Самыми мощными геохимическими источниками служат переносимая ветром пыль и морские брызги, поставляющие огромные количества твердых веществ в атмосферу. Пыль — это в основном почва регионов Земли. Если эта пыль достаточно тонка, то она может распространяться на большие площади и играть важную роль в перераспределении материала. Морские брызги служат источником частиц соли NaCl, участвующих в различных физико-химических атмосферных процессах.
Системы, где твердые или жидкие частицы распределены в газовой фазе, называются аэрозолями. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом 10-7 – 10-3 см. Аэрозоли можно разделить на три большие группы. К первой относятся пыли-скопления, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде. Ко второй группе относятся дымы. К дымам относят все аэрозоли, которые получаются при конденсации газа. Наконец, к третьей группе относят туманы. Туман - это скопление жидких частиц в газообразной среде.
Отличительное свойство аэрозольных систем - их неустойчивость. Седиментация, испарения, конденсация, электромагнитные поля, броуновское движение — самые разнообразные физические факторы способны вызывать изменения в аэродисперсной системе.
В свою очередь, проявление каждого из этих факторов зависит от свойств самих аэрозолей.
Выбросы взвешенных частиц в атмосферу начались с возникновением нашей планеты. Естественными источниками атмосферных аэрозолей служили и служат вулканы и гейзеры, разрушающиеся горные породы и пылевые бури, почвенная эрозия и лесные пожары. Природные выбросы аэрозолей всегда влияли на среду человеческого обитания. Однако, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в природе, они не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные же факторы приняли такой размах, что природные круговороты в конце концов не могут скомпенсировать перегрузки. Достаточно сказать, что сейчас в земной атмосфере взвешено около 20 млн. т частиц, из которых примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных предприятий. Большая часть атмосферных аэрозолей остается в тропосфере и 80% из них - на высоте не более 1 км. Время их пребывания в атмосфере зависит от размеров частиц и обычно ограничивается тремя днями на высоте не более 1 км и тридцатью днями в верхних слоях тропосферы.
Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер. Как отмечалось, он колеблется в широких пределах. Наиболее опасными для наших легких являются частицы от 0,5 до 5 мкм; более крупные задерживаются в полости носа, более мелкие в дыхательных путях не оседают, и мы их выдыхаем.
Под действием гравитационных, электрических, центробежных, звуковых, магнитных сил частицы перемещаются, как бы раздвигая на своем пути газовую среду. Ее сопротивление, эквивалентное силе трения и препятствующее движению частицы, определяется известным законом Стокса:
F=6πηrv, (1.6)
где F - сила трения, г - радиус частицы, v - ее скорость и η| - вязкость среды.
Используя закон Стокса, можно определить скорость осаждения частиц под влиянием силы тяжести (седиментация). Расчеты показывают, что в спокойном воздухе скорость осаждения частиц размером 100 мкм составляет 25 см/с, 10 мкм - 0,3 см/с, а 1 мкм -всего ,0,003 см/с. Это означает, что частицы размером 100 мкм при высоте источника выброса 10 м осядут за 40 с, а размером в 1 мкм -лишь за 93 ч. Результаты этого простого расчета показательны с двух точек зрения. Медленное оседание аэрозолей предопределяет изменение, прозрачности воздуха, а быстрое их оседание может отрицательно сказаться на зеленом покрове Земли.
Прозрачность - одна из важных характеристик атмосферы. Уменьшение прозрачности может существенно повлиять на климат и на эффективность фотосинтеза. Например, при мощных извержениях вулканов в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн пепла. Тучи пепла скрывают землю от солнца на площади в тысячи квадратных километров. Кроме того, в верхние слои атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под действием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Все это увеличивает, отражательную способность, верхних слоев атмосферы (так называемое «альбедо» атмосферы).
Переносимые ветром в виде частиц соли морские брызги весьма реакционноспособны в атмосфере.
Частицы соли из океанов гигроскопичны, и во влажных условиях эти крошечные кристаллы NaCI притягивают воду и образуют концентрированный капельный раствор или аэрозоль. Этот процесс принимает участие в образовании облаков. Капельки могут быть также местом протекания важных химических реакций в атмосфере. Если в капельках растворяются сильные кислоты, например азотная (НNОз) или серная (H2S04), то может образоваться соляная кислота (НС1). Считается, что этот процесс является важным источником НС1 в атмосфере:
H2S04(аэрозоль) + NaCI(aэрозоль) → HCI(г) + NaHS04(aэрозоль) (1.7)
Приносить частицы в атмосферу могут также метеоры. Это очень небольшой источник по сравнению с переносимой ветром пылью или лесными пожарами, но метеоры играют большую роль в верхних частях атмосферы, где плотность газов невысока. Здесь даже небольшой вклад может быть очень значителен и металлы, привносимые с метеорами, вступают в ряд химических реакций.
Наземные вулканы - наибольший источник пыли, которая в результате особенно сильных извержений может выноситься и в стратосферу. Издавна известно, что вулканические частицы могут влиять на глобальную температуру, задерживая солнечный свет. Они также могут нарушать химические процессы на больших высотах, поскольку служат также огромным источником не только пыли, но и таких газов, как диоксид серы S02, углекислый газ CO2, хлористый водород НС1 и фтористый водород HF. Эти газы вступают в реакции в стратосфере, образуя другие частицы, из которых важнейшей является H2S04.
Вулканы — это весьма непостоянный источник частиц как во времени, так и в пространстве. Сильные вулканические извержение редки. Бывает, что проходят годы без больших извержений и затея вдруг единовременно высвобождается больше вещества, чем за многие предыдущие десятилетия. Извержения происходят в очень специфичных районах, где расположены действующие вулканы. Кроме крупных извержений, в результате которых большое количество вещества попадает в верхние слои стратосферы, следует учитывать и небольшие выбросы из вулканических трещин и расселин, из которых газы медленно выходят в нижние слои атмосферы в течение очень длительного времени. Баланс между этими двумя типами вулканических источников точно неизвестен, хота для SO2 он составляет, вероятно, 50:50.
Радиоактивные элементы пород, в основном калий-40 генерирует в процессе распада атомы газа аргона, а именно его изотопа аргон-40, который составляет основную часть аргона в атмосфере (0,93%). Содержание изотопа 40К в естественной смеси невелико (0,012%), однако вклад его в естественный фон излучения может достигать 30%.
Тяжелые элементы радий (Ra), уран (U) и торий (Тh) также могут высвобождать газы. Распад радия, например, приводит к образованию радона (Rn, радиоактивный газ с периодом полураспада 3,8 дней). Серии уран-ториевых распадов приводят к образованию α-частиц, являющихся ядрами гелия. Когда эти ядра захватывают электроны, гелий поступает в атмосферу. Ежегодно во всех геосферах в результате радиоактивного распада, по различным оценкам, о6разуется от 2000 до 5000 т гелия. Практически весь гелий, имеющийся в атмосфере Земли, накопился в результате радиоактивного pacпада урана и тория за 4,5 млрд. лет существования Земли. Среднеевремя жизни гелия в атмосфере нашей планеты до того, как он диссипи-рует в космическое пространство, составляет 107 лет.
Таким образом, концентрация гелия в атмосфере в состоянии устойчивости определяется балансом между его радиоактивным излучением из коры и потерей из верхних слоев атмосферы.