Геохімія і біогеохімія аерозолів

 

Тут розглядаються явища, які відбуваються в атмосфері. Суспензії твердих і рідких часток у газоподібному середовищі називають аерозолями. Розміри часток аерозолів від 0,001 до цілих мкм. Тверді аерозольні частки викликають конденсацію водяної пари.

Як суша, так і океан перебувають у стані безперервного циклічного обміну з нижніми шарами атмосфери, поставляючи аерозольні частки в повітря і одержуючи їх назад процесами сухого осадження або в атмосферних опадах. Континентальні частки відносно великі 2-3 мкм, а над океаном – лише 0,25 мкм. На суші в процес обміну з атмосферою утягується Н₂О і тверда речовина літосфери. В аерозолях морського походження переважають розчинні морські солі. Частки аерозолів переносяться на дуже великі відстані: так фракція 1-10мкм, мігрує по всій товщі тропосфери, переноситься на десятки тис. км.

В 60-х роках 20-го століття було встановлено, що в тропосфері присутні значні маси розсіяних металів, головним чином в кілометровому шарі над поверхнею Землі. В розрахунку на стовп повітря висотою до 1 км над площею суші 1 вміст розсіяних металів становить:

від 1 до n∙ г/м³ ∙ м³ = від 1 дo n∙10 гр.

Це означає, що в кілометровому шарі повітря над континентами знаходяться тисячі тонн металів та As, сотні тонн - Se,Hg.

Носіями розсіяних елементів служать аерозольні частки, тому для розуміння закономірностей міграції хімічних елементів в атмосфері важливо вивчати динаміку і склад аерозолів.

Склад аерозолів континентального та океанічного походження істотно розрізняється.

У континентальних аерозолях містяться на рівні кларків типові теригени: Si, Al, Fe, Ti, Zr, Y, La, Sc. В океанічних аерозолях домінують катіоногени морських солей: Na, Mg, Ca, Sr. У тож час для аерозолів характерне підвищення концентрації, відносно теригенів, As, Sb, Bi.

Для оцінювання селективної акумуляції хімічних елементів в аерозолях застосовують коефіцієнт аерозольної акумуляції:

К = ,

 

тут: А - вміст елемента в твердій фазі аерозолю, К - кларк елемента в гранітному шарі континентальної земної кори.

 

Таблиця 3. Коефіцієнт концентрації деяких розсіяних елементів

в континентальних аерозолях (Добровольский, 1980)

 

Метали	Значення Ка	Інтенсивність збагачення
Cl	> 100	Дуже сильна
Pb, Sn	50-100	Сильна
Zn, Cu, Ni, Cr	10-50	Середня
V	1-10	Помірна
Ti	< 1	Від’ємна

 

Певні хімічні елементи, у тому числі важкі метали, надходять у тропосферу в парогазовій формі, а потім сорбуються найбільш дрібними частками аерозолів і при осіданні аерозолю виводяться із тропосфери.

Механізм процесу добре вивчений для меркурію, що випаровується при будь-якій температурі, аж до точки плавлення (38 ), пара Hg добре дифундує через ґрунт і воду. Над всією поверхнею суші, крім льодовиків і пустель, у тропосфері находяться 100-250 т меркурію. Час життя Hg у системі тропосфери -10 днів і всього,в тому числі і над океанами, в атмосфері Землі близько 300-350 т Hg. Частина меркурію в циклі суша - тропосфера, обертається 36 разів на році (плюмбум - 50 разів/рік).

Вважається встановленим, що аерозолі збагачуються певними хімічними елементами, що надходять у тропосферу в парогазовому стані. Складну проблему представляє визначення джерел парогазового потоку важких металів і близьких до них елементів із змінною валентністю. До таки джерел відносять діяльність вулканів і мікроорганізмів. Незважаючи на добру випаровуваність, меркурій у тропосферу надходить внаслідок мікробіологічних процесів у вигляді летких органічних сполук:

 

C₂H₃Hg⁺

↑↓

Hg → Hg²⁺ ⇆ CH₃Hg⁺ ⇆ CH₃HgCH₃

↓↑

CH₃ – O – CH₂ – CH₂ – Hg⁺

 

Диметилмеркурій – важкорозчинна і дуже летка речовина.

Мікробіологічні процеси метилізації і утворення інших летких органічних сполук мають ще значнішу роль при аерозольній міграції важких металів, що не виявляють здатності до випаровування.

Біогеохімічні процеси мобілізації металів і включення їх в атмосферну міграцію не обмежуються діяльністю мікроорганізмів і найпростіших фотосинтетиків. У транспіраційних випаровуваннях вищих рослин містяться солі лужних, лужноземельні та леткі комплекси органічних сполук металів. Рослинність всієї суші транспірує (1,2 1,4) ∙ т мінеральних речовин. Маса численних газуватих сполук становить – 1,5∙ т/рік. Хвойні виділяють у тропосферу 0,5∙ т/рік летких органічних сполук, що містять (4-5)∙ т мінеральних речовин. Особливий міграційний потік створюється при розсіюванні пилку. Середня продуктивність маси всього пилка суші 1,6∙ т і з ним в тропосферу надходить 80∙ т мінеральних речовин.

Нарешті важливе джерело тропосферних надходжень - лісові пожежі. За своїм планетарним значенням вони перевищують навіть вулканічну діяльність. За наявними оцінками: в атмосферу від лісових пожеж у рік надходить Fe -350000, Zn - 250000; Cu - 35000, Pb - 6700 тонн.

Французький хімік С. Бутрон дійшов висновку, що в складі аерозолів присутні три групи хімічних елементів:

· елементи, що входять до складу морської солі, з якої складаються ядра конденсації океанічних аерозолів: найбільше характерний тут Na, а крім того присутні Mg, Ca, K, Sr, Cl, сульфати (тут співвідношення елементів такі ж, як у воді океану);

· Al, Fe, Sc, Y, Zv, Mn, V- їх співвідношення в аерозолях до алюмінію таке ж, як і в земній корі. Очевидно, носії цих елементів представлені тонкодисперсними уламками крихких продуктів вивітрювання гірських порід, що складають континентальну кору. Ця група називається «елементами континентального детритового походження»;

· важкі метали (Hg, Pb, Zn, Cu, Cl), які надходять у парогазовій формі, одночасно з ними - As, Sb, Bi. Вони активно сорбуються ядрами конденсації з коефіцієнтами збагачення до 10-100 разів в порівнянні із земною корою.

Отже, диференціація хімічних елементів в поверхневій системі суша – атмосфера - океан є наслідком тривалої діяльності живої речовини, а існуюча динаміка циклічного масообміну елементів останньої групи визначається в основному сучасними біогеохімічними процесами.