Основными источниками химических примесей для ледников являются атмосферные аэрозоли. Поступление аэрозольных частиц в снежный покров зависит от различных механизмов их удаления из атмосферы. Находящиеся в атмосфере частицы эффективно удаляются из нее либо с атмосферными осадками, либо путем их сухого осаждения. Соотношение между сухими и влажными выпадениями примесей из атмосферы определяется взаимодействием различных факторов: длительность холодного периода, в течение которого сохраняется снежный покров, частота снегопадов и их интенсивность, физико-механические свойства загрязняющих веществ, размер аэрозолей.
Осадки являются важным фактором самоочищения атмосферы от примесей естественного и искусственного происхождения. Процессы вымывания примесей из атмосферы осадками включают в себя два типа: «вымывание в облаке» и «вымывание осадками». Оба механизма вместе представляют собой «влажное осаждение» На долю мокрого выпадения аэрозолей приходится около 60 % от общего осаждения аэрозольных частиц [1].
Вымывание загрязняющих веществ осадками зависит от формирования осадков в облаке и последующей трансформации при выпадении на земную поверхность. Захват загрязняющих веществ может осуществляться каплями воды и ледяными кристаллами. Процессы «вымывания в облаке» состоят из поглощения микрочастиц в виде ядер конденсации, присоединении неактивных аэрозольных частиц к облачным каплям и реакции газов в облачных элементах. А процессы «вымывания осадками» включают в себя прикрепление аэрозольных частиц к выпадающим осадкам, испарение осадков, растворение и реакция газов в осадках [2].
Основная часть химических примесей в осадках формируется ниже облаков и в приземном слое тропосферы. Эффективность удаления аэрозолей осадками сильно зависит от размера частиц. Мелкие частицы диффундируют быстрее, чем более крупные, и очень быстро присоединяются к облачным элементам, которые в дальнейшем вовлекаются в осадки. С другой стороны, более крупные частицы вымываются осадками значительно быстрее, чем мелкие [3].
Укрупнение капель и ледяных кристаллов приводит к выпадению осадков. За время движения вниз капли или снежинки захватывают аэрозоль, что повышает минерализацию осадков. Капли дождя или кристаллы снега при своем падении захватывают («вымывают») из нижнего слоя атмосферы значительное количество аэрозолей, причем считается [2], что очищение атмосферы от микрочастиц пыли диаметром 0,5–2 мкм кристаллами снега и льда происходит в 4 раза активнее, чем дождевыми каплями.
Поступление аэрозольных частиц в снежный покров за счет сухого осаждения в дни без осадков осуществляется при помощи одновременно взаимодействующих процессов: седиментации, диффузного и инерционного осаждения.
Механизм удаления аэрозольных частиц из атмосферы определяется размером самого аэрозоля. Верхний предел размеров аэрозольных частиц определяется седиментацией. Наиболее крупнодисперсные частицы диаметром более 10 мкм быстро выводятся из атмосферы за счет седиментации. Установлено, что, когда радиус частиц меньше 1 или 2 мкм, процессом седиментации можно пренебречь [1, 4].
Нижний предел размера аэрозольных частиц определяется коагуляцией, вызывающей быстрое присоединение частиц размером 0,005 мкм к более крупным частицам. Очень мелкие частицы довольно быстро удаляются за счет диффузного присоединения или внутриоблачного вымывания. При этом диффузный эффект начинает преобладать в размерном диапазоне частиц с диаметром менее 0,2 мкм [4]. Частицы диаметром 0,1–1 мкм медленно оседают и в меньшей степени подвержены инерционному и диффузному удалению. Эти частицы остаются в атмосфере в течение сравнительно более длительного времени, чем самые крупнодисперсные частицы [3]. В настоящее время огромный интерес к изучению концентрации микрочастиц и химического состава снежно-фирновой толщи Эльбруса проявляют ряд исследователей. Авторами в работах [5, 6] изучена динамика химического состава снежно-фирновой толщи Эльбруса за последние 75 лет. Изучен изотопный состав [7], температурный и радиационный режим [8], толщина и подледный рельеф [9–10] ледников Эльбруса. В работе [11] авторы проводят сравнительный анализ кернов ледников Эльбруса и Казбека.
Цель исследования
В настоящей статье предпринята попытка оценить особенности поступления аэрозольных частиц в снежный покров путем их вымывания и сухого осаждения в условиях высокогорья на примере оледенения южного склона Эльбруса.
Материалы и методы исследования
Оценить вклад атмосферного аэрозоля в снежном покрове за счет сухого осаждения можно следующим образом. Для этого необходимо отбор проб проводить в период без осадков между двумя снегопадами. Причем считается, что чем больше этот промежуток, тем больше происходит накопление аэрозолей за счет сухого осаждения. Отбор проб проводится в неглубоком шурфе из средней его части, отложенного за период последнего снегопада и с поверхности снега (в слое 1–2 см), а также в начале следующего снегопада. Измерив концентрацию примесей, выпавших на его поверхность между двумя снегопадами, и сравнив его с содержанием примесей в средней его части, можно оценить величину сухого выпадения. Проведенные ранее нами исследования, в работах [12–14] показывают, что концентрации микрочастиц на поверхности оказываются в 3–4 раза, более чем в середине слоя.
Содержащие ТМ аэрозольные частицы, имеют размеры от 10-3 до 40–60 мкм. Считается, что в аэрозолях доля водорастворимых форм свинца составляет 11–32 %, кадмия 43–82 %, цинка 15–65 %, никеля и мышьяка соответственно 39–50 %, 28–58 %. Частицы растворимых форм аэрозоля, содержащих ТМ, имеют радиус меньше 0,028 мкм.
В настоящей работе проведены расчеты вымывания ТМ на основе экспериментальных данных полученных на южном склоне Эльбруса. Отбор проб производился в снежном покрове (свежевыпавшем и сезонном) по высотному профилю от 3500 м н.у.м. до восточной вершины Эльбруса (высота – 5621 м). Отбор проб свежевыпавшего снега проводился в день снегопада. Пробы в шурфах отбирались из слоев с одинаковыми структурно-стратиграфическими характеристиками. Отсчет слоев в шурфах ведется от световой поверхности.
Результаты исследования и их обсуждение
Обработка и анализ проб свежевыпавшего снега позволили определить функцию распределения по размеру водонерастворимых аэрозольных частиц, вымытых снежинками. Эта функция с хорошей точностью аппроксимируется логарифмически нормальным распределением. В табл. 1 приведены значения геометрического диаметра do и стандартного геометрического отклонения σ0 функции распределения частиц по размеру в пробах одного холодного сезона.
В пятом столбце таблицы приведены значения интервала диаметров частиц аэрозоля в 1 см3 пробы, в котором находятся 95 % частиц. Как видно, интервал, в котором лежат 95 % частиц в основном начинается в области субмикронных размеров аэрозоля и заканчивается в области больших размеров.
В табл. 2 приведены результаты теоретических расчетов и экспериментально определенных концентраций аэрозольных частиц, вымытых снегом в указанном диапазоне размеров.
В табл. 3 приведены значения концентрации ТМ, вымытых свежевыпавшим снегом, в сезонной толще. Прочерки в таблице означают, что концентрация элемента в пробе была ниже порога обнаружения. Обнаружено, что тяжелых металлов в летний период вымывалось больше, чем в зимний.
Таблица 1
Параметры функции распределения водонерастворимых частиц по размеру
|
Пункт отбора пробы |
Номер слоя |
do, мкм |
σ0 |
Интервал, мкм |
|
4090 |
1 |
0,293 |
2,645 |
0,055–1,550 |
|
4000 |
1 |
0,258 |
3,045 |
0,042–1,571 |
|
4000 |
2 |
0,370 |
1,857 |
0,100–1,374 |
|
4000 |
3 |
0,252 |
2,864 |
0,044–1,144 |
|
4000 |
1 |
0,449 |
2,668 |
0,084–2,396 |
|
4000 |
2 |
0,228 |
2,650 |
0,042–1,208 |
|
4000 |
3 |
0,137 |
3,598 |
0,019–0,986 |
|
3830 |
1 |
0,403 |
3,023 |
0,052–2,436 |
|
4090 |
1 |
0,916 |
3,889 |
0,118–7,142 |
|
4090 |
2 |
0,315 |
2,941 |
0,054–1,834 |
|
Н = 5621 м н.у.м. |
1 |
0,158 |
2,847 |
0,128–0,900 |
Таблица 2
Экспериментальные nk, и вычисленные значения nв, концентрации водонерастворимых аэрозольных частиц
|
Интервал диаметров, мкм |
Проба № 2 Н = 4090 м н.у.м. |
Проба № 3 Н = 3500 м н.у.м. |
||
|
do = 0,315 мкм, σ0= 2,941 |
do = 0,299 мкм, σ0 = 2,334 |
|||
|
nk, см-3 |
nв, см-3 |
nk, см-3 |
nв см-3 |
|
|
0,01–0,08 |
1,3•105 |
1,21•105 |
2,1•106 |
1,27•106 |
|
0,08–0,20 |
5,8•105 |
5,8•105 |
2,8•106 |
5,49•106 |
|
0,20–0,40 |
5,8•105 |
7,62•105 |
8,4•106 |
6,74•106 |
|
0,40–0,60 |
5,8•105 |
5,00•105 |
4,9•106 |
3,41•106 |
|
0,60–0,80 |
4,5•105 |
3,24•105 |
2,8•106 |
2,73•106 |
|
0,80–2,0 |
6,4•105 |
6,57•105 |
1,2•106 |
2,34•106 |
|
2,0–4,0 |
9,6•104 |
1,56•105 |
1,3•105 |
2,40•106 |
|
4,0–8,0 |
6,0•103 |
3,44•105 |
2,8•104 |
2,22•106 |
|
8,0–20,0 |
4,9•103 |
4,93•103 |
4,0•103 |
1•10•103 |
Таблица 3
Концентрация тяжелых металлов в пробах свежевыпавшего снега
|
Пункт отбора пробы |
Номер слоя |
Концентрация элементов, мкг л -1 |
||||
|
Ag |
Cr |
Ni |
Mn |
Pb |
||
|
3500 |
1 |
0,021 |
1,70 |
1,30 |
1,41 |
1,49 |
|
4090 |
1 |
– |
– |
0,73 |
0,81 |
0,92 |
|
4000 |
1 |
– |
3,10 |
1,51 |
2,01 |
– |
|
4000 |
2 |
0,012 |
1,34 |
1,25 |
3,69 |
5,67 |
|
4000 |
3 |
0,035 |
1,38 |
0,73 |
0,94 |
0,92 |
|
4000 |
4 |
0,015 |
0,96 |
0,73 |
3,43 |
1,62 |
|
3830 |
1 |
0,046 |
6,41 |
1,63 |
4,75 |
2,52 |
Таблица 4
Экспериментальные и вычисленные значения концентрации ТМ, мкг•л -1
|
Высота отбора пробы, н.у.м. |
Сr |
Ni |
Мn |
|||
|
Сэ |
Св |
Сэ |
Св |
Сэ |
Св |
|
|
Н = 3500 м |
7,31 |
7,308 |
2,24 |
2,240 |
10,73 |
10,731 |
|
Н = 3700 м |
44,34 |
44,340 |
12,75 |
12,750 |
84,15 |
84,150 |
|
Н = 4000 м |
14,99 |
14,991 |
7,58 |
7,939 |
35,11 |
33,852 |
|
Н = 4020 м |
16,45 |
18,469 |
5,46 |
5,462 |
32,60 |
33,852 |
|
Н = 4300 м |
20,49 |
18,469 |
8,30 |
7,939 |
20,86 |
20,867 |
Различные фракции аэрозоля тесно связаны с их химическим составом. Средне- и грубодисперсный аэрозоль в основном состоит из вещества, характерного для частичек почвы. Они представляют такие элементы, как алюминий, кремний, магний, марганец, никель, титан, железо. С учетом этого была исследована связь концентрации водонерастворимого аэрозоля, вымытого из облаков и подоблачного слоя, с концентрацией ТМ. Корреляция между ТМ и концентрацией водонерастворимых аэрозолей по спектру их размеров является нелинейной. В табл. 4 приведены значения концентрации ТМ в пробах свежевыпавшего снега, определенные экспериментально Сэ. и вычисленные Св.
Как видно из табл. 4, для указанных элементов их концентрация почти функционально связана с концентрацией водонерастворимых аэрозольных частиц. Коэффициенты детерминации для этих элементов, включая цинк и свинец, выше 0,98.
В пробах свежевыпавшего снега для обнаруженных серебра, хрома, никеля и марганца коэффициенты детерминации превосходили значение 0,97. Полученные результаты, по оценке степени связи концентраций ТМ и водонерастворимых частиц, указывают на то, что вымываемые микропримеси ТМ довольно тесно связаны как с мелкодисперсной фракцией, так и с крупно- и грубодисперсными фракциями водонерастворимых частиц. Гидрометеоры облаков и осадков интенсивно поглощают аэрозольные частицы и благодаря этому формируют свой химический состав.
Основной захват аэрозольных частиц и преобразование их размера происходит в облаке. Связано это с тем, что частицы находятся в облаке больше времени, чем в осадках. В течение этого времени они могут использовать все механизмы укрупнения и таким образом преобразоваться в частицы осадков. С увеличением размера частицы интенсивно коагулируют с микропримесями. Время пребывания частиц в осадках ограничено из-за малого расстояния между облаком и подстилающей поверхностью и относительно большей скоростью их падения по сравнению с облачными частицами. При этом удаление аэрозольных частиц в подоблачном слое происходит в основном благодаря инерционному захвату их снежинками и каплями.
Облако служит стоком для мелких аэрозольных частиц и источником крупных, в том числе облачных ядер конденсации и ледяных ядер. После образования капли на ядре конденсации в облаке происходит захват ею аэрозольных частиц в процессе диффузии. Замерзание капель дает начало образованию кристаллов, а их коагуляция приводит к образованию снежинок. Таким образом, первичным является образование капель, захват ими аэрозольных частиц, коагуляция и образование частиц осадков в виде дождя или снега.
Заключение
В результате проведенных исследований получены основные выводы:
1. Экспериментальным путем определен спектр размеров водонерастворимых аэрозольных частиц, вымытых свежевыпавшим снегом в сезонном снежном покрове в условиях высокогорья. Спектр размеров частиц подчиняется логарифмически нормальному распределению. По экспериментальным данным определены параметры этого распределения.
2. Установлена связь концентрации тяжелых металлов, вымытых снегом, с концентрацией водонерастворимых аэрозольных частиц по интервалам их размера. Коэффициенты детерминации больше 0,97.