CC BY
15
Географические науки
111
УДК 551.324.|23|
исследование источников
формирования химического состава ледников и атмосферного аэрозоля в условиях высокогорья
Шагин С. И., доктор географических наук, начальник управления научных исследований и инновационной деятельности,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик E-mail: khiz@kbsu.ru
Татаренко Н. В., старший преподаватель, кафедра общей биологии, биоразнообразия и геоэкологии, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик E-mail:tatarenko.nic@yandex.ru
Машуков Х. В., научный сотрудник, начальник отдела грантов УНИИД,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик E-mail: khiz@kbsu.ru
В статье рассмотрены особенности формирования химического состава ледников. Приводятся основные источники поступления химических примесей на ледники. Анализируются основные источники, формирующие химический состав атмосферного аэрозоля. Дана оценка общего поступления частиц антропогенного происхождения, а также поступление металлов в атмосферу за счет естественных источников.
Ключевые слова: аэрозоль, ледник, твердые осадки, снег, микрочастицы, химический состав.
STUDIES OF SOURCES OF FARMATION OF THE CHEMICAL COMPASITION OF GLACIERS AND ATMOSPHERIC AEROSOL IN HIGH-MOUNTAIN CONDITIONS
Shagin S. I., doctor of geography, head of scientific research Department and innovation, FSBEI HE «The Kabardino-Balkarian state university of H. M. Berbekov», city of Nalchik E-mail: khiz@kbsu.ru
Tatarenko N.V., senior lecturer, department of general biology, biodiversity and geoecology, FSBEI HE «The Kabardino-Balkarian state university of H. M. Berbekov», city of Nalchik E-mail:tatarenko.nic@yandex.ru
Mashukov Kh.V., research fellow, head of the Department of grants of UNIID, FSBEI HE «The Kabardino-Balkarian state university of H. M. Berbekov», city of Nalchik E-mail: khiz@kbsu.ru
The article discusses the features of the formation of the chemical composition of glaciers. The main sources of chemical impurities on the glaciers are given. The main sources forming the chemical composition of atmospheric aerosol are analyzed. An estimate of the total intake of particles of anthropogenic origin, as well as the release of metals into the atmosphere from natural sources, is given.
Key words: aerosol, glacier, solid precipitation, snow, microparticles, chemical composition.
112
С. И. ШАГИН, н. В. ТАТАРЕНКО, Х В. МАШУКОВ
Высокогорные ледники - уникальные естественные природные объекты, которые за период своего существования накапливают в себе не только твердые осадки, попавшие на ледник, но и химические примеси, и таким образом являются надежными индикаторами загрязнения атмосферы. Механизм формирования химического состава ледников - довольно сложный процесс, который определяется взаимодействием различных факторов. Во-первых, химический состав зависит от источников поступления химических примесей на ледник (вклад естественных и антропогенных аэрозолей в атмосфере, перенос, выпадение с осадками и сухое их осаждение). Во-вторых, химический состав ледников во многом определятся процессами метаморфизма снега и перехода его в фирн, и в лед, процессами таяния и замерзания, инфильтрацией талой воды. Кроме того, при формировании химического состава ледников необходимо учитывать также испарение снежного покрова и конденсацию водяного пара. Особо следует подчеркнуть роль региональных факторов: горно-долинная циркуляция, местные ветры, подстилающая поверхность, склоновые процессы (лавины, камнепады, обвалы, ледопады), которые также вносят существенный вклад в формирование химического состава ледников. В-третьих, химический состав ледников подвержен изменению, как в пространстве, так и во времени [2,3,5].
Формирование химического состава ледников происходит вследствие отложения аэрозолей и частиц пыли, принесенных осадками и ветром, их перераспределением на поверхности и в толще ледника, в процессе массообмена, фильтрации и стока талых вод [5].
Химические примеси, попавшие на ледник, характеризуют первичное загрязнение атмосферы, а снежно-фирновая толща отражает не только современное состояние природной среды и атмосферы, но и несет в себе следы условий прошлого, в период, которого она сформировалась. Анализ химического состава сезонных слоев фирново-ледяной толщи высокогорных ледников дает возможность проследить степень загрязненности атмосферы во времени. А такую информацию невозможно получить непосредственно путем атмосферных измерений. Источником химических примесей для снежного покрова и ледников является атмосферный аэрозоль.
Под аэрозолем понимают дисперсные системы, состоящих из частичек твердого тела или жидкости, находящихся во взвешенном состоянии
в газовой среде. В метеорологии под аэрозолями принято понимать не всю систему, а только совокупность взвешенных в воздухе частичек, диаметр которых состоит от 1*10 -6 до 10-2 мм, и имеющих единую природу [1].
Дисперсный состав атмосферного аэрозоля представлен частицами различного диаметра. По естественной классификации атмосферный аэрозоль в зависимости от размера подразделяется на следующие градации: частицы Айткена (<0,1 мкм), крупные ядра конденсации (0,1-1мкм), на них приходится основная масса облачных капель и гигантские ядра (>1мкм) [1]. Основная масса атмосферного аэрозоля представлена частицами с диаметром от 0,1 до 20 мкм. Причем частицы размером более 20 мкм сравнительно быстро осаждаются на поверхность ледников, а больше всего в тропосфере существуют частицы, диаметр которых не превышающим 1 мкм [3]. Считается [1], что частицы антропогенного происхождения, имеют размеры менее 1 мкм, обладают малой скоростью осаждения (менее 1 см/с) и менее эффективно вымываются осадками, и могут переноситься на большие расстояния.
Общая инвентаризация источников атмосферных аэрозолей для середины 1970-х гг. проведена Л.А. Берри [9] (табл.1), а учет поступления металлов из природных и антропогенных источников произведен Джеромо Нриагу [10], как и общее поступление аэрозолей из этих источников (табл. 2). Анализ табл. 1 показывает, что общее поступление частиц антропогенного и естественного происхождения оценивается около 786-3349 и 1658-5295 млн т в год (с размерами частиц менее 6 и менее 20 мкм соответственно). Из них на частицы образующихся антропогенным путем приходится всего лишь 181-379 и 185-415 млн т в год, тогда как на частицы образующихся естественным путем - 605-2970 и 1473-1880 млн т в год.
Основные источники, формирующие химический состав атмосферного аэрозоля:
1. Океанический источник является основным источником атмосферного аэрозоля. Аэрозоли морского происхождения возникают при разрыве пузырьков в «белых барашках», создаваемых сильных ветрах на поверхности океанов. Они быстро удаляются из тропосферы при выпадении осадков из-за хорошей растворимости и относительно больших размеров. На высоте 2000 м н.у.м. концентрация микропримесей морских солей составляет от 1 до 10 % общего количества аэрозолей [3].
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЛЕДНИКОВ И АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ
Таблица 1
Оценка общего поступления частиц антропогенного происхождения на период 1970-х годов (по L.A.Barrie, 1985 [9])
Источник Уровень поступления частиц (млн т в год)
Диаметр менее 6 мкм Диаметр менее 20 мкм
Антропогенные
Прямое производство частиц 6-54 10-90
Сорбция из парогазовой фазы ~80 % Б042", -15 % Ы03- 15 % гидрокарбонатов 175-325 175-325
Всего антропогенные 181-379 185-415
Природные
Морская соль 180-500 1000-2000
Ветровые раздувы 60-300 100-500
Вулканы 15-90 25-150
Лесные пожары -5 3-150
Сорбция из парогазовой фазы -70 % Б042", -15 % Ы03"-15 % гидрокарбонатов 345-2080 345-2080
Всего природные 605-2970 1473-1880
Всего 786-3349 1658-5295
Таблица 2
Поступление металлов в атмосферу из естественных источников
(по J.Nriagu, 1979 [10])
Источник Глобальное поступление (млн т/год) Глобальное годовое поступление, тыс. т
СЬ Си 1\П РЬ 7п
Пыль 500 (6-1000) 0,1 (0,001-0,22) 12 (0,14-26) 20 (0,14-26) 16 (0,19-35) 25 (0,3-55)
Лесные пожары 36 (2-200) 0,012 (0,0010,07) 0,3 (0,025-1,7) 0,6 (0,05-3,3) 0,5 (0,04-2,8) 2,1 (0,18-12)
Вулканы 10 (6,5-150) 0,52 (0,3-7,8) 3,6 (2,3-54) 3,8 (2,4-56) 6,4 (4,2-96) 7,0 (4,6-105)
Растительность 75 (75-1000) 0,2 (0,2-2,7) 2,5 (2,5-33) 1,6 (1,6-21) 1,6 (1,6-21) 9,4 (9,4-125)
Морской спрей 1000 (300-2000) 0,001 0,08 (0,02-0,2) 0,04 (0,01-0,08) 0,02 (0,01-0,05) 0,1(0,004-0,02)
Всего 0,83 18,5 26,0 24,5 43,5
114
С. И. ШАГИН, Н. В. ТАТАРЕНКО, Х. В. МАШУКОВ
Химический состав морского аэрозоля определяется содержанием таких главных ионов как: С1-, Ыа+, К+, Мд+, Б04 ", Са2 +, Вг, Б. (85 % от общей доли морского аэрозоля). В составе морского аэрозоля присутствуют и некоторые металлы - Ы1, Си, 7п, Бе, Мо, Ад, I, РЬ [7].
2. Континентальный источник. Континенты представляют второй главный источник атмосферных аэрозолей. Этот тип аэрозолей образуется в результате эоловой денудации почв и горных пород, при извержениях вулканов, в результате жизнедеятельности живых организмов, а также, вследствие хозяйственной деятельности человека.
Эоловая денудация почв и горных пород приводит к образованию пыли, которая под действием ветра переносится на большие расстояния, как местной, так и планетарной циркуляцией ВМ. В дальнейшем эти минеральные частицы удаляются из атмосферы с осадками и при сухом их осаждении, вследствие чего ледники подвергаются эоловому загрязнению. Атмосферные аэрозоли образующиеся, за счет дефляции почв и продуктов разрушения горных пород, обогащены следующими элементами - А1, Ре, Мд, Са, К, НС03" .
Вулканические аэрозоли обогащены такими элементами как: РЬ, КЬ, Си, 7п, Ад, Бе. Из газов в наибольшей степени Б04 а также Н2Б, сернистый газ, трех окись серы (при гидратации образуются капельки Н2Б04) [8]. К аэрозолям органического происхождения относится пыльца, споры грибов, бактерий, микроорганизмы, органические останки насекомых. Это крупные частицы их радиус колеблется от 5 до 25 мкм.
3. Космический источник. Космическая пыль и вещество метеоритов являются источниками аэрозолей внеземного происхождения. Ежегодно на земную поверхность выпадает около 1,4*107 т таких частиц [8]. Аэрозоли внеземного происхождения имеют сферическую форму и характерный элементный состав: Ре, Ы1, Со, Б1, А1, "Л, К, Са и некоторые другие элементы [3].
4. Антропогенный источник. Химический состав антропогенных аэрозолей сильно варьирует от происхождения и места образования. К аэро-
золям антропогенного происхождения относятся частицы дыма, сажи золы, попадающие в атмосферу в результате сжигания топлива и работе промышленных предприятий. Основными составляющими газового загрязнения атмосферы являются: серный газ (Б02), оксид углерода (СО), диоксид углерода (С02), нитраты (И0х), сероводород (Н2Б), углеводороды выхлопных газов автомобилей, радиоактивные отходы атомных станций.
Значительная масса аэрозолей является продуктами из газовых примесей, попадающих в атмосферу. Попадая в атмосферу, эти и другие газы в результате различных реакций вместе с присутствующими в атмосфере молекулами водяного пара образуют частицы кислот: Н2Б04, НСЦ НР, НЫ03. Эти кислоты затем вымываются осадками и образуют так называемые кислотные дожди [8].
Поступление в атмосферу сажи и двуокиси серы связано с ТЭС, работающими на угле, а предприятия, работающие по очистке нефти, являются главными поставщиками углеводородов. При сжигании каменных углей в атмосферу поступают Ве, Со, Мо, БЬ, Б1, а при сжигании нефти - Ы1, V. Цветная металлургия - источник Аб, СЬ, Си, 7п, а черная металлургия - Сг, Мп. Автотранспорт обогащает атмосферу такими элементами как - Со, СЬ, РЬ, Ы1. В сельском хозяйстве, удобряемые пахотные земли - источник сульфата алюминия, кальция, фосфата кальция, нитрата калия и аммония [4].
Таким образом, формирование химического состава ледников зависит от источников поступления химических примесей на ледник за счет эмиссии естественных и антропогенных аэрозолей, их перенос, выпадение с осадками и сухое осаждение. Основными источниками, формирующими химический состав атмосферных аэрозолей, является океанический, континентальный, космический и антропогенный источники, совместное действие которых обусловлено как территориально, так и во времени.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации государственного задания (коды проектов № 1.9349.2017/7.8 и № 2.9318.2017/7.8).
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЛЕДНИКОВ И АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В УСЛОВИЯХВЫСОКОГОРЬЯ
литература
1. ГринХ.,ЛейнВ. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. Изд-во «Химия», 1969. С. 428.
2. КеримовА.М., Рототаева О.В.,ХмелевскойИ.Ф. Особенности формирования химического состава ледников Кабардино-Балкарии // МГИ. Вып. 84. 1998. С. 66-71.
3. Котляков В.М., Гордиенко Ф.Г. Изотопная и геохимическая гляциология. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. С. 288.
4. Мак-Ивен М., ФиллипсЛ. Химия атмосферы / Под ред. Л. Данилова и М. Власова. М.: Мир, 1978. С. 375.
5. Рототаева О.В., Хмелевской И.Ф., Бажев А.Б. Строение и химический состав деятельного слоя ледника Б. Азау (Эльбрус) в области питания // МГИ. Вып. 84. 1998. С. 25-33.
6. Савеко В. С. Факторы определения распространенности химических элементов в океаническом аэрозоле // Доклады Академии Наук. Т. 339. № 5. 1994. С. 670-674.
7. Савеко В. С. Факторы определения распространенности химических элементов в океаническом аэрозоле // Доклады Академии Наук. Т. 339. № 5. 1994. С. 670-674.
8. Химия атмосферы / Под ред. С. Расула. М.: Мир, 1976. С.408.
9. Barri L. A. Atmospheric particles: their physical and chemical characteristic and deposition processes relevant to the chemical composition of glacier // Annals of glaciology. 1985. Vol. 7. P. 100-108.
10. Nriagu J. O. Global inventory of natural and anthropogenic emission of trace metals to the atmosphere // Natural. 1979. Vol. 279. P. 134-139.
