Розділ 1 огляд літератури

1.1. Огляд досліджень хімічного складу атмосферних опадів

Атмосферні опади є одним із основних джерел надходження хімічних речовин на поверхню ґрунту. Це – важлива ланка глобального геохімічного циклу. Надходження хімічних речовин з атмосферними опадами не є стабільним у часі і просторі. Ця величина змінюється під впливом цілого комплексу природних і антропогенних факторів.

Перші дослідження хімічного складу атмосферних опадів на території України були проведені на рубежі ХІХ і ХХ століть. Після проведення окремих робіт, в наступні десятиліття хімічний склад опадів на Україні не вивчався.

Після Великої Вітчизняної війни дослідження складу опадів поновилися і представлені роботами Є.С. Бурксера, П.В. Денисова і А.Л. Бугайова [5, 7].

У подальші роки ґрунтовних робіт, які присвячені хімічному складу атмосферних опадів в Україні не було. Окремі відомості з зазначених питань можна знайти в роботах В.Н. Василенка, І.М. Назарова, Ш.Д. Фридмана, В.І. Пелешенка, С.І. Сніжка, М.І. Ромася, Ю.І. Мельничука, В.М. Семерика та В.І. Осадчого [30], оглядах хімічного складу опадів, які щорічно готуються в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті.

Вивчення трансформації хімічного складу атмосферних опадів протягом тривалого проміжку часу в Україні були проведені вперше українським гідрометеорологом С.І. Сніжко [18]. Умови формування хімічного складу атмосферних опадів та власне їх склад, а також рівень антропогенного навантаження на довкілля в окремих регіонах України змінюється з часом [19].

За даними досліджуваної роботи О.О. Косовець-Скавронської та С.І. Сніжко [18] було встановлено, що в межах України протягом багаторічного періоду спостерігається стійке зменшення вмісту розчинених речовин в атмосферних опадах. Також було встановлено нерівномірний характер цього процесу, наводяться джерела походження головних іонів хімічного складу атмосферних опадів, процеси формування хімічного складу атмосферних опадів та огляд основних досліджень, присвячених питанню вивчення хімічного складу атмосферних опадів, які були проведені на території України та за її межами.

Закономірності формування хімічного складу опадів детально вивчалися М.І. Ромасем [36], зокрема було встановлено, що з метеорологічних факторів найбільший вплив на концентрацію хімічних речовин в атмосферних опадах справляє кількість опадів.

Відповідно до принципів Комплексної програми атмосферного моніторингу у хімічному складі атмосферних опадах визначають головні іони, до яких належать SO₄^2-, NО₃^-, Cl^-, НСО₃^-, NH₄⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, та К⁺ та важкі метали. На жаль, у наш час в Україні вміст важких металів у атмосферних опадах не вивчається, тому зосереджена увага лише на головних іонах хімічного складу атмосферних опадів. Варто зазначити, що усі 9 головних іонів хімічного складу атмосферних опадів мають як природне, так і антропогенне походження.

На відміну від України, питанню вивчення хімічного складу атмосферних опадів приділяється значна увага у багатьох країнах світу. Зокрема, у Росії, Фінляндії, Білорусії, Казахстані, Південній та Екваторіальній Африці, США, Канаді, Японії, Індії, Китаї тощо. Дані дослідження були проведені як в індустріально забруднених, так і у відносно чистих районах [18]. Варто зазначити, що у багатьох роботах йде мова про зміну хімічного складу атмосферних опадів. Зменшення вмісту сульфатів (у 85% всіх пунктів) також встановлене протягом 1985-2002 рр. Це зменшення супроводжувалося зростання концентрацій амонію на 58%. У західних і центральних штатах відмічається значне зростання вмісту нітратів, в той час як у північно-східних – його зменшення. Сумарний вміст катіонів (Са²⁺, Мg²⁺, K⁺) зменшився на 40% переважно в центральних і південних штатах, а збільшився – лише на 7%.

Перші систематичні дані про розподіл атмосферних опадів на території Росії описується в роботах А.І. Воєйкова. Велика кількість опублікованих робіт присвячено дослідженню просторово-часових закономірностей розподілу атмосферних опадів у різних регіонах Росії. Кліматичні умови випадання атмосферних опадів на території Далекого Сходу визначаються панівним впливом холодних континентальних повітряних мас взимку і прохолодних океанічних мас влітку [2].

Вагомий внесок у вивчення фізичних процесів формування атмосферних опадів на території Росії внесли Н.П. Шакина та А.Р. Іванова [40].

Хімічний склад опадів України є подібним до хімічного складу опадів у світі (табл. 1.1).

Таблиця 1.1

Переважаючі іони у хімічному складі атмосферних опадів в Україні та інших країнах світу

Країна	Переважаючі іони та їх зміна
Росія	Зростання вмісту іонів SO42-, NО3-, К+, Мg2+ та NH4+ Зменшення вмісту іонів Са2+, Na+ та НСО3-
Білорусь	Зменшення вмісту іонів НСО3-, SO42-, Са2+, Na+ та К+
США	Зростання вмісту іонів NH4+ та NО3- Зменшення вмісту іонів SO42-
Китай	НСО3-, Са2+
Україна	SO42-, НСО3- Са2+ та Na+

Докладний огляд і аналіз літературних джерел свідчить, що вивченню хімічного складу опадів приділяється значна увага у багатьох країнах світу. На жаль, в останні роки хімічний склад атмосферних опадів на території України та їх роль у гідрохімічному балансі ґрунтовно не аналізувалися. Такі дослідження є вкрай необхідними для встановлення сучасних даних про хімічний склад опадів, адже результати дослідження, які проводяться у багатьох країнах на різних континентах, вказують на зміну у хімічному складі атмосферних опадів [31].

Характеристика фізико-географічного положення метеорологічних станцій є необхідною, адже при інтерпретації даних про хімічний склад опадів важливою є характеристика загальних природних умов району, а також найближчого оточення метеостанцій, наявність промислових підприємств та інших джерел забруднення атмосфери (рис. 1.1.).

а) б)

Рис. 1.1. Середня зміна відносного вмісту компонентів хімічного складу атмосферних опадів на території України у теплий (а) та холодний (б) сезони року

У цілому, для території України властиво зменшення у хімічному складі опадів іонів [18] переважно антропогенного походження (SO₄^2-, NO₃^-, Cl^-) та збільшення іонів переважно природного походження (Са²⁺, НСО₃^-). Варто також зазначити, що зміни у хімічному складі опадів у холодний сезон більш інтенсивні, ніж у теплий.

У результаті проведених досліджень [19] було оцінено надходження 9 головних іонів хімічного складу атмосферних опадів (SO₄^2-, HCO₃^-, Cl^-, NO₃^-, NH₄⁺, Na⁺, K⁺, Са²⁺, Мg²⁺) та сумарне надходження хімічних речовин з атмосферними опадами на територію України.

Зокрема, було встановлено, що протягом року модулі надходження хімічних речовин на територію України становлять від 6,65 до 25,9 т/км², загалом же за рік на територію України надходить від 4,0 до 15,6 млн. т хімічних речовин. Найбільше хімічних речовин надходить на сході України та в Карпатах, а найменше – у східній частині Кримського півострова. Найбільшими показниками надходження характеризуються сульфат-іони та гідрокарбонат-іони, 36% та 25% від сумарного річного надходження відповідно.

Просторовий розподіл надходження компонентів хімічного складу опадів формується в основному двома факторами: кількістю опадів та рівнем забруднення атмосфери, при чому для одних речовин головну роль відіграє перший фактор, а для інших – другий [15].

Надходження сульфатів у теплий сезон визначається, в першу чергу кількістю опадів, а вже потім забрудненням повітря, а у холодний сезон та рік в цілому на величину надходження сульфат-іонів впливають, в першу чергу, антропогенне забруднення, а вже потім кількість опадів. Розподіл гідрокарбонат-іонів визначається головним чином кількістю опадів. Розподіл надходження нітрат-іонів на територію України визначається головним чином розподілом кількості опадів, а роль фактору антропогенного забруднення незначна. Серед усіх аніонів хімічного складу атмосферних опадів, на розподіл іонів хлору найменше впливає рівень забруднення атмосфери і їх розподіл визначається головним чином кількістю опадів.

На розподіл надходження іонів амонію в першу чергу впливає кількість опадів. Можливим також є вплив транскордонного перенесення забруднювальних речовин. Визначальну роль у надходженні іонів натрію відіграє ступінь забруднення повітря, і лише в теплий сезон року кількість опадів та рівень забруднення мають приблизно однаковий вплив на формування модулів надходження цих іонів. У розподілі надходження іонів К⁺ величина кількості опадів не відіграє майже ніякої ролі. У надходженні іонів Са²⁺ кількість опадів відіграє головну роль в теплий сезон року, а рівень забруднення атмосфери – у холодний, у річному надходженні ці складові надходження відіграють приблизно однакову роль з незначним переважанням кількості опадів. Розподіл величини надходження іонів магнію у теплий сезон визначається кількістю атмосферних опадів, а в холодний період – рівнем забруднення атмосфери. В цілому для надходження магнію протягом року ці складові діють приблизно однаково [28].

З вище викладеного випливає, що на розподіл сумарного надходження хімічних речовин з атмосферними опадами в теплий сезон року сильніше впливає кількість опадів, а в холодний сезон визначальна роль належить рівню забруднення атмосфери, а отже антропогенній діяльності людини. У сумарному річному надходженні ці два фактори діють приблизно однаково. Варто також зазначити можливий вплив транскордонного перенесення забруднювальних речовин на північному сході України, або вплив локального джерела забруднення [15].

Хімічний склад атмосферних опадів, незважаючи на нестабільність, у цілому відображає характерні риси місцевості і тип її ландшафту.

Атмосферні опади, як продукти конденсації і сублімації водяної пари в атмосфері є важливим кліматичним параметром, що визначає режим зволоження території. Для виникнення атмосферних опадів необхідна наявність вологої повітряної маси, висхідних рухів і ядер конденсації [22].

Незважаючи на те, що опади є складовою частиною гідросфери, умови формування їх властивостей досить суттєво відрізняються від умов, які впливають на формування властивостей поверхневих і підземних вод. Хімічний склад опадів формується, починаючи з моменту утворення найдрібніших крапель в товщі хмари. На цій стадії склад крапель визначається наявністю хімічних компонентів у складі хмар. При проходженні дощової води через шар атмосфери здійснюється розчинення наявних там домішок і її хімічний склад зазнає певних змін. Вимиваючись із атмосфери забруднюючі речовини приводять до виникнення техногенно-трансформованих опадів. А тому атмосферні опади самі по собі починають відігравати роль чинника екологічної небезпеки [43].