научная статья по теме АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ: ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И КИСЛОТНОСТЬ Физика

Текст научной статьи на тему «АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ: ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И КИСЛОТНОСТЬ»

Атмосферные осадки:

химический состав и кислотность

П.Ф.Свистов, Н.А.Першина, М.Т.Павлова

Попадание в атмосферу загрязняющих веществ никогда не проходит бесследно. Одни из них оказываются вредными или даже гибельными для живой природы, другие влияют на физические свойства и процессы в атмосфере. Поэтому перед природоохранными организациями стоит задача контролировать состояние воздуха и выявлять тенденции к изменению содержания в нем наиболее действенных примесей. На международном уровне такие исследования входят в систему Глобальной службы атмосферы (ГСА), включающую заповедники и специальные станции фонового мониторинга. Программа ГСА рассчитана на заблаговременные предупреждения о любых изменениях химического состава и связанных с ним физических характеристик атмосферы, которые могут не только оказать пагубное воздействие на природную среду, но и привести к изменениям климата.

В Российской Федерации по химическому составу воздуха и осадков одной из самых чистых территорий считается При-окско-Террасный государственный природный биосферный заповедник. Здесь отсутствуют локальные источники загрязнения воздуха, что дает возможность хотя бы качественно оценить воздействие на состав осадков некоторых климатических параметров.

© Свистов П.Ф., Першина Н.А.,

Павлова М.Т., 2015

Петр Филиппович Свистов, кандидат географических наук, старший научный сотрудник отдела мониторинга и исследований химического состава атмосферы Главной геофизической обсерватории имА.И.Воейкова (Санкт-Петербург), химик-аналитик. Многие годы занимается химической географией атмосферных вод.

Наталья Алексеевна Першина, заместитель начальника информационно-аналитического центра той же обсерватории, ведущий специалист в области внедрения современной измерительной техники. Область интересов — мониторинг загрязнения природной воды.

Маргарита Тихоновна Павлова, ведущий химик-аналитик того же центра. Научные интересы связаны с разработкой и совершенствованием методов химического анализа природных вод.

Наблюдения за химическим составом атмосферных осадков ведутся в заповеднике с 1983 г.: до 2000 г. ежемесячно, затем еженедельно. Все измерения приведены к месячному сроку таким образом, что разность суммы анионов и катионов (эквивалентная) не превышает 10% (табл.1).

Таблица 1

Результаты наблюдений за химическим составом осадков в заповеднике в разные периоды времени

Параметры Значение в недельных осадках 2001—2013 гг. Среднее за 1983—2013 гг.

минимальное максимальное среднее

Сумма ионов, мг/л 1.7 21.8 5.7 5.5

Сумма осадков, мм 0.7 91.6 16.6 640.5

Проводимость, мкСм/см 4.0 68 13.6 17.1

Величина рН 4.0 7.5 5.7 5.6

801, мг/л 0.1 7.0 1.4 2.0

НС03, мг/л 0.1 9.8 0.9 0.8

N0-, мг/л 0.01 10.2 1.4 1.5

Ш+, мг/л 0.05 6.7 0.4 0.6

С1-, мг/л 0.04 6.8 0.7 0.7

Абсолютно минимальная минерализация (сумма ионов) осадков составляет 1.7 мг/л и поддерживается содержанием в воздухе углекислого газа, газовых примесей и аэрозолей (жидких и твердых частиц в атмосфере). Естественные источники могут повысить ее до 3 мг/л. Этот интервал называют глобальным фоном. Периодичность таких выпадений в Приокско-Террасном заповеднике — одна из самых высоких в России (от 1 до 15%, в среднем около 3%).

Величина естественного фона искажается из-за деятельности человека, поэтому на региональном уровне кислотность, минерализация осадков и влажные выпадения веществ превышают минимальный природный фон примерно в 4—5 раз. В заповеднике же такое превышение значительно ниже, чем на других станциях. Среднегодовая минерализация в интервале от 3 до 15 мг/л (так называемый региональный фон) встречается здесь в 80—90% случаев. Это значит, что за период с 1983 по 2013 г. в Приокско-Террасном заповеднике чаще всего выпадали глобально или регионально фоновые осадки.

Повторяемость глобального фона оказывает влияние на среднюю минерализацию. В 83% недельных осадков она определяется повторяемостью минимальных значений. В осадках за месяц эта связь наблюдается не так часто. На распределение и величину минерализации влияет также сумма осадков. Обычно чем чаще выпадают осадки, тем они чище и кислее. Хотя это положение справедливо только при наличии локальных источников загрязнения воздуха, которых около заповедника практически нет.

Коэффициент линейной корреляции между суммой осадков и их минерализацией, по не-

дельным, месячным и среднегодовым наблюдениям, составляет -0.2, т.е. связь между этими величинами фактически отсутствует, и это еще одна важная особенность Приокско-Террасного заповедника. В многолетнем ходе наибольшим колебаниям подвержена именно годовая сумма осадков, отклонение от среднего значения которой достигает 40%. После резкого падения минерализации осадков в 1990-х годах значимые изменения со временем (тенденции) проявляются в основном у отдельных компонентов. Следовательно, в заповеднике имеются все условия для сравнительно надежных оценок изменения химического состава осадков в зависимости от климатических характеристик.

Интересно проследить связь выбросов в атмосферу загрязняющих веществ в Центральном федеральном округе с выпадением осадков в Приок-ско-Террасном заповеднике. Коэффициент корреляции выпадений в Центральном округе и в заповеднике изменился от 0.7 до 0.51. Следовательно, произошло уменьшение влияния региональ-

Повторяемость осадков с фоновой минерализацией и средняя сумма ионов.

Многолетний ход минерализации и среднегодовой суммы осадков в заповеднике.

Изменение выбросов и выпадений загрязняющих веществ в Центральном федеральном округе и выпадений в заповеднике [1].

Зависимость проводимости осадков от суммы ионов по средним за год значениям в Приокско-Террасном заповеднике.

ных источников загрязнения на осадки в заповеднике примерно в два раза (с 51 до 25%).

Влажные выпадения в обоих случаях рассчитывались по минерализации. При этом необязательно определять содержание каждого компонента и брать их сумму. Достаточно измерить электрическую проводимость осадков*. Она определяется суммой ионов, из которых большая часть измеряется непосредственно. Однако в растворе присутствуют и другие токопрово-дящие компоненты (в том числе органические). Поэтому зависимость между минерализацией и проводимостью осадков измеряют отдельно для каждой станции. Отметим, что все максимальные среднегодовые значения суммы ионов (от 8 до 11 мг/л) были зафиксированы в 1990-х годах.

Ионный состав осадков

В настоящей статье представлены данные по общей минерализации, содержанию сульфатов, нитратов и аммония за последние 10 лет. Более ранние измерения опубликованы в 2013 г. [2].

Среднемесячные значения минерализации осадков изменяются в интервале от 1.7 до 21.8 мг/л при средней величине 5.7 мг/л. В 16% случаев сумма ионов не превышает 3.5 мг/л, а средняя сумма минимальных значений близка к абсолютно фоновой. На минерализацию от 4 до 8 мг/л приходится около 70% измерений. Некоторое увеличение повторяемости максимальных значений приходится обычно на весенне-летний период и, возможно, связано с повсеместной традицией сжигать отходы.

Концентрации сульфатов изменяются от 0.1 до 7.0 мг/л.

* Подробнее о связи минерализации осадков и их электропроводности см.: Свистов П.Ф., Полищук А.И. Атмосферные осадки над городами и регионами России // Природа. 2014. №3. С.28—36.

В 65% случаев они не превышают 1.5 мг/л, в 22% — не опускаются ниже 0.5 мг/л. Максимальные значения наблюдаются всего в 3 (и менее) процентах всех измерений и также характерны для начала теплого сезона. Экспериментальные наблюдения показывают, что основным источником сульфатов в осадках служит диоксид серы, который через сульфиты окисляется полностью до сульфатов в течение 7—10 сут и таким образом постепенно выводится из равновесия: диоксид серы воздуха — сульфиты облачных капель — сульфаты облаков и осадков.

Концентрация нитратов в осадках находится главным образом в интервале 0.5—4.0 мг/л, хотя в отдельных случаях наблюдаются и более высокие значения. Так, в марте 2005 г. она составляла 7.6 мг/л, а в июне 2013 г. достигала 10.2 мг/л. Средняя доля нитратов в осадках примерно равна сульфатной, а их происхождение также связывают с оксидами азота в воздухе.

Содержание аммония невелико из-за аномально высокой растворимости и химической активности аммиака. В диапазоне 0.1—3.2 мг/л примерно 90% значений не превышают 0.7 мг/л. Среднемесячные и среднегодовые (многолетние) величины изменяются незначительно — от 0.2 до 0.5 мг/л. Аммиак, выделяясь повсеместно в результате жизнедеятельности и окислительно-восстановительных реакций, легко взаимодействует с парами воды и другими газами. Время пребывания его в атмосфере оценивается примерно в одни сутки, в отличие от оксидов серы и азота (от 4 до 7 сут).

Содержание гидрокарбонатов [НСО-] в растворе нередко называют щелочностью. В идеальных условиях (минерализация меньше или равна 5 мг/л) щелочность связана с кислотностью [Н+] капель в облаках соотношением:

[НСО3] « К К р/[Н+],

где К и Кг — табличные константы равновесия, К = 0.045 моль/л-атм (моль на литр при давлении газа в одну атмосферу), К = 3.8-10-7 моль/л, р — содержание диоксида углерода в воздухе (0.03% = = 0.0003 атмосферы).

Средняя многолетняя концентрация гидрокарбонатов близка к единице и регулируется кислотностью осадков, поэтому наметившийся в 1996 г. рост щелочности заметно отражается на уменьшении их кислотности. Естественно, средние за год абсолютно минимальные концентрации [НСО-] не совпадают с абсолютно максимальной кислотностью осадков. Такое возможно только в индивидуальных пробах. Главные источники

Многолетний ход концентрации гидрокарбонатов.

гидрокарбонатов — углекислый газ и карбонаты аэрозолей. Карбонатная составляющая будет, по-видимому, возрастать с развитием транспортных средств и освоением земель под сельскохозяйственные нужды. При величине рН > 4.8 содержание гидрокарбонатов в осадках стремится к нулю. Максимальные значения щелочности в заповеднике достигают 10 мг/л.

Широко известный рост диоксида углерода в атмосфере происходит в четвертом знаке после запятой, если концентрацию вы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»