Снежный покров играет фундаментальную роль в наземных экосистемах, поскольку влияет на климат Земли, количество и качество поверхностных вод, глобальные биогеохимические циклы и свойства почвы. Состав снежного покрова является одним из факторов, воздействующих на гидрохимический режим территории [1]. Состав и состояние снежного покрова может оказать существенное влияние на состояние не только наземных, но и водных экосистем. Формирование химического состава снежного покрова в российской Арктике происходит под влиянием множества естественных и антропогенных факторов, их соотношение зависит от расстояния от крупных промышленных центров и особенностей формирования гидрометеорологического режима территорий и акваторий [2, 3]. Существенный разброс статистических характеристик ионного состава снега и значений концентраций ионов в снежном покрове указывает на пространственную и временную неоднородность химического состава снежного покрова, многофакторность процесса его формирования на данной территории [4].
Цель исследования: количественная оценка степени влияния естественных и антропогенных факторов на состав снежного покрова Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ). Для достижения цели были выделены и описаны факторы формирования химического состава снежного покрова в российской Арктике, а также проведена оценка количественного вклада факторов посредством весовых коэффициентов.
Материалы и методы исследования
Выделение факторов проводилось автором в процессе изучения процесса формирования состава снежного покрова [5], в том числе обзора литературных источников [6–8]. Обобщение сделано в рамках данной статьи.
Количественный вклад факторов можно оценить посредством весовых коэффициентов. Для такого рода задач, когда факторы выражаются в различных единицах, наиболее эффективными являются экспертные технологии. В данной работе весовые коэффициенты рассчитывались методом анализа иерархий (МАИ), основанном на парном сравнении факторов [9].
Всего в опросе участвовало 12 экспертов, из них 2 доктора географических наук, 8 кандидатов наук, 2 сотрудника Росгидромета. Темы научных работ и характер работы экспертов непосредственно связаны с рассматриваемым вопросом.
Все результаты опросов принимались к рассмотрению, поскольку встроенный в МАИ критерий качества работы экспертов, как показано в работах [10–12], таковым не является.
Результаты исследования и их обсуждение
В работе выделено 14 факторов формирования состава снежного покрова в Арктике: состав атмосферных осадков, сухое осаждение, загрязнение атмосферного воздуха, количество оттепелей, продолжительность залегания снежного покрова, метеорологический потенциал загрязнения, циркуляция атмосферы, морской аэрозоль, дальний перенос, ветровой режим, количество и режим осадков, влагозапас, рельеф (открытость местности, экспозиция склонов), местные антропогенные источники поступления поллютантов.
Состав атмосферных осадков. Первым этапом загрязнения снежного покрова является загрязнение снежинок во время их образования и выпадения на местность – так называемое влажное выпадение. Но, несмотря на то, что снег – это выпавшие осадки, количественные значения ионного состава снежного покрова не имеют тесной корреляции с количественным ионным составом атмосферных осадков, за исключением отдельных компонентов [5].
Сухое осаждение. Загрязняющие вещества также попадают на подстилающую поверхность и при условии отсутствия мокрых осадков; этот процесс выведения из атмосферы загрязняющих соединений называется сухим выпадением [13]. Кроме того, снежный покров сам по себе не является инертной средой, он участвует в газообмене с прилегающим воздухом. По данным [14] рыхлый снег слоем 30 см на площади 1 га за сутки в состоянии поглотить 3–5 кг сернистого газа и столько же аммиака. С ноября по январь на рассматриваемой территории формируются основные запасы снега, в связи с чем основной вклад в формирование химического состава снежного покрова вносит вымывание веществ из атмосферы. В остальные месяцы предполагается преобладание сухого осаждения [5].
Загрязнение атмосферы. Загрязняющие вещества из атмосферы попадают в снежный покров, как в период выпадения осадков, так и в результате сухого осаждения. При этом следует иметь в виду, что чем более загрязнен атмосферный воздух, тем более интенсивными и продолжительными должны быть осадки, для того, чтобы полностью очистить атмосферный воздух [15, 16].
Подтаивание. Изменение химического состава снежного покрова происходит при таянии снега. При весеннем снеготаянии концентрации иона водорода, сульфатов и свинца в первых порциях талой воды до 6,5 раз превышают концентрацию во всем объеме. Наибольший запас загрязняющих веществ в снеге теряется при таянии только 35 % всего снега [13].
Продолжительность залегания снежного покрова. В первую очередь продолжительность залегания снежного покрова определяет общее время, за которое происходит накопление веществ в снежном покрове [17]. Кроме того, от длительности холодного периода зависит отношение между сухим и влажным выпадениями.
Метеорологический потенциал загрязнения. Расположение территории в зоне низкого и умеренного метеорологического потенциала загрязнения, с одной стороны, способствует очищению атмосферы, а с другой – значительному загрязнению осадков и, как следствие, снежного покрова в результате интенсивного вымывания примесей из атмосферы [5].
Циркуляция атмосферы. Важную роль в переносе химических веществ, в том числе дальнем, играет циркуляция атмосферы. Рассматриваемый регион одинаково доступен как теплым влажным воздушным массам, поступающим с Атлантического океана, так и холодным массам, вторгающимся с Арктического бассейна. Значительно реже сюда проникают воздушные массы с Черного и Средиземного морей. Наиболее интенсивна циклоническая деятельность осенью и зимой [5]. В результате особенностей циркуляции атмосферы на территории Арктики происходит разгрузка воздушных потоков от тех загрязнений, которые они накопили в среднеширотных районах [18].
Морской аэрозоль. Арктическая суша находится под влиянием океана. При этом влияние океана не ограничивается переносом тепла и влаги. С воздушными массами переносятся морские аэрозоли, основную часть которых составляют водорастворимые соли. В то же время многочисленные данные свидетельствуют, что с удалением от берега моря концентрация растворимых солей в атмосферных осадках быстро уменьшается [19]. На континентах влияние массопереноса морских солей ограничено узкой полосой и не распространяется на внутриконтинентальные области. Иная ситуация существует на небольших островах, вся территория которых находится под воздействием массопереноса с моря [19]. В западном секторе Арктики, находящемся под влиянием Нордкапского течения, большие акватории Баренцева моря весь год остаются свободными ото льда и служат источником морских аэрозолей и в зимний период [4]. Вследствие влияния морских аэрозолей в рассматриваемом районе происходит обогащение снежного покрова ионами натрия, хлорид-ионами и сульфат-ионами [20].
Дальний перенос. Исследования последних 40 лет, выполненные учеными разных стран, показали, что в северных широтах, особенно в Арктике, в загрязнении природной среды большую роль играет перенос веществ воздушными массами [4, 21]. При этом различные загрязнители обнаружены в сотнях и тысячах километров от источников [22]. В снежном покрове удаленных фоновых районах Арктики были обнаружены пыльца, споры и др. растительный материал, минеральные частицы, поступающие сюда за счет дальнего эолового переноса. Среднее значение вертикального потока аэрозолей в Арктике составляет около 600 мг/м2 в год [23]. Например, случай выпадения пыли, окрашивающей снег в желтый цвет на территории Архангельской области, Республики Коми и Ненецкого автономного округа, был зафиксирован 25–26 марта 2008 г. В результате детальных исследований было установлено, что основным источником пыли являются полупустынные и степные районы Северо-Западного Казахстана, Волгоградской и Астраханской областей, Калмыкии, удаленных от района выпадения на 1500–2500 км. К чисто морскому аэрозолю над Белым морем, генерируемым непосредственно самим морем, добавляется аэрозоль континентальный, имеющий в зимнее время в основном антропогенное происхождение, и пылевой, принесенный из южных районов. Повешенные концентрации серы и аммонийного азота, фиксирующиеся в регионах Колымы и Чукотки, предположительно обусловлены вулканической деятельностью и переносом веществ с Камчатского п-ва.
Ветровой режим. Ветровой режим влияет как на характер распределения снега, так и на перенос веществ от источников. Уровень концентрации ТМ, находящихся в атмосфере в аэрозольном состоянии, во многом определяется именно ветровым режимом. Из-за сноса снега с полей его масса существенно возрастает в лесах, оврагах, балках. Дальность переноса снежных частиц в умеренных широтах может достигать 3 км, на севере и в Арктике, где средняя скорость выше, эти расстояния могут быть и большими.
Количество и режим осадков. Количество осадков на состав снежного покрова влияет неоднозначно. С одной стороны, осадки, вымывая вещества из атмосферы, приводят к их накоплению в снеге. В то же время при увеличении интенсивности осадков уменьшается коэффициент концентрирования веществ в осадках. Более продолжительные снегопады приводят лишь к увеличению влагозапаса и, как следствие, «разбавлению» состава снежного покрова [15].
Результаты ранжирования факторов
|
Ранг |
Фактор |
Среднее значение весового коэффициента |
Коэффициент вариации, % |
|
1 |
Местные антропогенные источники поступления поллютантов |
0,0999 |
67 |
|
2 |
Состав атмосферных осадков |
0,0967 |
50 |
|
3 |
Метеорологический потенциал загрязнения |
0,0963 |
78 |
|
4 |
Загрязнение атмосферного воздуха |
0,0943 |
41 |
|
5 |
Количество и режим осадков |
0,0795 |
60 |
|
6 |
Сухое осаждение |
0,0720 |
44 |
|
7 |
Морской аэрозоль |
0,0707 |
63 |
|
8 |
Влагозапас |
0,0697 |
86 |
|
9 |
Циркуляция атмосферы |
0,0611 |
31 |
|
10 |
Продолжительность залегания снежного покрова |
0,0599 |
44 |
|
11 |
Рельеф: открытость местности (лес/поле), экспозиция склонов |
0,0561 |
68 |
|
12 |
Количество оттепелей |
0,0522 |
85 |
|
13 |
Дальний перенос |
0,0515 |
59 |
|
14 |
Ветровой режим |
0,0400 |
53 |
Влагозапас. Механизм испарения снега, при котором запас загрязняющих веществ в снеге остается, а влагозапас уменьшается, может служить одной из причин обогащения снежного покрова относительно атмосферных осадков. Испарение достигает максимума в начальный период таяния. Наибольшее испарение со снежной поверхности отмечается как раз на северо-западе ЕТР [13].
Рельеф: открытость местности (лес/поле), экспозиция склонов. Рельеф территории влияет на процессы осаждения химических веществ, переноса воздушных масс и др. Количество твердых осадков возрастает с наветренной стороны возвышенностей. Кроме того, рельеф местности влияет на неоднородность влагозапаса в снеге, его перенос ветром.
Местные антропогенные источники поступления поллютантов. Содержание элементов в снеге и их выпадения колеблются в широком диапазоне главным образом в зависимости от степени антропогенного влияния. Снежный покров вокруг городов и промышленных центров оказывается загрязненным аэрозольными продуктами на больших площадях [24]. Площадь аномальных полей концентраций таких ореолов и заключенная в них масса загрязняющих веществ закономерно связаны с величиной выбросов и длительностью периода накопления. До недавнего времени Арктика рассматривалась в качестве «эталона чистоты» для сравнения с антропогенно деформированными экосистемами. На самом деле нетронутость арктических экосистем оказалась лишь предположением. Вклад регионов в загрязнение различен. Предприятия г. Норильска – мощный источник диоксида серы, способный оказывать влияние на отдаленные территории. Значимый объем диоксида серы поступает от предприятий Мурманской и Архангельской областей. Основной объем выбросов оксидов азота приходится на источники Ямало-Ненецкого АО и Красноярского края [4].
Результаты обработки экспертных суждений мнений методом анализа иерархий предоставлены в таблице
Весьма заметный разброс экспертных суждений не должен удивлять: в большинстве экспертных опросов отмечается существенное расхождение оценок экспертов, причём это не зависит от их квалификации [25]. На это обстоятельство обратил внимание ещё в конце XIX в. французский психолог Гюстав Лебон, изучавший результаты суждений профессиональных сообществ по вопросам, являющимся областью их компетенции [26]. Но их усреднённые оценки являются статистически устойчивыми и в малой степени зависят от разброса суждений [11].
По данным экспертного опроса наибольшее влияние на формирование химического состава снежного покрова в российской Арктике оказывают местные антропогенные источники поступления поллютантов и состав атмосферных осадков. Наименьший вклад оказывают дальний перенос и ветровой режим. В то же время исследования по данному вопросу [4, 6, 7] показали, что дальний перенос играет существенную роль в процессе формирования состава снежного покрова, особенно в западном секторе российской Арктики, и его вклад может быть весьма значительным, как это имело место в марте 2008 г. [22], когда мощными потоками воздуха пыль была перенесена из южных регионов Европы на север и покрыла многие тысячи квадратных километров. Но влияние этого фактора носит непостоянный характер, и сила влияния меняется во времени и пространстве значительно, что, видимо, было принято во внимание экспертами.
Заключение
Полученные оценки степени влияния различных факторов на состав снежного покрова АЗРФ позволяют не только лучше понять роль влияния различных факторов на формирование химического состава осадков, но и непосредственно использовать их при разработке математических моделей процессов переноса загрязняющих веществ в атмосфере и балансовых моделей загрязнения территорий и акваторий. Так, мало значащие факторы можно исключать, по крайней мере, на начальных стадиях разработки моделей, из соответствующих уравнений, что существенным образом упрощает решение задачи. Также весовые коэффициенты факторов помогают интерпретировать результаты мониторинга и экспедиционных материалов при анализе полученных данных.
Работа выполнена в рамках темы госзадания № 0149-2019-0007 и при частичной поддержке РФФИ (грант № 19-45-393007).