2014-05-10

Кругообіг сірки в природі

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Самородна сірка

Ведучи мову про глобальні екологічні процеси нашої планети зазвичай найбільшу увагу надають кругообігу парникових газів, згадуючи при цьому зазвичай лише вуглекислий газ, інколи – метан. Як наслідок обговорення зводиться до розгляду переміщення між атмосферою, літосферою та гідросферою виключно вуглецю. Проте варто відзначити, що поряд із вуглецем існують і інші елементи, без розгляду яких оцінка тих чи інших екологічних процесів буде хибною та неповною. До таких елементів перш за все належить сірка, про яку і піде мова в цій статті.

Глобальний цикл сірки та антропогенні дії

Якщо порівняти глобальний цикл сірки, яким він вважався до основних антропогенних впливів, з циклом, який існував всередині 1980-х, то можна виявити деякі цікаві очевидні зміни в розмірах потоків. Однак існують і такі потоки, для яких не знайдено ознак змін чи ці зміни вкрай малі. Ці потоки обговоримо першими.

Не існує свідчень того, що вулканічні емісії сірки (в основному, у вигляді діоксиду сірки SО2) значно змінилися за останні 150 років. Також відсутні ознаки істотних змін у потоках море-повітря сульфатів морських солей (надходять з морських бризів при ударах хвиль і при руйнуванні бульбашок на поверхні моря) чи емісії сірчаних газів із суші. Важливо відзначити, що ці потоки газів є основними компонентами в кругообігу сірки. Геохімічні запаси елементу не можуть бути збалансовані без них, а загальні емісії з морських і сухопутних джерел становлять близько 70% від загальної кількості сірки, що надходить в атмосферу при спалюванні викопного палива. Головною складовою морської емісії сірки є газ диметилсульфід, який синтезується фітопланктоном, що живе у приповерхневих водах океанів, і морськими водоростями разом з невеликими кількостями карбоніл сульфіду (OCS), дисульфіду вуглецю (CS2) і сірководню (H2S). Рослини суші продукують подібний набір газів, але H2S відіграє головну і, ймовірно, панівну роль.

Частини сірчаного циклу, які, очевидно, істотно змінилися в результаті людської діяльності, включають в себе наступне.

  1. Вважається, що еолові емісії сірковмісних частинок ґрунтового пилу збільшилися приблизно в два рази. Це в основному результат викликаних людиною змін у методах тваринництва і сільського господарства, особливо у випасі, оранці і меліорації.
  2. Досі основним значним впливом на систему було пряме внесення сірки (переважно у вигляді SО2) в атмосферу при спалюванні викопного палива, плавленні металів та іншої промислової діяльності. Подібні емісії зросли з 1875 року до 1995 приблизно в 20 разів. Навряд чи ця тенденція буде необмежено зростати, оскільки зараз в більшості промислово розвинених країн докладають зусиль для того щоб обмежити емісію, наприклад, шляхом спалювання збідненого сіркою палива і видалення SО2 з диму електростанцій. Навпаки, емісія сірки в країнах, що розвиваються, швидше за все, в майбутньому зросте, оскільки ці країни розвивають індустрію, але не мають коштів для зниження кількості сірки, що викидається в атмосферу.
  3. Потік сірки, яка випадає з атмосфери в океани і на поверхню суші, збільшився приблизно на 25 і 163% відповідно. Незважаючи на те, що цей приріст практично не впливає на хімізм морської води в результаті її буферних властивостей і великої кількості сульфатів (SO42-), які в ній містяться, він може мати величезний вплив на слабко забуферені ґрунти і прісні води.
  4. Кількість сірки, що надходить в океани з річковим стоком, збільшилася, ймовірно, більш ніж у два рази в результаті людської діяльності. Це почасти викликано збагаченими сіркою стічними водами і сільськогосподарськими добривами. Іншим важливим чинником є ​​сірка, що випадає безпосередньо в поверхневі води з атмосфери.
  5. Останнім часом істотно змінився потоків сірки між «континентальною» і «морською» частинами атмосфери. Зараз сумарний потік сірки в повітрі, яке прямує до моря, в шість разів більший у порівнянні зі стабільним станом.

З вищевикладених порівнянь стає ясно, що людська діяльність істотно змінила кругообіг сірки між атмосферою, океанами і поверхнею суші. Ця зміна незаперечно більша, ніж вплив людини на цикл вуглецю, і її місцевий та регіональний вплив, безумовно, більш помітний.

Цикл сірки і кислотність атмосфери

Якби СО2 був єдиним компонентом, який контролює кислотність дощів, то pH дощової води був би близький до 5,6. Однак більшість вимірювань pH дощових опадів дає величини нижчі від цього значення, що вказує на інші джерела кислотності. Більша частина цієї «надлишкової» кислотності приходить від циклу сірки. Тільки два головних процеси приводять до збільшення кислотності від сірки. Один з них – спалювання копалин з утворенням кислотного газу SO2. Інший – продукування морськими організмами газу диметилсульфід, який потім дегазується в атмосферу крізь поверхню розділу море-повітря. Опинившись в атмосфері, диметилсульфід окислюється сильними окисниками (вільними радикалами). Двома вільними радикалами, важливими для окислення диметилсульфіду, є гідроксил (ОН) і нітрат (NO3). Продуктів окислення декілька, проте найбільш важливими є SО2 і метансульфонова кислота (CH3SO3H). SO2, що утворюється таким способом, хімічно відрізняється від того, який виділяється при спалюванні викопного палива.

SO2 з обох джерел існує в атмосфері як у вигляді газу, так і розчиненим у крапельках дощу і хмар, pH яких знижується за рахунок кислої реакції газу. Однак, перебуваючи всередині крапельок, SО2 може швидко окислюватися з утворенням сірчаної кислоти (H2SO4), що робить їх набагато більш кислими, оскільки H2SO4 є сильною кислотою. метансульфонова кислота, утворена шляхом окислення диметилсульфіду при додаванні OH/NO3, також вносить вклад в кислотність атмосферних опадів. Оскільки на відміну від SO2 ця сполука може утворитися тільки з диметилсульфіду, вона є точним індикатором кислотності атмосфери, яка виникла в результаті біологічної активності.

Наведене вище обговорення є, звичайно, суттєвим спрощенням реальної ситуації. Наприклад, крапельки дощу і хмар містять, крім H2SO4, інші розчинені речовини, важливі для регулювання pH, зокрема азотну кислоту (HNO3), що утворюється з оксидів азоту (оксиду азоту NО та діоксиду азоту NО2), які викидаються в атмосферу при спалюванні. Серед таких речовин вирізняється амоній NH4, який утворюється при розчиненні аміаку (NH3) у воді, має лужну реакцію і, таким чином, може частково протидіяти кислотності, що виникає від сірчаної системи. NH3 виділяється в ході мікробіологічних реакцій в ґрунті (особливо в областях інтенсивного сільського господарства), а також, згідно з останнім припущенням, деяка його кількість може надходити з океанів в циклі, дечим аналогічному до циклу диметилсульфіду. Ще одна особливість полягає в тому, що деяка кількість кислого SO42- і лужного NH4+ присутня в атмосфері у вигляді невеликих частинок аерозолю (діаметром від 10-3 до 10 мкм) з хімічним складом, що коливається від «чистої» H2SO4 до сульфату амонію (NH4) 2S04, в залежності від відносної величини джерел SO42- і NH4+. Частково ці частинки утворюються шляхом висихання крапельок хмар в атмосфері.

Середньорічні величини pH дощових опадів над Європою досить різні. Як і слід було очікувати для такої сильно індустріалізованої області, кислотність дощів контролюється в основному антропогенними джерелами. Про це свідчать низькі значення pH, зосереджені над найбільш сильно індустріалізованими частинами регіону (Німеччиною, малими країнами східної Європи, східною Британією), і більш високі значення pH на північ, південь і далеко на захід від регіону.

Цикл сірки і клімат

Слід зазначити, що частинки SO42-, що утворилися при окисленні як диметилсульфіду, так і антропогенного SО2, не є єдиним джерелом атмосферних аерозолів. Іншими джерелами служать ґрунтовий пил, що переноситься вітром, і дим, що утворюється при спалюванні біомаси і при виробничих процесах.

Значення аерозолів в регулюванні клімату можна розділити на два типи: пряме і непряме. При прямому впливі частинки поглинають і розсіюють назад у космос енергію, що надходить від сонця. Це приводить до охолодження атмосфери, оскільки сонячне випромінювання, яке при відсутності аерозолів нагріло б повітря, тепер частково поглинається частинками або відбивається вгору від атмосфери.

Величину цього впливу оцінити важко, оскільки вона залежить не тільки від загальної маси аерозолів, що наповнюють атмосферу, а й також від хімічного складу і розподілу часток за розмірами. Однак ефект може виявитися суттєвим, якщо взяти до уваги зміни клімату, викликані споживанням викопного палива людиною. Наприклад, в доповіді «Вплив посилення випромінювання на зміни клімату» Міжурядової комісії зі зміни клімату в 1994 році була представлена ​​оцінка прямого ефекту посилення випромінювання через аерозолі SO42-, яка зросла з 1850 року від – 0,25 до 0 , 9 Вт·м-2 в результаті спалювання викопного палива, з яких від - 0,05 до - 0,6 Вт·м-2 обумовлені спалюванням біомаси протягом того ж періоду, причому обидві величини є усередненими і глобальними. Їх необхідно порівняти з посиленням радіації, пов’язаним з емісіями парникових газів з початку доіндустріального періоду – від +2,1 до +2,8 Вт·м-2. Із цього аналізу випливають три важливі речі. По-перше, прямий вплив аерозолів на посилення радіації в цілому менший, ніж від парникових газів, але в жодному випадку не несуттєвий. По-друге, знак їхнього внеску протилежний дії парникових газів, і таким чином, вплив від збільшення кількості аерозолів полягає в зниженні до деякого ступеня ефекту потепління від СО2 і йому подібних газів. По-третє, просторовий розподіл радіації, пов’язаний з антропогенними аерозолями, дуже неоднорідний по відношенню до просторового розподілу парникових газів. Причиною цього останнього явища служать дуже різні часи перебування в атмосфері (зазвичай кілька днів) SО42- і інших частинок у порівнянні з головними парниковими газами, які залишаються в атмосфері протягом періодів часу, вимірюваних роками.

Перейдемо тепер до непрямого впливу аерозолів на клімат, який полягає в тому, що частинки поводяться як ядра, на яких утворюються крапельки хмар. В областях, віддалених від суші, числова густина частинок SO42- є важливим визначальним фактором об’єму і типу хмар. На відміну від цього, над сушею в загальному присутні безліч частинок ґрунтової пилу, на яких можуть утворюватися хмари, і ефект від решти джерел знижується, оскільки хмари відбивають сонячну радіацію назад у космос і їх потенціальний зв’язок з кліматом ясний. Вплив аерозолів, ймовірно, відчувається найбільше над океанами далеко від суші і в покритих снігом областях Антарктиди, оскільки тут вплив частинок ґрунтового походження найслабший. У таких областях основним джерелом аерозолів служить механізм утворення частинок SO42- з диметилсульфіду. Таким чином, морський фітопланктон служить не тільки основним джерелом кислотності, але також створює основне джерело ядер конденсації хмар і тому відіграє важливу роль в управлінні хмарністю, а, отже, кліматом.

Одна з груп дослідників пішла далі і припустила, що океанічний планктон насправді відіграє роль в регулюванні клімату, а не у впливі на нього. Ідея полягає в тому, що якщо відбулися трансформаційні зміни в температурі атмосфери (наприклад, внаслідок зміни в рівнях СО2 або кількості сонячної радіації), то фітопланктон, що продукує диметилсульфід, може відгукнутися таким чином, щоб зменшити цю зміну. Наприклад, якщо температура повітря зросла, то потепління поверхневих вод призведе до збільшення продукування фітопланктоном диметилсульфіду. У свою чергу, це збільшить потік диметилсульфіду через поверхню моря, і зросте кількість ядер конденсації хмар в атмосфері. В результаті підвищена хмарність сприятиме охолодженню атмосфери, таким чином протидіючи потеплінню, яке ініціювало цикл. Процес буде працювати протилежно до початкового охолодження. Якщо це так, з такої петлі зворотного зв’язку випливає, що морський фітопланктон здатний до деякої міри регулювати щонайменше температуру атмосфери, і таким чином, клімат Землі.

Ідея була перевірена дослідженням кернів льоду з Антарктиди на вміст у них продуктів атмосферного окислення диметилсульфіду протягом останнього циклу. Проте результати не підтверджують ідею про регулювання клімату планктоном.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus