Мониторинг загрязнения снежного покрова. Отбор проб снега для анализа. Определение кислотности снежного покрова

Загрязнение снежного покрова антропогенными и природными веществами Снежный покров обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а также последующего загрязнения вод и почв. При образовании и выпадении снега в результате процессов сухого и влажного вымывания концентрация загрязняющих веществ в нем оказывается обычно на 2 – 3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе.

Отбор проб снежного покрова чрезвычайно прост и не требует сложного оборудования по сравнению с отбором проб воздуха. Послойный отбор проб снежного покрова позволяет получить динамику загрязнения за зимний сезон, а всего лишь одна проба по всей толще снежного покрова дает представительные данные о загрязнении в период от образования устойчивого снежного покрова до момента отбора пробы.

Снежный покров позволяет решить проблему количественного определения суммарных параметров загрязнения (сухих и влажных выпадений), является эффективным индикатором процессов закисления природных сред.

Загрязнение снежного покрова происходит в два этапа. Это загрязнение снежинок во время их образования в облаке и выпадения на местность –так называемое влажное выпадение загрязняющих веществ со снегом.

Далее на втором этапе происходит загрязнение уже выпавшего снега в результате сухого выпадения загрязняющих веществ из атмосферы, а также их поступления из подстилающих почв и горных пород.

Соотношение загрязнителей, поступающих в снежный покров за счет сухих и влажных выпадений, зависит от ряда факторов, главными из которых являются длительность холодного периода, в течение которого сохраняется снежный покров, частота снегопадов и их интенсивность, физикохимические свойства загрязняющих веществ, размер аэрозолей.

В начале зимы, когда отсутствует сплошной снежный покров, загрязнение снега может происходить в результате ветровой эрозии обнаженных участков замерзших почв. Основная часть этого загрязнения обусловлена главным образом достаточно крупными (50 мкм и более) минеральными частицами. Эти частицы переносятся на большие расстояния: отнескольких метров до десятков и сотен метров. По мере роста высоты снежного покрова такое загрязнение быстро падает и при образовании сплошного снежного покрова вовсе прекращается. В природных зонах с малым количеством атмосферных осадков и на пограничных с ними территориях этот фактор действует в течение всего холодного периода. Среднее время пребывания в атмосфере антропогенных и природных веществ тесно связано с высотой первоначального выброса и их физикохимическими свойствами. Время пребывания, как правило, растет с высотой выброса и увеличением дисперсности аэрозольных частиц. Оно оказывается наибольшим для газов со слабой химической активностью. Для таких реакционноспособных оксидов, как SO₂ и NO₂ оно не превышает одних суток. Время пребывания мелкодисперсных аэрозолей в нижней тропосфере, включая сульфаты и нитраты, образующиеся из сернистого газа и оксидов азота, составляет несколько суток, но обычно не более пяти. Крупные частицы могут находиться в нижней тропосфере в основном не более нескольких десятков минут. Время пребывания мелкодисперсных аэрозолей в верхней тропосфере составляет до 10 – 20 дней. Газы с низкой химической активностью (CO, CO₂, CH₄, CnHm, включая ПАУ, легкие нефтяные углеводороды, фреоны) имеют среднее время пребывания от месяца до нескольких лет. Типичные расстояния от источников выброса для веществ с коротким средним временем пребывания в атмосфере (десятки минут и часы) составляют единицы и десятки километров, со средним временем (десятки часов, дни) – сотни и тысячи километров. Для долгоживущих веществ (месяцы и годы) загрязнение приобретает глобальный характер, при котором загрязненные массы воздуха могут многократно огибать земной шар. Указанные масштабы распространения загрязняющих веществ в атмосфере определяют вклад отдельных процессов в загрязнение снежного покрова на локальном, региональном и глобальном уровнях и состав загрязняющих веществ. Для локальных выпадений характерно сухое и во многих случаях влажное осаждение из подоблачного слоя веществ, имеющих малое время пребывания в атмосфере. В случае регионального загрязнения главную роль играет влажное вымывание из подоблачного слоя, сухое выпадение имеет подчиненное значение. То же характерно и для глобального загрязнения.

Часто одно и то же вещество присутствует в выбросах многих локальных источников и в значительной части определяет региональный фон атмосферы. В этом случае результатирующее загрязнение снега С является суперпозицией локального и регионального загрязнений и для его концентрации в снеге можно записать

C = C _лок+ C _рег

Такой случай характерен, в частности, для загрязнений городов тяжелыми металлами, иногда сульфатами и нитратами.

Состав зягрязняющих веществ в снежном покрове и талых водах

Преобладающим ионом в снежном покрове центральных частей материков является HCO3-, а в приморских районах – CI^-.

В порядке убывания концентрации в снежном покрове для степной, лесостепной и лесной зон Русской равнины, Казахстана и Сибири можно записать:

HCO₃^- > SO₄² > NO₃^- > CI^-. В районах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию местных промышленных предприятий и воздействию дальнего переноса серосодержащих и азотных соединений, отмечаются повышенные концентрации Н⁺, SO₄ ^2-, NO₃^-, NH₄⁺ в снежном покрове.

По данным многолетних исследований загрязнения снежного покрова в Норвегии, подверженной влиянию загрязняющих веществ, поступающих из высокоиндустриальных районов Европы, концентрация ионов Н+ (мг экв/л) может быть выражена соотношением (Ю.А. Израэль и др., 1983 г.):

[Н+] = 1,7 + 0,87 [NO₃]^- + [ SO4^2-] – [NH₄⁺].

Связь концентрации водородных ионов с концентрациями других ингредиентов можно также выразить соотношением

[H+] = 2 [SO4^2-]+[NO₃^-]+[CI^-] – 2[Ca^2-] – [K⁺] – 2[Mg²⁺]-[Na⁺]-[ NH₄⁺]+2,5х10^-6

Остаточный член в этом выражении 2,5 х10^-6 моль/л соответствует концентрации водородных ионов в равновесном водном растворе при среднем содержании диоксида углерода в атмосфере, равном 648,2 мг/ м³ (0,03 % объемных) при температуре 20 0С. Концентрации водородных ионов, равной 2,5 106 моль/л, соответствует значение рН=5,6.

Это значение обычно приписывается незагрязненным атмосферным осадкам. Основное влияние на рН талых вод снежного покрова оказывают

процессы, связанные с промышленным производством и сжиганием всех видов топлива, приводящие к загрязнению воздуха оксидами серы и азота.

Содержание тяжелых металлов в снежном покрове колеблется в очень широком диапазоне главным образом в зависимости от степени антропогенного влияния. Тяжелые металлы в снеге находятся в твердой (условно нерастворимой фракции) и жидкой (в водно-растворимой фракции) фазах.

Тяжелые металлы в водно-растворимой фракции попадают прифильтровании растопленной пробы снега в фильтрате. Процент содержания микроэлементов в водно-растворимой фракции зависит от места отбора пробы, химического состава осадков, природы элемента. В твердой фазе тяжелые металлы обнаруживаются в обменной, подвижной, кислотнорастворимой и труднорастворимой формах. В городском снеге большинство тяжелых металлов находятся в труднорастворимой форме (73 – 92 %).

По подвижности из твердой фазы (сумма обменных и подвижных форм) для проб городского снега металлы можно расположить в следующий ряд: Cu>Hg>Cr>Sc>Au>Ba>La>Co>Sb>Fe