Миграция химических элементов из морской воды и их последующая аккумуляция в снежном покрове (юг острова Сахалин)

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6

Лобкина Валентина Андреевна

Научную деятельность начала еще во время обучения в Сахалинском государственном университете (квалификация «эколог-природопользо-ватель»), который закончила в 2008 г. С 2005 г. работает в лаборатории лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала Дальневосточного геологического института ДВО РАН. В 2008 г. поступила в аспирантуру Дальневосточного геологического института.

Область научных интересов - исследование условий формирования лавиноопасных слоев в снежной толще на низкогорье о-ва Сахалин, разработка методов их прогноза, изучение физических свойств снежного покрова и др. Результаты исследований представлены в 35 публикациях, из них 5 - в журналах списка ВАК.

Участник 15 всероссийских и международных конференций, в том числе Международной конференции «Лавины и смежные вопросы» (Кировск, 2011 г.), гляциологических симпозиумов «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010 г., Иркутск, 2008 г.), VI Общероссийской конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве» (16, 17 декабря 2010 г., Москва).

Казакова Екатерина Николаевна

В лаборатории лавинных и селевых процессов Сахалинского филиала Дальневосточного геологического института ДВО РАН Екатерина Николаевна работает с 2004 г., является его аспирантом.

Заниматься научной деятельностью начала, будучи студенткой 1 курса Сахалинского государственного университета, который окончила в 2009 г. (специальность «эколог-природопользователь»). Сфера научных интересов - исследование снега, снежных лавин и селевых потоков. В настоящее время основное направление работы - изучение береговых природных лавинных комплексов о-ва Сахалин.

Участвовала в 16 научных конференциях, в том числе 6 международных, посвященных исследованию снега, снежных лавин и селевых потоков.

Автор 40 научных публикаций, из них 6 - в журналах списка ВАК.

УДК 550.424.6, 551.321.7 В.А.ЛОБКИНА, Е.Н.КАЗАКОВА

Миграция химических элементов из морской воды и их последующая аккумуляция в снежном покрове

Выявлен состав химических элементов, выносимых из морской воды на сушу и аккумулируемых в снежном покрове на юге о-ва Сахалин. Определены ареалы их распространения в снежном покрове, пространственное распределение.

Ключевые слова: аэрозоли морского генезиса, снег, снегопад, снежный покров, стратификация снежной толщи, южный Сахалин.

Migration of chemical elements from sea water and their accumulations in a snow cover (South Sakhalin).

V.A.LOBKINA, E.N.KAZAKOVA (Sakhalin Department of the Far East Geological Institute, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

The composition of chemical elements, carried out from sea to land and accumulated in the snow cover in the south of the Sakhalin Island was identified. Areas of its distribution in the snow cover were identified.

Key words: aerosols of marine genesis, snow, snowfall, snow cover, stratification of the snow cover, southern Sakhalin.

Химический состав снежного покрова даже в пределах сравнительно небольшого по площади района достаточно разнообразен: сказывается влияние гидрометеорологических, геологических, ландшафтных условий места формирования осадков [1, 4].

Водная поверхность морей и океанов - мощный источник поступления химических элементов на сушу. Так, атмосфера над Тихим океаном содержит до 6,3 мкг/м3 аэрозолей морского происхождения при общем содержании аэрозолей до 6,9 мкг/м3 [3].

Содержание аэрозолей морского генезиса в атмосфере над территорией Сахалинской области довольно велико. Изучение миграции химических элементов из морской воды и их аккумуляции в снежном покрове позволяет отследить циркуляцию атмосферы в прибрежных районах, спрогнозировать количественный и качественный состав элементов, поступающих в почву из морской воды.

Основной состав крупных частиц морского генезиса, выносимых с морской поверхности зимой, представлен NaCl • 2H2O, Na2SO4 • 10Н20, MgSO4 • 6H2O, CaSO4 • 2H2O [3].

Зимой 2010/11 г. на юге о-ва Сахалин нами отобраны пробы снега для определения содержания химических элементов, выносимых из морской воды на сушу, и определены ареалы их распространения в снежном покрове.

В отличие от большинства работ (напр., [1, 6, 7]), где пробы отбирали без учета стратификации снежной толщи, в наших исследованиях пробы отобраны из снежных слоев, сформированных во время одного снегопада. Для юга Сахалина это сделано впервые.

* ЛОБКИНА Валентина Андреевна - старший инженер, аспирант; КАЗАКОВА Екатерина Николаевна - младший научный сотрудник, аспирант (Сахалинский филиал Дальневосточного геологического института ДВО РАН, Южно-Сахалинск). * E-mail: valentina-lobkina@rambler.ru

Материал и методы

Для отбора проб заложили три разреза (рис. 1).

Разрез 1 протяженностью 90 км проходил по Сусунайской низменности от пос. Ста-родубское (восточное побережье о-ва Сахалин, Охотское море) до г. Корсаков (южное побережье о-ва Сахалин, Охотское море, зал. Анива). На разрезе заложили 8 точек, пробы снега отбирали 8 февраля и 4 апреля 2011 г.

Разрез 2 протяженностью 28 км проложили через Сусунайский хребет от пос. Лесное (восточное побережье о-ва Сахалин, Охотское море) до г. Южно-Сахалинск, являющегося географическим центром Сусунайской низменности. На разрезе заложили 5 точек, пробы отбирали 9 февраля 2011 г.

Разрез 3 протяженностью 73 км проходил вдоль западного побережья юга острова от с. Шебунино до г. Холмск. Пробы отбирали 16 марта 2011 г. в 6 точках.

Все точки отбора проб находились на разном удалении от моря: 1.1 - на расстоянии 0,85 км; 1.2 - 13; 1.3 - 30; 1.4 - 31; 1.5 - 21; 1.6 - 13; 1.7 - 0,6; 1.8 - 0,04; 2.1 - 22; 2.2 - 20; 2.3 -12; 2.4 - 35; 2.5 - 0,05; 3.1 - 0,15; 3.2 - 0,1; 3.3 - 0,12; 3.4 - 0,25; 3.5 - 0,25; 3.6 - 0,05 км.

На всех разрезах снег отбирали из слоя, сформированного во время прохождения циклона (14-17.01.2011 г.). Возраст слоя на момент отбора пробы составлял 25-26 сут на разрезах 1 и 2 (08-09.02.2011 г.) и 58 сут на разрезе 3 (16.03.2011 г.). Также на разрезах 1 (04.04.2011 г.) и 3 (16.03.2011 г.) отбирали свежевыпавший снег возрастом не более 1 сут. Площадки для отбора проб закладывали на открытой местности, за исключением трех на Сусунайском хребте. Девять точек заложили на морском побережье. Всего отобрали 31 пробу (12 с поверхности снега и 19 глубинных).

Средняя плотность снега в слое, из которого отбирали глубинные пробы, на разрезах 1 и 2 составляет 250 кг/м3, на разрезах 3 - 340 кг/м3. На момент отбора пробы (08-09.02.2011 г.) на разрезах 1 и 2 слой состоял из кристаллов вторично-идиоморфного класса форм и имел столбчатую текстуру. Глубинный слой на разрезе 3 состоял из режеля-ционно-полиэдрического снега [5].

Методом ИХ-анализа (метод ионной хроматографии) определяли содержание (в мг/л) анионов F-, С1-, Ш2-, Вг-, Ш3-, Б04-2 и катионов Li+, ^4+, К+, Са2+, Mg2+. Для определения влияния моря прослеживали содержание в пробах анионов С1-, N0^, Б04-2 и катионов КН4+, К+, Са2+, Mg2+.

Снежный покров на юге о-ва Сахалин зимой 2010/11 г. сформировался в первой декаде декабря, в среднем на 10-15 сут позже среднемноголетних значений. Средняя высота снежного покрова в течение зимнего сезона по данным гидрометеорологических станций (ГМС) юга острова составляла 50 см. Разрушение устойчивого снежного покрова произошло в первой декаде апреля (в пределах среднемноголетних значений). Средняя высота снега на разрезе 1 составляла 70 см (на 8.02.2011 г.), на разрезе 3 -65 см (на 16.03.2011 г.). Всего над территорией юга острова за указанный зимний сезон прошло 20 циклонов с количеством осадков более 5 мм в сутки, что на 30% меньше среднегодового значения [2]. Основное направление ветра в зимний период на Сахалине - северное, в берего-

Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб вой зоне - брЮ.

Снежный слой, из которого отбирали глубинные пробы, сформировался 14-17 января 2011 г. во время прохождения мощного циклона. По данным ГМС «Южно-Сахалинск», в этот период здесь выпало до 63 мм осадков. Всего на разрезе 1, т.е. вдоль Сусунайской низменности, выпало осадков: на севере - около 50 мм (среднее значение по данным ГМС «Долинск» и ГМС «Стародубское»), в центральной части - около 60 мм (ГМС «Южно-Сахалинск»), на юге - около 25 мм (ГМС «Корсаков»); на разрезе 3 - около 31 мм (среднее значение по данным ГМС «Невельск» и «Холмск»).

Преобладающее направление ветра в январе 2011 г. на разрезах 1 и 3 было северное, т.е. вдоль Сусунайской низменности и вдоль морского побережья, соответственно. Поверхностные пробы отбирали из слоя, сформированного накануне, преобладающее направление ветра северное.

Результаты и обсуждение

По результатам отбора глубинных проб на разрезах 1-2 (08-09.02.2011 г.), наибольшие концентрации имеют анионы С1-, распространенные от побережья до побережья; максимальные значения отмечены в точках, расположенных на берегу моря. В точке 1.8 концентрация анионов С1- наибольшая, что связано с отсутствием ледового припая в зал. Анива на момент отбора пробы (рис. 2).

Катионы №+ и анионы С1- достигают максимальных концентраций в береговых точках. Однако содержание №+ в пробе снега на точке 1.1 значительно превышает содержание №+ (рис. 2) в точках 1.8 и 2.5, что предположительно связано с миграцией катиона из почвы, так как точка 2.5 находится на поле, долгое время использовавшемся как сельскохозяйственное.

Анионы N0^, Б04-2 и катионы Са2+, Mg2+ также отмечены во всех точках, но их концентрация в точках 1.8 и 2.5 больше, чем в точке 1.1, что тоже можно объяснить отсутствием припая.

Максимальные концентрации Б04-2 отмечены в точках 1.3 и 1.4, это связано с поступлением аниона из почв сельскохозяйственных угодий, на которых расположены эти точки.

Наличие катионов К+ прослеживается на обоих разрезах, средние значения концентрации элемента составляют 0,35-0,65 мг/л. Максимальная концентрация катиона отмечена

а б в

Рис. 2. Содержания катионов №+ и анионов С1- на разрезах 1

в точке 1.4 (1,1 мг/л). На разрезе 2 концентрация К+ уменьшается при удалении от берега и изменяется от 0,79 мг/л в точке 2.5 до 0,44 мг/л в точке 2.1.

Во время второго отбора проб на разрезе 1 (04.04.2011) снежный покров в точке 1.8 отсутствовал. Максимальные концентрации определяемых элементов в пробах поверхностного снега отмечены в точке 1.1 на морском побережье, при удалении от нее концентрации уменьшаются (рис. 2). Увеличение концентрации анионов N0^, Б04-2 и катионов КН4+, К+, Са2+ отмечено в точке 1.4. Содержание С1- и в пробах плавно уменьшается начиная от точки 1.1, минимальные значения концентраций отмечены в точке 1.7, что связано со сменой преобладающего направления ветра.

На разрезе 3 (16.03.2011 г.) концентрация элементов в пробах, отобранных с глубинного слоя, в целом выше, чем на разрезе 1, из-за небольшого расстояния от точек отбора проб до берега моря.

Максимальные концентрации С1-, Б04-2, №+, КН4+, Са2+, Mg2+ для пробы, отобранной на глубине, отмечены на точках 3.2 и 3.5, что связано с экспозицией склона (рис. 3). Максимальные концентрации тех же элементов для свежевыпавшего снега также отмечены на точке 3.2, минимальные - на точке 3.4, которая удалена от берега моря на то же расстояние, что и точка 3-5, но расположена на склоне, перпендикулярном берегу.

Подытоживая сказанное, можно отметить, что на разрезе 1 перенос элементов, выносимых из морской воды, осуществляется на всем протяжении Сусунайской низменности по основному направлению ветра, наибольшие их концентрации отмечаются на берегу.

На разрезе 2 концентрация элементов уменьшается при удалении от берега моря. Максимальные значения отмечены в точках 2.2 и 2.5. Высокие концентрации в точке 2.2 объясняются ее положением на границе водораздела Сусунайского хребта, который является препятствием на пути движения воздушных масс с моря; здесь выпадает большое количество осадков, ядрами конденсации которых являются элементы морского генезиса.

Интересны источники высокой концентрации SO42- в точках 2.3 и 2.5; можно предположить, что данный элемент также привнесен из морских аэрозолей, но это требует проверки, так как в точках 1.1 и 1.8 концентрации элемента меньше.

На разрезе 3 содержание в пробах элементов, источником которых являются аэрозоли морского генезиса, заметно больше на склонах, обращенных к морю. Не отмечено закономерности в содержании анионов и катионов в поверхностной и глубинной пробах, из чего можно заключить, что основным фактором, определяющим здесь концентрацию аэрозолей морского генезиса в снежном покрове, является направление ветра в период формирования снежного слоя вплоть до его перекрытия.

Таким образом, исследованиями установлено, что на юге о-ва Сахалин происходит вынос элементов морского генезиса, однако их концентрация в снежном покрове невелика. На объем выносимых элементов большое влияние оказывает наличие значительного по площади ледяного припая в береговой полосе. Отмечено, что концентрация элементов уменьшается при удалении от берега вглубь острова, а также на подветренных склонах. Содержание в пробах элементов, источником которых являются аэрозоли морского генезиса, заметно больше на склонах, обращенных к морю. Основной фактор, влияющий на концентрацию аэрозолей морского генезиса в снежном покрове, - направление ветра в период от выпадения снега до перекрытия его следующим слоем.

Авторы благодарят за помощь в выполнении данной работы сотрудников ДВГИ ДВО РАН Д.А.Боброву, Ю.В.Генсиоровского, Е.В.Еловского, С.П.Жируева, Н.В.Зарубину, Н.А.Казакова, И.А.Кононова, В.И.Окопного, С.В.Рыбальченко, В.К.Ставнийчук, Г.А.Челнокова, Н.А.Харитонову.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гаврилкина С.В.Антропогенное поступление тяжелых металлов на территорию Ильменского государственного заповедника УрО РАН // Изв. Челябинского НЦ. 2007. Вып. 4 (38). С. 35-39.

2. Генесина А.С. Основные синоптические процессы в зимний период над Сахалинской областью // Снег и лавины Сахалина. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. С. 5-12.

3. Иванов А.В. Теория криогенных и гляциогенных гидрохимических процессов // Гляциология. М.: ВИНИТИ, 1987. 236 с. (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР; т. 5).

4. Новороцкая А.Г. Роль снежного покрова в загрязнении р. Амур (на примере г. Хабаровск) // Чтения памяти Владимира Яковлевича Леванидова. 2011. Вып. 5. C. 412-418.

5. Снег: справочник / под ред. Д.М.Грея и Д.Х.Мейла. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 751 с.

6. Shah S.K., Tanaka M., Kuramoto T., Suzuki K. Chemical dynamics of snowpack in the Northern Japan Alps during snowmelt season // Bull. Glaciol. Res. 2008. Vol. 26. P. 9-14.

7. Watanabe K., Saito Y., Tamura S. et al. Chemical characteristics of the snow pits at Murododaira, Mount Tateyama, Japan // Ann. Glaciol. 2011. Vol. 52 (58). P. 102-110.