Фосфор и кремний как маркеры переноса пылевого аэрозоля над Черноморским регионом

Кремний является вторым после кислорода элементом, наиболее широко распространенным на Земле. Он не встречается в природе в свободном состоянии, но присутствует в виде оксида (кремнезем) или силиката (полевой шпат, каолинит и т.п.) в песке, горной породе и глине. В свою очередь, фосфор по своей важности ничуть не уступает азоту. Он участвует в великом природном круговороте веществ, и, не будь фосфора, растительный и животный мир был бы совсем иным [1].
Наличие в атмосфере взвешенных частиц фосфора и кремния также может приводить к изменению отражающей способности подстилающей поверхности, соответственно, существенно влиять на климат [2; 3]. Таким образом, очень важно вовремя осуществлять мониторинг концентрации кремния и фосфора в приземном аэрозоле. Атмосферные осадки являются инструментом очищения атмосферы [4], поэтому изучение химического состава осадков является удобным методом мониторинга состояния атмосферы.
Цели и задачи исследования:
1. оценить, наблюдается ли изменение значений концентраций содержания PO43- и SiO3 в пробах атмосферных осадков, отобранных на территории исследуемого региона, при экстремальных значениях основных оптических характеристик аэрозоля;
2. определить, повышается ли концентрация фосфора и кремния в атмосферных осадках при регистрации переноса пылевого аэрозоля в исследуемый регион
С 2004 по 2016 г. на территории ФГБУН «Черноморский гидрофизический полигон» (пос. Кацивели) производился отбор проб атмосферных выпадений с использованием осадкомера Третьякова. Отобранные пробы анализировались на содержание в них биогенных элементов, в том числе, неорганического фосфора и кремния, в Морском гидрофизическом институте РАН.
С 2016 г. по н.в. на данной территории установлен автоматический осадкосборник (АСО), соответствующий требованиям WMO (World Meteorological Organization), для отбора проб атмосферных осадков и аэрозолей с целью определения их количества и последующего химического анализа в лабораторных условиях. Если выбросы содержат крупные частицы аэрозолей, то под действием силы тяжести они осаждаются вблизи источника выбросов или при наличии сильных восходящих потоков могут переноситься на значительные расстояния на большой высоте, постепенно осаждаясь по ходу движения потока [5]. Вещества, способные адсорбироваться на мелких частицах аэрозолей, с одной стороны, легче подвергаются химическим превращениям, а с другой — могут способствовать коагуляции или служить ядрами конденсации  с более быстрым стоком их из атмосферы.
Согласно механике аэрозолей, скорость коагуляции пылевых частиц пропорциональна их концентрации. Коагуляция пылевых частиц ускоряется во влажном воздухе, так как адсорбционная пленка влаги увеличивает силы сцепления между частицами при столкновениях [6].
Т.к. фосфор и кремний входят в состав минеральной пыли пустынь, именно эти минералы могут служить маркерами, подтверждающими наличие переноса пылевого аэрозоля в исследуемый регион.
Результаты и обсуждение
При анализе отобранных проб атмосферных осадков были зафиксированы даты с наибольшим содержанием неорганического фосфора и кремния в них.
Наибольший интерес представляют случаи, когда концентрация данных веществ превышает среднегодовую величину более чем в 10 раз. Именно для этих дат проанализированы значения спектрального хода АОТ и спутниковые изображения. В таблице 2 представлено количественное содержание PO43- и SiO3 в атмосферных осадках за исследуемый период.
Некоторые значения отличаются в 10, а в исключительных случаях и в 400 раз по сравнению со среднегодовым значением: концентрации PO43- = 1,22 μM, SiO3 = 2,25 μM. Представленные среднегодовые значения за период с 2010 по 2015 года исключают значения по концентрации для SiO3 за 2010 год и за 2015 год для PO43- (средняя за 2010 год концентрация SiO3 составила 9,56 μM, а средняя концентрация PO43- за 2015 год составила 17,44 μM). Это связано с тем, что в эти годы были выявлены даты, когда значения концентраций были экстремально высокими: за 5 июня 2015 года PO43- = 408,51 μM, за 14 сентября 2010 года SiO3 = 284,51 μM, превышая среднегодовые значения более, чем в 100 раз.
Для дат, когда проводился отбор проб атмосферных осадков, был проанализирован массив данных международной сети AERONET станции Sevastopol на наличие в эти дни измерений основных характеристик атмосферного аэрозоля. Анализ данных аэрозольной оптической толщины (АОТ), полученных на станции Sevastopol во время регистрирования повышенных концентраций фосфора и кремния, с данными АОТ, полученными на других черноморских станциях, показал, что и на других черноморских станциях в исследуемые дни наблюдались завышенные значения АОТ на всех длинах волн. Таким образом, данные о повышенном содержании минералов в Таблице 2 брались из аккумуляции данных CIMEL по станциям Galata_Platform (Болгария), Eforie (Румыния), Gloria (Румыния) за 2015-2016 год.
Среднее значение АОТ на длине волны 500 нм за период с 2007 по 2015 год АОТ (500) составило 0,22. В то же время значение АОТ (500), полученное как среднее значение для дней с аномально высокими значениями концентраций PO43- и SiO3, составило 0,52, что более чем в 2 раза превышает среднегодовое значение за весь исследуемый период
Для дней с максимальным превышением среднегодового значения концентрации PO43- и SiO3 был проведен анализ основных оптических характеристик аэрозоля на Черноморских станциях и станциях на побережье Средиземного моря, максимально близко расположенных к Черному морю.
Анализ полученных данных по содержанию PO43- и SiO3 в пробах атмосферных осадков, отобранных в районе Крымского побережья, показал, что при экстремальных значениях основных оптических характеристик аэрозоля (высоких значений АОТ и низких значений параметра Ангстрема) наблюдается повышение значений концентраций содержания PO43- и SiO3.
В результате исследований было определено, что концентрация фосфора и кремния при регистрации переноса пылевого аэрозоля в исследуемый регион может повышаться более чем в 10 раз. Комплексный анализ АОТ, данных обратных траекторий по результатам моделей AERONET [7] и HYSPLIT [8] подтвердил, что в дни, когда наблюдались концентрации PO43- и SiO3, превышающие среднегодовое значение более чем в 10 раз, в 100% случаев совпадают с датами переноса пылевого аэрозоля со стороны пустыни Сахара и Сирийской пустыни.
Благодарности: Работа выполнена в рамках программ государственного задания МГИ РАН по теме 0827-2014-0010 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского морей, на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология») и № 0827-2014-0011.
Авторы благодарят Тома Кушера (Tom Kucsera), Брента Холбена (Brent Holben) и группу Жене Фельдмана (Gene Feldman) из НАСА за расчеты данных ВТА, обработку измерений, полученных на севастопольской станции AERONET за возможность использования качественных данных фотометрических измерений.