МЕТОД РАСЧЕТА ПОТОКОВ ОСНОВНЫХ ИОНОВ НА ОЗЕРО БАЙКАЛ ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СНЕЖНОГО ПОКРОВА

Кузовкин В.В.
ФГБУ «Институт глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля, vladimir.kuzovkin@bk.ru
Аннотация

Был разработан алгоритм расчета потока основных ионов из атмосферы на исследуемую поверхность по данным химического состава снежного покрова. С его помощью была произведена оценка среднего многолетнего потока основных ионов (SO42-, NO3-, Cl-, НСО3-, NH4+,Na+,K+, Ca2+) на озеро Байкал за период 2000 –2017 гг. С помощью разработанного алгоритма показано, что существует тенденция к увеличению потока основных ионов из атмосферы из-за изменения климата на озере Байкал.
Ключевые слова: снежный покров, мониторинг химического состава снежного покрова, поток ионов, Байкал, Центральная Байкальская территория, выпадения загрязняющих веществ, моделирование, загрязнение, геоэкология
Снежный покров, как естественный планшет-накопитель атмосферных (снежных осадков), даёт возможность измерять величину сухих и влажных выпадений загрязняющих веществ (ЗВ) и кислотности (рН) атмосферных осадков в холодный сезон. Эти свойства снежного покрова послужили основой для организации в середине 1980-х гг. мониторинга химического состава снежного покрова (ХССП) на территории СССР [1]. ХССП исторически сформирована на базе маршрутных снегомерных съемок и на 2018 включала в себя 540 пунктов наблюдения (см. рис.1 ).

Рисунок 1 Расположение пунктов наблюдений сети мониторинга ХССП

Основной принцип съемки — ландшафтно-маршрутный, при котором исследуются физические параметры снега на основных элементах ландшафта: поле, лес, болота, овраги. Главная цель снегосъемок — получить данные о высоте, плотности снега и влагозапасе в районе станции или поста, о временной динамике снегонакопления и снеготаяния. Для определения химического состава снежного покрова (на содержание водородного показателя рН и 9 ионов: сульфатов (SO42-), нитратов (NO3-), хлоридов (Cl-
), гидрокарбонатов (НСО3-), аммония (NH4+), натрия (Na+), калия (K+), кальция (Ca2+) и магния (Mg2+)) проба на снегомерном маршруте отбирается один раз в конце зимнего периода. Под концом зимнего периода подразумевается условная дата, когда предполагается, что снежный покров достиг максимального снегонакопления за зимний период. Таким образом, система мониторинга ХССП является источником данных как по физическим характеристикам (количество дней залегания снежного покрова, высота снега, количество осадков за зимний период, влагозапас и т.д.), так и по химическому составу снеговой воды, отобранной на снеговом маршруте [1].

Основными задачами мониторинга ХСПП являются:
1) исследование распределения кислотности и содержания загрязняющих веществ в снежных осадках по площади каждого из регионов РФ;
2) оценка распределения средних значений рН и потоков загрязняющих веществ на территорию России за зимний период. Последнее нужно для оценки баланса выбросов ионов на исследуемой территории.
На сегодняшний день основным алгоритмом расчета среднеплощадной интенсивности выпадения ионов на основе данных мониторинга является методика, описанная в работах [2-4]. Она учитывает среднюю концентрацию изучаемого вещества на маршруте исследуемой поверхности со снежным покровом за зимний период, и
площадь исследуемой территории. Проблема заключается в том, что данный алгоритм не учитывает неоднородность выпадения снега исследуемой площади в достаточной мере. Поэтому целью настоящей работы стала разработка алгоритма расчета потока загрязняющих веществ на исследуемой территории с учетомпространственной неоднородности выпадения
основных ионов. Байкальская природная территория охватывает 90000 км2(см. рис.2)
Рисунок 2 расположение станций ХССП на территории центрального байкальского региона (ЦБТ)
При этом данная территория характеризуется неравномерностью рельефа небольшим количеством станций (на западном склоне действует всего одна станций Б. Голоустное включенное в сеть ХССП в 2015 году, на самом Байкале располагается лишь один ПН, в то время как на восточном склоне 4 ПН (см. рис 2)). Вследствие этих условий статистическими методами показано, что на территории озера Байкал сумма осадков, а также концентрация ионов в снеговой воде имеет маленький радиус корреляции (или радиус влияния точки отбора пробы); если определить концентрацию исследуемого иона снежном покрове в одном месте, то максимальный радиус, где можно (с долей вероятности) оценить концентрацию иона, составляет 5 - 10 км, а суммы осадков – не более 30 - 40 км. Соответственно, для адекватной оценки потока по выше упомянутым методикам исследуемых ионов надо взять на территории озера Байкал не 7-10 пунктов наблюдения, а не менее 900, равномерно расположенных вдоль ледовой поверхности.
Поскольку радиус корреляции осадков довольно низкий для исследуемой территории, то можно смоделировать простую ситуацию - сумма осадков в точке определяется не географическим положением, а имеет характер случайной величины с неким статистическим распределением со средним значением и стандартным отклонением. Такая ситуация неприемлима, если мы хотим оценить количество осадков для каждой конкретной точки на озере Байкал, однако вполне годится для оценки общего количества осадков, выпавшей на данную территорию.
Для расчета интенсивности выпадения интересующих ионов необходимо знать концентрацию ионов в осадках. Однако данные по ХССП отбираются лишь на 7 -10 ПН на всей территории озера Байкал. Для расчета в остальных точках была выдвинута следующая гипотеза - концентрация ионов в снеговой воде зависит в основном от суммы осадков за время залегания снежного покрова. Такое возможно в том случае, если влияние местных источников невелико. Данная гипотеза подтверждается экспериментальными работами Ходжер [4], теоретическими расчетами , проведенного в работе «Аэрозоли Сибири» [5], а также статистическими методами оценки многолетних средних концентраций исследуемых ионов к приведенной сумме осадков за 4 зимних месяца по данным ХССП за 2000 - 2017 гг. Известен факт, что концентрация ионов в осадках (а значит и в снеговой воде) уменьшается с увеличением количества осадков. Таким образом, предположив, что скорость вымывания осадков обратно пропорциональна сумме осадков, получим функцию зависимости концентрации исследуемых ионов в снеговой воде от суммы осадков за зимний период(образец такой функции для сульфатов показан на рис 3). Если заем умножить функцию зависимости концентрации ионов от осадков на сумму осадков за зимний период, то получим среднеплощадную интенсивность выпадения ионов на исследуемой территории. А умножив интенсивность на площадь получим уже поток.
Рисунок 3. Зависимость концентрации сульфатов в снеговой воде от суммы осадков за зимний
период (красная линией показана корреляционная функция зависимости концентрации
В ходе работы была произведена оценка потока ионов на ледовую поверхность озера Байкал. Результаты расчетов представлены в таблице 1. Как видно из данной таблицы результаты расчетов имеют довольно большую сходимость с большим массивом данных, полученных в полевых условиях[6]. Из несомненных плюсов данной методики состоит в том, что она основана на сумме осадков. Таким образом значения выпадения интенсивности выпадения исследуемых ионов можно экстраполировать на теплые месяцы, рассчитав по данным ХССП поток ионов на выбранную территорию в течении всего года. Другим несомненным плюсом данной методики в том, что ее можно использовать для прогноза, что совпадает с концепцией Ю.А. Израэля – «Мониторинг – наблюдение, оценка, прогноз» [7]. В работе Хождер [8] показано, климат Байкала становится более влажным, особенно в зимние и весенние месяцы. Следовательно, при неизменном фоновом значении ионов в атмосфере поток ионов на озеро Байкал в ближайшее время будет возрастать.

Как видно из результатов, данный метод обладает довольно большой погрешностью. Причины такой погрешности – учет только одного фактора – вымывания ионов осадками из атмосферы. В будущих работах предлагается учесть влияние промышленных районов, классифицировав ПН сети ХССП по ряду признаков

Литература
1. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова // Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 180 с.
2. Ветров В. А., Кузнецова А. И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. — Новосибирск: Наука, 1997. — 237 с
3. Грачёв М. А. Стратегия охраны озера Байкал и Закон «Об охране озера Байкал»: Доклад на круглом столе ГД РФ, Москва, 14 января 2013 г. — Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2013. — 87 с.
4. Ходжер Т. В., Сороковикова Л. М. Оценка поступления растворимых веществ из атмосферы и с речным стоком в озеро Байкал // География и природ. ресурсы. — 2007. — № 3. — С. 185–191.
5. Аэрозоли Сибири / [И. С. Андреева]; отв. Ред. К. П. Куценогий; рос. Акад. Наук, Сиб. Отд-ние, ин-т химической кинетики и горения [и др.]- Новосибирск: Изд- во СО РАН, 2006. — 548 с.
6. Белозерцева И.А., Воробьёва И.Б., Власова Н.В., Янчук М.С., Лопатина Д.Н. Химический состав снега акватории озера Байкал и прилегающей территории, 2017, география и природные ресурсы 2017 № 1
7. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979, — 376 с
8. Ходжер Тамара Викторовна.[Исследование состава атмосферных выпадений]