Состав снежного покрова островов Баренцева и Карского морей

Проблема загрязнения окружающей среды арктических территорий привлекает внимание ученых уже не одно десятилетие [1-5]. На данный момент эта проблема все еще недостаточно изучена. Арктические территории, особенно труднодоступные арктические острова, долгое время считались «эталонами чистоты». Детальное изучение объектов природной среды Арктики показало наличие в них веществ антропогенного происхождения, несмотря на удаленность от промышленных источников. Связано это с тем, что на территории Арктики происходит разгрузка воздушных потоков от тех загрязнений, которые они накопили в среднеширотных районах [1, 3]. Размещение в Арктике антропогенных источников в результате ее социально-экономического развития (например, свинцово-цинкового минерально-сырьевого центра на архипелаге Новая Земля) [6] может увеличить антропогенную нагрузку на арктические экосистемы. В связи с развитием Северного морского пути, значительное влияние на загрязнение атмосферного воздуха в арктическом регионе оказывают морские суда. Так, например, исследования [2] показали, что присутствие судов способствует увеличению концентрации в атмосферном аэрозоле не только микроэлементов, но и ионов кальция, калия, сульфатов.

Условия протекания биохимических процессов в Арктике очень специфичны. Островная суша находится под сильным воздействием океана. В районе встречи Трансарктического и Северо-Атлантического течений зарождаются циклоны, которые перемещаются на восток от Исландии вдоль границы полярных льдов, постепенно отдавая тепло и влагу [7]. Вследствие этого на западном побережье острова Шпицберген количество атмосферных осадков составляет 400 мм/год, восточнее на Земле Франца-Иосифа - уже 200-300 мм/год, еще далее к востоку на Северной Земле – 100-200 мм/год. Влияние морских вод не ограничивается переносом тепла и влаги. С воздушными массами переносятся морские аэрозоли, в большей степени состоящие из растворимых солей, которые активно вымываются осадками и накапливаются в снежной толще. Согласно результатам наблюдений Арктического и Антарктического научноисследовательского института (ААНИИ) [8] на водосборе залива Грен-фьорд о. Западный Шпицберген в ионном составе снежного покрова преобладают в основном хлорид-ионы, ионы натрия и сульфаты. От большинства арктических островных территорий о. Западный Шпицберген отличается наличием значимого антропогенного источника - предприятий угледобывающей промышленности. На территории поселка Баренцбург и в его окрестностях Северо-Западным филиалом НПО «Тайфун» в снежном покрове обнаружены нефтяные углеводороды, пестициды, полихлорбифенилы, а также некоторые тяжелые металлы (свинец и кадмий) [9].

Снежный покров в качестве объекта исследования выбран в первую очередь потому, что его состав может рассматриваться в качестве интегрированной характеристики загрязнения атмосферы за период снего-залегания. Снежный покров, как естественный планшет, накапливает в своей толще атмосферные выпадения (сухие и влажные) за весь зимний период. В результате, концентрации загрязняющих веществ в снежном покрове выше, чем в атмосферном воздухе. Это позволяет проводить наблюдения и анализ проб достаточно простыми методами и с высокой степенью надежности. По материалам [4] в приземной атмосфере западной части Российской Арктики в период полярной ночи наблюдаются максимальные суммарные концентрации ионов в атмосферном воздухе. Поэтому использование данных о составе снежного покрова в качестве источника информации о загрязнении атмосферы рассматриваемой территории вполне обосновано.

Цель исследования: проследить особенности формирования снежного покрова арктических островов с учетом их физико-географических особенностей.

Объект и методы исследования

Объектом изучения является снежный покров арктических островов, расположенных в Баренцевом и Карском морях. Проведено обобще ние и сравнение данных состава снежного покрова, полученных в результате исследований ФГБУ Арктический и Антарктический научно-

40°                        60°                        80° в. д.

Рисунок 1 – Районы отбора проб: 1 – о. Западный Шпицберген, 2– о. Хейса арх. Земля Франца-Иосифа, 3– о. Визе, 4 – о. Голомянный арх. Седова, 5 – о. Тройной арх. Острова Известий ЦИК, 6 – о. Колгуев (метеостанции Северный Колгуев и Бугрино).

исследовательский институт (ААНИИ, г Санкт-Петербург) на водосборе залива Грен-фьорд

(о. Западный Шпицберген) и ФГБУ «Северное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» (Северное УГМС, Архангельск) на о. Хейса архипелага Земля Франца-Иосифа (обсерватория имени Эрнста Кренкеля), о. Визе, о. Голомянный архипелага Седова, о. Тройной архипелага Острова Известий ЦИК, о. Колгуев (станции Северный Колгуев и Бугри-но) (рис. 1) за период 2005-2019 гг.

Отбор и анализ проб снежного покрова осуществлялся в соответствии с [10-15] один раз в год в период максимального накопления влагозапаса в снеге (май – июнь). Проба снежного покрова состояла из отдельных кернов снега, отобранных на выбранном участке. Керны снега отбирались весовым снегомером. Количество кернов снега в пробе определялось на месте исходя из условий получения общего объема воды в одной пробе не менее 2.5 дм3. Каждый керн снега вырезался на полную глубину снежного покрова, но так, чтобы не происходил захват частиц грунта. Отбор проб снежного покрова на о. Западный Шпицберген проводился на расстоянии 7-17 км от поселка Баренцбург Растапливание снега осуществлялось при комнатной температуре с фильтрованием в момент растапливания снега. Для фильтрования использовались фильтры «синяя лента» и «белая лента» (о. Западный Шпицберген). Далее фильтрат отправлялся в лабораторию для анализа. В пробах, отобранных на о. Западный Шпицберген, в лаборатории Российского научного центра на арх. Шпицберген ААНИИ методом ионной хроматографии определяли нитраты, хлориды, сульфаты, нитриты, фосфаты, фториды, бромид, ионы аммония, калия, магния, кальция. Содержание гидрокарбонат-ионов рассчитывали из концентраций неорганического углерода, измеренного на анализаторе ТОС (Shimadzu, Япония). В пробах, собранных на других островах, в Центре по мониторингу загрязнения окружающей среды ФГБУ «Северное УГМС» определялись значения водородного показателя, удельной электропроводимости (УЭП), методом ионной хроматографии на хроматографе Dionex ICS-900 (США) измерялись концентрации нитрат-ионов, хлорид-ионов, сульфат-ионов, ионов аммония, калия, магния, кальция.

Проведен расчет основных статистических показателей и корреляционный анализ данных, который включал построение матриц коэффициентов парной корреляции (КК) между концентрациями веществ в пробах снежного покрова в пределах одной станции.

Для определения вклада различных источников в загрязнение снежного покрова отдельных станций рассчитаны коэффициенты обогащения [7,16]. Расчет коэффициента обогащения талой фазы снежного покрова элементами по отношению к атмосферным осадкам над океаном для анионов проводился по отношению к хлоридам, для катионов – к иону натрия по формуле:

/^СП^яД где КО – коэффициент обогащения,

Сэл, СCl-(Na+) – концентрация рассматриваемого иона и хлорид-иона (иона натрия) в талой фазе снежного покрова на станции,

Мэл, М Cl-(Na+) – концентрация рассматриваемого иона и хлорид-иона (иона натрия) в атмосферных осадках над океаном [7].

Принято считать, что коэффициент обогащения от 1 до 10 свидетельствует о морском происхождении элемента, больше 10 - о наличии дополнительного источника поступления элемента в воздушную среду [17].

Результаты и их обсуждение

Статистический анализ данных показал, что состав снежного покрова островных территорий имеет значительную межгодовую изменчивость, о чем свидетельствуют высокие значения среднеквадратичного отклонения (табл. 1). Это может говорить о многофакторности процессов формирования ионного состава снега, при этом влияние факторов непостоянно.

Данная особенность была определена ранее для снежного покрова прибрежных территорий западного сектора Арктики [18].

Характеристики снежного покрова

Таблица 1

Показатель	о. Западный Шпицберген	о. Хейса	о. Визе	о. Голомян- нын	о. Тройной	Станция Северный Колгуев	Станция Бугрино
pH, ед.рН	4.09 - 7.30	5.45 - 6.91	5.02 - 6.47	5.87-7.19	5.09 - 6.46	5.83 - 6.78	5.14-7.00
	5.85 + 0.47	6.33 + 0.46	6.04 + 0.40	6.59 + 0.39	6.05 + 0.46	6.38 + 0.33	6.06 + 0.52
УЭЦ мкСм см	2.68 - 174.20	8.33 - 98.8	10.1 - 307	20.2 - 480	21.8-226	14.2 - 78.7	6.65-106
	23,2 + 545	40.3 + 28.8	76.6 + 105.1	914 + 119	64.2 + 53.0	42,7 + 22.6	52.1 + 28.0
SO42, мг/дм3	н. о. —13.8	к. о.— 5.54	н. о.-7.85	н. о. —14.4	н.о.—6.58	0.56 - 5.62	н. о.—15.04
	1.69 + 1.41	1.73 + 1.64	2.15 + 2.46	2.95 + 3.62	249 + 2.04	2.77 + 1.50	3.71 + 4.30
NOT, мг/дм3	н. о. —0.74	н. а—13.5	н.о. —8.11	н. о. —9.3	н. о. —7.48	0.1 - 9.05	н. о. —14.6
	0.17 + 0.05	1.68 + 4.44	1.18 + 2.26	0.96 + 2.53	144 + 2.08	2.75+3.91	2.17 + 4.17
ННД мг/дм3	0.11 -1.19	н. а — 0.59	н.о. —0.19	н.о.—2.73	н.о.—0.23	0.1-3.21	н. о.-1.50
	0.35 + 0.21	0.13 + 0.18	0.05 + 0.07	0.25 + 0.75	0.06 + 0.07	0.94 + 1.10	0.24 + 0.42
СГ, мг/дм’	0.98 - 15.4	0.80 - 24.0	0.22 - 82.7	2.65 - 120.4	4.06 - 63.2	0.97 - 16.8	н. о.-19.2
	4.54 + 0.80	6.89 + 8.25	18.3 + 28.8	19.9 + 31.1	15.1 + 15.4	7.11+4.95	6.93 + 6.225
НСОу, мг/дм3	0.87 - 3.84	н. о. -8.71	н.о. —6.10	н. о.-19.2	н. о. —4.88	н.о.—5.38	н. о,- 21.36
	1.88+0.16	3.70 4 2.78	2.28 + 1.94	5.03 + 4.92	2.30 + L52	3.50 + 1.99	4.04 + 6.12
Na+, мг/дм3	н. о.-10.72	0.29 - 13.0	0.16 - 48.0	0.09 - 64.5	3.00 - 38.00	1.10 - 10.5	0.20-11.0
	3.31 + 0.87	4.07 + 4.34	10.1 + 16.0	10,7 + 16.6	8.10 + 9.28	5.03 + 2.66	5.08 + 3.92
К4, мг/дм1	н. 0.-13.37	0.18-6.0	н. о. —2.0	0.11-2.54	0.14-2.10	0.15—4.0	0.14- 1.50
	0.37 + 0.26	L17 + 1.97	0.61 + 0.67	0.74 + 0.72	0.73 + 0.67	141 + 1,23	0.49 + 0.34
Са'2, мг/дм3	н. 0.-12.75	н.о.— 2.61	0.18 - 3.54	н.о.—7.55	0.18-6.04	0.86-2.16	0.14—6.83
	0.51+0.17	1.28 + 0.86	1.37 + 1.19	2.17 + 2.04	ЦБ 1+1,57	1.14 + 0.43	1.75 ± 2.25
Mg42, мг/дм3	и. о. —5.15	0.25 - 1.95	0.30 - 5.01	0.23-3.13	н. о. —3.93	0.41 - 1.23	0.18-1.70
	0.50 + 0.16	0.78 + 0.55	1.33 + 1.54	1^5+0.76	1.314 1.02	0.86 + 0.30	0.82 + 0.45

Примечание. В числителе: минимальное – максимальное значения, в знаменателе: среднее арифметическое значение ± стандартное отклонение.

Рисунок 2 – Долевой вклад анионов в состав снежного покрова: 1 – о. Западный Шпицберген, 2– о. Хейса арх. Земля Франца-Иосифа, 3– о. Визе, 4 – о. Голомянный арх. Седова, 5 – о. Тройной арх. Острова Известий ЦИК, 6 – станция Северный Колгуев (о. Колгуев), 7 – станция Бугрино (о. Колгуев)

В порядке возрастания абсо-лютные концентрации ионов в составе снежного покрова ис-следуемых островов можно расположить следующим образом: Cl ^- >HCO 3^- >SO₄ ^-2 >NO 3^- ; Na + >Ca ⁺² >Mg ⁺² >K + . В долевом соотношении (%) концентраций ионов порядок расположения катионов сохраняется, однако долевой вклад анионов отличается (рис. 2). Очевидно, что в составе снежного покрова преобладают хлориды и ионы натрия, что характерно для приморских и островных территорий [7, 16, 19, 20].

Одним из важных показателей исследования атмосферных выпадений в Арктическом регионе является их кислотность. Считается, что незагрязненным атмосферным осадкам соответствует значение 5.6 ед. pH [16]. Средняя величина талой фазы снежного покрова рассматриваемой территории изменялась в диапазоне 5.85-6.59 ед. pH, что несколько выше данного значения.

Случаи закисления снежного покрова исследуемых нами островов наблюдались только на о. Западный Шпицберген, где определен наименьший из средних значений уровень pH – 5.85 ед. рН. В отдельные годы (2012, 2015, 2016 гг.) этот показатель снижался до 4.09-4.79 ед. рН. Максимальное определенное значение уровня pH снежного покрова (7.30 ед. рН) также зафиксировано в пробе, отобранной на о. Западный Шпицберген. Это может свидетельствовать о разнообразии факторов, влияющих на формирование химического состава снежного покрова острова.

В качестве интегральной характеристики химического состава снежного покрова можно рассматривать удельную электропроводимость. Значения УЭП дают первичное представление о загрязнении снега. Снежный покров о. Западный Шпицберген характеризуется низкими значениями УЭП: 23.2 мкСм/см в среднем за рассматриваемый период (2005-2019 гг.). Средние значения содержания ионов (за исключением иона аммония) в снеге Западного Шпицбергена также ниже, чем на остальных островах (см. табл. 1).

Исследование нитрит-ионов, фосфат-ионов, фторид-ионов, бромид-ионов в снежном покрове на о. Западный Шпицберген выявило отсутствие во всех пробах фосфат-ионов. В единичных пробах обнаружено содержание нитрит-ионов (2019 г.) на уровне 0.10 мг/дм3 и бромидов (2007 и 2018 гг.) на уровне 0.17 мг/дм3. Среднее содержание фторидов в снежном покрове о. Западный Шпицберген составило 0.09 мг/дм3. Данное значение соответствует уровню фоновых концентраций этого элемента в атмосферных осадках прибрежных морских районов (0.089 мг/дм3) [21], а значит, содержание фтора на данной территории обусловлено активным переносом аэрозольных форм фтора в составе морского аэрозоля.

Рассчитанные коэффициенты обогащения, позволяющие выявить дополнительный вклад ионов от разных источников в формировании химического состава снежного покрова показали, что в большинстве случаев обогащение снежного покрова сульфатами, ионами магния и калия менее 10 и говорит об их поступлении преимущественно в составе морских аэрозолей. В 2007 г. и 2018 г. значения коэффициента обогащения снежного покрова о. Западный Шпицберген сульфатами были более 10, что свидетельствует о поступлении сульфатов в эти годы не только в составе морских аэрозолей, но и от других источников, в том числе антропогенных.

УЭП снежного покрова на о. Хейса в среднем выше почти в 2 раза, чем на о. Западный Шпицберген: среднее значение составило 40.3 мкСм/см. Уровень pH талой фазы снежного покрова о. Хейса (6.33 ед. pH) выше в сравнении со значениями на других островах севера Баренцева и Карского морей (о. Западный Шпицберген и о. Визе). Наличие на острове птичьих базаров и колоний может быть причиной повышенных концентраций нитратов (1.68 мг/дм3) в снеге данной территории, долевой вклад которых в ионном составе тоже повышен (рис. 2). На о. Хейса отмечено повышенное содержание в снежном покрове гидрокарбонат-ионов (3.70 мг/дм3) и ионов калия (1.17 мг/дм3). Средние значения коэффициента обогащения снежного покрова ионами кальция здесь выше 10. Скорее всего, происхождение гидрокарбонат-ионов, ионов кальция и калия терригенное и связано с особенностями геологического строения территории. Ландшафт о. Хейса – это холмистая песчаная арктическая пустыня с эрозионным расчленением рыхлых осадочных пород в условиях поднимающейся суши [22]. Вблизи маршрута отбора проходит гряда из базальтовых пород высотой до 10 м. В период формирования снежного покрова в условиях сильных ветров и метелей часть терригенного вещества фиксируется в снежной толще.

На значения УЭП снежного покрова островов Карского моря (о. Визе, о. Голомянный, о. Тройной) помимо хлоридов и ионов натрия оказывают влияние сульфаты (КК-0.94-0.99). Доля хлоридов в ионном составе снежного покрова этих островов велика (более 60%).

УЭП снежного покрова о. Визе изменяется в широком диапазоне. В 2015 г значение УЭП равнялось 10.1 мкСм/см. при низких концентрациях в снеге хлоридов (0.22 мг/дмз), сульфатов (0.64 мг/дмз), ионов натрия (0.16 мг/дм3) и калия (0.1 мг/дм3). В 2012 г. значение УЭП составило 307 мкСм/см. В составе снежного покрова были зафиксированы высокие концентрации хлоридов (82.7 мг/дм3), ионов натрия (48.0 мг/дм3), кальция (3.54 мг/дмз), магния (5.01 мг/дмз). Для ионного состава снежного покрова о. Визе характерно низкое содержание аммоний-иона, концентрации которого не превышали 0.19 мг/дмз, и пониженное содержание гидро-карбонат-иона: 2.28 мг/дмз в среднем за период. Значение коэффициента обогащения снежного покрова о. Визе сульфатами лишь в 2015 году было выше 10 и равнялось 21.

Наибольшее среднее значение УЭП (91.1 мкСм/см) и уровня рН (6.59 ед. рН) получено в пробе снежного покрова на о. Голомянный. Увеличению уровня рН снежного покрова в данной точке (по данным корреляционного анализа) способствуют высокие концентрации гидрокарбонат-ионов (КК- 0.59) и ионов магния (КК-0.39). В снежном покрове о. Голомянный определено наибольшее содержание хлоридов-ионов (19.9 мг/дмз), гидрокарбонат-ионов (5.03 мг/дмз), сульфат-ионов (2.95 мг/дмз), ионов натрия (10.7 мг/дмз), кальция (2.17 мг/дмз), магния (1.35 мг/дмз). Значения коэффициента обогащения снежного покрова сульфатами не превышали 10.

В снежном покрове о. Тройной архипелага Острова Известий ЦИК определены наименьшие для островов Карского моря средние значения УЭП (64.2 мкСм/см). Средние концентрации хлорид-ионов и ионов натрия составили 15.1 мг/дм3 и 8.10 мг/дм3, соответственно. Наименьшие значения коэффициента обогащения снежного покрова сульфатами также были получены на о. Тройной (не более 3 для каждого года исследований), что свидетельствует об их преимущественно морском происхождении.

Остров Колгуев расположен ближе других рассматриваемых островных территорий к материку с размещенными на нем мощными антропогенными источниками загрязнения атмосферного воздуха. Значения УЭП снежного покрова острова Колгуев, а также содержание хлорид-ионов, ионов натрия и магния в снеге выше, чем на других островах Баренцева моря (о. Западный Шпицберген и о. Хейса), но ниже чем на островах Карского моря (о. Визе, о. Голомянный, о. Тройной). Вместе с тем в снежном покрове острова отмечено повышенное содержание сульфатов (2.77-3.71мг/дмз), нитратов (2.17-2.75 мг/дмз), ионов аммония (0.24-0.94 мг/дмз). Увеличение доли сульфатов в ионном составе снежного покрова, вероятнее всего, с переносом загрязняющих веществ с континентальной части России.

Выводы

В ионном составе снежного покрова островов Баренцева и Карского моря преобладающим анионом являются хлориды, катионом – ионы натрия. На рассматриваемой территории значения удельной электропроводимости талой фазы снежного покрова изменяются в широком диапазоне как во времени, так и в пространстве: от 2.68 мкСм/см в 2017 г. на о. Западный Шпицберген до 480 мкСм/см в 2017 г. на о. Голомянный. По данным авторов отмечается рост средних значений УЭП в северной части Баренцева и Карского морей с запада на восток от о. Западный Шпицберген до о. Голомянный. Связано это с увеличением содержания хлоридов и ионов натрия в снежном покрове вследствие переноса морских аэрозолей с незамерзающей части Баренцева моря. Наличие антропогенного источника поступления веществ в атмосферный воздух непосредственно на о. Западный Шпицберген не оказывает явного воздействия на состав снежного покрова территорий острова, удаленных от источника на 7-17 км. Ближе к материку (о. Колгуев) отмечено увеличение содержания в снежном покрове форм азота и сульфатов вследствие влияния континентальных источников. При этом значения УЭП снежного покрова данной территории ниже, чем на островах севера Баренцева и Карского моря.

Таким образом, можно выделить две основные особенности формирования ионного состава снежного покрова островов Баренцева и Карского моря. С одной стороны, прослеживается рост содержания морских ионов в снежном покрове на удаленных островах в зональном направлении. С другой стороны, на состав снежного покрова прибрежных островов оказывает влияние перенос веществ от континентальных источников.