Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера"

Горюнова, Наталья Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера"
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера""

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА РАН

На правах рукописи УДК 551.465

ПОСТУПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАССЕЯННОГО ОСАДОЧНОГО ВЕЩЕСТВА В АРКТИКЕ НА ГРАНИЦЕ «ОКЕАН - АТМОСФЕРА»

специальность 25.00.28 - «океанология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 8 НОЯ 2010

Москва - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук В.П. Шевченко

Учреждение Российской академии наук Институт океанологии РАН, г. Москва

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор О.В. Япаскурт Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва

доктор физико-математических наук А.П. Макштас

Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ), г. Санкт-Петербург

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, г. Москва

Защита состоится «02» ноября 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного Совета Д 002.239.03 при Учреждении Российской академии наук Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: Москва, 117997, Нахимовский проспект, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Автореферат разослан «30» сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 002.239.03, кандидат биологических наук

Т.А. Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Микро- и наночастицы в рассеянной форме содержатся во всех природных геосферах Земли: атмосфере, криосфере, гидро- и биосфере, седиментосфере и в глубинных сферах Земли [Лисицын, 2010]. В рассеянном веществе преобладают тонкие частицы, что предопределяет их подвижность, значительную площадь поверхности, сорбционные и другие свойства, и в значительной мере также вещественный состав, дальность распространения в разных средах и возможность «пересадочного распространения» при обычном в природе переходе частиц из одной геосферы в другую. Рассеянное осадочное вещество своим качественным и количественным составом отражает все стороны осадочного процесса.

Особенности арктического региона, с точки зрения распределения вещества на границе «атмосфера-подстилающая поверхность», определяются уникальными условиями природной среды: совокупностью холодного климата (по сравнению с более южными районами) и наличием Северного Ледовитого океана (СЛО), занимающего большую часть площади. Почти полное покрытие поверхности океана льдом в холодную часть года (до 8-9 месяцев) делает ледовый перенос одним из важнейших механизмов горизонтального перераспределения вещества не только в течение года, но и на протяжении нескольких лет. Для осадочного процесса в Арктике характерен особый тип седиментогенеза - ледовый морской [Lisitzin, 1972,2002; Wefer, 1989].

Кроме того, снег и лёд регулируют в течение большей части года количество и состав рассеянного осадочного материала, выпадающего из атмосферы, и блокируют выветривание, речной сток и развитие растительности.

Присутствие аэрозолей в атмосфере и криосфере играет важную роль в формировании климата Земли в целом, влияя на термический режим атмосферы и земной поверхности [SHEBA, 1993; Макштас, Священников, 1998], что особенно ярко проявляется в условиях среды ледовых зон.

Изучение рассеянного осадочного вещества в различных средах Арктики необходимо для понимания процессов осадконакопления, также для оценки экологического состояния акватории, оказывающей огромное влияние на природную среду Земли. В свою очередь, глобальные изменения на Земле вызывают стремительные изменения во всех компонентах арктической среды:

от атмосферы до антропосферы [ACIA, 2004; Graversen, 2006; Haas et al., 2008;

Macdonald, 2008; Overland et al., 2008], отражаясь на качественном и количественном составе вещества, поступающего в Арктику [SEARCH, 2001; АМАР, 2002].

Цель работы: изучить особенности поступления и распределения рассеянного осадочного вещества на границе «океан-атмосфера» в слабо изученных областях Арктики.

Задачи. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. обобщение и систематизация опубликованных результатов предшествующих исследований в Арктике;

2. получение нового фактического материала в морях Северного Ледовитого океана и на его водосборах (отбор проб снега и льда, аэрозолей, подледной воды);

3. исследование вещественно-генетического состава нерастворимых частиц в различных средах: определение соотношения минеральной, биогенной и антропогенных составляющих, морфологии частиц для выявления источников вещества;

4. изучение элементного состава нерастворимых частиц в аэрозолях, снеге и льдах, а также подледной морской воде;

5. определение количественной и качественной составляющей вертикальных потоков аэрозолей в некоторых арктических районах и сравнение с данными литературных источников;

6. оценка роли аэрозолей в осадочном процессе и формировании природной среды Арктики.

Научная новизна. Настоящая работа представляет собой комплексное исследование вещества в удаленных и труднодоступных районах Северного Ледовитого океана. Пробы были отобраны по единой методике в различные сезоны года (в том числе в условиях полярной ночи), что не удавалось сделать ранее, несмотря на многочисленные работы последних десятилетий.

Рассеянное осадочное вещество аэрозолей, снега, льда и подледной воды характеризует ранее не учитываемые литологами и геохимиками особенности в области морского и ледового седиментогенеза, само существование которого ранее отрицалось.

Установлено, что рассеянное осадочное вещество снега на поверхности

дрейфующих льдов своим качественным и количественным составом отражает

состав аэрозолей Арктики. Также выявлено, что морской лед - природный

планшет Северного Ледовитого океана, где вещество накапливается в ходе

дрейфа и разгружается в местах встречи потока дрейфующих льдов с теплыми течениями (пролив Фрама), т.е. проходит по поверхности многие тысячи километров. Выявлено, что вертикальные потоки вещества из атмосферы в импактных районах Арктики (залив Ис-фьорд, архипелаг Шпицберген) сопоставимы с потоками из атмосферы в крупных промышленных районах Евразии.

Фактический материал, личный вклад автора. Изучены материалы, полученные в ходе рейсов по программе NABOS на л/к «Капитан Драницын» (2006, 2008 гг.), экспедиций на арх. Шпицберген 2007-2009 гг., в ю-в части моря Бофорта на л/к «Амундсен» в зимний сезон 2007-2008 гг. Часть проб была отобрана в ходе российских экспедиций на НЭС «Академик Федоров» (20002009 гг.), дрейфующих станций «Северный полюс» (2003-2008 гг.), экспедиций ПАЛЭКС в 2007-2009 гг. Были проанализированы также пробы окрашенного снега, выпавшего в марте 2008 г. в Архангельской области, Республике Коми и Ненецком автономном округе, и пробы снега и льда, отобранные в ходе экспедиций ИО РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и ФГУ «ГОИН» в район Белого моря (Онежский и Мезенские заливы).

Автор лично осуществляла отбор проб аэрозолей, снега, льда и подледной воды в арктических экспедициях. Лабораторная обработка, исследования под электронным сканирующим микроскопом, подготовка проб к различным видам анализа и некоторые химические анализы проводились автором лично. В работе представлена интерпретация и обобщение полученных материалов, их сопоставление с литературными данными.

Достоверность результатов. Данные по количественному и качественному

составу аэрозолей и криозолей получены и с помощью современных методов

пробоотбора, которые приняты в Институте океанологии РАН [Лисицын, 2001;

Шевченко и др., 2009], и обработаны на борту научно-исследовательских судов

и детально исследованы в лабораториях ИО РАН, ГЕОХИ РАН, научного

центра ЮНИС (UNIS) на Шпицбергене, в лаборатории им. О. Ю. Шмидта

(Санкт-Петербург) совместно с коллегами из перечисленных научных

учреждений. Для проверки достоверности результатов использованы

международные стандарты. Достоверность выводов обеспечена обширным

фактическим материалом, применением современных приборов и в ряде

случаев независимых методов получения материала и анализа.

Практическая ценность работы. В ходе работы получены новые данные о

количественном и качественном составе аэрозольного и криозольного вещества

в Арктике, которые впоследствии могут быть использованы как основные значения для построения новых моделей эолового и ледового переноса. Полученные данные и сделанные выводы могут использоваться и для изучения загрязнений в области морской ледовой седиментации (в атмосфере и снежно-ледовом покрове Арктики). Защищаемые положения.

1. Снег очищает атмосферу Арктики (мокрое осаждение), его состав отражает количество и состав аэрозолей, позволяет судить о потоках, происхождении и путях переноса. В фоновых районах Арктики в зимний период основным источником рассеянного осадочного вещества снега является дальний и сверхдальний перенос, поставляющий антропогенные (загрязнения) и терригенные компоненты. Летом рассеянное осадочное вещество поставляется в основном в результате локального и регионального переноса частиц, причем биогенные частицы (споры, пыльца, диатомовые водоросли) часто составляют основную часть рассеянного осадочного вещества снега.

2. Полученные нами экспериментальные данные показывают, что в Арктике такие элементы как Ni, Со, Zn, As, Sb в аэрозолях и снеге имеют преимущественно антропогенное происхождение.

3. Лед является депонирующей средой в бассейне Северного Ледовитого океана. При формировании льда и дальнейшей его трансформации имеет место явление «ледового насоса», вбирающего в себя аэрозоли, рассеянное осадочное вещество снега и водную взвесь из подледных слоев. Дрейф морского льда является фактором дальнего и сверхдальнего (более 1 тыс. км) переноса осадочного вещества в Северном Ледовитом океане.

4. Вертикальные потоки вещества из атмосферы в зимний период в промышленных арктических районах по нашим данным сопоставимы с потоками из атмосферы в крупных промышленных центрах Евразии.

Апробация. Результаты исследований автора, изложенные в работе, были

представлены на конференциях: SCAR/IASC IPY Open Science Conference

"Polar Research - Arctic and Antarctic perspectives in the International Polar Year"

(Санкт-Петербург, 2008), XVII Международной научной конференции (Школе)

по морской геологии (Москва, ноябрь 2007), Otto Schmidt Laboratory Annual

Meeting of 2007/2008 Fellowship Program (Германия, г. Киль, 2008), XVIII

Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (Москва,

ноябрь 2009), а также в ряде докладов на коллоквиумах лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН и на семинаре ИФА РАН. Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация насчитывает 172 страницы, 39 рисунков, 18 таблиц. Список литературы состоит из 189 наименований, из них 106 на иностранных языках. Благодарности.

Автор признательна В.П. Шевченко за научное руководство, своим родителям за любовь, терпение и поддержку. Автор благодарит А.П. Лисицына за ценные советы и замечания, A.A. Виноградову и И.В. Башинского за поддержку и помощь во время написания работы.

Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН, ААНИИ, ИФА РАН, ДВО РАН, российско-немецкой лаборатории им. О.Ю. Шмидта, университетскому центру ЮНИС (UNIS) на Шпицбергене. Огромное спасибо коллегам, с которыми проводились работы в суровых арктических условиях: П.В. Богородскому, C.B. Шутилину, М. Гупте (М. Gupta), за доброту и терпение спасибо А.Н. Новигатскому, А.Н. Чаркину, A.A. Голубеву.

Автор выражает благодарность Р. Каленборну (R. Kallenborn), С. Вайнбруху (S. Weinbruch), В.А. Никифорову, H.A. Марченко, сотрудникам кафедры океанологии МГУ и лично В.Л. Лебедеву, также В.В. Иванову, И.А. Дмитренко, Н.В. Кривозерцеву, К.А. Щербакову, командам и научному составу экспедиций на борту л/к «Капитан Драницын», «Амундсен» за оказанную поддержку во время работы. За помощь в аналитической работе автор благодарна В.В. Гордееву, О.М. Дара, Л.Л. Деминой, Е.Д. Добротиной, В.В. Зерновой, Е.О. Золотых, А.Б. Исаевой, В.А. Карлову, A.A. Карпенко, С.А. Поповой, Ф.В. Сапожникову, В.Н. Чуруну. Автор признательна В.Н. Лукашину, И.А. Немировской, спасибо A.A. Клювиткину за поддержку и ценные советы и предоставление материалов и проб из арктических экспедиций. Исследования по теме диссертации выполнены при финансовой поддержке РАН (программа фундаментальных исследований П-16, часть 2), Отделения наук о Земле РАН (проект «Наночастицы во внешних и внутренних сферах Земли») и российско-немецкой лаборатории им. О.Ю. Шмидта, проектов IPY-CFL, NorthPOP, SvalPOP, NABOS, PAICEX (ПАЛЭКС).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, отражены научная новизна и практическая значимость работы. ГЛАВА 1. Физико-географическая характеристика Арктики и современные изменения ее природной среды.

Дано краткое описание климатических и физико-географических особенностей изучаемого региона. Описаны современные изменения природной среды Арктики.

ГЛАВА 2. Рассеянное осадочное вещество в Арктике.

В работе проанализированы особенности поступления и миграции рассеянного осадочного вещества в Арктике, приведена карта главного направления дрейфа льдов (Рис. 2.1), дается описание предшествующих исследований, проведенных силами лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН [Gordeev, Kravchishina, 2009; Лисицын, 2010; Шевченко и др., 2010], а также зарубежными учеными [Pfïrman et al., 1990; Duce et al., 1991; Dethleff et al., 1994; Eicken et al., 1997; Ehn et al., 2007; Barber et al., 2009].

Циркуляция атмосферы играет важнейшую роль как в формировании климата Земли, так и в переносе, в том числе дальнем, аэрозольных частиц. Арктический фронт является зоной эффективного перемешивания и выпадения аэрозоля [Raatz, 1991]. Перенос и осаждение загрязняющих веществ имеет сезонный характер - зимой арктический фронт расположен намного южнее, чем летом. Весной и летом начинается интенсивное перемешивание воздушных масс, поступающих из умеренных зон [Виноградова, Полиссар, 1995; АМАР, 2002].

Снег является депонирующей средой - он вымывает из атмосферы твердые (аэрозоли) и растворенные (влагу и все виды загрязнений) вещества, фиксируя выпадения за весь период года (или главной его части) на поверхности дрейфующих льдов или почвы [Caritat et al., 1998; Лисицын, 2001; Шевченко, 2006]. Летом снег тает, и образуются снежницы. Рассеянное вещество снега и верхнего слоя льда скапливается на дне снежниц, а осенью вмерзает в лед - рассеянное вещество трансформируется в толще многолетнего льда в более концентрированные формы.

Лед, таким образом, становится уникальным природным планшетом для

осаждения и накопления снега с аэрозолями (мокрое осаждение) и

атмосферного рассеянного осадочного вещества, выпадающего на протяжении

длительной полярной ночи (сухое выпадение). Кроме того, лед является одной

из основных транспортных систем для осадочного вещества и загрязнений областей ледовой седиментации, обеспечивающей перенос вещества на многие сотни (однолетние льды) и тысячи (паковые льды) километров [Лисицын, 1978; 2010]. В результате разгрузки льда при таянии в подледную воду поступает вещество, накопленное ранее, и в процессе осаждения становится верхним слоем донных осадков. Глобальной областью разгрузки паковых льдов Северного полушария является пролив Фрама (Рис. 2.1).

150' 3 д «Г 150"в д

Рис. 2.1. Главные направления дрейфа льдов и захваченного льдами (и снегом) осадочного материала (по работе [Лисицын, 2010]).

Стрелки - траектории главных ледовых потоков, цифры в криодепоцентрах: объем ежегодно тающих льдов в депоцентре, цифры в квадратных скобках — поставка ледового и айсбергового осадочного материала (млн т/год).

1СТ0ЧН1

юрское

KÄIÄ^aJ море БОфорта

ri-j лтбрс Лаптевых

6 Г Г'' \

ш twK

россЦя

1ркаллпдия =

белое морс

ГЛАВА 3. Материалы и методы.

3.1. Материалы, используемые в диссертации.

В работе приведены данные анализа более чем 300 проб, из них: 7 проб аэрозолей, 134 пробы снега, 128 проб морского льда и 36 проб подледной воды (Рис. 3.1), которые удалось получить в разные сезоны в Арктике за последнее десятилетие (начиная с 2000 года).

т'з.д.__iso............................................;ивд

Рис. 3.1. Фактический материал, использованный в диссертации: Российская Арктика: 1 - отбор аэрозолей по маршруту следования л/к «Капитан Драницын» (2006, 2008 гг.), цифрами на маршрутной линии обозначено начало и окончание отбора соответствующей аэрозольной пробы; 2 - Белое море (Мезенский залив, 2006 г.; Онежский залив, 2007, 2008 гг.); 3 -Карское море, 2007 г.; Центральная Арктика: 17-й рейс НЭС «Академик Федоров», 2000 г., 4 - российские дрейфующие станции СП-32, 33, 34, 35, 36 (2003-2008 гг.), экспедиция ПАЛЭКС (2007, 2009 гг.); Канадская Арктика: 5 ~ юго-восточная часть моря Бофорта, 2008 г.; арх. Шпицберген: б - залив Ис-фьорд, 2008, 2009 гг.

Все работы проводились по единой методике и программе [Шевченко и др., 2009], что делает возможным сопоставление данных из разных экспедиций, а также сравнение с другими источниками и регионами. 3.2 Методы исследований. 3.2.1. Отбор атмосферных аэрозолей.

Отбор проб производился фильтрационным методом на пеленгаторной палубе судна с помощью аэрозольного пробоотборника ABA 1-150-02СП. Воздух прокачивался через ацетат-целлюлозные фильтры АФА-ХА-20 с рабочей поверхностью 20 см2, причем только при условии встречного ветра и неизменном курсе судна в течение всего времени отбора. Этот метод позволяет собрать не только нерастворимую (минеральную) часть эоловой взвеси, но и морскую соль, захваченную ветром с поверхности моря, и другие растворимые соединения, содержащиеся в атмосфере. Интегральное время экспозиции пробы обычно составляло примерно 1 сутки. Во время снегопадов, штормовых ветров и дождей отбор проб прекращался.

3.2.2 — 2.2.6. Отбор снега, льда, ниласа, подледной воды.

Пробы отбирались на удалении 150-550 м от судна (150-200 м от вертолета), с наветренной стороны в пластмассовые емкости с соблюдением всех мер предотвращения попадания загрязнения в пробы. Отбор ниласа осуществлялся с борта судна. Бурение льда производилось строго по методике, рекомендованной Национальным Американским Центром Данных по Снегу и Льду [Mahoney, Gearheard, 2008] с использованием бура фирмы KOVACS ENTERPRISES, INC. Отбор подледной воды производился батометром Нискина.

Пробы хранились и подготавливались к анализам в чистых комнатах класса А при комнатной температуре. 3.2.3. Аналитические исследования. 3.3.1. Фильтрация проб.

Пробы растопленного снега, ниласа, льда и подледной воды были профильтрованы через предварительно очищенные ядерные фильтры Nuclepore диаметром 47 мм с диаметром пор 0,4 мкм и параллельно через стекловолокнистые фильтры Whatman GF/F. Для уменьшения случайных ошибок каждая проба фильтровалась через 4—5 параллельных фильтров. Фильтрат подкислялся азотной кислотой особой чистоты для дальнейших анализов на растворенные металлы по методике, предложенной Л.Л. Деминой [Демина и др., 1983].

3.3.2. Сканирующая электронная микроскопия выполнялась автором совместно с В.А. Карловым в Москве на микроскопе JSM-U3 (Jeol, Japan) с максимальным увеличением 15000 раз.

3.3.3. Анализы на содержание Si, Al, Р были выполнены в Москве сотрудниками лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН -

A.Б. Исаевой и Е.О. Золотых по методике, принятой для анализа донных осадков [Гельман, Старобина, 1976].

3.3.4. Нейтронно-активационный метод (ИНАА) выполнен Д.Ю. Сапожниковым в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН [Колесов, 1994].

3.3.5. Атомная абсорбция (ААС) выполнялась в лаборатории физико-геологических исследований под руководством В.В. Гордеева и Л.Л. Деминой.

3.3.6. Взвешенный органический углерод анализировали в российско-германской лаборатории им. О.Ю. Шмидта (Санкт-Петербург) при содействии

B.Н. Чуруна и А.Е. Новихина.

3.3.7. Углерод. Анализы на сажевый и органический углерод выполнялись в Институте химической кинетики и горения СО РАН С.А. Поповой.

3.3.8. Рентгеноструктурный анализ выполнен в аналитической лаборатории ИО РАН О.М. Дара.

3.3.9. Обратные траектории. Для точек начала и конца отбора каждой пробы аэрозолей с помощью модели HYSPLIT, доступной на вебсайте Лаборатории воздушных ресурсов (NOAA Air Resources Laboratory -http://www.arl.noaa.gov/readv.htmn были рассчитаны и построены обратные траектории воздушных масс. Траектории рассчитывались для следующих высот: приводный слой атмосферы (20 м), а также 100 м, 500 м и 1000 м. ГЛАВА 4. Элементный состав аэрозолей Российской Арктики.

В работе представлены результаты изучения проб аэрозолей, отобранных

нами методом фильтрации воздуха в ходе рейса на л/к «Капитан Драницын» в

Европейской части Российской Арктики в августе - сентябре 2006 г.

Концентрации химических элементов, изученных методом ИНАА,

варьировали в широких пределах: Na от 790 до 4985 нг/м3, Са от 53,2 до 886

нг/м3, Со от 0,08 до 1,2 нг/м3, Ni от 0,10 до 218 нг/м3, Se от 0,10 до 0,63 нг/м3, As

от 0,34 до 1,18 нг/м3, Вг от 0,04 до 1,06 нг/м3, Sr от 10,7 до 33 нг/м3, Sb от 0,23

до 0,80 нг/м3, Ва от 10,6 до 57 нг/м3.

Для выявления возможных источников поступления химических

элементов в пробы были рассчитаны коэффициенты обогащения относительно

среднего состава земной коры (КО) по формуле:

КО = (Эл/Fe) пробы /(Эл/Fe) земной коры, где Эл и Fe - концентрации данного элемента и железа в пробе и земной коре [Rudnick, Gao, 2004], соответственно (Рис. 4.1).

Исследованные химические элементы можно разделить на 2 группы: терригенные и смешанного (морского, антропогенного и терригенного) происхождения, принимая граничное значение КО равным 10 [Горюнова, Шевченко, 2008].

10000

1000

ш 3

2 о о о

100-

■8-

0,1

ИА2ЖЗ*4*5 6+7

+ |

♦ + % >

* А

-Т

А +

i А

• +

X »

á Ж

Ce Sm Е) Yb Lu Na Са Sr Ва Fe Со Ni Zn Se As Sb Br Hf Zr

Рис. 4.1. Коэффициенты обогащения аэрозолей в пробах, собранных методом фильтрации в морях Российской Арктики по маршруту следования л/к «Капитан Драницын», 2006 г. Цифрами в легенде указаны номера проб (Рис. 3.1).

Коэффициент обогащения N3, Са, N1, Со, 1п, Бе, Аэ, Вг, БЬ высок в

пробах, отобранных на участке пути, свободном ото льда, что свидетельствует

о морском происхождении аэрозолей. Частицы морской соли обогащаются

многими микроэлементами в результате фракционирования в поверхностном

микрослое морской воды.

В точки отбора аэрозольных проб, для которых была мала вероятность

попадания частиц морской соли, и коэффициенты обогащения относительно

земной коры таких элементов как N1, Со, 7п, Бе, Ав, БЬ, превышали 100 (для Аэ

максимальное значение коэффициента обогащения равно 80), были построены обратные траектории переноса воздушных масс, позволяющие определить источник поступления аэрозолей.

После анализа обратных траекторий переноса воздушных масс в точки отбора проб и по элементам-маркерам установлено, что основным источником антропогенных аэрозолей в Российской Арктике являются промышленные районы Сибири и Европейской части России. ГЛАВА 5. Криозоль фоновых районов Арктики.

Опираясь на величины концентраций рассеянного осадочного вещества в различных секторах Арктики (Центральная Арктика, российский, канадский и норвежский сектора), считается, что Арктика - фоновый регион смешения аэрозолей [Лисицын, 2001, 2010; АМАР, 2006]. Полученные нами величины осредненного содержания нерастворимых частиц в снеге исследуемых районов Арктики (Рис. 5), а также их состав и свойства, в целом, это подтверждают.

Подробно рассмотрен количественный и качественный состав снежного и ледового покрова на рассматриваемых полигонах в Центральной Арктике, также в канадском и российском секторах Арктики.

Центральная ю-в часть заливы Белого Море Восточно- снег на амеразийский

Арктика моря Бофорта моря Лаптевых Сибирское дрейфующем бассейн,

море льду пролива дрейфующая Фрама* станция

AIDJEX"

Рис. 5. Осредненные концентрации нерастворимых частиц в снежном покрове фоновых районов Арктики (* [Шевченко и др., 2001], ** [Darby et al., 1974]).

5.1. Центральная Арктика (ЦА).

Содержание нерастворимых частиц в снежном покрове ЦА варьирует от 0,04 до 1,2 мг/л (0,33 мг/л - среднее значение для 143 определений), что сопоставимо с результатами предыдущих работ, проводимых в данном районе, но превышают значения концентраций взвеси в морской воде (менее 0,2 мг/л по работе [Шевченко и др., 2007]). В работе А.П. Лисицына [Лисицын, 2001] в свежевыпавшем осеннем снеге Арктики (пролив Франц-Виктория) среднее содержание эоловой взвеси оказалось равным 2,19 мг/л, что в 3 раза превышает полученное нами значение (Рис. 5.1.1). По данным электронной сканирующей и оптической микроскопии, осадочное вещество в наших пробах представлено биогенными, минеральными и антропогенными частицами в соотношении 15:75:10, соответственно (Рис. 5.1.2). Основная часть материала на фильтрах имеет тонкопелитовую (менее 1 мкм) и пелитовую (1-10 мкм) размерность. Размер некоторых частиц биогенного происхождения достигал 100 мкм [Goryunovaet al., 2008].

начало «летнего» сезона

1.2

1.2 0.8 0.4 0

0.37

0:19 Г-| 0.13 0 04 0.12 0.18

0.51

0.23

ef <9? ^ ^ ¿у ^

" " "

^ А

¿P J3 4?

4>r Л>~ £>

" V л.-3 л-3 л.'3 JV J*F ,<?>

О <v3 <vJ <v <ч' J2T s

/ ^ ° ^ & ° ^ ^

«летнии» сезон

экспедиция, год

Рис. 5.1.1. Средние концентрации нерастворимых частиц в поверхностном снеге Центральной Арктики в летний сезон, данные 2000-2009 г.

Во всех пробах снега в небольшом количестве обнаружены гладкие сферы сгорания диаметром 0,5-10 мкм. Набор минералов (кварц, кислые плагиоклазы, калиевые полевые шпаты, гиперстен, фрагменты сланцев, хлорид) из снега, свидетельствует о широком спектре пород, являющихся источником эолового материала. Это в основном щелочные породы, гранитоиды, а также

метаморфические породы. Сделан вывод, что решающим фактором переноса вещества в Центральную Арктику, является дальний перенос.

Содержание химических элементов в снеге Центральной Арктики находится на фоновом уровне. Определение некоторых элементов было затруднено, так как значения были на уровне чувствительности метода определения [Caritat et al., 1997; Hôlemann etal., 1997].

Рис. 5.1.2. Нерастворимые частицы в снеге и льду Центральной Арктики (экспедиция ПАЛЭКС, 2007 год, ледовый лагерь Эрнест), сторона квадрата фотографий - 50 мкм.

Снег

(минеральные зерна и растительные волокна)

Верхний сегмент

(«летучий» пепел)

Подошва

(диатомовые водоросли, растительные волокна)

Ледовый керн

Средний сегмент

(диатомовые водоросли)

Состав растворенного и взвешенного вещества морского льда ЦА формируется по следующей модели [Лисицын, 2001]: при образовании льда вещество захватывается из морской воды, далее при нарастании льда снизу, его подошва набирает биогенное вещество из подледной воды, поверхность же набирает вещество из снега, что доказывает анализ многочисленных проб, отобранных в ходе экспедиций на НЭС «Академик Федоров» в 2000 году и ПАЛЭКС в 2007-2008 гг.

5.2. Юго-восточная часть моря Бофорта

По данной зимней экспедиции на л/к «Амундсен» (Канада) концентрация нерастворимых частиц в пробах снега, отобранных в районе полыньи Кейп Батурст (Саре Ва^игй) в зимний сезон (южный секторе моря Бофорта) в декабре-январе 2007/2008 года, колебалась в пределах от 0,3 мг/л до 14,3 мг/л (13 проб).

По величине концентрации вещества пробы были разделены на три группы:

• типичные для свежевыпавшего снега в Арктике («чистые пробы»)

• со следами значимого атмосферного заноса вещества («относительно загрязненные пробы»)

• пробы с достаточно высокими для Арктики концентрациями вещества («пробы грязного снега»)

Для первой группы характерно низкое содержание нерастворимых частиц - концентрация варьирует в диапазоне от 0,3 до 0,8 мг/л, что сравнимо с районами ЦА [Лисицын, 2001; Шевченко и др., 2008]. При изучении проб с помощью электронного микроскопа выявлено преобладание минеральных частиц над биогенными в соотношении 85:15, соответственно. Минеральные зерна имеют разный размер и форму. Обнаружены единичные скопления глинистых агрегатов, непрозрачные минералы и обломки кальцита. Размеры частиц от 2 до 25 мкм. Отличительной особенностью данной группы проб является присутствие большого количества антропогенных частиц - сфер сгорания (размером от 1 до 3 мкм), что говорит о локальном загрязнении пробы и о возможности переноса данных частиц из алеутских поселков на севере Канады (Инувик).

Основным источником минеральных частиц, поступающих в Арктику в зимний период, когда арктические и субарктические территории покрыты снегом и льдом, являются почвы суши умеренной, гумидной и аридной зон. Перенос вещества на высотах менее 1000 м осуществляется из близлежащих арктических районов, что обуславливает невысокую, характерную для фоновых районов Арктики, концентрацию вещества, не превышающую 1 мг/л.

В пробах первой группы единично встречаются диатомовые водоросли, поступившие в пробу вследствие локального переноса мелких частиц с поверхности открытой воды в полынье.

Вторая группа объединяет пробы снега, концентрация нерастворимого вещества в которых находится в пределах 1,1—4 мг/л. В целом, пробы имеют пелитово-алевритовый состав, где соотношение фракций - 20:80. Пелнтовые частицы представлены скоплениями глинистых агрегатов, обломочными минералами и биогенными остатками в соотношении 20:75:5 (по данным оптической и электронной сканирующей микроскопии). Частицы алевритовой

размерности состоят в основном из кварца и плагиоклазов (Рис. 5.2.1). Единично в пробах встречается кальцит, чешуйки слюды, гидроокислы, эпидот, обломки горных пород. Биогенные частицы представлены крупными (более 25 мкм) остатками детрита, пыльцой и спорами растений. В некоторых пробах данной группы кварц составляет 25% от всего объема минеральных частиц, слюда же составляет 51%. Таким образом, осадочное вещество поступило в данный район в результате выветривания древних метаморфических пород Гренландии и Канадского архипелага и регионального переноса его с воздушными массами, что подтверждено обратными траекториями в точку отбора пробы. Кроме того, для второй группы проб характерен перенос воздушных масс в точку отбора проб со стороны Аляски.

Первая группа Вторая группа Третья группа

ШШУШШИЯЯИШИ! . • . .. щшк «дел ««й^^^шЭшнНН Г-3

Минеральные зерна и сферы сгорания Минеральные зерна Минеральные черна

Рис. 5.2.1. Вещественный состав проб снега в различных группах проб, отобранных в юго-восточной части моря Бофорта, в зимний сезон 2007/2008. Сторона квадрата фотографий - 50 мкм.

Третья группа проб характеризуется максимальной концентрацией

вещества - от 5,6 до 14,3 мг/л. Обратные траектории воздушных масс в точку

отбора проб с высокой концентрацией осадочного вещества показывают

дальний перенос материала с российской стороны. Материал таких проб имеет

также пелитово-алевритовую размерность, но отличается своим составом. В

процентном соотношении доля биогенного и минерального материала в пробе

составляет 40:60. Пелитовые частицы представлены скоплениями глинистых

агрегатов, частицы алевритовой размерности состоят в основном из кальцита

(кристаллического и органогенного). Встречаются плагиоклазы, чешуйки

слюды, гидроокислы. Биогенные остатки представлены лентовидными

остатками карбонатного состава. Средний размер частиц в пробах данной группы — 20 мкм. Для некоторых проб третьей группы соленость растопленного снега превышает среднюю соленость снежных проб данного района примерно в 5 раз и составляет 31,1 рзи. Это связано с непосредственной близостью места отбора снега к полынье, где сочетание открытой воды и сильных порывов ветра (до 40-50 м/с) - мощный генератор аэрозольного вещества.

Расчет КО (по данным ИНАА) относительно среднего состава земной коры по Бс для групп, выделенных по величине концентрации материала в снеге, показал, что химические элементы можно разделить на 2 группы: терригенного и смешанного (морского, антропогенного и терригенного) происхождения. Антропогенное влияние выделяется по N1, Бе, Аб и БЬ, что хорошо коррелирует с данными КО в пробах аэрозолей в Россиийской Арктике (Рис. 5.2.2, Рис.4.1), также с данными, полученными ранее в других районах Арктики [Шевченко и др., 1997; Бшюев, 2а§огос1поу, 2001; ОагЬаппо е! а1., 2002].

Рис. 5.2.2. Коэффициент обогащения вещества в пробах снега, рассчитанный по Бс (Канадская Арктика, зимний сезон 2007/2008 гг.). Цифрами в легенде обозначены номера групп проб (1-3).

При анализе сажевого углерода в пробах снега на дрейфующем льде в юго-восточной части моря Бофорта сделан вывод о незначительном

поступлении антропогенного вещества из промышленных районов. Средние значения содержания сажевого углерода в пробах на 25% превышают значения для ЦА [Grenfell et al., 2002] и почти в два раза превышают значения для шведской станции Абиско [Clarke and Noone, 1985].

Распределение криозоля в однолетнем арктическом льду выглядит следующим образом: увеличение концентрации в пограничных зонах «снег-лед» и «лед-морская вода», что связано с аккумуляцией и вмерзанием материала из атмосферы со снегом, т.е. сверху, а также и его захватом из воды при нарастании новообразованного льда снизу. Средние концентрации нерастворимых частиц: в верхнем сегменте керна - 0,8 мг/л, в подошве керна -1,8 мг/л, в подледной воде концентрация ниже, чем в подошве льда (от 0,3 до 1,4 мг/л, среднее значение - 0,7 мг/л). Состав вещества керна и подледной воды отличается только в верхнем слое, который подвергается большому влиянию вещества снега.

Таким образом, преобладающий захват криозоля молодыми однолетними морскими льдами происходит из морской воды, а не из снежно-ледового покрова.

5.3. Заливы Белого моря

Основным отличием проб снега, отобранных в заливах Белого моря, является длительный период снегозалегания и преобладание локального переноса над дальним переносом, что объясняется малыми размерами моря, окруженного сушей.

Свежевыпавший снег в исследуемом районе отличался сравнительно невысоким содержанием нерастворимых частиц (Рис. 5.3.1) - 0,65 и 0,4 мг/л.

В вещественном составе проб снега преобладают диатомовые водоросли, характерные для северных морей: Navícula protracta, Melosira granulata, Thallasiosira hyalina, Thalassiosira nordenskioeldii, споры и вегетативные клетки видов рода Chaetoceros [Макарова, 1988; Ильяш и др., 2003].

Содержание минеральных частиц в составляет около 70-80% от общего числа обнаруженных частиц. Около 10% составляют споры растений, антропогенные частицы (сферы сгорания и летучий пепел) составляют в среднем 5-7% от вещества проб. При приближении к крупным городам и поселкам концентрация взвеси в снеге возрастала до 10,1 мг/л, и сажа в отопительный сезон становилась основным компонентом взвеси, т.е.

характерно усиление влияния антропогенного аэрозоля.

Для ледовых проб Белого моря отличительной особенностью является повышенное содержание нерастворимых частиц терригенного и биогенного происхождения, что является доказательством интенсивности ветрового воздействия (взмучивания и перемешивания) в ходе формирования льда. Кроме того, в Двинском заливе в 2006 г. имело место явление, когда речные воды растекались по поверхности однолетнего льда, смешиваясь со снегом и формируя новые слои с особым составом вещества [Сажин и др., 2007; Шевченко и др., 2008]. Таким образом, в морском льду Белого моря также местами заметна роль криозоля речного генезиса с характерными пресноводными водорослями.

Губа Чупа, 0304.2004

Мезенский запив, 02.2006

Окрестности пос.Усть-Пинега, Архангельская область, 02.2006

Онежский залив, 03.2007

Онежский залив, 01.2008

Рис. 5.3.1. Средние концентрация нерастворимых частиц в поверхностном снеге Белого моря и его водосбора.

5.4. Море Лаптевых.

По нашим данным [Горюнова, Шевченко, 2009] величина средней концентрации нерастворимых частиц в снеге на поверхности льда Западной Арктики равна 0,48 мг/л, что сопоставимо с концентрациями в ранее описанных районах Арктики [Саг^ й а1., 2005; Согуипоуа ^ а1., 2008; Лисицын, 2010].

При сравнении качественного и количественного (Рис. 5.4.1) состава осадочного вещества в различных средах, можно выделить пограничную зону «снег-однолетний лед», и молодой лед (нилас), являющийся переходной зоной, вобравшей в себя вещество как снега, так и воды. При детальном рассмотрении проб под сканирующим электронным микроскопом (Рис. 5.4.2) были обнаружены сферы сгорания и летучий пепел. Построенные обратные траектории переноса воздушных масс в точку отбора пробы также

подтверждают возможное загрязнение пробы веществом, принесенным из крупных промышленных центров Севера России.

однолетним лед

подледная вода

Рис. 5.4.1. Концентрация нерастворимых частиц в различных средах, море Лаптевых (2006, 2008 гг.). Данные автора.

Во всех пробах было обнаружено незначительное количество

минеральных частиц и биогенного детрита, типичные арктические виды

диатомовых водорослей: Thallasiosira hyalina, Navícula directa, Thalassiosira nordenskioeldii, споры и пыльца растений.

Нилас

Подледная вода

Однолетний лед

(«летучий» пепел) (биогенные частицы) (минеральные зерна) (биогенные частицы)

Рис. 5.4.2. Нерастворимые частицы в пробах, отобранных в море Лаптевых, октябрь, 2008 г. (сторона квадрата фотографий - 50 мкм).

Также по данным атомной абсорбции (Рис. 5.4.3) удалось выявить следующие закономерности миграции вещества в системе «снег-нилас-вода»:

■ значения концентрации элементов в пробах находится на фонов ом

уровне,

■ Ре преобладает во всех средах во взвешенной форме,

■ Си и РЬ в снеге и воде находятся в основном во взвешенной форме, в ниласе же частично переходят в растворенную форму.

Содержание осадочного вещества и химических элементов в ниласе энергоактивных зон Арктики (полыней) моря Лаптевых и Канадской Арктики (полынья Кейп Батурст) находится на фоновом для Арктики уровне, но превышает их содержание в снеге и верхнем слое океана. Средний сегмент однолетнего льда в изучаемых районах содержит вещество молодого льда, что доказывает работу "ледового насоса" в энергоактивных зонах Арктики.

100 -

0,001

0,00001

□ взвешенная форма

I растворенная форма

Рис. 5.4.3. Соотношение концентраций химических элементов в растворенной и взвешенной формах в снеге, ниласе и морской воде (море Лаптевых, 2008 г., данные автора).

5.5. Дальний перенос аэрозолей. Выпадение снега, окрашенного в желтый цвет, на севере Европейской части России (2008 г.).

Выпадение большого количества пыли, окрашивающей атмосферные осадки в районах умеренной, субполярной и полярной зон Северного полушария в яркие цвета, наблюдается редко. На севере Европейской части России в ХХ-м и начале XXI-го века такие события официально не были

зарегистрированы вплоть до 25-26 марта 2008 г., когда в ряде районов Архангельской области, Республики Коми и Ненецкого автономного округа наблюдалось выпадение атмосферных осадков в виде мокрого снега и дождя, образовавших на снежном покрове ледяную корку, имевшую цвет от песочного до желто-оранжевого. В результате оперативного анализа проб подразделениями Росгидромета антропогенного загрязнения снега выявлено не было.

По результатам рентгенографического фазового анализа в составе желтой пыли преобладают кварц (от 45 до 52%) и глинистые минералы (от 25 до 35%). Отношение квари/полевые шпаты, являющееся одной из важных характеристик минерального состава аэрозолей, варьирует от 3,4 до 8,7 (в среднем 5,4).

Рис. 5.5.1. Обратные 120-часовые траектории переноса воздушных масс, поступивших в приземный слой и на высоты 500 и 1000 м над уровнем моря в окрестности поселка Емецк в 12.00 Гринвичского времени 26 марта 2008 г. Траектории рассчитаны с помощью модели НУЗРЫТ. Положение воздушных масс показано через каждые 12 часов.

Минералы железа составляют в среднем 5-7% по массе и представлены преимущественно гетитом, в виде примеси присутствуют гематит и лимонит. Именно эти минералы и определяют буровато-желтый цвет изученных проб. Местами гетит образует тонкие буроватые пленки на зернах кварца. Среди

глинистых минералов преобладает иллит, его содержание варьирует от 39,3 до 57% (в среднем 48,2% от суммы глинистых минералов).

Расчет обратных траекторий переноса воздушных масс показал, что воздушные массы пришли из северных или западных районов Европейской части России (Рис. 5.5.1).На высоту 500 м воздушные массы поступали из засушливых пустынных, полупустынных и степных районов Северо-Западного Казахстана, Волгоградской и Астраханской областей, Калмыкии. В этих районах широко распространены каштановые и бурые почвы, характеризующиеся низким содержанием гумуса и высоким содержанием гидрослюд (в пересчете на сумму глинистых минералов). Пыль перенесена на север Европейской части России на расстояние 1500-2500 км. На высоту 1000 м воздушные массы пришли из Средиземноморья, что свидетельствует о разных высотах и уровнях дальнего переноса.

Величины КО относительно земной коры, не превышающие 10, позволяют нам сделать вывод, что желтая пыль является продуктом денудации почвы, перенесенным ветром на большие расстояния.

ГЛАВА 6. Состав снега в импактных районах Арктики на примере поселков залива Ис-фьорд, арх. Шпицберген.

В течение зимнего сезона в 2008 г. проводился отбор свежевыпавшего снега с дискретностью одну неделю на метеоплощадке пос. Баренцбург. Концентрация рассеянного осадочного вещества в пробах варьировала от 2,4 до 158,5 мг/л, что видно на Рис. 6.1.

В 2009 г. отбор проб свежевыпавшего снега и послойный отбор снега из снежных шурфов был произведен в окрестностях пос. Баренцбург и Лонгиир. Концентрации вещества снега представлены на Рис. 6.2.

Высокие концентрации нерастворимых частиц в снеге рассматриваемого района связаны с тем, что в данном районе добывается уголь, при переработке и сжигания которого происходит выделение в атмосферу угольной пыли и продуктов сгорания. Полученные нами значения концентраций для Шпицбергена, залив Ис-фьорд, сопоставимы со значениями для других импактных районов Арктики [Игамбердиев и др., 1994; Шевченко, 2006].

Максимальная концентрация нерастворимого вещества в снеге - 158,5

мг/л (на метеоплощадке пос. Баренцбург) была выявлена 16.03.08, что связано с

неисправностью работы местной ТЭЦ. В окрестностях поселков концентрация

рассеянного осадочного вещества в снеге находится на фоновом уровне,

характерном для ЦА [Горюнова, 2009].

24.01,2008 02.02.2008 09.02.2008 15.02.2008 24.02.2008 02.03.2008 09.03.2008 16.03.2008 23.03.2008

Дата отбора пробы

Рие. 6.1. Концентрация нерастворимых частиц в свежевыпавшем снеге в пробах, отобранных на метеоплощадке пос. Баренцбург в 2008 г.

70 60 -50 40 30 20 -10 0

■ концентрация частиц в снеге, мг/л

□ вертикальный поток частиц, мг/м*м/сугки_

0.8

с. и

0.9

£ *8

2.9

2.3

в.

ч §

о.

а ^

а %

§ а

.4 •§-

о с. и

Я о а

Р I И

и л я

* 9 ч

& 2 о я

33.7

--г—| 25.!"

2.7^-2 ■ I.

а,

я И

£ С

Рис. 6.2. Концентрации нерастворимых частиц в поверхностном снеге и осредненные вертикальные потоки вещества из атмосферы в окрестностях поселков Баренцбург и Лонгиир, залив Ис-фьорд, Шпицберген, 2009 г.

Опираясь на данные по концентрации вещества в пробах снега, взятых послойно из снежных шурфов, можно вычислить значения потоков вещества из

атмосферы на поверхность суши за зимний период (мг м"2 сут"1). Для этого сделан ряд допущений: период накопления снега — отрезок времени с первого выпадения снега до даты отбора проб из шурфа, равен 213 суток; фактом возможного перевевания снега пренебрегаем. Вертикальные потоки нерастворимых частиц из атмосферы рассчитаны по следующей формуле:

F = (C*d*V)/S/t где F - вертикальный поток нерастворимых частиц,

мг м"2 сут"1; С — концентрация нерастворимых частиц в талой снеговой воде, мг/кг; с! - плотность снега, кг/л; 5 - площадь горизонтального сечения шурфа, м2; К-объем снега в шурфе, л; I - время накопления снега, сут.

Расчет потоков произведен нами для нескольких районов с наибольшим антропогенным влиянием - пос. Баренцбург в 2008 и 2009 гг., окрестностей норвежской шахты, для сравнения даны значения для ледника Гронфьордбреан (Рис. 6.2). Максимальный поток вещества на поверхность (61 мг м"2сут"') наблюдался в 2009 году в районе метеоплощадки пос. Баренцбург. Полученные величины потоков вещества из атмосферы и концентрации химических элементов в снеге на рассматриваемых территориях в окрестностях пос. Лонгиир и Баренцбург сопоставимы с соответствующими величинами около крупных промышленных центров России, таких как Томск [Таловская, 2010], они в десять раз превышают вертикальный поток природного аэрозольного вещества из атмосферы на поверхность дрейфующих льдов Арктики, равный 1,71 мг м'2 сут"1 [Шевченко, 2006; Лисицын, 2003], и сравнимы с потоками в аридных областях суши, которые продолжаются в океаны в виде двух аридных глобальных поясов (Северного и Южного) [Лисицын, 1978], где значения потоков достигают 27,4 мг м'2 сут'1.

При рассмотрении вещественного состава проб снега методом электронной сканирующей микроскопии (Рис. 6.3) видно различие в вещественном составе проб снега: при приближении к поселкам и шахтам увеличивается содержание антропогенных частиц (сфер сгорания, сажи и «летучего» пепла). В пробах, отобранных в окрестностях пос. Лонгиир преобладает терригенное вещество. Вещественный состав снежных проб, отобранных в окрестностях пос. Баренцбург отличается большим содержанием антропогенных частиц и небольшим содержанием терригенных.

Химический состав снега имеет некоторые отличия в окрестностях

поселков: для окрестностей норвежской шахты характерно максимальное

содержание Si, что подтверждают данные сканирующей электронной

микроскопии (присутствие большого количества минеральных частиц и сфер сгорания). В пос. Баренцбург содержание "№, Ъп, Мп, Бе максимально (Рис. 6.4), что объясняется добычей и сжиганием угля в поселке, также как и в окрестностях норвежской шахты и пос. Лонгиир.

Рис. 6.3. Осадочное вещество снежного шурфа при рассмотрении под электронным микроскопом. Сторона квадрата фотографий - 50 мкм.

Снежный шурф на метеоплощадке пос. Баренцбург, 2008 г (частицы «летучего» пепла, сферы сгорания,

минеральные зерна)

Снежный шурф в окрестностях норвежской шахты, 2009 г.

(сажа и минеральные зерна)

Рис. 6.4. Концентрация химических элементов в осадочном веществе снежного покрова в разных частях залива Ис-фьорд, Шпицберген, апрель-май 2008 г.

Антропогенное вещество пос. Грумант и долины Адвентдален имеет смешанное происхождение: продукты переработки топлива снегоходами, которые являются основным транспортом для жителей обоих поселков. Исследуя концентрации химических элементов и вещественный состав проб, отобранных в окрестностях поселков, можно сделать вывод и о значительном влиянии ветра как фактора локального разноса антропогенных частиц, т.е. о локальном характере загрязнения.

Выводы:

1. В составе осадочного вещества снега Центральной Арктики отчетливо выражена сезонность. В зимний сезон основным источником осадочного вещества снега является дальний и сверхдальний (более 1 тыс. км) перенос, для антропогенной и терригенной компонент (до 90% от всего материала). В летний период биогенные частицы составляют большую часть материала пробы (морские диатомовые водоросли и принесенные с суши споры и пыльца).

2. Эпизодически в Арктике происходит поставка вещества из более низких широт, выпадения которых охватывают большие по размеру территории и вносят значительный вклад в процесс современного осадконакопления в Арктике. Показано, что основные траектории дальнего переноса берут свое начало из промышленных районов России, района Казахстана, а также с западными ветрами из индустриальной Европы. Удалось наметить закономерности дальнего переноса, которые пока изучены недостаточно.

3. На начальном этапе формирования льда (образование ниласа) концентрации взвешенного и растворенного в воде вещества находятся на фоновом уровне, но выше, чем в воде (начальные стадии работы «ледового насоса»). В дальнейшем вещество поступает на поверхность льда из атмосферы (дополнительно к захвату осадочного материала из воды). Далее, происходит трансформация вещества в толще льда, перетаивание, многочисленное замерзание снежниц, что приводит к концентрации вещества в средней и верних частях керна.

4. Локальный поток вещества из атмосферы в окрестностях пос. Лонгиир и Баренцбург (Шпицберген) равен 36 и 61 мг м"2 сут"1. Концентрации химических элементов в снеге на рассматриваемых территориях не превышают концентрации в снеге в окрестностях крупных промышленных центров России.

5. Изучение нано- и микрочастиц в различных средах Арктики

обеспечило новое понимание современного процесса осадконакопления в изучаемом регионе и создало новую основу для изучения рассеянного осадочного вещества (в т.ч. загрязнений) и путей их поступления и миграции.

Список публикаций по теме диссертации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

Шевченко В.П., Лисицын А.П., Штайн Р., Горюнова Н.В., Клювиткин А.А., Кравчишина М.Д., Кривс М., Новигатский А.Н., Соколов В.Т., Филиппов А.С., Хаас X. Распределение и состав нерастворимых частиц в снеге Арктики // Проблемы Арктики и Антарктики. СПб.: ААНИИ, 2007. № 75. С. 106-118.

Горюнова Н.В., Шевченко В.П. Исследование аэрозолей и нерастворимых частиц в снежном покрове на дрейфующих льдах западной части российской Арктики в августе-сентябре 2006 // Проблемы Арктики и Антарктики. 2008. № 1 (78). С. 112-117.

Шевченко В.П., Коробов В.Б., Лисицын А.П., Алешинская А.С., Богданова О.Ю., Горюнова Н.В., Грищенко И.В., Дара О.М., Завернина Н.Н., Куртеева Е.И., Новичкова Е.А., Покровский О.С., Сапожников Ф.В. Первые данные о составе пыли, окрасившей снег на Европейском севере России в желтый цвет (март 2008 г.) // Доклады Академии наук. 2010. Т. 431. С. 497-501. Другие публикации по теме диссертации:

Горюнова Н.В. Эоловые потоки вещества на Шпицбергене в районе рудника Баренцбург в 2008 году Арктике // Геология морей и океанов. Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. T. III. М.: ГЕОС, 2009. С. 14-15.

Горюнова Н.В., Шевченко В.П. Новые данные об особенностях ледового захвата взвешенного вещества в районе полыней в Канадской и Российской Арктике // Геология морей и океанов. Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. T. III. М,: ГЕОС, 2009. С. 17-21.

Шевченко В.П., Виноградова А.А., Лисицын А.П., Новигатский А.Н., Горюнова Н.В. Атмосферные аэрозоли как источник осадочного вещества и загрязнений в Северном Ледовитом океане // Система моря Лаптевых и прилегающих морей Арктики: современное состояние и история развития. М.: Изд-во Московского университета, 2009. С. 150-172.

Shevchenko V.P., Goryunova N.V., Stoikin M.V., Novigatsky A.N. Aeolian and ice transport and fluxes of matter (including ecotoxicants) in the Arctic environment // Otto Schmidt Laboratory for Polar and Marine Research Annual Meeting of 2007/2008 Fellowship Program. Kiel, February 25-26, 2008. P. 17.

Заказ № 193-а/09/10 Подписано в печать 28.09.2010 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,5

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 V )J www. cfr. ru; e-mail: info@cfr. ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Горюнова, Наталья Владимировна

Введение.

Глава 1. Физико-географическая характеристика Арктики и современные изменения ее природной среды.

1.1. Основные особенности среды и климата Арктики, ее изменения в последние десятилетия.

1.2. Физико-географическая характеристика изучаемых арктических регионов.

1.2.1. Юго-восточная часть моря Бофорта.

1.2.2. Архипелаг Шпицберген.

1.2.3. Арктические моря России.

Глава 2. Рассеянное осадочное вещество в Арктике.

2.1. Общие сведения о рассеянном осадочном веществе в Арктике.

2.1.1. Природные источники вещества в Арктике.

2.1.2. Антропогенные источники загрязнения в Арктике.

2.2. Перенос вещества в Арктику.

2.3. Миграция вещества в природных средах Арктики.

Глава 3. Материалы и методы.

3.1. Материалы, используемые в диссертации.

3.2. Методы исследований.

3.2.1. Отбор атмосферных аэрозолей.

3.2.2. Отбор снега с поверхности.

3.2.3. Отбор снега из снежного шурфа.

3.2.4. Отбор льда.

3.2.5. Отбор ниласа.

3.2.6. Отбор подледной воды.

3.3. Аналитические исследования.

3.3.1. Фильтрация.

3.3.2. Сканирующая электронная микроскопия.

3.3.3. Бь А1,Р.

3.3.4. Нейтронно активационный метод (ИНАА).

3.3.5. Атомная абсорбция (ААС).

3.3.6. Взвешенный органический углерод.

3.3.7. Углерод.

3.3.8. Рентгеноструктурный анализ.

3.3.9. Обратные траектории.

Глава 4. Элементный состав аэрозолей Российской Арктики.

Глава 5. Криозоль фоновых районов Арктики.

5.1. Центральная Арктика.

5.2. Юго-восточная часть моря Бофорта.

5.3. Заливы Белого моря.

5.4. Море Лаптевых.

Глава 6. Состав снега в импактных районах Арктики на примере поселков залива Ис-фьорд, арх. Шпицберген.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера""

Актуальность проблемы.

Микро- и наночастицы в рассеянной форме содержатся во всех« природных геосферах Земли: атмосфере, криосфере, гидро- и биосфере, седиментосфере и в глубинных сферах Земли [Лисицын, 2010]. В рассеянном веществе преобладают тонкие частицы, что предопределяет их подвижность, значительную площадь поверхности, сорбционные и другие свойства, и в значительной мере также вещественный состав- дальность распространения'в разных средах и возможность «пересадочного распространения» при» обычном в природе переходе частиц из одной геосферы в другую. Рассеянное осадочное вещество своим, качественным и количественным, составом' отражает все стороны осадочного процесса.

Особенности арктического региона, с точки зрения распределения вещества на границе «атмосфера-подстилающая поверхность», определяются уникальными условиями природной среды: совокупностью холодного климата (по сравнению с более южными районами) и наличием Северного Ледовитого океана (СЛО), занимающего большую часть площади. Почти полное покрытие поверхности! океана льдом в холодную часть года (до 8-9 месяцев) делает ледовый перенос одним из важнейших механизмов горизонтального перераспределения^ вещества не только в течение года, но и на протяжении нескольких лет. Для- осадочного процесса в Арктике характерен особый тип седиментогенеза - ледовый морской [ГлБЙгш, 1972, 2002; \Vefer, 1989].

Кроме того, снег и лёд регулируют в течение большей части года-количество и состав рассеянного осадочного материала; выпадающего из атмосферы, и блокируют выветривание, речной сток и развитие растительности.

Присутствие аэрозолей в атмосфере и криосфере играет важную роль в формировании климата Земли в целом, влияя на термический режим атмосферы и земной поверхности [БНЕВА, 1993; Макштас, Священников;

1998], что особенно ярко проявляется в условиях среды ледовых зон.

Изучение рассеянного осадочного вещества в различных средах Арктики^ необходимо для понимания процессов» осадконакопления, также для» оценки экологического состояния> акватории, оказывающей огромное влияние на природную среду Земли. В свою очередь, глобальные изменения^ на Земле вызывают стремительные изменения во всех компонентах арктической« среды: от атмосферы до антропосферы [ACIA, 2004; Graversen, 2006; Haas et al., 2008; Macdonald; 2008; Overland et al., 2008], отражаясь на качественном и количественном составе вещества, поступающего в Арктику [SEARCH, 2001; АМАР, 2002]

Цель.работы: изучить особенности*поступления и распределения рассеянного осадочного вещества? на границе «океан-атмосфера» в слабо изученных областях Арктики.

Задачи. В соответствии с поставленной целью решались следующиезадачи:

1. обобщение и систематизация опубликованных результатов предшествующих исследований в Арктике;

2. получение нового фактического" материала, в- морях Северного Ледовитого океана и на? его водосборах (отбор проб снега и льда, аэрозолей, подледной воды);

3 исследование вещественно-генетического состава нерастворимых частиц в различных средах: определение соотношения минеральной, биогенной и антропогенных составляющих, морфологии частиц для выявления i источников вещества; 4. изучение элементного состава нерастворимых частиц в аэрозолях, снеге и льдах, а также подледной морской воде; 5 определение количественной и качественной составляющей вертикальных потоков аэрозолей в некоторых арктических районах и сравнение с данными литературных источников;

6. оценка роли аэрозолей в осадочном процессе и формировании, природной среды Арктики;

Рассеянное осадочное, вещество аэрозолей, снега, льда и подле дно й воды характеризует ранее не учитываемые литологами и геохимиками особенности в области морского и* ледового седиментогенеза, само существование которого ранее отрицалось.

Установлено, что рассеянное осадочное вещество снега на поверхности дрейфующих льдов своим-качественным-и количественным составом отражает состав аэрозолей- Арктики. Также выявлено,- что морской- лед - природный планшет Северного Ледовитого океана, где вещество накапливается в ходе дрейфа и разгружается в местах встречи потока дрейфующих льдов»с теплыми, течениями (пролив* Фрама), т.е: проходит по поверхности, многие тысячи километров.

Выявлено; что вертикальные потоки!вещества из атмосферы,в импактных районах Арктики (залив Ис-Фьорд, арх. Шпицберген) сопоставимых потоками*, из атмосферы в крупныхпромышленных центрах Евразии.

Фактический материал, личный вклад« автора. Изучены материалы, полученные в ходе рейсов по программе NABOS на л/к «Капитан Драницын» (2006, 2008 гг.), экспедиций, на арх. Шпицберген 2007-2009 гг., в ю-в части -моря Бофорта на л/к «Амундсен» в зимний сезон 2007-2008 гг. Часть проб была отобрана в ходе российских экспедиций на НЭС «Академик Федоров» (2000-2009 гг.), дрейфующих станций «Северный полюс» (2003-2008 гг.), экспедиций, ПАЛЭКС в 2007-2009 гг. Были проанализированы также пробы окрашенного снега, выпавшего в марте 2008 г. в Архангельской области, Республике Коми и Ненецком автономном округе, и пробы снега и льда, отобранные в ходе экспедиций ИО РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и- ФГУ «ГОИН» в район Белого моря (Онежский и Мезенские заливы).

Автор лично осуществляла отбор проб аэрозолей, снега, льда и подледной воды в арктических экспедициях. Лабораторная обработка, исследования под электронным сканирующим микроскопом, подготовка проб к различным видам анализа и некоторые химические анализы проводились автором лично. В работе представлена интерпретация и обобщение-полученных материалов, их сопоставление с литературными данными.

Достоверность* результатов-. Данные по количественному и качественному составу аэрозолей-и криозолей получены и с помощью современных методов пробоотбора, которые принятые Институте океанологии РАН [Лисицын, 2001; Шевченко и др., 2009]!, и обработаны на борту научно-исследовательских судов и детально исследованы в лабораториях ИО РАН, ГЕОХИ РАН, научного центра ЮНИС (UNIS) на Шпицбергене, в лаборатории им. О. Ю. Шмидта (Санкт-Петер бург) совместно с коллегами из перечисленных научных учреждений. Для проверки достоверности результатов использованы международные стандарты. Достоверность выводов обеспечена обширным фактическим материалом- применением современных приборов и в ряде случаев! независимых методов получения материала и анализа.

Практическая ценность работы. В ходе работы получены новые данные о количественном и качественном составе аэрозольного и криозольного вещества в Арктике, которые впоследствии могут быть использованы как основные значения для построения новых моделей эолового и ледового переноса. Полученные данные и сделанные выводы могут использоваться и для изучения загрязнений в области морской ледовой седиментации (в атмосфере и снежно-ледовом покрове Арктики).

Защищаемые положения.

Ii Снег очищает атмосферу Арктики (мокрое осаждение), его состав, отражает количество и состав аэрозолей, позволяет судить о потоках, происхождении и путях переноса. В фоновых районах Арктики в зимний, период основным источником рассеянного осадочного вещества снега является дальний и сверхдальний перенос, поставляющий-антропогенные (загрязнения) и терригенные компоненты. Летом рассеянное осадочное вещество поставляется» в основном, в результате локального и регионального переноса частиц; причем биогенные частицы (споры; пыльца, диатомовые водоросли) часто составляют основную часть рассеянного осадочного вещества снега:,

2'. Полученные нами экспериментальные данные показывают, что в Арктике такиеэлементы, как Ni^ Со, Zn, As, Sb в аэрозолях иг снеге имеют преимущественноантропогенноепроисхождение.

3. Лед является* депонирующей средой* в бассейне Северного Ледовитого океана. При формировании льда »и. дальнейшей-его трансформации имеет место явление «ледового насоса», вбирающего в себя аэрозоли, рассеянное осадочное вещество снега и водную взвесь, из подледных слоев. Дрейф* морского льда является фактором дальнего и сверхдальнего (более 1» тыс. км) переноса- осадочного вещества в Северном Ледовитом океане.

4. Вертикальные потоки, вещества из атмосферы в зимний период в промышленных арктических- районах по нашим1 данным. сопоставимы с потоками, из атмосферы в крупных промышленных центрах Евразии.

Апробация. Результаты исследований автора, изложенные в- работе, были представлены на конференциях: SCAR/IASC IPY Open Science Conference "Polar Research - Arctic and-Antarctic perspectives in the-International Polar Year" (Санкт-Петербург, 2008), XVII Международной научной конференции» (Школе) по морской геологии (Москва, ноябрь 2007), Otto Schmidt Laboratory Annual

Meeting of 2007/2008 Fellowship Program (Германия, г. Киль, 2008), XVIII Международной научной конференции (Школе) по морскойтеологии (Москва, ноябрь 2009), а также в ряде докладов на коллоквиумах лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН и на семинаре ИФА РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в. реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка, литературы и приложения.'Диссертация, насчитывает 172' страницы, 39' рисунков, 18 таблиц. Список литературы- состоит из 189* наименований, из них 106 на иностранных языках.

Информация о работе

Горюнова, Наталья Владимировна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.28

Диссертация

Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера" - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы