Атмосферная циркуляция и химическое загрязнение ледников Тянь-Шаня

Атмосферная циркуляция и химическое загрязнение ледников Тянь-Шаня

А.Н.Диких, д.г.н., проф. 

Ледники Тянь-Шаня – один из стокоформирующих элементов природной среды Центральной Азии. Максимально их влияние на водность рек проявляется в теплую часть года, количественно завися от площади оледенения речного бассейна и интенсивности таяния.

Начиная со второй половины ХIХ столетия размеры ледников направленно сокращаются и немалое количество их растаяло или образовались мелкие за счет распада крупных ледников. Только на северной периферии Тянь-Шаня за период с 1955 по 1990 годы исчезло 57 ледников, а при распаде 56 крупных образовалось 131 новых ледников, при этом площадь оледенения сократилась на 29,2% [4].

Причинами деградации оледенения являются происходящее потепление климата и увеличение загрязненности поверхности ледника, повышающее интенсивность таяния. Загрязнение ледника обусловлено несколькими факторами, но в данной работе рассматривается проявление только одного – циркуляции атмосферы.

Располагаясь в центре Азиатского материка и поднимаясь до 5000-7000 м, горная система Тянь-Шань активизирует циркуляционные процессы, связанные с вторжениями воздушных масс с различных направлений. Содержащиеся в атмосфере аэрозоли выпадают главным образом с осадками, но нередко оседают и в сухом виде. Количественный и качественный состав аэрозолей не одинаков в воздушных массах, пришедших из различных регионов земного шара, и обусловлен физико-географическими условиями районов формирования и прохождения воздушных масс. Поступление аэрозолей в атмосферу происходит как за счет естественных процессов (выветривание пород), так и антропогенных выбросов. Только в результате усыхания Аральского моря подъем пыли в атмосферу с 1975 по 1990 год возрос в два раза и достиг 90 млн. т в год [8]. Важным при этом является не столько общая величина поступающей в атмосферу пыли, сколько ее доля, достигающая ледников Тянь-Шаня. По результатам натурных исследований дальность выноса аэрозолей зависит от их веса и высоты слоя перемешивания атмосферы. Мелкие взвеси в атмосфере могут переноситься на расстояние несколько тысяч километров. По наблюдениям на станциях “Северный полюс” выявлен принос в Российскую Арктику тяжелых металлов и хлорорганических пестицидов даже из районов юго-восточной Азии и Северной Америки, хотя выбросы промышленных предприятий городов Архангельск, Воркута, Норильск распространяются на расстоянии 80-100 км, а иногда до 250 км [6].

Пыль, поднимаемая в районе Аральского моря, доходит до Хорезма и Ташкента [10]. Исключительное влияние на загрязнение атмосферы оказывают извержения вулканов, когда столб пепла поднимается до 15-35 км, а в отдельных случаях и до 70-80 км, растекается впоследствии по значительной части всех континентов. Так, облако от извержения вулкана Эль-Чичон в 1982 г обошло земной шар за 21 день [5]. На ледниках Тянь-Шаня осаждалась сажа после нефтяных пожаров в Кувейте, возросло количество радиоактивных веществ после Чернобыльской аварии [7]. Большое влияние на загрязнение поверхности льда оказывает перенос пыли из пустынных районов Такла-Макана и Тарима в виде мглы. После ее прохождения от осевшей пыли зона аккумуляции ледника приобретает желтоватый цвет, а интенсивность таяния резко возрастает. На примере изменения повторяемости количества дней с мглой по мере удаления от южной и юго-восточной периферии Тянь-Шаня к северной и северо-западной можно говорить о снижении массы выпадающих аэрозолей в этом же направлении. Если на южной окраине Тянь-Шаня в среднем за год отмечается 9,3 дней с мглой (ГМС Чатыр-Куль), то к северу их повторяемость уменьшается до 8,1 дней (ГМС Тянь-Шань) и 5,7 дней (ГМС Пржевальск) [9].

Число отдельных типов синоптических процессов значительно больше и в целом они должны определять химическую загрязненность поверхности ледников, хотя в их проявлении отмечаются значительные внутри- и межгодовые колебания. Синоптические процессы Средней Азии исследованы достаточно детально и результаты представлены в капитальном труде В.А.Бугаева, В.Н.Джорджио и др. [2]. Со времени выхода этой монографии прошел большой срок и выяснилось, что, несмотря на масштабность процессов, когда в сфере их деятельности оказываются огромные территории, интенсивность вторжения воздушных масс и, соответственно их последствия, в горных регионах не всегда одинаковы. Исходя из этого, для Кыргызстана была скорректирована [11] общая типизация синоптических процессов, в которых нашли отражение региональные особенности. В последние годы конструктивны исследования И.А.Павловой [12, 13], результаты которых являются одной из основ данной работы.

Над территорией Кыргызстана проявляются 17 типов синоптических процессов, повторяемость которых изменяется от 0,1% (широкий вынос теплого воздуха) до 15,1% (западное вторжение). Если учесть, что на высотах более 3000 м, т.е. в зоне распространения оледенения, воздушные потоки всех подтипов периферии Сибирского антициклона характеризуются западным или близким к нему направлением, то повторяемость этих воздушных течений достигает 47,5% [13]. В среднем за год смена синоптических процессов происходит 239 раз, что соответствует средней продолжительности процесса в 1,5 суток. В отличие от повторяемости вторжений, количество которых изменяется в широких пределах, продолжительность их проявления однотипна как для часто, так и для редко повторяющихся процессов. Для первых средние значения составляют 1-2 суток, для вторых 0,86–2,59 суток [13].

Для оценки интенсивности загрязнения и его элементного состава кроме рассмотренных средних показателей проявления синоптических процессов важна и их временная изменчивость. Смена преобладающих направлений с широтной на долготную обусловливает изменения в величинах накопления различных химических элементов. Обратимся к данным таблицы 1, в которой представлены результаты определения загрязнения металлами поверхности ледников, расположенных в различных регионах Центральной Азии. Эти данные позволяют выявить временные и пространственные особенности приноса различных аэрозолей в регион. В таблице 1 помещены результаты анализа проб, отобранных различными исследователями [7, 15] и наши данные, полученные при работе по проекту Международного научно-технического центра (МНТЦ) 

Анализ величин химических содержащихся во льду и сезонном снеге свидетельствует о значительной временной и пространственной изменчивости геохимической загрязненности ледников. К сожалению, представленные данные к настоящему времени не позволяют сделать однозначный вывод о проявлении превалирующего фактора в годовой аккумуляции металлов на ледниках. За период с 1973 по 1984 год резко возросло содержание химических элементов на леднике Энилчек:: от 3,2 раза свинца до 13,1 раза никеля. Несмотря на значительное повышение величины накопления металлов в годовом слое, за исключением железа, их концентрация была значительно ниже предельно допустимой концентрации (ПДК.) Такую высокую концентрацию элементов в годовом слое можно связать только с неблагоприятным балансовым состоянием ледника и низкой высотой места отбора пробы.

Таблица 1

Содержание металлов в ледниках Центральной Азии, мкг/л

Ледник

год

Ni

Fe

Cu

Zn

Pb

Cr

Энилчекх

1973-74

5,4

1800

3,0

69

6,0

5

Энилчек

1980-81

15,6

3000

6,5

70

2,4

17

Бадамистон

1980-81

3

1450

8,5

20

15

< 9

Карасу

1980-81

1,0

830

4,4

9

9

< 2 

Энилчек

1983-84

71

21200

37

335

19,5

21

Бадамистон

1983-84

7,0

542

8,4

8

25

12

Карасу

1983-84

1,5

340

13

21

13

< 2

Бадамистон

1987-88

151

3030

< 5

216

176

79

Карасу

1987-88

5,3

1840

7,8

50

22

< 2

Карасу

1990-91

4,9

541

6,4

70

29

< 2

Айлама

1991-92

1,9

не обн.

5,79

4,7

не обн.

1,3

Ашутер северный

1991-92

1,0

не обн.

8,02

2,4

не обн.

1,3

Айлама

1992-93

не обн.

3

1

4

0,8

не обн.

Ашутер северный

1992-93

не обн. 

3,9

0,7

8

1,0

не обн.

Голубина 

1998-99

1

60

3

4

1,27

4,6

Джеруй

2000-01

1,85

50

2,9

90

0,77

3,5

Голубина

2000-01

1,20

40

2,8

240

0,32

4,4

Григорьева

2000-01

2,9

260

3,9

170

1,24

15

Сары-Бет

2000-01

1,14

320

2,7

180

0,78

5

ПДК

 

100

500

1000

1000

30

500

Примечание: расположение ледников и высота места отбора проб – Энилчек - массив пиков Победа и Хантенгри, 4000 м; Бадамистон – юго-западная часть Гиссарского хребта, 3700 м; Карасу – Туркестанский хребет, 4200 м; Айлама – северный склон хребта Терскей Ала-Тоо, 3930 м; Ашутер северный – северный склон хребта Терскей Ала-Тоо, 4000 м; Джеруй – Таласский хребет, 4050 м; Голубина – Хребет Киргизский Ала-Тоо, 4180 м; Григорьева – южный склон хребта Терскей Ала-Тоо, 4280 м; Сары-Бет – хребет Адыр-Тор, 4160 м.

На этом леднике фирновая линия практически нигде не опускается ниже 4200 м, а летом 1984 года она поднялась до 4600 м. При таком режиме таяния происходит освобождение склонов от снега и возрастает перенос выветренной породы на ледник. В данном случае проба бралась с самого верхнего горизонта, а на других ледниках, где слой 1983-84 годов был перекрыт более поздними отложениями, содержание элементов было далеким от экстремальных величин. Но общая тенденция увеличения концентрации отдельных металлов достаточно четкая. На леднике Бадамистон с 1980 по 1988 годы за исключением меди возросло содержание всех элементов, представленных в таблице 1. Подобный процесс с некоторыми нюансами проявляется и на леднике Карасу. Кроме хрома здесь увеличилось накопление всех металлов, а концентрация цинка и свинца возрастала до 1991 г.

В условиях происходящего потепления климата и устойчивом с 1972 года отрицательном балансе массы ледников [16] следует предположить, что из-за происходящей миграции элементов из верхних слоев в нижние и даже выноса их за пределы ледника, разновременной отбор проб повлиял на результаты оценки содержания металлов в слоях каждого конкретного года. Тем не менее, основные особенности накопления, свойственные регионам, сохраняются и отражают геологию района и режим циркуляции атмосферы тех лет, в которые формировался конкретный годовой слой.

Установлено, что химизм льда [3, 7] в значительной степени соответствует составу атмосферных осадков, отражающих уровень химического и радиоактивного загрязнения тех районов, над которыми они сформировались или проходили воздушные массы. Поэтому при постоянстве геологического строения различия в загрязненности долины должны связываться с изменениями циркуляционных процессов. Важным является не только годовое, но и внутригодовое проявление повторяемости одних или других процессов, так как в зависимости от прохождения воздушных масс над территориями покрытыми снеговым покровом, или свободными от него, содержание аэрозолей в атмосфере будет неодинаковым. Поступление металлов на поверхности ледников Тянь-Шаня следует связать с такими предприятиями Казахстана как свинцово-цинковый комбинат в Усть-Каменогорске, свинцово-фосфатным в Чимкенте, хромовым в Актюбинске [14] и Кыргызстана – ртутным производством в Хайдаркане и сурьмяным в Кадамжае. В связи с этим привнос тяжелых металлов в высокогорную зону Тянь-Шаня происходит с разной интенсивностью при западных, юго-западных, северо-западных и северных вторжениях. При этом следует учесть, что вторжения с южных направлений приурочены к холодному периоду и в районы Внутреннего Тянь-Шаня почти не проникают, сокращая возможное значительное поступление аэрозолей.

Исследованиями [12] определена средняя величина повторяемости различных типов синоптических процессов как за год, так и отдельные сезоны. Учитывая, что отбор проб, проводимый лабораторией гляциологии института геологии НАН КР, приурочивался к периоду максимального снегонакопления, к анализу привлечены данные по циркуляции атмосферы за зимне-весенний период 1998, 1999, 2001 годов и накоплению химических элементов на леднике Голубина.

Таблица 2

Повторяемость типов синоптических процессов, %

Тип процесса

1998

1999

2001

норма

1

Южно-каспийский циклон

-

3,3

0,9

2,6

2

Мургабский циклон

5,1

0,8

1,7

2,2

3

Верхнеамударьинский циклон

1,0

2,5

4,3

1,6

4

Широкий вынос теплого воздуха

-

-

0,9

0,2

5

Северо-западное вторжение

5,1

4,1

3,4

3,1

6

Северное вторжение

2,0

4,9

3,4

2,5

7

Волновая деятельность

16,7

4,1

4,3

8,5

8

Малоподвижный циклон над Средней Азией

4,0

-

-

3,7

9

Юго-западная периферия антициклона

10,2

11,5

15,4

13.4

9а

Южная периферия антициклона

9,1

13,9

18,8

12,7

9б

Юго-восточная периферия антициклона

10,1

8,2

8,5

7,9

10

Западное вторжение

16,2

18,0

15,4

14,7

12

Малоградиентное поле пониженного давления

2,0

2,5

5,1

5,8

12а

Малоградиентное поле повышенного давления

8,1

9,0

3,4

6,4

13

Центральная часть антициклона

-

-

-

0,3

14

Теплый сектор циклона или предфронтальное положение

11,1

17,2

14,5

14,4

 

Общее число случаев

99

122

117

106

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в пробах снега на леднике Голубина, мкг/л

Год

Al

Cr

Fe

Ni

Cu

Zn

Pb

1998

не обн.

< 1

не обн.

не обн.

52,6

4

14

1999

15

4,6

60

1

3

4

1,3

2001

8

4,6

40

1,20

2,8

240

0,32

Примечание: Результаты анализа проб для ледников Тянь-Шаня за исключением ледника Энилчек, представленные в таблице 1 и 3, получены методами атомно-абсорбционной спектрометрии и эмиссионного спектрального анализа.

Представленные в таблицах 2 и 3 данные позволяют сделать некоторые предварительные выводы о зависимости уменьшения или увеличения тяжелых металлов от изменения повторяемости отдельных типов синоптических процессов. Повышенное содержание меди и свинца в 1998 году связывается с увеличением повторяемости синоптических процессов с южного направления (Мургабский циклон, волновой деятельности и прихода воздушных масс с северо-запада). В 1999 году появление алюминия, рост аккумуляции хрома и железа следует отнести за счет увеличившихся вторжений с севера и запада. Возрастание хрома и особенно цинка в 2001 г. можно объяснить возросшими вторжениями верхнеамударьинского циклона, активностью южной периферии антициклона и большей повторяемостью северных вторжений. Повышение концентрации химических элементов на леднике может происходить и при числе случаев вторжений, не выходящих за пределы нормы, но в условиях обусловливающих высокий выброс аэрозолей в атмосферу. Примером могут быть значительные поступления сажи в атмосферу во время пожаров Ирако-Кувейтского конфликта [1] и радиоактивных элементов при Чернобыльской аварии [7]. В обоих случаях на ледниках Тянь-Шаня отмечено увеличение концентрации сажи, цезия, церия, лантана.

Завершая изложенное, необходимо обратить внимание на следующее. Полученные выводы являются предварительными, но позволяющие связать режим циркуляционных процессов над территорией Кыргызстана с аккумуляцией химических элементов на ледниках. Работа такого плана для ледников Тянь-Шаня выполнена впервые и ее необходимо продолжить. Результаты анализа проб взятых со снежных толщ накопленных за холодный период и весь год в сопоставлении с материалами наблюдений за синоптическими процессами позволят надежно определять загрязнение высокогорной зоны Республики различными аэрозолями с выявлением естественных и антропогенных, местных и внешних источников выбросов химических элементов. 

Список литературы

Боконбаев К.Дж., Диких А.Н., Детыненко Л.А. Примеси в снежном покрове ледников Внутреннего Тянь-Шаня. //География и природные ресурсы, №2, Новосибирск. 1995, с. 181-183. 

Бугаев В.А., Джорджио В.А., Козик Е.М. и др. Синоптические процессы Средней Азии. Ташкент, Изд-во АН Узб. ССР, 1957, 477 с. 

Вилесов Е.Н., Токмагамбетов Г.А, Черкасов П.А. Химический состав и качество талых вод ледников Казахстана. //МГИ, вып. 38, М. 1980, с.162-166 

Вилесов Е.Н., Уваров В.Н. Современная деградация оледенения северного склона Заилийского Ала-Тау. // МГИ, вып.84, М.1998, с.52-59 

Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. Л. ГИМИЗ, 1986, 256 с. 

Глазов М.В., Горячкин С.В. Изменение природных зон Российской Арктики. //Природа, №5, 1997, с.32-47 

Головин А.В., Ивлев К.А., Кондратьев К.Я., Кудряшов В.И. Исследования запыленности ледников Памира и Тянь-Шаня. // Изв. РГО, т.125, вып.4. 1993, М.с.54-61 

Григорьев А.А., Кондратьев К.Я. Спутниковый мониторинг природных и антропогенных катастроф. // Исслед. из космоса, №3, М. 1996, с.68-78 

Диких А.Н. Некоторые результаты исследований естественной загрязненности эоловым мелкоземом поверхности ледников Тянь-Шаня. // Гляциологические исследования на Тянь-Шане, Фрунзе, “Илим”, 1975, с 81-89 

Иванова Л.А. Гидрологические аспекты проблемы Аральского моря. //Водные ресурсы №2, М. 1992, С.39-49 

Курбаткин В.П., Скиба Е.С., Ушинцева В.Ф. Характеристика синоптических процессов Киргизии. //Тр. САНИГМИ, вып. 75(156), Л. 1980, с.61-73 

Павлова И.А. Повторяемость типов синоптических процессов в Чуйской долине. //Метеорология и гидрология в Кыргызстане, вып.1, Бишкек, 2001, с.102-110 

Павлова И.А. Продолжительность типов синоптических процессов в Чуйской долине. //Метеорология и гидрология в Кыргызстане, вып.1, Бишкек , 2001, с.119-125. 

Раисова А., Сартбаева А. Предотвращение изменения климата: переход от дискуссий к практическим шагам. Алматы, 1999, 123 с. 

Усубалиев Р.А. Антропогенная составляющая геохимии ледников Тянь-Шаня. //Изв. НАН КР, №1, Бишкек, 1999, с.48-51 

GLACIER MASS BALANCE BULLETIN. Bulletin 2 (1990-1991) IAHS-UNEP-UNESCO. Zurich 1993 p.74