Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИОННОГО СОСТАВА СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ РОССИИ

Котова Е.И. 1 Коробов В.Б. 1 Шевченко В.П. 2
1 Северо-Западное отделение ФГБУН Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Архангельск, Россия (163061, Архангельск, набережная Северной Двины, 112, корп. 3)
2 ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия (117997, Москва, Нахимовский проспект, 36)
В статье обобщены результаты анализа ионного состава снежного покрова в прибрежной зоне Белого, Баренцева и Карского морей, выполненного на 43 гидрометеорологических станциях в 1988–2008 гг. Показано, что существенный разброс статистических характеристик и значений концентраций ионов указывает на пространственную и временную неоднородность химического состава снежного покрова, многофакторность процесса его формирования на данной территории. 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. В целом, формирование химического состава снежного покрова в исследуемом районе происходит под влиянием естественных и антропогенных факторов, их соотношение зависит от расстояния от крупных промышленных центров.
загрязнение окружающей среды
прибрежная зона
моря Арктики
химический состав
снежный покров
1. Аэрозоли Арктики – результаты десятилетних исследований / В. П. Шевченко, А. П. Лисицын, А. А. Виноградова [и др.] // Оптика атмосферы и океана. 2000. – Т. 13. – № 6–7. – С. 551–576.
2. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш. Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 181 с.
3. Васильев Л. Ю. Климат / Л. Ю. Васильев, Т. Е. Водовозова // Система Белого моря. – Т. 1. Природная среда водосбора Белого моря / Отв. ред. А. П. Лисицын. – М.: Научный мир, 2010. – С. 16–39.
4. Коробов В. Б. Экспертные методы в географии и геоэкологии. – Архангельск: Поморский университет, 2008. – 236 с.
5. Лобанова О. А. Химический состав осадков и снежного покрова как показатель аэротехногенного загрязнения окружающей среды Архангельской агломерации (АА) / О. А. Лобанова, А. Ф. Надеин, С. Н. Тарханов, К. В. Кочерина // Север: экология. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000. – С. 40–53.
6. Первые данные о составе пыли, окрасившей снег на Европейском севере России в желтый цвет (март 2008 г.) / В. П. Шевченко, В. Б. Коробов, А. П. Лисицын [и др.] // Доклады Академии наук. – 2010. – Т. 431. – № 5. – С. 675–679.
7. Руководство по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186-89).
8. Трубицина О. П. Анализ геоэкологического состояния атмосферного воздуха и осадков севера Русской равнины по данным мониторинга // Вестник Поморского университета. – Серия: Естественные науки. – 2008. – № 3. – С. 35–42. .
9. Barrie L. A. Occurences and trends of pollution in the Arctic troposphere // Chemical Exchange Between the Atmosphere and Polar Snow / E.W. Wolff, R.C. Bales (eds.). – Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag. – 1996. – P. 93–129.
10. Harrington E.C. The desirable function // Industrial Quality Control. – 1965. - V. 21. – № 10. – P. 124–131.

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.


Библиографическая ссылка

Котова Е.И., Коробов В.Б., Шевченко В.П. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИОННОГО СОСТАВА СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ РОССИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=7843 (дата обращения: 18.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074