45. Химический состав облаков

Химический состав облаков отражает вклад растворимых фракций  ядер конденсации и газов, захваченных каплями, а также продуктов химических реакций, протекающих в каплях в течение жизни облака. Следовательно, химический состав неоднороден в пространстве и времени. Он зависит, с одной стороны, от химических свойств воздушной массы, в которой формируется облако, с другой стороны – от микрофизических и динамических характеристик самого облака.

Основные компоненты облачной воды – неорганические анионы SO₄^2-, NO₃^-, Cl^- и катионы NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. В некоторых случаях, когда раствор в каплях очень кислый, концентрации Н⁺ тоже сильно возрастают.

Над морской поверхностью большая часть ядер конденсации – частицы морской соли. Поэтому Na⁺ и Cl^- преобладают в облаках, сформировавшихся в морских воздушных массах. Над континентами их вклад уменьшается, но возрастает концентрация ионов К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, которые имеют в основном континентальное происхождение.

Наибольшую концентрацию в облачной воде чаще всего имеют ионы NH₄⁺, SO₄^2-, NO₃^-. Их источники – это и растворимые части аэрозолей, и газы NH₃, HNO₃ и SO₂. Серная и азотная кислоты – наиболее сильные кислоты в облачной воде, они в основном определяют ее кислотность. В то же время NH₃ – практически единственное природное соединение, продукты растворения которого способны нейтрализовать кислую среду.

Поэтому, главным образом, баланс этих кислот и аммиака определяет рН облачной воды. В чистой атмосфере органические кислоты также могут быть значимым источником кислотности в облачной воде. Интересно отметить, что в облаках, не дающих осадков, содержание многих ионов гораздо выше, чем в облаках фронтального происхождения, дающих осадки.

Есть вещества, которые представлены в воде облаков в несравнимо меньших количествах. Тем не менее, их роль в химии облаков и осадков может быть весьма значительна. Металлы (Fe, Mn, Cu, Co, Ni) -потенциальные катализаторы гомогенных и гетерогенных реакций в жидкой фазе, а также источники свободных радикалов в каплях. Их концентрации при этом составляют менее 1 мкмоль/л.

Элементарный углерод С (зола и сажа) присутствует в атмосферных аэрозолях в количестве от 0,3% в фоновых районах до 9% над промышленными территориями. Элементарный углерод, захваченный облачными каплями, влияет на оптические характеристики облаков и может также действовать, как катализатор в некоторых реакциях.

Термин «органический углерод» часто употребляется для органических соединений, содержащихся в аэрозолях. Его концентрации в аэрозолях могут достигать 10-30% . Химия органических соединений в жидкой фазе в атмосфере очень сложна и в настоящий момент находится в стадии активного развития.

Необходимо отметить, что химический состав облачных капель неоднороден. Капли разного размера в пределах облака могут иметь разный состав так же, как и одинаковые по величине капельки могут отличаться по химическому составу.

Причинами такой неоднородности является, в частности, различие ядер конденсации. Известно, что химические свойства аэрозолей во многом являются функцией их размеров, т.е. частицы определенного радиуса обладают определенными химическими свойствами. Большая часть вымываемых в облаке аэрозолей используется в качестве ядер конденсации. Капли, нарастающие на различных (по размеру и химическому составу) ядрах конденсации, также будут иметь различные химические свойства. Следовательно, кислотность капель разного состава будет различаться.

Распределение вещества между каплей и окружающим воздухом, т.е. между жидкой и газовой фазой, как было показано, зависит, в том числе, и от кислотности капли. От кислотности зависит также и скорость прохождения некоторых жидкофазных реакций внутри капли. А это формирует дальнейшую неоднородность химического состава в облаке.

Проблема жидкофазных реакций в облаках в настоящее время представляет своего рода вызов ученым, поскольку современных знаний и экспериментального оборудования пока недостаточно, чтобы детально изучать индивидуальные химические характеристики облачных капель. Поэтому ответы на некоторые вопросы даются на основе использования теоретических моделей.