46. Химический состав осадков

Концентрации веществ в воде отдельных дождей очень сильно изменяются в зависимости от происхождения облачной системы, дающей осадки (морское или континентальное), от стадии и продолжительности осадков (рис. 9, 10). Поэтому изучение химического состава осадков проводят, как правило, на основе осредненных данных.

Рис. 9. Изменение во времени ионного состава

В последовательных фракциях дождя

Разброс значений особенно велик для малого количества осадков. Это объясняется тем, что в этом случае важную роль играют подоблачное вымывание и испарение капелек дождя, из-за чего концентрация значительно возрастает. При длительном дожде главную роль начинает играть вымывание в облаке, а при большей влажности испарение уменьшается. Поэтому с увеличением количества осадков средние концентрации веществ уменьшаются. Также и влияние локального загрязнения становится менее значительным при большом количестве осадков. Если выпадает более 5 мм дождя, то подоблачное вымывание становится практически полным.

Рис. 10. Изменение во времени ионного состава дождевой воды

В последовательных равных по объему пробах дождя (по оси абсцисс отложены номера проб, с 1 по 6), Москва, 6 июня 1991 г.

В процессе выпадения осадков постепенное уменьшение концентрации во многих случаях происходит подобным образом для всех примесей. Это свидетельствует о преобладающем влиянии метеорологических факторов – вымывании в облаке и испарении - на изменение концентрации в течение выпадения осадков. Влияние испарения видно на рис. 9 – после 18 ч с уменьшением интенсивности осадков начинает резко возрастать концентрация в них ионов. Причиной этого могло быть, увеличение температуры окружающего воздуха (например, если это были фронтальные осадки на теплом фронте), либо уменьшение относительной влажности воздуха из-за снижения интенсивности дождя.

Химический состав осадков вследствие внутриоблачного вымывания отражает химический состав облачной системы, из которой они выпадают, и, вследствие подоблачного вымывания, свойства воздушной массы (Суркова Г.В., 2002). Основными источниками поступления примесей в осадки являются:

1. аэрозоли морского происхождения;

2. континентальные аэрозоли (частицы пыли, органические вещества, продукты жизнедеятельности и т.п.);

3. окисление растворенных газов.

Основные ионы, представленные в континентальных атмосферных осадках – анионы SO₄^2-, Cl^-, NO₃^2-, катионы щелочных и щелочноземельных металлов Na⁺, К⁺, Мg²⁺, Са²⁺ и аммония NH₄⁺. Большая часть осадков над европейской частью России выпадает в циклонических системах, формирующихся над Атлантическим океаном. С другой стороны, расстояние до океанов (Северного Ледовитого и Атлантического) составляет не менее тысяч километров. Поэтому химический состав осадков над европейской территорией России отражает континентальное и морское влияние.

Ионы морского происхождения могут попадать так далеко в глубь Евразийского континента благодаря интенсивному западному переносу. Морское влияние определяется вкладом морской соли в качестве ядер конденсации, большая часть которых формируется из NaCl.

С удалением от берега в глубь континента на 10 км концентрация в осадках ионов морского происхождения уменьшается на 80%. На расстоянии 20 км уменьшение происходит примерно в два раза. В прибрежной зоне среднегодовые концентрации хлорида натрия в осадках составляет около 10 мг/л.

Над континентом (более чем в 100 км от берега) концентрация ионов хлора меньше на порядок. Зато возрастает вклад сульфатов и нитратов, имеющих как морское, так и континентальное, в том числе антропогенное происхождение.

Источник большей части ионов калия, магния и кальция в континентальных осадках – минеральные компоненты аэрозолей, поступающих из почвы. Нитраты и аммоний попадают в облачную воду как составляющие атмосферных аэрозолей или благодаря захвату газообразных молекул HNO₃ и NH₃ жидкими каплями.

Степень континентальности осадков можно определять, используя соотношение концентраций ионов различного происхождения:

анионов            [Cl^-] / [SO₄^2-] / [NO₃^-];

или катионов    [Na⁺ + Mg⁺] / [K⁺ + Ca⁺] / [H⁺].

Концентрация натрия и магния по большей части определяется морским происхождением. Катионов калия и кальция в морской воде меньше, чем в континентальной, в основном они имеют терригенное происхождение (Суркова Г.В., 2002). Концентрация катионов водорода часто имеет антропогенное происхождение, как продукт окисления оксидов серы и азота.

На химический состав осадков влияет географическое происхождение. Так, лессовая пыль в тропиках является дополнительным источником карбонатов. В тропических осадках возрастает концентрация нитратов из-за образования оксида азота при грозовых разрядах.

Изменение концентрации примесей может иметь сезонные особенности. Часто максимум загрязненности осадков в средних широтах северного полушария наблюдается весной. Причины этого не очень ясны, возможно, влияние оказывает усиление фотохимической активности в этот период. В прибрежных районах, например, в Великобритании, максимум концентрации ионов хлора наблюдается зимой. В этот период усиливаются морские штормы, за счет чего больше морских аэрозолей попадает в атмосферу.

Различные виды осадков различаются химическим составом (рис. 11), поскольку по-разному вымывают примеси из атмосферы. Так, способности к вымыванию у снега и росы другие, чем у дождя. Максимальной выводящей способностью обладает снег, поскольку площадь поверхности снежинок очень большая. Роса аккумулируется зачастую на листьях, поэтому может иметь в своем составе много ионов биологического происхождения – продуктов жизнедеятельности растений.

Рис. 11. Концентрации некоторых ионных и молекулярных соединений