Особенности вулканических аэрозолей

Миллионы тон частиц аэрозоля выбрасываются в атмосферу при извержениях вулканов. Частицы вулканической пыли, переносимые ветром на сотни и тысячи километров имеют средний диаметр 1.8 мкм. Вулканическая пыль, в тропосфере способна не только повреждать авиационные двигатели, но и засыпать поля. Поступая в стратосферу, она вызывает разнообразные оптические явления, самыми распространенными из которых являются красные («кровавые») зори, гало и т.п., а также участвует в разрушении озонового слоя.

При извержении вулкана Кракатау 26.08.1883 г. в атмосферу, на высоту 32 км было выброшено 6.5 км³ (более 12 Мт) мелкодисперсного пепла. Это облако пыли распространялось вдоль экватора и окутало всю планету. Оно оседало несколько месяцев. Пыль в экваториальном поясе поглощала до 80 % солнечной энергии, что вызвало здесь похолодание на 5-6 градусов.

При среднем по интенсивности извержении 1976 г. вулкана Сент-Огастин (Аляска) в атмосферу поступило 6 Мт пепла. По оценкам Кондратьева К.Я., верхний предел поступления вулканической пыли в атмосферу достигает 120 Мт в год. При сравнительно слабом извержении вулкана 2010 года в Исландии выброс пыли оказался столь мощным, что авиарейсы пришлось отменять на всей территории Европы.  

По химическому составу вулканическая пыль близка к магматическим породам – базальтам, андезито-базальтам и андезитам. По минералогическому составу вулканический аэрозоль это полевые шпаты, пироксены, ортосиликаты группы оливина, магнетит, титанит, апатит. Вулканические аэрозоли обогащены также некоторыми микроэлементами. Здесь их концентрации во много раз выше, чем в извергнутом пирокластическом материале. Так в аэрозолях вулкана Эль Чичон (Мексика) концентрации W, Hg, Zn, As, Se, Sb превышает их содержание в этом материале от 60 до 20000 раз! В составе вулканического пепла (в особенности в мелких фракциях) значительны примеси тяжелых металлов: V до 0.4%, Cu 0.14-0.2%, Co 0.03-0.1%, Ni 0.02-0.05%.

В образовании частиц вулканических аэрозолей принимают участие и  газообразные соединения, поступивших в атмосферу при извержениях. Так, в составе вулканических газов присутствует сернистый ангидрид. В атмосфере он окисляется до серного ангидрида. Последний, взаимодействуя с водяным паром, образует аэрозольные частицы серной кислоты. В тропосфере, где водяного пара много, эти частицы активно вовлекают его молекулы из окружающей среды, коагулируют с другими зародышами капель и быстро увеличиваются в размерах. Частично они вымываются из тропосферы атмосферными осадками, повышая их кислотность.

Некоторое количество сернокислотных аэрозолей при извержениях вулканов оказывается заброшено в стратосферу, где водяного пара мало и возможности их роста ограничены. Здесь на высотах 18-20 км над уровнем моря такие взвешенные частицы образуют слой Юнга. В составе этого слоя вулканическая сера присутствует также в виде гранул сульфата аммония.

Более подробно о вулканических аэрозолях можно будет узнать из дисциплины основы теории катастроф.

Особенности океанических аэрозолей

Частицы аэрозоля, поступившие в атмосферу с поверхности Мирового океана, составляют основную часть всего аэрозоля, присутствующего в земной атмосфере. Одним из основных механизмов их образования океанических аэрозолей является разрушение («схлопывание») пузырьков на водной поверхности. Этот процесс приводит к образованию частиц конденсационной моды, способных годами пребывать в атмосфере. Наряду с ними, океанический аэрозоль содержит также более крупные взвешенные частицы, образующиеся в надводном слое атмосферы при испарении частиц морской пены и водяной пыли, срываемых ветром с гребней волн при штормах. Подобные частицы крупнее и тяжелее, а потому быстро осаждаются на водную поверхность и встречаются лишь над водоемами.

Пузырьки в гидросфере образуются в результате жизнедеятельности населяющих ее организмов, а также дегазации вод, насыщенных азотом и другими газами при их вертикальном перемешивании. Больше всего их образуется в верхнем квазиоднородном слое, богатом светом и жизнью, непосредственно подверженному воздействию ветра.

Образующиеся здесь и глубже пузырьки первоначально имеют микронные размеры. Скорость их всплытия определяется законом Стокса и пропорциональна квадрату их радиуса. Микронные пузырьки под влиянием силы Архимеда за сутки всплывают всего на несколько своих диаметров. Поэтому в общем потоке пузырьков их доля, приходящаяся на пузырьки, образующиеся в термоклине и глубже – ничтожна.

Пузырьки, образовавшиеся в верхнем квазиоднородном слое, выносятся на поверхность восходящими потоками воды и накапливаются в поверхностном микрослое. Пузырьки микронных размеров не способны преодолеть силу поверхностного натяжения и пробить водную поверхность. Они накапливаются в самой верхней прослойке поверхностного микрослоя. Все новые и новые такие же пузырьки, непрерывно поступающие снизу, коагулируют с этими пузырьками, что приводит к образованию пузырьков большего объема. Этот процесс идет до тех пор, пока пузырьки не достигают размеров, при которых они лопаются.

В результате разрушения пузырька, части вещества из его поверхностного микрослоя выбрасывается в атмосферу. При этом в надводный слой атмосферы поступает микроскопическая капелька воды, содержащая выбрасываемое вещество. Так как  при подъеме к водной поверхности пузырьков происходит флотация, обогащающая поверхностный микрослой каждого из них веществами, встречающимися на их пути, образовавшаяся капелька, оказывается также обогащена ими.

В результате этого, а также вследствие испарения с поверхности капель воды, концентрациимногих микроэлементов в частицах океанических аэрозолей  существенно выше, чем в их верхнем квазиоднородном слое. В наибольшей степени последнее относится к тяжелым металлам, концентрации которых могут быть выше, чем в верхнем квазиоднородном слое  в единицы – десятки тысяч раз. Так, концентрация кобальта в частицах океанических аэрозолей в 10 раз больше, чем в верхнем квазиоднородном слое моря, меди в 800 раз, марганца – в 1000 раз, свинца – в 4000 раз, железа в 10000 раз, а цинка в 20000 раз!

Поскольку больше всего в морской воде ионов натрия и хлора, больше всего их содержится и в океаническом аэрозоли. Расчеты показывают, что вся соль NaCl, содержащаяся ныне в Мировом океане, таким образом, проходит через атмосферу за 110 млн. лет.  

 В аэрозолях, образующихся над озерами и другими водными объектами суши, преобладают  не хлориды, а гидрокарбонаты. Вследствие этого частицы любых аэрозолей, образовавшихся над водоемами, гидрофильны, что  способствует их  вымыванию из атмосферы осадками.