Лёд и Снег • 2013 • № 1 (727)
Критика и библиография
УДК 551.2/.3
Снежный покров как индикатор кумулятивного загрязнения земель1
© 2013 г. В.Р. Алексеев
Институт мерзлотоведения имени П.И. Мельникова СО РАН, Якутск;
Институт географии имени В.Б. Сочавы СО РАН, Иркутск Snow@irk.ru
Статья принята к печати 25 октября 2012 г.
Геоэкология, гляциоиндикация, загрязнение земель, загрязнение снежного покрова, исследование Земли из космоса, снег.
Geoecology, glacio-indication, pollution of lands, snow cover pollution, remote studies from space, snow.
Освещаются итоги работ по изучению загрязнённого снежного покрова на космических снимках, вокруг городов и транспортных магистралей на территории Российской Федерации, в зарубежных странах и на континентах, полученные российскими учёными В.Г. Прокачевой и В.Ф. Усачевым в последние 30 лет и представляющие собой фундаментальный вклад в гляциологию и геоэкологию. Рассматривается вопрос о постановке специальных подспутниковых наблюдений и исследований, направленных на совершенствование методики гляциоиндикации загрязнённых земель и определение количественных характеристик загрязнителей.
Введение
Снег, такой привычный и такой загадочный, никого не оставляет равнодушным. Его любят, им наслаждаются, используя в самых разных ипостасях, но и опасаются, а то и вовсе страшатся, обращаясь к разным способам защиты и противодействия. «Снег-друг» и «снег-враг» — прописные истины. Учёные знают, что снег — величайший источник информации, своеобразное зеркало событий прошлого и свидетель настоящего. Обнаружить и прочитать информацию, скрытую в шестиугольной снежинке, в структуре стратиграфической колонки, на поверхности свежевыпавшего, метелевого или старого и лежалого снега — непростая задача. Это предмет важного научного направления — гляциоиндикации природных процессов и явлений. В последние годы гляциоиндикация приобрела большое значение, особенно в связи с глубоким бурением ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии, а также бурением скважин на горных ледниках Кавказа, Сибири и некоторых других районов мира. Благодаря ледяным кернам появилась возможность восстанавливать историю климата, состав атмосферы, время вулканических извержений и др. Серийные космические снимки земной поверхности, на которых хорошо фиксируется загрязнённый снежный покров, открыли широкие возможности для оценки экологического состояния нашей планеты.
Известно, что кристаллы снега загрязняются уже в процессе своего образования за счёт поглощения мелких частиц (ядер кристаллизации), взвешенных в атмосфере. В значительной степени насыщение снега инородным веществом происходит и при его выпадении, когда сублимационные кристаллы, сталкиваясь друг с другом, образуют хлопья; при этом они захватывают, переносят и осаждают аэрозольные элементы. Поэтому воздух во время снегопадов и после них становится чистым. При сильном загрязнении атмосферы возможно выпадение грязного или цветного снега, но это случается редко — всё зависит от содержания и состава загрязняющих веществ в надземном пространстве. С увеличением толщины снежного покрова на поверхности Земли загрязнённость снега возрастает: она становится тем больше, чем выше концентрация в воздухе оседающих между снегопадами загрязнителей и чем длиннее зимний период. Наиболее сильное загрязнение снега происходит в результате пыльных бурь, лесных пожаров, извержений вулканов, а также под влиянием деятельности человека. Различают фоновое загрязнение снега, обусловленное осаждением взвешенных частиц на большой территории (оно определяется общей циркуляцией и взаимодействием атмосферы с поверхностью Земли), и локальное, возникающее вокруг наземных источников загрязне-
1Обзор исследований российских учёных В.Г. Прокачевой и В.Ф. Усачева.
ния, образующих ореолы повышенного содержания ингредиентов в снежной толще.
Характеристики снежного покрова в зоне активной деятельности человека всегда существенно отличаются от фоновых значений. Вокруг городов, промышленных центров, сельских поселений, вдоль железных и автомобильных дорог и многих других объектов инфраструктуры формируются ореолы загрязнения местности. Выпавшие на поверхность снега частицы при очередных снегопадах переходят в погребённое состояние, а поверхность снега становится относительно чистой, повышается её отражательная способность; при метелях загрязнители смешиваются с измельчёнными при сальтации ледяными кристаллами, размывая и расширяя границы загрязнённости. Оседающие вещества достаточно хорошо фиксируются в разрезе снежной толщи, подчёркивая её слоистость. Зная время выпадения зимних осадков, можно установить дату выброса вредных веществ, а анализируя пробы снега по всему разрезу, определить состав, количество и динамику их накопления в холодный период года.
Ореолы загрязнения местности отражаются на аэрокосмических снимках, особенно в период снеготаяния, и позволяют фиксировать экологически неблагоприятные ситуации единовременно и на больших пространствах. Это обстоятельство выяснилось при анализе материалов первых телевизионных съёмок с искусственных спутников Земли и послужило основанием для постановки широкомасштабных исследований по оценке кумулятивного (суммарного) загрязнения земель на территории России, других государств и на континентах в целом. Работа была начата по инициативе сотрудников Государственного гидрологического института (г. Санкт-Петербург) В.Г. Прокачевой и В.Ф. Усачева в рамках программы лаборатории аэрокосмических методов исследований ещё в 1971 г. и с некоторыми перерывам продолжается до сих пор. За это время дешифрировано огромное количество как отечественных, так и зарубежных снимков, полученных с ИСЗ, выполнены расчёты, обработка и анализ собранных данных. В итоге подготовлены и опубликованы монография [10], серия справочников [2, 3, 11—15] и несколько статей [5, 7, 9]. К сожалению, тиражи этих работ небольшие — 50—100 экземпляров. Большинство из них сразу после выхода в свет из печати стали библиографической редкостью и фактически оказались недоступны широкому кругу потребителей. Именно поэтому возникла необходимость сделать обзор результатов выполненных исследований и оценить полученную информацию с позиций современных задач гляциологии и геоэкологии. Работы под руководством и при непосредственном участии В.Г. Прокачевой и В.Ф. Усачева выполняли в несколько этапов.
Этап I. Разработка методики оценки загрязнённости снежного покрова и земель (1971—1989 гг.)
В 1970-е годы перед исследователями стояла скромная задача — выяснить причины аномального затемнения снежного покрова вокруг городов и вдоль дорог и использовать телевизионные снимки с ИСЗ для изучения влияния урбанизации на режим весеннего половодья и загрязнение водных потоков в районах предполагаемого пионерного освоения территории. При анализе снежного покрова на снимках городов Караганды, Омска, Воркуты, Норильска и некоторых других был сделан важный вывод о перспективности использования космической информации для решения многих вопросов гидрологии. Однако вскрылось и много неясного в происхождении ореолов, способах их измерения, методах обработки данных, их интерпретации. Тем не менее, первый опыт использования спутниковых изображений принёс положительный результат и нашёл отражение в специальном издании [1], где, кроме методических рекомендаций по дешифрированию снимков и картографированию ореолов загрязнения, дана программа дальнейших работ, направленных на оценку особенностей разрушения устойчивого снежного покрова в очагах интенсивного выброса вредных веществ.
Комплекс подспутниковых наземных и авиационных исследований, поставленных в районе городов Воркуты (1978 г.), Мончегорска и Апатиты (1980 г.), Орла и Нерюнгри (1981 г.), Ленинграда (1982 г.) и др., растянулся почти на 15 лет. Одновременно с экспедиционными наблюдениями вели опытно-экспериментальные работы на стационарных участках, где имитировалось естественное загрязнение снега, определялись его свойства, фиксировались особенности стратификации и процессы разрушения. Важное значение приобрели совместные исследования с немецкими учёными в районе Ильичево под Ленинградом (1982, 2984, 1985, 1987 г.) и в горах Гарца (ГДР), для проведения которых немецкая сторона выделила многоканальный спектрофотометр. С помощью этого прибора определялись коэффициенты яркости снежного покрова — чистого, в естественном состоянии, и при искусственном запылении. Результаты работ, опубликованные в совместном издании [19], позволили более обоснованно дешифрировать космические материалы, провести их анализ и математическую обработку.
В 1980—1985 гг. в лаборатории появилось большое число космоснимков высокого разрешения, полученных системой ИСЗ «Метеор-Природа» и предоставленных региональными вычислительными центрами Москвы, Новосибирска и Хабаровска. Началось широчайшее исследование состояния снежного покрова в зоне влияния городских агломераций и транспортных систем. Изучена территория вокруг 540 городов Совет-
Рис. 1. Примеры корреляции размеров загрязнённой территории с плотностью населения (а—в) и густотой дорожной сети (г) для субъектов Российской Федерации [3]: а — с преобладанием загрязняющих видов промышленности (металлургия, химия и нефтехимия, цементная, теплоэнергетика, добыча полезных ископаемых); б — средний уровень развития промышленности (машиностроение, деревообработка, легкая, пищевая); в — крупные культурные центры, средние и малые города административного, рекреационного назначения Fig. 1. Correlation of the size of polluted territory with population density (a-в) and with road network density (г) for subjects of the Russian Federation [3]: а - kinds of the polluting industry predominating (metallurgy, chemistry and petrochemistry, cement industry, heat power industry, and mining); б - mean level of industrial development (mechanical engineering, woodwork and timber industry, and light and food industry); в - large cultural centers, medium-sized and small administrative and recreational cities
ского Союза с численностью населения более 50 тыс. человек.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.