Газовая оболочка Земли - курсовая работа

Газовая оболочка Земли

Введение

Становление Земли как планеты сопровождалось формированием ее зонального строения и общепланетарной дифференциацией химических элементов. Принято считать, что первым результатом дифференциации было образование тяжелого ядра и силикатной мантии. Результаты изотопного анализа дают основание предполагать, что возникновение наружных фазовых оболочек - твердой, жидкой и газовой - также произошло на раннем этапе развития планеты.

Обособление наружных оболочек не означает, что одновременно был образован их стабильный химический состав. С момента обособления началась эволюция их состава, в которой выдающуюся роль сыграло живое вещество. Наиболее сильно воздействие биогеохимических процессов сказалось на составе атмосферы.

1. Биогеохимическая эволюция состава атмосферы и жизнедеятельности организмов в массообмене газов

История формирования атмосферы служит ярким примером воздействия живого вещества на окружающую среду. Факты, полученные в последние годы, свидетельствуют, что состав современной газовой оболочки Земли является итогом длительного процесса, в котором ведущее значение имела геохимическая деятельность живых организмов.

Масса атмосферы составляет около 5,210¹⁵ т. Основная часть газового вещества (80%) заключена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на высоте около 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8 - 10 км. Верхняя граница тропосферы - тропопауза - намечает область сильного снижения температуры и отсутствия скопления паров воды. Тропосфера является областью активного взаимодействия с океаном и сущей, в ней сосредоточена основная масса паров воды и мелких твердых частиц, переносимых воздушными массами. В тропосфере происходят фотохимические реакции, имеющие важное значение для биосферы.

Выше тропопаузы, в стратосфере и мезосфере, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте 25 - 30 км под воздействием солнечной радиации происходит Фотодиссоциация молекул кислорода и образуется озон. Молекулы озона сильно рассеяны. Если бы они находились в условиях, обычных для поверхности Земли, под давлением 1 атм (101325 Па), то мощность озонового слоя была бы менее 1 см. Очень разреженный слой озона поглощает 97% ультрафиолетовой части солнечной радиации. Без этого экрана существование жизни на поверхности суши было бы невозможно.

На удалении от 80 до 800 км от поверхности Земли располагается ионосфера - область сильно разреженного, ионизированного газа. Самая наружная часть газовой оболочки - экзосфера - простирается до 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация - потеря Землей наиболее легких атомов водорода и гелия.

Состав газовой оболочки Земли, как и состав Океана, в значительной мере обусловлен деятельностью живых организмов и поддерживается системой биогеохимических циклов. В настоящее время газовое вещество атмосферы на 99,9% состоит из азота, кислорода и аргона (табл. 1). Среди компонентов, содержащихся в малых количествах, можно выделить пары воды, инертные газы и соединения, обусловленные биологическими процессами и фотохимическими реакциями.

Таблица 1. Химический состав атмосферы

Большой интерес для реконструкции истории атмосферы представляет геохимия инертных газов. Относительно высокое содержание аргона связано с тем, что большая часть этого газа представлена изотопом ⁴⁰Аг, образованным за счет распада радиоактивногол изотопа калия ⁴⁰К. Количество гелия в атмосфере, наоборот, в 1000 раз меньше, чем должно быть. Это обусловлено непрерывной диссипацией этого элемента. Остальные инертные газы содержатся в том количестве, в каком они были выделены на протяжении всего времени существования Земли. Изучение соотношения изотопов ксенона привело геохимика Ю.А. Шуколюкова (1988) к заключению, что газовая оболочка возникла за очень короткий отрезок времени, который примерно совпадает со временем аккреции Земли. Предполагают, что быстрое образование атмосферы обусловлено энергичным выделением газов при ударах метеоритных тел на ранней стадии развития земной коры.

В составе первичной атмосферы присутствовали пары воды, СО₂, N₂, NH₃, H₂, H₂S, CO, CH₄, HF, HC1. Преобладал, по-видимому, азот. Содержание СО₂ было не слишком высоким, не позволившим из-за «парникового эффекта» испариться древнему океану. Газы, поступавшие из недр Земли (за исключением инертных), были представлены, как и современные вулканические эманации, восстановленными или недоокисленными соединениями.

Под воздействием солнечной радиации в атмосфере происходила диссоциация паров воды. Непрерывное удаление главного восстановителя - водорода - в результате диссипации вызывало прогрессирующее накопление окислителей. Это имело два важных последствия. Во-первых, постепенно образовывался экран, предохраняющий поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации. Во-вторых, возник процесс окисления восстановленных газов, непрерывно поступавших из мантии, окислителями фотохимического происхождения, которые постоянно возобновлялись в результате диссипации водорода. Окисленные соединения растворялись в конденсирующейся атмосферной влаге и вымывались из атмосферы дождями. Этот процесс, имевший циклический характер, наметил направленность будущих биогеохимических циклов.

Наиболее древние биогеохимические процессы, очевидно, связаны с жизнедеятельностью хемолитотрофных бактерий. В качестве аналога форм древней жизни микробиологи рассматривают термофильные литотрофные бактерии, существующие в горячих источниках при температуре, близкой к 100°С. Специальные микробиологические исследования наземных и подводных гидротерм а дне океана показали, что в настоящее время существуют сообщества термохемолитотрофных бактерий, субстратом которых служат вулканические газы. Такие микроорганизмы окисляли восстановленные газообразные соединения и за счет энергии этих реакций синтезировали органическое вещество. Разумеется, это не сопровождалось продуцированием кислорода. Хемолитотроф-ные сообщества, включившиеся в механизм взаимодействия окислителей атмосферы с восстановленными газами, выделявшимися из земных недр, знаменуют первый этап геохимической деятельности живого вещества. Вхождение организмов в глобальную систему миграции - выделение газов из Земли в атмосферу, их окисление и последующее вымывание из атмосферы - усложнило систему и превратило ее из абиогенной в биогенно-абиогенную.

Следующий этап связан с распространением цианобактерий (сине-зеленых водорослей), которые для синтеза органического вещества начали использовать не энергию окислительно-восстановительных химических реакций, а световую энергию Солнца. Признаки деятельности этих простейших форм жизни отмечены уже в самых древних геологических образованиях. Таков комплекс пород Исуа в Западной Гренландии, содержащий органические соединения и оксиды железа и имеющий возраст 3,8 млрд. лет; углеродистые сланцы Онвервахт серии Свазиленд в Южной Африке с возрастом 3,4 млрд. лет. В кремнистых образованиях Варавууна (Западная Австралия), возраст которых определен в 3,5 млрд. лет, уже обнаружены строматолиты - структуры, созданные сообществами цианобактерий. Древнейшие жизненные процессы протекали в водной среде при наличии свободного кислорода, свидетельством чему являются полосчатые железо-оксидные кварциты Исуа. Возможно, присутствие свободного кислорода было не повсеместным, а лишь на отдельных участках. При реакции фотосинтеза кислород стал выделяться в качестве метаболита. Для цианобактерий свободный кислород токсичен, они нормально развиваются при его отсутствии. Широкому распространению цианобактерий в древнем океане способствовало быстрое связывание кислорода в форме оксида железа и сульфатов. По этой причине, несмотря на фотосинтетическую деятельность цианобактерий, содержание свободного кислорода в океане и атмосфере длительное время не увеличивалось. Лишь после окисления двухвалентного железа, растворенного в древних океанах и первоначально связанного в форме сидеритов, из которых впоследствии образовались мощные толщи железистых кварцитов (джес-пелитов), началось накопление кислорода в атмосфере. По расчетам немецкого геохимика М. Шидловского (1980), в оксидах железа связано примерно 56% всего выделившегося в результате фотосинтеза кислорода, в сульфатах - 39% и только 5% находится в свободном состоянии и распределено между атмосферой и океаном (рис. 3.1).

Рис. 1. Поступление и распределение масс кислорода фотосинтетического происхождения в биосфере

Восходящая кривая - биогенное продуцирование кислорода; вертикальная линия - начало летописи осадкообразования и появление полосчатых песчаников с оксидами железа, вехи биологической революции; I - появление фотоавтотрофных сине-зеленых водорослей, II - появление эукариот; III - появление древней морской многоклеточной фауны; IV - распространение жизни на сушу; V - появление континентальной растительности; распределение масс кислорода: 1 - связанный в [SO₄]^-2; 2 - связанный в Fe₂O₃; 3 - свободный молекулярный в системе океан - атмосфера

Содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться 1,8 - 2,0 млрд лет назад. Это проявилось в образовании континентальных красноцветных толщ, свидетельствующих о том, что окисление растворенного в океане железа в основном закончилось и началось его окисление на суше.

Биогеохимической особенностью цианобактериальной системы являлось преобладание продукционных процессов над деструкционными. В результате этого в толще осадков древних морей было погребено огромное количество органического углерода, а в окружающую среду выделено в 2,7 раза большее количество кислорода. Изменение геохимии древних океанов и атмосферы создало предпосылки для совершенствования биогеохимических Циклов.

По мнению микробиологов, прокариоты (бактерии и сине-зеленые водоросли) отличаются большой устойчивостью и консервативностью. Функционирование прокариотной системы продолжалось на протяжении огромного интервала времени - 1,5-2 млрд. лет. Около 1,5 млрд. лет назад произошел постепенный переход от цианобактериальных сообществ к сообществам алъгобактериалъным. Вероятно, определяющую роль в этом событии сыграло накопление свободного кислорода в океане и атмосфере и как результат - создание новых условий, в которых конкурентность цианобактерий была невысокой. В глобальном процессе создания органического вещества водоросли постепенно заместили цианобактерий. В конце протерозоя на протяжении венда (670-570 млн. лет назад) сложилась система из продуцентов-фотосинтетиков и консументов-животных, обусловливающая углерод-кислородный биогеохимический цикл.

Формирование химического состава атмосферы происходило путем закономерной дифференциации химических элементов, выделенных из недр Земли в виде восстановленных газов. Система, обеспечивающая указанную дифференциацию, изначально абиогенная и имевшая циклический характер, являлась главной и характерной чертой среды развития древнейших организмов, которые заняли в ней определенное место. Вначале биогеохимические процессы выполняли роль отдельных звеньев в системе глобального круговорота газов в атмосфере. В дальнейшем по мере развития форм жизни циклическая миграция газов стала контролироваться жизнедеятельностью организмов. Это оказывало влияние на состав атмосферы, океана и горных пород на поверхности древней суши. В свою очередь, изменение эколого-геохимических условий среды обитания оказывало воздействие на развитие организмов и совершенствование структуры биогеохимических циклов. Со времени широкого распространения эукариот ведущим в глобальной системе биогеохимических циклов стал углерод-кислородный цикл. После освоения организмами суши и появления высшей наземной растительности последняя вместе с почвой становится главным звеном этого цикла.

Прогрессирующее накопление органического вещества в осадках океана, изменение их состава и образование кислородной атмосферы, обусловленные биогеохимической деятельностью живых организмов на фоне геологического времени, показано на рис. 2.

Рис. 2. Эволюция состава окружающей среды и образование кислородной атмосферы в результате биогеохимической деятельности организмов

Для нормального состояния окружающей среды особо важное значение имеют биогеохимические процессы, регулирующие содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Свободный кислород - необходимое условие существования главных форм жизни, углекислый газ - не только исходное «сырье» для фотосинтеза, но также химическое соединение, от содержания которого зависят термические и климатические условия на поверхности Земли.

Растительность Мировой суши Д° ее нарушения человеком имела массу около 2,510¹² т сухого органического вещества. При условии содержания в нем 45% углерода масса этого элемента в растительности суши равна 1,1510¹² т. Для связывания такого количества углерода было использовано 4,210¹² т СО₂ и выделено в атмосферу 3,110¹² т О₂. В результате вырубки лесов и других последствий хозяйственной деятельности человечества масса растительности сократилась примерно на 25% и составляет около 1,8810¹² т сухого органического вещества, содержащего 0,86510¹² т углерода. Для синтеза органического вещества существующей растительности использовано 3,17210¹² т углекислого газа и выделено 2,310¹² т кислорода.

В общей массе растительности суши химические элементы связаны на длительное время. Динамику массообмена газов на протяжении года отражают соотношения масс годовой продукции фотосинтеза и деструкции отмершего органического вещества.

Ежегодная продукция растительности суши до нарушения ее человеком, вероятно, составляла (170-180)10⁹ т/год. При условии содержания углерода 45% в этой продукции было связано от 7610⁹ т до 8110⁹ т, в среднем 8010⁹ т углерода. Для создания такого количества органического вещества ежегодно потреблялось 29610⁹ т СО₂ и выделялось в атмосферу 21610⁹ т О₂. Если учесть, что около 1/3 синтезируемого органического вещества окисляется и разрушается в результате дыхания растений, то в годовой продукции растительности углерода связывалось соответственно больше. Но в силу того, что это количество углерода биохимически окислялось и превращалось в СО₂, оно не влияет на конечный баланс СО₂ и О₂ и при дальнейших расчетах не учитывается.

Принимая во внимание уменьшение на 25% растительности в результате воздействия человека, можно считать, что современная растительность Мировой суши для синтеза годовой продукции захватывает из атмосферы 22010⁹ т/год СО₂, при этом связывает 6010⁹ т/год С и выделяет в атмосферу 16010⁹ т/год О₂. Приведенные цифры ориентировочны и в дальнейшем могут быть уточнены, но порядки значений, очевидно, соответствуют реальному состоянию.

Обмен газов в системе живое вещество - атмосфера - живое вещество имеет циклический характер. Растения не смогут синтезировать органическое вещество, если в воздухе не будет углекислого газа. При реакции фотосинтеза для выделения определенного объема кислорода требуется поглощение такого же объема углекислого газа Основная масса углекислого газа на суше образуется в результате процессов микробиологического разложения органического вещества. Значительная часть углекислого газа возвращается в атмосферу, чтобы снова быть вовлеченной в биологический круговорот. Следовательно, соотношение синтезируемого и разрушающегося органического вещества определяет поступление кислорода в атмосферу.

Если процессы разложения разрушают такое же количество органического вещества, которое образуется растительностью, то содержание кислорода не может увеличиваться, независимо от его выделения растениями: сколько выделится при фотосинтезе, столько же поглотится при разложении. Непременное условие возрастания кислорода в атмосфере - преобладание массы продукции фотосинтеза над массой разлагаемого органического вещества. Это условие легче обеспечивается на суше благодаря обилию элементов минерального питания растений. Иное положение в океане, где из-за дефицита элементов питания продукты отмирания фотосинтезирующих организмов не выпускаются из сферы биологического круговорота, вновь и вновь захватываясь разными группами консументов.

Сопоставив массу растительности суши до ее нарушения человеком (250010⁹ т) с ее годовой продуктивностью (17210⁹ т/год), можно высчитать, что обновление фитомассы суши происходит в среднем за 15 лет. Для древесной растительности этот период значительно длительнее, чем для травянистой. Как отмечено в предыдущей главе, в океане фитопланктон обновляется ежедневно, а вся масса живого вещества - менее чем за месяц.

Распределение живого вещества и неразложившихся органических остатков на поверхности суши подчиняется биоклиматической зональности. Наибольшая фитомасса характерна для влажных тропических лесов, наибольшее количество мертвого органического вещества - для зоны бореальных хвойных лесов.

Газы находятся не только в обособленной газовой оболочке планеты. В воде морей и океанов в растворенном состоянии содержится 4,3210¹⁸ м³ газов. Это количество в 3 раза больше всего объема воды Мирового океана.

Между тропосферой и поверхностным слоем воды океана существует подвижное равновесие. Растворение газов в воде зависит от температуры и солености. Холодные воды растворяют больше газов. Поэтому океан в холодное время года поглощает газы из атмосферы, а в теплое время - выделяет их. В пресных водах растворимость газов выше, чем в соленых. В среднем в 1 л океанической воды находится:

Растворенные газы………….N₂ O₂ Аг СО₂

Содержание, см³…………….13 2-8 0,32 до 50

Большое количество углекислого газа обусловлено тем, что, растворяясь в воде, он вступает в химическое взаимодействие с водой. При этом образуется угольная кислота и хорошо растворимый продукт ее диссоциации [НСО₃]^-.

В результате растворения газов в воде и их последующего испарения между гидросферой и атмосферой происходит непрерывный циклический обмен, благодаря которому поддерживается Динамическое равновесие. В этом глобальном процессе участвует и вода в результате испарения и конденсации.

В кругооборот через атмосферу вовлекается более 520 тыс. км³ воды ежегодно. Значение этого глобального процесса трудно переоценить: благодаря ему осуществляется регулирование теплового режима планеты и сохраняются условия существования жизни. Вместе с тем природные воды - не только химическое соединение, обладающее определенными физическими свойствами, но также активный фактор атмосферной миграции химических элементов. Поэтому движение огромных масс воды в системах поверхность суши - атмосфера - поверхность суши, поверхность океана - атмосфера - поверхность океана, а также океан - атмосфера - суша - океан имеет весьма важное значение для геохимии биосферы.

Химический состав атмосферы в последние десятилетия привлекает внимание в связи с так называемым парниковым эффектом, сущность которого состоит в экранировании отраженной от поверхности Земли солнечной радиации в инфракрасной части спектра. Задерживание теплового излучения Земли вызывает постепенное повышение температуры воздуха, что может привести к глобальным изменениям климата с весьма серьезными последствиями (таяние льдов Антарктиды и Гренландии, повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных, густо заселенных территорий и др.).

В экранировании отраженного теплового излучения принимают участие разные газы-микропримеси (метан, озон, фреоны и др.), но главную роль играют пары воды и углекислый газ. Большую часть отраженной энергии поглощают пары воды, но они не поглощают излучения с длиной волны от 8 до 18 мкм. Это «упущение» частично восполняют рассеянные молекулы СО₂, поглощающие отраженное излучение в диапазоне 12-18 мкм. Такие соединения, как СН₄ и NO, поглощают излучение в коротковолновой части интервала, оставляемого парами воды.

С целью выяснения динамики поступления СО₂ и СН₄ в тропосферу на 17 меридионально расположенных метеостанциях были проведены исследования, скоординированные с наблюдениями из космоса. Полученные данные показали, что основными источниками поступления углекислого газа и метана в атмосферу являются северные регионы Евразии и Северной Америки. Максимальная концентрация СО₂ приходится на осенне-зимний сезон и связана с деятельностью грибной и бактериальной микрофлоры. Наибольшая концентрация СН₄ имеет место в конце зимы - начале весны и связана с деятельностью анаэробных метанобразующих бактерий.

Таким образом, бореальный пояс Мировой суши служит основным поставщиком главных парниковых газов: СО₂ и СН₄. Их продуцирование связано с микробиологическими процессами, протекающими в почве. Нарушение природного равновесия активной вырубкой лесов и последующим заболачиванием почв способствует усилению анаэробных микробиологических процессов и возрастанию эмиссии парниковых газов в атмосферу.

2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей

Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но и распыленные частицы твердых и жидких веществ.

Взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде называются аэрозолями. Твердые аэрозольные частицы играют очень важную роль: они служат ядрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц колеблются от нескольких микрометров до сотых и тысячных долей микрометра. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы. Последние состоят из молекул, группирующихся вокруг иона. Количество электронейтральных частиц менее 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) весьма значительно, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10-20% от общей массы аэрозолей.

Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и в форме сухих осаждений. Частицы континентального происхождения относительно крупные, их средние размеры около 2-3 мкм. Над океаном преобладают более мелкие частицы размером около 0,25 мкм.

На суше в процесс обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но и твердое вещество земной коры и педосферы. С поверхности континентов выносятся мелкие частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли. Как показали наблюдения А.П. Лисицына (1978), обломки величиной 0,1-0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на расстояние в сотни - первые тысячи километров. Частицы величиной 1-10 мкм мигрируют во всей толще тропосферы, дальность их переноса достигает 10 тыс. км.

Лессовая пыль из пустынь Восточной Азии не только широко разносится над обширными пространствами континента, но и распространяется на значительную часть Пацифики. Она обнаружена на атоллах Тихого океана и даже на Гавайских островах. Красная пыль, захватываемая ветром с поверхности засушливых Районов Африки, пассатами переносится на 2-3 тыс. км над акваторией Атлантического океана. Участники первой экспедиции Колумба были поражены, когда на палубы их судов среди безбрежного океана осела африканская красная пыль. Оценки массы эоловой пыли, поступающей с континентов в Мировой океан, сильно различаются. Р. Гаррелс и Ф. Маккензи (1974) приводят цифру 0,6 млрд. т. А.П. Лисицин (1978) - значительно больше, 1,6 млрд. т. Количественно оценить всю массу твердых частиц, поступающих с поверхности суши в атмосферу на протяжении года, в настоящее время нельзя. Можно лишь определить количество наиболее тонких частиц, которые находятся в атмосфере относительно долго. Их масса не меньше величины ионного стока, т.е. измеряется миллиардами тонн.

В 60-х гг. прошлого века было обнаружено, что в тропосфере присутствуют значительные массы рассеянных металлов. Их концентрация ничтожна и измеряется в нг/м³ воздуха. Наибольшая концентрация металлов приурочена к самому нижнему слою тропосферы, соприкасающемуся с поверхностью суши или воды. Для выяснения закономерностей распределения химических элементов было проведено зондирование тропосферы. Исследование проб воздуха, отобранных на разной высоте (от 50 м до 15 км), показало, что основная масса рассеянных элементов сосредоточена в километровом слое воздуха над поверхностью Земли. Выше концентрация быстро убывает на один-два математических порядка.

Содержание и распределение элементов над континентами и океанами неодинаково. Считают, что в приземном слое воздуха над континентальными областями, свободными от воздействия промышленных предприятий.

Следовательно, в столбе воздуха высотой в 1 км над площадью суши в 1 км² содержание какого-либо из указанных металлов будет составлять от 1 до п10 г.

Тысячи тонн металлов и мышьяка, сотни тонн селена, ртути, сурьмы находятся в километровом слое воздуха над континентами (приведенные данные относятся к природному явлению, не связанному с производственной деятельностью людей).

Носителями рассеянных элементов служат аэрозольные частицы. Сопоставление распределения ядер конденсации (аэрозольных частиц) и концентрации тяжелых металлов в воздухе иллюстрирует их тесную связь (рис. 3). Поэтому для понимания закономерностей миграции химических элементов в атмосфере очень ценны результаты изучения динамики и состава аэрозолей.

Рис. 3. Распределение тяжелых металлов и ядер конденсации в тропосфере

По оси абсцисс отложены значения отношения концентрации металла на данной высоте к его концентрации на высоте 50 м от поверхности. Концентрация аэрозольных частиц над континентами обычно измеряется десятками микрограммов в кубическом метре воздуха. Дж.М. Просперо (1979) обобщил результаты анализа многочисленных проб воздуха, отобранных в разных районах Мирового океана, и установил, что концентрация (мкг/м³) терригенных минеральных частиц колеблется от 0,4 до 14, а солевых частиц - от 3,3 до 8,7, в сумме составляя около 10. Концентрация аэрозольных частиц в прибрежной циркумконтинентальной зоне океана в среднем составляет 50 мкг/м³.

Дисперсные частицы, находящиеся в тропосфере, могут быть удалены из нее либо в результате осаждения под действием силы тяжести, либо путем вымывания атмосферными осадками. С помощью изотопов ²¹⁰Pb, ²¹⁰Bi, ²¹⁰Po американские ученые установили, что среднее время нахождения пыли в районе Денвера (США) равно 4 сут. Самые мелкие частицы, вымываемые дождем, находятся в атмосфере около 7 сут. Имеющиеся данные позволяют заключить, что над континентами длительность нахождения частиц в воздухе («время жизни» аэрозолей) колеблется от 1 до 30-40 сут., чаще всего около 5 сут.

Хотя миграция основных масс аэрозолей происходит в тропосфере, очень небольшая их часть поступает и в стратосферу, где находится от 4 до 14 лет. Размер этих частиц 0,2-2 мкм. Их перенос осуществляется преимущественно с востока на запад очень быстрыми струйными течениями. В стратосфере отсутствуют пары воды. Предполагается, что удаление аэрозолей связано с образованием медленно осаждающихся хлопьев сульфатов, захватывающих мелкие частицы («сульфатное вымывание»). Основное выпадение происходит в аридных и полярных зонах. Масса осаждающихся стратосферных аэрозолей в Северном полушарии оценивается от 2 до 3 мг/км² в 100 лет. По-видимому, близкое количество тонких частиц поступает в стратосферу.

Состав аэрозолей континентального и океанического происхождения существенно различается. В аэрозолях, поступивших в атмосферу с поверхности континентов, на уровне кларков земной коры содержатся такие типичные терригенные элементы, как кремний, алюминий, железо, титан, цирконий, иттрий, лантан, cкандий. В океанических аэрозолях доминируют катионогенные элементы морских солей: натрий, магний, кальций, стронций. В то же время для аэрозолей характерна повышенная (относительно терригенных химических элементов) концентрация некоторых тяжелых металлов и близких им поливалентных элементов: мышьяка, сурьмы, висмута.

Для оценки избирательной аккумуляции химических элементов в аэрозолях автор предложил использовать коэффициент аэрозольной аккумуляции К_а:

К_а = А/К,

где А - содержание элемента в твердой фазе аэрозоля;

К - кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры. Расчет производится на твердое вещество аэрозолей.

Из табл. 2 следует, что при формировании аэрозолей концентрация одних элементов в твердых частицах аэрозолей возрастает на 1-2 математических порядка по сравнению с гранитным слоем литосферы (кадмий, свинец, цинк), а других изменяется слабо (ванадий, титан).

Таблица 2. Коэффициент концентрации некоторых рассеянных элементов в континентальных аэрозолях

Повышенная концентрация некоторых элементов в континентальных аэрозолях обусловлена несколькими причинами. Первая из них заключается в составе исходного материала, поступающего в тропосферу в качестве аэрозольных частиц. Если бы ветром захватывались только мелкие обломки горных пород, то состав аэрозольных частиц должен быть идентичен составу литосферы. Но развеиванию подвергаются преимущественно не свежие горные породы, а рыхлые продукты выветривания и почвы. В верхнем горизонте продуктов выветривания концентрация некоторых элементов повышена вследствие их накопления в растительных остатках, гумусе или на поверхности глинистых частиц. Установлено, что концентрации металлов в континентальной пыли и почве близки. Таким образом, дисперсные частицы, поступившие с поверхности суши в тропосферу, могут быть изначально обогащены некоторыми элементами.

Минеральная пыль, содержащаяся в приземном слое тропосферы над залежами руд, содержит повышенные концентрации металлов за счет развеивания рыхлых продуктов выветривания, обогащенных рудными элементами. Это явление использовано в предложенном в 1967 г. О. Вейссом аэрогеохимическом методе поиска месторождений руд. Метод заключается в отборе при помощи фильтров минеральной пыли из воздуха на небольшой высоте и ее последующего анализа. Проведенные в северной части Капской провинции ЮАР исследования показали, что в пыли над месторождениями руд содержание свинца от 5 до 10 раз выше, чем за пределами рудного поля.

Как правило, обогащенность металлами рыхлых продуктов выветривания значительно меньше той, которая обнаруживается в аэрозолях. Из данных табл. 2 следует, что концентрация некоторых тяжелых металлов в сотни раз превышает их кларковые значения для литосферы. Вероятно, обогащение аэрозолей такими металлами происходит непосредственно в тропосфере. На это указывают результаты изучения массообмена тяжелых металлов в системе поверхность суши - тропосфера - поверхность суши и анализ миграционного цикла свинца.

В рыхлых продуктах выветривания, которые покрывают поверхность суши и активно развеиваются ветром, концентрация свинца около 20 мкг/г. При среднем содержании пыли в тропосфере 30 мкг/м³ можно ожидать в 1 м³ воздуха 0,6 нг свинца, а во всей тропосфере над сушей, не покрытой ледниками, - около 80-90 т. В действительности концентрация этого металла в континентальных аэрозолях, как правило, значительно выше: от 30-50 до 100 мкг/г и более. Коэффициент аэрозольной аккумуляции свинца обычно равен 30-60. Указанные концентрации свинца в твердой фазе аэрозолей обусловливают его содержание в воздухе незагрязненных районов соответственно от 0,9-1,5 до 3 нг/м³ и более. При таких концентрациях в приземном слое тропосферы высотой 1 км над сушей должно находиться свинца от 120-200 до 400 т и более.

Таким образом, разница между массой свинца, которую можно ожидать, исходя из концентрации металла в рыхлых продуктах выветривания, покрывающих поверхность континентов, с одной стороны, и его концентрации в твердой фазе аэрозолей - с другой, составляет от нескольких сотен до 1-2 тыс. т. Эта разница окажется еще больше, если учитывать цикличность миграции тонкой пыли в тропосфере.

Экспериментальные исследования с помощью изотопа ²¹⁰Рb показали, что для основной массы пылевых частиц - носителей свинца - наиболее обычен период полного возобновления около 7 сут (Fransis C.e.a., 1970). Можно предположить, что циклическая обращаемость пылевых частиц в системе поверхность суши - тропосфера - поверхность суши составляет около 50 раз в год.

В результате многократного выпадения аэрозолей на поверхность Мировой суши поступает от 1010³ до 10010³ т/год свинца.

В научных центрах разных стран в 70-80-х гг. прошлого века было проведено детальное изучение фракционного состава воздуха нижней тропосферы с применением ультрамелких фильтров и улавливанием парогазовой фракции после прохождения фильтров. Установлено, что рассеянные в тропосфере химические элементы находятся в разных формах, в том числе парогазовой. В парогазовой форме присутствуют не только элементы, отличающиеся хорошей возгоняемостью (йод, мышьяк, ртуть), но и такие тяжелые металлы, как цинк, медь, свинец. Перечисленные элементы тесно связаны с наиболее мелкими частицами аэрозолей размером менее 0,5 мкм. Очевидно, существует подвижное равновесие между элементами в парогазовой форме и фиксированными на поверхности мелких частиц аэрозолей. В то же время есть элементы, масса которых сосредоточена преимущественно в относительно крупных частицах аэрозолей. Таковы алюминий, железо, скандий, барий, лантан, иттрий и некоторые другие.

Расчет коэффициентов обогащения элементов аэрозолей относительно среднего состава земной коры показал, что концентрация элементов, присутствующих в парогазовой форме, сильно возрастает в ультрамелких фракциях аэрозолей. Относительная концентрация элементов, основная масса которых находится в частицах крупнее 0,5-1,0 мкм, изменяется слабо. В качестве примера в табл. 3 приведено распределение элементов между аэрозольными частицами разной крупности в приземном слое тропосферы в высокогорном районе одного из хребтов Тянь-Шаня (Средняя Азия). Район располагается на южном склоне Чаткальского хребта, на высоте 600 м над уровнем моря и имеет координаты 41° 06 с.ш. и 69° 30 в. д. Район находится в пределах заповедной территории и удален на значительное расстояние от возможных источников загрязнения. Из данных таблицы видно, что основная масса содержащегося в воздухе железа и скандия присутствует в аэрозольных частицах крупнее 0,4 мкм, а значительная часть меди, цинка, ртути связана с наиболее мелкими частицами и парогазовой фазой.

Определенные химические элементы, в том числе многие тяжелые металлы, поступают в тропосферу в парогазовой форме, а затем сорбируются наиболее мелкими аэрозольными частицами и при их выпадении выводятся из тропосферы. Механизм этого процесса хорошо прослеживается для элементов, легко переходящих в парообразное состояние. Примером может служить ртуть. Этот металл испаряется при любой температуре, существующей на поверхности Земли, вплоть до точки плавления (38 °С). Пары ртути не только хорошо диффундируют через почву, но и достаточно легко проникают через воду.

Таблица 3. Распределение химических элементов между аэрозольными типами и парогазовой фазой в атмосфере Сары-Челекского заповедника

На основании зондирований с самолетов установлено, что на высоте 3 км концентрация паров ртути очень мала. На высоте 50 м от земной поверхности концентрация обычно равна (0,4-1,0)10-⁹ г/м³. Пары ртути выводятся из тропосферы в результате сорбции их частицами аэрозолей, которые осаждаются в среднем около 5 сут. Согласно Б.П. Абрамовскому равновесие между парами и сорбированными формами достигается также за 5 сут. Следовательно, время жизни ртути в системе поверхность суши - тропосфера около 10 сут.

Принимая содержание сорбированной частицами аэрозолей ртути равным концентрации паров, т.е. (0,4-1,0)10 ^-9 г/м³, можно ориентировочно считать, что в столбе воздуха высотой 1 км на площади в 1 км² общее количество металла составляет от 0,8 до 2 г.

Над всей поверхностью суши в тропосфере содержится от 100 до 250 т ртути. Общее содержание рассматриваемого металла над океанами и сушей в атмосфере Земли около 300-350 т. Если Действительно «время жизни» ртути в тропосфере составляет 10 дней, как считают цитируемые авторы, то все количество ртути над Мировой сушей выпадает в течение этого времени, а на протяжении года цикл повторяется 36 раз. Между тем сток этого металла с речными водами составляет около 2,6 тыс. т/год, т.е. около 7,1 т/сут. Основная масса металла испаряется и вновь поступает в тропосферу. Постоянное испарение ртути с поверхности океана и перенос металла с воздушными массами морского происхождения на сушу частично восполняют потери со стоком и поддерживают ее миграционный цикл: поверхность суши - атмосфера. Кроме того, в общую миграцию включаются поступление ртути из недр - около 1 тыс. т/год (Беус А.А. и др., 1976), а также немногим большая величина техногенных выбросов в атмосферу. Очевидно, такой же порядок имеют массы металла, выводимые из океана в осадок процессами сорбции дисперсными взвесями.

Можно считать установленным, что аэрозоли обогащаются в тропосфере определенными химическими элементами, поступающими в парогазовом состоянии. Сложную проблему представляет установление источников парогазового потока тяжелых металлов и близких им элементов с переменной валентностью.

Одним из наиболее очевидных источников поступления тяжелых металлов в атмосферу являются вулканы. На суше известно около 850 действующих вулканов. На протяжении года они выбрасывают около (2-3)10⁹ т пирокластического материала. Масса газов составляет по А.П. Лисицыну (1978) 3% от твердого материала, т.е. 9010⁶ т/год. Состав пирокластического материала вулканов в среднем близок к составу андезитов, т.е. концентрация тяжелых металлов немногим больше, чем в гранитном слое земной коры континентов. Но в вулканических аэрозолях концентрация этих металлов значительно возрастает, что подтверждает изучение аэрозолей в непосредственной близости от вулканов Сицилии, Гавайских островов и Камчатки. Французский геохимик С. Бутрон обработал данные разных исследователей и показал, что вулканические аэрозоли по сравнению с земной корой обогащены относительно алюминия тяжелыми металлами в сотни и тысячи раз по сравнению с земной корой. Вероятно, это происходит в результате сорбирования металлов, вынесенных при вулканических извержениях в парогазовой фазе.

Однако ориентировочные расчеты показывают, что вулканическая деятельность не столь велика, чтобы обеспечить массу тяжелых металлов, рассеянных в тропосфере. П. Буат-Менард и М. Арнольд определили годовую эмиссию металлов одного из самых мощных вулканов мира - Этны. По данным этих авторов, Этна в течение года в среднем поставляет в атмосферу:

Химический элемент……………Сu Pb Zn Cd

Поступление, т………………….365 130 1100 10

По мнению С. Бутрона, для обеспечения геохимического фона тропосферы только одного Северного полушария потребовалось бы действие более 100 таких вулканов, как Этна, что не отвечает реальной действительности. По-видимому, наряду с процессами вулканизма имеется и другой источник поступления металлов в арогазовом состоянии. Факты свидетельствуют, что более мощным хотя и менее выраженным фактором является деятельность микроорганизмов и высших растений.

Возвращаясь к рассмотрению массообмена ртути между поверхностью суши и атмосферой, отметим, что, несмотря на хорошую испаряемость ртути, значительная ее часть вовлекается в атмосферную миграцию в форме летучих органических соединений, образующихся в результате микробиологических процессов. Трансформация металлической ртути в органические соединения активно совершается в аквальных и субаквальных ландшафтах. В воде, богатой растворимыми органическими соединениями и содержащей свободный кислород, происходит серия биогеохимических превращений, общая схема которых, предложенная Э.И. Акоповым и др. (1976), имеет следующий вид:

Более распространена трансформация соединений ртути, протекающая в условиях дефицита кислорода под влиянием микробиологических процессов и приводящая к образованию метил-ртути CH₃Hg⁺, которая переходит в диметилртуть (CH₃)₂Hg. Диметилртуть - труднорастворимое, но легко испаряющееся соединение. Она активно эманирует в атмосферу, где под воздействием радиации вновь превращается в монометилртуть и сорбируется аэрозолями.

Микробиологические процессы метилизации и образования Других летучих органических соединений имеют еще большее значение для аэральной миграции тяжелых металлов, не обладающих способностью к испарению, как металлическая ртуть.

Биогеохимические процессы мобилизации металлов и включения их в атмосферную миграцию не ограничиваются деятельностью микроорганизмов и простейших фотосинтетиков. В конденсатах транспирационных испарений высших растений установлены не только соли щелочных и щелочно-земельных элементов, но также летучие комплексные органические соединения металлов. По Л.Г. Бондареву (1981), транспирируемая растениями в ...........