Исследования состава осадков в СССР

После перечисленных выше первых работ в нашей стране длительное время не занимались изучением состава атмосферных осадков. По-видимому, это было следствием того, что выяснилось, насколько малы концентрации примесей в осадках, и определяемые ими поступления веществ в почву не представляли большого значения для сельского хозяйства.

Через два десятилетия интерес к химическим исследованиям осадков возник вновь уже в связи с метеорологическими проблемами. Изучение химического состава выпавших осадков и воды, собранной непосредственно в облаках, рассматривалось как путь к выяснению природы атмосферных ядер конденсации и особенностей процессов образования и роста облачных частиц. Пионером таких исследований был норвежский метеоролог Х. Келер.

В СССР исследования в этом направлении были начаты в конце 30-х годов в Ленинградском институте экспериментальной метеорологии (ЛИЕМ) под руководством профессора В. Н. Оболенского. Группе химиков было поручено разработать метод анализа проб сильно разбавленных растворов, какими являются атмосферные воды. При этом имелось в виду, что анализу могут подвергаться малые объемы воды (30-50 см3), так как нельзя рассчитывать собрать много воды в облаках, да и в наземных условиях трудно обеспечить регулярный сбор осадков в больших количествах.

Прежде всего отыскивался достаточно точный метод микроанализа на хлориды, поскольку наиболее активными ядрами конденсации являются частицы морской соли. В то время методы микроанализа еще не были хорошо разработаны и поставленная задача была довольно трудной. К 1939 г. в лаборатории химии ЛИЭМ под руководством профессора Н.Н. Андреева была собрана потенциометрическая установка для анализа на хлориды проб малых объемов и затем в 1939 и 1940 гг. проведена серия анализов. Содержание в осадках нитритов и нитратов определялось колориметрическим методом. Пробы осадков собирали в Ленинграде на городской метеорологической станции, в Тосно (60 км к югу от Ленинграда) на загородной базе ЛИЭМ и в Эльбрусской экспедиции. Большой интерес представляло то, что на Эльбрусе можно было собирать пробы осадков на разных высотах; кроме того, здесь в 1940 г. на высоте 4250 м были проведены первые опыты с получением воды из облаков (испытывалась установка В. Х. Волкова).

Метеорологическая интерпретация результатов химических анализов была поручена Е. С. Селезневой. Предварительные итоги этих работ опубликованы (77). Средние значения концентрации хлора в осадках по данным ЛИЭМ указаны в табл. 3.

Хлориды обнаружены в переменных количествах во всех пробах, в том числе и в пробах, собранных на Эльбрусе на высоте 3-4 км в условиях чистого высокогорного воздуха. Полученные значения концентрации хлора близки к известным к тому времени данным других авторов. Однако приведенные для сравнения величины относились к приморским пунктам, и данные ЛИЭМ приходится признать слишком высокими.

Для выяснения влияния местных факторов пробы собирались в Ленинграде и в его окрестностях (Тосно). В ряде случаев были взяты последовательно две-три пробы из одного дождя.

В период выпадения осадков концентрация хлора не остается постоянной, но даже после длительного «промывания» атмосферы хлор часто обнаруживается в осадках в тех же количествах, что и в начале их выпадения. Такие же результаты, как отмечено выше, были получены Позняковым (73). Это говорит о том, что растворенные в дождевой и снеговой воде соли не собираются каплями и снежинками по пути их падения, а попадают в них в начальной стадии образования облаков. Пробы воды, собранные в облаках, подтвердили этот вывод.

Была сделана попытка аэросиноптического исследования результатов анализа проб осадков. Но недостаток аэрологических данных очень ограничивал такое исследование. Все же на основании имеющихся синоптических материалов была произведена группировка проб осадков по типам воздушных масс и фронтальным разделам, а также по направлению ветра у земли и на уровне облаков. Определенно выраженной зависимости содержания хлора в осадках от метеорологических факторов не было обнаружено.

В работе (77) приводятся и некоторые другие выводы и сопоставления. Однако, как сказано, количественные значения полученных результатов нуждались в проверке. Работы ЛИЭМ были прерваны Великой Отечественной войной и остались незавершенными.

Продолжением исследований в данном направлении являются выполненные одновременно (1949-1950 гг.) работы Р.И. Грабовского на кафедре физики атмосферы Ленинградского государственного университета и С.М. Шметера в Центральной аэрологической обсерватории. Эти исследователи внесли существенный вклад в изучение химизма облаков и осадков. Тщательность проведения экспериментальной части этих работ до сих пор может служить примером.

Шметер изучал содержание хлора в облаках в связи с особенностями их микроструктуры (93). Он разработал методику и аппаратуру для взятия проб воды из облаков с самолета, собрал большое число проб в облаках разных форм, сопровождая их измерением облачных элементов и необходимыми метеорологическими наблюдениями, проанализировал на хлор и дал физическое истолкование полученным результатам, связав изменение концентрации хлора с механизмом укрупнения облачных частиц.

Грабовский изучал соли, растворенные как в осадках, так и в облачных элементах с целью выяснения природы ядер конденсации. Конечным итогом проведенных им исследований был расчет баланса солевых ядер конденсации в атмосфере. Результаты его исследований опубликованы в нескольких статьях (26-29) и в монографии (30), обобщающей также и работы других авторов.

В отношении изучения состава атмосферных осадков нужно отметить следующее. Грабовский лично проводил сбор проб осадков в Ленинграде и Пушкине. Для этой цели он пользовался специальной установкой и принимал необходимые меры предосторожности для обеспечения чистоты отбора проб. Им был организован сбор проб осадков по той же методике и в пригородах Ленинграда (Воейково, Сестрорецк, Саблино), а также в некоторых других географических пунктах (Валдай, Мурманск, Карадаг). В общей сложности по всем пунктам было проанализировано 83 пробы атмосферных осадков. Основные данные относятся к Ленинграду, число проб по другим пунктам невелико; число облачных проб – 20.

Грабовский стремился расширить анализы и определял содержание в осадках не только хлорида (нефелометрическим методом), но также сульфита (также нефелометрически) и нитрита (колориметрически).

Среднее значение концентрации ионов хлора в осадках в Ленинграде, по определениям Грабовского, составляет 0, 82 мг/л, в дожде – 0, 13 мг/л, в снежных осадках – 1, 11 мг/л. Эти результаты существенно отличаются от предыдущих меньшими значениями концентрации хлора.

Сульфита в среднем в Ленинграде найдено 8, 2 мг/л, в Пушкине – 3, 61 мг/л, в Валдае – 1, 63 мг/л. Отсюда видно, что на эту составляющую атмосферных осадков большое влияние оказывает близость промышленного города.

Интересны результаты применения микрокристаллографического (иммерсионного) метода для определения химических примесей в изучаемых пробах. Используя его, Грабовский обнаружил в осадке выпаренных проб галит (NaCl), кальцит (CaCO3), гипс (CaSO4*2H2O) и некоторые другие соединения.

Далее отметим выводы, сделанные Грабовским, относительно вымывания осадками атмосферных аэрозолей. Опытные данные об изменении содержания примесей в последовательно взятых пробах воды из одного и того же дождя Грабовский дополнил теоретическим исследованием. По его оценке (30), дождевые капли могут захватывать на пути падения лишь крупные частицы, радиус которых превышает 10-5 см; более мелкие ядра падающие капли обтекают вместе с воздушным потоком. Поэтому вымывание частиц соли из атмосферы возможно только вблизи морских берегов, где в нижнем слое воздуха обычно имеется много крупных солевых частиц. Вопрос о захвате аэрозольных частиц снежинками Грабовский не исследовал.

В отношении происхождения хлоридов, содержащихся в осадках, Грабовский придерживается так называемой морской гипотезы. В подтверждение этой гипотезы он приводит расчет солевого баланса атмосферы, связывая поступление в атмосферу брызг морской воды с сильными ветрами (10-16 м/сек). На основании данных о повторяемости таких ветров он подсчитал, что с поверхности Мирового океана в атмосферу выносится не менее 27*109 т морской соли за год, в том числе хлоридов 15*109 т. Осадки удаляют из атмосферы, по оценке того же автора, около 2, 5*109 т морской соли за год. Таким образом, Мировой океан с избытком обеспечивает процессы облакообразования наиболее активными ядрами конденсации.

Расчет солевого баланса ядер конденсации основан на правильных предпосылках, но все же его нельзя признать окончательным. В этом отчете не учитывались ингредиенты осадков, к тому же отсутствовали данные о составе атмосферных аэрозолей.

В связи с проблемой происхождения хлоридов в атмосферных осадках остановимся на цикле работ Т.К. Жаворонкиной (38-42), выполненных ею в Морском гидрофизическом институте по идее академика В.В. Шулейкина. Шулейкин высказал предположение, что перенос в глубь материков частиц морской соли, как и перенос тепла, осуществляется муссонной циркуляцией атмосферы. Чтобы проследить распространение солевых частиц на континенте, были предприняты анализы проб осадков, собранных в пунктах, находящихся на различных расстояниях от морского побережья. Пробы поступали в институт с 12 метеорологических станций, из которых шесть были расположены приблизительно на 33-м меридиане на всем протяжении от Баренцева до Черного моря и столько же станций – от Прибалтики до южного Урала (приблизительно на одной параллели 52-54º). Всего собрано и проанализировано более 600 проб, в основном за двухлетний период (1951-1952 гг.).

Автор провел тщательную статистическую обработку результатов анализов, оценив квадратическую погрешность (σ) вычисленных средних, что является положительной стороной работы. Но число анализов (n) по станциям неодинаково и по некоторым из них недостаточно.