Кондратьев К. Я. Окружающая среда и климат. 1985

Повышенная экологическая чувствительность полярных районов проявляется и в отношении высокоширотной атмосферы. Хорошо известны результаты численного моделирования потепления климата под воздействием возрастающей концентрации углекислого газа. Эти результаты показывают, что эффект потепления должен быть в несколько раз более значительным в высоких широтах. Несомненно, что аналогичное влияние должны оказывать и другие малые оптически активные компоненты атмосферы, имеющие антропогенное происхождение, которые вносят вклад в формирование «парникового эффекта» атмосферы. Однако до сих пор отсутствуют регулярные наблюдения за химическим составом арктического воздуха, для объективной оценки степени антропогенного воздействия на химический состав высокоширотной атмосферы. Наличие несколько более полных данных для Антарктики свидетельствует о том, что эта проблема несомненно актуальна. К такому же выводу приводят и некоторые данные наблюдений концентрации и химического состава атмосферного аэрозоля в Арктике.

Из всех районов земного шара для исследований глобального фонового аэрозоля предпочтительным является несомненно Антарктический континент. Сравнимые условия могли бы существовать в атмосфере над ледниками Гренландии, но она подвержена существенным антропогенным воздействиям, что проявилось, в частности, в обнаружении свинца в ледовых кернах с гренландских ледников.

Выполненный американскими специалистами анализ проб антарктического аэрозоля за 1971 г. показал, что относительная концентрация многих малых примесей металлов соответствует среднему составу пыли горных пород, но для группы более летучих компонентов характерно наличие обогащения. Концентрация таких элементов, как 2п, Си, вЬ, РЬ, Вг, Эе, примерно на порядок величины превосходит соответствующее значение для горных пород. Последующие наблюдения подтвердили полученные ранее результаты и привели к увеличению числа подобных элементов с 22 до 36. Для некоторых из впервые исследованных элементов (1п, Л¥, Аи, Аэ, Ад, Сф I) обогащение достигало по крайней мере одного по--рядка величины.

Главным компонентом антарктического аэрозоля летом оказались сульфаты (80—90% массы), которые, по-видимому, переносятся в нижней стратосфере или верхней тропосфере, опускаясь затем к поверхности. Доля сульфатов зимой составляет около 60%. Вклад пыли горных пород и морских солей не превышает летом нескольких процентов, но зимой доля пыли уменьшается, а солевых частиц возрастает до 30—40% (по массе). Относительное содержание метеоритного компонента никогда не превосходит 1 %.

В табл. 2 приведена сводка данных (за различные годы) о средней массовой концентрации главных компонентов антарктического аэрозоля летом и зимой, характеризующая годовой ход концентрации различных компонентов. Сопоставление составов аэрозоля и пылевых частиц горных пород, морских солей, метеоритов и продуктов вулканических извержений позволило оценить вклад возможных источников вулканического аэрозоля и обосновать модель формирования антарктического аэрозоля в зависимости от метеорологических условий.

Летом приземные инверсии над ледяной полярной шапкой проявляются относительно слабо, и это создает условия перемешивания аэрозоля в тропосфере и поступления его к поверхности. Относительная размытость тропопаузы благоприятствует перемещению воздуха из нижней стратосферы в верхнюю тропосферу, которое происходит, по-видимому, главным образом у границ континента, но также и над внутренней его частью. В результате формируется довольно однородное распределение концентрации и состава аэрозоля над Антарктическим континентом за счет медленного оседания частиц воздушных масс из верхней тропосферы. Состав летнего аэрозоля определяется поступлением частиц сверху (остатки метеоритов и продукты их сгорания), а также адвекцией аэрозоля на высотах более 4—5 км из регионов, окружающих Антарктику.

Зимой приземный инверсионный слой почти изолирован от расположенной выше атмосферы, и только небольшая часть солевых частиц, возникающих при сильных штормах вблизи побережья, достигает Южного полюса. Именно это определяет указанное з табл. 2 возрастание концентрации натрия зимой, но уменьшение содержания других компонентов. Не исключено, что концентрация летучих компонентов подвержена влиянию вулканической активности. Это не относится к ближайшему активному вулкану Эребус на о. Росса (1300 км от Южного полюса), но, судя "по данным наблюдений зимой 1975 г., сказалось на свойствах атмосферы после извержения вулкана Нгапрухбе в Новой Зеландии. Пока что не было замечено каких-либо проявлений антропогенного воздействия на состав антарктического аэрозоля.

Значительная концентрация аэрозольных частиц является удивительной особенностью атмосферы Антарктики, удаленной от других континентов на большие расстояния. Это свидетельствует о существовании дальнего перемещения частиц под воздействием процессов диффузии и крупномасштабной циркуляции. Антарктида представляет собой уникальную природную лабораторию для изучения перемещения частиц на большие расстояния и трансформации малых компонентов атмосферы. В тропосфере и нижней стратосфере над высоко расположенным антарктическим ледяным плато наблюдаются субмикронные частицы аэрозоля, концентрация которых варьирует от нескольких частиц до тысяч (в 1 см3).

Традиционно считается, что арктическая атмосфера является очень чистой и прозрачной. Хотя подобное суждение подтверждается данными многолетних актинометрических наблюдений в Арктике, за последние годы появилась новая информация, побуждающая радикально изменить существовавшие ранее представления о незамутненности атмосферы высоких широт и вызывающие озабоченность в связи с усиливающимся поступлением аэрозоля в Арктику. В результате актинометрических наблюдений советских исследователей, выполненных в начале 1970-х годов на нескольких арктических станциях, были обнаружены неожиданно высокий уровень мутности атмосферы и ее годовой ход, противоположный зарегистрированному в умеренных широтах. Измерения мутности в течение полярной ночи при помощи звездного фотометра выявили значения концентрации аэрозоля, в 10—40 раз большие, чем летом в Северо-Американском секторе Арктики, в то время как в советской части Арктики (мыс Шмидта) эта величина изменяется от 5 до 20 раз в зависимости от метеорологических условий.

Более поздние американские наблюдения (1973—1977 гг.) подтвердили наличие интенсивной дымки в Арктике, простирающейся на сотни километров в период поздней зимы—ранней весны. Самолетные измерения близ форта Барроу (Аляска) выявили возрастание концентрации дымки с высотой, достигающей максимума на уровне нескольких километров. Отсюда следовало, что источники аэрозоля дымки не являются местными. Начатые в 1976 г. исследования химического состава частиц дымки неожиданно обнаружили повышенную концентрацию таких связанных с промышленными загрязнениями элементов, как ванадий и марганец, и это было первым указанием на то, что арктическая дымка имеет не природное, а антропогенное происхождение. Об этом свидетельствует также серая окраска образцов пыли, обусловленная присутствием сажевого углерода, который может быть продуктом неполного сгорания. Концентрация графитного углерода, возрастающая с конЦа осени до начала весны, достигает уровня, характерного для городской атмосферы. Отсутствие зимой природных процессов генерации сажевого углерода побуждает предположить его антропогенное происхождение.

Это предположение подтверждается наличием в составе арктического аэрозоля в начале весны таких органических компонентов, как полициклические, ароматические, углеводородные и другие соединения. Источником их может быть лишь сжигание ископаемых топлив в средних широтах.

Самым убедительным индикатором антропогенного происхождения дымки является высокая концентрация сульфатов. По данным наблюдений, в форте Барроу сульфаты составляют более половины массы частиц дымки и, вероятно, образуются из сернистого газа. По-видимому, источником дымки служит Европа и северо-восточная часть США, о чем свидетельствует анализ траекторий воздушных масс. Сравнительный анализ перемещения аэрозоля из восточного сектора Северной Америки и Евразии привел к выводу, что доминирует поступление аэрозоля из восточной части Азиатского континента через район севера Тихого океана и Берингова пролива. Арктический аэрозоль формируется севернее полярного фронта, и главными его источниками являются Северо-восточная Европа и северная часть Центральной Азии. Загрязненный воздух перемещается в Арктику, по-видимому, довольно быстро (меньше 10 суток).

Анализ проб арктического аэрозоля обнаружил также поступление натрия с океана и алюминия почвенного происхождения, причем во всех случаях наблюдался максимум концентрации зимой, который является, по-видимому, характерным для Арктики в целом (сходные результаты дали наблюдения близ Фербенкса, в Гренландии и на Шпицбергене). Химический анализ проб аэрозоля обнаружил такие компоненты, как хлорированные углеводородные соединения и ртуть, имеющие несомненно антропогенное значение.

Можно, таким образом, сделать вывод, что арктический воздух является чистым летом и загрязненным зимой, причем последнее определяется влиянием трех факторов: 1) усилением выбросов загрязнений в зимнее время года; 2) интенсивной меридиональной циркуляцией зимой; 3) продолжительным временем оседания частиц аэрозоля зимой, поскольку способствующие вымыванию аэрозоля облака и осадки более интенсивны летом (известное значение имеет и усиление устойчивости атмосферы зимой). Характерное для этих условий время перемещения загрязненного воздуха в Арктику составляет около 20 суток. Все это вызывает серьезную опасность возможного воздействия загрязнений арктической атмосферы на климат.