Введение к работе
Актуальность проблемы.
Микро- и наночастицы в рассеянной форме содержатся во всех природных геосферах Земли: атмосфере, криосфере, гидро- и биосфере, седиментосфере и в глубинных сферах Земли [Лисицын, 2010]. В рассеянном веществе преобладают тонкие частицы, что предопределяет их подвижность, значительную площадь поверхности, сорбционные и другие свойства, и в значительной мере также вещественный состав, дальность распространения в разных средах и возможность «пересадочного распространения» при обычном в природе переходе частиц из одной геосферы в другую. Рассеянное осадочное вещество своим качественным и количественным составом отражает все стороны осадочного процесса.
Особенности арктического региона, с точки зрения распределения вещества на границе «атмосфера-подстилающая поверхность», определяются уникальными условиями природной среды: совокупностью холодного климата (по сравнению с более южными районами) и наличием Северного Ледовитого океана (СЛО), занимающего большую часть площади. Почти полное покрытие поверхности океана льдом в холодную часть года (до 8-9 месяцев) делает ледовый перенос одним из важнейших механизмов горизонтального перераспределения вещества не только в течение года, но и на протяжении нескольких лет. Для осадочного процесса в Арктике характерен особый тип седиментогенеза - ледовый морской [Lisitzin, 1972,2002; Wefer, 1989].
Кроме того, снег и лёд регулируют в течение большей части года количество и состав рассеянного осадочного материала, выпадающего из атмосферы, и блокируют выветривание, речной сток и развитие растительности.
Присутствие аэрозолей в атмосфере и криосфере играет важную роль в формировании климата Земли в целом, влияя на термический режим атмосферы и земной поверхности [SHEBA, 1993; Макштас, Священников, 1998], что особенно ярко проявляется в условиях среды ледовых зон.
Изучение рассеянного осадочного вещества в различных средах Арктики
необходимо для понимания процессов осадконакопления, также для оценки
экологического состояния акватории, оказывающей огромное влияние на
природную среду Земли. В свою очередь, глобальные изменения на Земле
вызывают стремительные изменения во всех компонентах арктической среды:
от атмосферы до антропосферы [ACIA, 2004; Graversen, 2006; Haas et al., 2008;
Macdonald, 2008; Overland et al., 2008], отражаясь на качественном и
количественном составе вещества, поступающего в Арктику [SEARCH, 2001;
АМАР, 2002].
Цель работы: изучить особенности поступления и распределения рассеянного
осадочного вещества на границе «океан-атмосфера» в слабо изученных
областях Арктики.
Задачи. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
обобщение и систематизация опубликованных результатов предшествующих исследований в Арктике;
получение нового фактического материала в морях Северного Ледовитого океана и на его водосборах (отбор проб снега и льда, аэрозолей, подледной воды);
исследование вещественно-генетического состава нерастворимых частиц в различных средах: определение соотношения минеральной, биогенной и антропогенных составляющих, морфологии частиц для выявления источников вещества;
изучение элементного состава нерастворимых частиц в аэрозолях, снеге и льдах, а также подледной морской воде;
определение количественной и качественной составляющей вертикальных потоков аэрозолей в некоторых арктических районах и сравнение с данными литературных источников;
оценка роли аэрозолей в осадочном процессе и формировании природной среды Арктики.
Научная новизна. Настоящая работа представляет собой комплексное исследование вещества в удаленных и труднодоступных районах Северного Ледовитого океана. Пробы были отобраны по единой методике в различные сезоны года (в том числе в условиях полярной ночи), что не удавалось сделать ранее, несмотря на многочисленные работы последних десятилетий.
Рассеянное осадочное вещество аэрозолей, снега, льда и подледной воды характеризует ранее не учитываемые литологами и геохимиками особенности в области морского и ледового седиментогенеза, само существование которого ранее отрицалось.
Установлено, что рассеянное осадочное вещество снега на поверхности дрейфующих льдов своим качественным и количественным составом отражает состав аэрозолей Арктики. Также выявлено, что морской лед - природный
планшет Северного Ледовитого океана, где вещество накапливается в ходе
дрейфа и разгружается в местах встречи потока дрейфующих льдов с теплыми
течениями (пролив Фрама), т.е. проходит по поверхности многие тысячи
километров. Выявлено, что вертикальные потоки вещества из атмосферы в
импактных районах Арктики (залив Ис-фьорд, архипелаг Шпицберген)
сопоставимы с потоками из атмосферы в крупных промышленных районах
Евразии.
Фактический материал, личный вклад автора. Изучены материалы,
полученные в ходе рейсов по программе NABOS на л/к «Капитан Драницын»
(2006, 2008 гг.), экспедиций на арх. Шпицберген 2007-2009 гг., в ю-в части
моря Бофорта на л/к «Амундсен» в зимний сезон 2007-2008 гг. Часть проб была
отобрана в ходе российских экспедиций на НЭС «Академик Федоров» (2000-
2009 гг.), дрейфующих станций «Северный полюс» (2003-2008 гг.), экспедиций
ПАЛЭКС в 2007-2009 гг. Были проанализированы также пробы окрашенного
снега, выпавшего в марте 2008 г. в Архангельской области, Республике Коми и
Ненецком автономном округе, и пробы снега и льда, отобранные в ходе
экспедиций ИО РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и ФГУ «ГОИН» в район
Белого моря (Онежский и Мезенские заливы).
Автор лично осуществляла отбор проб аэрозолей, снега, льда и подледной
воды в арктических экспедициях. Лабораторная обработка, исследования под
электронным сканирующим микроскопом, подготовка проб к различным видам
анализа и некоторые химические анализы проводились автором лично. В
работе представлена интерпретация и обобщение полученных материалов, их
сопоставление с литературными данными.
Достоверность результатов. Данные по количественному и качественному
составу аэрозолей и криозолей получены и с помощью современных методов
пробоотбора, которые приняты в Институте океанологии РАН [Лисицын, 2001;
Шевченко и др., 2009], и обработаны на борту научно-исследовательских судов
и детально исследованы в лабораториях ИО РАН, ГЕОХИ РАН, научного
центра ЮНИС (UNIS) на Шпицбергене, в лаборатории им. О. Ю. Шмидта
(Санкт-Петербург) совместно с коллегами из перечисленных научных
учреждений. Для проверки достоверности результатов использованы
международные стандарты. Достоверность выводов обеспечена обширным
фактическим материалом, применением современных приборов и в ряде
случаев независимых методов получения материала и анализа.
Практическая ценность работы. В ходе работы получены новые данные о
количественном и качественном составе аэрозольного и криозольного вещества
в Арктике, которые впоследствии могут быть использованы как основные значения для построения новых моделей эолового и ледового переноса. Полученные данные и сделанные выводы могут использоваться и для изучения загрязнений в области морской ледовой седиментации (в атмосфере и снежно-ледовом покрове Арктики). Защищаемые положения.
Снег очищает атмосферу Арктики (мокрое осаждение), его состав отражает количество и состав аэрозолей, позволяет судить о потоках, происхождении и путях переноса. В фоновых районах Арктики в зимний период основным источником рассеянного осадочного вещества снега является дальний и сверхдальний перенос, поставляющий антропогенные (загрязнения) и терригенные компоненты. Летом рассеянное осадочное вещество поставляется в основном в результате локального и регионального переноса частиц, причем биогенные частицы (споры, пыльца, диатомовые водоросли) часто составляют основную часть рассеянного осадочного вещества снега.
Полученные нами экспериментальные данные показывают, что в Арктике такие элементы как Ni, Со, Zn, As, Sb в аэрозолях и снеге имеют преимущественно антропогенное происхождение.
Лед является депонирующей средой в бассейне Северного Ледовитого океана. При формировании льда и дальнейшей его трансформации имеет место явление «ледового насоса», вбирающего в себя аэрозоли, рассеянное осадочное вещество снега и водную взвесь из подледных слоев. Дрейф морского льда является фактором дальнего и сверхдальнего (более 1 тыс. км) переноса осадочного вещества в Северном Ледовитом океане.
Вертикальные потоки вещества из атмосферы в зимний период в промышленных арктических районах по нашим данным сопоставимы с потоками из атмосферы в крупных промышленных центрах Евразии.
Апробация. Результаты исследований автора, изложенные в работе, были представлены на конференциях: SCAR/IASC IPY Open Science Conference "Polar Research - Arctic and Antarctic perspectives in the International Polar Year" (Санкт-Петербург, 2008), XVII Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (Москва, ноябрь 2007), Otto Schmidt Laboratory Annual Meeting of 2007/2008 Fellowship Program (Германия, г. Киль, 2008), XVIII
Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (Москва,
ноябрь 2009), а также в ряде докладов на коллоквиумах лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН и на семинаре ИФА РАН. Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация насчитывает 172 страницы, 39 рисунков, 18 таблиц. Список литературы состоит из 189 наименований, из них 106 на иностранных языках. Благодарности.
