Воздушная, водная, биогенная и техногенная миграция

Рассмотрим закономерности воздушной (атмосферной) миграции химических элементов.

Химические элементы и их соединения в воздушной среде мигрируют в виде двух форм:

-         растворенной, входящей в состав главной фазы природной среды (воздуха);

-         взвешенной, представляющей собой непостоянную, механически перемещаемую дисперсную фазу, нестабильную по составу и объемам.

Пространственно-временные особенности поведения химических элементов в этих двух формах обусловлены разными причинами и имеют свою специфику.

Концентрация растворенных загрязняющих веществ регулируется процессами разбавления, а также сорбционного химического взаимодействия (растворение в воде).

Для взвесей концентрация связанных с ними загрязняющих веществ обусловлена их содержанием в дисперсной фазе, количеством дисперсной фазы и скоростью их осаждения, связанной с размерами взвешенных частиц и скоростью воздушного потока.

Многочисленные исследования по оценке фоновой поставки взвешенных веществ из атмосферы на земную поверхность показывают сильную вариабельность значений. Это обусловлено наличием струйных течений (каналов миграционных потоков) и зон конвергенции, определяющих в совокупности три типа переноса взвешенного материала:

-         локальный (в пределах ландшафтов);

-         тропосферный (в пределах материков);

-         стратосферный (в пределах биосферы Земли).

Фоновые выпадения взвешенных веществ на земную поверхность для различных районов характеризуются следующими значениями:

плато Колорадо (США) - 100 кг / км2 × сутки

Новая Зеландия - 5 кг/ км2 × сутки

Антарктида - 1 кг/ км2 × сутки

Арктика - 0.006 - 0.06 кг/ км2 × сутки

Для Европейской территории России природный фон по пылевым выпадениям оценивается величиной 10 кг/км2×сутки  при флуктуациях от 6 до 20 кг/км2×сутки. Для горно-промышленных районов Урала фоновые пылевые выпадения характеризуются величиной 40 – 60 кг/ км2 × сутки.

По химическому составу потоки вещества, поступающие из атмосферы, также варьируются в зависимости от природно-климатических условий. Для территории России данные по составу пылевых выпадений приведены в табл. 5.

Таблица 5

Состав пылевых выпадений из атмосферы для различных

 природно-климатических зон России

Плотность выпадения, т/км2× год

Элемент

Тип миграции

Природно-климатическая зона

 

тундровая

лесная

степная

K

фоновый

техногенный

0.14 - 0.34

0.02

0.45 - 1.3

0.1

0.6 - 0.7

0.3 - 2

Na

фоновый

техногенный

0.54 - 2.2

0.1

0.7 - 2.7

0.25 - 1

1.5 - 2.5

0.25 - 1

Ca

фоновый

техногенный

0.71 - 1.3

0.1

0.8 - 3.4

0.6 - 1

2.1 - 4

0.45

Mg

фоновый

техногенный

0.21 - 0.62

0.001

0.27 - 1.15

0.01

0.7 - 1.7

0.05

S

фоновый

техногенный

0.15 - 0.25

0.2 - 0.9

1 - 2.5

1 - 5

3 - 4

2 - 50

Cl

фоновый

техногенный

0.5 - 3

0.1

0.5 - 3

0.2 - 0.5

1.5 - 4.5

0.5 - 1

Si

фоновый

техногенный

0.2 - 0.7

-

2.1 - 4.2

-

5.2

-

Al

фоновый

техногенный

0.04 - 0.3

0.01

1 - 2

0.1

1

0.15 - 1.5

Fe

фоновый

техногенный

0.06 - 0.15

0.15

0.6 - 1

0.2

0.5 - 1

0.2 - 1

Mn

фоновый

техногенный

0.05

0.003

0.015 - 0.02

0.03

0

0.14

Сумма

фоновый

техногенный

2.55 - 11.1

0.68 - 1.68

7.44 - 21.27

2.49 - 7.94

16.1 - 24.6

4.04 - 57.14

Из приведенной таблицы видно, что для 10 наиболее распространенных химических элементов наблюдается зависимость химического состава атмосферного миграционного потока от природно-климатических условий. Практически для всех контролируемых элементов увеличивается плотность выпадения при переходе от тундровой к степной зоне. Обращает на себя внимание довольно значительная доля техногенного давления (особенно для серы S), соизмеримая с природным поступлением элементов из атмосферы. Наблюдаемое повышенное техногенное давление для степной зоны связано с более высокой концентрацией в ней промышленности.

При оценке содержания химических элементов в пылевых выпадениях из атмосферы следует иметь в виду, что соотношение природной (фоновой) и техногенной составляющей довольно динамично.

Увеличение в составе атмосферного аэрозоля почвенного материала, характерного для летнего времени, увеличивает общую массу взвеси, но и снижает в ней массовую долю «техногенных» химических элементов.

В биосферных заповедниках, т.е. в эталонных фоновых условиях, большинство тяжелых металлов (Cd, Co, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg,), а также Sb, As, Br, Se – являющиеся индикаторами техногенного загрязнения, находятся в атмосфере, главным образом, в растворенном состоянии (в паро-газовой фазе).

В районах расположения промышленных источников выбросов в атмосферу роль взвесей как источников загрязнения атмосферы тяжелыми металлами резко возрастает.

При анализе особенностей образования техногенных геохимических аномалий за счет выпадений из атмосферных миграционных потоков очень важно знать формы нахождения химических элементов, т.е. соотношение растворенной и взвешенной форм.

Как показывают многочисленные исследования, практически для всех химических элементов на относительно удаленных и сравнительно чистых территориях в выпадениях из атмосферы преобладают растворимые формы. Близ источника выброса с увеличением общей массы выпадающей пыли и степени концентрации в ней элементов резко уменьшается доля растворимых форм.Последнее обстоятельство приводит к длительной устойчивости почвенных техногенных аномалий из-за низкой скорости вымывания нерастворимых форм тяжелых металлов.

Таким образом, формирование техногенных потоков и ореолов рассеивания при атмосферной миграции химических элементов во многом связано с характером распределения твердых взвешенных частиц и формами нахождения химических элементов.

Это касается прежде всего территории, обрамляющей источники выбросов (ближняя зона), наиболее опасной с позиций геохимического загрязнения. По результатам натурных исследований установлено, что в атмосферных выпадениях вблизи источника выброса фиксируется лишь          20–30% массы выброса. Остальная часть его рассеивается атмосферными миграционными потоками, поступает в региональные и глобальные миграционные циклы, создавая «фоновое» загрязнение объектов биосферы.

В результате атмосферной миграции техногенных загрязнений возможны два принципиально различных типа нагрузки химических элементов на земную поверхность:

1)       высокая нагрузка, формируемая в результате выпадения больших количеств пыли с фоновым или близким к нему содержанием химических элементов;

2)       высокая нагрузка, связанная с  выпадением пыли с высоким содержанием химических элементов.

Первый тип нагрузки является, в сущности, условно-аномальным. Для участков проявления этого типа техногенной нагрузки может быть характерно несколько повышенное потребление химических элементов при дыхании (за счет большей концентрации пыли в воздухе), но геохимическое загрязнение почв, воды, растений практически отсутствует. Этот тип нагрузки часто характерен для источников выбросов предприятий стройиндустрии, горных предприятий по добыче нерудного сырья.

Второй тип нагрузки, являясь аномальным, воздействует на все компоненты окружающей среды, повышая в них концентрации химических элементов, т.е. вызывает геохимическое техногенное загрязнение.

Этот тип нагрузки обычно характерен для горнодобывающих предприятий рудного профиля, обогатительных фабрик, металлургических и химических предприятий.

Анализ многочисленных данных по формированию геохимических аномалий от техногенных источников загрязнения атмосферы позволил установить следующие закономерности.

                    1.  Центр наиболее высоких концентраций загрязняющих веществ в  депонирующих средах (почвы, снеговой покров) «привязан» к источнику выброса. Размеры зоны сильных геохимических аномалий хорошо коррелируются с мощностью источника выброса.

                    2.  Форма и размеры области сильных геохимических аномалий слабо зависят от "розы ветров", характерной для данного региона.

                    3.  Форма и размеры области слабых геохимических аномалий, окружающих зону наибольших выпадений, хорошо коррелируются с метеорологическими параметрами региона.

Различие в формах нахождения химических элементов в транспортирующем атмосферном потоке и скоростях выпадения химических элементов из потока приводит к формированию определенной зональности геохимических аномалий в районе источника выбросов. При наличии на территории нескольких источников загрязнений атмосферы из-за наложения их ореолов рассеивания зональность в распределении химических элементов в геохимических аномалиях может и не проявляться.

Рассмотрим закономерности процессов водной миграции химических элементов в биосфере. Водная миграция химических элементов в биосфере происходит в результате природного круговорота воды и определяется как чисто физико-химическими процессами поведения химических элементов в природных водах (растворение, осаждение, окислительно-восстановительные реакции, сорбция), так и биохимическими процессами, происходящими при непосредственном участии живого вещества.

В.И. Вернадский в своих работах называет воду совершенно особым природным минералом, биокосным веществом. Химический состав природных вод определяется процессами взаимодействия живой и неживой природы.

Наряду с биологическим круговоротом атомов в биосфере протекает и другой грандиозный круговорот – круговорот воды. С энергетической точки зрения здесь имеет место одна и та же последовательность: солнечная энергия, затраченная на испарение воды, заряжает ее молекулы энергией, которая после конденсации паров воды в атмосфере и выпадения осадков на земную поверхность превращается в кинетическую энергию рек и ручьев. Таким образом, круговорот воды следует считать главным агентом механической энергии в биосфере, реализующим процесс механического разрушения и перемещения горных пород.

На осуществление круговорота воды расходуется примерно 50% солнечной энергии, поглощаемой земной поверхностью. Годовой баланс влаги на Земле характеризуется следующими цифрами:

Испарение (тыс. м3) Выпадение (тыс. м3)

с поверхности океана.... 448,7 на поверхность океана...411,6

с поверхности суши...... 62,4 на поверхность суши.....99,5

Всего...................511,1 Всего...................511,1

Избыток влаги, выпадающей на сушу (37,1 тыс. м3), образует речной сток с континентов. Реки земного шара переносят огромное количество твердых и растворимых веществ, поступающих в океан или конечные водоемы (озера). В результате этого с поверхности суши ежегодно смывается слой, количественно характеризуемый ежегодным слоем денудации.Наиболее полно процесс денудации развивается в форме эрозионной и растворяющей деятельности временных и постоянных водотоков.

Средняя величина слоя денудации в целом для суши составляет 0,1 мм/год при колебаниях   от 0,05 до 0,23 мм (большее значение для Азии, меньшее для Австралии). Данные по величинам ежегодного стока  твердых и растворенных веществ для рек России приведены в табл. 6.

Таблица 6

Модули стока главнейших рек России

Река

Площадь

водосбора, тыс.км2

Средний сток воды, км3/год

Среднегодовой сток

вещества, т/км2

 

Отношение  твердого и растворимого стока

твердый

растворимый

Индигирка

360.4

57

25.9

9.1

2.9

Колыма

644.1

120

8.0

5.5

1.5

Амур

1843

346

31.0

10.1

3.1

Печора

326.9

129

22.0

16.7

1.3

Дон

422.5

28

16.7

14.7

1.1

Урал

220

11

16.5

15.1

1.1

Волга

1380

255

20.3

33.7

0.6

Сев.Двина

360.3

111

17.8

47.7

0.37

Нева

282.3

82

3.2

10.2

0.31

Обь

2485

394

5.9

12.2

0.48

Енисей

2599

548

4.6

11.4

0.31

Лена

2425

488

5.3

17.0

0.31

Под модулем стока понимается количество твердого и растворенного вещества, транспортируемого реками в единицу времени с единицы площади водосбора. Соотношение величин твердого и растворимого стока меняется в зависимости от географического положения и климатических условий района. Для горных рек (Индигирка, Амур) характерно преобладание твердого стока. Для равнинных рек, наоборот, преобладает растворимый сток (Волга, Нева, Сев. Двина, Обь, Енисей, Лена).

Сумма твердого и растворимого стока определяет величину ежегодного слоя денудации, режим формирования потоков рассеивания и скорость обновления вторичных остаточных ореолов рассеивания месторождений и геохимических аномалий.

Будет полезно почитать по теме: