3.3. значение атмосферного массопереноса водорастворимых форм химических элементов

3.3. 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 хлори 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 (Миклишанский А.3. и др., 1978). Этот вывод подтверждают наблюдения за выпадением рассеянных элементов из атмосферы на поверхность суши. Не менее 50 \% металлов поступает с атмосферными осадками в водорастворимой форме (Жигаловская Т.Н. и др., 1974). 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.

Зная концентрацию химических элементов в осадках океанического происхождения и в континентальном стоке, можно определить, какую часть стока элементов составляет их возврат с океана на сушу (табл. 3.4).

Таблица 3.4

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 3.5

Количество ионов морской воды, поступающих на сушу

через атмосферу (по В.С.Савенко, 1976)

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 3.6

Диапазоны измеренных концентраций рассеянных металлов

в дождевых осадках над континентами

(по А.X.Остромогильскому и др., 1981)

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. 3.5 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.

Рис 3.5. Распределение концентрации (г/л) хлора и натрия в

атмосферных осадках на территории США

(по Г. Гаррелсу и Ф Маккензи, 1971)

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. 3. 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.

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. 3.6).

Рис. 3 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 (Добровольский В. В., 1980) 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.

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.

Рекомендуемая литература

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

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

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

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

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

Микроэлементы в атмосфере фоновых районов суши и океана / А. X. Ост-ромогильский, Ю.А.Анохин, В.А.Ветров и др. — Обнинск: Информационный центр ВНИИГМИ МПД, 1981. 41 с.

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

Контрольные вопросы

1. В какой группе современных организмов связана большая часть углерода углекислого газа (Сорг), фиксированного на фотосинтезе?

2. В остатках каких организмов связана большая часть Сорг, фиксированного в фотосинтезе за всю геологическую историю?

3. Какие группы организмов в настоящее время выделяют большую часть кислорода?

4. В каких формах находится кислород, выделенный фотосинтезирую-ими организмами за всю геологическую историю?

5. Каково происхождение первичной газовой оболочки Земли и какой химический состав она могла иметь?

6. Охарактеризуйте глобальные газовые функции микроорганизмов.

7. Каковы биогеохимические факторы, влияющие на «парниковый эффект»?

8. Что представляют собой процессы биометилизации и каково их глобальное значение?

9. Какие биогеохимические процессы способствуют аккумуляции тяжелых металлов в аэрозолях?

10. В чем сущность аэробиогеохимического метода поиска месторождений руд?

Темы для самостоятельной работы

1. По реакции фотосинтеза и на основании данных, приведенных в справочном материале, рассчитайте массу кислорода, аккумулированного в современной атмосфере благодаря:

а) скоплениям торфа;

б) растительным остаткам, образующим лесные подстилки.

2. Исходя из средней концентрации свинца в атмосферных осадках над сушей, равной 1—3 мкг/л, определите массу свинца, выпадающего на поверхность континентов на протяжении года. Ответьте на вопрос: каковы главные источники поступления свинца в атмосферу?