Рассеянные металлы в тропосфере – природное явление

В 60-х годах ХХ в. было обнаружено, что в тропосфере присутствуют крупные массы рассеянных металлов. Их концентрация ничтожна и измеряется в нг/м³ воздуха [7, 73].

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.

Носителем рассеянных элементов служат аэрозольные частицы. Сопоставление распределения ядер конденсации (аэрозольных частиц) и концентрации тяжелых металлов в воздухе хорошо иллюстрирует их тесную связь (рис. 6). Поэтому для понимания закономерностей миграции химических элементов в атмосфере очень ценны результаты изучения динамики и состава аэрозолей.

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

Рис. 6. Распределение в тропосфере тяжелых металлов
и ядер конденсации

Для оценки избирательной аккумуляции химических элементов в аэрозолях В.В. Добровольский предложил использовать коэффициент аэрозольной аккумуляции: К_а = А/К, где А – содержание элемента в твердой фазе аэрозоля;
К – кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры.

Таблица 3

Коэффициент концентрации некоторых рассеянных элементов
в континентальных аэрозолях*

* по В.В. Добровольскому, 1980 г.

Из табл. 3 следует, что при формировании аэрозолей концентрация одних элементов в твердых частицах аэрозолей возрастает на 1–2 математических порядка по сравнению с гранитным слоем литосферы (Cd, Pb, Zn), а в других слабо меняется (V, Ti).

Повышенная концентрация некоторых элементов в континентальных аэрозолях обусловлена несколькими причинами. Какими? …

[1] исходным материалом, поступающим в тропосферу в качестве аэрозольных частиц, являются рыхлые продукты выветривания и почвы; концентрации металлов в континентальной пыли и почве близки;

[2] обогащение аэрозолей металлами происходит непосредственно в тропосфере; концентрация элементов, присутствующих в парогазовой фазе, сильно возрастает в ультрамелких фракциях аэрозолей;

[3] относительная концентрация элементов, основная масса которых находится в частицах крупнее 0,5–1,0 мкм изменяется сильно;

[4] вулканическая деятельность обеспечивает массу тяжелых металлов, рассеянных в тропосфере.

1.10. Источники поступления тяжелых металлов
в атмосферу

Естественные источники загрязнения атмосферы – извержение вулканов, лесные пожары, пыльные бури, процессы выветривания, разложение органических веществ [9, 54].

Одним из наиболее очевидных источников тяжелых металлов являются вулканы. На суше известно около 850 действующих вулканов. На протяжении года они выбрасывают около (2–3)×10⁹ т пирокластического материала. Масса газов составляет 3% от твердого материала, т.е. 90×10⁶ т. Концентрация тяжелых металлов в материале вулканов немногим больше, чем в гранитном слое земной коры континентов. Но в вулканических аэрозолях концентрация этих металлов значительно возрастает. Вулканические аэрозоли обогащены относительно алюминия тяжелыми металлами в сотни и тысячи раз по сравнению с земной корой. По-видимому, это происходит в результате сорбирования металлов, вынесенных при вулканических извержениях в парогазовой среде [6, с.80].

Расчеты показывают, что вулканическая деятельность не столь велика, чтобы обеспечить массу тяжелых металлов, рассеянных в тропосфере. Один из самых мощных вулканов мира Этна в течение года поставляет в атмосферу (т): меди – 365, свинца – 130, цинка – 1100, кадмия – 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.

Факты свидетельствуют, что более мощным, хотя и менее ярко выраженным фактором, является деятельность микроорганизмов и высших растений.Так, хвойные деревья активно выделяют в атмосферу катионогенные элементы неорганических солей (натрий, магний, стронций) и многие металлы. В то же время были обнаружены биогеохимические особенности разных пород деревьев. В частности, в выделениях пихты обнаружено больше цинка, но меньше кадмия, чем в выделениях ели; в выделениях пихты и сосны больше стронция, чем у ели, и т.д. Металлы выносятся из зеленых органов в форме легколетучих комплексов с терпенами: изопреном, пиненом и др.

Особый миграционный поток создается при рассеивании пыльцы. Общая продуктивность пыльцы всей растительности суши около 1,6×10⁹ т. При зольности 5% с пыльцой поступает в тропосферу около 80×10⁶ т минеральных веществ.

Наконец, важным источником поступления металлов в атмосферу являются лесные пожары, которые по своему планетарному значению вполне сопоставимы с такими катастрофическими событиями, как вулканические извержения, а по геохимическим последствиям даже более значительны. По имеющимся оценкам, в результате лесных пожаров в атмосферу поступает ежегодно (т): железа – 350 000, цинка – 250 000, меди – 35 000, свинца – 6 700.

Детализируйте, каким образом тяжелые металлы выводятся из тропосферы…

[1] элементы поступают в тропосферу в парогазовой форме, а затем сорбируются наиболее медленными аэрозольными частицами и при их выпадении выводятся из атмосферы;

[2] находясь в тропосфере и являясь ядрами конденсации, частицы испытывают неоднократное воздействие конденсирующейся воды, и при этом часть элементов переходит в состояние, способное к растворению;

[3] некоторые количества соединений выпадают из атмосферы в виде «сухих осаждений»;

[4] наблюдается атмосферная миграция и обмен веществ между сушей и океаном.

Глава 2. ГИДРОСФЕРА – ВМЕСТИЛИЩЕ ОСНОВНОГО
ЭЛЕМЕНТА АРИСТОТЕЛЯ

И вблизи, и вдали все вода, да вода…

А.М. Городницкий

Вода! Ты просто необходима для жизни,

ты есть жизнь!

А. Сент-Жзюпери