Гидрохимия атмосферных осадков

ГЛАВА 6
ГИДРОХИМИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
Атмосфера Земли почти целиком состоит из газообразных веществ. На уровне моря средний состав атмосферы по массе следующий (%): 78 молекулярного азота, 20,95 молекулярного кислорода, 0,93 аргона, 0,03 двуокиси углерода. Кроме того, присутствуют ничтожные количества водорода, неона, гелия, криптона, ксенона, радона, пыли и водяного пара. Содержание последнего зависит от температуры воздуха: при 30⁰С его может содержаться до 30 г/м³, при 10⁰С - до 8 г/м³, при – 30⁰С – не более 0,3 г/м³.


6.1. Главные ионы и минерализация
Первая стадия формирования поверхностных и подземных вод осуществляется в атмосфере. Из всех разновидностей вод наименее изученными в химическом отношении следует считать атмосферные воды. Они отличаются крайней изменчивостью своего состава во времени и пространстве. Поэтому принято оперировать средними годовыми значениями того или иного компонента в осадках, казывая его экстремальные значения.
Из табл.6 видно, что минерализация осадков на Европейской части СССР настолько низкая, что даже гидрокарбонаты кальция не могут в них достигать стадии насыщения. Среди анионов хлориды занимают последнее место, хотя местами формируются осадки хлоридного класса.
Таблица 6
Экстремальные и средние значения концентрации ионов (мг/л) в атмосферных осадков европейской части СССР, по В.М.Дроздовой с соавторами

Ион	Минимальная	Средняя	Максимальная
Cl^-	0,1-0,6	0,8-3,4	5,9-8,5
SO^2-4	1,0-2,8	3,6-14,3	6,7-48,2
HCO^-3	0,0-2,8	1,5-11,3	4,5-37,8
Na^+	0,0-0,8	0,5-3,2	2,3-14,4
K^+	0,01-0,02	0,4-0,9	1,0-5,0
Mg^2+	0,01-0,1	0,2-0,7	0,6-14,4
Ca^2+	0,01-0,4	0,6-6,0	1,0-25,5

Несмотря на неустойчивость, состав осадков является в общем характерным для данной местности, отражая тип ее географического ландшафта. Минерализация атмосферных осадков, как правило, ниже минерализации поверхностных и подземных вод. Средняя минерализация атмосферных осадков на севере всего 10 мг/л, южнее она увеличивается до 30 мг/л и в южных районах достигает 60 мг/л, в пустынных и полупустынных районах средняя минерализация должна быть еще выше.

Атмосферные осадки существенно отличаются от поверхностных и подземных вод не только минерализацией, но и характером преобладающих ионов и содержанием органического вещества. Они относительно обогащены ионами и чаще, чем другие воды, характеризуются соотношением Большое удельное значение в атмосферных осадках приобретают компоненты биогенного происхождения концентрация которых иногда достигает 20-25% количества вещества эквивалентов. Если отношение в подземных и поверхностных водах обычно от 10 до 25 с наинизшими значениями в маломинерализованных водах, то в атмосферных осадках оно уменьшается до 1,5-2,0. Такое относительное обилие ионов калия обусловлено не только действием биологического фактора, но и присутствием в атмосфере агентов, препятствующих его миграции. Конечно, не весь калий в атмосфере биогенный.
Минерализация и ионный состав атмосферных осадков являются в значительной мере зональными. А.А.Матвеев и О.И.Башмакова атмосферные воды делят на шесть основных групп, в которых преобладают следующие ионы: 5) 6) / Выпадение осадков первой группы отмечено в приморских районах севера европейской части СССР и на побережье Черного моря. Преобладание в осадках характерно для районов севера и северо-востока этой территории. В центральных районах европейской части СССР выпадают осадки третьей группы, а на юге ее и Северном Кавказе – четвертой. В горных районах Кавказа отмечены осадки пятой группы, а на побережье Каспийского и Черного морей – шестой.
В табл.7 дана характеристика минерализации и химического состава атмосферных осадков по 11 пунктам европейской части СССР. Как видно из этой таблицы, средняя многолетняя минерализация атмосферных осадков по всем пунктам колеблется преимущественно в пределах 10-20 мг/л при экстремальных значениях для всей рассматриваемой территории 3-4 и 50-60 мг/л. Средняя минерализация составляет 16,9 мг/л. Ионный состав весьма разнообразен, причем среди анионов большей частью преобладает или , а среди катионов, в зависимости от степени удаленности от побережья, или . Примерно такие же концентрации главных ионов наблюдаются и на территории США.
Содержание нитратов в атмосферных осадков обычно не превышает 1 мг/л, что подтверждает карта распределения концентраций (рис.16). Концентрация аммонийного азота сравнительно мало уступает в атмосфере нитратным ионам. Источником является главным образом окисление аммиака, выделяющегося при процессах аммонификации органического вещества из почв и из других источников (города, промышленность, вулканы). Кроме того, зарождается путем окисления атмосферного азота при разрядах атмосферного электричества.
По данным большинства исследователей значения рН атмосферных осадков всегда ниже 7,0, наиболее часто они находятся в пределах 5-6, а иногда наблюдаются и более низкие значения – до 4,6. рН в пределах около 5-6 вполне объяснимы, поскольку как раз при рН = 5,7 СО₂ дистиллированной воды находится в равновесии с СО₂ атмосферы. Понижению значения рН до 5-6 способствует присутствие в атмосфере NO₂ и SO₂.

Важное значение имеют присутствующие в атмосферных осадках в ничтожных количествах радиоактивные вещества. Они появляются в атмосфере в результате естественных и искусственных процессов. Радиоактивные вещества поднимаются с пылью с земной поверхности (⁴⁰К, ²²⁸U, ²³²Th, ²²⁶Ra и др.), а также образуются под действием космических лучей (¹⁰Be, ¹⁴C, ³²Si, ³H, ²²Na, ³³P и др.). Искусственным путем радиоактивные элементы попадают в атмосферу в результате испытаний оружия (¹³⁷Cs, ⁴⁰Sr, ¹⁴⁴Ce, ⁹⁵Zr, ¹⁴⁰Ba, причем период полураспада для трех последних – меньше года). Более крупные радиоактивные продукты, образующиеся при взрывах, выпадают вблизи, а более мелкие – дисперсные – выносятся в верхние слои тропосферы и могут быть перенесены на большие расстояния.

Химический состав вод облаков изучен очень мало в связи с трудностями их опробования. Имеющиеся данные говорят о том, что минерализация облачных капель ниже минерализации атмосферных осадков, так как выпадая из облака и достигая земли в виде дождя, снега или града, осадки на своем пути растворяют взвешенные в приземных слоях пылевые частицы (аэрозоли) и обогащаются солями. Однако по мере промывания атмосферы осадки по своему химическому составу все более приближаются к облачным водам и там, где в нижних слоях атмосферы мало аэрозолей, осадки почти идентичны облачным водам.
П.П.Воронков очень низкую минерализацию отметил у свежевыпавшего снега в конце зимнего сезона, когда атмосферный воздух чист и не содержит эоловой пыли. Изучая химический состав снега в течение зимы в районах, удаленных от источников загрязнений, этот автор заметил, что к концу зимы содержание ионов в свежевыпавшем снеге может уменьшаться до пределов аналитического нуля.

В одном и том же пункте наблюдений в зависимости от силы и направления ветра могут выпадать осадки различных химических типов и минерализации. В этом отношении показательны наблюдения над изменением химического состава осадков в районе Пролетарского водохранилища в Ростовской области. В одном дожде первая проба имела минерализацию 135 мг/л, а вторая проба, отобранная через 12 ч., после первой, минерализацию 80 мг/л. В другом дожде примерно за тот же промежуток времени минерализация упала с 178 до 95,1 мг/л, при этом изменился тип воды с третьего на первый. По этому же пункту за период 1952 – 1955 гг отмечено изменение минерализации в зависимости от направления ветра от 16,5 до 194 мг/л. Трансформация атмосферных осадков, происходящая при этом, отражает состав воднорастворимой части развеваемого покрова. В частности, появление первого типа обусловлено развеванием солонцов, широко развитых в районе Пролетарского водохранилища.
Содержание солей в атмосферных осадках находится в прямой зависимости от запыленности атмосферы и в обратной – от суммы выпадающих осадков (рис. 17). Первые порции дождя обогащаются ионами сильнее, чем последующие. Разброс значений минерализации особенно велик при малых количествах осадков и быстро уменьшается с увеличением их суммы. Установлено, что отношение максимальной концентрации к минимальной составляет более 20 при сумме осадков 1 мм, около 10 при сумме 10 мм и около 5 при сумме 20 мм.