История изучения химического состава атмосферных осадков

ГЛАВА 1. СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Атмосферные осадки, как жидкие, так и твердые являются чувствительным индикатором загрязнения атмосферы. Данные о содержании загрязняющих веществ в атмосферных осадках являются основным материалом для оценки регионального загрязнения атмосферы промышленных центров, населенных пунктов и сельской местности.

Изучением химического состава атмосферных осадков занимались многие отечественные и зарубежные ученые, которые установили, что поступление химических элементов с атмосферными осадками не является стабильным во времени и пространстве. Данные литературных источников свидетельствуют о широком диапазоне содержания (мг/л) и количества (кг/га) химических элементов, поступающих с атмосферными осадками в той или другой местности.

Первые химические анализы атмосферных осадков были выполнены в середине XVIII в. немецким химиком Маркграфом с целью выяснить присутствие в дождевой воде связанного азота (в виде нитрита), необходимого для питания растений.

М. В. Ломоносов в работе, посвященной физической химии, писал: «Когда дождь с высоты падает через атмосферу, то принимает в себя сернистые и соляные пары» [65]. Значительно позже было установлено содержание в осадках хлорида [68] и еще позже (1905 г.) – сульфида.

Первые химические исследования осадков были начаты в России лишь в 1900-х годах. Результаты этих работ публиковались в Журнале опытной агрономии [13, 52].

Наиболее раннее исследование было проведено в агрономической лаборатории сельскохозяйственной опытной станции в Плоти (бывшая Подольская губерния), организованной П. П. Трубецким [41, 60]. Пробы для химического анализа регулярно собирали на станции в течение 1899–1900 гг. во все дни с осадками. Автор исследовал количество связанного азота в зависимости от времени года, интенсивности осадков, направления и скорости ветра.

Анализы проб проводились на аммиак, азотистую и азотную кислоту, и в конечном итоге определялось поступление в почву азота. Было установлено, что в Плоти содержание аммиака в осадках изменяется от 0,4 до 7,0 мг/л и несколько различно в дождевой и снеговой воде: в дожде от 0,4 до 6,0 мг/л.

Исследовались также пробы воды из инея, росы, тумана и изморози, причем наибольшая концентрация аммиака отмечалась в тумане (в среднем 5,08 мг/л).

На N₂O₃ и N₂O₅ проводились лишь качественные анализы. Присутствие азотистой кислоты в осадках обнаружено приблизительно в половине всех взятых проб, а азотной кислоты – только в нескольких случаях.

Следующая по времени работа выполнена А. Позняковым [52] в Одесской магнитно-метеорологической обсерватории. Обсерватория, где велись наблюдения, расположена на окраине города, на берегу моря. Химические анализы проводились на содержание хлористого натрия, аммиака и азотной кислоты. В течении 1903 г. было собрано и проанализировано 83 пробы дождя или снега и 42 пробы инея, росы, тумана и изморози. Отбор проб сопровождался подробными метеорологическими наблюдениями, которые затем были использованы при анализе данных о составе осадков.

Прежде всего Позняковым было отмечено, что в Одессе во всех видах осадков содержится значительное количество хлора; особенно высока его концентрация в росе и тумане. Позняков также обнаружил, что в ноябре среднее содержание хлора в атмосферных водах составляет 12,4 мг/л, в декабре – 21,8 мг/л. Однако, если исключить из расчета значения, относящиеся к росе, инею и другим видам наземной конденсации, то для дождевой и снеговой воды в среднем концентрация хлора составляет 5,3 мг/л.

Наибольшее число анализов было проведено по определению аммиака. Среднее содержание аммиака в снеге составило 0,5 мг/л, в дожде – 0,8 мг/л.

Среднее содержание азотной кислоты в осадках следующее: в дожде – 0,8, в снеге – 0,4, в росе – 0,3 мг/л. Количество азотистой кислоты во всех видах осадков не превышало сотых долей мг/л.

Представляют ценность анализы проб, собранных одновременно в обсерватории и в городе. Аммиака в осадках, выпадающих в городе, оказалось почти вдвое больше, а азотной кислоты почти то же количество, что и в осадках, собранных в обсерватории.

По имеющимся данным Позняков вычислил среднее содержание аммиака в осадках при разных направлениях ветра: при ветрах с моря получено 0,7 мг/л, при ветрах с берега – 1,1 мг/л, причем при ветрах со стороны города содержание аммиака увеличивается до 1,4 мг/л.

Наконец было определено общее количество связанного азота, приносимого осадками за год и по месяцам. За 1903 г. всего в почву поступило таким путем 2,2 кг N/га.

По инициативе П. С. Коссовича в 1909–1910 гг. большую работу по химическим анализам осадков провел Я. Я. Витынь в лаборатории почвоведения Петербургского лесного института [13]. Результаты этих анализов обобщил Коссович П. С. [43]. В лабораторию посылали пробы атмосферных осадков семь метеорологических станций. Анализы производились на Cl и SO₃. В отборе была рассмотрена также гипотеза об эоловом происхождении солей в степных почвах.

После перечисленных выше первых работ длительное время не занимались изучением состава атмосферных осадков. По-видимому, это было следствием того, что выяснилось, насколько малы концентрации примесей в осадках, и определяемые ими поступления веществ в почву не представляли большого значения для сельского хозяйства.

Через два десятилетия интерес к химическим исследованиям осадков возник вновь в связи с метеорологическими проблемами. В первом издании классической монографии В. И. Вернадского «История природных вод» уделяется особое внимание метеорным осадкам [12]. В работе Н. И. Усова «Генезис и мелиорация почв Каспийской низменности» [61] приведены данные по химическому составу атмосферных осадков метеорологических станций Баскунчак, Эльтон, Александров-Гай, Новокузнецк. Им установлено, что в среднем с дождевыми осадками выпадает 475 кг солей на каждый гектар.

Изучение химического состава выпавших осадков и воды, собранной непосредственно в облаках, рассматривалось как путь к выяснению природы атмосферных ядер конденсации и особенностей процессов образования и роста облачных частиц. Пионером таких исследований был норвежский метеоролог Х. Келер.

В СССР исследования в этом направлении были начаты в конце 30-х годов в Ленинградском институте экспериментальной метеорологии (ЛИЭМ) под руководством профессора В. Н. Оболенского. Группе химиков было поручено разработать метод анализа проб сильно разбавленных растворов, какими являются атмосферные воды. При этом имелось в виду, что анализу могут подвергаться малые объемы воды (30–50 см³), так как нельзя рассчитывать собрать много воды в облаках, да и в наземных условиях трудно обеспечить регулярный сбор осадков в больших количествах.

Прежде всего отыскивался достаточно точный метод микроанализа на хлориды, поскольку наиболее активными ядрами конденсации являются частицы морской соли. В то время методы микроанализа еще не были хорошо разработаны и поставленная задача была довольно трудной. К 1939 г. в лаборатории химии ЛИЭМ под руководством профессора Н. Н. Андреева была собрана потенциометрическая установка для анализа на хлориды проб малых объемов и затем в 1940 г. проведена серия анализов. Содержание в осадках нитритов и нитратов определялось колориметрическим методом. Пробы осадков собирали в Ленинграде на городской метеорологической станции, в Тосно (60 км к югу от Ленинграда) на загородной базе ЛИЭМ и в Эльбрусской экспедиции. Большой интерес представляло то, что на Эльбрусе можно было собирать пробы осадков на разных высотах; кроме того, здесь в 1940 г. на высоте 4250 м были проведены первые опыты с получением воды из облаков (испытывалась установка В. Х. Волкова).

Метеорологическая интерпретация результатов химических анализов была поручена Е. С. Селезневой. Предварительные итоги этих исследований опубликованы в работе [58]. Средние значения концентрации хлора в осадках по данным ЛИЭМ для Ленинграда составили 5,2 мг/л, для Тосно – 4,5 мг/л, на Эльбрусе – 4,4 мг/л, для Скандинавии (по Келеру – 3,5 мг/л), для Голландии (по Израэлю – 4,8 мг/л), для Англии (по Кинчу – 3,8 мг/л).

Хлориды обнаружены в переменных количествах во всех пробах, в том числе и в пробах, собранных на Эльбрусе на высоте 3–4 км в условиях чистого высокогорного воздуха. Полученные значения концентрации хлора близки к известным к тому времени данным других авторов. Однако приведенные для сравнения величины относились к приморским пунктам, и данные ЛИЭМ приходится признать слишком высокими.

В период выпадения осадков концентрация хлора не остается постоянной, но даже после длительного «промывания» атмосферы хлор часто обнаруживается в осадках в тех же количествах, что и в начале их выпадения. Такие же результаты, как отмечено выше, были получены Позняковым [52]. Это говорит о том, что растворенные в дождевой и снеговой воде соли не собираются каплями и снежинками по пути их падения, а попадают в них в начальной стадии образования облаков. Пробы воды, собранные в облаках, подтвердили этот вывод.

Была сделана попытка аэросиноптического исследования результатов анализа проб осадков. Но недостаток аэрологических данных очень ограничивал такое исследование. Все же на основании имеющихся синоптических материалов была произведена группировка проб осадков по типам воздушных масс и фронтальным разделам, а также по направлению ветра у земли и на уровне облаков. Определенно выраженной зависимости содержания хлора в осадках от метеорологических факторов не было обнаружено.

В работе [58] приводятся также некоторые другие выводы и сопоставления. Однако количественные значения полученных результатов нуждались в проверке. Работы ЛИЭМ были прерваны Великой Отечественной войной и остались незавершенными.

Хотя изучение отдельных химических примесей атмосферных осадков ведется более двухсот лет, исследования по химии осадков получили развитие лишь ко второй половине ХХ столетия. К тому времени уже имелось большое число опубликованных в этой области работ. Появились обобщающие труды, в которых подводились итоги исследований по отдельным странам или областям.

Наиболее обстоятельный перечень литературных данных по этому вопросу приводится в известной книге О. А. Алекина [1], в статьях Е. С. Бурксера и его сотрудников [8–11] и в монографии Р. И. Грабовского [19]; в зарубежной литературе – в работах Э. Эриксона [69–71], трудах по химии атмосферы Х. Юнге [74–77], итоговых работах за период Международного геофизического года, подготовленных чешскими [78] и немецкими учеными [79].

Продолжением исследований химического состава выпавших осадков являются выполненные одновременно в 1949–1950 гг. работы Р. И. Грабовского на кафедре физики атмосферы Ленинградского государственного университета и С. М. Шметера в Центральной аэрологической обсерватории. Эти исследователи внесли существенный вклад в изучение химизма облаков и осадков. Тщательность проведения экспериментальной части этих работ до сих пор может служить примером.

С. М. Шметер изучал содержание хлора в облаках в связи с особенностями их микроструктуры [66]. Он разработал методику и аппаратуру для взятия проб воды из облаков с самолета, собрал большое число проб в облаках разных форм, сопровождая их измерением облачных элементов и необходимыми метеорологическими наблюдениями, проанализировал на хлор и дал истолкование полученным результатам, связав изменение концентрации хлора с механизмом укрупнения облачных частиц.

Грабовский Р. И. изучал соли, растворенные как в осадках, так и в облачных элементах с целью выяснения природы ядер конденсации. Конечным итогом проведенных им исследований был расчет баланса солевых ядер конденсации в атмосфере. Результаты его исследований опубликованы в нескольких статьях [20–23] и в монографии [19], обобщающей также и работы других авторов.

Ученый организовал сбор проб осадков в пригородах Ленинграда (Воейково, Сестрорецк, Саблино), а также в некоторых других географических пунктах (Валдай, Мурманск, Карадаг). В общей сложности по всем пунктам было проанализировано 83 пробы атмосферных осадков. Грабовский стремился расширить анализы и определял содержание в осадках не только хлорида (нефелометрическим методом), но также сульфита (также нефелометрически) и нитрита (колориметрически).

Среднее значение концентрации ионов хлора в осадках в Ленинграде, по определениям исследователя, составляет 0,82 мг/л, в дожде – 0,13 мг/л, в снежных осадках – 1,11 мг/л. Эти результаты существенно отличаются от предыдущих меньшими значениями концентрации хлора.

Сульфита в среднем в Ленинграде – 8,2 мг/л, в Пушкине – 3,61 мг/л, в Валдае – 1,63 мг/л. Отсюда видно, что на эту составляющую атмосферных осадков большое влияние оказывает близость промышленного города.

Интересны результаты применения микрокристаллографического (иммерсионного) метода для определения химических примесей в изучаемых пробах. Используя его, Грабовский обнаружил в осадке выпаренных проб галит (NaCl), кальцит (CaCO₃), гипс (CaSO₄*2H₂O) и некоторые другие соединения.

Опытные данные об изменении содержания примесей в последовательно взятых пробах воды из одного и того же дождя Р. И. Грабовский дополнил теоретическим исследованием. По его оценке [19], дождевые капли могут захватывать на пути падения лишь крупные частицы, радиус которых превышает 10^-5 см; более мелкие ядра, падающие капли обтекают вместе с воздушным потоком. Поэтому вымывание частиц соли из атмосферы возможно только вблизи морских берегов, где в нижнем слое воздуха обычно имеется много крупных солевых частиц. Вопрос о захвате аэрозольных частиц снежинками автор не исследовал.

В отношении происхождения хлоридов, содержащихся в осадках, Р. И. Грабовский придерживается так называемой морской гипотезы. В подтверждение этой гипотезы он приводит расчет солевого баланса атмосферы, связывая поступление в атмосферу брызг морской воды с сильными ветрами (10–16 м/сек). На основании данных о повторяемости таких ветров он подсчитал, что с поверхности Мирового океана в атмосферу выносится 27*10⁹ т морской соли за год, в том числе хлоридов 15*10⁹ т. Осадки удаляют из атмосферы, по оценке того же автора, около 2,5*10⁹ т морской соли за год. Таким образом, Мировой океан с избытком обеспечивает процессы облакообразования наиболее активными ядрами конденсации.

В связи с проблемой происхождения хлоридов в атмосферных осадках необходимо остановиться на цикле работ Т. К. Жаворонкиной [27–29], выполненных ею в Морском гидрофизическом институте по идее академика В. В. Шулейкина. Последний высказал предположение, что перенос в глубь материков частиц морской соли, как и перенос тепла, осуществляется муссонной циркуляцией атмосферы. Чтобы проследить распространение солевых частиц на континенте, были предприняты анализы проб осадков, собранных в пунктах, находящихся на различных расстояниях от морского побережья. Пробы поступали в институт с 12 метеорологических станций, из которых шесть были расположены приблизительно на 33-м меридиане на всем протяжении от Баренцева до Черного моря и столько же станций – от Прибалтики до южного Урала (приблизительно на одной параллели 52-54º). Всего собрано и проанализировано более 600 проб, в основном за двухлетний период (1951–1952 гг.).

Два основных положения, высказанные Т. К. Жаворонкиной, не вызывают возражения. Это, во-первых, повышение концентрации хлорида в осадках вблизи морских берегов, во-вторых, – наличие сезонных изменений (более высокие концентрации зимой, меньшие – летом). Эти выводы приводятся и другими авторами и являются общеизвестными.

Научный интерес к химическому составу атмосферных осадков возник во второй половине ХХ в. в связи с необходимостью изучения физико-химических свойств различных примесей, находящихся в атмосфере в виде аэрозолей и газов, а также происходящих в ней химических процессов. В послевоенные годы большое число работ по химии осадков выполнено гидрохимиками и гидрогеологами в связи с исследованием процесса формирования состава природных вод.

Наибольшую известность получили работы, проведенные под руководством Е. С. Бурксера в 1947–1951 гг. [8–11]. Работы эти осуществлялись по широкой программе. В некоторые периоды в отдельных пунктах были организованы комплексные исследования состава атмосферных осадков и атмосферной пыли [9, 11]. В частности, прослежено влияние береговых соляных «засух» и солончаков на поступление в атмосферу частиц соли и повышение минерализации атмосферных осадков. Обширные работы были предприняты по сбору проб атмосферных осадков в разных географических районах. В общей сложности была привлечена к сбору осадков 41 метеорологическая станция; кроме станций, расположенных на ЕТС, были взяты станции арктические, сахалинские, среднеазиатские, кавказские и др. Анализы проб проводились на основные компоненты (Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, NH₄⁺, NO₂⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺). Всего проанализировано 190 проб.

Отбор проб осуществлялся с помощью обычных дождемеров, сменяемых один раз в сутки. После измерений количества осадков с помощью мерного стакана вода сливалась в бутылку из белого стекла, тщательно вымытую и ополоснутую дождевой водой [11]. Применявшаяся методика сбора атмосферных осадков несколько снижает ценность полученных результатов.

Некоторые гидрохимики полагают, что оседающие частицы аэрозолей и крупной пыли не следует исключать из проб, так как они вместе с осадками выпадают на земную поверхность. С метеорологической же точки зрения, перенос и осаждение пыли должны учитываться отдельно.

К гидрохимическим исследованиям принадлежат работы А. Х. Гиренко [16], К. Б. Жаггара и М. И. Холодовой [30] и некоторые другие.

Воронков в связи с изучением химического состава поверхностных вод организовал несколько серий анализов проб снеговой воды. Полученные им результаты свидетельствуют о весьма малой минерализации как свежевыпавшего, так и лежалого снега.

А. Х. Гиренко изучал состав атмосферных осадков на территории Ростовской области. Он организовал сбор проб осадков в семи пунктах. Отбор проб сопровождался метеорологическими наблюдениями. Вся эта работа проводилась с января по декабрь 1955 г., и было получено 364 пробы дождевых и снеговых вод, 29 проб рос и туманов, 18 проб эоловых взвесей.

В результате проведенных анализов автор определил средний состав и общую минерализацию атмосферных осадков и рассмотрел изменение состава осадков в зависимости от некоторых метеорологических факторов. Автор установил, что среднегодовое содержание Сl^- в осадках Ростовской области составляет 3,5 мг/л, SO₄^2- – 11,4, HCO₃^- – 14,2, Ca²⁺ – 5,8, Mg²⁺ – 1,6, Na⁺+K⁺ – 3,7, NH₄ – 0,36, NO₃ – 0,22 мг/л.

Автор дает лишь суммарные за год результаты без подразделения на сезоны. Его попытку характеризовать годовые изменения по месячным значениям нельзя признать удовлетворительной [16], так как число анализов в отдельные месяцы мало (часто лишь 1–3). Возможно, что содержание Cl^- и Na⁺ в осадках несколько завышено вследствие применения стеклянных фильтров при сборе проб.

Как отмечает А. Х. Гиренко, общая минерализация исследованных им осадков в большинстве случаев лежит в пределах от 20 до 50 мг/л, из анионов в составе осадков преобладают ионы HCO₃^-, из катионов – Ca²⁺. Воды туманов и рос значительно более минерализованы (100–250 мг/л) с преобладанием в них сульфатно-кальциевых ионов.

Также А. Х. Гиренко установил количество минеральных веществ, поступающих в почву с атмосферными осадками в пределах исследуемого региона: Cl^- – 1,87 т/км², SO₄^2- – 5,75, HCO₃^- – 7,12, Ca²⁺ – 2,98, Mg²⁺ – 0,78, Na⁺+K⁺ – 1,87 т/км².

К. Б. Жаггар и – М. И. Холодова провели в 1951–1953 гг. анализы проб дождевой и снеговой воды для районов Воронежа. Химический состав снеговой воды для этого региона следующий: Cl^- – 0,94 мг/л, SO₄^2- – 5,41, HCO₃^- – 12,87, Ca²⁺ – 3,62, Mg²⁺ – 1,02, Na⁺+K⁺ – 2,03 мг/л. Анализы проб дождевой воды свидетельствуют о большей минерализации: Cl^- – 0,61 мг/л, SO₄^2- – 11,06, HCO₃^- – 14,57, Ca²⁺ – 7,60, Mg²⁺ – 0,77, Na⁺+K⁺ – 1,93 мг/л.

Таким образом, видно не вполне обычное соотношение между минерализацией дождевых и снеговых вод. В большинстве работ указывается, что зимние снеговые осадки более минерализованы, чем летние. Для Воронежа в рассматриваемых работах получено обратное соотношение, причем превышение минерализации дождевой воды происходит за счет типичных континентальных примесей – сульфатно-кальциевой составляющей.

Из других исследований химического состава атмосферных осадков на ЕТС можно еще упомянуть статью П. В. Денисова и Н. Л. Бугаева [25]. Они изучали состав осадков в Харькове, но число проанализированных ими проб невелико и к тому же не описана методика сбора проб.

По другим областям бывшего Советского Союза работ очень мало [15, 65] и результаты анализов самые предварительные. Из них можно выделить исследование К. К. Вотинцева [15], давшего первые характеристики состава вод атмосферных осадков Прибайкалья. Число проанализированных этим автором проб невелико – 11 для снега и 25 для дождя.

Обращают на себя внимание весьма малые значения концентрации отдельных компонентов и незначительная общая минерализация атмосферных осадков (7–10 мг/л): Cl^- – 0,30 мг/л, SO₄^2- – 0,97, HCO₃^- – 5,68, Ca²⁺ – 1,95, Mg²⁺ – 0,10, Na⁺+K⁺ – 0,37 мг/л. Такие результаты К. К. Вотинцев объясняет большой удаленностью района исследования от морских побережий и его малой населенностью.

Особый интерес представляет исследование состава осадков в Антарктиде, проведенное участником Третьей советской экспедиции А. А. Матвеевым [45, 46]. На этом ненаселенном материке довольно высокую минерализацию осадков он объясняет океаническим влиянием.

В бывшем СССР систематическое изучение химического состава атмосферных осадков началось в период Международного геофизического года и следующего за ним Международного года Солнца (1957–1959 гг.). Тогда же начала создаваться сеть станций по наблюдению за химическим составом атмосферных осадков.

В монографии Г. А. Максимовича [44] обобщены данные советских и зарубежных авторов по содержанию и поступлению веществ, содержащихся в атмосферных осадках в различных точках земного шара.

Значительный вклад в изучение химического состава атмосферных осадков, его взаимосвязи с метеорологическими факторами, а также в исследования атмосферных примесей как загрязнений воздушной среды внесли ученые Главной геофизической обсерватории им. Воейкова М. Е. Берлянд, Е. С. Селезнева, О. П. Петренчук, Э. Ю. Безуглая, Л. Р. Сонькин и др. [65].

Большую работу по изучению химического состава атмосферных осадков на Европейской территории СССР провели В. М. Дроздова, О. П. Петренчук, Е. С. Селезнева и П. Ф. Свистов [65]. Для изучения химического состава и минерализации осадков они привлекли данные опорной сети станций, использованные в период Международного геофизического года (8 станций с данными за 4-летний период – 1958–1961 гг., 5 – за 2-летний).

Следует отметить также работы по исследованию химического состава атмосферных осадков на территории СССР С. Г. Каштанова – района г. Казани, К. Д. Ткаченко и П. И. Колесника – района г. Киева, Г. Д. Супаташвили – Грузии, Г. С. Давтяна и Т. Т. Варданяна – Армении, В. П. Волковой и С. М. Фотиева – Якутской АССР, В. П. Зверева – Черноморского побережья Кавказа, М. М. Гаджиевой и М. С. Бежаева – Дагестана, П. В. Денисова и А. Л. Бугаева – Украины и др. [65].

Ряд работ, связанных с изучением химического состава атмосферных осадков, выполнили А. А. Матвеев и О. И. Башмакова [65]. Помимо состава осадков (растворенных соединений и нерастворившейся части), они исследовали атмосферную пыль и органические соединения.

На территории Урала изучение химического состава атмосферных осадков начато несколько позднее, чем на Европейской территории Советского Союза. Первые данные были получены Г. А. Максимовичем, исследовавшим химический состав атмосферных осадков г. Перми в 1945 г. В 1954 г. [65] им были получены более полные данные о химическом составе снега в районе г. Перми и в с. Усть-Кишерть, расположенном вдали от промышленных предприятий. В селе Усть-Кишерть общая минерализация не превышала 15 мг/л. В летний период отмечалось снижение содержания в осадках сульфатов, гидрокарбонатов и кальция. В Перми отмечено значительное увеличение минерализации в результате загазованности атмосферы города.

В 1960–1963 гг. в Среднем Прикамье Г. К. Михайловым [65] отобрано 8 проб дождевых и 12 проб снеговых вод. Полученные данные дали возможность установить, что в этих районах в зимний период по сравнению с летним минерализация осадков уменьшается в среднем вдвое.

На Камском и Воткинском водохранилищах пробы снега отбирались И. А. Печеркиным и Э. А. Бурматовой [65]. Анализ проб показал зависимость минерализации осадков от места выпадения и влияние бытового и промышленного загрязнения на химический состав атмосферных осадков.

И. Н. Шестовым [65] на территории Пермской области и в г. Перми было отобрано более 50 проб атмосферных осадков в разное время года. Выявлено, что минерализация осадков в сельской местности значительно ниже, чем в г. Перми.

В 1967 г. Г. А. Максимовичем и И. Н. Тюриной [65] были обобщены данные химического состава атмосферных осадков Пермской области. Проведено сравнение химического состава атмосферных осадков, выпавших в г. Перми и области. В результате получено, что в зимнее время средняя минерализация осадков, выпавших в черте города, почти в 7 раз превышает соответствующее значение для сельской местности.

Все приведенные работы относятся к районам Приуралья. На самом же Урале и его восточном склоне данных по химическому составу атмосферных осадков еще меньше. С 1958 по 1961 г. проводился помесячный отбор атмосферных осадков на химический анализ. Полученные данные обработаны, а результаты приведены в работе В. М. Дроздовой и др. [65].

Более региональный характер носили исследования Г. А. Вострокнутова, А. М. Гавришина [65]. Ими сделана попытка провести сравнительный анализ содержания макро- и микрокомпонентного состава атмосферных осадков в различных районах Среднего Урала. Отмечается наличие загрязнения атмосферы над промышленными городами, прослеживающееся на 10–20 км по направлению ветра, Л. Е. Черняевой, А. М. Черняевым, А. К. Могиленских [65].

В исследованиях химического состава атмосферных осадков за рубежом ведущее место к середине XX столетия заняли шведские ученые. Начиная с 1948–1950 гг. исследования по химии осадков в Швеции получили быстрое развитие и была создана сеть из 28 станций, которые доставляли месячные пробы осадков для химического анализа. С 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, 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 [80], 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 от 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.

Позже исследования по химии осадков в Стокгольмском метеорологическом институте возглавил Э. Эриксон. Начиная с 1952 г. им опубликован ряд крупных работ [69–71], 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 Э. 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 [70].

В своих макрообобщениях шведский ученый пришел к следующим величинам. Так, количество хлоридов для США он принимает, на основании данных Юнге, в центральных районах составляет 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 около 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 [24] – 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 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 Э. 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 С. А. Дурову и Н. Е. Федоровой [26], и 28 кг/га – по П. В. Денисову и Н. Л. Бугаеву [25]. Приведенные величины значительно выше полученных для других континентальных районов, это автор объясняет включением данных прибрежных станций. Точно так же количество поступающей с осадками серы по данным тех же работ оказалось очень высоким, по предположению шведского ученого, 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 Э. 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 работе [77].

Х. Юнге известен своими исследованиями атмосферных аэрозолей и обобщающими трудами по химии атмосферы [74–77]. 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 американский ученый 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 Х. Юнге и соавторов [75, 77] 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 SO₄^2- на юго-западе США и в других районах со слаборазвитой промышленностью; в этом случае источником поступления в осадки серы предполагается земная поверхность.

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

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: