Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Исследования содержания стабильных изотопов кислорода и дейтерия в воде являются одним из передовых направлений в науках о Земле. Данные об изотопном составе атмосферных осадков позволяют получить информацию об условиях формирования стока, а также оценить вклад осадков в питание различных гидрологических объектов.

Помимо анализа ледяных кернов, изотопными исследованиями территория Алтая затронута недостаточно. Изотопный состав событийных осадков определялся в предгорьях Алтая и на территории Северо-Чуйского хребта [1–3].

Непосредственно на территории Южно-Чуйского хребта изотопных исследований атмосферных осадков не было, что подтверждает нехватку информации в данном районе и необходимость проведения работ.

Рис. 1. Географическое положение района исследования

В основе исследования лежит получение парных изотопных характеристик (δ18О-δ2H) событийных осадков в долине р. Талдура, отобранных при полевых работах в июле – августе 2023 г. Целью работы являлась оценка изменения изотопного состава летних событийных осадков в бассейне реки Талдура на разных высотных уровнях, а также сравнение полученных полевых данных с модельными данными IsoMAP с портала OIPC [4–6].

Южно-Чуйский хребет (рис. 1) находится в юго-восточной части Центрального Алтая и простирается на 120 км с запада на восток. Средние высоты хребта варьируются в пределах 3400–3800 м, наивысшей точной является гора Ирбисту, расположенная на высоте 3967 м [7].

Для территории характерен криоаридный климат, В высокогорных районах наблюдается отрицательная среднегодовая температура (-6 – -7°C). Средняя температура самого теплого месяца (июля) в высокогорных районах составляет 6–10°C. Самым холодным месяцем является январь. Переход температуры через 0°C в высокогорье весной в среднем происходит в конце мая, а осенью – в сентябре. Годовое количество осадков в Центральном Алтае составляет 400–600 мм. С апреля по октябрь выпадает 70–85 % от годовой суммы осадков. Месячный максимум наблюдается обычно в июне-июле [8].

Экспедиционные работы проводились в долине р. Талдура, где объектом исследования являлись осадки, выпадающие в бассейне данной реки.

Материалы и методы исследования

Пробы событийных осадков на изотопный анализ отобраны в долине р. Талдура в период с 5 июля 2023 г. по 4 августа 2023 г. Всего было организовано 4 пункта сбора: 2 в верхнем и нижнем течении р. Талдура и 2 – в долине ледника Некрасова. В последнем пробы были получены в двух местах: непосредственно с ледника Некрасова и на морене в 1 км от его края (рис. 2).

Период наблюдений в пунктах сбора проб, их высота и количество проб показаны в табл. 1.

Образцы отбирались из портативного осадкомера в герметичные пробирки емкостью 50 мл. Отбор осадков происходил по срокам: в 8, 12, 16 и 20 ч. Поскольку испарение искажает изотопный состав воды, при хранении и транспортировке проб было важно его минимизировать, в связи с чем все пробы герметизировались специализированной пленкой PARAFILM, а в лабораториях хранились в замороженном виде.

Рис. 2. Расположение пунктов отбора осадков

Таблица 1

Период отбора проб и высота для пунктов проведения экспедиционных исследований

Чтобы выразить изотопный состав образца относительно VSMOW-2, использовалась формула

(1)

где δ – относительное содержание (δ18О, δ2H);

Rобр – абсолютная концентрация 18О и 2H в образце;

Rст – абсолютная концентрация 18О и 2H в стандарте.

По формуле (2) для каждой пробы рассчитывался d-excess для оценки сохранности образца. Близкие к нулю или отрицательные значения d-excess показывают влияние испарения на изотопный состав и, следовательно, служат маркером испорченности образца.

d-excess = δ2H – 8 δ18О. (2)

Всего для характеристики изотопного состава атмосферных осадков было отобрано 38 проб. Из общего количества в работе рассматриваются 29 проб, поскольку у 9 отрицательный или близкий к 0 d-excess. Как правило, низкие значения d-excess наблюдались в пробах, когда количество осадков было меньше 1–2 мм и такое незначительное количество воды в осадкомере подвергалось испарению, что сильно искажало изотопный состав пробы.

Анализ парных изотопных характеристик производился в Лаборатории изменения климата и окружающей среды ААНИИ на газовых анализаторах Picarro L2130-i и Picarro L2140-i. За стандарт бралась дистиллированная водопроводная вода Санкт-Петербурга со следующими характеристиками относительно «V-SMOW2»: –9,79 ‰ по δ18О и –75,47 ‰ по δD относительно стандарта МАГАТЭ «V-SMOW2». Точность измерений составляет 0,05 ‰ для δ18О и 0,5 ‰ для δ2H.

Для определения условий образования осадков используют глобальную (ГЛМВ) и локальную линию метеорных вод (ЛЛМВ). ГЛМВ представляет собой уравнение, характеризующее взаимоотношения между δ18О и δ2H для всех осадков, а ЛЛМВ – для осадков в определенном районе [9].

Уравнение строится на линейной зависимости содержания дейтерия и кислорода-18 и имеет следующий вид:

δ2H= 8δ18O + 10.

Поскольку данных об изотопном составе атмосферных осадков крайне недостаточно, информацию об изменении δ18О и δ2H в осадках можно также получить с помощью косвенных методов, одним из которых является интерполирование данных IsoMAP, основанных на метеостанциях сети GNIP (Global Network of Isotopesin Precipitation). Использование связанного с данной сетью онлайн-калькулятора OPIC позволяет определить ежемесячные и годовые значения изотопного состава атмосферных осадков для различных территорий [4–6]. Поэтому с помощью географических координат и высот для каждого пункта были рассчитаны значения δ18О и δD за июль.

Для наибольшей точности расчетов в работе использовалось средневзвешенное по количеству осадков значение δ 18O проб по каждому пункту отбора, получаемое из следующей формулы:

,

где xi – значение изотопного состава, fi – вес пробы.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 представлены средние значения δ18О по данным полевых исследований в долине р. Талдура за 2023 г.

Данные δ18О, полученные по результатам отбора проб осадков, изменяются от 8,3 ‰ до 10,4 ‰. Средневзвешенный изотопный состав δ18О для всех пунктов составляет 9,5 ‰. Наиболее изотопно легкими являются осадки нижнего пункта отбора р. Талдура, наиболее изотопно тяжелыми – осадки верхнего пункта отбора р. Талдура.

По результатам изотопного анализа событийных летних осадков можно сделать несколько выводов. Во-первых, в летних осадках 2023 г. в долине р. Талдура не выражен высотный эффект изменения изотопного состава осадков: уменьшение значений δ18О с увеличением высоты не наблюдается. Отсутствие высотного эффекта можно объяснить выпадением осадков из единого уровня конденсации при отсутствии подъема воздушной массы вверх по долине или склонам. Во-вторых, признаки обратного высотного эффекта (наименьшие значения δ18О на нижнем гидрологическом посту), возможно, связаны с различными источниками влаги и турбулентным перемешиванием воздушных масс на орографических барьерах [10].

При том, что средневзвешенный изотопный состав на леднике Некрасова тяжелее, чем на 225 м ниже (пункт отбора у ледника Некрасова), если рассматривать отдельные события осадков на этих двух пунктах отбора (табл. 3), то в некоторые дни высотный эффект наблюдался.

Таблица 2

Средние изотопные характеристики по группам проб

Рис. 3. Зависимость между относительной концентрацией δ18О и δ2H в каждом пункте

Таблица 3

δ18О общих событий осадков на леднике Некрасова и около его края

Таблица 4

Сопоставление смоделированных и экспедиционных изотопных характеристик

Видно, что 16 июля высотный эффект был -0,17 ‰/100 м, 22 июля -0,39 ‰/100 м, 29 утром высотный эффект не наблюдался, вечером 29 июля -0,23 ‰/100 м. Для осадков 3–4 августа наблюдалось самое высокое значение высотного эффекта – -0,49 ‰/100 м. В работе [10] указано, что часто значение высотного эффекта для горных территорий составляет в среднем 0,3 ‰/100 м.

Таким образом, высотный эффект может быть выражен для отдельных событий осадков, но не находит отражения в средневзвешенном изотопном составе, поскольку наибольшее количество осадков, скорее всего, связано с конденсацией из единой воздушной массы на одном высотном уровне. С использованием полученных экспедиционных данных были построены локальные линии метеорных вод (ЛЛМВ) для всех пунктов отбора проб (рис. 3).

Локальные линии метеорных вод характеризуются угловым коэффициентом меньше 8, что характерно для летних осадков в Центральной Азии [11]. Наибольшую близость к глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ) и, следовательно, к равновесным условиям фракционирования имеет уравнение для ледника Некрасова, поскольку там выпадение осадков происходило при минимальной температуре. Низкие значения углового коэффициента в верхнем пункте р. Талдура свидетельствуют о вкладе испарительного фракционирования в формирование изотопного состава осадков [12].

Локальная линия метеорных вод для всех осадков описывается следующим уравнением: δD = 7,51 δ18О + 4,13.

Также в рамках исследования полученные полевые результаты были сравнены со смоделированными значениями онлайн-калькулятора OIPC (The Online Isotopesin Precipitation Calculator), который позволяет по введенным широте, долготе и высоте места определить изотопный состав осадков.

Входные параметры, результаты и относительная ошибка при сравнении рассчитанных и наблюденных значений представлены в табл. 4.

Смоделированное значение изотопного состава атмосферных осадков для средней высоты бассейна р. Талдура составляет 9,3 ‰. Относительная ошибка между смоделированными данными в системе OIPC и полученными экспедиционными показала следующее: относительная ошибка варьируется от 3 до 20 %, в среднем составляя 5 %. Исходя из этого, модельные данные об изотопном составе осадков для данного района можно использовать для дальнейших работ. Минимальная ошибка приходится на ледник Некрасова, максимальная – в нижнем пункте отбора реки Талдура.

Заключение

По результатам исследования получены парные изотопные характеристики для осадков в долине р. Талдура, отобранных в рамках полевой экспедиции 2023 г. Было выявлено, что для средневзвешенных значений высотный эффект не наблюдается: с увеличением высоты уменьшение значений δ18О не происходит. Такая ситуация может быть связана с выпадением осадков из единого уровня конденсации при отсутствии подъема воздушной массы вверх по долине или склонам. Также можно заметить признаки обратного высотного эффекта (наименьшие значения δ18О на нижнем гидрологическом посту), что, возможно, связано с различными источниками влаги и турбулентным перемешиванием воздушных масс на орографических барьерах. При этом для отдельных проб осадков, находящихся в одной долине (пробы в районе ледника Некрасова), высотный эффект проявляется и составляет от -0,17 до -0,49 ‰/100 м.

По полученным значениям изотопного состава была построена ЛЛМВ летних осадков 2023 г.: δ2Н = 7,51 δ18О + 4,13. Результаты согласуются с известными ранее данными по Алтаю [9]. Измеренный средний изотопный состав осадков (δ18О = -9,5 ‰) близок к смоделированному по онлайн-калькулятору OIPC (δ18О = -9,0 ‰), что говорит о том, что модельные данные хорошо отражают изотопный состав летних осадков на территории Центрального Алтая и могут быть использованы в последующих исследованиях.