CC BY
78
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2006, том 12, № 29
=————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ -
УДК 551.510.42+551.556.4(262.83)
ВЕТРОВОЙ ВЫНОС И ПЕСЧАНО-СОЛЕВЫЕ ВЫПАДЕНИЯ С ОСУШЕННОЙ ЧАСТИ ДНА АРАЛЬСКОГО МОРЯ
© 2006 г. О.Е. Семенов, А.П. Шапов, О.С. Галаева, В.П. Идрисова
Казахский научно-исследовательский институт экологии и климата 050022, г. Алматы, пр. Сейфуллина, 597, Казахстан Интерес широкой общественности и научного мира к оценке выносимых масс частиц твердой фазы с осушенной части дна моря возник сразу же после начала падения уровня воды в Арале. Не ослабевает он и сейчас. Как только в 1984 году в КазНИГМИ была создана первая модель, позволяющая получать скалярные величины масс песка, переносимого ветром во время бурь, была предпринята попытка получить оценку выносимых за контур Аральского моря масс песка и солей. Для этого средние многолетние значения масс песка, переносимых через фронт переноса в один километр в районах станций Аральское море, Баян и Уялы, были осреднены для всех вариантов средних геометрических размеров частиц песка и полученную величину умножили на длину параметров водоема. Таким образом, в 1985 году была получена первая оценка КазНИГМИ величины мощности всего Аральского источника аэрозолей - 20-30 млн. т/год, в том числе солей - 200300 тыс. т/год (Азыдова, Семенов, 1985).
Усовершенствование модели, создание блока векторного анализа переноса песка ветром позволило уже более корректно получить оценки мощности двух основных источников выноса на Казахстанской части осушенного дна моря с учетом их геометрических размеров и направлений выноса. Средний многолетний вынос из них аэрозолей был определен величиной в 7.3 млн. т в год за ряд наблюдений с 1966 по 1979 год (Семенов и др., 1990). Обе эти оценки следует рассматривать как близкие к максимальным, так как в основу их получения была положена зависимость общего расхода песка во время бурь в приземном слое атмосферы от динамического числа Фруда 5% обеспеченности. Для климатических оценок, как известно, целесообразнее использовать 50% накопленные вероятности, которые близки к математическим ожиданиям. Поэтому, если использовать зависимость общего расхода песка 50% обеспеченности (.Галаева, Семенов, 1997), то оценка выноса массы в 7.3 млн. т должна быть уменьшена до 1.6 млн. т/год.
Дальнейший мониторинг за развитием дефляционных процессов на дне моря показал наличие цикличности в их интенсивности, и 80-ые годы пришлись на фазу их спада. Это привело, несмотря на рост осушенных площадей дна моря, к уменьшению средней многолетней величины выноса массы пыли 50 % обеспеченности за ряд наблюдений с 1966 по 1986 год до величины 1 . 1 2 млн. т/год (Семенов и др., 1991).
Ветровой перенос песка Скалярные оценки переноса песка ветром. Нами были рассчитаны новые 27-летние ряды наблюдений за период с 1966 по 1992 г. для 11 метеорологических станций (МС) Аральского региона (Галаева и др., 1996). Все рассматриваемые станции можно условно разделить на три категории -морские, прибрежные и континентальные. К морским относятся станции о. Лазарева и о. Барса-Кельмес, к прибрежным - Аральское Море и Уялы и к континентальным - Саксаульская, Монсыр, Джусалы, Кзыл-Орда, Казалинск, Чирик-Рабат, Карак. Станцию Уялы в начальный период наблюдений следует также рассматривать как морскую. Для этих станций получены скалярные оценки масс переносимого ветром песка за год во время пыльных бурь (ГГБ) и пыльных поземок (ПП). Рассмотрим далее особенности переноса песка во время этих дефляционных процессов на осушенной части дна Арала.
На станции Аральское Море средняя многолетняя масса песка, переносимого обоими явлениями, равна 3844 т/км год. Это значение близко к величине средней многолетней массы МС Уялы. Однако величина среднего квадратического отклонения на МС Уялы в 2.3 раза больше, чем на МС Аральское Море, поэтому коэффициент вариации на МС Аральское Море равен 0.56, а на МС Уялы - 1.19. Основной вклад в перемещение песка на МС Аральское Море вносят пыльные бури. Ими переносится 83% от средней многолетней массы и только 17% -пыльными поземками. На МС Уялы пыльными бурями переносится 1840 т/км год, что составляет 48% от средней многолетней массы (3817.5 т/км год) и 1977.5 т/км год - пыльными поземками (52%). Увеличение переносимой ветром массы песка в районе этой метеостанции в виде поземок говорит о более крупном размере частиц, слагающих здесь почвогрунты и подвижные пески.
Анализ рядов наблюдения островных станций Лазарева и Барса-Кельмес показал, что дефляционные процессы на первой из них начались лишь с 1975 года. Средние многолетние значения массы песка на о. Лазарева обоих явлений составляют 1810 т/км-год. Здесь основная масса песка переносится пыльными бурями и составляет 1616 т/км год, пыльными поземками -195 т/км год. Коэффициенты вариации этих рядов близки по своим значениям и равны 3.37 для пыльных бурь, 3.6 - для пыльных поземок. На МС Барса-Кельмес среднее многолетнее значение масс песка составляет 1560 т/км год. Здесь тоже основной вклад в перенос вносят пыльные бури - 1522 т/км год, на пыльные поземки приходится лишь 38 т/км год.
Рассмотрим далее изменчивость интенсивности дефляционных процессов во времени. На рисунках 1 и 2 приведен многолетний ход масс песка (М), переносимого обоими явлениями, а также сглаженная кривая, полученная путем полиномиальной аппроксимации рядов. На рисунке 1а показан многолетний ход для МС Аральское Море. Здесь мы видим два пика, один из которых наблюдался в 1970-1971 годах и составил 9302 т/км год и второй - в 1983-1985 годах -6500 т/км год. Если рассматривать в целом 27-летний ряд, то видно, что с 1986 года наблюдается тенденция на уменьшение массы переносимого песка.
М, Т.КМ—год"' М, т-км! год1
10000 ~ ппппп ' 6
Рис. 1. Многолетний ход массы песка, переносимого пыльными бурями и поземками (1) и его скользящая средняя (2) на МС Аральское Море (а), МС Уялы (б). Fig. I. Long-term course of sand mass transported by dust storms and ground wind (1) and moving average (2) at meteostations Aral Sea (a) and Uyaly (b).
На рисунке 16 представлены данные МС Уялы, где максимальный перенос песка был в 1984 году и составил 20269 т/км год, что в два раза выше максимального значения на МС Аральское Море. Здесь также произошло устойчивое уменьшение переноса песка с 1986 года. Влияние островного периода существования МС Уялы на дефляцию песков можно проследить до 1974 года, после которого ход процессов в её окрестностях стал подобен ряду МС Аральское Море.
На рисунке 2 приведен многолетний ход интенсивности ветрового переноса песка на островных станциях Барса-Кельмес и Лазарева. МС о. Лазарева (рис. 2а) - единственная из 11 станций Аральского региона, на которой явно выражена тенденция увеличения переносимых масс песка, характеризующая её переход из морского типа к континентальному. На этой же станции зафиксирована и самая большая годовая
2000
8000 6000 400О
о
Й90Годо
И т- км"1- год*3 ЗОООО f
20000 -
10000 -
0 а---
1970 1980 Год 1990 t97° 19S0 Год 1990
Рис.2. Многолетний ход массы песка, переносимого пыльными бурями и поземками (1) и его скользящая средняя (2) на МС о. Лазарева (а), МС Барса-Кельмес (б). Fig. 2. Long-term course of sand mass transported by dust storms and ground wind (1) and moving average (2) at meteostations Lazarev island (a) and Barsa-Kelmes (b).
величина массы - 29105 т/кмтод. Эта станция характеризует новый мощный очаг пыления на острове Возрождения.
На МС о. Барса-Кельмес (рис. 26) можно выделить два максимума, первый в конце 60-х -начале 70-х годов, наибольшее значение зафиксировано в 1970 году - 20647 т/км год, второй максимум - в 1966 году и его величина была равна 13253 т/км год. В начале 90-х годов здесь также наметилось увеличение переноса, связанное с началом формирования прибрежных пляжей при отступлении от острова водной поверхности.
Векторные характеристики песчано-пылевых выпасов. При решении задач по перемещению песков ветром и изучении влияния бурь на окружающие территории ветропесчаные потоки следует рассматривать в качестве векторных величин, так как наряду со скалярной характеристикой (массой) они имеют и кинематический параметр- направление в пространстве. Примерами такого векторного подхода к исследованиям бурь могут служить задачи по определению скорости и направления перемещения эоловых форм рельефа (барханов, песчаных гряд), по выносу песка на прилегающие территории, взаимодействию песчаного потока с различными сооружениями.
Основными векторными характеристиками дефляции песков являются годовая роза векторов, представляющая собой суммы масс песка, переносимых за год в направлениях каждого из 16 румбов, и годовой результирующий вектор, показывающий конечное направление передвижения эоловых форм рельефа в результате многочисленных случайных перемещений в пространстве и во времени. Средняя многолетняя роза векторов исключительно важна при оценке выноса за границы контуров изучаемого песчаного массива и для разработки проектов противодефляционных мероприятий. Средний многолетний результирующий вектор может служить для прогноза направления перемещения массива подвижных песков или отдельных форм песчаного рельефа.
На МС Аральское Море максимальный перенос наблюдается в направлениях северо-восточной и юго-западной четвертей - 462 т/км год на северо-восток и 465 т/км год на юго-запад. В других направлениях перенос значительно меньше. Минимальный модуль имеет северо-западный вектор, он равен 65 т/км год.
На МС Уялы максимальный модуль имеют юго-западный (633 т/км год) и юго-восточный (592 т/км год) векторы. Отличительной особенностью переноса в районе этой станции является большая величина юго-восточного вектора. Значительная доля его обусловлена очень интенсивной пыльной бурей 15-17 июня 1984 года. Тогда в юго-восточном направлении было перенесено около 1900 т/кмтод, что составляет 12% от среднего многолетнего модуля вектора.
Две островные станции Лазарева и Барса-Кельмес имеют подобные розы векторов. Максимальные величины здесь имеют векторы юго-западного и запад-юго-западного направлений. На МС о. Лазарева при ЗЮЗ направлении переносится 1094 т/км год, при ЮЗ - 800 т/км год. На МС о. Барса-Кельмес при ЗЮЗ румбе -- 460 т/км год, при ЮЗ - 840 т/км год. По другим румбам переносимые массы на несколько порядков меньше.
При снижении уровня моря на 15м, на Казахстанской части осушенного дна Арала действовало уже пять природных источников пыления. На севере - это дно залива Сарышиганак и песчаные пляжи вокруг бывших островов Кокарал и Барса-Кельмес, на востоке - осушенное дно моря от устья р. Сырдарьи до бывшего Акпеткинского архипелага и на западе - новый крупный остров, образовавшийся из о. Возрождения и о. Лазарева. В таблице 1 приведены полученные оценки среднего многолетнего выноса массы песка 50% обеспеченности из этих очагов выветривания по рядам наблюдений метеостанций за 1966-1992 годы (Галаева, Семенов, 1997).
Для расчетов были использованы средние многолетние розы векторов переноса масс песка МС О.Лазарева - для нового западного источника, МС Аральское Море - для Сарышиганакского и Кокаральского очагов выдувания, МС Уялы -для наиболее мощного Восточного, МС Барса-Кельмес -для песчаных пляжей одноименного острова (Галаева, Семенов, 1997). По карте изобат масштаба 1:500000 были определены контуры всех источников и протяженность фронтов переноса для каждого вектора. В таблице 1 представлены произведения векторов на соответствующие им длины фронтов переноса. Вынос масс песка определен для всех 16 румбов, что позволяет определить, сколько песчано-солевого аэрозоля поступает в конкретные районы Приаралья.
Таблица I. Средний многолетний вынос песка из основных очагов выветривания осушенной части дна Аральского моря на территории Казахстана при снижении уровня на 15 м, т/год. Table I. Average long-term amount of sand (t/year) transported from the key deflation sites on the dried bottom of the Aral Sea in Kazakhstan under the sea level decrease bv 15 m.
Направление О iar выветривания
выноса Лазарева о. Барса-Кельмес Восточный Сарышыганак Кокарал ьский
С 50 0 10094 5712 6324
ССВ 2552 0 8128 11132 20740
СВ 2520 0 22630 21021 30261
ВСВ 1488 77 15402 21157 25110
В 5775 255 37862 16215 11280
ВЮВ 2940 331 29827 13764 9213
ЮВ 7830 1200 66896 10152 7827
ЮЮВ 5424 810 19980 10773 9072
Ю 800 940 32857 13664 15128
ЮЮЗ 12876 2475 37084 14198 26452
ЮЗ 44856 31080 92418 14514 20894
ЗЮЗ 101742 7130 44394 13604 16146
3 20895 1887 55576 10235 7120
ЗСЗ 1050 0 22116 8246 5519
СЗ 90 0 7119 4257 3282
ССЗ 113 0 4680 4189 3528
Сумма 211001 46186 507063 192837 217890
В таблице 1 представлены суммарные по всем направлениям величины выноса масс твердой фазы для каждого источника. Интересно сопоставить эти величины с полученными за более короткие ряды -вплоть до 1986 года (Семенов и др., 1991). В 1986 году было три очага выдувания -Восточный, Сарышиганакский и Кокаральский. Из-за снижения интенсивности дефляционных процессов в последние 7 лет по данным МС Уялы (Галаева, Семенов, 1997; Галаева и др., 1996), несмотря на увеличение размеров Восточного источника, вынос средней многолетней массы аэрозоля из него упал с 690000 т до 500000 т в год. Вынос массы аэрозолей снизился в 14 направлениях из 16 и вырос лишь на юг и северо-запад. Мощности Сарышиганакского и Кокаральского источников изменились незначительно, различия лежат в пределах погрешностей расчетов. Общий вынос массы аэрозолей со всей Казахстанской части осушенного дна моря при падении уровня воды на 15 м оценивается величиной 1.17 млн. т в год, т.е. вырос на 50 тыс. т в год, по сравнению с предыдущей величиной (Семенов и др., 1991).
В таблице 2 приведены прогнозируемые величины выноса аэрозолей с осушенного дна Арала при падении уровня воды на 20 м, т.е. для близкого к нынешнему положению. Расчет выполнен из условий сохранения величин средних многолетних векторов переноса масс песка.
Таблица 2. Прогнозируемый средний многолетний вынос песка из основных очагов выветривания осушенной части дна Аральского моря на территории Казахстана при снижении уровня на 20 м, т/год. Table 2. Forecasted average long-term amount of sand (fyear) transported from the key deflation sites on the dried bottom of the Aral Sea in Kazakhstan under the sea level decrease by 20 m.
Направление выноса Очаг выветривания
Северный Восточный о. Лазарева
С 13056 16758 56
ССВ 29737 11648 2882
СВ 35574 28520 3690
ВСВ 29062 18972 1624
В 24252 38794 6050
ВЮВ 24864 29827 3122
ЮВ 20770 69299 8486
ЮЮВ 23490 30192 7344
Ю 31232 54549 896
ЮЮЗ 37927 53144 14541
ЮЗ 24563 116472 65682
ЗЮЗ 18687 54684 ' 111041
3 13308 56943 21890
ЗСЗ 14896 22116 1115
СЗ 8710 8253 97
ССЗ 9135 7072 153
Сумма 359263 617243 248666
Дальнейшее падение уровня моря приведет к значительному росту геометрических размеров Восточного источника выноса, который сольется с о. Барса-Кельмес. Кокаральский и Сарышиганакский очаги образуют единый северный источник. Только за счет изменения геометрических размеров источников средний годовой вынос массы аэрозолей увеличивается до 1.29 млн. т в год. Но, скорее всего, эта цифра будет больше, так как уже в начале 90-х годов в трендах переноса песка начался рост и, вероятнее всего, за фазой спада интенсивности дефляционных процессов 80-х годов начнется период с повышенной ветровой активностью. Поэтому крайне необходимо продолжить климатический мониторинг за процессами дефляции осушенной части дна Аральского моря, который был остановлен в 1992 году.
Климатическая модель позволяет проследить более детально за выносом массы Аральского аэрозоля. Поэтому представляется необходимым в будущем определять не средние многолетние величины за тот или иной ряд лет, а получить ежегодные величины выносимых ветром масс песка и солей, что позволит проследить за временной динамикой дефляционного процесса на осушенном дне Арала.
Выпадение соле-пылевых и песчаных масс на подстилающую поверхность региона
Измерением выпадений аэрозолей из атмосферы на подстилающую поверхность в Приаралье занимались две группы исследователей из Узбекистана: одна из Среднеазиатского научно-исследовательского института ирригации (Разаков, Косназаров, 1987), вторая - из Среднеазиатского научно-исследовательского гидрометеорологического института (Толкачева, 1983).
Наиболее детальные измерения в дельте р. Амударьи выполнены под руководством P.M. Разакова и К.А. Косназарова. На территории Каракалпакии и на прилегающей к ней осушенной части дна моря ими устанавливались уловители для отбора проб выпадающих из атмосферы сухих аэрозолей. Число точек отбора достигало 43. Круглогодичные наблюдения за осаждением аэрозолей позволили получить за пять лет измерений (1982-1986 гг.) более 1600 проб и построить среднюю за
этот период карту сухих выпадений в Южном Приаралье. Химические анализы проб позволили построить и карту содержащихся в них растворимых солей. Результаты этих исследований показали, что максимальная масса общих выпадений аэрозолей и солей приходится на осушенное дно Аральского моря и район коренного берега. По мере удаления от прежнего берега моря, масса выпадений частиц быстро уменьшается и возрастает вокруг крупных солончаков в дельте р. Амударьи.
Сухие выпадения на осушенном дне моря достигали 300-600 т/км2 в год. В прибрежной части дельты масса осажденных аэрозолей быстро уменьшалась по мере удаления от источника выноса и на расстоянии 10-15 км уже была равна 90 т/км2. Авторы исследований отметили, что наблюдения отдельных лет носят случайный характер и не отражают закономерностей эолового выноса и осаждения частиц пыли и солей со дна моря (Разаков, Косназаров, 1987). Позднее ими были опубликованы более полные данные измерений по 1991 год включительно (Яа2акоу, Ко8па2агоу, 1996). Эти десятилетние измерения показали и большую межгодовую изменчивость массы сухих выпадений в дельте р. Амударьи.
Результаты измерений сухих выпадений на метеорологических станциях на территории Узбекистана и Туркмении, выполненные ташкентскими метеорологами, дали еще меньшие величины. По их данным, на МС Муйнак масса аэрозолей, выпадающих на поверхность, равна 42.5 т/км (Толкачева, 1983). Таким образом, результаты экспериментальных исследований не подтверждают широко распространенных в массовой печати гипотез о гигантских поступлениях солей и аэрозолей Арала на всю территорию Центральной Азии - основная масса твердой фазы выпадает вблизи самого водоема. Этот вывод согласуется и с результатами численного моделирования переноса песчаного аэрозоля на гидродинамической модели бурь, полученными И.В. Каиповым (Каипов, 1995; Семенов и др., 1990).
Измерения сухих выпадений в дельте Амударьи не позволяют определить вклад непосредственно Аральского аэрозоля в формирование экологической нагрузки на регион, так как он попадает сюда вследствие адвекции запыленных потоков воздуха северных направлений во время пыльных бурь на осушенном дне моря. На планшеты для улавливания аэрозолей осаждается и аэрозоль, принесенный при других направлениях ветра во время бурь на континентальной части суши, хотя для Южного Приаралья его масса может быть и незначительна из-за особенностей циркуляционных условий. Кроме этого, поверхность почвы и растительность являются плоскостным источником генерации аэрозолей в атмосферу за счет вертикальных конвективных движений воздуха днем и последующего осаждения поднятых частиц на земную поверхность (и планшеты для наблюдений) в вечерние и ночные часы (Ковалев, 1990: Семенов, 1996).
Повседневность конвективного механизма подъема частиц позволяет считать его ответственным за формирование фонового аэрозольного загрязнения атмосферы естественного происхождения и фоновых сухих выпадений на поверхность. Таким образом, сухие выпадения аэрозоля естественного происхождения на поверхность региона формируются двумя природными механизмами поднятия частиц в атмосферу. Первый действует во время сильных ветров при возникновении пыльных бурь. Второй, повседневный, за счет развития конвективных процессов в атмосфере. Поэтому сухие выпадения генетически следует делить на выпадения от шлейфов выноса пыльных бурь и фоновые выпадения. Для определения фоновых сухих выпадений аэрозоля была создана радиационно-балансовая модель его формирования. Расчеты по ней позволили получить значения средних многолетних фоновых сухих выпадений, вызванных конвективными потоками в Приаралье. В вершине дельты р. Амударьи (М Тахиаташ) они достигают в год 79 т/км2, в Северном Приаралье (М' Аральское Море) - 45 т/км (Семенов, 1996).
Климатическая модель расчета соле-пылевых и песчаных выпадений из шлейфов бурь Зная порядок величины фоновых сухих выпадений (М^,) в дельте Амударьи, можно определить по результатам измерений и сухие выпадения от выносов аэрозоля со дна Арала во время бурь, найти закономерность их осаждения. Для этого нужно рассмотреть изменение с
расстоянием разности массы всех осажденных на планшеты частиц (М) и фоновых сухих выпадений (М-Мф). Удобнее исследовать безразмерную величину (М-Мф)/(М0-Мф), где М0 -масса сухих выпадений на границе источника выноса, т.е. на нулевом удалении от осушенной части дна моря (X = 0). В этой точке (М-Мф)/( М0-Мф) = 1 . При значительном увеличении расстояния (X) отношение должно стремиться к нулю из-за уменьшения разности (М-Мф).
Аппроксимирующая результаты эмпирических измерений P.M. Разакова и К.А. Косназарова нелинейная зависимость представлена ниже:
(М-Мф) = (Мо-Мф)ехр(-Х / 35) (1)
где М - сухие выпадения аэрозолей на поверхность на расстоянии X от источника выноса, т/км-год; Мо - сухие выпадения аэрозолей на границе источника выноса; Мф - фоновые сухие выпадения; X— расстояние от источника, км.
Коэффициент пропорциональности в показателе степени экспоненты (1) показывает, что на удалении от источника в 35 км масса выпавшего из потока аэрозоля на поверхность земли уменьшается в е раз.
Оценка сухих осаждений от шлейфов бурь в Северном Приаралъе Формула (1) получена по материалам измерений нескольких лет, поэтому ее можно использовать лишь для оценок средних многолетних масс сухих выпадений за год в Северном Приаралье из ветропесчаных потоков, формирующихся в основных источниках выноса на Казахстанской части осушенного дна моря. Для характеристики годовой мощности выноса аэрозолей из этих источников в различных направлениях служат средние многолетние розы векторов переноса песка по 16 румбам (табл. 1). Вектор каждого румба Мф показывает годовую массу частиц твердой фазы, выносимую ветром через нормально ориентированную к направлению переноса плоскость, ограниченную высотой приземного слоя атмосферы h и шириной фронта переноса в один км (Мф). Выпадение массы аэрозолей из потока М|о происходит на горизонтальную плоскость. Поэтому, чтобы воспользоваться формулой (1), необходимо найти связь между вектором выносимой массы Мф и вектором осаждаемой массы М[о - Поскольку она строится для векторов одного направления, то можно, очевидно, далее оперировать с их модулями. Для получения такой связи послужили экспедиционные измерения профилей расходов песка во время бурь и сухих выпадений на поверхность земли экспедицией КазНИГМИ в 1992 году (табл. 3).
Таблица 3. Сухие выпадения частиц твердой фазы из потока (т/км2) на поверхность на различных расстояниях от источника выноса. Экспедиция КазНИГМИ 1992 год. Table 3. Dry deposition of solid particles (t/km2) from the stream to surface at various distances from the deflation site. Expeditions of KazNIGMI, 1992.
Параметр сухих выпадений Расстояние от источника, м
0 | 200 [ 700 1500 3100 6300
Ш 52.6 36.8 4!. 6 ¡9.7 9.5 6.3
52.4 36.6 43.4 19.5 9,3 6.1
{М1~МиЛМ(М1(гМфФ) 1.0 0.7 0.8 0.4 0.18 0.12
В таблице 3 приведены результаты измерений сухих выпадений за 4 суток, в течение которых наблюдались песчано-солевые бури. Результаты этих измерений также аппроксимируются зависимостью, аналогичной формуле (1). с другими числовыми параметрами
(М-Мф) = (Мо-Мф)вхр(-Х /1.66) (2).
Фоновые сухие выпадения за 4 суток были рассчитаны по модели О.Е.Семенова (1996) и составили Мф = 0.2 г/м2. Выпадения на нулевом расстоянии от источника выноса в таблице 3 получены не путем непосредственных измерений, а экстраполяцией линии зависимости М = f(X} в полулогарифмических координатах, так как их измерения на подвижном песке на уровне поверхности представляют серьезные методические трудности. Масса песка,
переносимая за эти четыре бури, оказалась равной 355 т/км, отношение М00 /Мф= 0.15, т.е.
Мо=0.15Мф. (3)
Это значение близко к результатам численного моделирования выпадения частиц из потока И. В. Каинова (Семенов и др., 1990). По его исследованиям, на первом километре своего движения от источника выноса поток терял около 20% своей массы. Очевидно, что значение числового коэффициента в формуле (3) является функцией распределения частиц по размерам и поэтому может изменяться в некоторых пределах для различных песков. Вектор ветрового выноса песка при бурях из источника Мф не содержит в себе фоновых значений сухих выпадений. Поэтому, для вычислений сухих выпадений от бурь на дне Арала по информации о розах векторов переноса песка, уравнение (I) должно быть упрощено и записано в виде М (X)=М0 exp(-X/ 35) (4)
где Мо определяется из уравнения (3). Тогда окончательная формула для расчетов сухих выпадений от аральских источников выноса в направлении ф будет
М (X)= 0.15 Мф exp(-X/ 35) (5)
Для построения карты сухих выпадений в Приаралье вся территория региона на карте масштаба 1 :1 000000 была разбита на прямоугольники со сторонами 20'х20'. Для центров этих прямоугольников и рассчитывались массы сухих выпадений М(Х) по известным значениям Мф, каждого румба от всех пяти источников выноса аэрозоля казахстанской части осушенного дна моря (табл. 1) и расстоянию (X) от границ источников в этом направлении. Затем проводилось суммирование полученных значений сухих выпадений в каждом прямоугольнике от этих 5 источников выноса. По полученным числовым значениям масс осажденных частиц в центрах прямоугольников были проведены изолинии равных значений сухих выпадений. Расчеты выполнялись для размеров источников выноса Аральского аэрозоля, образовавшихся при падении уровня воды на 15м: о. Лазарева и о. Возрождения, о. Барса-Кельмес, Восточного, Сарышыганакского и Кокаральского. На рисунке 3 представлена полученная карта средних многолетних годовых масс сухих выпадений на поверхность региона из шлейфов выносов песчано-солевых бурь, наблюдавшихся на казахстанской части осушенного дна Арала (МС о. Лазарева до распада СССР принадлежала к системе Гидрометслужбы Казахстана). Модели формирования выноса и выпадения Аральского аэрозоля позволили впервые оценить в чистом виде вклад песчано-солевых бурь в процесс образования сухих выпадений в регионе.
Карта средних многолетних значений суммарных выпадений на Казахстанской части Приаралья из шлейфов бурь и от конвективного подъема частиц с поверхности, которая получена из предыдущей путем добавления к ней массы средних многолетних сухих фоновых выпадений М4ф = 45 т/км2тод (Семенов, 1996). Сравнение ее с картой сухих выпадений в Южном Приаралье (рис. 3) показывает, что в Восточном Приаралье в прибрежной части выпадает на поверхность примерно в 1.5 раза больше аэрозолей - до 145 т/км2-год. В Северном Приаралье сухие выпадения по порядку величины совпадают с их значениями в дельте Амударьи (90-100 т/км'-год). Следует отметить, что на юго-востоке Приаралья сухие выпадения должны быть несколько больше полученных нами результатов, так как здесь необходимо учитывать вынос и выпадение аэрозоля с узбекской части осушенного дна моря. Результаты моделирования дают хорошее согласование по величинам выпадений с экспериментальными оценками P.M. Разакова и К.А. Косназарова (1987). Это замечание относится и к карте средних многолетних сухих выпадений солевого аэрозоля за год. Она получена по карте (рис. 3), исходя из предположения, что в массе аэрозоля солей содержится 3%. Именно такого порядка величины содержания солей в выпадающем аэрозоле были получены по результатам экспедиционных измерений КазНИГМИ сухих осаждений на осушенном дне моря (2-3%). По исследованиям узбекских ученых, в дельте Амударьи содержание солей в выпадающем аэрозоле достигает существенно больших величин (5-6%), увеличиваясь непосредственно у солончаков до 20-30% и даже изредка до 40% (Разаков, Косназаров, 1987). Поэтому солевые
выпадения в Северном и Восточном Приаралье существенно меньше, чем в дельте Амударьи, достигая в прибрежной полосе (1.5-3 т/км2-год).
Рис. 3. Карта-схема средних многолетних значений сухих выпадений песчано-солевого аэрозоля (т/км2тод) от дефляционных процессов на осушенной части дна Аральского моря: 1 - площадь осушенного дна моря, 2 -современная береговая линия, 3 - изолинии сухих выпадений. Fig. 3. Scheme map of the average long-term values of the sand and salt aerosol dry deposits (t/km2-year) caused by deflation on the Aral Sea dried bottom: 1 -area of the dried bottom, 2 - present day coastal line, 3 - isolines of dry deposits.
Можно отметить хорошее согласование рассчитанных нами величин сухих выпадений в указанные годы с измеренными в дельте Амударьи узбекскими учеными. Это позволяет сделать вывод о правильной оценке мощности Аральского источника выноса аэрозолей 50% обеспеченности - 1.17 млн. т в год (Галаева, Семенов, 1997), которая была положена в основу расчетов.
Прогноз влияния осушенной части дна Арала на окружающие территории
Чтобы дать количественный прогноз выноса и выпадения Аральского аэрозоля на окружающую территорию по мере дальнейшего падения уровня воды в Большом море необходимо иметь следующую минимально необходимую прогностическую информацию:
• метеорологические параметры (число и продолжительность бурь, скорость и направление ветра во время бурь на прогнозируемый период);
• гидрологический прогноз уровня воды в водоеме для определения геометрических размеров осушенной части дна моря;
• прогноз дисперсного состава осушающихся грунтов дна; прогноз содержания солей в составе грунтов и в потоке аэрозолей.
Прекращение работ по научному гидрометеорологическому мониторингу за падением уровня Арала и его последствиями в начале 90-х годов 20 века значительно снизило возможности для
прогноза развития процессов дефляции осушенной части дна моря в нынешние времена. Из этого перечня параметров даже для современной оценки процессов выветривания мы располагаем очень урезанной информацией. В Казахстане МС Уялы перенесена вглубь континента и не отражает реально протекающие метеорологические условия на осушенном дне, МС о. Лазарева и о. Барса-Кельмес закрыты. Поэтому приближенную картину масштабов выноса Аральского аэрозоля в настоящее время можно получить лишь путем моделирования процессов ветрового переноса тяжелых быстро оседающих частиц грунта осушенной части дна и по информации с искусственных спутников Земли.
Во время песчаной или пыльной бури при прохождении потока воздуха над источником частиц в планетарном пограничном слое атмосферы (ПСА) формируется поток, насыщенный частицами твердой фазы. После выхода такого двухфазного потока за пределы штормовой зоны и источника поступления в него тяжелых быстро оседающих аэрозолей, он начинает терять частицы - они начинают осаждаться на поверхность земли под действием силы тяжести. Процесс седиментации частиц различного размера идет с разной скоростью. Более крупные частицы выпадают из потока первыми и близко от источника их выноса. Мелкие частицы улетают на значительные расстояния. Таким образом, формируется шлейф выноса частиц с постепенно уменьшающейся их концентрацией по мере удаления от очага выветривания. Пылевые шлейфы бурь различного геометрического масштаба хорошо видны на космических снимках. Шлейфы в районе Аральского моря могут достигать в длину несколько сот километров. В других географических районах Земли в условиях сильных ветров шлейфы, состоящие из очень мелких частиц размером порядка одного и менее микрометра, имеют протяженность, достигающую иногда тысячу и более километров. Шлейфы такого масштаба характерны для пыльных бурь лессового плато Китая, выносов аэрозоля из пустыни Сахары.
В центральной Азии одним из наиболее мощных источников поступления в атмосферу природных аэрозолей является высыхающее дно Арала. Если в 60-х-80-х годах прошлого века выдуванию подвергались части дна, сложенные песчаными и супесчаными грунтами, то сейчас к ним присоединились и грунты, состоящие из алевритовых осадочных пород. Поведение такого мелкого аэрозоля в районе Арала совершенно не изучено. Не известен его элементный и ионный состав, содержание в атмосферных потоках, влияние на рассеяние и изменение спектрального состава солнечного излучения, и его радиационный баланс. Известно только, что алевриты состоят преимущественно из минеральных зерен (кварц, полевой шпат, слюда и др.) размером 0.005-0.1 мм (5-100 мкм). Но детальная информация о функции распределения частиц по размерам отсутствует.
Алевритовые породы должны так же легко подвергаться выдуванию, как и песчаные, так как они содержат в своем составе те же наиболее легко перемещаемые ветром частицы размером 70-100 мкм. Наличие в них более мелких частиц размером 5-50 мкм должно приводить к формированию более длинных шлейфов выносов аэрозолей из-за большей продолжительности жизни этих частиц в атмосфере, т.е. - к переносу частиц на большие расстояния.
После начала выветривания в начале 21 века песчано-алевритовых донных отложений увеличилось число хорошо видимых по космическим снимкам шлейфов выноса от пыльных бурь. Это объясняется вовлечением в процессы переноса более мелких частиц размером 10-20 мкм. Индикатриса рассеивания света этих частиц имеет вид сильно вытянутых вперед по направлению луча эллипсов. Это делает их хорошо видимыми и ведет к уплотнению снимков шлейфов выноса. Эти мелкие частицы могут уже транспортироваться на значительно большие расстояния - до 6002500 км. Анализ космических снимков 2002-2004 годов со спутников КОАЛ показал, что максимальные расстояния, на которые распространяются шлейфы бурь, были в 2002 г. - 620-700 км, в 2004 г. достигали в длину 540-660 км. Расстояния выноса аэрозоля выросли 1.5-2 раза по сравнению с их переносом в конце 20 века. Частиц менее 10 мкм при бурях в потоке, по-видимому, очень мало, так как при их ощутимом присутствии, масштабы шлейфов были бы ещё более значительными.
Уменьшение размеров выносимых ветром частиц и увеличение засоленности донных отложений должно привести и к увеличению выноса солей на окружающие территории.
Таким образом, в ближайшем будущем следует ожидать увеличения числа и длины шлейфов выноса аэрозоля с новых осушенных площадей Большого Арала, роста площадей территорий, на которых будет происходить седиментация алевритовых частиц размером 10-50 мкм и возрастания эолового засоления почв.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азыдoвa Р.Н., Семенов O.E. Оценка объемов ветрового переноса песка в районе Аральского моря по наблюдениям метеорологических станций // Тр. КазНИИ Госкомгидромета. 1985. Вып. 85. С. 13- 19.
2. Гaнaeвa O.С., Семенов O.E. О мониторинге выноса песчано-солевого аэрозоля с осушенной части дна Аральского моря // Гидрометеорология и экология. 1997. № 2. С. 11б - 120.
3. Гaлaeвa O.С., Семенов O.E., Шaпoв А.П. Об особенностях ветрового переноса песка в Аральском регионе // Гидрометеорология и экология. 199б. № 4. С. 73-93.
4. Жвтев В.Ф., Дьяченко Л.Н., Рoмaнoвa Т.С. Измерение прозрачности атмосферы и аэрозольных характеристик в регионе Аральского моря // Мониторинг природной среды в бассейне Аральского моря. СПб.: Гидрометеоиздат. 1991. С. 132-143.
5. Kaипов И.В. Моделирование трансформации ветропесчаного потока при изменении характеристик подстилающей поверхности II Актуальные проблемы гидрометеорологии озера Балхаш и Прибалхашья. СПб. 1995. С. 148-159.
6. Кириченко Л.В., Щuгopeвa Н.И. Минеральная пыль и ее химический состав над некоторыми районами Средней Азии //Тр.ИПГ. 197б. Вып. 21. С. 133-148.
7. Koвaлeв А.Ф. Некоторые характеристики поверхности земли как источника атмосферного аэрозоля // Тр. ИЭМ. 1990. Вып.5 1 (142). С. 83-87.
8. Рaзaкoв P.M., Kocнaзapoв К.А. Эоловый вынос и выпадение солепылевых частиц в Приаралье // Проблемы Аральского моря и природоохранные мероприятия. Ташкент. 1987. С.24-32.
9. Семёнов O.E. Оценка ветрового выноса песка и солей с осушенной части дна Аральского моря // Тр. КазНИИ Госкомгидромета. 1988. Вып. 102. С. 39 - 54.
10. Семенов O.E. Радиационнобалансовая модель плоскостных источников пыления поверхностей и оценка фоновых сухих выпадений // Гидрометеорология и экология. 199б. №2. С. 38 -44.
\\. Семенов O.E., Kaипов И.В., Шaпoв А.П. Песчано-солевые бури в Приаралье //Гидрометеорологические проблемы Приаралья. Под ред. Г.Н. Чичасова. Л.: Гидрометеоиздат. 1990. 27б с.
12. Семенов O.E., Тyлuнa Л.П., Чuчacoв Г.Н. Об изменениях климата и экологических условий Приаралья // Мониторинг природной среды в бассейне Аральского моря. СПб.: Гидрометеоиздат. 1991. С. 150-17б.
13. Razakov R.M., Kosnazarov K.A. Dust and salt transfer from the exposed bed of the Aral Sea and measures to descrease its environmental impact //' The Aral Sea Basin / Ed. Ph. P. Micklin, W.D. Williams. NATO AST Series. Berlin. 199б. (2. Environment. Vol. 12). P. 95-102.
WIND DEFLATION AND SAND AND SALT DEPOSITION FROM THE DRAINED PART OF THE
ARAL SEA BOTTOM
© 2006 r. O.E. Semenov, A.P. Shapov, O.S. Galaeva, V.P. Idrisova
Kazakh Research Institute of Ecology and Climate 050022, Almaty, pr. Seifullin, 597, Kazakhstan
Sand and salt storms in Aral region are frequently repeating spontaneous natural phenomenon. They contribute to desertification of the region. Until recently it was considered that wind-caused expansion of sandy deserts on surrounding territories occurs due to movement of sandy barchans. However, it appeared that there is more aggressive and effective way of desertification. Space images revealed very thin and wide zigzag layers of sand stretching from deserts to large distances and occupying significant areas. These are congestions of coarse-dispersion r particles depositing from deflation tails of strong sandy storms.
Improvement of model and development of the block for vector analysis of sand transport by wind allowed receiving more accurate capacity estimations of the two key deflation sources at the Kazakhstan part of the Aral Sea drained bottom taking into account their geometrical sizes and deflation directions. Average long-term amount of aerosol transported from these sites was estimated in 7.3 million tons a year for the period of 1966 through 1979. This estimate should be considered as close to maximal because it was based on the dependence of the total sand discharge in a ground layer of atmosphere during storms on the Frud's dynamic number with 5% security. Climatic estimates it require 50% cumulative probabilities which are close to expected value. Therefore, application of the total sand discharge dependence of 50% security would result in decrease the estimate of the transported sand mass from 7.3 million tons to 1.6 million tons a year.
Further monitoring of the deflation processes at the bottom of the Aral Sea showed cyclicity in their intensity, and in 80-s recession phase was observed. Despite the growth of drained areas at the sea bottom it resulted in reduction of the average long-term mass of transported dust with 50 % security to 1.12 million tons a year during 1966 through 1986.
Future decrease of the sea level will lead to significant growth of geometrical area of the Eastern deflation site which will merge with Barsa-Kelmes island. Kokaral and Saryshagan sites will form single Northern source. Change of the geometrical sizes of sources causes the average annual mass of aerosols increases to 1.29 million tons. But, it is likely that this figure will be higher because in the beginning of 90s sand transportation tended to grow and it is expected that phase of 80s recession in deflation intensity will be followed by the period of increased wind activity. Therefore it is necessary to continue climatic monitoring over deflation processes at the drained bottom of Aral sea, which stopped in 1992.
During the sand or dust storm the air stream passes over the source of particles and in the planetary boundary layer of atmosphere (BLA) the stream is formed rich in solid particles. After such a biphase stream leaves the storm zone and limits of source providing heavy quickly settling aerosols, it starts to lose particles as they deposit on the surface due to gravity. Sedimentation of particles of various size goes with different speed. First large particles drop out of stream close to the source of their deflation. Small particles transport to significant distances. Thus, the tail of particles deflation is formed with gradual reduction of particles concentration with increase in distance from the center of aeration. Dust tails of storms with various geometrical scale are quite visible on space images. Tail in the Aral Sea area can be several hundred kilometers long. In other geographical areas of the Earth with strong winds the tails consisting of very small particles with the size of less than one micron can be one thousand and more kilometers long. Such tails are typical for dust storms at the loess plateau of China and aerosol deflations from Sahara desert.
In the central Asia one of the biggest sources of natural aerosols coming to the atmosphere is drying bottom of Aral Sea. In 60-80s of the last century only parts of bottom consisting of sandy and clay-sandy grounds experienced deflation. Now grounds with aleuric sediments are also subjected to deflation. They consist mainly of mineral grains (quartz feldspar, mica, etc.) with the size of 0.005-0.1 mm (5-100 microns). Aleuric rocks should be as easily eroded as sand because they contain the same particles of 70-100 microns easily moved by wind. Presence of smaller particles of 5-50 microns should result in formation of longer aerosols tails because of the greater lifetime of these particles in the atmosphere, and therefore lead to transport of particles to the longer distances. The analysis of space images for 20032004 confirms the increased frequency and optical density of dust tails deflated from the Aral Sea area.
