Лёд и Снег, 2023, T. 63, № 1, стр. 104-115

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное рекреационное освоение территории озера Байкал в зимний и летний периоды и связанное с ним антропогенное воздействие на все компоненты ландшафта увеличили интерес учёных к проблеме рационального использования и сохранения. В настоящее время усиливается техногенный пресс на все компоненты ландшафтов Байкала, что определяет актуальность исследования химического состава снега в акватории озера, льда и подлёдной воды.

На Байкальской природной территории снежный покров находится 5–6 месяцев в году. Снежный покров является одним из компонентов окружающей среды, оказывающим непосредственное влияние на водный режим. Накопленные в виде снега атмосферные осадки питают поверхностные и грунтовые воды, режим которых в значительной мере зависит от распределения снежного покрова, его физических свойств и характера снеготаяния. Исследования Воейкова А.И. еще в 1885 г. показали, что снежный покров, являясь продуктом климата, сам становится мощным климатообразующим фактором.

С середины прошлого века, в связи с развитием промышленности и процессами урбанизации, большое внимание стали уделять экологической направленности в исследованиях снежного покрова, то есть снежный покров изучается, как депонирующая поверхность(Воейков, 1949; Прокачева, Усачев, 1989; Сает и др., 1990; Дончева, 1992 и др.). Снег захватывает загрязнения из атмосферы и откладывает их на земной поверхности на протяжении всего зимнего периода. В снежном покрове накапливаются естественные и техногенные компоненты. Исследования взаимодействия снежного покрова с другими компонентами и закономерности их взаимного влияния в настоящее время чрезвычайно актуальны как реакция на воздействие комплекса климатических и антропогенных факторов. Особенно важно понимание загрязненности снега в зоне влияния промышленных предприятий и населенных пунктов, что оказывает локальное воздействие на окружающую среду.

Исследования последних лет рассматривают различные компоненты – снежный и ледяной покровы, поверхностные воды – на отдельных территориях (Воропай, Власов, 2017; Карнаухова, 2018; Парадина и др., 2019; Блинов и др., 2019). Близкие по тематике работы проводились на морских льдах, минеральных озерах и ледниках (Немировская, 2004; Звалинский и др., 2016; Смахтин, 2018; Захарченко и др., 2020). Подход авторов отличается от общепринятого тем, что изучаемая гидрокриогенная система рассматривается как цельная система, в которой все компоненты изучаются единовременно.

Озеро Байкал расположено, в центре евроазиатского материка и является самым большим природным хранилищем пресной воды. Объём воды в Байкале около 23 тыс. км³, что составляет 20% мировых и 90% российских запасов пресной воды. Ежегодно экосистема Байкала воспроизводит около 60 км³ прозрачной, насыщенной кислородом воды.

На протяжении десятилетий антропогенный пресс на водную часть экосистемы озера недопустимо высок. В 2015 г., по сравнению с 2014 г. количество загрязняющих веществ, поступивших на акваторию озера Байкал, увеличилось в Байкальске на 13%, на острове Ольхон и п. Хужир на 10% (Обзор состояния и загрязнения…, 2016). По данным Государственного доклада о состоянии и охране окружающей среды Иркутской области в 2016/17 г., общая масса загрязняющих веществ, поступивших в оз. Байкал, составила 362.47 т (в 2014 г. – 288.09 т, в 2015 г. – 360.91 т). В 2016 г. со сточными водами поступило больше, чем в 2015 г., сульфатов, хлоридов, взвешенных веществ, нитратов, нитритов, аммонийного азота, фосфатов. Хлорид- и сульфат-ионы и азот аммонийный возросли соответственно от 0.3 до 38%. Основные источники загрязнения – промышленные предприятия и населенные пункты на побережье, порты южной и северной частей озера, устьевые части рек Тыя, Кичера, Верхняя Ангара, Баргузин и Селенга.

Цель исследования – изучить современное состояние гидрокриогенной системы снег–лёд–подлёдная вода в акватории озера, показать закономерности миграции макро- и микроэлементов в гидрокриогенной системе в текущих условиях. Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи: дать характеристику климатических условий формирования снежного покрова в зимний период 2016/17 г.; определить колебания величины рН и количество взвешенного вещества, минерализацию и ионный состав, содержание микроэлементов в гидрокриогенной системе: снег на льду–лёд–подлёдная вода; установить специфичность распределения веществ между льдом и подлёдной водой по коэффициенту вовлечения (Кв); представить по полученным результатам химический состав гидрокриогенной системы: снег на льду–лёд–подлёдная вода озера Байкал.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом детальных геохимических исследований послужила гидрокриогенная система: снег на льду–лёд–подлёдная вода в акватории озера (табл. 1). Ледяной покров на озере Байкал изучали с начала XX века (Шостакович, 1908; Сокольников, 1957; 1960; 1967; Шимараев, 1977). Ледостав на Байкале наступает гораздо позднее, чем на других водоемах. Причиной этого является колоссальная водная масса озера, требующая длительного периода для своего охлаждения, а также ветровая деятельность, которая преимущественно проявляется в осенне-зимний период. Формирование устойчивого ледяного покрова первоначально происходит в мелководных заливах и приурочено ко второй декаде ноября. В глубоководных частях северной и средней котловин озера ледостав наступает в первых числах января, а в южной котловине – 10–14 января. Толщина льда в день ледостава колеблется от 10 до 40 см, а затем быстро увеличивается, причем нарастание ледяного покрова на бесснежных участках происходит быстрее, так как теплопроводность льда на порядок выше теплопроводности снега. Максимальной мощности лёд достигает в конце марта, изменяясь по акватории Байкала в среднем от 70 до 115 см. Наименьшая толщина льда наблюдается на южном Байкале, где выпадает больше всего снега. На северном Байкале из-за более низких температур и на Малом Море из-за частого отсутствия снежного покрова толщина льда достигает максимальных значений (Беркин и др., 2009).

Образцы снега отбирались снегомером ВС-43 по всей толще с определением высоты и плотности (веса) для изучения распределения снежного покрова на территории исследования и определения запасов содержащейся в нём воды и взвешенных веществ. Пробы льда (верхняя часть, которая не соприкасается с подлёдной водой) отбирались на глубину 0–50 см; пробы подлёдной воды отбирались стеклянной бутылью и батометром.

Пробы переводили в талую воду при комнатной температуре. Время таяния снега при комнатной температуре составляет 6–12 часов, что соответствует “быстрому таянию”, применяемому в целях минимизации сорбции вещества пробы на стенках сосуда и уменьшению перехода взвешенных веществ в растворимые формы (Глазовский и др., 1983).

Исследование снега предполагает раздельный анализ снеговой воды и твёрдого осадка, который состоит из атмосферной пыли, осажденной на поверхность снежного покрова. Нерастворимая фаза выделяется путем фильтрации на беззольном фильтре (синяя лента); просушиванием при комнатной температуре, просеиванием для освобождения от посторонних примесей и взвешивания. Разница в массе фильтра до и после фильтрования характеризует массу пыли в пробе. Количество выпадающего со снегом твёрдого осадка характеризует запыленность территории, а фильтрат талого снега отражает степень загрязнения воздушного бассейна растворимыми формами элементов (Ажаев, 2007).

Химические анализы выполнены в лаборатории геохимии ландшафтов и географии почв и химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН по стандартным методикам. Величину рН, содержание фторидов, хлоридов, гидрокарбонатов, фосфатов, аммония, нитритов, взвешенных веществ в воде определяли в полевых условиях с помощью полевой комплексной химической лаборатории с дополнительным оборудованием (рН-метр, фотоколориметр и др.) непосредственно в день отбора проб по стандартным общепринятым методикам с учетом требований ГОСТов (Алекин и др., 1973: ГОСТ 17.1.5.05-85, 1986; ГОСТ 2874-82, 1995). Химические элементы определяли на приборе Optima 2000DV – оптическом эмиссионном спектрометре с индукционной плазмой и компьютерным управлением (фирма Perkin Elmer LLC, США), с чувствительностью от 0.001 до 50 000 мг/дм³ (для микро- и макроэлементов). Пробы воды для определения концентрации тяжёлых металлов консервировались соляной кислотой и хранились в стеклянной посуде не более 5 суток.

Коэффициент водной миграции рассчитывали по общеизвестной формуле, предложенной А.И. Перельманом (1999):

где m_x – содержание элемента x в воде, мг/дм³; n_x – содержание элемента x в породах, %; а – сумма минеральных веществ, растворенных в воде, мг/дм³.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования проведены в зимний период 2016/17 г. в первой декаде марта в период максимального снегонакопления и устойчивого ледяного покрова. По данным Доклада об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2017 г. этот год стал четвёртым среди самых тёплых с 1936 г. Экстремально тепло было в азиатской части России – восточнее Енисея повсеместно отмечались 95%-ные экстремумы; в целом по региону 2017 год, а также весенний сезон были рекордно тёплыми (аномалии +2.27°С и +3.69°С – исторические максимумы). Зимой 2016/17 г. отмечены аномалии (+3–5°С) в южных и центральных районах азиатской части России. Самым тёплым месяцем зимы был февраль, температуры выше нормы отмечены практически всюду, особенно в центре и на юге Восточной Сибири. В 2017 г. средняя годовая сумма осадков составила 111% нормы – вторая величина после рекордного 2013 г. на территории азиатской части России.

В январе–марте на территории северного и среднего побережья оз. Байкал, количество выпавших осадков было меньше нормы (30–70%), а в южной части осадки превысили средние многолетние значения в 1.5–2.5 раза. Толщина снежного покрова достигла максимальных значений в середине февраля–начале марта: на большей части территории она составляла 30–50 см. Разрушение устойчивого снежного покрова произошло в конце марта–начале апреля, на бóльшей части территории на 7–15 дней раньше, а в западной и южной части – в сроки, близкие к обычным (Доклад “О состоянии озера Байкал…”, 2018).

Сроки ледостава меняются по годам, колебания их достигают 40 дней. Например, на южном Байкале крайние даты замерзания приходятся на 18 декабря–1 февраля (Байкал, атлас, 1993). В зимний период 2016/17 г. процессы образования льда на Байкале замедлились из-за теплой погоды в декабре 2016 г. и первой декаде 2017 г.; лёд установился в южной части Байкала на 7–10 дней позже нормы, в средней части на 5–7 дней, а на севере – в сроки близкие к норме. Среднегодовая температура воздуха в 2016 г. на 1–2°С превысила многолетние значения из-за положительных температурных аномалий, отмечавшихся большую часть года, вследствие чего гигантская масса воды оз. Байкала долго сохраняла тепло, и замерзание сдвинулось на более поздние сроки (Доклад “О состоянии озера Байкал…”, 2017).

Как показали полевые исследования, снежный покров в акватории озера был неоднороден, достигал разной высоты и плотности, а в некоторых районах полностью отсутствовал, например, в п. Бугульдейка и Большое Голоустное, а также на Малом Море (рис. 1). Там, где снежный покров присутствовал, его толщина колебалась от 5 до 11 см при среднем значении 7 см. Только в зал. Чивыркуйском толщина снега достигала 27–29 см. Плотность снега менялась от 0.45 до 0.82 г/см³.

Величина рН и взвешенное вещество. Установлено, что концентрация ионов водорода в гидрокриогенной системе: снег на льду–лёд–подлёдная вода имела идентичный вид на всей акватории озера – минимальные значения рН в снегу, амплитуда колебаний от 5.59 до 7.39; средние во льду – 6.01–7.50, максимальные в подлёдной воде – 7.42–8.50 (рис. 2). Размах колебаний изменялся от максимального в снеге до минимального в воде – 1.8, 1.49 и 1.08 соответственно. В отдельных точках (36 и 68), напротив г. Северобайкальска и п. Танхой, значения рН в снегу достигали величин 7.39 и 7.30 – больше, чем во льду (6.25 и 7.06), что связано с влиянием населенных пунктов.

Взвешенные вещества в снежном покрове по всей акватории озера распределяются неравномерно. Наиболее высокие показатели отмечены около населенных пунктов – тт. 36, 67, 68 и 70 (1.0–9.5 г/м²). На снежную и ледяную поверхность попадают продукты сжигания топлива от печного отопления в посёлках, а также частицы терригенных аэрозолей, которые поднимаются в атмосферу с земной поверхности ветром. В основном они представляют собой частицы почвы и песка. Подъем ветром подобных частиц наиболее интенсивен в зимний период на территориях, где почва не покрыта снегом – тт. 8, 9, 39, 55 (1.5–10.6 г/м²).

Минерализация и ионный состав. По литературным данным установлено, что общая минерализация снега колеблется в пределах от 10 до 30 мг/дм³. В образцах выявлены изменения минерализации талой снеговой воды от 11.41 до 36.89, при среднем значении 15.23 мг/дм³. Максимальные концентрации обнаружены на акватории озера недалеко от центральной части о. Ярки – намывной песчаной косы, образованной выносами рек Кичера и Верхняя Ангара – т. 18 (36.89). С острова происходят надувы песка на снежную поверхность.

Минерализация льда изменяется от 3.36 до 23.97, при среднем значении 13.77 мг/дм³. Минерализация подлёдной воды в среднем составляет 96.6 мг/дм³. Максимальные значения выявлены в устьевой части р. Сармы (т. 12), зал. Чивыркуйском (т. 39) и Провал (т. 55) – 114.91, 111.1 и 204.98, мг/дм³ соответственно (рис. 3). Для этих мест характерны маленькие глубины (1.5–8 м) и хорошее летнее прогревание с активизацией процессов минерализации.

Исследования показали, что концентрации химических элементов во льду в 7 раз ниже, чем в льдообразующей воде. К такому распределению приводит адсорбция, адсорбционная окклюзия, окклюзия льдообразующей воды, дифференциация ионов под влиянием электрических потенциалов. Основная масса вещества остается в жидкой фазе, концентрация веществ в которой по мере кристаллизации возрастает (Иванов, 1993, 1998).

При исследовании ионного состава льда и подлёдной воды зафиксирована высокая дифференциация между ледовой и жидкой фазой. Интенсивность вовлечения в лёд растворенных веществ вместе с льдообразующей водой характеризуется коэффициентом вовлечения (K_в) (Иванов, 1993). Этот коэффициент отражает специфичность распределения веществ между льдом и водой. Расчеты показали, что его величина изменяется в широких пределах, но, как правило, меньше единицы. Для каждого иона значения K_в индивидуальны и различаются на разных водоёмах (Вотинцев, Григорьева, 1973; Анисимова, Роговская, 1974; Сабылина, Ефремова, 2018; Сабылина и др., 2020). Обнаружены общие закономерности, характерные для пресноводных озер. Так, концентрации ионов во льду по отношению к их содержанию в исходных растворах уменьшается в ряду: ${\text{NO}}_{2}^{ - }$ > Cl^– > ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ > ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$. Амплитуда колебаний К_в для каждого иона имеет свои значения на всей территории озера. Максимальный размах установлен у сульфат-иона – изменения в 3.5 раза; далее идут нитрит-ион – 2.5; гидрокарбонат-ион – 1.8 и хлорид-ион – 1.6 раза. Для катионов чёткого распределения в величинах К_в не выявлено. Обращает на себя внимание значения К_в для калия: он поступает в лёд очень интенсивно (K_в около 1), что указывает на избирательность вовлечения K⁺ из воды льдом. Такое явление, согласно представлениям А.В. Иванова (Иванов, 1998), связано с организующей способностью иона калия по отношению к гидратной оболочке. Установлено, что в лёд интенсивно вовлекаются ионы K⁺, Na⁺ и слабо Ca²⁺ и Mg²⁺: коэффициент вовлечения ионов кальция и магния значительно ниже 1 и составляют 0.01–0.04 и 0.02–0.06 соответственно. Подобная закономерность установлена ранее на акватории оз. Байкал в зал. Лиственничный, у п. Листвянка (Воробьева и др., 2007, 2009, 2010). Это объясняется тем, что благодаря избирательному вовлечению в первом кристаллическом слое оказывается больше тех ионов, которые обладают бóльшим коэффициентом распределения, зависящем от подвижности ионов и от их структурирующего действия на замерзающий раствор. Возникновение на границе льдообразующей воды и льда разности потенциалов влечёт за собой дифференциацию катионов и анионов между твёрдой и жидкой фазами. Концентрация компонентов химического состава и суммарное содержание их во льду ниже, чем в льдообразующей воде.

Многими авторами (Тарасов, Кореновская, 1966; Власов, Павлова, 1969; Иванов и др., 1976; Иванов, 1989 и др.) экспериментально установлено, что если в замерзающем растворе концентрации солей невысоки, то их насыщенность во льду намного ниже исходной (К_в ниже 1). Ледовая фаза обогащается ионами аммония – это подтверждают наши исследования на оз. Байкал, вне влияния населенных пунктов. Около поселений и на мелководье количество солей во льду может быть близко или равно их количеству в воде. Полученные данные согласуются с исследованиями В.А. Оболкина и др. (Obolkin et al., 2019). Это характерно для ионов Cl^–, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ и азотсодержащих, что свидетельствует об антропогенном влиянии на химический состав льда.

Снежный покров на льду характеризуется более низкими значениями рН, чем лёд и подлёдная вода (5/59–6/01–8/30 соответственно). Концентрации ионов K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ в снегу также меньше, чем во льду и подлёдной воде (рис. 4). В некоторых точках исследования на акватории оз. Байкал установлены достаточно высокие содержания сульфат- и хлорид-ионов в снеге по отношению ко льду и воде, что свидетельствует о поступлении соединений серы и хлора из атмосферы, аэрозоли которых оседают на поверхности (см. рис. 4) (точки на рисунке: 41 – залив Лиственничный, пос. Листвянка, содержание Cl^– в снеге 4/2 мг/дм³, во льду – 3.15, в подлёдной воде – 2.3; 12 – устьевая часть р. Сарма, п. Сарма, 36 – акватория озера у г. Северобайкальск, 64 – с. Посольское, 68 – п. Танхой и 70 – г. Байкальск, содержание Cl^– в снеге 2.14 мг/дм³, во льду – 1.50, в подлёдной воде – 1.78; ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ – в снеге 2.0 мг/дм³, во льду – 1.8, в подлёдной воде – 1.2). На снежную поверхность побережья попадают продукты сжигания топлива, что чётко прослеживается по содержанию твёрдого вещества, которого в снежном покрове больше, чем во льду и подлёдной воде.

Микроэлементы. Для расчёта интенсивности миграции химических элементов в водах рассчитан коэффициент водной миграции (К_х). Для избежания ошибочных выводов из-за глубины озера и разности подстилаемых пород озера при расчете К_х процентное содержание элемента в водовмещающих породах было заменено кларком земной коры, согласно рекомендациям (Перельман, Касимов, 1999).

Полученные значения K_х разделили химические элементы на две группы – подвижные и слабоподвижные элементы. К первым относятся Ca, Cu, Sr, Mg, Co, Zn и Cd, их показатели по местоположениям изменяются, но K_х больше 1. Элементы Ba, Mn, Si, Fe, Al, Ti, Ni, Сr, P и K составляют полярную группу. Благодаря природно-климатическим факторам и достаточно интенсивному антропогенному воздействию в нескольких точках отбора проб отмечается изменение интенсивности миграционной способности свинца от 1.22 до 11.0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые исследования позволили обнаружить особенности химического состава гидро-криогенной системы: снег на льду–лёд–подлёдная вода в акватории оз. Байкал и показать основные закономерности миграции макро- и микроэлементов в условиях изменения климата.

1. Установлено, что среднегодовая температура воздуха в 2016 г. на 1–2°С превысила многолетние значения из-за положительных температурных аномалий, отмечавшихся бóльшую часть года и первую декаду 2017 г., поэтому сроки ледостава сдвинулись на более позднее время. Снежный покров на акватории озера в зимний период 2016/17 г. отличался неоднородностью, достигал высоты 5–11 см при среднем значении – 7 см и имел плотность от 0.45 до 0.82 г/см³.

2. Концентрации ионов водорода состава гидро-криогенной системы: снег на льду–лёд–подлёдная вода характеризовались едиными закономерностями по всей акватории озера: минимальные значения рН в снегу 5.59–7.39; средние во льду – 6.01–7.50, максимальные в подлёдной воде – 7.42–8.50. Повышенные количества взвешенных веществ и увеличение рН снега зафиксированы около населенных пунктов, что объясняется антропогенным влиянием поселений. Такие же изменения выявлены в снежном покрове на акватории озера там, где частицы терригенных аэрозолей, представленные частицами почвы и песка, поднимаются в атмосферу ветром с прибрежных территорий, где почва не покрыта снегом.

3. Установлены диапазоны изменения минерализации в талой снеговой воде: от 11.41 до 36.89 мг/дм³ при среднем значении 15.23, а также льда: от 3.36 до 23.97 мг/дм³ при среднем значении 13.77. Концентрация ионов во льду по отношению к их содержанию в исходных растворах уменьшается в ряду: NO₂^—Cl^––${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$–${\text{HCO}}_{3}^{ - }$. Каждый ион содержит свои колебания коэффициента вовлечения (К_в) на всей акватории озера. Так, наибольшие колебания выявлены для сульфат-иона – 3.5 раза, нитрит-иона – 2.5; гидрокарбонат-иона – 1.8 и хлорид-иона – 1.6. Для катионов чёткого распределения в величинах K_в не выявлено. Установлено, что в лёд интенсивно вовлекаются ионы K⁺, Na⁺ и слабо Ca²⁺ и Mg²⁺. Поступление ионов калия в лёд очень интенсивное (K_в около 1), что указывает на избирательность вовлечения K⁺ из воды льдом. Коэффициент вовлечения ионов кальция и магния значительно ниже 1 и составляют 0.01–0.04 и 0.02–0.06 соответственно.

4. Около поселений и на мелководье количество солей и азотсодержащих соединений во льду может быть близко или равно их количеству в подлёдной воде, что свидетельствует об антропогенном воздействии на химический состав льда.

5. Вычисленный коэффициент водной миграции (K_х) распределил химические элементы на две группы – подвижные и слабоподвижные элементы. К первым относятся Ca, Cu, Sr, Mg, Co, Zn и Cd (K_х > 1), ко второй группе – Ba, Mn, Si, Fe, Al, Ti, Ni, Сr, P, K.

В целом исследования, выполненные в акватории оз. Байкал, позволили расширить представления о химическом составе гидрокриогенной системы снег на льду–лёд–подлёдная вода.

Благодарности. Исследование выполнено за счёт средств государственного задания: “Пространственно-временные закономерности вещественного состояния ландшафтов Сибири в изменяющихся условиях среды” (№ FWEM-2021-0002), номер госрегистрации: АААА-А21-121012190055-7.

Acknowledgments. The study was carried out at the expense of the state task: “Spatial and temporal patterns of the material state of Siberian landscapes in changing environmental conditions” (no. FWEM-2021-0002), state registration number: AAAAA-A21-121012190055-7.