы аэрозольных примесей, но численно они уступают частицам Айтмена.
Геохимическую нагрузку аэрогенные потоки приобретают в результате обмена с подстилающей поверхностью вследствие турбулентности воздушных масс и конвекции в ней.
Выводится аэрозольная нагрузка тремя способами: седиментационным оседанием, импакцией части и влажным выпадением.
Путем седиментациионного оседания выпадают прежде всего самые крупные частицы. Темпы оседания зависят от аэродинамических характеристик приземного слоя.
Импация или соударение частиц с подстилающей поверхностью происходит при турбулентном перемешивании. При этом количество выпадающих части зависит от характера поверхности и, прежде всего, ее шероховатости. Так, растительный покров, усиливая турбулентность и увеличивая шероховатость поверхности, представляет для осаждения площадь в несколько раз большую (в соответствии с листовым индексом), чем площадь земной поверхности под ней. Поэтому над лесами происходит более полная очистка приземного слоя. В хвойном лесу удаляется до 80% пыли, в широколиственном - в 2 раза меньше. Таким образом, оседают субмикронные частицы. Материал, выводимый из миграции этими способами, объединяется термином сухие выпадения.
|
|
|
Влажные выпадения связаны с вымыванием примесей атмосферными осадками. Этим механизмом примеси выводятся более полно, чем при сухом выпадении, так как выводятся частицы, по своим характеристикам неспособные к седиментации. Процесс влажного выпадения может быть внутриоблачным и подоблачным. В первом случае примеси являются ядрами конденсации и адсорбируются мелкокапельной влагой. В этот процесс вовлекаются и газообразные компоненты. При подоблачном вымывании при выпадении осадков из промываемого столба воздуха механическим путем, растворением и адсорбцией удаляются частицы любых размеров
Источники геохимической нагрузки.
Химический состав аэрогенных миграционных потоков формируется под воздействием многих факторов. Компоненты его состава в зависимости от свойств и генезиса могут подразделяться на микро - и макрочастицы, на растворимые и нерастворимые, глобальные и локальные, природные и антропогенные.
Природные аэрозоли попадают в атмосферу главным образом за счет вулканической деятельности. Пепло-газовые выбросы при извержениях вулканов достигают больших высот вплоть до стратосферы. В вулканических выбросах преобладает сернистый газ, который в атмосфере окислятся в первые же дни после выброса до сульфатов. Из верхних слоев тропосферы и стратосферы эруптивные выбросы и их производные распространяются на всю толщу тропосферы.
|
|
|
Например, выбросы вулкана Сент - Хеленс (1980) достигли высот 20 км. В результате извержения в стратосферу поступило около 106т сернистого газа, которые привели к образованию сернокислых аэрозолей размером 0.008-0.16 мкм, заполнивших всю тропосферу.
Ниже 5 км основной вклад в состав аэрозолей вносит подстилающая поверхность. Но даже в центре Тихого океана на высоте 2 км соотношение SO4Cl и SO4 Na (континентальных и морских ионов) на порядок выше, чем в морской воде. Большое содержание сульфатов объясняется стоком стратосферных аэрозолей и их значительной долей даже в приземном слое.
В береговой зоне, особенно у абразионных берегов основным источником атмосферных аэрозолей являются морские соли. При распылении морской воды и последующем ее испарении возникают «гигантские» аэрозольные частицы, время существования которых в атмосфере невелико. Из-за больших размеров они быстро оседают и характерный морской (хлоридный) состав аэрозолей прослеживается лишь на первых километры от берега. Особенно быстро удаляется морская компонента в горных районах.
В целом же, формирование аэрозольной нагрузки приводного слоя атмосферы, а, следовательно, и состава атмосферных осадков, выпадающих под океанами и в прибрежных районах, обусловлено качественно разнородными процессами, а не только распылением морской воды. Поэтому жесткие связи между содержанием хлоридов или натрия и другими элементами устанавливаются не всегда. Над открытыми поверхностями спокойного океанами перенос солей в атмосферу связан с распылением тонкой пленки солей, формирующейся у поверхности воды. Разрыв этой пленки осуществляют мелкие пузырьки газа, покидающего воду. При разрыве пленки в атмосферу поступают частицы размером 0.001-0.001 мм. Они включаются в атмосферный перенос, определяя химический состав атмосферных осадков и перенос морских солей с моря на сушу.
Изучение химического состава морских осадков над центральной частью Тихого океана, где влияние суши минимально, показало, что и здесь атмосферные осадки, в сопоставлении с составом морской воды, относительно обогащены континентальными ионами SO4,2 - Ca2+, Mg2+ по сравнению с морскими Cl- и Na+.
|
|
|
Анализы химического состава облачной воды показали, что перенос ионов из океана в атмосферу создает концентрацию солей в 8-10 мг/л. Более высокая минерализация морских дождей, особенно в прибрежных районах, связана с подоблачным вымыванием солей, поступающих в атмосферу другими путями. Избыток сульфатов в морских осадках объясняют несколькими причинами:
поступлением из стратосферы потока газообразных соединений серы;
поступлением из морской воды, особенно над районами с высокой продуктивностью моря;
фракционированием ионов и иным солевым составом поверхностной пленки по сравнению со средним составом морской воды.
Над континентами состав аэрозолей в значительной степени определяется литологическими особенностями подстилающей поверхности и жизнедеятельностью растений. Определение химического состава аэрозолей и пыли снега во внутриконтинентальных районах говорит о составе близком к среднему составу литосферы.
Еще одним мощным источником поступлений растворимых компонентов в атмосферу является транспирацонный перенос солей. В процессе фотосинтеза растения транспирируют большое количество воды. Например, для создания 1 г сухого вещества дуб транспирирует 340 г. воды. Общая транспирация для широколиственных пород составляет 800-1200 мг/дм2 листовой пластинки в час. Жидкость, заполняющая сосуды растений представляет собой раствор с суммарной концентрацией органических и неорганических соединений, равной 0.1-0.4%. При испарении происходит или целенаправленный «сброс» лишних химических соединений или «неизбежные потери» определенной части соединений и элементов. Вещественный состав транспирационных выделений очень разнообразен и определяется двумя факторами: генотипической программой организма или влиянием условий произрастания. Например, конденсаты транспирации влаги галофитов содержат сульфатов, хлоридов и натрия в 3-4 раза больше, чем выделения злаков. Одни и те же виды растений дают выделения, отражающие различия в содержании химических элементов в почве.
|
|
|
В результате над крупными лесными массивами наблюдается биогенное обогащение приземного слоя, в частности повышение концентрации калия в дождевой воде. Над бассейном Амазонки - крупнейшим на Земле регионом с влажными тропическими лесами, транспирация которых достигает максимальных значений, в осадках наблюдается увеличение концентрации кальция, калия, серы. При этом калием обогащены наиболее мелкие частицы (0.25-1 мкм), которые рассматриваются как продукты газовотвердофазных переходов, конденсирующих выделения растительности. Факторный анализ состава аэрозолей над Амазонкой позволил главными источниками K, P, S, Ca, Mg в приземной атмосфере считать растительность. Исследования в Сихотэ-Алине показали следующие соотношения калия и натрия в дожде - 0.1-0.28 у моря, 2-3 в 65 км от берега. В транспирационной влаге разных растений это соотношение колеблется от 0.44 до 2.3.
Дождевая вода содержит также некоторое количество перекиси водорода, наличие которого связывают с электролитическими процессами в атмосфере. Установлено, что в грозовом облаке его содержание составляет 1 мг/л.
Кроме минеральных (катионогенных) элементов, растительность выделяет летучие органические вещества из группы терпенов. Так, для ясеня и березы установлено выделение спирта, углеводорода и альдегидов. Всего идентифицировано более 70 летучих органических соединений, выделяемых растениями. Вымыванием органических компонентов из приземного слоя объясняется постоянное присутствие в дождевой воде растворенного органического углерода. Содержание органических веществ в атмосфере связано с физиологической активностью растений. Отмечено, что в лесах с высоким запасом биомассы концентрация одного из терпенов - изопрена в воздухе на уровне крон максимальна в середине дня, уменьшается к вечеру и почти равна нулю перед рассветом.
Исследованиями последнего десятилетия выявлен еще один аспект влияния растений на химический состав атмосферного воздуха в глобальном масштабе - равновесная растворимость углекислого газа в дождевой воде обуславливает значение рН дождевой воды равный 5.6. Более кислые осадки обычно связывают с поступлением в атмосферу окислов серы, азота из антропогенных источников. Сборы дождевой воды в фоновых гумидных районах, где нет оснований ждать влияния техногенных источников (Амазонка, о. Амстердам в Индийском океане, север Австралии) показали, что средневзвешенное значение рН равно 4.4-4.9, причем в залесенных районах он ниже, чем в безлесных.
|
|
|
Потенциометрическое тестирование показывает, что только часть кислотности дождевой воды (10-45% суммы) связано с сильными минеральными кислотами (серной и азотной). Преобладают же слабые кислоты с низкой степенью диссоциации. Донорами протонов являются муравьиная и уксусная кислота, предполагают так же присутствие щавелевой и пировиноградной кислот. При этом концентрация кислот в газовой фазе, вымываемой дождями, на два порядка выше, чем в аэрозолях. В дождевой воде муравьиная и уксусная кислоты в сумме составляют более половины эквивалентов анионов.
Присутствие органических слабо диссоциирующих кислот отмечено и в осадках умеренной зоны, где их значение в определении кислотности подавлено неорганическими кислотами. Исследования сезонной и суточной динамики содержания муравьиной и уксусной кислот в газовой фазе и в осадках показало, что в вегетационный период их концентрация в 2-3 аза выше, чем зимой, а в течение суток - минимальные значения наблюдаются перед восходом солнца. Определение содержания уксусной, масляной, валериановой кислот составляет 30-300 мкг-экв/л.
Таким образом, транспирационный вынос во многом определяет геохимическую специфику приземного слоя, выраженного в химическом составе атмосферных осадков, и отражает геохимические особенности конкретных ландшафтов.
Для оценки интенсивности воздушной миграции предложены два коэффициента:
Ка - коэффициент атмогеохимической миграции - отношение количества (Вх) элемента х, поступившего с осадками за год, к его количеству (Р х), потребляемому растениями за год.
Ка= 
,
Этот коэффициент определяет долю элемента х, как воздушного мигранта, в минеральном питании растений.
КИ - коэффициент гидрогеохимической активности, равный отношению количества (Vx) элементa x, выносимых ионным стоком за год, к их количеству (Qx), поступающему с атмосферными осадками.
и= 
Этот коэффициент отражает соотношение входящих и выходящих потоков элемента х в ландшафте.
Эти же коэффициенты можно использовать для расчета соотношений не одного, а для сколь угодного количества элементов, для определения общего баланса воздушных и водных мигрантов в ландшафте.
|
|
|
