Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Реконструкция загрязнения атмосферы с использованием данных ледникового кернового бурения 9
1.1. Факторы, определяющие уровень загрязнения приземного слоя атмосферы и его реконструкция по кернам высокогорных ледников 9
1.2. Методы исследования ледовых кернов 20
1.3. Возможности и проблемы при интерпретации данных высокогорных ледовых кернов
Глава 2. Обоснование района и объекта исследования 40
2.1. Район исследования.. 40
2.1.1. Общие физико-географические условия 40
2.1.2. Климатические условия и циркуляционные процессы на территории Алтая 42
2.1.3. Особенности рельефа и оледенения Алтая 49
2.2. Оледенение массива Белухи 55
2.3. Гляциохимические данные глубинного ледового керна седловины г. Белуха
Глава 3. Оценка вклада локальных, региональных и глобальных источников эмиссии ртути в общий баланс ее поступления в атмосферу Алтая 76
Глава 4. Идентификация пылевых слоев в ледовом керне седловины г. Белуха 90
Выводы 103
Список литературы 104
- Методы исследования ледовых кернов
- Климатические условия и циркуляционные процессы на территории Алтая
- Оценка вклада локальных, региональных и глобальных источников эмиссии ртути в общий баланс ее поступления в атмосферу Алтая
- Идентификация пылевых слоев в ледовом керне седловины г. Белуха
Введение к работе
Актуальность работы. Основными методами оценки современного уровня загрязненности атмосферы являются проведение прямых мониторинговых наблюдений и теоретические расчеты эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу [ЕМЕР, 2007; МГЭИК, 2007]. Для получения обобщенной информации об экологическом состоянии атмосферы, как для прошлых эпох, так и для современного отрезка времени используются различные стратифицируемые природные накопители. Среди них особое место отводится высокогорным ледникам, хорошо отражающим палеоклиматические и палеоэкологические изменения. Повышенный интерес именно к этим наземным стратифицируемым накопителям обусловлен также наблюдающейся их интенсивной деградацией, которая может привести в ближайшем будущем к полному отсутствию возможности их использования в качестве «палеоархивов».
Большой интерес высокогорные ледники представляют для оценки уровня загрязнения атмосферы веществами, способными переноситься на значительные расстояния, типичными представителями которых являются твердые аэрозольные частицы, а также ртуть, глобальное распространение которой обусловлено ее долгим временем жизни в атмосфере. Ртуть является приоритетным загрязнителем для Алтайского региона, так как на его территории находятся крупные природные и антропогенные источники ее эмиссии. Твердые аэрозоли, охлаждающее действие которых частично компенсирует влияние на климат парниковых газов, в последнее время привлекают пристальное внимание исследователей.
Немногочисленными палеоархивными индикаторами поступления твердых аэрозольных частиц и ртути в атмосферу Центрально-Азиатского региона могут выступать высокогорные ледники Тянь-Шаня, Памира и Алтая, так как значительные по площади высокогорные ледники Тибета и Гималаев в
большей степени испытывают на себе влияние муссонной циркуляции. При этом высокогорные ледники Алтая могут давать дополнительную информацию о региональной составляющей поступления загрязняющих веществ в атмосферу Алтайского региона.
Объект исследования. Ледовый керн, отобранный в июле 2001 года совместной Российско-Швейцарской экспедицией в седловине г. Белуха, Катунский хребет, Алтай (4948*26.3" с.ш., 8634'42.8" в.д., высота 4062 м) на глубину 140 метров. В работе использованы данные, полученные для части ледового керна, сформированной с 1840 по 2001 гг.
Цель и задачи исследования. Цель - определение источников поступления твердых аэрозольных частиц (пыли) и оценка уровня загрязнения атмосферы Алтая ртутью по результатам послойного анализа высокогорного ледового керна седловины г. Белуха.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
S Разработать способ количественной оценки региональной и глобальной составляющих атмосферного загрязнения территории с использованием данных послойного химического анализа высокогорных ледовых кернов;
S Оценить масштаб загрязнения атмосферы Алтая ртутью, выявив приоритетные источники ее эмиссии;
S Определить приоритетные факторы, влияющие на процессы переноса загрязняющих веществ и твердых аэрозольных частиц в горных районах Алтая.
Научная новизна работы. Предложен способ количественной оценки вклада различных составляющих атмосферного загрязнения с использованием данных послойного химического анализа высокогорных ледовых кернов, с помощью которого впервые оценен вклад глобальной и региональной составляющих эмиссии ртути в атмосферу Алтайского региона.
Впервые установлено, что влияние мощного локального источника эмиссии ртути - Акташского ртутного комбината - на загрязнение атмосферы
Западной части Алтая незначительно; основной вклад, в формирование ртутного загрязнения данной территории наряду с глобальными оказывают региональные природные (Алтае-Саянская ртутная провинция) и антропогенные (промышленные металлургические центры Восточного Казахстана) источники ртути.
Показано, что основной причиной формирования пылевых слоев, визуально фиксируемых в ледовом керне г. Белуха, являются атмосферные процессы регионального масштаба, которые приводят к возникновению в аридных районах Алтая и северо-восточного Казахстана смерчей и пыльных бурь, способствующих переносу пыли воздушными течениями на значительные расстояния.
Практическая значимость работы. Полученные результаты по оценке уровня загрязнения и вклада региональных источников в общий баланс поступления ртути в атмосферу Алтая могут быть использованы при разработке мероприятий по снижению поступления ртути в окружающую среду Центрально-Азиатского региона. Наряду с исследованиями уровня ртутного загрязнения других высокогорных ледников Северного полушария (Монблан, Франция и Верх-Фремонт, США) результаты работы могут быть использованы в рамках выполнения важного международного проекта «Global Mercury Project».
Идентификация источников поступления аэрозольных частиц в атмосферу Алтая может быть использована для оценки трансграничного переноса и верификации моделей изменения климата Центральной Азии.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на региональной научно-практической конференции «Вопросы горного страноведения» (Барнаул, 2005), на международном семинаре «Ice meeting» (Швейцария, 2005), Международной школе ERCA 2007 (Франция, 2007), рабочей группе Аэрозоли Сибири XIV (Томск, 2007), Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов» (Тюмень, 2008), XIV Гляциологическом симпозиуме (Иркутск, 2008), Международной
конференции «Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопредельных регионов: настоящее, прошлое, будущее» (Горно-Алтайск, 2008).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 публикациях, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положены данные гляциологических и гляциохимических исследований ледового керна, выполненных в лаборатории радиохимии и химии окружающей среды Института им. Поля Шеррера (Швейцария), и материалы, собранные автором в редком фонде Алтайской краевой универсальной научной библиотеки им. В.Я. Шишкова, в управлении архивного дела Алтайского края и Государственном архиве Республики Алтай. Личный вклад автора состоял в поиске разноплановых архивных материалов (проанализировано более 150 первоисточников), сборе и анализе метеорологической и синоптической информации (более тысячи синоптических карт из архива ИВЭП СО РАН, а также дневники погоды метеостанций края за 1985-1986 гг.), систематизации типов циркуляции атмосферы для юга Западной Сибири с учетом орографических особенностей региона. Интерпретация гляциохимических данных, обсуждение результатов работы и подготовка публикаций проводились совместно с научными руководителями и соавторами.
На защиту выносятся:
Способ количественной оценки региональной и глобальной составляющих атмосферного ртутного загрязнения территории на основе данных высокогорного кернового бурения.
Оценка вклада Акташского ртутного комбината в загрязнение атмосферы Алтая.
Обоснование основной причины возникновения пылевых (dust) слоев в высокогорном ледовом керне седловины г. Белуха как результата региональных атмосферных процессов (пыльные бури, смерчи, шквалы).
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах, состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 129 наименований, содержит 36 рисунков и 7 таблиц.
Благодарности. Считаю своим долгом высказать слова благодарности проф. X. Гаггелеру и доктору М. Швиковски за приглашение и возможность участия в работе по выполнению совместного Российско-Швейцарского проекта; д-ру С. Оливер и д-ру К. Хендерсону за предоставленные материалы; к.х.н. С. С. Эйрих за предоставленные материалы, обсуждения и ценные замечания, высказанные в ходе выполнения и оформления работы; с.н.с. ИВЭП СО РАН Г. С. Зинченко за предоставление метеоданных и помощь в их обработке и анализе. Особую благодарность выражаю своим научным руководителям д.г.н., профессору Юрию Ивановичу Винокурову и д.х.н. Татьяне Савельевне Папиной за идею работы и постоянную помощь при ее выполнении.
8 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ЕСМ - общая электропроводность льда
DEP - диэлектрическая проницаемость льда
рН - водородный показатель
5 О - соотношение изотопов кислорода ( О/ О)
5 D - соотношение изотопов водорода (П/П)
AFS (АФС) - атомно-флуоресцентная спектрометрия
1С - ионная хроматография
ICP - OES - оптико-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
СІМ - метод непрерывного плавления и анализа в потоке
IAEA - Международное агентство по атомной энергии
WMO - Всемирная метеорологическая организация
AWS - автоматическая станция погоды
GPS - спутниковая система навигации
US ЕРА - Агентство по защите окружающей среды США
МГТ - Международный геофизический год
ЕСП - естественно-синоптический период
ЭЦМ - элементарный циркуляционный механизм
Методы исследования ледовых кернов
Реконструкции палеоклимата и природной среды являются необходимыми составляющими прогноза будущих изменений климата и среды обитания человека. Для создания надежных прогнозных моделей климатических и экологических изменений необходимы ряды данных высокого временного разрешения - годичные и сезонные [ЕМЕР, 2007]. Основным источником таких данных являются различные глобальные системы мониторинга, обеспечивающие получение разноплановых инструментальных данных о состоянии поверхностных оболочек Земли. Подобные ряды наблюдений позволили выявить природную периодичность и объяснить механизмы климатических изменений. Однако длина рядов в большинстве случаев не превышает 100-150 лет, что оказалось недостаточным для прогнозирования изменений в обозримом будущем.
Поэтому для верификации моделей климатических и экологических изменений в будущем наряду с инструментальными данными мониторинговых наблюдений используют данные реконструкций прошлых состояний атмосферы по различным стратифицируемым природным накопителям [Barbante et al., 2004]. Среди них особое место отводится ледовым кернам потому что, во-первых, в большинстве случаев удается получить более высокое временное разрешение, по сравнению с другими источниками палеоклиматической информации. Во-вторых, можно получить непрерывные количественные ряды важнейших климатических параметров: температура воздуха, осадки, источники влаги и др. В-третьих, расшифровать прямые уникальные записи изменения состава палеоатмосферы, включая важнейшие газы, химические включения континентального и морского происхождения, следы основных компонентов и изотопов, вулканические аэрозоли [Котляков, 2000]. Наиболее перспективными для палеоэкологических реконструкций являются высокогорные ледники, расположенные гораздо ближе к источникам загрязнения по сравнению с покровными ледниками (Антарктида, Гренландия). Следует отметить, что наблюдающаяся в последнее время интенсивная деградация ледников, особенно высокогорных, может привести к полному отсутствию возможности их использования в качестве «палеоархивов» в ближайшем будущем.
Бурение является самым рациональным способом изучения внутреннего строения ледников. С его помощью получают данные по слоистости и структуре льда, его изотопному составу, температуре, составу и количеству разнообразных примесей и т.д. Процесс бурения состоит из проходки скважин с целью изучения строения льда и истории его формирования (определение толщины ледников, температуры и плотности льда, глубинной скорости движения, давления воды во льду), а также в отборе керна для лабораторных исследований. По способу бурения различают два типа - механическое и термическое, а по назначению - керновое и бескерновое. Механическое бурение может быть колонковым (отбор керна возможен) и ударным (доставляется лишь ледяная крошка), штанговым и канатным (по способу подвески снаряда). Термическое бурение, основанное на протаивании льда, может быть бескерновым, когда лед протаивают с помощью нагретой током иглы, струи пламени, пара и кипятка, и керновым - при помощи нагретого током кольца [Котляков, 2000].
Различают: мелкое ручное бурение - для установки реек и измерений температуры льда в активном слое; среднеглубинное бурение - для глубин от 10 до 200 м с целью измерений температур льда, положения напорного горизонта воды, изучения строения малых горных ледников и фирновой толщи в покровных ледниках; глубинное бурение - с применением тяжелых станков, позволяющее бурить до 4000 м с целью фундаментальных исследований свойств и режима ледников и выяснения истории оледенения [Котляков, 2000]. При этом цели и результаты этих видов бурения могут взаимо перекликаться и дополнять друг друга.
Первые попытки кернового бурения были предприняты еще в 1841 году Л. Агассицом в Альпах [Clarke, 1987], но первый глубокий керн льда был получен только в 1948 г. в Гренландии [Ice cores, 1980]. В связи тем, что керновое бурение было включено в программу МГГ в конце 1950-х гг. велись интенсивные работы по созданию специального бурового оборудования для ледников.
В последнее время широко используются электромеханические снаряды, которые режут лед, а образующаяся ледяная крошка аккумулируется в специальном приемном устройстве. Помимо буровых устройств, в основе работы которых лежит принцип плавления льда, для работы электромеханических буров требуется гораздо меньше энергии по сравнению с тепловыми снарядами, что в конечном итоге отражается на количестве используемого топлива и общей стоимости буровых проектов. На глубинах до 500 м чаще всего не требуется применение заливочных жидкостей, что существенно снижает опасность загрязнения керна при бурении. Использование же солнечных батарей в качестве источника энергии для работы электромеханических буров является оптимальным как в экономическом, так и в экологическом отношении. Первым этапом исследования ледового керна является датирование разновозрастных горизонтов. Основой наиболее доступного визуального способа датирования служит чередование горизонтов, отличающихся по своим физическим характеристикам и генезису. Причиной различия могут быть сезонные накопления снега и отличия в плотности, радиационные корки, прослои, сформированные в результате замерзания талой воды, т.е. выделяются горизонты, видимые невооруженным глазом и отличающиеся от других слоев (например, dust-слои). Точность визуального датирования во многом зависит от квалификации наблюдателя, который по-разному может трактовать те или иные неоднородности снежно-фирновой толщи.
Для более точного датирования используют инструментальные методы: изотопно-геохимическое датирование и датирование, основанное на использовании реперных горизонтов, в изотопном и химическом составе которых находят отражения глобальные события - вулканические извержения, ядерные взрывы в атмосфере и др. [Котляков, 2000].
Изотопно-геохимическое датирование применяют при достаточно высокой скорости аккумуляции ледника. Главным фактором изменения изотопного состава снега и льда горных ледников служит ветровое перераспределение снега, движение воды в снежном покрове и фирне, а также воздействие солнечной радиации [Васильчук, 2000]. В зависимости от окружающих условий период сохранения сезонных различий изотопного состава снега и льда значительно варьирует.
Климатические условия и циркуляционные процессы на территории Алтая
Располагаясь на значительном удалении от океанов, Алтай имеет умеренно-континентальные климатические условия с холодной зимой и теплым летом. Климатообразующими факторами являются: континентальный арктический воздух, свободно достигающий внутренней территории в течение всего года; теплые и влажные западные воздушные массы, приходящие с Атлантического океана; теплые юго-западные и южные массы; формируемые рельефом горной страны местные циклоны и фенообразные воздушные течения. Но, как правило, определяющим фактором в формировании погодных условий является адвекция западных воздушных масс.
Зимой на Алтае господствуют континентальные арктические массы, которые приносят холодный воздух с низкой температурой; северо-западные и западные воздушные массы низкого давления являются источником обильных снегопадов; юго-западные и южные ветры приносят малооблачную и сухую погоду. Особенно суровые зимы бывают в межгорных котловинах, где происходит застой холодного воздуха. Так, средняя температура января в Чуйской степи составляет -31,7С, тогда как в районе хорошо вентилируемой и подверженной влиянию фенов южной оконечности Телецкого озера - только -8,1 С [Ревякин др., 1979].
В условиях высокого атмосферного давления, в межгорных котловинах имеет место температурная инверсия. На высоте около 450 м, где застаивается холодный воздух, средняя температура февраля -22,3С, а на высоте около 1000 м -12,5С. Особенность климата Алтая - это существование настоящих теплых климатических «оазисов», в которых практически не бывает сильных морозов, устойчивого снежного покрова и постоянно дует ветер. Такие явления наиболее выражены в долинах рек Чулышман и Катунь, у берегов Телецкого озера. Одновременно в соседних долинах температура может быть ниже на 10-15С и господствовать полное безветрие. Причиной всему является «фен» - сухой и теплый ветер, который возникает из-за адиабатического нагревания воздуха при его нисходящем движении по склону орографического препятствия.
В апреле среднемесячные температуры становятся положительными. Весной теплые юго-западные воздушные массы Средней Азии сменяются холодными арктическими, поэтому для этого сезона свойственны большие суточные колебания температур и давлений.
Лето на Алтае в связи со значительной высотой гор, наличием ледников, вечных снегов, многочисленных рек и озер холоднее, чем на соседней равнине. По мере увеличения высоты температура воздуха падает приблизительно на 0,5С на каждые 100 м. Средние годовые температуры воздуха на Алтае колеблются в пределах от +4С на северных и западных окраинах до -7С в высокогорной зоне.
Значительная высота и обширная площадь высокогорья Алтая в сочетании с большой сложностью рельефа склонов оказывают существенное влияние на движение и динамику барических образований и, как следствие, на распределение облачности и количество осадков, термический и радиационный режим. Еще М.В. Тронов в 1949 г. отмечал, что Алтай - это арена схождения климатов: резко континентального монгольского, континентального Западно-Сибирского и степного и пустынного Средней Азии и Казахстана [Тронов, 1949].
В развитии циркуляции атмосферы, особенно в горных регионах, проявляются периоды относительно устойчивой (однородной) циркуляции, в течение которых барические образования сохраняют направление своего движения, а барические поля - свое географическое положение. Эти периоды получили название естественно-синоптических периодов (ЕСП), а циркуляционные процессы - элементарного циркуляционного механизма (ЭЦМ)- Типизация ЕСП, степень их обобщения определяются размерами исследуемого региона и целевой установкой. В наиболее обобщенном виде циркуляция атмосферы представлена в работах Г.Я. Вангенгейма и А.А. Гирса [Гире, 1971]. В зависимости от характера зонального потока и образующихся в нем меридиональных волн выделяют три типа циркуляции: зональный (W) и два меридиональных (Е - восточный и С - меридиональной циркуляции) (рис. 2.3.) [Гире, 1971]. Система общей циркуляции атмосферы состоит из подсистем регионального ранга, включающих в себя типы (системы) локального характера. Региональные типы циркуляции конкретизируют проявление глобальных, являясь их подсистемами в условиях конкретных физико-географических особенностей территории.
Исходя из этих закономерностей, общая циркуляция атмосферы не может быть рассмотрена вне связи с циркуляционным режимом над Алтаем и циркуляцией атмосферы в Срединном секторе Евразии (60-120 в.д.). Данное положение обусловлено размерами барических образований (циклонов и антициклонов) и направленностью развития циркуляции атмосферы умеренного географического пояса как в пространстве (западно-восточный перенос), так и во времени (сезонная динамика процессов).
Над территориями, небольшими по сравнению со Срединным сектором, главная роль в формировании пространственно-временных циркуляционных и климатических различий принадлежит отдельным процессам синоптического масштаба. При обобщении этих процессов учитывается преобладание над территорией циклонического или антициклонического режима в период действия конкретного ЭЦМ. При таком подходе взаимосвязанные синоптические и макромасштабные процессы не исключают друг друга, а наоборот, позволяют полнее характеризовать циркуляционные механизмы, уточняя их характер над исследуемой территорией [Циркуляционные механизмы, 1987].
Над Алтаем обычно смещаются циклоны арктического и полярного фронтов, а также антициклоны, сформированные в умеренном, арктическом и реже - в тропическом воздухе. Зимой вся территория Алтая попадает под непосредственное воздействие западного отрога мощного азиатского антициклона (средняя мощность 1040 гПа). В многолетнем режиме он определяет погодно-климатические условия зимнего сезона в регионе: слабые и умеренные ветры, большую повторяемость штилей, инверсии температуры воздуха.
Оценка вклада локальных, региональных и глобальных источников эмиссии ртути в общий баланс ее поступления в атмосферу Алтая
Большой интерес высокогорные ледники представляют для оценки уровня загрязнения атмосферы веществами, способными переноситься на значительные расстояния. Типичным представителем такого класса веществ является ртуть [Ilyin et al., 2003]. Возможность глобального распространения ртути обусловлена тем, что преобладающее ее количество (95-99 %) в атмосферном воздухе находится в виде элементарной газообразной ртути Hg, время жизни которой в атмосфере составляет -1-2 года [Slemr et al., 1992; Schroeder et al., 1998]. Вследствие глобального распространения ртути практически каждый источник эмиссии может влиять на любой удаленный регион. Поэтому вклад в загрязнение окружающей среды ртутью наряду с локальными и региональными источниками вносит также межконтинентальный перенос. Для Алтая этот токсичный металл является приоритетным загрязнителем, т.к. на территории региона находятся крупные как природные, так и антропогенные источники ртутной эмиссии [Yagolnitser et al., 1995]. Поэтому при послойном анализе отобранного ледникового керна большое внимание было уделено ртути, поскольку как антропогенная, так и природная составляющие вносят свой существенный вклад в атмосферное загрязнение ртутью данного региона.
В настоящее время атомно-флуоресцентная спектрометрия (АФС) рекомендована как основной метод для исследований ртути в объектах окружающей среды. В соответствии с рекомендациями Метода 1631 US ЕРА (Агентство по защите окружающей среды США) [US ЕРА, 2002] АФС в комбинации с техникой «холодного пара» предлагается для анализа водных проб, обеспечивая пределы обнаружения на уровне 1 нг/л и ниже. В пробах льда и снега удаленных регионов и высокогорных ледников концентрации ртути находятся на ультранизком уровне.
Возможности применения АФС метода для анализа ртути в ледовых и снежных пробах были изучены Эйрих С.С. с использованием анализатора ртути «Mercur» (производство Analytik Jena, Германия). Анализатор ртути «Mercur» основан на комбинации техники «холодного пара» с атомно-флуоресцентным детектированием. Режим амальгамации позволяет усилить фокусировку пика ртути примерно в 7-8 раз по сравнению с прямым вводом пробы. Дальнейшее улучшение чувствительности за счет концентрирования большего объема пробы (3 мл) и оптимизации инструментальных параметров (напряжение фотоумножителя - 475 В, реакционное время - 18 сек, время отжига сорбента -20 сек) в комбинации с оригинальной методикой пробоподготовки позволило определять данный металл в ледовых и снежных пробах с пределом обнаружения 0,025 нг/кг [Eyrikh et al., 2004; Эйрих и др., 2005].
Для контроля правильности методики были использованы сертифицированные образцы сравнения ORMS-2 (речные воды), выпускаемые Natural Research Council Canada (NRCC). Величина, полученная для З параллельных определений (30Д±0,45 нг/кг), находится в хорошем соответствии с сертифицированным значением (30,6±2,3 нг/кг). Относительное стандартное отклонение для проб и стандартов составляло 1 - 6 %.
Для послойного анализа ледовый керн был разрезан в «холодной комнате» (с разрешением 10-20 см), затем после соответствующей процедуры очистки пробы были подготовлены для анализа на общую и реакционно-активную ртуть. Для определения реакционно-активной ртути (т.е. легко восстанавливаемых форм) пробы были окислены 0,4 % НС1 в соответствии с рекомендациями [Parker et al., 2005], а для определения общей ртути пробы были окислены BrCl в соответствии с методом US ЕРА 1631 [US ЕРА Method 1631, 2002]. Все полевые и аналитические работы при отборе и анализе керна были проведены с соблюдением техники «ультрачистого протокола» [Ferrari et al., 2000; Boutron et al., 1990]. С помощью разработанной методики были проанализированы слои керна ледника г. Белуха, датированные 1925-2001 гг. (рис. З.1.). Полученные результаты показали, что содержание ртути в ледниковых слоях, сформированных в индустриальное время, изменяется в широких пределах от 0,2 до 6,3 нг/кг. К надежным литературным данным относятся результаты тех исследований, которые были проведены с соблюдением техники «ультрачистого протокола» [Boutron et al., 1990; Vandal et al., 1993]. Сопоставление полученных нами результатов с литературными данными показало, что содержание ртути в верхнем снеговом слое керна ледника Белуха, отражающем современные уровни атмосферного загрязнения изучаемого нами региона, находится на невысоком уровне, сравнимом с концентрациями для других высокогорных ледников и удаленных регионов (таких как Центральная Гренландия) Северного полушария. Содержание как общей, так и реакционно-активной ртути для швейцарских Альп и Алтая очень близки. При этом для французских и швейцарских Альп, как уровни содержания, так и соотношение общей и реакционно-активной ртути разнятся значительно, что требует дальнейших исследований.
В целом содержание ртути в верхнем снеговом слое керна ледника Белуха и поверхностном снеге находятся на значительно более низком уровне по сравнению с другими изученными местами Северного полушария [Ferrari et al., 2002; Planchon et al., 2001]. Это свидетельствует о том, что в настоящее время глобальная эмиссия ртути и перенос ее на дальние расстояния определяют уровень загрязненности окружающей среды Алтая и Центрально-Азиатского региона в целом.
Идентификация пылевых слоев в ледовом керне седловины г. Белуха
Концентрации водорастворимых форм Са и Mg, которые являются основными трассерами эмиссии почвенных частиц в атмосферу, показывают, что в слоях керна льда седловины г. Белуха, датированных 1815-2001 гг., происходит существенное увеличение концентраций этих элементов во второй половине XX века, с максимальным пиком (осредненные по десятилетиям данные) в 60-70-е годы.
При этом в изученной части керна визуально выделяются пять слоев пыли (dust), приходящиеся на 1842, 1906, 1925, 1985 и 1986 годы, из которых наиболее ярко проявляется девятисантиметровый слой, датированный 1842 годом [Eichler et al., 2001]. Химический анализ пылевых слоев показал, что все пять слоев имеют сходный минеральный ионный состав (водорастворимые формы).
Сравнение слоев пыли в керне г. Белуха с аналогичными слоями в ледовых кернах, отобранных в 1982 и 2003 гг. на леднике Коле Гнифетти Альпах, показало их существенное различие. В кернах ледника Коле Гнифетти было идентифицировано 3 желтых слоя (yellow layers), датированных 1901/02, 1936/37 и 1977 гг., возникновение которых связано с переносом песка из пустыни Сахара [Schwikowski et al., 1999]. Пылевые слои в керне ледника г. Белуха отличаются от слоев в Альпийских кернах, как по составу, так и по времени их проявления.
Интерпретация возникновения слоев, относящихся к 1842, 1906, 1925 годам, представляет значительные трудности, хотя для 1906 и 1925 гг. в архивах имеются упоминания о том, что им предшествовали засушливые лета и маловодные весны, что должно было создать в последующем условия для возникновения на Алтае пыльных бурь. Более доступными для расшифровки представляются слои 1985 и 1986 гг., так как для этих периодов в архивах сохранилось достаточное количество разноплановой информации, в том числе и синоптические карты, имеющиеся в архиве ИВЭП СО РАН [Синоптические карты, 1986; Синоптические бюллетени, 1987; Фролова и др., 2007].
На основе данных по исследованию пыльных бурь, возникших в пустынных и полупустынных районах Китая за последние 40 лет [Sun et al., 2001], швейцарскими коллегами из Института Поля Шеррера (PSI) было сделано предположение, что пылевые слои, датированные 1985 и 1986 гг., могли быть сформированы в результате мощной пыльной бури, зафиксированной спутником Земли в районе пустыни Такла-Макан 18-19 мая 1986 года [Olivier et al., 2004]. На наш взгляд, это предположение является маловероятным по нескольким причинам.
Во-первых, прямому переносу загрязняющих веществ из района пустыни Такла-Макан на Белуху препятствует наличие серьезных орографических барьеров. На рисунке 4.2. показаны горные барьеры, расположенные по 86 в.д. Как видно из рисунка, с севера пустыня Такла-Макан ограничена цепью Тянь-Шаня, высота которого превосходит высоту Катунского хребта, в систему которого входит г. Белуха. Поэтому основные крупные частицы песка, поднятые в воздух, даже при благоприятных циркуляционных условиях должны оседать на южном склоне Тянь-Шаня.
Во-вторых, анализ синоптического материала (синоптический архив ИВЭП СО РАН [Синоптические карты, 1986; Синоптические бюллетени, 1987; Фролова, 2007]) и данные спутникового зондирования 18-19 мая 1986 г. [Sun et al., 2001] показывают (рис. 4.3.), что поднятое в пустыне облако вначале смещается южнее Белухи на запад в направлении озера Балхаш, а затем его верхняя часть, достигшая высоты более 5 км, изменяет направление на северовосточное. К этому моменту в глобальный перенос в облако могли быть вовлечены преимущественно мелкодисперсные частицы песка, значительное выпадение которых при прохождении над Белухой маловероятно, т.к. данное
пылевое облако фиксировалось спутником на всем пути его продвижения от Балхаша до озера Байкал и далее до северо-восточных районов Китая. Поэтому, более реальным нам представляется образование пылевого слоя в керне Белухи в результате каких-то иных событий, которые могли возникнуть над северо-восточным Казахстаном или Алтайским краем, т.е. на пути преимущественного перемещения воздушных масс на территорию Горного Алтая.
Дополнительный архивный поиск вывел нас на публикацию Алтайского Гидрометцентра [Староватова и др., 1987] о чрезвычайном природном явлении - смерче, наблюдавшемся 7 августа 1985 г. в селе Долино Рубцовского района Алтайского края.
Летние смерчи в Сибири - довольно редкое явление, к тому же они часто возникают и перемещаются вне населенных пунктов, не причиняя заметного вреда, а потому редко фиксируются метеорологическими станциями и постами. Смерч, прошедший через село Долино, отличался чрезвычайной для Сибири мощью: он срывал крыши с домов, разбросал бетонные плиты, поднимал в воздух и перемещал на значительное расстояние тяжелые предметы (трактор с телегой, стадо овец и др.), ломал опоры ЛЭП, вырывал с корнями деревья и поднял в воздух громадные массы песка и пыли. По подсчетам специалистов скорость ветра в смерче превышала 50 м/с [Староватова и др., 1987].
К моменту возникновения смерча над Алтайским краем наблюдались атмосферные процессы, характерные для формирования мощной кучево-дождевой облачности, гроз, шквалистого усиления ветра. Анализ архивного синоптического материала выявил следующее: в течение двух суток, предшествующих смерчу, Алтайский край находился на северной периферии Средне-Азиатской депрессии. С северо-востока на юго-запад его пересекал холодный фронт, на волне которого к 6.00 СГВ 7.08 образовался локальный циклон с давлением в центре 1000 Мб. Во второй половине дня на фронте сформировалась мощная кучево-дождевая облачность. К этому времени контраст температур в зоне фронта превышал 10С: в теплом секторе циклона воздух прогрелся до 25-30С, в тыл фронту с северными потоками поступал воздух с температурами 17-20С (на высоте 700 Мб поверхности в районе Омска располагался замкнутый очаг холода с температурами около 0С) (рис. 4.4.) [Синоптические карты, 1985; Фролова и др., 2007].
В приземном слое в узкой фронтальной полосе отмечалась сходимость воздушных потоков, на высоте (до уровня АТ200) в зоне фронта - их расходимость. Таким образом, в крае, особенно в его южных районах, создались условия, благоприятные для возникновения интенсивных восходящих потоков воздуха и образования мощной конвективной облачности. Согласно расчетам специалистов, скорость вертикальных потоков превышала 20 м/с. По данным радиолокационных наблюдений, верхняя граница облаков в зоне динамически значимого фронта к 12.00 СГВ достигала 10-12 км [Фролова и др., 2007].
