Глобальные эмиссии из природных источников

Вид эмиссии	Природные источники, млн т/год	Человеческая деятельность
Млн т/год	% общей эмиссии
С02			3,5
СО
Аэрозоли1
Углеводороды2
СН4
NH3			0,6
NO, NO23			6,5
Соединения серы4: из них SO2 N2O

¹ Включая тонкую пыль.

² Без метана.

³ Рассчитано на NO₂.

⁴ Рассчитано на SO₂.

Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами, причем, разумеется, факторы окружающей среды играют решающую роль.

В настоящее время с помощью математических моделей предпринимаются попытки рассчитать концентрации этих веществ в соответствующих средах. В моделях учитываются такие физико-химические свойства химических веществ, как молекулярная масса, давление пара и растворимость в воде. Для прогноза концентрации вещества в соответствующей среде определяют его фугитивность (летучесть).

В настоящее время имеются математические уравнения процессов перехода веществ из одной среды в другую, которые позволяют на основании физико-химических свойств веществ при определенных внешних условиях дать количественную оценку концентраций веществ и полупериода процесса их переноса.

Перенос химических продуктов, загрязняющих окружающую среду, на границе раздела почва - вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искусственного орошения и собственно переноса этих веществ в почве, например, в виде водных растворов. Загрязнение вод может происходить как водой, стекающей по поверхности почвы, так и водой, проникающей на всю глубину почвы.

Для всех переходов химических продукты через границу почва - водная фаза основную роль играют процессы адсорбции.

В понятии адсорбции объединяются различные стадии процессов локализации химического вещества на отдельных участках поверхности и распределение адсорбирующегося вещества в объеме (водная фаза и органическое вещество почвы).

Десорбция адсорбированных веществ водой или солевыми растворами никогда не идет до конца. Это означает, что адсорбция обычно обратима не полностью. Недесорбирующаяся часть состоит из прочно связанных молекул, которые можно снять с поверхности только интенсивной экстракцией органическими растворителями, и не экстрагируемого остатка".

Адсорбция играет основную роль в процессе перемещения химических соединений в почве, а также при их испарении из почвы и поглощении растениями.

Адсорбция замедляет массоперенос в почве. Массоперенос растворенных химических веществ является функцией диффузии, конвекции и дисперсии веществ, а также их разложения абиотическими и биотическими реакциями.

Диффузия (диффузионный массоперенос) является физическим процессом, в ходе которого молекулы, атомы или ионы в результате теплового движения (броуновское движение) перемещаются из области большей концентрации в меньшую. Этот процесс происходит независимо от течения воды. Диффузионный массоперенос растворенных веществ в свободном объеме жидкости представляет собой произведение (со знаком минус) коэффициента диффузии и градиента концентрации в направлении, перпендикулярном некоторой воображаемой плоскости раздела.

Коэффициент диффузии измеряется в м²/с и зависит как от молекулярных свойств растворенного вещества (например, относительной молекулярной массы и молярного объема), так и от свойств воды и других внешних условий.

Сумма всех замедляющих диффузию факторов количественно оценивается импедансом. Последний является коэффициентом пропорциональности между коэффициентами диффузии, измеренными в почве и в свободной жидкости. Он изменяется в зависимости от вида растворенных молекул и типа почвы.

Конвекция (конвективный массоперенос) представляет собой принудительное перемещение растворенных веществ потоком воды. Она оценивается как произведение объемного потока воды (скорость фильтрации) и концентрации растворенных веществ в воде.

Дисперсией (дисперсионный перенос) называют перераспределение (соответственно перемешивание) растворенных веществ в движущейся в порах воде, вызванное неоднородностью поля скоростей потока в каждом отдельно взятом объеме воды в поре.

Дисперсия определяется как произведение (со знаком минус) объемного содержания воды в почве, градиента концентрации в перпендикулярном направлении к воображаемой плоскости раздела и дисперсионного коэффициента (м²/с). Последний зависит от средней скорости движения воды в порах; коэффициент пропорциональности называют дисперсионостью (м).

Сумму дисперсионного коэффициента и коэффициента диффузии в перовом пространстве почвы называют гидродинамическим дисперсионным коэффициентом. Переход вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду; оба понятия относятся не к равновесным, а к динамическим процессам.

Скоростью улетучивания называют поток массы вещества, проходящий через границу вода - воздух; она определяется как количество вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени. Эта скорость пропорциональна разности концентраций соответствующего вещества в обеих фазах:

F = Kc,

где F - поток вещества, выраженный в единицах массы за единицу времени на единицу площади; с - разность концентраций вещества в воде и газовой фазе.

Коэффициент пропорциональности К - общая скорость переноса (м/с или см/ч).

Летучесть химических веществ из почвы в атмосферу зависит и от других условий окружающей среды, например, от свойств почвы, температуры и скорости ветра. Сухое осаждение химических веществ из атмосферы на почву происходит по тем же законам, что и улетучивания из почвы.

Другим путем уноса вещества из почвы в атмосферу является перенос с пылью (ветровая эрозия), а в обратном направлении - влажным осаждением, например, при их вымывании из воздуха дождем. Так же, как в случае перехода вода/воздух, доля каждого направления переноса зависит от физико-химических свойств вещества, а также типа почвы и климатических условий.

Любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступление и выделение из организма происходят с одинаковой скоростью; установившаяся при этом в организме концентрация называется концентрацией насыщения. Если она выше наблюдающейся в окружающей среде или продуктах питания, говорят об обогащении и аккумуляции (накоплении) в живом организме.

Под коэффициентом обогащения или аккумуляции понимают отношение концентрации вещества в организме к концентрации того же вещества в окружающей среде или в пище. Коэффициент аккумуляции ниже единицы можно представить себе как абиотическое накопление данного вещества в окружающей среде.

При обсуждении процессов усвоения и накопления химических веществ в водных организмах используют понятия биоконцентрирования, биоумножения и биоаккумуляции, которые оцениваются соответствующими коэффициентами обогащения, а также экологического обогащения - прироста концентрации какого-либо вещества в экосистеме или цепи питания при переходе от низкого к более высокому трофическому уровню.

Превращения посторонних химических веществ - это изменения их химической структуры под воздействием факторов окружающей среды. Если речь идет об абиотических факторах воздействия (кислород, свет и т.д.), то говорят об абиотических превращениях. Если превращения вызываются живыми организмами или продуцируемыми ими ферментами, то говорят о биотических превращениях.

Химический состав чистого сухого воздуха приведен в табл.7. 2. В ней указаны не только концентрации газов в атмосфере (в %), но и их общее количество в атмосфере. Из таблицы следует, что воздух состоит в основном из азота, кислорода и относительно меньшего количества аргона. Все остальные имеющиеся в атмосфере газы содержатся лишь в следовых количествах.

Таблица 7. 2.