В результате этих процессов в состав океанических воздушных масс с поверхности Мирового океана поступает примерно 1,8-1,9 млрд. т/год морских солей, преимущественно NaCl. Крупные аэрозоли с радиусом r > 20 мкм, составляющие около 21 % массы океанического аэрозоля (рис. 3), распространяются в приземном слое воздуха, остальные увлекаются воздушными потоками в вышележащие слои атмосферы [1].
На рис. 3 видно, что 70 % массы морских солей оборачивается в океаническом звене ГГЦ, а 23 % возвращается в океан стоком с суши. При этом 44 % общей массы аэрозольных частиц морского генезиса участвует (в качестве ядер конденсации водяного пара) в формировании облачных систем и осадков из них, которые при выпадении вымывают еще столько же аэрозоля из подоблачного слоя воздуха над поверхностью как океана, так и суши. Это - так называемое влажное осаждение аэрозоля. Помимо ГГЦ, 12 % массы морских солей выпадает на земную поверхность в виде пыли (сухое осаждение), из них 3 % на океанское побережье и 2 % на остальную сушу, а 7% - на океан. Средняя минерализация осадков, поступающих из океанических воздушных масс на поверхность океанов, несколько более 6 мг/л: около 3 мг/л приходится на долю ионов С1 и Na, к которым добавляются преимущественно сульфатные ионы - продукт самоочищения атмосферы от ее загрязнения сернистым газом природного и антропогенного происхождения[1].
Средний слой испаряющейся воды с Мирового океана за многолетний период равен 1400 мм/год, в полярных широтах он составляет 100 - 400 мм/год, в экваториальных - до 2000 мм/год над теплыми течениями и 1000-1200 мм/год - над холодными.
Пространственная неоднородность испарения вызывает различную влагонасыщенность океанических воздушных масс. Среднегодовое влагосодержание воздуха в его слое 0-7 км над земной поверхностью равно 25 мм слоя воды (если сконденсировать весь водяной пар, находящийся в этом слое атмосферы) [1].
Перемещение воздушных масс над океанами и термодинамические условия формирования осадков в том или ином их районе определяют пространственно-временную неоднородность их выпадения на океаническую поверхность. Средняя многолетняя величина слоя осадков, поступающих на акваторию Мирового океана, равна 1270 мм/год (почти на 10 % меньше среднегодового слоя испарения). В тропических зонах у восточных берегов океанов над холодными течениями из-за устойчивой термической стратификации нижних слоев тропосферы осадков выпадает менее 100 мм/год. А в центральных и западных частях экваториальной зоны над теплыми течениями, где особенно благоприятны условия для развития мощной конвекции в тропосфере, слой осадков достигает 3200 мм/год и более. Превышение слоя осадков над слоем испарения несколько увеличивает здесь расход главных циркуляционных систем океанических течений [1].
Из поступающих на сушу с Мирового океана воздушных масс, средняя влажность которых 80%, 2/3 водяных паров, конденсируясь, выпадает на поверхность суши в виде адвективных атмосферных осадков. Остальная часть влаги (34 км3/год) проносится транзитом над сушей, формируя вместе с 30 % испарившейся с ее территории воды атмосферный сток с суши [1].
Средняя за многолетний период суммарная величина атмосферных осадков на поверхность Земли равна 577 тыс. км3/год, а среднее влагосодержание атмосферы - 12,9 тыс. км3 (или 25 мм), следовательно, средняя продолжительность пребывания воды в атмосфере
Та = 12,9 тыс. км3/577 (тыс. км3/год) = 0,022 года, (1)
или 8 суток, а смена ее в атмосфере происходит в среднем 45 раз за год. При этом на осадки ежедневно расходуется из атмосферы в среднем 12 % находящейся в ней влаги. Средняя скорость переноса влаги в нижнем семикилометровом слое атмосферы около 3 м/с (220 км/сут).
Таким образом, рассмотренные современные представления о разнообразных процессах массообмена на границе «океан - атмосфера» достаточно убедительно иллюстрирует выдвинутую полвека назад идею об обмене между Мировым океаном и сушей не просто водой, а именно водными массами, имеющими в тропосфере газообразный вид влагонасыщенных воздушных масс, содержащих водяной пар, облачные системы и аэрозоли морского и континентального происхождения [1].
1.2.2. Континентальное звено
Начало второму (континентальному) звену ГГЦ дают атмосферные осадки, выпадающие из воздушных масс океанического происхождения на сушу. Среднее их количество за многолетний период составляет 66 тыс. км3/год (рис.2). С океаническими воздушными массами поступает одновременно 0,4 млрд. т/год морских солей, что составляет 23% ежегодно образующейся на акватории Мирового океана массы аэрозоля. Наибольшая их часть (18%) выпадает с осадками из облачных систем и вымывается из подоблачного слоя, а остальная их часть (5%) оседает в виде пыли в периоды отсутствия осадков на побережье (3%) и в более удаленных от него районах (2%, рис. 3) [1].
Когда атмосферные осадки соприкасаются с земной поверхностью, сразу же происходит метаморфизация их химического состава под влиянием преимущественно двух природных процессов:
• концентрирования растворенных в воде веществ вследствие ее испарения;
• сильного изменения состава воды в результате эрозии и растворения веществ на поверхности и в толще почв и грунтов, а также при взаимодействии с растительным покровом и континентальными водными массами [1].
Эти процессы практически совершенно отсутствуют на территориях, покрытых ледниковым и снежным покровом (16,3 млн. км2 и 72 млн. км2, или 11 и 14 % суши соответственно). Здесь происходит круглогодичная или только сезонная аккумуляция атмосферных осадков. Процессы метаморфизации природных вод сильно ослаблены на территориях, покрытых многолетнемерзлыми грунтами (32-35 млн. км2, или 22 -24% суши). Период возобновления запаса воды в полярных ледниках и подземных льдах зоны многолетней мерзлоты - около 10 тыс. лет, а в горных ледниках - в среднем 1600 лет [1].
Общее количество испаряющейся воды с поверхности снега и льда, почвенно-растительного покрова, с акватории континентальных водных объектов и в процессах транспирации воды растительным покровом и хозяйственного использования водных ресурсов составляет в среднем за многолетний период 72 тыс. км3/год (рис.2). Вместе с транспирацией происходит и сравнительно небольшое, но очень экологически важное поглощение воды растениями в процессе фотосинтеза органического вещества. Расход воды на фотосинтез составляет 225 км3/год. Поскольку содержание воды в живом веществе принимается равным 80% биомассы, общий запас воды в биоте Земли - порядка 1 тыс. км3. Однако только 60 % этого объема биологически связанной воды активно участвует в ГГЦ. Среднее время возобновления биологической воды в организмах составляет несколько часов [1].
Испарившаяся с суши вода увеличивает влагонасыщенность воздушных масс над ее поверхностью и тем самым стимулирует выпадение из них осадков смешанного происхождения. Для этого необходимо, чтобы относительная влажность воздуха превысила 40 %. Благодаря вовлечению в осадкообразование местной влаги, общее количество атмосферных осадков, поступающих на сушу, на 80 % больше их океанической составляющей и равно в среднем 119 тыс. км3/год. Лишь 30% испарившейся на суше влаги (19 тыс. км3/год) включается в атмосферный сток (рис. 2) [1].
Одновременно над сушей происходит сильная трансформация состава воздушных масс вследствие поступления в них континентального аэрозоля. Большую часть его фракций, растворимых водой, составляют сульфаты, образующиеся в атмосфере из сероводорода и сернистого газа вулканического происхождения, продуктов разложения и горения органических веществ при пожарах, сжигании топлива, мусора. К ним добавляются соли почвенного покрова, выдуваемые ветром, Около 2,8 млрд. т/год этих веществ континентального происхождения участвует в формировании фронтальных облачных систем, 30% их массы выносится в составе воздушных масс с суши в Мировой океан, а остальные выпадают на сушу с атмосферными осадками. Поэтому средняя минерализация воды в осадках на сушу в 3 раза выше, чем в центральных районах океанов, и составляет 18 -20 мг/л, причем доля в них хлоридов меньше, чем в осадках чисто океанического происхождения[1].
В полярных широтах и высокогорных районах минерализацию атмосферных осадков определяет состав облачной воды. В тропических широтах и промышленных регионах умеренных широт с загрязненным подоблачным слоем воздуха минерализация осадков в континентальном звене ГГЦ существенно выше и гораздо изменчивее во времени и пространстве. Атмосферные осадки в виде снега более эффективно очищают воздух от загрязняющих веществ благодаря меньшей скорости падения снежинок и их большей, относительно массы, поверхности по сравнению с дождевыми каплями. Поэтому минерализация осадков, накапливающихся в снежном покрове в холодную часть года, обычно больше, чем дождевых вод. В среднем на поверхность суши с осадками поступает 2,4 млрд. т/год минеральных солей [1].
Неиспарившаяся в континентальном звене вода инфильтруется в почвы и грунты и стекает по их поверхности в областях внешнего и внутреннего стока. Первые имеют общую площадь 119 млн. км2 (80% суши) и представляют собой водосборы океанов. Средний за многолетний период сток с них воды в Мировой океан равен 47 тыс. км3/год. Он состоит из речного стока (42 тыс. км3/год), стока льда преимущественно в виде откалывающихся и тающих в океанах айсбергов (3 тыс. км3/год ультрапресной воды) и подземного стока воды в виде субмаринных источников в прибрежной полосе океанического побережья (2 тыс. км3/год). Суммарный ионный сток рек в Мировой океан оценивается в 3,2 млрд. т/год, следовательно, средняя минерализация речных вод в приустьевых створах составляет 78 мг/л. Таким образом, стекающие с суши речные воды примерно в 4 раза более минерализованы, чем выпадающие на сушу атмосферные осадки, вследствие выщелачивания порядка 0,8 млрд. т/год преимущественно гидрокарбонатных ионов, ионов кальция и магния из растворяемых водой известняковых пород. Этот процесс увеличивает минерализацию в полтора раза и жесткость континентальных водных масс, и более чем вдвое они повышаются из-за концентрирования в стоке растворенных ионов при испарении воды [1].
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
