e
Влияние глобального потепления на содержание летучих атмосферных примесей и их сток в леднике о. Галиндез, Антарктида
В.И. Богилло1, Р. Борхерс2, М.С. Базилевская1
1Институт геологических наук НАН Украины, Киев; 2Институт аэрономии М. Планка, Германия
Приведены результаты анализа легколетучих примесей в образцах льда из ледника, расположенного в прибрежной зоне Антарктического п-ова, рассмотрены возможные механизмы образования таких соединений в снежном покрове и сделаны оценки их эмиссии в среду при разрушении ледников.
Введение
Если влияние ледникового щита Антарктиды на климат и гидрологический баланс нашей планеты достаточно изучено, то о его роли в биогеохимических циклах различных химических элементов, распределении и стоке загрязнителей атмосферы пока еще мало известно. В конце прошлого века для процессов переноса таких стойких органических загрязнителей в атмосфере, как полициклические ароматические углеводороды, хлорорганические пестициды, поли-хлордифенилы и полихлордиоксины (фураны) был предложен механизм, называемый «глобальная дистилляция», «глобальное фракционирование», «эффект кузнечика» и включающий чередующиеся циклы их испарения и осаждения на поверхности раздела фаз в окружающей среде [28, 29]. Вследствие низких температур ледового континента разложение органических загрязнителей происходит очень медленно, а константы их распределения между поверхностью снега и атмосферой возрастают. Эти факторы приводят к накоплению токсичных соединений в снежном покрове и льду Антарктиды и делают ее гигантским аккумулятором таких веществ. Результаты глобального моделирования процессов переноса и стока полихлордифенилов и пестицидов с использованием нестационарных масс-балансовых многофазных моделей указывают на перераспределение указанных соединений в будущем от районов их эмиссии в тропиках и умеренных широтах до полярных регионов Северного и Южного полушарий и последующее там накопление [29]. Очевидно, что увеличение скорости таяния снежного покрова и абляции ледников Антарктиды под воздействием нынешнего глобального потепления приводит к эмиссии загрязняющих веществ в окружающую среду и к их возрастающему влиянию в первую очередь на экосистемы материка и Южного океана.
Еще одним фактором, который может вызывать возрастание концентрации загрязнителей атмосферы в окружающей среде Антарктиды, служат открытые недавно процессы синтеза этих веществ в снежном покрове и фирне полярных регионов и в прибрежных областях Южного океана. К подобным процессам относятся: биохимические реакции образования летучих О, Br и ^содержащих галогеналканов и серосодержащих соединений из прибрежных макрово-
дорослей, фитопланктона и ледовых микроводорослей [4]; абиотические фотохимические реакции образования окислов азота, карбоновых кислот, альдегидов, кетонов, алкенов, Br и ^содержащих галогенал-канов и серосодержащих газов из органического вещества в верхних слоях снежного покрова [23] и в поверхностном слое Южного океана [9, 18, 30]; окислительно-восстановительные реакции органического вещества, приводящие к накоплению Br и Ьсодержа-щих галогеналканов, карбонилсодержащих соединений и органических нитратов в глубоких слоях фирна [7, 11, 12, 22]. Указанные соединения могут затем
65,5°
ю.ш.
70,5"
Рис. 1. Антарктический полуостров и положение станции Академик Вернадский, около которой расположен о. Галиндез
Fig. 1. Antarctic Peninsula and location of the Ukranian station Akademik Vernadsky
0
127 -
Материалы гляциологических исследований, вып. 102
концентрироваться в более глубоких слоях снежного покрова при переносе их инфильтрационной водой и повторении циклов таяния-замерзания в ледниках умеренно теплых районов прибрежной зоны Антарктиды [5, 6]. Рост интенсивности образования айсбергов из выводных и шельфовых ледников и увеличение скорости их абляции при повышении температуры могут усиливать эмиссию этих примесей в окружающую среду.
В настоящей работе приведены результаты анализа легколетучих галоген- и серосодержащих примесей в пробах льда из небольшого антарктического ледника, расположенного на о. Галиндез вблизи украинской антарктической станции Академик Вернадский (65°14' ю.ш. и 64°16' з.д.); рассмотрены возможные механизмы образования таких соединений в снежном покрове и сделаны оценки их эмиссии в среду при разрушении ледников прибрежной зоны Антарктиды (рис. 1).
Результаты и их обсуждение
Методики отбора образцов льда, датировки слоев молодого льда с помощью анализа содержания в них изотопа 210Pb, а также воздуха, заключенного в слоях более древнего льда, с помощью анализа содержания изотопа 14C в окклюдированном углекислом газе, влажной экстракции летучих примесей из блоков льда, их криогенного фокусирования и анализа методами газовой хроматографии и хроматомасс-спе-ктрометрии подробно изложены в [1, 6]. В верхних слоях ледника (возраст от 12 до 70 лет) идентифицировано более 200 летучих органических соединений, включая насыщенные и ненасыщенные углеводороды, спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, гетероциклические соединения, F-, Cl-, Br-, I-, S- и Se-содержащие ациклические, ароматические и гетероциклические соединения. Большинство обнаруженных примесей имеют известные природные источники (растительность суши и океана, литосфера) либо образуются в результате реакций таких продуктов с активными частицами в тропосфере (O3, радикалами HO', RO', ROO', Cl', Br', I', NO3', ClO', BrO' и IO) [20].
В последующем анализе проб льда, отобранных из разных слоев ледника, количественно определялись следующие соединения: парниковые (CO2 и N2O) и серосодержащие (COS, CS2, CH3SCH3, CH3SSCH3) газы, пропилен и галогенуглеводороды природного происхождения (CF4, CH3Cl, C2H5Cl, CH2=CHCl, CH3Br, CH2Br2, CHBr3, CH3I, CHICHI и C2H5I), а также промышленного и, возможно, природного происхождения, — CHQ3, CH^^, CQ4, CH3CCl3 и Cl2C=CCl2, хлорофторуглеводороды и их заменители - CF2Cl2 (CFC-12), CFCl3 (CFC-11), CCl2FCClF2 (CFC-113), CClF2CClF2 (CFC-114), CHQF2 (HCFC-22). Эти соединения были определены в верхнем образце льда, и, за исключением CF4, CCl2FCClF2 и CClF2CClF2, все они демонстрируют высокие атмосферные отношения смешения по срав-
нению с их содержанием в современном воздухе. Результаты анализа указанных компонентов в слоях молодого и древнего льда представлены в табл. 1.
Фреоны, их заменители и хлорсодержащие растворители. Как видно из табл. 1, концентрации фре-онов и их заменителей (CF2Q2, CFQ3, СС1^ССШ2, ССШ2ССШ2 и СНСШ2), а также метилхлороформа, содержащегося в воздухе из проб льда, существенно уменьшаются при увеличении возраста проб; в пробе древнего льда они значительно ниже, чем в современной атмосфере. Незначительное остаточное содержание этих соединений в указанной пробе обусловлено, вероятно, их адсорбцией и растворением в квазижидких водных пленках на поверхности льда на стадии подготовки пробы большого объема (до 2,5 л) в лаборатории. Полученные результаты подтверждают вывод об антропогенном происхождении фрео-нов, заменителей последних и метилхлороформа в атмосфере Земли, сделанный на основе анализа кернов фирна из Центральной Антарктиды и Гренландии (возраст от 20 до 100 лет) [7].
Тетрафторметан. Такой долгоживущий парниковый газ, как CF4, имеет смешанное антропогенное (побочный продукт электролитического производства алюминия) и природное (эмиссия из гранитов и флюоритов) происхождение. Установленное в пробе древне-
Таблица 1
Содержание летучих примесей в пробах льда ледника о. Галиндез (трлндолей)
Соединение А Б В [X]r
CO2 (млн-1) 10850 2600 375
cf4 35 75 35-70
c3h6 553000 0-1740
CH3Cl 4430 7930 550 100-730
C2H5CI 450 200 2
CH3CCI3 1000 0 60-90 0-15
CH2=CHCI 180 2350 50 170-990
chcif2 170 5 120-170 1-30
cf2ci2 1000 40 520-560 10-535
CFCI3 380 70 250-340 10-170
cci2fccif2 125 40 80-90 5-120
ccif2ccif2 10 0 10-15 0-2
CH3Br 100 150 10 1-20
CH3I 130 600 0-1 1-80
c2 H 51 1000 480 0,2 4-70
COS 5800 74800 500 3500-50500
CS2 16800 6700 2-20 140-1900
CH3SCH3 12000 10-600
CH3SSCH3 44000 2-300
*Пробы льда из верхней части ледника (возраст 12—70 лет) (А), нижней части ледника (возраст-около 3700 лет) (Б), в стандарте воздуха (Майнц 1997) и в атмосфере над Южным океаном (В) и диапазон атмосферных отношений смешения примесей, скорректированных на их растворимость в воде ([Х]г).
128
го антарктического льда атмосферное отношение смешения этого соединения, которое на 50% ниже его современного значения в атмосфере, близко к полученному в пробах альпийского льда, датированных серединой XVIII и XIX вв. [4], что подтверждает природное происхождение CF4 в древней атмосфере Антарктиды.
В отличие от рассмотренных соединений, для остальных летучих галоген- и серосодержащих примесей и углекислого газа наблюдается значительное превышение их отношений смешения по сравнению с известным в современной атмосфере. Максимальные коэффициенты обогащения этих соединений в воздухе из 12 проб, отобранных вдоль профиля ледника, составляют 320 (C3H6), 30 (CO2), 60 (CH3Cl), 230 (C2H5Cl), 110 (CH2=CHCl), 20 (CH3Br), 1900 (CH3I), 6800 (C2H5I), 210 (COS), 50 (CS2) и до 12000 (CH3SCH3), что указывает на природные источники указанных веществ в окклюдированном воздухе ледника. Кроме того, найдено трехкратное обогащение проб льда из нижней части ледника и таким парниковым газом, как закись азота N2O, имеющим природные и антропогенные источники. Анализ воздуха из пробы льда, взятой из верхней части ледника, датируемой возрастом 70—200 лет, показал присутствие в нем других галогенуглеводородов океанского происхождения — CH2=CHI, CH2Br2 и СНВГ3 с коэффициентами обогащения 600, 25 и 360, соответственно.
Вероятными причинами обогащения льда теплого ледника летучими соединениями после осаждения на поверхность снега может быть их растворение в талой воде в летний период, просачивание в растворенном виде в поры более глубоких слоев снега и фирна верхней части ледника, образование твердой непроницаемой ледяной корки над этими слоями в холодное время года, повторение цик
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.