Воздушная миграция химических элементов. Происхождение газов, газовый состав атмосферы и классификация газов

 Роль газов в ландшафте исключительно велика, но изучена воздушная миграция значительно слабее водной миграции.

Происхождение газов, газовый состав атмосферы и классификация газов. Газы образуются в результате физико-химических, биогенных и техногенных процессов. К физико-химическим процессам относится огромное число реакций образования СО2, водяного пара, Н2S и других газов. К этой группе процессов относится и радиоактивный распад U, Th и K, генерирующий Не, Ar, Rn, а также ядерные реакции, возникающие в атмосфере под действием космических лучей. С последними связано образование нейтронов и последующие реакции. Например, образование радиоактивного изотопа водорода – трития.  Под влиянием космических лучей в атмосфере протекают и другие ядерные реакции с образованием радиобериллия, радионатрия, радиоаллюминия, радиохлора  и других химических радиоактивных изотопов. Почти весь О2, N2, CH4, а также часть СО2, Н2S, многие другие газы – биогенны. С техногенезом связано образование большого количества СО2, SO2, NО2 и прочих газов. Причем состав выделяемых газов и их количественное соотношение значительно отличается от газов природного происхождения.

На  химический состав газов атмосферы влияет вулканическая деятельность, которая на первых стадиях развития Земли была наиболее активной. В результате вулканических извержений в атмосферу поступает много газов, в первую очередь водяных паров и углекислого газа и некоторое количество H2, CO, N2, SO2, S2, Cl2, H2S, HF, HCl, B(OH)3, NH3, CH4, хлоридов и фторидов металлов и т.д.

Надземная атмосфера ландшафта (средний состав воздуха над уровнем моря за вычетом водяных паров) в основном состоит из азота (78,09 %) и кислорода (20.95 %), значительно меньше в ней аргона (0,93 %) и углекислого газа (в среднем 0,03 %). Содержание остальных газов крайне невелико. Это инертные газы – гелий (5,2х10-4), неон (1,8х10-3), криптон (1х10-4), и ксенон (8х10-6), водород (5х10-5), метан (2,2х10-4) окислы азота, аммиак, озон, пары йода и ртути, летучие вещества, выделяемые растениями (фитонциды), радон Rn (10-21) и др. Атмосфера ландшафта содержит также различное количество водяных паров (0,021 – 4 %), иногда жидкую и твердую воду, пыль, микроорганизмы.

Если содержание кислорода и азота в общем одинаково во всех ландшафтах, то содержание CO2, водяных паров, пыли, летучих органических веществ (фитонцидов), некоторых микрокомпонентов (озона, йода, радона и др.) подвержено значительным колебаниям.

Подземная атмосфера ландшафта – почвенный и грунтовый воздух, заполняющий свободные пустоты между частицами почвы. На глубине  20-30 см от поверхности состав почвенного воздуха близок к атмосферному в результате интенсивного газообмена, обусловленного конвекционными токами, действием ветра. Глубже подземная атмосфера по составу значительно отличается от надземной. В ней больше CO2, часто выше влажность, иное содержание микрокомпонентов. CO2 образуется в почвенном воздухе за счет дыхания корней, животных, микроорганизмов. Его содержание колеблется от 0,15 до 0,65 %, может достигать 2 % и более. Между подземной и надземной атмосферами существует постоянный газообмен, подчиняющийся законам диффузии («дыхание почвы»). За счет такого «дыхания почвы» углекислый газ из почвы поступает в атмосферу и обогащает приземные слои воздуха.

Почвенный воздух тайги, тундр, степей, пустынь и других ландшафтов отличается не только по количеству углекислого газа и воды, но и по количеству микрокомпонентов. В гумидных болотных ландшафтах в подземной атмосфере повышено содержание метана («болотного газа»), в солончаках и аридных болотах - H2S, в других ландшафтах N2O, NH4 и прочих газообразных продуктов бика. Ландшафты, сформировавшиеся на разных горных породах, также имеют разный почвенный и грунтовый воздух. Так, почвенный и грунтовый воздух на участках развития гранитоидов и радиоактивных руд обычно обогащен радоном (Rn). На участках развития нефтеносных пород и углей – углеводородами (главным образом метаном). На некоторых рудных месторождениях – парами ртути. На основе изучения химического состава подземной атмосферы ландшафта ищут урановые руды, нефть и другие ископаемые.

Газы, растворенные в воде, составляют 15-30 см3

в одном литре. В глубь толщи вод концентрация газа понижается. В осадках морей и океанов образуются те же газы, что в почвах и болотах.

Классификацию природных газов с учетом морфологии, химического состава и истории впервые предложил В.И.Вернадский.

А.И.Перельман (1979) положил в основу классификации газов их геохимическую активность, роль в ландшафте, распространенность. Все газы делятся на две большие группы активные и пассивные.

К активным относятся следующие:

1. Неорганические газы: а) окислители (некоторые влияют на изменение рН): О2, О3, NО2, H2O2, NO; б) восстановители (некоторые влияют на изменение рН): H2S, H2, H2Se, NH3, N2, N2O, CO, Hg; в) полярные газы, влияющие преимущественно на рН (некоторые влияют на изменение Еh): CO2, H2O, HCl, HF, SO2, SO3.

2. Органические газы: углеводы и их производные: CH4, C2H6, C4H10, C2H4

и другие органические соединения (в том числе элементоорганические).

К пассивным (инертным) газам относятся: Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn.