Статья: Элементный состав рассеянного осадочного вещества снежного покрова Приморского района Архангельской области в марте 2019 г.

Элементный состав рассеянного осадочного вещества снежного покрова Приморского района Архангельской области в марте 2019 г.

Стародымова Д.П.

Шевченко В.П.

Белоруков С.К.

Лохов А.С.

Яковлев А.Е.

Аннотации

Изучение химического состава нерастворимых частиц в снежном покрове дает возможность оценить выпадения из атмосферы в зимнее время. В работе рассмотрены особенности элементного состава нерастворимых частиц (рассеянного осадочного вещества) в снеге и озерном льду фоновых и импактных районов Архангельской области. Для проб, отобранных вблизи автодороги и в городе, характерны более высокие концентрации нерастворимых частиц. Рассеянное осадочное вещества в снеге и льду обогащено тяжелыми металлами (Ni, Cr, Pb, Cd). Наибольшее обогащение получено для среднего прослоя льда. В работе приведены оценки потоков тяжелых металлов на поверхность. Наибольшие содержания и потоки свинца получены для фоновой станции оз. Пикалево.

Ключевые слова: снег, атмосферный перенос, тяжелые металлы, загрязнение. снежный химический нерастворимый

ELEMENTAL COMPOSITION OF THE DISSIPATED SEDIMENT OF THE SNOW COVER OF PRIMORSKY DISTRICT OF ARKHANGELSK REGION IN MARCH OF 2019

Research article

Starodymova D.P.1, *, Shevchenko V.P.2, Belorukov S.K.3, Lokhov A.S.4, Yakovlev A.E.5

1, 2, 3, 4, 5 Shirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

* Correspondent author (d.smokie[at]gmail.com)

Abstract

The study of the chemical composition of insoluble particles in the snow cover enables the evaluation of atmospheric deposition in winter. The paper considers the features of the elemental composition of insoluble particles (dissipated sediment) in the snow and lake ice of the background and impact regions of the Arkhangelsk region. Samples taken near the highway and in the city are characterized by higher concentrations of insoluble particles. Dissipated sediment in snow and ice is high in content of heavy metals (Ni, Cr, Pb, Cd). The greatest enrichment was obtained for the middle layer of ice. The paper presents estimates of heavy metal flows to the surface. The highest contents and flows of lead were obtained for the background station of Lake Pikalevo.

Keywords: snow, atmospheric transport, heavy metals, pollution.

Введение

Снежный покров фиксирует выпадения аэрозольных частиц, поэтому может служить индикатором состояния атмосферы в зимний период. Исследования рассеянного осадочного вещества (нерастворимых частиц) в снеге перед снеготаянием помогает извлечь информацию о суммарных выпадениях из атмосферы за период, начиная со становления снежного покрова, что для северных регионов может составлять до полугода. Аэрозольные частицы в атмосфере могут переносится на значительные расстояния в зависимости от метеорологических условий и оказывают значительное влияние на теплообмен в атмосфере [6], [14]. Выпадая на поверхность снежного покрова, аэрозоли могут значительно снизить альбедо поверхности, что также приводит к изменению теплового баланса приземной атмосферы [13]. Кроме того, аэрозоли, распространяющиеся от антропогенных источников, могут содержать токсичные вещества и попадая в окружающую среду оказывать негативное воздействие на биоту [4], [7], [10].

Изучение состава снежного покрова дает возможность вычислить потоки элементов, выпадающих на поверхность из атмосферы, что в свою очередь позволяет оценить вклад поступления аэрозольного материала в осадочные бассейны. Исследование рассеянного осадочного вещества с 2001 г. в снежном покрове отдельных районов водосборного бассейна Белого моря проводилось в рамках проекта "Система Белого моря" (руководитель - академик А.П. Лисицын) [16].

Материалы и методы

Материалы для данной работы были собраны в марте 2019 г. в Приморском районе Архангельской области (рис. 1). Снег был отобран с поверхности озер во избежание попадания частиц почвы. Точки пробоотбора включали в себя одну фоновую станцию (оз. Пикалево), станцию с повышенной антропогенной нагрузкой, находящейся на территории города Архангельска (точка 2, Соломбала), а также станции (точки 3-9, оз. Заднее), находящиеся на разном удалении от локального источника загрязнения (автодороги).

Рис. 1 - Схема пробоотбора

Отбор снега производился с помощью пластиковой лопаты и предварительно отмытого пластикового контейнера. Отбор осуществлялся из фиксированного шурфа на всю глубину залегания снега. Кроме снега на станции 1 (оз. Пикалево) были отобраны керны озерного льда, а также подледная и придонная вода для изучения процессов трансформации осадочного вещества в толще воды. Пластиковые контейнеры с пробами были доставлены в лабораторию. В лаборатории пробы снега и льда были растоплены при комнатной температуре, конечный суммарный объем пробы фиксировался в журнале. Растопленные пробы были отфильтрованы под вакуумом, а пробы озерной воды были отфильтрованы сразу. Фильтрация проводилась через предварительно взвешенные на аналитических весах с точностью до 10-2 мг лавсановые ядерные мембранные фильтры (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна) с диаметром пор 0,45 мкм. Каждая проба была профильтрована через три фильтра, для получения достоверных значений массовой концентрации взвеси. Объем профильтрованной воды фиксировался в журнале. После фильтрации фильтры были помещены в чашки Петри и высушены в сушильном шкафу при температуре 55оС. После высушивания фильтры были повторно взвешены.

Фильтры с максимальной навеской были проанализированы на микроэлементный состав. Для этого фильтр был помещен в савиллексовую (второпластовую) бюксу, к нему добавлены концентрированные азотная, плавиковая кислоты и перекись водорода. Затем бюксы были нагреты в ультразвуковой ванне, после чего фильтры были извлечены из бюкс, а остаточный раствор выпаривали на плитке. В ходе выпаривания в пробы два раза добавляли концентрированную соляную кислоту. После выпаривания объем пробы был доведено до 20 мл добавлением 0,1 н раствором азотной кислоты. Вместе с пробами по тому же протоколу были обработаны холостые пробы (пустой фильтр) и фильтр с навеской стандарта. В качестве стандарта использовался GSD 2 - стандарт аллювиальных отложений, который отвечает по составу терригенному веществу.

Измерение элементного состава проводилось методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе Agilent 7500a. Перед измерением в пробы были добавлены фиксированные аликвоты стандартного раствора индия для введения коррекции на дрейф прибора.

Результаты

Массовая концентрация нерастворимых частиц в снеге Архангельской области составила от 0,96 (на оз. Пикалево) до 5,04 (на оз. Заднее, вблизи шоссе) мг/л. По результатам исследования, выполненного в 2016 г. на тех же точках пробоотбора, концентрация взвеси в фоновых районах находится на близком уровне (1,1 и 0,96 мг/л в снеге оз. Пикалево в 2016 и 2019 г. соответственно). Концентрация взвеси в снеге озера Заднее в 2016 г. на точке вблизи шоссе составляла 27 мг/л [1], [9], что на полпорядка выше, чем 2019 г. Таким образом, разброс концентраций взвеси в снеге, измеренных в 2019 г., оказался существенно ниже, чем в 2016 г., что может быть связано с количеством осадков. При удалении от дороги на 300-500 м концентрация взвеси в снеге уменьшилась вдвое (рис. 2), тогда как в 2016 г. [1] наблюдалось уменьшение концентрации взвеси на порядок.

Рис. 2 - Распределение массовой концентрации взвеси в снеге оз. Заднего в 2016 и в 2019 г.

Концентрации взвеси в снеге, воде и нижнем слое льда (рис. 3) близки между собой и составляют 0,96; 1 и 1,2 мг/л соответственно. Нижний слой льда образуется в результате намерзания подледной воды на уже устоявшийся ледовый покров, поэтому концентрация взвеси в этом слое соответствует концентрации взвеси в подледной воде. Верхний слой льда образуется в основном за счет намерзания атмосферной влаги. В среднем слое льда наиболее вероятно находится тот лед, который образовался первым во время первых заморозков, в этот слой оказывается внедрена взвесь поверхностного слоя воды, концентрация которой (в том числе за счет биологических процессов в поверхностном слое воды до того как водоем замерзнет) оказывается выше, чем в подледной воде. Поэтому концентрация взвеси в среднем слое льда оказывается максимальной в данной системе (3,95 мг/л) замерзания верхнего слоя воды, в то время как в верхних слоях льда большое влияние оказывает уплотненный снег.

Рис. 3 - Распределение массовой концентрации взвеси в системе снег-лед-вода оз. Пикалево

Содержания элементов во взвеси придонного горизонта на 20-30 % ниже, чем во взвеси подледного горизонта воды. Исключение составляют Zn, Sr и U, содержание которых в обоих горизонтах на одном уровне, и Ba, содержание которого в придонном горизонте в 2 раза выше, чем в подледном. Это объясняется разбавлением материала взвеси биогенным веществом, поступающего во взвесь из верхнего слоя донных осадков (наилка), богатого органогенным материалом.

На рисунке 4 показаны содержания элементов во взвеси снега и льда, нормированные на содержания в поверхностном (подледном) слое воды. Взвесь снега озера Пикалево характеризуется более высоким содержанием Al, V, Cr, Ni, Cu, Zn, Sr, Th, U. Для среднего слоя льда характерно повышенное содержание Cd и Pb относительно всех остальных частей системы вода-лед-снег.

Рис. 4 - Состав взвеси снега, льда и воды оз. Пикалево, нормированный на состав взвеси подледной воды

Среднее содержание Al во взвеси снега составило 4%, меняясь от 2,3% в снеге на оз. Заднее (наиболее удаленная от автодороги станция) до 5,5% на территории Архангельска в Соломбале. Исходя из среднего содержания Al в земной коре (8,15% [15]), можно оценить долю литогенного материала во взвеси снега, которая составляет от 28 до 67%.

На рисунке 5 представлены содержания элементов в снеге, нормированные на содержание во взвеси фоновой станции (оз. Пикалево). По сравнению со всем остальными станциями Пикалево характеризуется более высокими содержаниями Cu, Zn, Rb, Ba, Pb, Bi. Станция в Соломбале характеризуется повышенными содержаниями Al, V, Sr, Th, U во взвеси снега. Станция возле автодороги (оз. Заднее) характеризуется повышенными содержаниями Cr, Co, Ni (за счет разрушения стальных деталей автомобилей). Для проб, находящихся на удалении от автодороги характерно повышенное содержание Cd. Таким образом, фоновая станция характеризуется высокими содержаниями элементов, характерных для дальнего атмосферного переноса, станция, расположенная в городе, характеризуется более высокими содержаниями литогенных элементов, а станция, расположенная возле автодороги - повышенным содержанием элементов группы железа.

Рис. 5 - Элементный состав взвеси снега, нормированный на состав взвеси снега оз. Пикалево

Для оценки отличия взвеси снега от литогенного вещества были вычислены коэффициенты обогащения (КО) по формуле:

Где Эл/Al - это отношение содержания элемента к содержанию алюминия в пробе и в земной коре [15] соответственно. Значения КО в пределах 10 означают, что данный элемент имеет преимущественно литогенное происхождение. Для взвеси озерной воды (рис. 6) характерны высокие (более 10) значения КО для Mn, Zn и Cd, что возможно, связано с подледным биогенным веществом. КО для таких элементов как Zn, Pb, Cd и Bi повышены (близки или превышают 10) во всех пробах. Наибольшее обогащение Pb (а также Cd) получено для среднего прослоя озерного льда, что говорит о том, что первый лед улавливает наибольшее количество загрязняющих веществ за счет того, что в этот лед попадает наиболее загрязненный тонкий поверхностный слой озерной воды. Обогащение Cu характерно только для проб, отобранных на оз. Пикалево (и лед, и снег, и подледная вода). Кроме перечисленных элементов, которыми обогащены все пробы, проба, отобранная возле автодороги, также обогащена Ni и Cr.

Рис. 6 - Коэффициенты обогащения относительно среднего состава земной коры для взвеси среднего слоя льда, поверхностного слоя воды, снега оз. Пикалево (1), Соломбалы (2), оз. Заднего (3)

Сопоставление данных 2019 г. с данными 2016 г. (табл. 1) показало, что концентрации взвешенной формы металлов в снеге фоновых районов близки в разные годы, в то время как концентрации в импактных районах подвержены значительной межгодовой изменчивости, что частично объясняется разным уровнем концентраций взвеси в снеге. Концентрации взвешенной формы металлов в снеге Архангельской области в основном на 1-1,5 порядка ниже, чем ранее измеренные концентрации в фоновых районах Мурманской и Ленинградской областей и Западной Сибири, что объясняется как региональным фоном, так и возможными различиями в концентрациях взвеси.

Таблица 1 - Концентрации взвешенной формы тяжелых металлов в снеге Архангельской области и других районов

Исходя из средней концентрации взвеси, размера снежного шурфа и приблизительного срока залегания снега, были вычислены потоки нерастворимых частиц и некоторых элементов из атмосферы. Оценки потока нерастворимых частиц составили от 0,3 до 1,5 мг/м 2/сут, что существенно ниже оценок потоков, полученных в 2016 г, когда поток нерастворимых частиц на поверхность составлял от 1,7 до 41 мг/м 2/сут.

Оценки потоков элементов на поверхность за снежный сезон приведены в таблице 2. Максимальные потоки элементов получены для пробы, отобранной возле дороги. Значения этих потоков близки к оценкам, полученным для Соломбалы. Максимальный поток свинца наблюдается в фоновой пробе на оз. Пикалево. По остальным элементам потоки на поверхность оз. Пикалево близки к потокам на оз. Заднее на удалении от дороги. Сопоставление с ранее опубликованными данными (Таблица 2) показало, что потоки на поверхность Cr, Ni и Pb, оцененные для разных районов республики Коми [2], в 3-10 раз выше полученных нами. Эти различия, возможно определяются региональным фоном.

Таблица 2 - Потоки металлов на подстилающую поверхность (мкг/м 2 за снежный сезон)