Состав воздуха и атмосферных осадков

Атмосферные осадки – дождь, снег, град, роса и иней – относятся к природным водам. Они оседают на поверхность Земли и могут рассматриваться как самая чистая вода на планете, поскольку образуются в условиях природных дистиллярных процессов. Однако в результате постоянного интенсивного контакта с воздухом дождевая вода, имеющая большую поверхность, насыщается различными веществами, которые являются составными частями воздуха и способны хорошо растворяться в воде. Среди них, в частности, следует назвать СО₂ и О₂, а также значительное количество веществ антропологического происхождения – СО, SO₂, оксиды азота, аммиак, а также чрезвычайно большое количество легких органических соединений различных классов. Поэтому химический состав таких водных объектов зависит от состава воздуха, с которым они контактируют. Поэтому химическую характеристику воздуха и атмосферных осадков целесообразно рассматривать вместе.

Основной химический состав чистого воздуха, в котором содержатся молекулы разных ингредиентов в газообразном состоянии такой:

Таблица 8

Химический состав чистого воздуха

Содержание этих ингредиентов в воздухе, а также паров воды концентрация которых колеблется в очень широких пределах, формировалось на протяжении многих миллионов лет эволюции Земли и обеспечивает существование всех живых существ, что дышат воздухом.

В воздухе всегда присутствуют в малых количествах разные примеси газообразных веществ природного происхождения – вулканические выделения с недр Земли (SO₂, NH₃, HCl, H₂S, CO, HF и др.) и соединения биогенного происхождения (СО₂, СН₄, более сложные легкие органические соединения). Их концентрация в незагрязнённом воздухе составляет на уровне мкг/м³ (кроме СО₂) и изменяется в очень широких пределах.

Наконец, в воздушном бассейне промышленных зон и больших городов, а также в воздухе цехов различных предприятий содержится большое количество газообразных веществ антропогенного происхождения – NO₂, SO₂, CO₂, NH₃, H₂S, Cl₂, Br₂, HF, HCl, HBr, AsH₃, PH₃, галогенорганических соединений, органических кислот, эфиров, альдегидов, спиртов, кетонов, амино- и нитросоединений, ароматических углеводородов, серосодержащих органических соединений, пестицидов и т.д. Для большинства из них установлены нормы ПДК, которые колеблются в широких пределах – от 3 мг/м³ (СО) до 0,001 мг/м³ (РН₂) и значительно меньше.

Кроме этого, в атмосфере содержатся не только газообразные вещества, а также большое количество твёрдых и редких аэрозолей – пыли, дыма, высокодисперсных агрегатов растворимых солей различной степени влажности, мелких точек растворов газообразных веществ (SO₂, HCl, NO₂, органических соединений) и т.д. Аэрозоли находятся в воздухе в динамическом равновесии и длительность их существования зависит от дисперсности частиц и интенсивности турбулентных потоков воздуха.

Аэрозоли в значительной степени являются посредниками конденсации атмосферной влаги. По размерам их делят на 3 группы:

а) мельчайшие (так называемые частицы Айткека) с радиусом r < 2×10^-5 см;

б) большие (r = 2×10^-5 – 10^-4 см);

в) гигантские (r > 1×10^-4 см).

Характер земной поверхности сильно влияет на концентрацию аэрозолей в воздухе (табл. 9).

Таблица 9

Содержание аэрозолей с радиусом r < 2×10^-5 см в атмосф. разн. местн.

Характер поверхности		N тыс. шт/см3
	Океан	0,84 – 4,7
	Острова	0,46 – 44
	Суша (берег)	1,6 – 33
Горы	> 2000 м	0,16 – 5,3
	1000 – 2000 м	0,45 – 9,8
	50 – 100 м	1,4 – 36
	Сельская местность	1 – 67
	Город	6 – 110
	Промышленный город	50 – 400

Из таблицы видно, что наиболее загрязнён аэрозолями воздух над сушей, особенно в промышленных районах. Наиболее чистым по содержанию аэрозолей является воздух высокогорных районов.

В аэрозолях содержится основная масса химических ингредиентов, которые выпадают на поверхность Земли с атмосферными осадками. Исходя из данных таблицы можно предвидеть, что в различных районах Земли атмосферные осадки содержат разную концентрацию химических ингредиентов. Так, например, для осадков над поверхностью суши бывшего СССР наиболее характерными являются такие интервалы концентраций главных ионов (мг/л):

SO₄^-2 (3 – 12), Cl^- (1 – 3), HCO₃^- (0,5 – 5), Ca²⁺ (0,5 – 3), Mg²⁺ (0,2 – 0,7), Na⁺ (1 – 2), K⁺ (0,4 – 1).

Для атмосферных осадков над Тихим и Индийским океанами они несколько другие:

SO₄^2- (1 – 5), Cl^- (2 – 12), HCO₃^- (0,6 – 6), Na⁺ (2 – 12), K⁺ (0,5 – 1,5).

Кислотность атмосферных осадков в основном характеризуется величиной рН 5 – 6, хотя при значительном загрязнении атмосферы некоторыми промышленными выбросами (NO₂, SO₂), она может составлять рН 4,5 – 5 («кислотные дожди»).

Данные о концентрации биогенных элементов, микроэлементов и органических соединений в атмосферных осадках ограничены. Можно заметить, например, что атмосферные осадки над территорией Украины в среднем содержат С орг. 4,5 мг/л, N орг. 0,4 мг/л, аммонийного N 1,25 мг/л, нитратного N 0,6 мг/л, фосфатного Р 0,11 мг/л. Представление о концентрации некоторых микроэлементов в атмосферных осадках могут дать средние данные, определённые например для дождевых и снеговых вод Японии (мг/л): Si (0,83), Fe (0,11), Zn (0,0042), Cu (0,00083), Mo (6×10^-6). Для атмосферных осадков Грузии характерны приблизительно такие же значения (мг/л): Fe (0 – 0,15), Zn (0,003 – 0,013), Cu (0 – 0,008), Mn (0,0001 – 0,015), Pb (0 – 0,03), F (0 – 0,08), Br (0,0002 – 0,045), J (0,004 – 0,020). Значительный интервал колебания концентраций обусловлен тем, что пробы отбирались в зонах промышленных предприятий, больших городов, с/х районов, долин и высокогорий.

Таким образом, в воздухе и в атмосферных осадках, за исключением сильно загрязненных аэрозолями районов, концентрации химических ингредиентов значительно ниже, чем в поверхностных водах суши. Это необходимо учитывать при анализе дождя, снега, льда и особенно воздуха.