Газовая оболочка Земли (стр. 5 из 7)

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. 90×10⁶ 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……………СuPbZnCd

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 вода имеет минерализацию 40 мг/л, и растительность всей суши выносит в атмосферу путем транспирации (1,2–1,4)×10⁹ т минеральных веществ. Растения выделяют многочисленные газообразные соединения, количество которых оценивается в 1,5×10⁹ т/год (Исидоров В.А., 1985). Для хвойных деревьев характерно образование терпенов, для лиственных – изопренов. Л.Г. Бондарев полагает, что 1 га лиственного леса продуцирует в сутки около 2 кг летучих соединений, а 1 га хвойного леса – от 4 до 30 кг, и допускает, что таким образом выделяется в тропосферу до 0,5×10⁹ т/год летучих органических соединений, содержащих (4–5)×10³ т минеральных веществ.

Исследования, проведенные американскими геохимиками в горных районах Колорадо и Айдахо, показали, что хвойные деревья активно выделяют в атмосферу катионогенные элементы неорганических солей (натрий, магний, стронций) и многие металлы. При этом концентрация в золе конденсатов оказалась более высокой, чем в золе хвои для меди, олова, молибдена, никеля и некоторых других элементов. В то же время были обнаружены биогеохимические особенности разных пород деревьев. В частности, в выделениях пихты (Pseudotsugamenziesii) обнаружено больше цинка, но меньше кадмия, чем в выделениях ели (Piceaengelmanii) и сосны (Pinuscontorid); в выделениях пихты и сосны больше стронция, чем у ели, и т.д.

Распределение концентраций между почвой, хвоей и транспирационными выделениями в воздухе показано на рис. 4. Авторы полагают, что металлы выносятся из зеленых органов деревьев в форме легколетучих комплексов с терпенами: изопреном, пиненом и др.

Рис. 4. Тяжелые металлы и другие химические элементы в летучих выделениях хвойных деревьев субальпийских ландшафтов Колорадо и Айдахо, США

Элементы, содержащиеся в воздухе над деревьями, имеют более высокую концентрацию в золе конденсатов, чем в золе хвои. Элементы, содержащиеся е кронах деревьев, имеют наибольшую концентрацию в золе хвои.

В. Бофор в 1975 г. обнаружил, что с 1 cм² листвы может выделяться до 1×10^-6 мкг/ч цинка и примерно в 100 раз меньше свинца что соответствует выделению 9 кг цинка и 5 г свинца с 1 км² растительности в год. Основываясь на этих данных, ученые предполагают возможным глобальное поступление цинка из высших растений суши в атмосферу равным 300×10³ т/год.

Л.Г. Бондарев обратил внимание на то, что особый миграционный поток возникает при рассеивании пыльцы. Одно дерево березы (дуба и ели) производит более 100×10⁶ зерен пыльцы, сосны – более 350×10⁶ зерен в год. Среднее значение массы пыльцы составляет 15 т/км² в год, 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 ежегодно.

Пыльца и мелкий растительный детрит, развеиваемый ветром, отражает в своем составе повышенную концентрацию металлов в местных почвах. Этот факт использован при разработке атмобиогеохимического метода поиска залежей сульфидных руд в провинции Квебек (Канада) и штате Аризона (США).

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 – 350000, цинка – 250000, меди – 35000, свинца – 6700. Возможно, что эти цифры завышены и включают в себя массы металлов, выделяемых в результате низкотемпературных биологических процессов, но не вызывает сомнения, что при лесных пожарах в атмосферу поступают значительные массы металлов.

На основании обстоятельного анализа геохимии аэрозолей французский геохимик С. Бутрон пришел к заключению, что в составе аэрозолей присутствуют три группы химических элементов. Первую группу образуют элементы, входящие в состав морских солей, из которых и состоят ядра конденсации океанических аэрозолей. К этой группе относятся магний, кальций, калий, стронций, хлор, сульфатная сера и самый характерный из них – натрий. Соотношение с этим элементом других представителей группы в аэрозолях такое же, как в воде океана.

Ко второй группе относятся алюминий, железо, скандий, иттрий, цирконий, марганец, ванадий и некоторые другие. Соотношение этих элементов в аэрозолях относительно алюминия близко к значениям, которые имеют место в земной коре. Очевидно, носители этих элементов представлены тонкодисперсными обломками рыхлых продуктов выветривания горных пород, слагающих континентальную кору. Поэтому Бутрон назвал эту группу «элементами континентального детритового происхождения».

Третья группа элементов состоит из тяжелых металлов (ртути, свинца, цинка, меди, кадмия) и близких им элементов с переменной валентностью (мышьяка, сурьмы, висмута). Основная масса этих элементов поступает в атмосферу в парогазовой форме. Так как эти элементы активно сорбируются ядрами конденсации, их обогащенность относительно алюминия возрастает на 1–2 математических порядка по сравнению с земной корой.

Имеющиеся факты позволяют заключить, что дифференциация химических элементов в системе поверхность суши – атмосфера – поверхность океана является результатом длительной деятельности живого вещества, а существующая динамика циклического массообмена элементов третьей группы, обусловлена главным образом современными биогеохимическими процессами.