Арктическая дымка и атмосферные осадки
П.Ф.Свистов, М.Т.Павлова
Влияние человеческой деятельности заметно сказывается на природных условиях не только урбанизированных и густонаселенных территорий, но даже ледяного плато Северного Ледовитого океана. Климат Арктики особенно чувствителен к наличию загрязнений в воздухе. В 2007-2008 гг. полярники собрали здесь осадки с необычным химическим составом. В единичных пробах были обнаружены одновременно фоновые концентрации основных компонентов, повышенное количество хлорида натрия при наличии сплошного ледяного покрова и сверхвысокое содержание микроэлементов.
С июня по август 2007 г. наблюдения проводились на Ледовой базе (ЛБ-35) — льдине с небольшим дрейфом. В октябре их перенесли на российскую научно-исследовательскую дрейфующую станцию Северный полюс-35 (СП-35). Траектория дрейфа льдины проходила в пределах абиссальной равнины Баренца (котловина Нансена), от точки с координатами 81°27' с.ш., 115°19' в.д. до точки 81°15' с.ш., 29°15' в.д. Станция начинала свой путь от северовосточного побережья Северной Земли и двигалась сначала в северо-западном, затем в западном направлении в сторону Земли Франца-Иосифа. За 284 дня (21.09.2007—30.06.2008) в ав-
© Свистов П.Ф., Павлова М.Т., 2014
Петр Филиппович Свистов, кандидат географических наук, старший научный сотрудник отдела мониторинга и исследований химического состава атмосферы Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова (Санкт-Петербург), химик-аналитик. Многие годы занимается химической географией атмосферных вод.
Маргарита Тихоновна Павлова, ведущий химик-аналитик того же отдела. Область научных интересов — разработка и совершенствование методов химического анализа природных вод.
тономном режиме она прошла 2422 км со средней скоростью 8.5 км/сут.
Атмосферные осадки собирались в ведро из химически стойкого белого полиэтилена объемом 10 л. Во время отсутствия осадков ведро закрывалось крышкой. Пробы осадков отбирали до марта 2008 г., и все они получены на ледяной поверхности Северного Ледовитого океана.
В статье также использованы данные о химическом составе осадков, полученные со станций российского Заполярья. Всего их 19, и некоторые ведут наблюдения за осадками уже в течение 30 лет.
Известно, что Северный Ледовитый океан, в отличие от других, не поставляет влагу в атмосферу. Напротив, он ежегодно забирает из мирового круговорота более 2 тыс. км3 воды. Циклоны и антициклоны образуются над океаном редко, чаще всего они приходят со стороны [1—4]. Так называемые арктические атмосферные фронты, проходя вдоль азиатского побережья летом, зимой опускаются до 60°с.ш.
Арктика не имеет собственных техногенных источников загрязнения воздуха. Особенности выпадения осадков, в том числе загрязненных, над этим регионом определяются тремя основными факторами: характером атмосферной циркуляции, закономерностями прихода и расхода тепла, а также воздействием подстилающей поверхности [1, 2]. Полярные день и ночь, большие площади дрейфующих льдов и встречающиеся в них разводья создают специфические условия для увлажнения воздуха и формирования химического состава осадков.
В холодный период года, когда наиболее развита циклоническая деятельность, осадки выпадают часто, но сумма их оказывается меньше, чем летом. Это объясняется заметным уменьшением влагосодержания воздушных масс в связи с понижением температуры воздуха по мере их удаления от Исландского и Але-
Российская научно-исследовательская дрейфующая станция Северный полюс-35. На переднем плане — устройство для сбора осадков на химический анализ.
Фото А.А.Висневского
Некоторые из российских станций, собирающих атмосферные осадки на химический анализ, а также международная станция фонового мониторинга Барроу на Аляске (США).
утского циклонических центров действия атмосферы в глубь Арктики. В летнее время повторяемость осадков уменьшается, а их интенсивность возрастает. В среднем для Арктики она составляет осенью 0.15, зимой — 0.12, весной — 0.09, а летом — 0.35 мм/ч на 1 м2 (или л/ч).
В Арктике чаще, чем где либо, выпадают мелкие фронтальные осадки из слоистых и слоисто-кучевых облаков. Внутримассовые осадки составляют небольшую долю от общей суммы, и очень редко бывают грозы. Средняя за год сумма осадков в районе дрейфа льдины со станцией СП-35 составила примерно 200 мм с колебаниями от 100 до 280 мм. Чаще всего шел снег, а дождь или дождь со снегом наблюдались только в летние месяцы. Были случаи выпадения ледяного дождя, что говорило о присутствии в свободной атмосфере переохлажденных облаков.
Состав осадков в Центральной Арктике
Наблюдения за аэрозолями в Арктике позволили выявить наиболее вероятные источники загрязнения ее атмосферы: локальные, региональные и попавшие сюда в результате дальнего переноса [3, 5, 6].
Местные (локальные) загрязнения проявляются в осадках, как это ни странно при сплошном ледяном покрове, через преобладающее содержание хлорида натрия (его основным источником обычно считают открытые водные поверхности и прибрежные зоны Мирового океана). При размахе значений концентрации ионов хлора от 0.2 до 30 мг/л во всех единичных и месячных осадках отношение хлора к натрию остается близким к 1.8 (морская вода). При движении в глубь континента концентрация хлора в осадках обычно резко па-
Ход изменения концентрации сульфатов в осадках на станции СП-35 (синие шкала и кривая) и в Норильске (красные шкала и кривая).
дает до 0.2 — 1.0 мг/л и появляется натрий терри-генного происхождения.
Следующие компоненты — сульфаты (0.1— 3.2 мг/л) и гидрокарбонаты (0.4—1.7 мг/л) — даже в сумме уступают хлоридам. Их присутствие в осадках связывают с наличием в воздухе диоксида серы и почвенной пыли соответственно. Но возможно и попадание в осадки сульфата магния из морской воды, а карбонаты могут образовываться при растворении углекислого газа из воздуха. При температуре чуть выше 0°С и концентрации диоксида углерода в воздухе 360 ррт образуется 1—2 мг/л гидрокарбонатов, что сопоставимо с обнаруженным содержанием.
В подтверждение роли региональных источников загрязнения в северо-восточном секторе Арктики сбор и химический анализ осадков проводили параллельно на двух станциях: СП-35 и в Норильске. Коэффициент корреляции между количественным содержанием основных компонентов на этих станциях в среднем за весь рассматриваемый период составляет 0.4, а в январе, феврале и марте приближается к 1.
Интересно, что в августе абсолютные минимальные концентрации сульфатов на льдине соответствуют низким значениям в Норильске. В целом же содержание сульфатов в Норильске выше, чем на СП-35, примерно в 40 раз.
Однако не все так определенно, если обратиться к данным непосредственных измерений химического состава осадков и наблюдений за метеорологическими условиями при их выпадении.
Зимой и летом осадки поступают из разных секторов Арктики, при этом они различаются интенсивностью и продолжительностью. Наименьшее их количество (около 5%) поступает с западным и юго-западным переносом, максимальное (до 20%) — с юго-востока. Выбросы от Норильска распространяются летом преимущественно на восток и юго-восток с заметной долей южной составляющей. Поэтому прямое попадание их в Центральную Арктику исключается либо происходит только по периферии воздушных потоков. Во время летнего муссона, образующегося в результате перепада давления и направленного в сторону континента, происходит не только блокирование влияния Норильска, но и самоочищение северовосточной части Арктики.
Зимний перенос в Норильске происходит с более холодной суши на море в северо-западном и западном направлениях и приводит к сильному региональному загрязнению в основном западных секторов Арктики.
и содержание основных компонентов (хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, кальция и натрия) сравнимы с фоновым, а концентрация тяжелых металлов оказывается сверхвысокой. Особенно велико содержание никеля (до 111.5 мкг/л при экологической норме 10 мкг/л). Более 45% таких осадков поступает с северо-востока и севера, т.е. от Североамериканского континента.
Арктическая дымка
Высокий уровень химического загрязнения воздуха в Арктике, по-видимому, стал причиной формирования так называемой арктической дымки. Ее образованию способствуют низко расположенные задерживающие слои (табл.1), которые практически постоянно присутствуют в атмосфере [5—8]. В этих слоях (инверсиях) температура воздуха возрастает или остается постоянной, в отличие от нормального ее падения с высотой. Повторяемость инверсий в холодный период года достигает 87%. Зимой практически над всей северной частью азиатской территории России и над окраинными морями она превышает 70%, в западной части Арктики уменьшается до 50% [5].
Явление дымки было хорошо известно даже первым полярникам, а отмечали ее во многих районах Арктики. Открытие же уплотнения и многослойности дымки положило конец более ранним представлениям о том, что аэрозольное
Таблица 1
Повторяемость инверсий и состав осадков в центральной Арктике
Характеристика Месяцы
I II III VI X XII VII-IX
Повторяемость инверсий, % 77 78 87 40 50 67 45
№, мкг/л 37 245 72 112 64 110 119
Fe, мкг/л 72 195 198 15 75 134 36
Zn, мкг/л 38 170 60 13 87 35 19
мкг/л 4.2 5.6 7.6 2.5 3.7 4.5 67
й, мкг/л 0.1 0.2 0.4 0.2 0.1 0.1 0.1
№, мкг/л 1.3 0.7 2.1 0.3 5.5 1.2 0.9
Проводимость, мкСм/см 166 46 32 3 46 112 7
Величина рН 5.4 5.3 4.7 5.7 6.3 4.9 5.9
Сульфаты, мг/л 3.2 2.3 2.0 0.1 1.0 2 0.2
Хлориды, мг/л 47 10 8 0.2 12 29 0.7
Сумма ионов, мг/л 81 25 17 1.1 23 54 3
Ю
Процентное распределение поступления атмосферных осадков на станцию СП-35 с разных направлений в 2007 и 2008 гг. Синей кривой показаны осадки холодного периода, красной — теплого, зеленой — июня.
Муссоны в то или иное полугодие не сохраняются здесь непрерывно, а часто сменяются ветрами других направлений. Так, в июне минерализация поступающих на станцию осадков (1.1 мг/л)
загрязнение может быть только локальным или региональным. В холодном и сухом воздухе полярных регионов некоторые частицы способны многие сутки оставаться во взвешенн
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.