СНЕГ КАК ИНДИКАТОР ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Н

А У К И

О ЗЕМЛЕ

О.А. Акимова

СНЕГ КАК ИНДИКАТОР ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В данной статье рассматривается проблема загрязнения окружающей среды. В статье освещено применение снегового покрова как индикатора загрязнения. Исследование показало, что снежный покров является природным накопителем. Отбор проб снега приводит к росту эффективности контроля загрязнения атмосферы, воздуха и почвы.

Ключевые слова: снег, атмосферные осадки, загрязнение, индикатор, тяжелые металлы, городская среда.

Современная цивилизация осуществляет невиданное давление на природу. В своём «триумфальном» шествии люди часто оставляют после себя покрытые солончаками, затопленные болотами, изрытые карьерами, непригодные для жилья и хозяйствования территории.

Масштабы воздействия человека на природу постоянно увеличиваются. Взаимоотношения между человеком и природой имеют самые различные последствия. Многие из них существенно влияют на здоровье человека и затраты в его хозяйстве.

С развитием промышленности всё больше возрастает загрязнение окружающей среды отходами производств. Результат бурного развития автомобильного транспорта - повышенные концентрации свинца в воздухе и почве. В крупных городах люди вдыхают за день от 16 до 60 мг свинца, причём примерно третья часть его адсорбируется в организме. Кроме того, каждый автомобиль за год даёт 10 кг резиновой пыли, а за 1000 км пробега потребляет столько кислорода, сколько его водитель за целый год.

Также для атмосферы над городскими центрами характерны значительно более высокие концентрации загрязняющие вещества, такие как оксид углерода, оксиды серы и азота, углеводороды, окислители и твердые частицы. Подобные инородные тела попадают в воздух в результате промышленных процессов (например, химические выбросы нефтеперерабатывающих заводов), топливо сжигание (для эксплуатации автомобилей и отопления офисов и заводов) и сжигание твердых отходов. Концентрации загрязнения в городах зависят от величины местных источников выбросов и преобладающей метеорологической вентиляции в районе, т. Е. Высоты атмосферного слоя, через который смешиваются загрязнители, и средней скорости ветра в этом слое. Высокие концентрации загрязнителей воздуха оказывают значительное влияние на температуру, видимость и осадки в городах и вокруг них. Кроме того, иногда возникают погодные условия, которые позволяют накапливать загрязняющие вещества над городской территорией в течение нескольких дней.

Снег играет перераспределительную функцию над влагой между атмосферой и землей, вместе с этим перенося большое количество 8 диспергированного материала, преимущественно над территориями города, вблизи от них и рядом с крупными промышленными предприятиями. Также снег может содержать различные токсичные вещества, которые загрязняют окружающую среду. Увеличение количества работ, связанных с загрязнением снегового покрова начало прогрессировать с середины 1970-ых годов [8]. Снеговой покров выбран в качестве естественного индикатора - коллектора антропогенных загрязнений.

© Акимова О.А., 2021.

Научный руководитель: Еськова Майя Дмитриевна - доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВО РГЗАУ г. Балашиха.

Всего лишь один снеговой керн, взятый по всей толще снежного покрова, дает представительные данные о химическом загрязнении в период от образования устойчивого снежного покрова до момента отбора пробы (максимального снегозапаса). Определение загрязняющих веществ в снеговом покрове позволяет [6]:

• провести оценку уровня загрязнения снежного покрова в зимний период;

• установить районы с максимальной концентрацией поллютантов;

• выявить пути поступления экотоксикантов в поверхностные воды и почвы. Отбор проб снега проводится обычно перед началом таяния на всю глубину снежного покрова специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Пробы снега растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют. При мониторинге снежного покрова обычно исследуется две фазы - растворенная, прошедшая через фильтры, и минеральная (пыль), оставшаяся на фильтрах. Такой фазовый анализ позволяет получить информацию о пространственном распределении наиболее подвижных водорастворимых форм химических элементов и форм (сорбированных, карбонатных, гидроксильных и др.), связанных с минеральными и органномине-ральными носителями. Техногенные ореолы этих форм нахождения имеют разные площадь, контрастность и элементный состав.

Высокие значения концентраций промышленных отходов на большом расстоянии от источников поступлений загрязнений обуславливается миграцией веществ по воздуху при некоторых метеорологических условиях и накоплении при выпадении снега [4]. Для функционирования передвижения транспорта в зимнее время на автомагистралях производятся снегоуборочные работы, для которых применяются песок и зола, а в качестве альтернативы им - соли (№0, CaQ2). При снеготаянии этот рассол может поступать в водотоки. В большинстве случаев он имеет ниже температуру и выше плотность, чем те же параметры для воды в водоеме. Вследствие чего рассол поступает в их придонные слои с началом весны и создает стабильную стратификацию воды, которая препятствует ее перемещению и поступлению кислорода вглубь водоемов, что влечет за собой гибель рыб и других организмов, населяющих придонные слои [5]. Именно поэтому снежный покров имеет ряд свойств, благодаря которым его можно использовать в качестве удобного индикатора загрязнений, как атмосферных осадков, так и дальнейшего загрязнения вод и почв. Снежный покров является природным накопителем и дает фактическую величину, как сухих, так и влажных выпадений в зимнее время. В горной местности и полярных областях Земли снег, постепенно переходя в лед, консервирует имеющиеся в нем поллютанты и сохраняет их в этих условиях в массе ледников многие годы, создавая некую летопись состава атмосферного воздуха. Также, снег - это эффективный индикатор процессов закисления природных сред.

Исследования показывают, что снег насыщается по отношению к земной коре из-за природных процессов, начиная несколькими единицами, заканчивая несколькими порядками величины, при всем этом элементы имеют следующий порядок: Na<Cu<Zn<As<Sb<Cd<S<Se. Техногенное загрязнение может существенно увеличивать обогащение снежного покрова отдельными элементами. В прибрежных и морских районах происходит обогащение № и О. Существует ряд природных процессов, которые приводят к обогащению [10]:

•ветровая эрозия почв и горных пород, приводящая к движению мелких частиц, в составе которых имеются в значительных количествах редкие и тяжелые элементы;

•процессы вулканизма, которые являются источником поступления летучих соединений; испарение с поверхности почв и пород;

•диффузия с последующим поступлением паров ртути;

•растительный покров, являющийся причиной поступления металлоорганических соединений;

•процессы органического разложения, приводящие к поступлению в атмосферу различных элементов.

Микроэлементы в снеге существуют в твердой (условно нерастворимой) и жидкой (водорастворимой) фазах. Процент их содержания в водорастворимой части зависит от места пробоотбора, природы элемента и химического состава осадков. Микроэлементы, найденные в твёрдой фазе, могут находиться в кислоторастворимой, труднорастворимой, обменной и 12 подвижной формах. Также, загрязнение снегового покрова происходит из-за выпадений радиоактивных продуктов природного и синтетического происхождения, хлорорганических пестицидов, полициклических ароматических углеводородов и других. Подробно эти процессы были исследованы в работе [4]. Анализ процессов изменения концентраций поллю-тантов при снеготаянии в период оттепелей приведен в работе, вопросы закисления снегового покрова в [8].

Применение снегового покрова как индикатора загрязнения естественной среды в мегаполисах приводит к росту эффективности контроля загрязнения атмосферы, вод и почв. В основном загрязнение на территории мегаполиса выше от 2,5 до 7 раз, чем на относительно большем 10 (около 10 км) удалении от него. Очаги загрязнения образуются около заводов, котельных, автотранспортных предприятий, и связаны

они с главными направлениями высокоинтенсивного движения автотранспорта. Промышленные зоны, в большинстве случаев, отличаются от жилых и зеленых весьма высоким загрязнением всеми компонентами, а транспортная - оксидами азота, составляющими антигололедных реагентов и взвешенными веществами. Сущность влияния мегаполиса на загрязнение его прилегающих территорий представлено в работах [7], свидетельствующие о том, что его воздействия на загрязнение снегового покрова могут наблюдаться на расстояниях до нескольких десятков километров. Результаты исследований снегового покрова позволили найти в наглядной форме характерные особенности загрязнения атмосферного воздуха близлежащих территорий города.

Образование снежно-грязевого осадка (СГО) в результате смешивания снега и поверхностных отложений транспортными средствами и пешеходами является одним из наименее изученных процессов седиментации в городских районах. Целью данного исследования был анализ материала, минералов, размера частиц и химического состава твердой фазы СГО. Исследование проводилось в Подмосковье, в качестве примера города с продолжительным холодным снежным периодом.

В городских ландшафтах снежный покров неизбежно взаимодействует с отложениями на городских поверхностях и изменяет процесс осадконакопления. Благодаря своей пористой структуре снег может накапливать и удерживать большое количество загрязняющих веществ и дорожной пыли. Снежные сугробы вдоль городских магистралей действуют как пассивные стоки как для металлических элементов, так и для твердых частиц, образующихся в результате дорожного движения и технического обслуживания. Мало известно о роли замерзших осадков в современных процессах седиментации в городских условиях в регионах с холодными зимами и длительными периодами устойчивого снежного покрова.

Одним из наименее изученных объектов седиментогенеза в зимних условиях городской среды является снежно-грязевой ил (или снежно-осадочный ил). Этот материал образуется в результате смешивания снега и отложениями на городских поверхностях под действием колес транспортных средств и ног пешеходов. В процессе зимней уборки и снегоуборочных работ СГО переносится с дорог, тротуаров и проездов на обочины. Кроме того, СГО частично вывозится на специальные свалки и другие места хранения.

Образование грязных снежных куч часто воспринимается людьми негативно, что отражается в освещении событий в СМИ.

Существует общее понимание причин образования СГО и распознавания токсичности СГО, хотя научные данные, полученные в результате систематических наблюдений и анализа факторов, влияющих на формирование и состав СГО, отсутствуют. Целью данного исследования был анализ материала, минералов, размера частиц и химического состава твердой фазы СГО.

Содержание различных загрязняющих веществ в снежном покрове (медь, никель, свинец, сульфаты, биогенные вещества и др.) являются объективными показателями качества воздуха зимой [1]. Ряд свойств снежного покрова (высокая способность поглощать, накапливать загрязнения), облегчают понимание миграции переносимых по воздуху загрязнителей [2]. Если снег не подвергался интенсивному таянию, все загрязнители атмосферы (тяжелые металлы, азот оксиды, сульфаты) будут активно накапливаться и сохраняться в различных концентрациях в зависимости от погодные условия. Снежный покров содержит на два-три порядка больше загрязнителей, чем другие атмосферные осадки [3].

В зависимости от местоположения участков отбора проб многие авторы сочли сильным техногенное воздействие вблизи источника загрязнения и на значительном удалении от источника загрязнения [7]. Фоновые условия, отражающие глобальные и региональные потоки загрязняющих веществ, являются интерес. На примере небольших озер, не подверженных прямому антропогенному воздействию, доказано, что воздух загрязнение приводит к подкислению (в уязвимых к кислотам регионах) и увеличению содержания тяжелых металлов в воде [10].

Дальность распространения и уровни загрязнения атмосферы зависят от мощности источников, условий выброса и метеорологических параметров. С удалением от источников загрязнения происходит рассеивание примесей, вследствие чего зона их интенсивного воздействия, в которой имеет место превышение ПДК, относительно невелика. Попавшие в окружающую среду соединения тяжёлых металлов легко проникают в трофические цепи, накапливаясь в растительных и животных организмах. Включаясь в метаболические циклы, они вызывают разнообразные физиологические нарушения, в том числе и на генетическом уровне. Для выведения тяжёлых металлов из экосистемы до безопасного уровня требуется большое количество времени при условии полного прекращения их поступления. Период полувыведения тяжёлых металлов из организма человека составляет месяцы. Биологическая активность тяжёлых металлов выводит данную группу загрязнителей на приоритетное место в мониторинговых исследованиях. Физиологическое действие тяжёлых металлов на организм человека и других животных зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также интервала концентраций, в котором возможна нормальная реакция обменных процессов. Организм способен поддерживать гомеостаз только в

определённых пределах изменчивости геохимической среды. В случае недостаточного или избыточного поступления химических веществ в организм произойдёт нарушение гомеостаза. За пределами нижних и верхних пороговых концентраций элементов происходят мутации и возможное изменение наследственной природы организма.

Все источники техногенного загрязнения, будь то промышленное производство или, скажем, автотрасса, имеют свои уникальные геохимические индикаторы выбросов, которые выявляются в процессе анализа проб снега. Точки сбора определяются с учетом розы ветров и места расположения «объекта». На качество проб может повлиять близость автомагистралей, которые тоже имеют свои индикаторы, кроме того, важно, чтобы человек не нарушал целостность снежного покрова. Таким образом, идеальный снег для исследований можно найти только, в буквальном смысле, в чистом поле, вдали от шоссе и жилых кварталов, но, если такой возможности нет, «территориальные особенности» обязательно учитываются в дальнейшем.

В городских аэрозолях преобладают полые сферические частицы муллита, состоящего из алюминия и кремния - ученые связывают это со сжиганием угля. По мере удаления от города техногенная нагрузка уменьшается, а в воздухе повышается содержание природных минералов, таких как кварц, плагиоклаз и другие - это частицы почв, поднятые ветром.

Подмосковье отбор проводили по четырем направлениям на расстоянии 5, 15, 25 и 40 км от МКАД. В статье исследован период 2015-2020г.

Для Подмосковья максимальное значение рН составило 7,00 (д. Снегири, 25 км на запад, зима 2018/2019 гг. и г. Климовск, 2005/2006 гг.), минимальное значение кислотности составило 4,80 (д. Целеево, 40 км на север, зима 2016/2017 гг.).

Пробы, отобранные в Подмосковье в северном направлении, напротив, имеют меньшие значения рН (среднее 5,4 при осреднении на всем удалении 5-40 км), по остальным направлениям средние значения почти одинаковы (рН около 5,7).

Важной характеристикой химического состава проб атмосферных осадков наряду с кислотностью является и их минерализация, представляющая собой сумму концентрации всех определяемых ионов. Среднее значение минерализации всех проб составило 9,4 мг/л.

При этом в Подмосковье проба с наименьшей минерализацией была отобрана зимой 2015/2016гг. в северном направлении на расстоянии 40 км от Москвы (1,2 мг/л), а с наибольшей — в г. Климовске зимой 2018/2019 гг. (43,7 мг/л).

В подмосковных средних годовых пробах хлориды превалировали во все годы, кроме 2015 г. (когда преобладали сульфаты).

Таким образом, средние годовые значения минерализации (а также концентрации некоторых ионов) имеют тенденцию к увеличению, т.е. загрязненность сезонных проб снега в последние годы возрастает. Это происходит в основном благодаря увеличению концентраций как отдельных ионов, так и их суммы в пробах снега.

Библиографический список

1.Ардаков Г.Н. Снежный покров как индикатор загрязнения объектов окружающей среды // Великие реки 2001: Генеральные доклады, тезисы докладов Международного Конгресса. Нижний Новгород, 2001. С. 141 - 142.

2.Ардаков Г.Н. Проблемы экологического мониторинга на территории Среднего Поволжья // Экология городов. Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции. Самара, 1993. С. 87-89.

3.Башкин В.Н., Курбатова А.С., Савин Д.С., Методологические основы оценки критических нагрузок поллю-тантов на городские экосистемы, Москва, 2004.

4.Безуглая Э.Ю. Чем дышит промышленный город/ Э.Ю. Безуглая, Г.Л. Расторгуева, И.В. Смирнов, Л., 1991,

255с.

5.Быков Н.И. Наблюдения за динамикой снежного покрова в ООПТ АлтаеСаянского экорегиона (методическое руководство) / Н.И.Быков, Е.С. Попов, Красноярск, 2011, С. 64.

6.Василенко В.Н., И.М.Назаров, А.Н.Пегоев, Ш.Д.Фридман. Об использовании самолетной гамма-съемки снежного покрова для определения загрязнения территории нерадиоактивными продуктами — Труды ВНИИСХМ. 1983. Вып.17. С.21-25.

7.Ковалев Д.Ю., Крестьянникова Е.В. Оценка степени минерального загрязнения снежного покрова города Тюмень // Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Тобольск научный-2015», Тобольск: ТКНС УрО РАН, 2015, С. 85-88.

8.Ковалев Д.Ю., Зырянова А.Е., Козлова В.В. «Influence of anti-icing reagents on the pollution of snow cover» (Материалы I международной научной конференции «Science of the Future», секция «Химия»). Санкт-Петербург, 2014.

9. Оценка аэротехнического загрязнения природных сред химическими элементами по результатам мониторинга снежного снежного покрова (методические рекомендации) / А.Т. Горшкова, А.Р. Валетдинов Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань.

10.Тентюков, М.П. Особенности формирования загрязнения снежного покрова: морозное конденсирование техногенных эмиссий (на примере районов нефтедобычи в большеземельской тундре) / М.П. Тентюков // Криосфера Земли, 2007. , Т. 11. , №4. , С. 31-41.

АКИМОВА ОКСАНА АНАТОЛЬЕВНА - магистрант, ФГБОУ ВО РГЗАУ г. Балашиха, Россия.