Статья: Изотопный состав зимнего снега на хребте Аибга (Красная Поляна), Западный Кавказ

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ)

Изотопный состав зимнего снега на хребте Аибга (Красная Поляна), Западный Кавказ

Васильчук Юрий Кириллович

доктор геолого-минералогических наук

Чижова Юлия Николаевна

кандидат географических наук

Аннотация

Объектом исследования является изотопный состав январского снега, на склонах гор Аибга и Псехако в Красной Поляне на Западном Кавказе в 2010 и 2017 гг. В 2010 г. снежный покров был опробован на хребтах Аибга (вдоль трасс Карусель и Альпика-Сервис) и на привершинной части хребта Псехако, отбор был выполнен на разных глубинах снежного покрова, всего было отобрано 29 образцов снега. В 2017 г. на склоне хребта Аибга был отобран свежевыпавший снег. Вдоль трассы Роза Хутор также был выполнен отбор поверхностного снега. Всего было отобрано 58 образца снега. Измерения изотопного состава выполнялись на масс-спектрометре Delta-V (Finnigan) в изотопно-геохимической лаборатории географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова в течение 1-2 недель после отбора проб. Основными выводами проведенного исследования являются - высокие значения дейтериевого эксцесса могут быть связаны с тремя причинами: 1) сама воздушная масса, которая долгое время находилась над внутриконтинентальными районами, изменила свои изотопные характеристики из-за вторничного испарения и конденсации влаги, 2) условиями конденсации, когда адиабатическое охлаждение воздушной массы приводит к выраженному изотопному исчерпанию в выпадающих осадках, больше выраженному для д18О, чем для д2Н и 3) постседиментационными процессами, происходящими на поверхности снежного покрова. Возможно, изотопный состав снежного покрова в Красной поляне сформирован под влиянием всех этих трех факторов.

Ключевые слова: Красная Поляна, изотопный состав, изотопы кислорода, изотопы водородa, снежный покров, свежий снег, высотный изотопный эффект, Хребет Аибга, Хребет Псехако, Западный Кавказ

Abstract

изотопный снег гора кавказ

The object of the study is the isotopic composition of the January snow on the slopes of the Aibga and Psekhako mountains in Krasnaya Polyana in 2010 (29 snow samples) and 2017 (58 snow samples). In 2010, the snow cover was sampled on the Aibga ridges and the Psekhako Ridge. In 2017, on the slope of the Aibga ridge, fresh snow was sampled. Along the ski run Rosa Khutor, surface snow was also sampled. Isotopic composition measurements were performed using the Delta-V (Finnigan) mass spectrometer in the isotope-geochemical laboratory of the Faculty of Geography of Lomonosov Moscow State University. The authors of the study conclude that high values of the deuterium excess can be caused by three reasons: 1) the air mass itself, which had been above the inland areas for a long time, has changed its isotope characteristics due to re-evaporation and moisture condensation, 2) the conditions of condensation, when adiabatic cooling of the air mass leads to isotope depletion in the precipitation, more prominent for д18O than for д2H and 3) post-sedimentation processes on the snow surface. Perhaps the isotopic composition of the snow cover in Krasnaya Polyana is formed under the influence of all these three factors.

Keywords: altitude isotopic effect, fresh snow, snow cover, hydrogen isotopes, oxygen isotopes, isotopic composition, Krasnaya Polyana, Aibga Ridge, Psekharo Ridge, Western Caucasus

Введение

Изотопные отношения молекулы воды - кислорода ¹⁸О/¹⁶О и водорода ²H/¹H являются хорошо известными гидрологическими трассерами в изучении атмосферной влаги, источников и механизмов выпадения осадков ^{[1, 2]}. Такие исследования требуют хорошего понимания процессов изотопного фракционирования, контролирующих изотопный состав атмосферных осадков, которые являются первичным балансовым компонентом поверхностных вод, подземных вод, ледниковых льдов полярных регионов и высокогорий. Эти процессы включают конденсацию атмосферного пара, испарение воды, сублимацию (возгонку) льда и вторничного испарения и конденсации (рециклинг, рециркуляция влаги) поверхностных вод.

Глобальная линия метеорных вод описывает глобальное среднее отношение между значениями д¹⁸О и д²H атмосферных осадков, не подверженных испарению, как впервые было определено Х. Крейгом ^[3] как д²H = 8 д¹⁸О +10, а затем уточнено К. Рожански с соавторами ^[4] по наблюдениям на всемирной сети метеорологических станций как д²H = 8,17 д¹⁸О + 11,27.

Основными факторами, контролирующими изотопный состав атмосферных осадков, являются температура и прогрессивное обеднение изотопными молекулами при выпадении осадков - дистилляции - Релеевское фракционирование. Эти два фактора приводят к проявлению изотопных эффектов: а) температурного, б) широтного, в) высотного, г) количественного и д) континентального, т.е. расстоянием от побережья или источника пара в океане.

В то время как изотопное фракционирование каждой отдельной воздушной системы определяется степенью дистилляции, которой подвергается воздушная масса на своем пути, дейтериевый эксцесс (d_exc = д²H - 8 д¹⁸О ^[1]) является вторичным параметром, отражающим неравновесное фракционирование при первичном испарении влаги над океаном - источником пара, вторичном испарении над поверхностью суши или вторичным испарением и/или перемешивании по пути траектории воздушной массы ^[5].

Исследования изотопного состава льда, отобранного из керна высокогорного ледника на Тянь-Шане ^[6] показали, что пространственные и временные вариации величины дейтериевого эксцесса обусловлены гидрологическими условиями на региональном уровне, сезонными изменениями в источнике влаги и рециклингом влаги в районе Каспийского/Аральского морей. Хотя локальные процессы, сопровождающие выпадение осадков, такие как рециклинг влаги и подоблачное испарение имеют выраженные изотопные эффекты на изотопный состав и величину dexc, объяснение только адвекцией влаги не может полностью охарактеризовать весь диапазон изотопных вариаций. Более того, локальное влияние испарения внутриконтинентальной влаги на изотопный состав осадков до сих пор не является четко установленным для обширных пространств аридной зоны ^[7].

Район Красной поляны находится на Западном Кавказе, на Главном кавказском хребте, на высоте 800 м над уровнем моря.

Климатическое многообразие Кавказа обусловлено географическим положением на границе умеренного и субтропического климатических поясов, сложностью рельефа (субширотным простиранием основных орографических элементов и субмеридиональным Транскавказским поднятием), близостью Чёрного и Каспийского морей, а также сухих континентальных районов Евразии. Климат Малого Кавказа в предгорьях и низкогорьях субтропический - на западе влажный, на востоке сухой, в среднегорье умеренно континентальный с разной степенью увлажнения.

Черноморская область, куда входит район Красной Поляны, имеет средиземноморский тип субтропического климата. В районе Туапсе - Сочи граница субтропической области проводится на северном макросклоне Главного водораздельного хребта. Основанием для этого служат частые вторжения тёплых воздушных масс с юга, которые существенно смягчают термический режим на локальной территории северного макросклона и формируют зимний максимум осадков, свойственный данному типу климата. Целью настоящей работы является установление изотопных характеристики снежного покрова Красной поляны, в том числе установлению зависимости изотопного состава от высоты выпадения снега.

Район исследований

Аибга - это горный хребет, расположенный к юго-востоку от Красной поляны (43°40?43? с. ш. 40°12?19? в.д), у подножья которого протекает река Мзымта. Максимальная высота порядка 2500 метров, главные вершины хребта - горы Аибга, Черная Пирамида, Каменный Столб.

На северных склонах хребта Аибга располагаются горнолыжные комплексы «Альпика-Сервис» (открытый в 1992 году), «Горная Карусель» (открытый в 2008 году) и комплекс «Роза Хутор».

Район характеризуются избыточным увлажнением. Количество осадков здесь увеличивается с северо-запада на юго-восток, а также по мере увеличения абсолютной высоты местности. Увлажнённость в северо-западной части Черноморской области составляет 1000 мм/год, в юго-восточных районах, на побережье и у подножия склонов, возрастает до 1500-2000 мм/год и, наконец, в горах достигает 3800 мм/год, формируя пояс избыточного снегонакопления.

В бассейне р. Мзымта, где в 47 км от побережья находится Красная Поляна, на условия увлажнения существенно влияет местная орография (рис. 1), при этом, как следует из ^[8], основное направление воздушных масс - с Черного моря на северо-восток, перпендикулярно Главному Кавказскому хребту. С севера бассейн р. Мзымта ограничен Главным Кавказским хребтом, с юга - параллельными ему хребтами Аибга и Ацетука, создающими барьерный эффект, благодаря чему осадки в бассейне р. Мзымта распределяются неравномерно. По мере подъёма в горы наблюдаются две зоны с увеличенным количеством осадков - на высоте 0-200 и 1000-2200 м и две зоны с уменьшенным - на высоте 400-1000 и выше 2200 м. В нижнюю зону попадают посёлки Красная Поляна и Эсто-Садок, нижние станции канатно-кресельной дороги «Горная Карусель», «Альпика-Сервис», «Газпром» и «Роза-Хутор». Выше отметки 1000 м количество осадков вновь увеличивается, так как заканчивается барьерное влияние горных хребтов ^[8].

Среднемноголетняя толщина снега, рассчитанная для разных типов зим (мало-, средне-, многоснежные и аномально многоснежные), составляет 11, 25, 43 и 78 см соответственно. Анализ повторяемости максимальной декадной толщины снежного покрова за зиму показал, что для преобладающего числа зим максимум снегонакопления приходится на январь-февраль ^[8].

Рис. 1 Орографическая схема района Красной Поляны и направления основных влагонесущих потоков. Из А.Д. Алейникова ^[8]: 1 - горные хребты; 2 - влагонесущие потоки; 3 - метеостанции; 4 - горные вершины, м; 5 - изогипса 1000 м; 6 - населённые пункты; 7 - пос. ЭстоСадок

Материалы и методы

В 2017 г. на склоне хребта Аибга был отобран свежевыпавшим - мощный снегопад начался 29-го и продолжался ночью на 30 января (рис. 2, 3), отбор вдоль трассы «Карусель» был выполнен 30 января. Отбирался поверхностный снег (глубина 0-10 см) на залесенных участках ненарушенного снежного покрова сбоку от трассы. Вдоль трассы Роза Хутор (на северо-восточном склоне и на южном склоне) отбор поверхностного снега также был выполнен на участках ненарушенного снежного покрова 3 и 4 февраля 2017 г. Всего было отобрано 58 образца снега.

Рис. 2 Склон хребта Аибга, на котором выполнялся отбор образцов снега вдоль трасс Карусель и Роза Хутор

Рис. 3 Характер снежного покрова в привершинной части трассы Альпика-Сервис

В 2010 г. снежный покров был опробован на хребтах Аибга (вдоль трасс Карусель и Альпика-Сервис) и на привершинной части хребта Псехако (рис. 4), отбор был выполнен на разных глубинах снежного покрова, всего было отобрано 29 образцов снега. На хр. Псехако было отобрано 10 проб снега, из них 5 в привершинной части на склоне северной экспозиции (абсолютные высоты 1500-1560 м.), 3 на склоне южной экспозиции на абсолютных высотах 1420-1460 м и 2 пробы - на склоне северной экспозиции на высоте 1270-1330 м. На северных склонах хребта Аибга располагаются горнолыжные комплексы «Альпика-Сервис» (открытый в 1992 году), «Горная Карусель» (открытый в 2008 году) и комплекс «Роза Хутор». На хр. Аибга было отобрано 13 проб снега. Пробы снега отбирались от гребня хребта (высота 2238 м.) вдоль канатных дорог комплексов «Горная Карусель» (5 проб) и «Альпика-Сервис» (5 проб), а также были отобраны пробы снега в районе бобслейной трассы близ комплекса «Роза Хутор» (3 пробы). Образцы отбирались в полиэтиленовые пакеты, растапливались при комнатной температуре, переливались в стерильные пластиковые флаконы и до момента анализа хранились в холодильной камере. Анализ образцов был выполнен через 10-12 дней после отбора в изотопной лаборатории географического ф-та МГУ.

Рис. 4 Склон «Альпика-сервис», вдоль трассы которого был выполнен отбор образцов 2010 г. Фото FunSochi.ru 17 января 2010

Измерения изотопного состава выполнены в постоянном потоке гелия на масс-спектрометре Delta-V (Finnigan). При измерении изотопного состава кислорода уравновешивание образцов с СО₂ происходило при t = 24 °С в течение 24 часов. При измерении изотопного состава водорода уравновешивание пробы с Н2 происходило в присутствии платинового катализатора в течение 40 мин. Для калибровки измерений использовались международные стандарты V-SMOW, GISP и SLAP. Изотопный состав кислорода и водорода выражен в величинах д (‰) относительно стандарта среднеокенической воды (SMOW):

д²H = [([²H/¹H]_{стандарта} - [²H/¹H]_{стандарта})/[²H/¹H]_{стандарта}] x 1000‰;

д¹⁸О = [([¹⁸O/¹⁶O]_{стандарта} - [¹⁸O/16O]_{стандарта})/[¹⁸O/¹⁶O]_{стандарта}] x 1000‰.

Точность определения д¹⁸О составила 0,1‰ и 1‰ при определении д²H.

Результаты

Снег в январе 2017 г. Распределение значений д²H и д¹⁸О в поверхностном свежевыпавшем снеге вдоль трассы Карусель (рис. 5, а и 5, б) демонстрирует наличие высотного изотопного эффекта вплоть до высоты 2130 м за исключением 1 точки - образца с высоты 1975. Три верхних образца с высот от 2180 до 2450 м также имеют относительно высокие значения д²H и д¹⁸О, что формирует «обратный» высотный эффект. Скорее всего, эти фигуративные точки на рис. 5, а и 5, б (обведены прерывистой линией), представляющие эти 4 образца на диаграмме, обязаны своему утяжеленному изотопному составу ветровому переотложению или в моменте выпадения или сразу после отложения снега.

Таблица 1

Изотопные характеристики снежного покрова в Красной Поляне в 2017 г.