книги / Основы геохимии

По сравнению с другими внутренними планетами солнечной сис­ темы Земля имеет относительно обширную атмосферу, уступая в этом отношении только Венере. Однако земная атмосфера не идет ни В какое сравнение с мощными атмосферами больших планет, у ко­ торых большая часть массы состоит из газовых компонентов. Отно­ сительно массы всей Земли атмосфера составляет ничтожную долю, всего лишь 0,00009%.

Максимальная высота атмосферы над поверхностью Земли не мо­ жет быть установлена с какой-либо определенностью, поскольку плотность воздуха экспоненциально уменьшается с высотой. Некото­ рые оптические и электрические явления в атмосфере наблюдаются на высотах порядка 1100 км, что позволяет судить о присутствии на этой высоте следов атмосферного воздуха.

Основные физические свойства атмосферного воздуха заключают­ ся в следующем. Молекулярная масса сухого воздуха равна 28,966. Она отражает основной азотно-кислородный состав. Плотность сухого воздуха при давлении 760 мм рт. ст. равна 1,2928 кг/м3, или 0,012928 г/см3. Изменение давления, температуры и плотности до вы­ соты 15 км в стандартной атмосфере представлено в табл. 54.

Нижний слой атмосферы до высоты 11 км в полярных странах и 17 км в тропических называется тропосферой. Тропосфера — зона интенсивного перемешивания воздушных масс, поэтому химический состав ее весьма однородный. Температура воздуха в тропосфере с высотой уменьшается в среднем на 0,5°С на 100 м; верхняя граница тропосферы отмечается так называемой тропопаузой — слоем постоян­

181

ной температуры (примерно минус 55°С, см. табл. 54). Выше тропопау­ зы начинается стратосфера. Для нее характерно уменьшение турбу­ лентного перемешивания воздуха. Свыше 35 км температура начинает повышаться и приблизительно на высоте 50 км достигает 0°. Еще вы­ ше температура снова понижается. На высоте 70 км она падает при­ мерно до —60°С. Свыше 80 км снова появляется температурная инверсия и температура резко возрастает. В настоящее время допус­ кают, что максимальные значения температур имеют место на грани­ це между ионосферой и экзосферой. Экзоафера, или, иначе говоря, верхняя атмосфера, переходит в межзвездное мировое пространство.

Рис. 38. Вертикальное строение атмосферы

Второй максимум температур, испытывающий сезонные колебания, приурочен к высоте 400 км. Температура второго максимума, вероят­ но, около 3000 К. Следует отметить, что известные успехи в изучении верхней атмосферы достигнуты в последнее время в связи с примене­ нием ракет и искусственных спутников. Полученные данные дают возможность более детально расчленить атмосферу Земли.

На общей ассамблее Международного союза по геодезии и геофи­ зике в Брюсселе в 1951 Чемпен предложил новую номенклатуру под­ разделения атмосферы Земли (рис. 38).

В правой части рисунка атмосфера разделена на верхнюю гетеро­ сферу и нижнюю — гомосферу. Между ними находится гомопауза. Гетеросфера — верхняя атмосфера Земли неоднородного химического

182

состава в связи с малой интенсивностью перемешивания и активно протекающими фотохимическими реакциями. Гетеросфера начинается с высоты 100 км, ниже располагается атмосферный слой, относящий­ ся к гомосфере.

183

В верхней атмосфере нет резко выраженных слоев ионизации, как это предполагалось ранее. Значительная ионизация начинается на высоте 50 км и достигает максимума на высотах 250—300 км. Здесь концентрация электронов колеблется от 2 • 10 ®/см3 в дневное время и до 2 • 10б/см3 в ночное. Выше происходит уменьшение концентрации электронов. Степень ионизации над различными районами поверхнос­ ти Земли испытывает колебания, связанные, вероятно, с неравномер­ ностью потоков ионизирующих корпускул или плотность воздуха в верхней атмосфере имеет весьма низкие значения (см. табл. 55).

Под влиянием приливных воздействий Луны и Солнца в верхней атмосфере происходит интенсивная циркуляция. На высоте до 100 км отмечены ветры со скоростью несколько сот метров в секунду, одна­ ко конкретный механизм образования ветров на таких высотах остает­ ся неясным.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

Атмосферный воздух, как это давно установлено, представляет собой естественную смесь двух газов — азота и кислорода. В тропо­ сфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые обычно называют аэрозолями.

В настоящее время принято выделять постоянные и переменные части атмосферы в зависимости от длительности пребывания в ней тех или других компонентов. Однако такое подразделение следует считать относительным, так как в разрезе крупных интервалов гео­ логического времени, по существу, все компоненты атмосферы высту­

184

99,99% сухого воздуха. К малым составным частям атмосферы отно­

ная, в том числе космическая, и антропогенная — индустриальный дым, продукты атомных взрывов и др. (табл. 56, 57).

Вся тропосфера и большая часть стратосферы имеют в общем одно­ родный химический состав, Весьма протяженная верхняя атмосфера (гетеросфера) отличается составом и рядом фотохимических процес­ сов, протекающих в ней.

Изучение спектров полярных сияний впервые позволило устано­ вить присутствие диссоциированных азота и кислорода в виде ионов и атомов на высотах 90—400 км. Изучение свечения ночного неба во время астрономических сумерек обнаружило в спектре линию 0,5894 нм, которая вызвана присутствием натрия.

Как уже отмечалось, атмосфера до высоты 100 км, а возможно и выше интенсивно перемешивается. Это приводит к выравниванию ее состава в пределах гомосферы. Однако, начиная уже с высот порядка нескольких десятков километров, в результате воздействия солнеч­ ной радиации происходит изменение в состоянии основных компонен­ тов воздуха. Кроме обычных двухатомных молекул, появляются свободные атомы и молекулы, состоящие из трех атомов. Так, в интервале высот от 10 до 100 км образуется много молекул озона О э,

при нормальных условиях. Образование озона происходит следующим образом: молекулы кислорода, поглощая кванты ультрафиолетовых лучей, приходят в возбужденное состояние; сталкиваясь с другими (невозбужденными) молекулами кислорода, они дают озон и возбуж­ денные атомы кислорода по схеме

Содержание озона в атмосфере в данном месте подвергается сезон­ ным колебаниям, и максимум его распространения временами смещает­ ся на высоты порядка 15 км. Процесс образования озона резко снижает интенсивность ультрафиолетовой радиации Солнца, которая у поверх­ ности Земли достигает минимальных значений, обеспечивая сохран­ ность живых организмов и жизни на поверхности Земли в целом.

По расчетам Я- Мияки и К- Сарухаши, общая масса озона в ат­ мосфере Земли остается постоянной и зависит от радиации Солнца в данный период года. Летом максимум содержания озона смещается в северное полушарие, зимой — в южное.

За пределами высот 40 км, по мере поднятия в более высокие го­ ризонты атмосферы увеличивается пропорция атомарного кислорода, а выше 150 км практически весь кислород диссоциирован. Фотохими-

185

ческое разложение молекулярного кислорода на атомы происходит при поглощении света с длиной волны менее 0,2445 нм:

Оа + hv -v О + О

Атомарный кислород наиболее легко ионизируется жестким электро­ магнитным излучением Солнца.

Диссоциация молекулярного азота начинается выше, чем кисло­ рода, примерно с высоты около 200 км; выше 300 км азот полностью диссоциирован. При поглощении света сдлиной волн 0,1150 и 0,1250 нм происходит ионизация молекул азота, а затем их разложение на атомы:

N2 + hv -> N + N

Атомарный азот может возникать и при так называемой диссоциа­ тивной рекомбинации, обусловленной столкновением электронов и

N2. Последнее явление наблюдается в зорях и при свечении ночного неба. В этом случае диссоциация происходит по схеме

На высотах 50— 150 км, возможно, образуются молекулы окиси азота N0. Рентгеновское излучение Солнца ионизирует молекулы и атомы земной атмосферы. Возникающие ионы вступают в многочис-

186

•ценные химические реакции с нейтральными атомами и молекулами. В результате этих процессов, в частности, и образуется N 0, который Наиболее распространен на высотах 200—300 км. В меньшем количест­ ве присутствуют ионы кислорода.

На высотах 150—200 км в атмосфере возможно диффузионное раз­ деление газов с увеличением с высотой относительной пропорции легких элементов. Именно поэтому во внешних слоях верхней атмос­ феры наиболее распространены атомы и ионы водорода, концентра­ ция которых на уровнях нескольких десятков километров от поверх­ ности Земли очень мала — 10-4%

Особенности строения и химических процессов в атмосфере Земли (по данным М. Николе, 1964) представлены на рис. 40.

Рис. 40. Строение, состав и химические процессы в атмосфере Земли

187

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

Вода в виде пара попадает в атмосферу при испарении с морей и материков. Количество водяного пара особенно велико в тропическом поясе — до 3332, 9 Па парциального давления. В атмосфере проис­ ходит конденсация воды в виде облаков и осадков. Процесс конден­ сации преимущественно характерен для тех воздушных течений, в которых имеется вертикальная составляющая, обусловливающая адиабатическое охлаждение воздуха. Наиболее интенсивны процессы конденсации в нижней тропосфере, через которую осуществляется круговорот воды на земном шаре. Слабее эти процессы выраженье в верхней тропосфере, где они образуют перистые облака, состоящие из тонкодисперсных кристалликов льда, и очень редки в стратосфере, в которой на высотах около 30 км временами появляются перламутро­ вые облака, а на высоте около 80 км — серебристые.

Испарение воды с поверхности водоемов в атмосферу представляет собой огромный процесс естественной дистилляции, в результате ко­ торой вся атмосферная влага оказывается очень мало минерали­ зованной по сравнению с остальными природными водами Земли. Тем не менее химический состав атмосферных осадков характеризуется некоторыми особыми чертами. В них обнаружено присутствие натрия, кальция, магния, бора, азота, серы, углерода, хлора, брома, иода и фтора.

Обстоятельные исследования химического состава атмосферных осадков на территории Советского Союза были проведены по ини­ циативе Е. С. Бурксера Н. Е. Федоровой и Б. А. Зайдис. По дан­ ным 200 анализов атмосферных осадков, Н. Е. Федорова (1954) опре­ делила их общую минерализацию и пределы колебаний каждого ком­ понента. Было установлено, что минерализация атмосферных вод резко неравномерна в количественном и качественном отношениях. Общая сумма растворенных веществ в атмосферных водах колеблется в очень широких пределах — от 12 до 550 мг/л. Для характеристики степени минерализации атмосферных вод можно выделить четыре группы:

1.Воды слабой минерализации; количество растворенных ве­ ществ 0—25 мг/л.

2.Воды умеренной, или средней, минерализации, содержащие от 25 до 50 мг/л растворенных веществ.

100 мг/л растворенных веществ.

Наиболее часто выпадают осадки слабой и умеренной минерали­ зации. Осадки повышенной и высокой минерализации встречаются значительно реже; их выпадение обычно связано со специфическими физико-географическими условиями. Так, наиболее минерализован­ ные воды встречены на побережье Аральского моря, наименее минера­ лизованные — в высокогорных районах (Конах-Кенд) и на Земле Франца-Иосифа.

188

В составе атмосферных осадков ведущую роль играют те же эле­ менты, что и в других природных водах — морей и континенталь­ ных водоемов: из катионов — натрий, магний, кальций, из анионов — гидрокарбонатный ион, сульфатный и ион хлора. Атмосферные воды характеризуются не только разной степенью минерализации, но и разным соотношением главных компонентов (табл. 58).

Т а б л и ц а 58 Колебание состава главных компонентов атмосферных осадков (мг/л)

Из данных таблицы следует, что наиболее резкие колебания отно­ сятся к ионам хлора и сульфатному иону. Объясняются они, очевидно, максимальной миграционной способностью этих ионов в зоне гипергенеза (по сравнению с другими анионами). Существенные колебания отмечаются для магния.

Ионные отношения атмосферной воды отличаются друг от друга и все вместе довольно резко отличаются от ионных отношений морской воды (табл. 59). Только осадки, выпадающие недалеко от моря, приближаются по соотношению ионов к морской воде (вблизи Сахали­ на, в Японии). В местах, отдаленных от моря, соотношения становятся совершенно другими. Часть растворенных в дождевой воде веществ соответствует тем ионам, которые при соединении образуют гигроско­

189

пические соли, способные обеспечить конденсацию атмосферной влаги. К ним относятся NaCl и MgCb. Важнейшими источниками ионов,

ватмосфере являются следующие:

1.Привнос солей с водяными брызгами, поднимаемыми ветром при штормовой погоде с поверхности водоемов, и преимущественно моря. При этом в атмосферу попадают ионы Na+ и С1" и отчасти M g2+. При испарении брызг в воздухе во взвешенном состоянии могут оста­ ваться частицы морских солей. Ветрами эти частицы могут заноситься

вцентральные части материков.

2.Эоловый привнос сухих солей с поверхности суши. Этот про­ цесс происходит в колоссальных масштабах в аридных районах зем­ ного шара. В атмосферу попадают продукты выветривания горных пород и среди них карбонаты. Можно думать, что главный источник карбонатного (гидрокарбонатного) иона и иона кальция в атмосфере и атмосферных осадках — поверхность суши.

3.Продукты вулканических извержений. При вулканической деятельности в атмосферу в значительном количестве попадают пре­ имущественно COa, S 0 3, Cl", NH3 и др. По-видимому, они имеют ре­ шающее значение в минерализации атмосферных осадков в районах вулканической деятельности.

4.Промышленные загрязнения, связанные с сжиганием топлива,

сметаллургическими и химическими заводами. При этом в воздух попадают COa, SOa, S 0 3, окислы азота.

5.Атмосферные электрические разряды, способствующие окисле­ нию азота и превращению его в окислы и в нитратный ион.

Дождевые воды, выпадающие в центральных частях материков, характеризуются преимущественно повышенным по сравнению с ионом хлора содержанием карбонатов и сульфатов. Это свидетель­ ствует главным образом о континентальном источнике минерализа­ ции атмосферных вод. Атмосферная вода в любом виде, поступая в область континента, необычайно быстро поддается его влиянию, распространяющемуся и за пределы суши. Неоднократно наблюдались случаи весьма сильного загрязнения атмосферных осадков во время

урагана. Так, А. Д . Заморским в 1939 г. был описан случай выпаде­ ния в Ростовской области окрашенного снега, покрывшего территорию в несколько десятков тысяч квадратных километров. Цветной снег чередовался с цветным дождем. Подобные факты свидетельствуют о сильном континентальном влиянии на состав атмосферных осадков.

По подсчетам С. В. Доброклонского и П. Б. Вавилова, капля дождя массой 50 мг, падая с высоты 1 км, омывает 16,3 л воздуха. Следовательно, 1 л дождевой воды, падая с высоты 1 км, омывает 3 х X 106 л воздуха, вымывает взвешенные пылевые частицы и растворяет некоторые из них. Таким образом, состав атмосферных осадков за­ висит от многих факторов. Важнейшие из них следующие: 1) первич­ ный состав атмосферной влаги, 2) количество сухих примесей в воздухе, 3) количество выпадающих осадков, 4) условия выпадеция осадков, связанные с высотой дождевых облаков, направлением ветра> предшествующей погодой, температурой воздуха и характером осад­ ков (дождь, снег, град).

190