Введение. В настоящее время в Арктике практически не остается районов, не испытывающих антропогенного влияния. В загрязнении природной среды здесь большую роль играет перенос загрязняющих веществ воздушными массами [1, 9]. Важное значение для изучения эоловой поставки вещества в экосистемы имеют исследования снежного покрова – природного архива атмосферных выпадений [2, 5, 6, 8]. Цель нашего исследования состоит в выявлении общих закономерностей и частных особенностей формирования ионного состава снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктических морей. Район исследования расположен на севере Европейской территории России (ЕТР) и включает побережье и острова Белого, Баренцева и Карского морей [3]. Снежный покров сохраняется здесь большую часть года.
Материалы и методы. Исходными материалами для проведения исследования являлись результаты химического анализа проб снежного покрова на 43 гидрометеорологических станциях (ГМС) водосборных бассейнов Белого, Баренцева и Карского морей на территории ответственности Северного и Мурманского управлений по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, в том числе расположенных в прибрежной зоне (рис. 1), за период с 1988 г. по 2008 г. Для оценки вклада морских аэрозолей в состав снежного покрова прибрежной зоны проводилось сравнение с данными, полученными на фоновой станции Сура, расположенной вне зоны прямого влияния промышленных предприятий и воздействия морской среды на границе Архангельской области и Республики Коми.
Отбор и анализ проб снежного покрова на государственной сети наблюдений (ГСН) проводится по единой методике [7]. Отбор пробы снежного покрова проводится один раз в год в период максимального накопления влагозапаса в снеге: на рассматриваемой территории – в III декаде марта – I декаде апреля. Основной принцип снегосъемки – ландшафтно-маршрутный. Анализ проб проводится по 10 показателям качества: содержание сульфатов, нитратов, хлоридов, гидрокарбонатов, ионов аммония, магния, натрия, кальция и калия, а также уровень pH.
В ходе анализа данных проводился расчет основных статистических показателей: среднее, максимальное и минимальное значения, медиана, разность отклонений, дисперсия, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации. Корреляционный анализ данных включал построение матриц коэффициентов парной корреляции между концентрациями веществ в снежном покрове в пределах одной станции. Для станций Онега, Нарьян-Мар и Сура также были рассчитаны коэффициенты корреляции между концентрацией вещества в снежном покрове и атмосферных осадках. Для определения степени близости связи использовали вербально-числовую шкалу Харрингтона [4, 10], при помощи которой матрицы коэффициентов корреляции были преобразованы в матрицы ранговых связей.
Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб снежного покрова
Результаты и их обсуждение. Возможные пути поступления ионов в снежный покров из атмосферы можно объединить в две группы: влажное выпадение со снегом и сухое выпадение. В период с ноября по январь на рассматриваемой территории формируются основные запасы снега, в связи с чем, основную роль в этот период играет вымывание веществ из атмосферы. В остальные месяцы предполагается преобладание сухого осаждения.
Природное соотношение между отдельными элементами в снежном покрове разных районов различно: преобладающим ингредиентом в снежном покрове приморских районов является хлорид-ион, для материковой части это гидрокарбонатный ион. Антропогенное загрязнение может значительно увеличивать обогащение снега отдельными элементами. С учетом этого был проведен корреляционный анализ содержания химических веществ в снежном покрове. Также учитывался тот факт, что в снежном покрове материковой части среди катионов преобладает кальций, а в прибрежной зоне – натрий.
Вследствие влияния морских аэрозолей, в прибрежной зоне фиксируется значимая корреляция между концентрациями хлоридов и натрия. Исключение составили станции Кольского п-ова, удаленные от побережья, а также промышленный центр – Мурманск. Вне зоны влияния морской среды и промышленности – на станции Сура – связь между данными ионами также незначительная. На станции Марресале обнаружена значительная корреляция между хлоридами и всеми катионами.
Повышенное содержание хлоридов отмечается на прибрежных станциях, открытых для западного переноса воздушных масс с моря: п-ов Канин, о-в Колгуев, северное побережье Кольского п-ова, восточное побережье Карского моря, где средние концентрации находились в пределах 8,43–17,0 мг/л. Высокие концентрации хлоридов отмечены на островах Карского моря. Зоной относительно низкого содержания хлоридов в снежном покрове можно назвать побережье Белого моря, западное побережье глубоко вдающихся в сушу заливов Карского моря, район станции Нарьян-Мар, где средняя концентрация этого иона составляет 1,24–4,31 мг/л. Данный факт может быть связан с меньшей соленостью вод прилегающих акваторий вследствие распреснения речным стоком. Пониженные концентрации хлоридов отмечены в центральной части Кольского п-ова. Средняя концентрация хлоридов на станции Сура составляет 1,4 мг/л.
Распределение средних концентраций ионов натрия аналогично распределению средних концентраций хлоридов как преобладающих ионов в морской воде. Максимальные средние концентрации ионов натрия отмечены на восточном побережье Карского и Баренцева морей, северо-востоке Кольского п-ова (4,52–12,26 мг/л), островных станциях Карского моря (2,14–7,15 мг/л). На остальной территории средние концентрации натрия находятся в пределах 0,43–3,33 мг/л. На станции Сура, удаленной от морей, концентрация ионов натрия за исследуемый период изменялась от 0,28 мг/л до 1,5 мг/л.
Средние концентрации сульфатов на исследуемой территории составили 0,89–4,65 мг/л. На территории Кольского п-ова наибольшее содержание сульфатов в снежном покрове зафиксировано в районе станции Мончегорск, где средние (максимальные) концентрации составили 7,09 (27,4) мг/л, что в основном является результатом загрязнения выбросами Мончегорского медно-никелевого комбината «Североникель». Повышенные концентрации сульфатов, обусловленные влиянием моря, фиксируются на восточном побережье Баренцева и Белого морей. Высокие концентрации сульфатов в снежном покрове до 12,62–57,98 мг/л в отдельные годы фиксируются на побережье Таймырского автономного округа, вероятно, в результате загрязнения выбросами Норильского медно-никелевого комбината.
Средние концентрации гидрокарбонатов составляли 0,44–8,15 мг/л, ионов кальция 0,32–4,39 мг/л. Максимальные концентрации гидрокарбонатов в снежном покрове отмечаются на станции Ковдор (в среднем 28,77 мг/л). Здесь же отмечается и высокое содержание кальция – 8,74 мг/л. В районе станции Ковдор значимая связь между хлоридами и гидрокарбонатами имеет обратный характер. Повышенная средняя концентрация гидрокарбонатов отмечается на побережье Белого моря и о-ве Колгуев (Баренцево море), где также отмечена значительная корреляция ионов кальция и гидрокарбонатов. На Кольском п-ове в целом концентрации гидрокарбонатов незначительны. Относительно повышена средняя концентрация кальция в районе Мончегорска.
Корреляция между содержанием гидрокарбонатов и хлоридов, как и с другими анионами чаще всего незначительная. Тесная связь гидрокарбонатов с нитратами и аммоний- ионом отмечена на западном побережье п-ова Канин и в северной части о-ва Северный Колгуев, что свидетельствует о поступлении данных ионов с территории суши.
Средние концентрации нитратов в европейской части рассматриваемого региона увеличиваются с севера на юг от 0,09 мг/л на станции им. Кренкеля (архипелаг Земля Франца-Иосифа) до 1,52–1,75 мг/л на станциях Нарьян-Мар, Мезень, Онега. Средние концентрации аммоний-иона на всей территории составили 0,07–0,91 мг/л. Минимальное содержание ионов аммония отмечается на островных станциях Карского моря, станции Амдерма. Максимальная средняя концентрация аммоний-иона отмечена на станции Териберка (1,09 мг/л).
Связь иона аммония с хлоридами и натрием очень высокой и высокой степени обнаружена в районе станций Онега, Ковда, Ковдор, Мончегорск, Канин Нос, Мезень, Кандалакша, Амдерма, Сеяха, мыс Челюскин. На остальных станциях связь между данными ионами отсутствует. На побережье Кандалакшского залива, западном побережье п-ова Канин, станциях Полярное, Известий ЦИК и Северный Колгуев зафиксирована тесная связь ионов аммония с кальцием.
В пространственном распределении средних концентраций магния прослеживается тенденция, характерная для хлоридов и ионов натрия, – средняя концентрация выше на восточном побережье заливов Карского моря, на станциях открытых для западного переноса воздушных масс с акватории морей, в северо-западной части Кольского п-ова. Максимальные средние концентрации магния отмечены на островных станциях Карского моря и его восточном побережье (1,06–2,97 мг/л). Тесная связь содержания в снежном покрове магния с хлоридами и натрием на станциях, расположенных непосредственно на побережье, говорит о поступление магния со стороны моря, что подтверждается незначительным содержанием магния в пробах со станции Сура.
На станциях, где проявляется связь натрия и хлоридов прослеживается тесная связь калия с данными ионами, что говорит о поступлении его преимущественно со стороны моря. В районе Архангельска поступление данного иона происходит со стороны суши, так как высокой степени связь калия с хлоридами и натрием имеет обратный характер.
Увеличение значений pH снежного покрова в большинстве случаев происходит за счет увеличения концентраций гидрокарбонатов. Определяющим фактором пониженных значений pH является снижение в снеге концентраций катионов Na, K, Mg, Ca, нейтрализующих кислоты. На территории Кольского п-ова уровень pH снежного покрова ниже, чем на остальной территории, особенно на станции Мончегорск, что является результатом загрязнения выбросами Мончегорского медно-никелевого комбината, использующего сульфидные руды. Исключение составляет станция Ковдор, где минимальное значение уровня pH составляет 5,85.
На станции Сура по сравнению с другими станциями повышены концентрации нитратов, вследствие близости промышленных предприятий Вологодской области. Содержание азота аммонийного, хлоридов, ионов магния, натрия и калия здесь ниже, чем на прибрежных станциях, из-за удаленности от природного источника данных веществ – морских акваторий.
Статистический анализ концентраций веществ в снежном покрове показал их большую межгодовую изменчивость по всем без исключения элементам. Достаточно высокая величина коэффициента вариации (до 291) указывает на значительно большой разброс значений концентраций веществ в пробах. Данный факт может быть обусловлен непостоянством поступления данных веществ, что связано, в том числе, с воздействием дальнего переноса.
Расчет матриц коэффициентов корреляции между концентрацией вещества в снежном покрове и в атмосферных осадках по данным с одной станции проводился для станций Онега, Нарьян-Мар и Сура, для которых характерны различные климатические условия. В общем случае корреляция между концентрацией вещества в снежном покрове и в атмосферных осадках незначительная, что говорит о различии в процессах формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова. Кроме того, это может свидетельствовать о значительном вкладе поступления химических веществ в снежный покров в результате сухого осаждения. Преимущественно связь имеет прямой характер. Обратная корреляция для хлоридов, ионов натрия и кальция отмечается в районе Онеги и Суры, для калия – в районе Нарьян-Мара.
Тесная связь между содержанием сульфатов в снежном покрове и атмосферных осадках проявляется на станции Онега и Нарьян-Мар. В районе Нарьян-Мара значительная корреляция характерна также для ионов магния, хлоридов и уровня pH. На станции Сура содержание нитратов и аммоний-иона в снежном покрове имеет тесную связь с содержанием данных веществ в атмосферных осадках, высокая корреляция отмечается и для уровня pH.
Выводы. 1. Существенный разброс статистических характеристик и значений концентраций веществ указывает на пространственную и временную неоднородность химического состава снежного покрова, многофакторность процесса его формирования на данной территории. 2. В прибрежных и морских районах происходит обогащение снежного покрова натрием и хлоридами. Повышенные концентрации сульфатов, обусловленные влиянием моря, фиксируются в прибрежных зонах Баренцева и Белого морей. Вклад антропогенных источников в загрязнение снежного покрова сульфатами является преобладающим в центре Кольского п-ова. 3. Увеличение уровня pH в большинстве случаев происходит за счет роста концентраций гидрокарбонатов. Пониженные значения уровня pH в основном связано со снижением в снеге концентраций катионов Na, K, Mg, Ca, нейтрализующих кислоты. 4. В общем случае корреляция между концентрацией вещества в снежном покрове и в атмосферных осадках незначительная. Это говорит о различии в процессах формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова, а также о значительном вкладе поступления химических веществ в снежный покров в результате осаждения. 5. Таким образом, формирование ионного состава снежного покрова в исследуемом районе происходит под влиянием естественных и антропогенных факторов, их соотношение зависит от расстояния от крупных промышленных центров.
Авторы благодарны сотрудникам Северного и Мурманского управлений гидрометеослужбы за предоставление данных. Работа выполнена при финансовой поддержке Программы 23 фундаментальных исследований Президиума РАН (проект «Трансевропейский меридиональный морской эколого-геохимический разрез»).
Рецензенты:
Виноградова А. А., д.г.н., ведущий научный сотрудник ФГБУН Института физики и атмосферы им. А. М. Обухова РАН, г. Москва.
Лукашин В. Н., д.г.-м.н., ведущий научный сотрудник ФГБУН Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, г. Москва.