Значение атмосферного массопереноса водорастворимых форм химических элементов

3. Значение атмосферного массопереноса водорастворимых форм химических элементов

Поступившие в атмосферу химические соединения подвергаются глубокому преобразованию. Находясь в тропосфере и являясь ядрами конденсации, почвенные частицы испытывают неоднократное воздействие конденсирующейся воды и растворенных в ней хлор- и сульфат-ионов. При этом значительная часть рассеянных элементов переходит в состояние, способное к растворению.

Каждый литр атмосферной воды при падении капель средней величины, проходя расстояние 1 км, омывает около 300 м³ воздуха, а при очень мелких каплях – значительно больший объем. При этом часть элементов, находящихся в аэрозолях, растворяется. Соотношение растворимых и нерастворимых форм рассеянных элементов в тропосфере очень изменчиво и, вероятно, зависит от многих факторов. Изучение этого соотношения привело исследователей к заключению о том, что в атмосферных осадках над континентами примерно 50% всей массы микроэлементов находится в водорастворимом состоянии, а 50% – в нерастворимых формах. Этот вывод подтверждают наблюдения за выпадением рассеянных элементов из атмосферы на поверхность суши. Не менее 50% металлов поступает с атмосферными осадками в водорастворимой форме. Поведение каждого элемента индивидуализировано: медь преимущественно поступает в водорастворимой форме (80% от всей массы), а для свинца более типичны нерастворимые формы (60% и более).

Представление о массообмене химических элементов между атмосферой, сушей и океаном можно получить путем установления баланса масс растворимых веществ, мигрирующих с атмосферными осадками и речными водами.

Воздушные массы переносят значительные количества не только воды, но и растворимых веществ. Среднюю минерализацию атмосферных осадков над океаном разные авторы определяют равной 10–20 мг/л. Приняв наиболее низкое значение минерализации (10 мг/л), можно предположить, что с поверхности океана в атмосферу переходит не менее 4,6×10⁹ т солей. Средняя минерализация атмосферных осадков над сушей равна 25 мг/л. Следовательно, с поверхности суши в атмосферу поступает и затем выпадает с атмосферными осадками 1,73×10⁶ т солей. Помимо указанных масс известно, что некоторое количество солей выпадает из атмосферы в виде так называемых сухих осаждений, что приблизительно составляет 20% от массы солей, растворенных в атмосферных осадках. С учетом сухих осаждений с поверхности Мировой суши ежегодно поступает в атмосферу (1,73 + 0,35)×10⁹ т солей, а с поверхности океана – (4,6 + 0,92)×10⁹ т. Масса солей, принимающих участие в круговороте воды в бессточных областях суши, равна (с учетом 20% сухих осаждений) 0,23×10⁹ т.

Количество солей, переносимых с Мирового океана на сушу, учитывая сухие осаждения, составляет не менее 0,53×10⁹ т/год. Воздушный перенос морских солей распространяется преимущественно на дренируемую реками часть суши и частично компенсирует вынос речными водами растворимых соединений с этой территории. Вынос минеральных солей речным стоком со всей суши (за исключением ледников Антарктиды и Гренландии), исходя из средней минерализации речных вод по Д.А. Ливингстону (1963), составляет 4,9×10⁹ т. Следовательно, примерно 10% солей, выносимых с суши в океан с речным стоком, ежегодно возвращается обратно из океана на сушу через атмосферу. Глобальный кругооборот воды сопровождается циклическим движением крупных масс солей и химических элементов, выделенных в атмосферу биогеохимическими процессами. Возвратная миграция крупных масс водорастворимых соединений не означает, что химические элементы, вынесенные в форме ионного стока в океан, возвращаются на сушу в тех же соотношениях. Состав речных вод глубоко трансформируется при поступлении в океан. По этой причине в океанических водах соотношение элементов иное, чем в растворимой части речных вод. Кроме того, при образовании океанических аэрозолей и переходе химических элементов из океана в атмосферу имеет место их фракционирование. Химический состав солей атмосферных осадков и солей морской воды также неодинаков.

Таблица 4. Атмосферный перенос на сушу масс главных ионов, растворенных в воде Мирового океана

Не все элементы водного баланса хорошо изучены, поэтому в расчетах исследователей неизбежны некоторые отклонения. Однако порядки величин хорошо согласуются. Из данных табл. 3.4 и 3.5 следует, что значительная часть масс хлора и натрия, присутствующих в речном стоке, поступила с атмосферными осадками океанического происхождения. Совершенно иначе ведет себя кальций. Огромные массы этого элемента выносятся с речным стоком и прочно удерживаются в Мировом океане. Промежуточное положение занимают сульфатная сера, магний и калий. Их большая часть удерживается в океане, но 10 – 20% от масс, выносимых с речным стоком, вновь вовлекается в циклическую атмосферную миграцию между Океаном и континентами.

Таблица 5. Количество ионов морской воды, поступающих на сушу через атмосферу

Более сложное распределение масс водорастворимых форм тяжелых металлов и других рассеянных элементов. Данные о концентрации химических элементов в дождевой воде над континентами свидетельствует о большом разбросе значений (табл. 3.6). Поэтому расчеты и выводы разных авторов сильно расходятся.

Таблица 6. Диапазоны измеренных концентраций рассеянных металлов в дождевых осадках над континентами

Циклические процессы массообмена между поверхностью суши и тропосферой, – с одной стороны, и поверхностью океана и тропосферой – с другой, связаны между собой. По нашим расчетам, суммарный захват дисперсных почвенных частиц с поверхности Мировой суши и поступление их в атмосферу составляет около 5,2×10⁹ т/год. Из этого количества примерно 3,5×10⁹ т возвращаются на поверхность суши, а (1,7–1,8)×10⁹ т поступают в пределы акватории. В циркумконтинентальной зоне по периферии суши, примерно соответствующей зоне шельфа, среднее осаждение пыли равно 15 г/м² в год. В открытой части океанов и над сушей, покрытой ледниками, среднее осаждение значительно меньше – 3 г/м² в год. Соответственно в циркумконтинентальной зоне, занимающей около 10% от общей акватории Земли, выпадает (0,5–0,6)×10⁹ т/год пыли, на поверхности открытой части океана и площади материковых ледников – около (1,1–1,2)×10⁹ т/год. Одновременно с переносом пыли с суши выносятся десятки и сотни тысяч тонн цинка, свинца, меди и других тяжелых металлов,

С океана на сушу через тропосферу перемещается встречный поток тяжелых металлов. Метилизация и другие биогеохимические процессы, способствующие образованию летучих соединений металлов в гидроморфных ландшафтах суши, также широко распространены в поверхностном слое океана. Расчет баланса металлов в глобальной системе атмосфера – поверхность океана – донные осадки показал, что в донные осадки удаляется лишь часть тяжелых металлов, поступающих на поверхность океана с атмосферными осадками. Так как содержание металлов в воде океана не возрастает, можно заключить, что значительная часть поступающих из атмосферы металлов вновь возвращается в тропосферу. Механизм этого массообмена во многом еще не ясен, но несомненно важную роль в нем играют биологические процессы образования летучих органических соединений металлов, в первую очередь – метилизация. Можно предположить, что в течение года из океана в атмосферу поступают сотни тысяч тонн цинка, свинца, меди и других химических элементов, которые вновь возвращаются в океан с жидкими и твердыми атмосферными осадками.

Различия в составе аэрозолей и паров в воздушных массах континентального и океанического происхождения отчетливо проявляются на контакте суши и океана. Влияние суши наиболее заметно сказывается в поступлении в океан высокодисперсного минерального вещества. В прибрежной зоне океана не только в 5 раз больше масса выпадающих частиц аэрозолей, чем в пелагической (открытой) части, но и более высокая концентрация железа, алюминия, марганца, галлия и других терригенных рассеянных элементов. На протяжении года на поверхность океана выпадает из атмосферы:

Поступление, г/м² Химический элемент

Fe Mn Ga

Прибрежная зона……………… 0,7 20,0 0,9

Пелагическая зона……………. 0,09 1,6 0,06

Влияние океана проявляется в поступлении водорастворимых форм химических элементов на приморскую полосу суши и особенно на острова. Атмосферные осадки океанического происхождения не только приносят большие массы главных компонентов морских солей (натрия, магния, хлора, сульфатной серы), способствуя повышению содержания этих элементов в окружающей среде приморской зоны. Не менее важно, что в атмосферных осадках морского происхождения тяжелые металлы и близкие им элементы находятся в ином соотношении, чем на суше. Обнаружено, что коэффициент обогащения тяжелых металлов относительно алюминия или железа в атмосферных осадках увеличивается в приморской полосе по сравнению с осадками во внугриконтинентальных районах. Зона геохимического влияния океана не распространяется далее 100–200 км в глубь суши, а чаще ограничивается значительно меньшими расстояниями. Эта зона отчетливо выделяется на картах по концентрации талассофильных элементов в атмосферных осадках или по их поступлению с осадками на единицу площади.

На рис. 5 показано распределение хлора и натрия – элементов, в наибольшем количестве поступающих из океана в атмосферу, в атмосферных осадках на территории США. Области повышенных концентраций приурочены к приморской полосе континентов, причем особенно сильный привнес этих элементов происходит со стороны Атлантического океана.

Зная годовое количество атмосферных осадков и концентрацию элементов, можно оценить модуль поступления солей на единицу площади. Еще Ф. Кларк подсчитал, что на поверхность всей суши с атмосферными осадками ежегодно поступает 1,8 млрд. т солей. Близкая величина получена автором: около 1,8 млрд. т солей континентального и 0,44–0,5 млрд. т океанического происхождения, т.е. 2,2–2,3 млрд. т. Это составляет около 15 т/км². Согласно подсчетам М.Е. Берлянда (1975), вне городов в разных районах с атмосферными осадками поступает от 5 до 15 т/км² минеральных веществ. По данным В.П. Зверева и В.З. Рубейкина (1973), на территорию бывшего СССР в год с атмосферными осадками поступает 259 млн. т солей, что составляет около 12 т/км². Поступление солей из атмосферы в среднем равно (т/км²): в лесных ландшафтах – 7–11, в степных – до 17–18, в сильно засушливых повышается до 22. Особенно велико поступление солей в прибрежных районах, где, по данным американского геофизика Р.Д. Кэдла (1976), оно достигает 340 и даже 470 т/км² в год. Приведенные сведения показывают, что атмосферная миграция и обмен вещества между сушей, океаном и атмосферой способствуют геохимической неоднородности поверхности суши. Эта неоднородность становится еще более отчетливой, если рассматривать Распределение отдельных элементов.

Рис. 5. Распределение концентрации (г/л) хлора и натрия в атмосферных осадках на территории США

Как отмечено ранее, из главных ионов морской воды наиболее активно из океана на сушу мигрирует хлор, наименее – кальций, этой причине на европейской части России наибольшие поступления хлора, намечающиеся изолинией 10 кг/га (или 1 т/км²), ограничены прибрежными полосами на севере и юге, наименьшие поступления приходятся на внутриконтинентальные районы (рис. 6).

Рис. 6. Годовое количество (кг/га) ионов кальция и хлора, поступающих на поверхность почвы с атмосферными осадками на территорию Восточной Европы

Совершенно иное поступление с атмосферными осадками кальция. Наибольшие массы этого элемента выпадают примерно на территории Украины (более 30 кг/га), к югу и северу это количество уменьшается до 8–16 кг/га. В северных районах Восточно-Европейской равнины выпадение кальция еще ниже – до 3 кг/га. Не только главные, но и рассеянные элементы, содержащиеся в атмосферных осадках, неравномерно распределяются по площади суши. Обнаружено, что в аэрозолях соотношение некоторых рассеянных металлов (меди, никеля, кадмия) с железом увеличивается при переходе от внутриконтинентальных территорий к прибрежным и далее к открытому океану. Таким образом, изначальная геохимическая неоднородность земной коры не сглаживается, а усиливается в результате атмосферной миграции химических элементов.

Следует отметить, что поступление с атмосферными осадками химических элементов не приводит к их прогрессирующему накоплению на суше в целом или на ее отдельных участках. Это объясняется цикличностью обмена масс в системах суша – атмосфера–суша и суша – океан – атмосфера – суша. В первом приближении определенное превышение выноса веществ с континентальным стоком над поступлением на сушу океанических солей обеспечивает динамическое равновесие океана, обмен вещества в системе океан – атмосфера – океан и формирование осадочных отложений.

При детальном рассмотрении очевидно, что глобальные миграционные циклы состоят из менее протяженных циклов, охватывающих конкретные территории.

Заключение

Разные территории характеризуются неодинаковыми массами химических элементов, вовлеченных в циклическую – водную и атмосферную миграцию. Например, на приморских территориях, получающих большое количество океанических солей, соответственные массы этих солей захватываются в водную миграцию и включаются в цикл системы суша–океан – атмосфера–суша. Мигрирующие элементы транзитно проходят эту территорию, лишь частично задерживаясь на небольших участках. Внутриконтинентальные хорошо увлажняемые области получают небольшое количество солей с атмосферными осадками, и соответственно небольшие массы солей вовлекаются в водную миграцию. Относительно внутриконтинентальных засушливых регионов, которые получают большое количество солей с атмосферными осадками, может сложиться впечатление, что для них характерно нарастающее засоление. В действительности примерно такое же количество солей захватывается ветром и включается в циклическую миграцию суша – атмосфера–суша. В частности, это типично для Казахстана и Средней Азии, где с атмосферными осадками в год поступает в среднем около 20 т/км² солей, что более чем в 2 раза превышает поступление в лесостепных и южно-таежных районах Западной Сибири.

Неодинаковое поступление наиболее активных водорастворимых форм химических элементов на поверхность разных регионов является важным фактором распределения элементов в растительном покрове суши и образования региональных особенностей биогеохимических процессов.

Литература

1.  Бондарев Л.Г. Роль растительности в миграции минеральных веществ в атмосфере // Природа. – 1981. – №3. – С. 86–90.

2.  Вернадский В.И. О значении почвенной атмосферы и ее биогенной структуры // Почвоведение. – 1944. – №4–5. – С. 137–143.

3.  Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция Земли. – М.: Недра, 1986. – 272 с.

4.  Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние – М.: Мысль, 1983. - 272 с.

5.  Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. – М/ Изд-во МГУ, 1984. – 192 с.

6.  Микроэлементы в атмосфере фоновых районов суши и океана / А.X. Остромогильский, Ю.А. Анохин, В.А. Ветров и др. – Обнинск: Информационный центр ВНИИГМИ – МПД, – 1981. – 41 с.

7.  Микроэлементы в природных водах и в атмосфере / Т.Н. Жигаловская, Э.П. Маханько, А.И. Шилина и др // Тр. Ин-та экспериментальной метеорологии. – М.: Гидрометеоиздат. – 1974. – Вып. 2 (41). – 182 с.