1.2 Миграция химических элементов в окружающей среде
А.И. Перельман, характеризуя миграцию химических элементов, выделял 4 основных типа миграции:
- механический;
- физико-химический;
- биогенный;
- техногенный.
Механический тип миграции происходит за счет работы рек, течений, ветра, ледников, вулканов, когда при перемещении веществ происходит изменение их формы нахождения (агрегатного состояния).
Физико-химический тип характеризует перемещение элементов без изменения форм их нахождения. Простейшими примерами миграции этого типа может быть перемещение аэрозолей в атмосфере или в поверхностных водах.
Эоловые (ветровые) процессы классифицируются по степени удаленности перемещения взвешенных в атмосфере частиц от поверхности Земли следующим образом:
- локальный перенос, миграция ни десятки и сотни км;
- тропосферный перенос, на высотах до 12 км на сотни и тысячи км;
- стратосферный перенос, на высотах до 60 км частицы могут многократно огибать земной шар.
Основными формами миграции являются:
- диффузия (хаотическое тепловое движение);
- конвекция (миграция массовых потоков газа или жидкости, перемещение частиц происходит вместе с растворителем);
- сорбция. При этом процессе происходит поглощение газов или жидкостей твердыми или жидкими веществами из окружающего пространства поверхностью (адсорбция) или всем объемом (абсорбция) тела. Поглощающие вещества называются адсорбентами (абсорбентами), а поглощаемые адсорбатами (абсорбатами). Адсорбция происходит на границе раздела фаз вследствие действия на частицы силы притяжения бóльшей, чем действующие равномерно со всех сторон силы притяжения частиц друг другом. Адсорбция протекает интенсивнее, чем больше площадь раздела фаз или развита поверхность тела. Адсорбция в свою очередь подразделяется на физическую, когда происходит занятие адсорбатом поверхности адсорбента, и химическую, когда адсорбент и адсорбат вступают между собой в химическую реакцию. Развитию физической адсорбции неизменно препятствует десорбция, процесс обратный адсорбции, из-за стремления к тепловому равновесию и при этом в единицу времени образуется одинаковое количество адсорбирующих и десорбирующих частиц.
Биогенный тип миграции характеризуется тем, что образование живого вещества и разложение органических веществ образуют единый биологический круговорот атомов, который в биосфере протекает повсеместно, хотя в разных формах и с разной интенсивностью. В ландшафте и верхних горизонтах моря в процессе фотосинтеза образуется живое вещество, здесь же происходит его минерализация. Часть органических веществ минерализуется не полностью и откладывается в илах. Не минерализованные остатки органического вещества преобразуются в осадочные породы, в том числе залежи торфа, угля и других горючих ископаемых. Общая их масса во много раз больше массы живого вещества, а главное количество органического углерода заключено в виде небольших примесей гумусовых и углистых веществ, капель битумов и т. д. Главные превращения органические остатки претерпевают в почвах и илах в период энергичной работы микроорганизмов. В дальнейшем происходит более медленное их изменение под влиянием подземных вод и термокаталитическим путем при прогибании осадочных толщ и росте температуры или в результате радиолиза.
В ноосфере происходит грандиозное перемещение атомов, их рассеяние и концентрация. Ей свойственны механическая, физико-химическая, биогенная миграция, но не они определяют ее своеобразие: главную роль играет техногенная миграция.
На окружающую природную среду ложится огромная техногенная нагрузка. По данным ЮНЕСКО, реки ежегодно сбрасывают в океан миллионы тонн техногенных Fe, Pb, Mn, P и других элементов. В результате ионный сток рек с каждым годом увеличивается, и к началу 70-х г. его техногенная составляющая колебалась в пределах 30-60 % от общего выноса солей. Загрязнение сильно изменяет биологический круговорот, в реках и озерах исчезает рыба, вода становится непригодной для питья. В океан поступает огромное количество техногенных отходов, нарушающих его биологический режим. Аналогичные процессы происходят в атмосферном воздухе, почвах.
На
рисунке 1.1 представлена схема переноса
веществ в окружающей среде.
Рисунок 1.1 – Схема переноса веществ в окружающей среде
Распределение загрязняющих веществ между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами, причем факторы окружающей среды играют здесь решающую роль.
Прежде всего, загрязняющие вещества могут мигрировать в пределах отдельной сферы, например, вещества, попавшие в воду, могут перемещаться с ней независимо от того, находится ли оно в растворенном состоянии или адсорбировано на взвешенных в воде частичках. Такой тип перемещения характеризуется гидрологическими параметрами.
Вещество, попавшее в атмосферу, может переноситься атмосферными течениями; в этом случае скорость и направление его движения определяются соответствующими метеорологическими параметрами.
Аналогичная ситуация существует и в биосфере, в которой распределение вещества в животном или растении зависят от механизма процессов переноса в организме.
Миграция веществ в почве несколько отличается от переноса веществ в воде, воздухе, биосфере. Она осуществляется в результате диффузии и массопереноса. Частицы почвы сами могут перемещаться в воде или атмосфере и переносить с собой адсорбированные вещества. В этом случае перемещение вещества будет осуществляться по тем законам, по которым происходит движение воздуха или воды.