Изотопный состав атмосферных осадков г. Курчатова (Восточно-Казахстанская область)

В данной работе приводятся результаты изотопного анализа атмосферных осадков, Восточно-Казахстанской области. Получена локальная линия метеорных вод для исследуемой территории (ЛЛМВ). Проведены сравнительные анализы метеопараметров с изотопным составом атмосферных осадков.

Ключевые слова: атмосферные осадки, изотопная гидрология, ЛЛМВ.

В последние десятилетия в качестве надежных маркеров гидрологических и климатических изменений эффективно используют стабильные изотопы кислорода (δ ¹⁸ О) и водорода (δ ² Н) [1, 2]. Активное изучение изотопного состава, в частности в атмосферных осадках, началось в середине прошлого века, что послужило толчком к организации Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP) под покровительство Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) и Всемирной метеорологической организации (ВМО) [3]. Результаты ежемесячных наблюдений по унифицированной методике на станциях GNIP, а также дополнительные исследования в других регионах позволили установить, что соотношения стабильных изотопов в атмосферных осадках в различной степени могут отражать: характер взаимодействия между источником водяного пара и местом выпадений атмосферных осадков; температуру конденсации водяного пара; абсолютную высоту и географическую широту места их выпадения, а также ряд других параметров [4, 5]. Соотношения стабильных изотопов кислорода и водорода в атмосферных осадках описывают эмпирической зависимостью, получившей название — глобальная линия метеорных вод (ГЛМВ) [4, 6]

δ ² Н = 8 δ ¹⁸ O+10.

По отклонению изотопных отношений δ ¹⁸ O … δ ² Н от ГЛМВ возможно оценить процессы изотопного фракционирования, которые приводят к тому, что изменения в системе δ ¹⁸ O и δ ² Н конкретного региона характеризуются локальной линией метеорных вод (ЛЛМВ). Кроме того, предложенный В. Дансгором на основе ГЛМВ-зависимости расчетный показатель — дейтериевый эксцесс (d-excess) успешно применяют для оценки источников поступления атмосферных осадков (водяного пара) [7, 8].

d _exc = δ ² Н — 8 δ ¹⁸ O.

В последние годы наблюдается рост числа работ по изучению пространственных и временных изменений соотношений изотопов кислорода и водорода в атмосферных осадках как в глобальном масштабе, так и в конкретных регионах, имеющих «густую» сеть станций GNIP. Работы такого плана в настоящее время активно проводятся в США [9], Новой Зеландии [10], Швейцарии [11, 12], Китае [13, 14].

На территории Республики Казахстан не функционируют станции GNIP. Данные изотопного состава атмосферных осадков необходимы для «изотопного» гидрологического и климатического моделирования и могут быть использованы при планировании, проектировании, эксплуатации и устойчивом управлении водными ресурсами, а также для расчётов региональных климатических прогнозов [15]. Таким образом целью настоящей работы стала оценка изменений изотопного состава атмосферных осадков, отобранных на территории города Курчатов.

1. Материалы и методы исследования

Отбор проб атмосферных осадков производился на территории г. Курчатов (широта: 50 45 19,1; долгота: 78 32 53,5; высота 164 м в. у.м) (Рис. 1), отбор проводился после выпадения осадков. Пробы атмосферных осадков отбирались в период с 2015 по 2016 год. Непосредственно после отбора проводили измерение объема проб, затем их упаковывали в герметичные пробирки, которые хранили в холодильнике до начала изотопного анализа. В холодный период года, когда выпадали твердые атмосферные осадки (снег), пробы снега таяли в закрытых пластиковых пакетах, а затем помещали в герметичные пробирки, которые также хранили в холодильнике до начала анализа.

Рис. 1. Расположение точки сбора осадков

Синоптические данные взяты с интернет ресурса www.gismeteo.kz.

Изотопный анализ атмосферных осадков выполнен в Филиале ИРБиЭ РГП НЯЦ РК на изотопном анализаторе производства компании Los Gatos Research — 912 0008. Точность измерений составляла 0.1 ‰ по ² Н и 0.5 ‰ по ¹⁸ О, а в качестве стандартов использовали пробы воды, откалиброванные относительно Международного стандарта V-SMOW-2 (МАГАТЭ).

2. Результаты

Пониженные значения температуры воздуха в 2015 и 2016 наблюдались в январе, так среднемесячная температура составила -11,8°C и -17,8°C соответственно. Повышенные значения температуры воздуха за период проведения исследования наблюдались в июле, так в 2015 году в июле среднемесячная температура была равна +26,0°C, а в 2016 году — +24,6 °C. Холодный период на исследуемой территории длится с октября по март месяц.

Среднегодовое количество выпавших осадков больше в 2015 году по сравнению с 2016 годом. в 2015 году обильные осадки наблюдались весной, а именно в апреле, в 2016 году — в июне и октябре.

Изотопный анализ атмосферных осадков, отобранных в течении двух лет показали существенное варьирование как для ¹⁸ O от -2,6 ‰ до -31,1 ‰, так и для ² Н, от -25,6 ‰ до 236,0 ‰). Полученные результаты позволяют предположить значительное влияние криогенного (в холодный сезон) и испарительного (чаще в теплый сезон) фракционирования на формирование изотопного. состава атмосферных осадков, а также смену основных регионов источников поступления атмосферной влаги, выпадавшей в виде осадков.

Рассчитанная ЛЛМВ атмосферных осадков описывается уравнением: δ ² Н =7,2 ¹⁸ O + 1,0 (рис. 2).

Рис. 2. Результаты изотопного анализа атмосферных осадков наложенные на ГЛМВ

Выводы:

В атмосферных осадках имеет место несколько изотопных эффектов: в связи с континентальностью климата, обнаруживаются существенные сезонные колебания изотопного состава: наиболее легкие изотопы наблюдаются в период с октября по март, с апреля по сентябрь наблюдаются тяжелый изотопный состав.

Значения угла наклона ЛЛМВ меньше значения для ГЛМВ, равного 8, что позволяет говорить о существенном влиянии испарительного фракционирования на изотопный состав атмосферных осадков.

Литература:

1. Joussaume S., Sadourny R., Jouzel J. A general circulation model of water isotope cycles in the atmosphere. Nature, 1984, vol. 311, pp. 24–29.
2. Delavau C. J., Stadnyk T., Holmes T. Examining the impacts of precipitation isotope input (18Oppt) on distributed, tracer-aided hydrological modelling. Hydrology and Earth System Sciences, 2017, vol. 21, pp. 2595–2614.
3. Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP). Available at: http://www-naweb.iaea.org/napc/ih/IHS_resources_gnip.html (accessed 1 March 2018).
4. Craig H. Isotopic variations in meteoric waters. Science, 1961, vol. 133, pp. 1702–1703.
5. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation. Tellus, 1964, vol. 16. pp. 436–468.
6. Rozanski K., Aragufis-Aragufis L., Gonfiantini R. Isotopic pat- terns in modem global precipitation. Climate Change in Continen- tal Isotopic Records. Geophysical Monograph Series, 1993, vol. 78, pp. 1–36.
7. Merlivat L., Jouzel J. Global climatic interpretation of the deute- rium-oxygen 18 relationship in precipitation. Journal of Geophysical Research, 1979, vol. 84, pp. 5029–5033.
8. Fricke H., O’Neil J. The correlation between 18O/16O ratios of me- teoric water and surface temperature: its use in investigating ter- restrial climate change over geologic time. Earth and Planetary Science Letters, 1999, vol. 170, pp. 181–196.
9. Puntsag T., Mitchell M. J., Campbell J. L., Klein E. S., Li- kens G. E., Welker J. M. Arctic Vortex changes alter the sources and isotopic values of precipitation in northeastern US. Scientific Reports, 2016, vol. 6. DOI: 10.1038/srep22647.
10. Baisden W. T., Keller E. D., Van Hale R., Frew R. D., Wassen- aar L. I. Precipitation isoscapes for New Zealand: enhanced tem- poral detail using precipitation-weighted daily climatology. Isoto- pes in Environmental and Health Studies, 2016, vol. 52, pp. 343–352.
11. Kern Z., Kohán B., Leuenberger M. Precipitation isoscape of high reliefs: interpolation scheme designed and tested for monthly re- solved precipitation oxygen isotope records of an Alpine domain. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014, vol. 14, pp. 1897–1907.
12. Dietermann N., Weiler M. Spatial distribution of stable water iso- topes in alpine snow cover. Hydrology and Earth System Scien- ces, 2013, vol. 17, pp. 2657–2668.
13. Zhang M., Wang S. A review of precipitation isotope studies in China: Basic pattern and hydrological process. Journal of Geo- graphical Sciences, 2016, vol. 26, pp. 921–938.
14. Wang T., Chen J., Li L. Entropy analysis of stable isotopes in pre- cipitation: tracing the monsoon systems in China. Scientific Re- ports, 2016, vol. 6. DOI: 10.1038/srep30389.
15. Delavau C. J., Stadnyk T., Holmes T. Examining the impacts of precipitation isotope input (18Oppt) on distributed, tracer-aided hydrological modelling. Hydrology and Earth System Sciences, 2017, vol. 21, pp. 2595–2614.