The assessment of the Arctic and Antarctic air masses influence on the isotope composition of a snow mantle of the city of Bratsk

Введение

Изотопный состав атмосферных осадков и снежного покрова является важным инструментом интерпретации таких палеоархивов, как подземные льды, горные ледники, полярные ледниковые покровы и озёрные осадки ^{[1, 2, 7, 9]}. Вариации δ¹⁸O служат важными климатическими показателями цикла атмосферной влаги ^{[8, 15]}, гидрологического цикла ^{[11, 14]}, а также незаменимы при реконструкциях палеоклимата.

Значения δ¹⁸O в метеорных (атмосферных) водах связаны с равновесным обменом, происходящим при всех фазовых переходах ^[11], и изотопным фракционированием в процессе испарения водяного пара с поверхности океана в атмосферу ^[12]. В. Дансгором было показано, что в глобальном масштабе значения δ¹⁸O в атмосферных осадках связаны с температурой конденсации ^[9], эта связь хорошо выражена для районов, расположенных в средних и высоких широтах. Пространственная неоднородность значений δ¹⁸O снежного покрова на региональном уровне вызвана особенностями атмосферной циркуляции и степенью удаленности от основного источника воздушных масс (так называемый континентальный изотопный эффект), а на локальном уровне – местными особенностями ландшафтов, особенно условиями рельефа. Континентальный изотопный эффект выражается в уменьшении значений δ¹⁸O в выпадающих осадках при удалении от источника пара – океана. Из облака всегда выпадают сначала изотопно тяжелые молекулы Н₂¹⁸О, и в оставшийся пар, таким образом, изотопно истощается, что выражается в более отрицательных значениях δ¹⁸O. Последовательно выпадающие из этого пара осадки при продвижении вглубь континента, становятся последовательно изотопно легче. Это приводит к тому, что средние многолетние значения изотопного состава осадков в городах, находящихся на одной широте, становятся легче при продвижении от Европейского побережья до Сибири и Якутии.

Климат района исследований (Иркутская область - г. Братск, д. Худяково в 18 км от Иркутска, п. Култук – южная часть озера Байкал, гора Снежная на трассе Иркутск-Большое Голоустное, республика Бурятия - Тункинская долина) резко континентальный. В зимний период здесь образуется мощный антициклон, обусловливающий морозную малооблачную и тихую погоду с небольшим количеством осадков. Летом развивается циклоническая деятельность, с которой связано выпадение значительного количества осадков. Средние температуры воздуха: среднегодовые от – 2 до – 3^оС, января от – 23 до – 25^оС, июля от + 17 до + 18,5^оС. Значительная амплитуда колебаний экстремальных температур: от – 60 до + 38^оС. Безморозный период невелик (80 – 100 дней). Заморозки начинаются 25 августа – 10 сентября и заканчиваются 2 – 10 июня. Заморозки бывают даже в июле. В районе выпадает немного осадков – 370 – 460 мм в год, из которых 80 % - в теплый период. Месяц наибольших осадков (75 – 105 мм) – июль. Средняя высота снежного покрова 30 – 35 см, он сохраняется в течение 174 – 180 дней. Устойчивый снежный покров образуется обычно 25 – 30 октября. В холодный период преобладают восточные, юго-восточные и западные ветры, в теплый – западные и северо-западные. Число дней со штилем невелико – 40-45 зимой и 20-30 дней летом.

В Братске основными антропогенными источниками загрязнения атмосферы являются ОАО «РУСАЛ – Братский алюминиевый завод» (БрАЗ, крупнейший в мире завод по производству первичного алюминия, 1 млн т алюминия в год), ООО «БЗФ» (завод по производству ферросплавов), филиал ОАО Группа «Илим» (производство целлюлозы по сульфатному способу), предприятия теплоэнергетики и автотранспорт. В атмосферу города поступают различные газообразные и твердые выбросы. В течение последних нескольких лет ведутся работы по определению отдельных элементов в снежном покрове ^[6], что позволяет провести ориентировочную оценку уровня загрязнения атмосферного воздуха в зимний период, установить районы рассеивания выбросов, предположить возможное дальнейшее загрязнение почвы и гидросферы. Так, например, было установлено превышение в содержании натрия в 4-66 раз в пробах снежного покрова, отобранных в городе по сравнению с фоновым снежным покровом ^[6]. В связи с тем, что отсутствуют нормативы качества снеговой воды, в работе ^[6] провели сравнение концентрации натрия в пробе снежного покрова, отобранного в начале марта 2013 г. в санитарно-защитной зона БрАЗа, с предельно-допустимой концентрацией натрия в питьевой воде. Превышение составило 0,061 раза т.е. фактическая концентрация натрия в снежном покрове ниже ПДК натрия в питьевой воде ^[6]. При всей очевидности техногенного происхождения натрия в снеге (связанного с деятельностью БрАЗа и обусловленного использованием кальцинированной соды Na₂CO₃ в технологии содобикарбонатного способа очистки электролизных газов), иногда возникает вопрос о возможной естественной природе Na в осадках, приносимых воздушными массами, например, с Арктического побережья. Для проверки данной гипотезы выполнено настоящее исследование, включающее в себя в том числе восстановление обратных траекторий воздушных масс, приносивших осадки в Братск в течение зимы 2015-2016 г. (выполненное Ю.Н.Чижовой).

Методы

В марте 2016 года снегомерная съемка, выполненная Н.И.Янченко с коллегами, в районе г. Братска показала, что глубина снежного покрова варьировала от 25 до 45 см в зависимости от микрорельефа поверхности. Был выполнен отбор снежных горизонтов в двенадцати точках, расположенных в разных функциональных зонах г. Братска 3 марта 2016, когда снежная толща представляет собой зимнее накопление атмосферных осадков и еще не подвергается таянию. В апреле 2016 г. были отобраны несколько образцов свежевыпавшего снега в п. Култук и п. Вышка. В отобранных образцах Ю.Н.Чижовой и Н.А.Буданцевой, под руководством проф. Ю.К.Васильчука выполнен изотопно-кислородный анализ на масс-спектрометре Delta-V в изотопной лаборатории географического ф-та МГУ. Измерение проводилось в непрерывном потоке He с опцией газ-бенч после 24-часового уравновешивания пробы со стандартным газом He+CО₂. Результаты определений концентрации тяжелого кислорода измеряются в виде отклонения от стандарта средней океанической воды V-SMOW (Vienna Standard Mid-Ocean Water) и выражены в значениях δ¹⁸О (‰): δ¹⁸О = [(¹⁸O/¹⁶O_{образца} – ¹⁸O/¹⁶O_{стандарта})/¹⁸O/¹⁶O_{стандарта}] x 1000‰. Для контроля качества измерений и калибровки в каждом анализе проб использовались международные стандарты V-SMOW, GISP, SLAP. Для анализа возможного влияния дальнего переноса на изотопный состав осадков, формирующих снежный покров, использовался метод обратных (на 120 ч назад) траекторий, построенных с применением полулагранжевой модели переноса HYSPLIT ^{[10, 13]} для каждого дня выпадения осадков в течение зимы 2015-2016 г. в г.Братске с конечными точками на высоте 3000 м в 12 ч ВСВ. Также для тех дней апреля, когда отбирался свежевыпавший снег, были построены обратные траектории движения воздушных масс. При интерпретации результатов восстановленных обратных траекторий были выделены основные сектора – источники воздушных масс.

Результаты и обсуждение

Снежный покров г. Братска в начале марта 2016 г., отобранный в 12 пунктах различных функциональных зон города, характеризовался значениями δ¹⁸О от –21,52 до –28,76‰ (рис. 1). Среднее значение δ¹⁸О по всем шурфам составило –26,39‰. Самые изотопно легкие горизонты снега в шурфах отмечены в нижних или в средних частях разрезов, что скорее всего маркирует накопление снега самого холодного месяца – января. В шурфе 2 был произведен отбор снежной колонки (общий образец), значения δ¹⁸О в этом образце составило –26,54‰ (рис. 1). Это значение полностью идентично значению δ¹⁸О снежной колонки, которую отобрал проф. К.Йошикава на льду оз. Байкал в марте 2014 г. в работе ^[4].

Свежевыпавший снег в Байкальском регионе (табл. 1) имел значения δ¹⁸О от –19,32 до –20,84‰, что типично для начала апреля в континентальных районах, при этом осадки были принесены воздушными массами, источником которых можно считать северную Атлантику.

Интересно, что общая картина происхождения воздушных масс, полученная по восстановленным обратным траекториям, оставалась практически неизменной с 2 по 10 апреля. Восстановленные обратные траектории воздушных масс почти полностью располагаются над континентом. Хотя источник этих масс очевидно атлантический океан, воздушные массы в течение 5 суток (120 часов) продвигались над континентом, т.е. двигались относительно медленно, возможно с продолжающейся конденсацией осадков. Значения δ¹⁸О около –20‰ в осадках с Атлантики в начале апреля указывают на проявление континентального изотопного эффекта, т.к. приход атлантических воздушных масс, например, в Москву в начале апреля приносит осадки со значением δ¹⁸О = –10… –15‰ ^[5].

Рис. 1. Изотопно-кислородный состав снежного покрова, отобранного в разных функциональных зонах в г. Братска (56°16′29′′ с.ш., 101°61′46′′ в.д.) 3 марта 2016 г.

Таблица 1. Значения δ¹⁸О и обратные траектории воздушных масс, восстановленные по модели HYSPLIT на дату и координаты точки выпадения свежего снега

Более ранними исследованиями ^[4] было установлено, что в Байкальском регионе, например, Иркутске, Баргузине и др. близлежащих пунктах значения δ¹⁸О снежного покрова, отобранного снегоотборником как единая снежная колонка в марте 2014 г., варьируют от –26,31 на поверхности оз. Байкала до –29,08‰ в г. Иркутске. В целом же в районе оз. Байкал в марте 2014 г. значения составляли от –25,76 до –35,64‰. Большая вариабельность значений, в данном случае, значения δ¹⁸О в двух пунктах, расстояние между которыми не превышает 200 км, разняться на 10‰, является скорее всего следствием влияния каких-то локальных факторов. Такими локальными факторами могут служить различия в микрорельефе, когда подветренные или заветренные местоположения способствуют, например, перевеиванию снега или сохранению какой-либо снежной пачки одного снегопада. В 2014 г. был опробован снежный покров в г. Улан-Удэ, отбор проводился по снежным горизонтам и значения δ¹⁸О внутри снежной пачки варьировали от –29,3 до –32,28‰ и от –23,63 до –2,75‰ ^[4].

Для г. Братска также ожидались значения δ¹⁸О ниже –30‰, можно предположить, что отсутствие изотопно экстра-легких значений в данном случае, скорее всего, является просто межгодовой изотопной изменчивостью, а не маркирует изменения климатических условий и характера циркуляции. В работе ^[12] было показано, что для Байкальского региона характерной чертой является господствующий западный перенос влаги по данным NCEP reanalysis для 1996–2000 г. В эти годы выполнялась программа по изучению изотопного состава осадков Сибири (Siberian Network of Isotopes in Precipitation - SNIP) на базе месячного отбора образцов на 13 метеорологических станциях с января 1996 по декабрь 2000 г.

Изотопные значения зимних осадков (декабрь, январь, февраль) в Якутске и Багдарине – ближайших пунктах к району исследований, средневзвешенные по количеству осадков составили δ²Н= –265,8‰ и δ¹⁸О = –33,0‰ (количество проб 43) и δ²Н= –217,3‰ и δ¹⁸О = –27,4‰ (количество проб 34) соответственно ^[12]. Для Якутска также были получены изотопные значения атмосферных осадков и снежного покрова в зимний период 2013–2014 гг.: значения δ¹⁸О составили от –22,6 до –38,5 ‰, а δ²Н – от –171,2 до –296,0‰ в осадках и варьировали от слоя к слою в снежном покрове от –17,9 до –45,0 ‰ по δ¹⁸О и от –160,6 до –350,6 ‰ по δ²Н ^[3].

Для 44 дней с осадками, которые регистрировались с декабря 2015 года по март 2016 на метеостанции п. Падун вблизи г. Братска, были восстановлены обратные траектории воздушных масс, построенные для конечной точки – г. Братска, и для высоты 3000 м, где происходит основной перенос влаги. 21 случай выпадения осадков связан с западным переносом воздушных масс с Атлантики (сектор 1 на рис. 2), 5 случаев связаны с приходом влаги из арктического сектора (сектор 2 на рис. 2), 3 – с акваторией Охотского моря (сектор 3 на рис. 2) и 15 – с континентальным источником (сектор 4 на рис. 2).

Рис. 2. Восстановленные обратные (на 120 часов) траектории воздушных масс по модели HYSPLIT с конечной точкой в г. Братске (56°16′ с.ш., 101°61′ в.д.) для всех дней с осадками за период с 1 декабря 2015 по 3 марта 2016 г. Сектор 1 - Атлантическое побережье является районом происхождения воздушных масс; сектор 2 - арктическое побережье является районом происхождения воздушных масс; сектор 3 - акватория Охотского моря является источником воздушных масс; сектор 4 - внутриконтинентальные районы являются районом происхождения воздушных масс

Таким образом, можно сказать что арктические воздушные массы не оказывают значительного влияния на изотопный состав снежного покрова Иркутской области. Известно, что осадки, приносимые из арктического сектора в Москву, например, отличаются заметно более легкими значениями по сравнению с осадками из атлантического сектора ^[5]. В Иркутской области изотопно легкие и изотопно экстра-легкие осадки связаны с континентальным эффектом, при котором перенос влаги над континентом сопровождается конденсацией осадков с продолжающимся изотопным обеднением остающегося пара и выпадающих осадков. Поэтому осадки, источником которых является Атлантика, приносимые в континентальные районы, такие как Братск, изотопно легче осадков, источником которых является арктический сектор.

Выводы

1. Проведена снегомерная съемка в г. Братске в марте 2016 г. (ИРНИТУ), выполнен изотопный анализ свежевыпавшего снега и снежного покрова (МГУ).

2. Среднее значение δ¹⁸О снежного покрова составило в марте 2016 г. –26,39‰. Внутри снежной пачки значения δ¹⁸О варьируют от горизонта к горизонту от –21,52 до –28,76‰, что является относительно «тяжелым» изотопно-кислородным составом, учитывая, что в данном регионе в зимний период в снежном покрове отмечаются слои снега со значениями δ¹⁸О до –32‰.

3. Основным источником влаги, из которой формировался снежный покров г. Братска в зимний период 2015-2016 г. является север Атлантического океана. Восстановленные обратные траектории воздушных масс свидетельствуют о преобладании западного переноса с незначительным участием арктического источника, внутриконтинентального и акватории Охотского моря. Из 44 случаев выпадения осадков только для 5 случаев источником влаги служил арктический сектор и для 21 случая – атлантический сектор.