CC BY-NC
21Изотопный состав зимнего снега на хребте Аибга (Красная Поляна), Западный Кавказ
Васильчук Юрий Кириллович
доктор геолого-минералогических наук профессор, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2009
Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mneralogy
Professor, the department of Geochemistry of Landscapes and Soil Geography, Lomonosov Moscow State
University
119991, Russia, Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2009 El [email protected] Чижова Юлия Николаевна
кандидат географических наук
старший научный сотрудник, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и
геохимии РАН
119017, Россия, г. Москва, Старомонетный переулок, 35, стр. 1
Chizhova Julia Nikolaevna PhD in Geography
Senior Research Fellow at the Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mneralogy and
Geochemistry of the Russian Academy of Sciences
119017, Russia, Moscow, ul. Staromonetnyi Pereulok, 35, building 1
El [email protected] Буданцева Надежда Аркадьевна
кандидат географических наук
старший научный сотрудник, МГУ имени МВ.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии
ландшафтов и географии почв
119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007
Budantseva Nadine Arkad'evna
PhD in Geography
Senior Research Fellow at the Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography of the Faculty of
Geography of Lomonosov Moscow State University
119991, Russia, Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2007 E [email protected] Лычагин Михаил Юрьевич кандидат географических наук доцент, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1, каб. 2007
Lychagin Mikhail Yur'evich PhD in Geography
Associate Professor at Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, ul. Leninsky Gory, room 2007
£Ч Ъ
И [email protected] Поповнин Виктор Владимирович
кандидат географических наук доцент, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1, оф. 1907
Popovnin Viktor Vladimirovich PhD in Geography
Associate Professor at Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, ul. Leninsky Gory, room 1907
Ткаченко Анна Николаевна
кандидат географических наук научный сотрудник, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские горы, 1, оф. 2007 Tkachenko Anna Nikolaevna PhD in Geography
Research Fellow at Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, ul. Leninsky Gory, 1, room 2007
Статья из рубрики "Ландшафты холодных регионов"
Аннотация. Объектом исследования является изотопный состав январского снега, на склонах гор Аибга и Псехако в Красной Поляне на Западном Кавказе в 2010 и 2017 гг. В 2010 г. снежный покров был опробован на хребтах Аибга (вдоль трасс Карусель и Альпика-Сервис) и на привершинной части хребта Псехако , отбор был выполнен на разных глубинах снежного покрова, всего было отобрано 29 образцов снега. В 2017 г. на склоне хребта Аибга был отобран свежевыпавший снег. Вдоль трассы Роза Хутор также был выполнен отбор поверхностного снега. Всего было отобрано 58 образца снега. Измерения изотопного состава выполнялись на масс-спектрометре Delta-V (Finnigan) в изотопно-геохимической лаборатории географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова в течение 1-2 недель после отбора проб. Основными выводами проведенного исследования являются - высокие значения дейтериевого эксцесса могут быть связаны с тремя причинами: 1) сама воздушная масса, которая долгое время находилась над внутриконтинентальными районами, изменила свои изотопные характеристики из-за вторничного испарения и конденсации влаги, 2) условиями конденсации, когда адиабатическое охлаждение воздушной массы приводит к выраженному изотопному исчерпанию в выпадающих осадках, больше выраженному для 618О, чем для 62Н и 3) постседиментационными процессами, происходящими на поверхности снежного покрова. Возможно, изотопный состав снежного покрова в Красной поляне сформирован под влиянием всех этих трех факторов.
Ключевые слова: Красная Поляна, изотопный состав, изотопы кислорода, изотопы водорода, снежный покров, свежий снег, высотный изотопный эффект, Хребет Аибга, Хребет Псехако, Западный Кавказ
DOI: 10.7256/2453-8922.2017.3.24402 Дата направления в редакцию: 15-10-2017 Дата рецензирования: 15-10-2017
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-05-00977) и бюджетного финансирования Московского университета имени М.В. Ломоносова с использованием масс-спектрометрического оборудования, приобретенного на средства Программы развития МГУ.
Abstract. The object of the study is the isotopic composition of the January snow on the slopes of the Aibga and Psekhako mountains in Krasnaya Polyana in 2010 (29 snow samples) and 2017 (58 snow samples). In 2010, the snow cover was sampled on the Aibga ridges and the Psekhako Ridge. In 2017, on the slope of the Aibga ridge, fresh snow was sampled. Along the ski run Rosa Khutor, surface snow was also sampled. Isotopic composition measurements were performed using the Delta-V (Finnigan) mass spectrometer in the isotope-geochemical laboratory of the Faculty of Geography of Lomonosov Moscow State University. The authors of the study conclude that high values of the deuterium excess can be caused by three reasons: 1) the air mass itself, which had been above the inland areas for a long time, has changed its isotope characteristics due to re-evaporation and moisture condensation, 2) the conditions of condensation, when adiabatic cooling of the air mass leads to isotope depletion in the precipitation, more prominent for 518O than for 52H and 3) post-sedimentation processes on the snow surface. Perhaps the isotopic composition of the snow cover in Krasnaya Polyana is formed under the influence of all these three factors.
Keywords: altitude isotopic effect, fresh snow, snow cover, hydrogen isotopes, oxygen isotopes, isotopic composition, Krasnaya Polyana, Aibga Ridge, Psekharo Ridge, Western Caucasus
Введение
Изотопные отношения молекулы воды - кислорода 18О/16О и водорода 2Н/1Н являются хорошо известными гидрологическими трассерами в изучении атмосферной влаги,
источников и механизмов выпадения осадков11—Такие исследования требуют хорошего понимания процессов изотопного фракционирования, контролирующих изотопный состав атмосферных осадков, которые являются первичным балансовым компонентом поверхностных вод, подземных вод, ледниковых льдов полярных регионов и высокогорий. Эти процессы включают конденсацию атмосферного пара, испарение воды, сублимацию (возгонку) льда и вторничного испарения и конденсации (рециклинг, рециркуляция влаги) поверхностных вод.
Глобальная линия метеорных вод описывает глобальное среднее отношение между значениями б18О и б2Н атмосферных осадков, не подверженных испарению, как впервые было определено Х. Крейгом I3 как б2Н = 8 б18О +10, а затем уточнено К. Рожански с соавторами по наблюдениям на всемирной сети метеорологических станций как б2Н =
8,17 б18О + 11,27.
Основными факторами, контролирующими изотопный состав атмосферных осадков, являются температура и прогрессивное обеднение изотопными молекулами при выпадении осадков - дистилляции - Релеевское фракционирование. Эти два фактора приводят к проявлению изотопных эффектов: а) температурного, б) широтного, в) высотного, г) количественного и д) континентального, т.е. расстоянием от побережья или источника пара в океане.
В то время как изотопное фракционирование каждой отдельной воздушной системы определяется степенью дистилляции, которой подвергается воздушная масса на своем
пути, дейтериевый эксцесс ^ехс = б2Н - 8 б18О -Ш) является вторичным параметром, отра ж а ющим не ра в но в е с ное фра кцио ниро в а ние при пе рв ичном ис па ре нии в ла г и над океаном - источником пара, вторичном испарении над поверхностью суши или вторичным испарением и/или перемешивании по пути траектории воздушной массы
Исследования изотопного состава льда, отобранного из керна высокогорного ледника на Тянь-Шане I6 показали, что пространственные и временные вариации величины дейтериевого эксцесса обусловлены гидрологическими условиями на региональном уровне, сезонными изменениями в источнике влаги и рециклингом влаги в районе Каспийского/Аральского морей. Хотя локальные процессы, сопровождающие выпадение осадков, такие как рециклинг влаги и подоблачное испарение имеют выраженные изотопные эффекты на изотопный состав и величину dexc, объяснение только адвекцией влаги не может полностью охарактеризовать весь диапазон изотопных вариаций. Более того, локальное влияние испарения внутриконтинентальной влаги на изотопный состав осадков до сих пор не является четко установленным для обширных пространств аридной зоны [7].
Район Красной поляны находится на Западном Кавказе, на Главном кавказском хребте, на высоте 800 м над уровнем моря.
Климатическое многообразие Кавказа обусловлено географическим положением на гра1 нице умеренного и субтропического климатических поясов, сложностью рельефа (субши1 ротным простиранием основных орографических элементов и субмеридиональным Транс1 кавказским поднятием), близостью Чёрного и Каспийского морей, а также сухих конти1 нентальных районов Евразии. Климат Малого Кавказа в предгорьях и низкогорьях суб1 тропический - на западе влажный, на востоке сухой, в среднегорье умеренно континен! тальный с разной степенью увлажнения.
Черноморская область, куда входит район Красной Поляны, имеет средиземноморский тип субтропического климата. В районе Туапсе - Сочи граница субтропической области проводится на северном макросклоне Главного водораздельного хребта. Основанием для этого служат частые вторжения тёплых воздушных масс с юга, которые существенно смягчают термический режим на локальной территории северного макросклона и формируют зимний максимум осадков, свойственный данному типу климата. Целью настоящей работы является установление изотопных характеристики снежного покрова Красной поляны, в том числе установлению зависимости изотопного состава от высоты выпадения снега.
Район исследований
Аибга - это горный хребет, расположенный к юго-востоку от Красной поляны (43°40'43"
с. ш. 40°12'19" в.д), у подножья которого протекает река Мзымта. Максимальная высота порядка 2500 метров, главные вершины хребта - горы Аибга, Черная Пирамида, Каменный Столб.
На северных склонах хребта Аибга располагаются горнолыжные комплексы «Альпика-Сервис» (открытый в 1992 году), «Горная Карусель» (открытый в 2008 году) и комплекс «Роза Хутор».
Район характеризуются избыточным увлажнением. Количество осадков здесь увеличивается с северо-запада на юго-восток, а также по мере увеличения абсолютной высоты местности. Увлажнённость в северо-западной части Черноморской области составляет 1000 мм/год, в юго-восточных районах, на побережье и у подножия склонов, возрастает до 1500-2000 мм/год и, наконец, в горах достигает 3800 мм/год, формируя пояс избыточного снегонакопления.
В бассейне р. Мзымта, где в 47 км от побережья находится Красная Поляна, на условия увлажнения существенно влияет местная орография (рис. 1), при этом, как следует из
основное направление воздушных масс - с Черного моря на северо-восток, перпендикулярно Главному Кавказскому хребту. С севера бассейн р. Мзымта ограничен Главным Кавказским хребтом, с юга - параллельными ему хребтами Аибга и Ацетука, создающими барьерный эффект, благодаря чему осадки в бассейне р. Мзымта распределяются неравномерно. По мере подъёма в горы наблюдаются две зоны с увеличенным количеством осадков - на высоте 0-200 и 1000-2200 м и две зоны с уменьшенным - на высоте 400-1000 и выше 2200 м. В нижнюю зону попадают посёлки Красная Поляна и Эсто-Садок, нижние станции канатно-кресельной дороги «Горная Карусель», «Альпика-Сервис», «Газпром» и «Роза-Хутор». Выше отметки 1000 м количество осадков вновь увеличивается, так как заканчивается барьерное влияние горных хребтов
Среднемноголетняя толщина снега, рассчитанная для разных типов зим (мало-, средне-, многоснежные и аномально многоснежные), составляет 11, 25, 43 и 78 см соответственно. Анализ повторяемости максимальной декадной толщины снежного покрова за зиму показал, что для преобладающего числа зим максимум снегонакопления приходится на январь-февраль
Рис. 1. Орографическая схема района Красной Поляны и направления основных влагонесущих потоков. Из А.Д. Алейникова1 - горные хребты; 2 - влагонесущие потоки; 3 - метеостанции; 4 - горные вершины, м; 5 - изогипса 1000 м; 6 - населённые
пункты; 7 - пос. ЭстоСадок
Материалы и методы
В 2017 г. на склоне хребта Аибга был отобран свежевыпавшим - мощный снегопад начался 29-го и продолжался ночью на 30 января (рис. 2, 3), отбор вдоль трассы «Карусель» был выполнен 30 января. Отбирался поверхностный снег (глубина 0-10 см) на залесенных участках ненарушенного снежного покрова сбоку от трассы. Вдоль трассы Роза Хутор (на северо-восточном склоне и на южном склоне) отбор поверхностного снега также был выполнен на участках ненарушенного снежного покрова 3 и 4 февраля 2017 г. Всего было отобрано 58 образца снега.
Рис. 2. Склон хребта Аибга, на котором выполнялся отбор образцов снега вдоль трасс Карусель и Роза Хутор
Рис. 3. Характер снежного покрова в привершинной части трассы Альпика-Сервис
В 2010 г. снежный покров был опробован на хребтах Аибга (вдоль трасс Карусель и Альпика-Сервис) и на привершинной части хребта Псехако (рис. 4), отбор был выполнен на разных глубинах снежного покрова, всего было отобрано 29 образцов снега. На хр. Псехако было отобрано 10 проб снега, из них 5 в привершинной части на склоне северной экспозиции (абсолютные высоты 1500-1560 м.), 3 на склоне южной экспозиции на абсолютных высотах 1420-1460 м и 2 пробы - на склоне северной экспозиции на высоте 1270-1330 м. На северных склонах хребта Аибга располагаются горнолыжные комплексы «Альпика-Сервис» (открытый в 1992 году), «Горная Карусель» (открытый в 2008 году) и комплекс «Роза Хутор». На хр. Аибга было отобрано 13 проб снега. Пробы снега отбирались от гребня хребта (высота 2238 м.) вдоль канатных дорог комплексов «Горная Карусель» (5 проб) и «Альпика-Сервис» (5 проб), а также были отобраны пробы снега в районе бобслейной трассы близ комплекса «Роза Хутор» (3 пробы). Образцы
отбирались в полиэтиленовые пакеты, растапливались при комнатной температуре, переливались в стерильные пластиковые флаконы и до момента анализа хранились в холодильной камере. Анализ образцов был выполнен через 10-12 дней после отбора в изотопной лаборатории географического ф-та МГУ.
Рис. 4. Склон «Альпика-сервис», вдоль трассы которого был выполнен отбор образцов 2010 г. Фото FunSochi.ru 17 января 2010
Измерения изотопного состава выполнены в постоянном потоке гелия на масс-спектрометре Delta-V (Finnigan). При измерении изотопного состава кислорода уравновешивание образцов с СО2 происходило при t = 24 °С в течение 24 часов. При
измерении изотопного состава водорода уравновешивание пробы с Н2 происходило в присутствии платинового катализатора в течение 40 мин. Для калибровки измерений использовались международные стандарты V-SMOW, GISP и SLAP. Изотопный состав кислорода и водорода выражен в величинах б (%о) относительно стандарта среднеокенической воды (SMOW):
б2Н = [([2Н/1Н]стандарта - [2Н/1Н]стандарта)/[2Н/1Н]стандарта] x 1000%;
б18О = [([180/160]стандарта - [180/160]стандарта)/[180/160]стандарта] х 1000%.
Точность определения б18О составила 0,1% и 1% при определении б2Н.
Результаты
Снег в январе 2017 г. Распределение значений б2Н и б18О в поверхностном свежевыпавшем снеге вдоль трассы Карусель (рис. 5, а и 5, б) демонстрирует наличие высотного изотопного эффекта вплоть до высоты 2130 м за исключением 1 точки -образца с высоты 1975. Три верхних образца с высот от 2180 до 2450 м также имеют
относительно высокие значения б2Н и б18О, что формирует «обратный» высотный эффект. Скорее всего, эти фигуративные точки на рис. 5, а и 5, б (обведены прерывистой линией), представляющие эти 4 образца на диаграмме, обязаны своему утяжеленному изотопному составу ветровому переотложению или в моменте выпадения или сразу после отложения снега.
Таблица 1. Изотопные характеристики снежного покрова в Красной Поляне в 2017 г.
Высота, м б18О, % б2Н, % dexo %
Кяп\/гепь 30 01 20 1 7
965 -24,23 -167,6 26,24
1020 -21,65 -140,6 26
1075 -25,27 -179 23,16
1170 -23,68 -163,8 25,64
1240 -20,94 -141,6 25,92
1310 -22,23 -153,4 24,44
1375 -21,01 -146,5 21,58
1435 -24,12 -166,2 26,76
1485 -25,12 -174,8 26,16
1550 -26,21 -183,8 25,88
1595 -24,08 -165,9 26,74
1660 -25,56 -179,7 24,78
1710 -22,27 -152,7 25,46
1750 -25,99 -182,8 25,12
1810 -25,8 -178,3 28,1
1875 -25,29 -170,3 32,02
1975 -19,03 -127,5 24,74
2050 -27,61 -197,3 23,58
2090 -25,85 -184,9 21,9
2125 -27,12 -189,4 27,56
2130 -26,86 -186,9 28,0
2180 -20,73 -140,3 25,54
2310 -16,32 -102,2 28,36
2350 -18,62 -120,9 28,06
2450 -17 -116,4 19,6
Роза Хутор, СВ склон. 4.02.2017
1160 -21,15 -136,1 33,1
1261 -19,34 -130,8 23,92
1357 -16,23 -101,9 27,9
1464 -16,57 -96,3 36,3
1558 -18,95 -117,6 34
1659 -19,77 -119,7 38,5
1760 -19,33 -118,6 36,04
1853 -18,18 -109,9 35,5
1954 -18,39 -121,4 25,72
2158 -19,32 -112,3 42,3
2250 -15,9 -102,9 24,3
Роза Хутор, южный склон. 3.02.2017
1064 -16,6 -96,7 36,1
1564 -16,82 -99,4 35,2
1659 -16,09 -95,6 33,12
1761 -21,66 -149,6 23,68
1861 -21,00 -143,7 24,3
2061 -20,8 -149,3 17,1
2164 -18,61 -125,6 23,28
2264 -15,59 -104,0 20,72
шурф газпром В 1
Выс о та с л о е в , о т дна (0 см) до пов е рхности (140 см) б18О, %о б2Н, %о ^хо %
0-10 -13,1 -76,1 28,7
10-20 -15,21 -94,9 26,78
20-30 -17,78 -127,0 15,24
30-40 -18,21 -134,3 11,38
40-50 -17,68 -126,3 15,14
50-60 -19,0 -128,4 23,6
60-70 -20,33 -143,0 19,64
70-80 -19,11 -127,7 25,18
80-90 -14,49 -97,0 18,92
90-100 -15,35 -94,2 28,6
100-110 -14,02 -94,9 17,26
110-120 -16,81 -113,0 21,48
120-130 -14,42 -92,5 22,86
130-140 -24,60 -168,5 28,3
Рис. 5. Распределение значений б18О (а), б2Н (б) и dexc (в) в поверхностном снеге на хребте Аибга в 2017 г. в зависимости от абсолютной высоты и отсутствие связи значений б18О с высотой в поверхностном снеге вдоль трассы Роза Хутор (г). стрелками показан общий тренд облегчения изотопного состава с высотой, пунктирной линией обведены значения, выбивающиеся из этого тренда
В диапазоне высот 965-2130 м высотный градиент для б18О составил -0,27%о/100 м, и -
2,36%о/100 м для б2Н. В этом же диапазоне высот величина дейтериевого эксцесса слабо растет, при этом увеличивается диапазон вариаций от 2 %о в нижней части склона до 8% на высотах 1810-2050 м.
На северо-восточном и южном склоне вдоль трасс Роза Хутор значения б2Н и б18О в поверхностном свежевыпавшем снеге распределены хаотично, без проявления
изотопного высотного эффекта. Соотношение б18О-б2Н для снега вдоль трассы «Карусель» описывается уравнением б2Н = 7,86 б18О + 22,48 (Я2=0,99) (рис. 6), а все полученные данные по снегу 2017 г. (и вдоль трассы «Карусель» и вдоль трассы Роза Хутор) описываются уравнением б2Н = 8,4 б18О + 36,13 (Я2=0,99), при этом, как следует
и з
181
основное направление воздушных масс - с Черного моря на северо-восток,
перпендикулярно Главному Кавказскому хребту. Величины dgxc в снеге с Роза Хутор заметно выше, достигая 30-40% (min = 17,1%, max = 42,3%, среднее = 30,1%).
Отбор снега вдоль трассы Роза Хутор был выполнен 3 и 4 февраля 2010 г., поверхностный снег, как можно предположить, в течение 4 суток претерпел изотопную трансформацию.
Восстановленные обратные траектории движения воздушных масс, построенные по
полулагранжевой модели HYSPLIT[9, 101, для конечной точки 43.33° с.ш. и 40.20° в.д. и высот 1000, 2000 и 3000 м на 11 часов 30.12.2017, показали, что воздушные массы, принесшие осадки на склоне Аибга 29 и 30 января 2017 г. имели внутриконтинентальное происхождение (рис. 7).
Рис. 6. Соотношение б18О-б2Н для снежных образцов 2017 г.: 1 - на склоне вдоль трассы Карусель, 2 - на склоне вдоль трассы Роза Хутор С-В склон, 3 - вдоль трассы Роза Хутор южный склон.
Рис. 7. Основные обратные траектории движения воздушных масс на высотах 1000, 2000 и 3000 м, принесших осадки на хребет Аибга в ночь с 29 на 30 января 2017 г. Построены по модели HYSPLIT с использованием Google Earth.
Эти траектории построены (рис. 8) на 120 ч назад, т.е. 5 суток до момента прихода на склон, увеличение длительности траектории до 240 ч назад (10 суток) показало, что источником воздушных масс было арктическое побережье в районе п-ова Таймыр. Метеорологическая информация, предоставляемая сервером NOAA, сопутствующая пути движения траектории, свидетельствует о незначительной конденсации осадков - 1 или 2 случая (в зависимости от времени, на которое построена траектория) выпадения осадков с интенсивностью от 1 до 2 мм/час и максимальной продолжительностью 3-4 часа за 5 суток нахождения над внутриконтинентальными районами от Москвы до Кавказа (см. рис. 8).
Рис. 8. Обратные траектории воздушных масс, построенные по модели HYSPLITдля конечной точки - координат Красной поляны на на 19 ч. (а) и 23 ч. (б) 29 января 2017 г. и 00 ч. (в), 06 ч. (г) и 12 ч. (д) 30 января 2017 г., а также все траектории воздушных масс, построенные с шагом в 3 часа, достигавшие Красной поляны с 26 по 30 января 2017 г. на высоте 2000 м.
Анализ восстановленных обратных траекторий (см. рис. 8) является лишь аппроксимацией генерального происхождения воздушных масс и таким образом предоставляет только свидетельство пути транспорта воздушных масс. Локальные источники влаги могут включаться в воздушную массу, что никак не отражается на обратных траекториях.
На ненарушенном участке снежного покрова вдоль трассы «Газпром» был выполнен шурф, значения б18О снежных горизонтов которого изменяются от -13,1 до -24,6%, б2Н от -76,1 до -168,5% и дейтериевого эксцесса от 11,38 до 28,7% (рис. 9).
Г 160
- 140
- 120 ■ 100 § - во ¡Ё -60 §
"40 I 20 т
о
о
Рис. 9. Значения б18О в разрезе снежной толщи вблизи трассы Газпром в 2017 г.
Снег в январе 2010 г. В снежном покрове января 2010 г. значения б18О и б2Н заметно выше, по сравнению с 2017 г., а величины дейтериевого эксцесса довольно близки к таковым в 2017 г., варьируя от 10,7 до 26,5% (табл. 2). В поверхностном снеге на хребтах Аибга и Псехако значения б18О изменяются от -17,2% на высоте 562 м до -9,2% на высоте 1477 м (см. табл. 2), в общем диапазоне высот выражен скорее «обратный» высотный изотопный эффект (рис. 10) с градиентом изменения значений
б18О 0,22%/100 м.
Таблица 2. Изотопные характеристики снежного покрова в Красной Поляне в 2010 г.
№ образца Абс. выс., м Глубина, м б18О, % б2Н, % ^ехс, %
S-01 562 Заповедник, те рра с а р.Лауры 0 -17,2 -118,4 19,2
S-02 573 Склон 0 -15,4 -105 18,2
привершинная часть хребта Псехако
S-03 1420 Биатлонная трасса 0 -9,7 -59,5 18,1
S-03 1420 Биатлонная трасса 1,3 -15,9 -114,8 12,4
S-04 1456 Лыжный стадион 1,2 -15,7 -110,3 15,3
S-04 с 1456 Лыжный стадион 0 -9,2 -56,4 17,2
S-05 1562 Лыжная трасса 0 -9,6 -58,5 18,3
S-05 1562 Лыжная трасса 1,3 -17,1 -126,1 10,7
S-06 1514 Лыжная трасса 0 -9,6 -52,1 24,7
S-07 1477 С тр о я щ и й с я 0 -9.2 -56,7 16,9
подъемник
Склон северной экспозиции хребта Аибга
S-08 2236 Вершина склона "Альпика-сервис" 1,4 -16 -109,6 18,4
S-09 1416 "Альпика-сервис" 1,3 -15,7 -112 13,6
S-10 1227 1,3 -15,6 -106,4 18,4
S-11 1133 0,4 -17,1 -125 11,8
S-12 878 0,15 -15,9 -108,1 19,1
S-13 685 О с та не ц, р.Пслух 0 -18,4 -133,9 13,3
S-14 681 Терраса р.Мзымты 0 -17,8 -131,7 10,7
S-18 2169 Вершина склона, 2169 м, "Горная карусель" 1,1 -13,3 -93 13,4
S-19 1463 1,4 -15,2 -98,3 23,3
S-21 1126 0,2 -14,2 -96,2 17,4
S-22 1041 0,15 -14,8 -99,3 19,1
привершинная часть хребта Псехако
S-23 1473 Лыжный стадион (юг) 0,65 -14,8 -102,2 16,2
S-24 1464 Лыжный стадион (восток) 0,6 -15,5 -105,4 18,6
S-25 1505 Лыжная трасса 0,6 -15,3 -97,2 25,2
S-26 1331 Низ трассы В-4 0,5 -15,2 -95,1 26,5
S-27 1274 Низ трассы D 0,35 -14,5 -89,8 26,2
Средняя часть склона хребта Аибга
S-29 1017 Бобслейная трасса 0 -10,6 -59,5 25,3
S-30 1123 0 -16,4 -113,8 17,4
S-31 1101 0 -16,9 -112 23,2
Разброс величины dexc в снеге 2010 г. скорее всего связан с тем, что на разных глубинах отбора были отобраны образцы, характеризующие осадки разных периодов, а значит, возможно, разных источников воздушных масс. Отличия двух сезонов (2010 и 2017 гг.) могут носить не глобальный характер, а определяться локальными условиями в момент отложения снега на склоне.
1800 ■ 1600 ■ 1100 1200
1
■ 1000 л
■ 600 | ■ 600 ш
■ 400
■ 200
I-1-1-1-1- О
-25 -20 -15 -10 -5 О
Рис. 10. Значения б18О в поверхностном (скорее всего, разновозрастном) снеге, отобранном на разных высотах в 2010 г.
Соотношение б18О-б2Н для снега 2010 г. описывается уравнением б2Н = 8,43 б18О + 24,298, 1*2=0,99 (рис. 11), что численно близко к соотношению для всех образцов снега
2017 г. Это трансформации
возможно также указывает на протекание процессов изотопной снега, тем более, если учесть, что в 2010 г. отбирался не
свежевыпавший снег.
Рис. 11. Соотношение б18О-б2Н для снежных образцов 2010 г.: 1 - образцы поверхностного (скорее всего разновозрастного) снега, 2 - образцы снега с глубины отб о ра о т 0,15 до 1,4 м.
Дискуссия
Одним из первых исследований высотного изотопного эффекта была работа Х.Мозера и В.Штихлера которые наблюдали высотный изотопный эффект в свежем снеге в Альпах. Чуть позже Йе.Неводничанский и др.112 установили величину высотного
градиента для б180 между -0.6 и -1.0 % на 100 м. М.Поаж и К.Чемберлен по результатам большого обобщения изотопных данных по разным районам мира сообщают о величине высотного изотопного эффекта в осадках в высокогорье ниже 5000 м в -0,28%/100 м на глобальном уровне ^^^
Тем не менее, имеется большой объем изотопных данных с большим диапазоном значений, в том числе с обратным высотным градиентом и, таким образом, не все случаи выпадения снега в горах связаны с линейным высотным распределением.
Йе.Неводничанский и др. объяснили эти вариации условиями во время снегопада и после отложения снега, такими как ветровое переотложение и фракционирование при таянии, а также орографическими и климатическими особенностями конкретных районов. Т.Моран и др. I"14! определяют высотные изотопные градиенты для свежего снега в
канадских Скалистых горах для б180 в пределах от -0,3 до + 1,8 % на 100 м, в зависимости от снегопада и условий конденсации.
В свежевыпавшем январском снеге 2001 г. на леднике Гарабаши на южном склоне Эльбруса (Центральный Кавказ) и прилегающем склоне нами был зафиксирован
выраженный высотный изотопный эффект. При этом градиенты изменения значений б180 и б2Н с высотой неодинаковы на разных высотных уровнях. В интервале высот 31003400 м они явно больше, составляя -2,4 %/100 м по б180 и -20 % по б2Н по сравнению с -0,6 %/100 м по б180 и -6 % по б2Н на высотах 3400-3900 м
На леднике № 1 Баишуи, в южном Тибете, проявление "нормального" высотного изотопного эффекта было отмечено в поверхностном слое зимнего свежевыпавшего
снега (изменение значений б180 с высотой составило -0,22 % /100 м), при этом в лежалом снежном покрове в летний сезон Х.Пан отметил "обратный" высотный изотопный
эффект с увеличением значений б180 на 1,37 %о/100 м
Полученные нами величины градиента облегчения изотопного состава свежевыпавшего снега на Красной Поляне в 2017 г. находятся в хорошем согласии с глобальным
отношением 5180/высота (52Н/высота) и численно совпадают с установленными I"13!. "Обратный" высотный изотопный эффект в снеге 2010 г. может быть связан либо с ветровым переотложением снега, либо с неравномерным накоплением, либо с процессами изотопной трансформации снежного покрова. К этим процессам обычно относятся либо испарение снега (сублимация), либо наоборот, конденсация на поверхности снежных кристаллов водяного пара - обратная сублимация. Предполагать испарение (сублимацию) поверхностного снега нет оснований, т.к. для образцов снега характерны высокие значения dexc. При испарении изотопные характеристики (518О и
52Н) испаряющегося снега смещаются в область более высоких значений, но вниз от линии метеорных вод, что выражается в отрицательных значениях дейтериевого эксцесса. Это было показано в экспериментальной работе по испарению московского снега При обратной сублимации (переходе воды из газообразного в твердое
состояние) поток молекул направлен из атмосферы ко льду, ледяные кристаллы обогащается тяжелыми молекулами, а оставшийся водяной пар — легкими, но кинетические процессы способствуют переносу и изотопно легких молекул ко льду, т.е.
ослабляют фракционирование ПШ. Тем не менее, нельзя исключать обратную сублимацию из постседиментационных процессов, приводящих к изотопной трансформации снега. Увеличение значений dexc в образцах поверхностного снега,
отобранных вдоль трассы Роза Хутор (С-В и южного склонов) через 3 и 4 дня после снегопада по сравнению с образцами вдоль трассы «Карусель», отобранными на следующий день поле снегопада, может говорить как о протекании постседиментационных процессов, так и о недоучтенных осадках. В течение этих 3-4 дней могло выпасть крайне незначительное количество осадков, добавление которых на снежный покров привело к отличиям в изотопном составе снежного покрова на соседних склонах.
Полученные авторами данные о распределении величины dexc в снеге Красной поляны
2017 г. со слабо выраженным трендом к увеличению значений с высотой (см. рис. 5, в, кроме 4 верхних образцов) могут свидетельствовать о конденсации в условиях адиабатического охлаждения воздушной массы при подъеме ее по склону. При адиабатическом охлаждении поднимающейся вверх по склону воздушной массы в
выпадающих осадках наблюдается линейная связь между значениями 5180 и температурой. Было показано I19!, что процесс адиабатического охлаждения приводит к уменьшению значений 5180 в осадках на высокогорной станции Гаошан и одновременному с этим увеличению значений dexc. Для осадков, выпавших в твердом виде при температурах ниже 0°С, характерны значения dexc выше 10 и положение
значимых точек на диаграмме 518О-52Н выше линии метеорных вод. Эти значения представляют зимние осадки, выпадавшие при низких температурах и низкой относительной влажности воздуха. Такую же картину одновременного обеднения
изотопного состава (уменьшение значений б18О и б2Н) и роста значений Сехс
Ю.Н.Чижова и Ю .К.Васильчук наблюдали в свежеотложенном снеге на трансекте Коноша - Полярный Урал, когда изотопные характеристики выпадающих осадков из одной воздушной массы при продвижении ее на северо-восток обнаруживали линейную связь с падением температуры воздуха
Однако, тренд увеличения значений Сехс с высотой в снеге Красной поляны выражен
крайне слабо, а значит, высокие значения 2017 г. могут быть проинтерпретированы как изотопная метка воздушной массы, долгое время находившейся над континентом и пришедшей к склону значительно изотопно обедненной.
Используя простую одномерную изотопную модель и данные по Антарктическому снегу, П.Сиас с Ж.Жузелем показали высокую чувствительность параметра Сехс к условиям
насыщения воздуха, предшествовавшим формированию снежных осадков Высокие модельные значения д связаны с низкой температурой формирования снега и значения Сехс меняются примерно на 10% при разном составе фаз конденсата (например, 0, 50 и 100 % жидкой фазы).
В аридных районах, например, восточное Средиземноморье, высокие значения Сехс в зимний сезон вызваны модификацией континентальных воздушных масс при проходе их над относительно теплыми водами Низкая влажность воздуха в зимних
континентальных воздушных массах приводит к быстрому испарению и таким образом, к высоким величинам Сехс в последующих осадках. Высокие значения дейтериевого эксцесса в ледниковом керне ледника Иныльчек в Тянь-Шане имеют выраженную
принадлежность к зимним сезонам Дальний перенос северо-атлантических
воздушных масс над Евразией к районам центральной Азии (к Тянь-Шаню) в течение зимы приводит к взаимодействию с Черным, Каспийским и Аральским морями и условия на границе воздух/море благоприятны для быстрого испарения и формирования высоких значений Сехс водяного пара.
Если предполагать, что ответственным механизмом формирования высоких значений Сехс в снеге Красной Поляны является рециклинг влаги, то согласно выводам К.Фрёлиха
коэффициент рециклинга влаги Я = А Сехс/100 (АСехс в %). Среднее значение Сехс
по снегу вдоль трассы Карусель составляет 25%, следовательно, увеличение Сехс на 13
% относительно средних величина Сехс осадков в северном полушарии в зимний период
( = 12%[23]) указывает на 13% континентальной влаги. Наибольшее затруднение в интерпретации полученных изотопных параметров связано с большой вариативностью значений Сехс в снеге одного снегопада (см. табл. 1). К тому же, полученные средние значения Сехс = 30% (от 17,1 до 42,3%) вдоль трассы Роза Хутор через 4 дня после
снегопада должны в таком случае указывать, что процент влаги за счет рециклинга влаги составляет от 5 до 30%. Нам это представляется маловероятным. Возможно, в формировании изотопных характеристик снежного покрова Красной поляны играют роль сразу несколько механизмов, не исключающие друг друга (и смена воздушных масс, и недоучтенное количество осадков, и рециклинг влаги, и неравномерное отложение снега на склоне, и ветровое перемешивание, и постседиментационные процессы).
Выводы
В поверхностном снеге на хребтах Аибга и Псехако в 2010 г. значения б18О изменяются
от -17,2%о на высоте 562 м до -9,2%о на высоте 1477 м, значения б2Н от -118,4 до -98,3%о соответственно. В общем диапазоне высот выражен «обратный» высотный
изотопный эффект с градиентом изменения значений б18О 0,22%о/100 м (б2Н = 2,23%о/100 м).
В свежеотложенном снеге 2017 г. на хребтах Аибга вдоль трассы «Карусель» значения
б18О составили от -16,32 до -27,6% (среднее = -23,3%), б2Н от -102,2 до -197,3% (среднее = -160,7%), dexc от 19,6 до 32 (среднее = 25,6%). В диапазоне высот 9652130 м высотный градиент для б18О составил -0,27%/100м, и -2,36%/100 м для 62H. В этом же диапазоне высот величина дейтериевого эксцесса слабо растет, при этом увеличивается диапазон вариаций от 2 % в нижней части склона до 8% на высотах 1810-2050 м. Снег этого же снегопада, отобранный через 3 и 4 дня после выпадения, на соседних склонах (вдоль трассы Роза Хутор, северо-восточный и южный склон) имел
более высокие значения б18О и б2Н (от -15 д о -21 и от -95,6 до -149,6%, соответственно), а среднее значение dexc составило 30% (от 17,1 до 42,3%). Высокие значения дейтериевого эксцесса могут быть связаны с тремя причинами: 1) сама воздушная масса, которая долгое время находилась над внутриконтинентальными районами, изменила свои изотопные характеристики из-за рециклинга влаги, 2) условиями конденсации, когда адиабатическое охлаждение воздушной массы приводит к выраженному изотопному исчерпанию в выпадающих осадках, больше выраженному для
б18О, чем для б2Н и 3) постседиментационными процессами, происходящими на поверхности снежного покрова. Возможно, изотопный состав снежного покрова в Красной поляне сформирован под влиянием всех этих трех факторов. Наибольшее затруднение в интерпретации полученных изотопных параметров связано с выявленной большой вариативностью значений dexc в снеге одного периода и одного горного
склона.
Библиография
1. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation // Tellus, 1964, vol. 16, no 4, p. 436468.
2. Araguas-Araguas L., Froehlich K., Rozanski K. Deuterium and oxygen-18 isotope composition of precipitation and atmospheric moisture // Hydrological Processes, 2000, vol. 14(8), p. 1341-1355.
3. Craig H. Standards for reporting concentrations of deuterium and oxygen-18 in natural waters // Science, 1961, no. 133, p. 1833-1834.
4. Rozanski K., Araguas-Araguas L., Gonfiantini R. Isotopic patterns in modern global precipitation // Climate Change in Continental Isotopic Records, Geophysical Monograph 78. American Geophysical Union. 1993, p. 1-36.
5. Merlivat L, Jouzel J. Global climatic interpretation of the deuterium - oxygen-18 relationship for precipitation // Journal of Geophysical Research, 1979, vol. 84, p. 5029-5033.
6. Kreutz K. J., Wake C. P., Aizen V. B., Cecil L. DeWayne, Synal H.-A. Seasonal Deuterium Excess in a Tien Shan Ice Core: Influence of Moisture Transport and Recycling in Central Asia // Geophysical Research Letters, 2003, vol. 30, iss. 18, p. 1922
7. Pang Z H, Kong Y L, Froehlich K et al. Processes affecting isotopes in precipitation of an arid region // Tellus B, 2011, vol. 63, p. 352-359. doi: 10.1111/j.1600-0889.2011.00532.x
8. Олейников А.Д. Снежные ресурсы района Красной Поляны (Западный Кавказ) // Лёд и Снег, 2013, № 4 (124), с. 83-94.
9. Draxler, R.R., Rolph, G.D., HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model access via NOAA ARL READY Website
(http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2011.
10. Rolph, G.D. Real-time Environmental Applications and Display sYstem (READY) Website (http://ready.arl.noaa.gov). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2011.
11. Moser H., Stichler W. Deuterium measurements on snow samples from the Alps // Isotope Hydrology, 1970, IAEA Symposium 129, March, 1970, p. 43-57.
12. Niewodniczanski J., Grabczak J., Baranski L., Rzepka J. The altitude effect on the isotopic composition of snow in high mountains // Journal of Glaciology, 1981, vol. 27, p. 99-111.
13. Poage M.A., Chamberlain C.P. Empirical relationships between elevation and the stable isotope composition of precipitation and surface waters: considerations for studies of paleoelevation change // American Journal of Science, 2001, vol. 301, no. 1, p. 1-15.
14. Moran T.A., Marshall S.J., Evans E.C., Sinclair K.E. Altitudinal Gradients of Stable Isotopes in Lee-Slope Precipitation in the Canadian Rocky Mountains // Arctic, Antarctic and Alpine Research, 2007, vol. 39, no 3, p. 455-467.
15. Васильчук Ю.К., Чижова Ю.Н., Папеш В., Буданцева Н.А. Высотный изотопный эффект в снеге на леднике Гарабаши в Приэльбрусье // Криосфера Земли, 2005, том 9, № 4, с. 72-81.
16. Pang H.X., He Y.Q., Lu A.G., Zhao J.D., Ning B.Y., Yuan L.L., Song B., Zhang N.N. Comparisons of stable isotopic fractionation in winter and summer at Baishui Glacier No. 1, Mt. Yulong // Acta Geogr Sin., 2006, vol. 61(5), p. 501-509.
17. Sokratov S.A., Golubev V.N. Snow isotopic content change by sublimation // Journal of Glaciology, 2009, vol. 55, no. 193, p. 823-828.
18. Екайкин А.А. Стабильные изотопы воды в гляциологии и палеогеографии. Методическое пособие. С.-Пб.: 2016. 68 с.
19. Pang Z., Kong Y., Froehlich K., Huang T., Yuan L., Li Z., Wang F. Processes affecting isotopes in precipitation of an arid region // Tellus, 2011, vol. 63, iss. 3, p. 352-359. DOI: 10.1111/j.1600-0889.2011.00532.x.
20. Васильчук Ю.К, Чижова Ю.Н., Папеш В. Тренд изотопного состава отдельного зимнего снегопада на северо-востоке Европы // Криосфера Земли, 2005,том. 9, № 3, с. 81-87.
21. Ciais P., Jouzel J. Deuterium and oxygen 18 in precipitation: Isotopic model, including mixed cloud processes // Journal of Geophysical Research, 1994, vol.99, iss. D8, p. 16793-16803.
22. Gat J.R., Carmi I. Evolution of the isotopic composition of atmospheric waters in the Mediterranean Sea Area // Journal of Geophysical Research, 1970, vol. 75, p. 30393048.
23. Froehlich K., Gibson J.J., Aggarwal P. Deuterium excess in precipitation and its climatological significance // Study of Environmental Change using Isotope Techniques. Proceedings, Vienna, International Atomic Energy Agency (IAEA), 2001, p. 54-66.
References (transliterated)
1. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation // Tellus, 1964, vol. 16, no 4, p. 436-
468.
2. Araguas-Araguas L., Froehlich K., Rozanski K. Deuterium and oxygen-18 isotope composition of precipitation and atmospheric moisture // Hydrological Processes, 2000, vol. 14(8), p. 1341-1355.
3. Craig H. Standards for reporting concentrations of deuterium and oxygen-18 in natural waters // Science, 1961, no. 133, p. 1833-1834.
4. Rozanski K., Araguas-Araguas L., Gonfiantini R. Isotopic patterns in modern global precipitation // Climate Change in Continental Isotopic Records, Geophysical Monograph 78. American Geophysical Union. 1993, p. 1-36.
5. Merlivat L, Jouzel J. Global climatic interpretation of the deuterium - oxygen-18 relationship for precipitation // Journal of Geophysical Research, 1979, vol. 84, p. 5029-5033.
6. Kreutz K. J., Wake C. P., Aizen V. B., Cecil L. DeWayne, Synal H.-A. Seasonal Deuterium Excess in a Tien Shan Ice Core: Influence of Moisture Transport and Recycling in Central Asia // Geophysical Research Letters, 2003, vol. 30, iss. 18, p. 1922
7. Pang Z H, Kong Y L, Froehlich K et al. Processes affecting isotopes in precipitation of an arid region // Tellus B, 2011, vol. 63, p. 352-359. doi: 10.1111/j.1600-0889.2011.00532.x
8. Oleinikov A.D. Snezhnye resursy raiona Krasnoi Polyany (Zapadnyi Kavkaz) // Led i Sneg, 2013, № 4 (124), c. 83-94.
9. Draxler, R.R., Rolph, G.D., HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model access via NOAA ARL READY Website
(http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2011.
10. Rolph, G.D. Real-time Environmental Applications and Display sYstem (READY) Website (http://ready.arl.noaa.gov). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2011.
11. Moser H., Stichler W. Deuterium measurements on snow samples from the Alps // Isotope Hydrology, 1970, IAEA Symposium 129, March, 1970, p. 43-57.
12. Niewodniczanski J., Grabczak J., Baranski L., Rzepka J. The altitude effect on the isotopic composition of snow in high mountains // Journal of Glaciology, 1981, vol. 27, p. 99-111.
13. Poage M.A., Chamberlain C.P. Empirical relationships between elevation and the stable isotope composition of precipitation and surface waters: considerations for studies of paleoelevation change // American Journal of Science, 2001, vol. 301, no. 1, p. 1-15.
14. Moran T.A., Marshall S.J., Evans E.C., Sinclair K.E. Altitudinal Gradients of Stable Isotopes in Lee-Slope Precipitation in the Canadian Rocky Mountains // Arctic, Antarctic and Alpine Research, 2007, vol. 39, no 3, p. 455-467.
15. Vasil'chuk Yu.K., Chizhova Yu.N., Papesh V., Budantseva N.A. Vysotnyi izotopnyi effekt v snege na lednike Garabashi v Priel'brus'e // Kriosfera Zemli, 2005, tom 9, № 4, s. 72-81.
16. Pang H.X., He Y.Q., Lu A.G., Zhao J.D., Ning B.Y., Yuan L.L., Song B., Zhang N.N. Comparisons of stable isotopic fractionation in winter and summer at Baishui Glacier No. 1, Mt. Yulong // Acta Geogr Sin., 2006, vol. 61(5), p. 501-509.
17. Sokratov S.A., Golubev V.N. Snow isotopic content change by sublimation // Journal of Glaciology, 2009, vol. 55, no. 193, p. 823-828.
18. Ekaikin A.A. Stabil'nye izotopy vody v glyatsiologii i paleogeografii. Metodicheskoe
posobie. S.-Pb.: 2016. 68 s.
19. Pang Z., Kong Y., Froehlich K., Huang T., Yuan L., Li Z., Wang F. Processes affecting isotopes in precipitation of an arid region // Tellus, 2011, vol. 63, iss. 3, p. 352-359. DOI: 10.1111/j.1600-0889.2011.00532.x.
20. Vasil'chuk Yu.K, Chizhova Yu.N., Papesh V. Trend izotopnogo sostava otdel'nogo zimnego snegopada na severo-vostoke Evropy // Kriosfera Zemli, 2005, tom. 9, № 3, s. 81-87.
21. Ciais P., Jouzel J. Deuterium and oxygen 18 in precipitation: Isotopic model, including mixed cloud processes // Journal of Geophysical Research, 1994, vol.99, iss. D8, p. 16793-16803.
22. Gat J.R., Carmi I. Evolution of the isotopic composition of atmospheric waters in the Mediterranean Sea Area // Journal of Geophysical Research, 1970, vol. 75, p. 30393048.
23. Froehlich K., Gibson J.J., Aggarwal P. Deuterium excess in precipitation and its climatological significance // Study of Environmental Change using Isotope Techniques. Proceedings, Vienna, International Atomic Energy Agency (IAEA), 2001, p. 54-66.
