Исследования состава атмосферных осадков в разных странах

За последнее десятилетие ведущее место в вопросах изучения состава атмосферных осадков заняли шведские ученые. Совсем недавно они писали: «По сравнению с большим числом исследований, проведенных в других странах, данные по Швеции очень скудны» (103). Но начиная с 1948-1950 гг. исследования по химии осадков в Швеции получили быстрое развитие, и в настоящее время наиболее полные систематические данные имеются именно по этой стране. Здесь в начале 50-х годов была создана сеть из 28 станций, которые доставляли месячные пробы осадков для химического анализа. С конца 1954 г. эта сеть расширена дополнением нескольких станций соседних стран: норвежских, финских, датских, а впоследствии и английских, так что в общей сложности она включала 40 станций. Предварительно была разработана аппаратура для сбора проб осадков и установлена методика анализа проб. На нескольких станциях периодически отбирались пробы воздуха для анализа на те же примеси, что и атмосферные осадки. Результаты всех анализов с 1956 по 1959 г. публиковались в квартальных выпусках журнала «Tellus» и получили широкое распространение.

Развитие исследований по химии осадков в Швеции в большой степени определилось интересом к ним известного ученого К. Россби. Он включил эти исследования в план Международного метеорологического института в Стокгольме, директором которого состоял, придав им метеорологическую направленность, а затем привлек к ним внимание Всемирной метеорологической организации. Это подготовило включение работ данного направления в программу Международного геофизического года.

В 1955 г. была опубликована интересная статья К. Россби и Х. Эгнера (134), в которой намечено новое направление в исследовании химических примесей в осадках и в атмосфере. Название статьи – «О химическом климате и его изменении в зависимости от типа атмосферной циркуляции» - отражает постановку вопроса. Прежде всего интересно новое понятие «химический климат», под которым авторы, по-видимому, понимают комплекс средних данных о содержании в атмосфере химических веществ в газообразном или мелкодисперсном состоянии. Состав атмосферных осадков определяется наличием таких примесей в воздухе и может в известной мере характеризовать химический климат.

Нужно заметить, что данные о составе осадков в скандинавских странах к этому времени были еще малочисленны, поэтому по ним нельзя было получить характеристики химического климата. Авторы рассматривали результаты анализов за отдельные месяцы. Они сами подчеркивают, что месяц от месяца и год о года изменение концентрации различных компонентов в осадках весьма значительно, поэтому для характеристики «нормального» географического распределения примесей в осадках нужны длительные наблюдения.

Чтобы показать влияние процессов атмосферной циркуляции, авторы выбрали 4 месяца с разными типами циркуляции и получили для них различие в составе осадков. В качестве характеристики состава осадков рассматривалось отношение Cl-/Na+; оно колебалось во взятых случаях от 0,0 до 3,5, т.е. отклонялось в ту и другую сторону от значения 1,8, соответствующего морской среде. Географическое распределение величин Cl-/Na+ при поступлении морских воздушных масс западно-восточным переносом и при континентальном северо-восточном потоке различно. Особенности пространственных изменений величины Cl-/Na+ авторы объяснили разделением веществ и некоторыми химическими реакциями в соответствии с гипотезой Кауера (99).

В дальнейшем циркуляционный анализ данных в составе осадков, по-видимому, не производился. Возможно, что это направление работ не развивалось после смерти К. Россби, инициатора таких исследований. Нужно к тому же иметь в виду, что для синоптического анализа необходимы данные по отдельным дням, а не суммарные за месяц, которыми располагают шведские метеорологи.

В последние годы исследования по химии осадков в Стокгольмском метеорологическом институте возглавил Э. Эриксон. Начиная с 1952 г. им опубликован ряд крупных работ (107-109), являющихся обобщением гидрохимических данных по обширным географическим территориям. Изучая циркуляцию морских солей в природе и обмен ими между океанами и континентами, он рассматривает перенос солей в атмосфере и выпадение их с осадками как одно из звеньев такого обмена. В соответствии с этим Эриксон собрал данные о составе атмосферных осадков в разных областях земного шара, оценив годовые количества выпадающих с осадками веществ на единицу площади. По тем частям континентов, для которых имеется достаточно данных, им построены карты годовых поступлений на земную поверхность хлоридов и серы, для малоизученных областей сделана оценка по отдельным разрозненным значениям или косвенным признакам (109).

Приведем некоторые отправные величины, к которым пришел Эриксон в своих макрообобщениях. Так, количество хлоридов для США он принимает, на основании данных Юнге, в центральных районах 5-10 кг/га, для засушливых областей 1-2 кг/га. Для Западной Европы и Скандинавии Эриксон приводит карту, на которой вдали от побережий наблюдается 2-8 кг/га хлоридов, непосредственно у западных берегов – значительно большие величины. На большей части территории Африки количество хлоридов 10-15 кг/га, на побережьях – до 80 кг/га.

По Азии приводится значение на основании исследования П.В. Денисова (32) – 16 кг/га хлоридов. По северо-восточной части КНР нет данных анализов осадков, но Денисов отмечает, что речная вода здесь напоминает по составу воду финских рек, следовательно, следовательно, для этого района количество хлоридов можно принять равными 5-10 кг/га хлоридов в год.

Подобные же оценки были сделаны и в отношении поступления с осадками серы. В США во влажных областях поступает 4 кг/га серы в год, в засушливых – 1-2 кг/га; в Англии – 11 кг/га в год, на севере Европы – 3 кг/га, на юге Европы – до 10 кг/га.

Интересно отметить, что Эриксон в своих расчетах учел все советские работы по химическому составу атмосферных осадков. Для Европейской части СССР он приводит значение 25 кг/га хлоридов в год, по Дурову и Федоровой (37), и 28 кг/га – по Денисову и Бугаеву (33). Приведенные величины значительно выше полученных для других континентальных районов, это Эриксон объясняет включением данных прибрежных станций. Точно так же количество поступающей с осадками серы по данным тех же работ оказалось очень высоким, по предположению Эриксона, из-за влияния Черного моря. Однако нам кажется, что эти завышенные значения являются прямым следствием недостатков методики сбора проб осадков, а также малым числом проб по отдельным станциям.

В исследованиях Эриксона затронуто большое число вопросов, относящихся к переносу солей в природе. В частности, большой интерес представляет произведенная им оценка отдельных источников хлоридной и сульфатной составляющих атмосферных осадков, а также рассмотрение годовой циркуляции этих веществ.

Под руководством Х. Юнге проведена большая работа по изучению состава атмосферных осадков в США. В течение одного года (с июля 1955 по июнь 1956 г.) 64 станции доставляли для анализа месячные пробы осадков. При этом в основном была принята методика Стокгольмского метеорологического института, но отличалась от нее лишь в некоторых деталях. Наиболее существенное отличие было в методике сбора проб: сборные воронки вместе со всей установкой хотя и оставались все время на метеорологической площадке, но открывались только во время выпадения осадков, а в промежутках держались закрытыми ( у шведов воронки совсем не закрывались, и на них могла оседать пыль и частицы солей). Результаты анализов проб приводятся в виде карт по основным компонентам в работах (116, 118).

Юнге известен своими исследованиями атмосферных аэрозолей и обобщающими трудами по химии атмосферы (113-115, 117, 119-121). В этой новой отрасли знания он выделяет 3 раздела химических исследований: аэрозолей, следов газов и атмосферных осадков. К обзору данных о химическом составе атмосферных осадков Юнге подходит с точки зрения химии атмосферы, сопоставляя данные по химизму осадков с составом аэрозолей и газообразными примесями воздуха, рассматривая микрофизические процессы в облаках и в атмосфере, влияющие на формирование состава осадков. При этом высказывается ряд интересных соображений, но лишь в качественной форме.

В отношении данных о химическом составе осадков в США нужно заметить следующее. Почти по всем компонентам авторы приводят среднегодовые значения, только данные по хлору рассматриваются по сезонам (зима и лето). Из шведских, русских и других исследований известно, что значения концентрации примесей в осадках довольно неустойчивы. Поэтому одногодичный цикл для определения средних недостаточен и приведенные в работах Юнге и соавторов (116, 118) величины следует принимать как предварительные, а их географическое распределение рассматривать лишь в общих чертах.

Из основных географических закономерностей распределения химического состава осадков в США авторы указывают следующие. Концентрация хлора в осадках наиболее высока на побережьях (это наблюдается и на Европейском континенте). С удалением от моря содержание хлоридов в осадках резко уменьшается; внутри континента, с расстояния 500-600 км от берега, получены примерно одинаковые значения (меньше 1 мг/л). Отношение Cl-/Na+ вдоль побережья несколько меньше, чем для морской воды, с удалением в глубь страны оно значительно уменьшается.

Содержание сульфатов в осадках меньше в береговой зоне, больше внутри континентов, особенно в промышленных районах. Однако отмечаются относительно большие концентрации SO42- на юго-западе США и в других районах со слаборазвитой промышленностью; в этом случае источником поступления в осадки серы предполагается земная поверхность.

Заметим, что значения концентрации сульфатов и хлоридов для территории США получены меньшие, чем в Европе.

В период МГГ были организованы исследования става атмосферных осадков в ЧССР. Работу возглавлял Геофизический институт чехословацкой Академии наук, сбор проб осадков обеспечивал Гидрометеорологический институт. Результаты исследований опубликованы в статьях М. Маску, Ж. Подзимек и Л. Шрамек (125, 126).

Для сбора осадков были отобраны 22 метеорологические станции с таким расчетом, чтобы расстояние между ними составляло примерно 100 км. Поэтому станции довольно равномерно распределялись по территории страны, только в некоторых районах была взята более густая сеть для изучения влияния на осадки города и высоты над уровнем моря. Все станции разделили на 3 группы в зависимости от их высоты: группа 1 – низинные станции, высота которых не превышает 400 м, группа 2 – горные, имеющие высоту 400-1100 м, и группа 3 – высокогорные, расположенные выше 1100 м.

Анализы проб предусматривались на все компоненты, указанные программой МГГ. Однако в конечных результатах данные по сульфатным и гидрокарбонатным ионам отсутствуют. Всего проанализировано 2400 единичных проб. На основании данных этих анализов определены месячные и сезонные значения концентрации отдельных компонентов.

При наличии достаточно густой сети станций авторы имели возможность выделить влияние местных источников на содержание примесей в осадках. По средним данным ими построены карты распределения примесей и отмечаются особенности для отдельных районов страны. Более подробно рассматривается распределение хлоридов, для которых приводятся карты за зимние и летние месяцы. Наибольшие концентрации хлоридов получены в северо-западной Богемии и в районе Праги. В Словакии наблюдаются большие концентрации в Высоких Татрах, это авторы объясняют притоком аэрозолей из соседних промышленных районов. Наименьшие значения концентрации ионов хлора – в пробах осадков, поступивших из Телчи и южной части Словакии. Отмечается некоторое различие в годовых изменениях концентрации хлоридов для станций, расположенных на разной высоте; наибольшие колебания в течение гоа происходят на станциях, относящихся к группе 3.

Таким образом, можно сделать вывод, что в Чехословакии изменение концентрации хлоридов существенно зависит от внутренних источников (промышленных предприятий и городов).

Изменение по территории Чехословакии других ингредиентов осадков несколько меньше, чем хлоридов, но на большинство из них также влияют местные источники. Почти по всем ингредиентам выделяются большие концентрации зимой, меньшие – летом. Авторы подробно останавливаются на этом вопросе, объясняя его условиями перемешивания и распределением в атмосфере крупных аэрозольных частиц.

Водородный показатель рН имел пределы 4,7-6,0.

Авторы рассмотрели зависимость изменения концентрации отдельных ионов от ряда метеорологических факторов: от количества и типа осадков, направления и скорости ветра и других.

Изучение химического состава атмосферных осадков во время МГГ проводилось также в ГДР. Несколько раньше (1954 г.) там были начаты такого рода исследования Ф. Тейхертом и Б. Грейфенхагеном (138, 139), с 1957 и до конца 1959 г. их вел Х. Мрозе (129). Он собрал и проанализировал пробы осадков с 14 станций, при этом изучались месячные и единичные пробы; почти по всем станциям исследования ограничивались теплым, безморозным периодом. По результатам анализов месячных проб Мрозе дает общую характеристику выпадающих с осадками веществ на единицу площади (мг/м2). Он отмечает, что электропроводность и общее количество ионов заметно увеличиваются на станциях с промышленным загрязнением; например, очень высоко количество выпадающей серы и кальция в Карл-Маркс-Штадте, Галле и некоторых других пунктах. Менее отчетливо проявляется влияние промышленности на содержание в осадках аммиака, а также хлоридов, концентрация которых заметно повышается у берегов.

В ФРГ Х. Георги и Э. Вебер в период МГГ выполнили анализы проб дождевой воды, собранных в нескольких пунктах. Во Франкфурте-на-Майне Георги успешно развивает исследования по химии атмосферы. Заслуживает особого внимания то обстоятельство, что он изучает газовые и аэрозольные примеси в атмосфере и одновременно химический состав осадков. В работе (111), доложенной на 12 Ассамблее Международного общества геофизики и геодезии (Хельсинки, 1960 г.), сообщались результаты измерения газовых следов в атмосфере (NH3, NO2, SO2, Cl2) в нескольких пунктах, расположенных на разной высоте вплоть до 3000 м (вершина Цуг-Шпитце). Концентрация газовых примесей в воздухе на Цуг-Шпитце рассматривается в зависимости от температурной стратификации атмосферы, при этом установлено, что концентрация мала при наличии инверсии ниже вершины и наибольшая, когда инверсия располагается непосредственно у вершины. Наконец получены некоторые соотношения между концентрацией веществ в атмосфере и в осадках, и высказываются соображения о процессах самоочищения атмосферы от поступающих в нее газов и аэрозолей.

Работы эти продолжаются Георги, причем он указывает (111), что начата непрерывная регистрация известных химических компонентов в отдельных дождях и одновременно отмечается колебание атмосферных аэрозолей и газовых примесей. Такой комплекс измерений представляет большой интерес.

Кислотные осадки. Среди серьезных проблем экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязняющее загрязнение воздушного бассейна примесями, имеющими техногенную природу. Основные источники загрязнения – предприятия энергетики, черной металлургии, химической промышленности, транспорта. Эти выбросы локализованы, как правило, в районах крупных городов и промышленных мегаполисов в концентрациях, опасных не только для биосферы, но и для техносферы и составляющих ее неорганических материалов (5-11).

В атмосфере многие загрязняющие вещества подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или выпадают на земную поверхность с аэрозолями. Попадая на поверхность биологических объектов, строительных конструкций и других предметов, загрязнения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ (химическая деструкция живых клеток и высокомолекулярных соединений), металлов (атмосферная коррозия) и неорганических материалов (разрушение мрамора, бетона, керамики в сильно загрязненной атмосфере) (5, 7, 12-19).

Ущерб, наносимый атмосферными примесями живой природе и продуктам производственной деятельности человека, трудно точно оценить, но гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний, нарушение биологического равновесия в экосистемах однозначно связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере (8, 14, 18-30).

Разрушение материалов в атмосфере, обусловленное наличием примесей антропогенной природы, ныне находится в центре внимания широкого круга специалистов в области материаловедения, строительства, электротехнического и электронного оборудования, оптики и техники связи, архитектуры и искусства (5, 7, 17, 19).

Особенно серьезной экологической проблемой является повышение кислотности среды. В последнее время в средствах массовой информации часто сообщают о случаях гибели рыбы и лесов, подкисления почвы, коррозии памятников и зданий, связанных с кислотными дождями (31-35). Хотя этому явлению сравнительно недавно стали уделять должное внимание, специалисты скандинавских стран еще в 1950-е годы указывали на такую опасность. Само выражение «кислотные осадки» существует уже более 100 лет; впервые его использовал британский исследователь Р. Смит, опубликовавший в 1872 г. книгу «Воздух и дождь: начала химической климатологии». Таким образом, эта проблема отнюдь не нова, но, несмотря на это, можно предположить, что вряд ли она будет полностью решена в ближайшее время.

При изучении кислотных осадков прежде всего необходимо ответить на два основных вопроса: что является причиной кислотных осадков и каков механизм их образования применительно к промышленно нагруженной территории? В этой связи возникает потребность детального рассмотрения способов поступления в атмосферу исходных компонентов – кислотообразующих газовых и капельно-паровых выбросов.

Обзор литературных источников по проблеме атмосферного кислотообразования показывает, что основной массив работ посвящен решению крупномасштабных (региональных или глобальных) задач (31, 32, 36, 37).

Детальными, по-настоящему научными исследованиями кислотных дождей стали заниматься только в конце 1960-х годов.

Об их вредном воздействии свидетельствуют многочисленные примеры. В Канаде из-за частых кислотных осадков стали мертвыми более 4000 озер, а 12000 озер находятся на грани гибели. В Швеции в 18 000 озер нарушено биологическое равновесие. Кислотные осадки наносят большой урон и лесам. В ФРГ Швейцарии погибли 1/3 всех елей. В горно-лесных районах Баварии, Шварцвальда, Бадена пострадало до 50% лесных угодий. Установлено, что в последние 10 лет скорость роста многих вечнозеленых растений замедлилась на 20-30% (по сравнению с 1930-1950 гг.).

Массовую гибель сосновых посадок и природного леса можно наблюдать в районе г. Люберцы Московской обл. Здесь на экологическое состояние существенно влияет ТЭЦ-22, годовые выбросы вредных веществ которой составляют 76-83 тыс. т (83).

Несмотря на наличие многочисленных публикаций, посвященных проблеме кислотных осадков, работ, рассматривающих роль пароводяных выбросов в атмосферном кислотообразовании промышленно нагруженных территорий, в отечественной литературе нет. Наиболее полезными в интересующем нас плане являются работы (32, 35), в которых обобщена информация о процессах закисления природных вод и почв, трансграничного переноса загрязняющих воздух веществ и выделения их из атмосферы.

Таким образом, для территориальной оценки воздействия объектов горно-металлургического комплекса на окружающую среду необходимо прежде всего исследовать механизм образования, динамику поступления в атмосферу и структуру выбросов загрязняющих веществ в условиях конкретного природно-техногенного региона.