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

Рис. 5 Распределение значений д¹⁸О (а), д²H (б) и d_exc (в) в поверхностном снеге на хребте Аибга в 2017 г. в зависимости от абсолютной высоты и отсутствие связи значений д¹⁸О с высотой в поверхностном снеге вдоль трассы Роза Хутор (г). стрелками показан общий тренд облегчения изотопного состава с высотой, пунктирной линией обведены значения, выбивающиеся из этого тренда

В диапазоне высот 965-2130 м высотный градиент для д¹⁸О составил -0,27‰/100 м, и -2,36‰/100 м для д²H. В этом же диапазоне высот величина дейтериевого эксцесса слабо растет, при этом увеличивается диапазон вариаций от 2 ‰ в нижней части склона до 8‰ на высотах 1810-2050 м.

На северо-восточном и южном склоне вдоль трасс Роза Хутор значения д²H и д¹⁸О в поверхностном свежевыпавшем снеге распределены хаотично, без проявления изотопного высотного эффекта. Соотношение д¹⁸О-д²Н для снега вдоль трассы «Карусель» описывается уравнением д²Н = 7,86 д¹⁸О + 22,48 (R²=0,99) (рис. 6), а все полученные данные по снегу 2017 г. (и вдоль трассы «Карусель» и вдоль трассы Роза Хутор) описываются уравнением д²Н = 8,4 д¹⁸О + 36,13 (R²=0,99), при этом, как следует из ^[8], основное направление воздушных масс - с Черного моря на северо-восток, перпендикулярно Главному Кавказскому хребту. Величины d_exc в снеге с Роза Хутор заметно выше, достигая 30-40‰ (min = 17,1‰, max = 42,3‰, среднее = 30,1‰).

Отбор снега вдоль трассы Роза Хутор был выполнен 3 и 4 февраля 2010 г., поверхностный снег, как можно предположить, в течение 4 суток претерпел изотопную трансформацию.

Восстановленные обратные траектории движения воздушных масс, построенные по полулагранжевой модели HYSPLIT ^{[9, 10]}, для конечной точки 43.33° с.ш. и 40.20° в.д. и высот 1000, 2000 и 3000 м на 11 часов 30.12.2017, показали, что воздушные массы, принесшие осадки на склоне Аибга 29 и 30 января 2017 г. имели внутриконтинентальное происхождение (рис. 7).

Рис. 6 Соотношение д¹⁸О-д²Н для снежных образцов 2017 г.: 1 - на склоне вдоль трассы Карусель, 2 - на склоне вдоль трассы Роза Хутор С-В склон, 3 - вдоль трассы Роза Хутор южный склон

Рис. 7 Основные обратные траектории движения воздушных масс на высотах 1000, 2000 и 3000 м, принесших осадки на хребет Аибга в ночь с 29 на 30 января 2017 г. Построены по модели HYSPLIT с использованием Google Earth

Эти траектории построены (рис. 8) на 120 ч назад, т.е. 5 суток до момента прихода на склон, увеличение длительности траектории до 240 ч назад (10 суток) показало, что источником воздушных масс было арктическое побережье в районе п-ова Таймыр. Метеорологическая информация, предоставляемая сервером NOАА, сопутствующая пути движения траектории, свидетельствует о незначительной конденсации осадков - 1 или 2 случая (в зависимости от времени, на которое построена траектория) выпадения осадков с интенсивностью от 1 до 2 мм/час и максимальной продолжительностью 3-4 часа за 5 суток нахождения над внутриконтинентальными районами от Москвы до Кавказа (см. рис. 8).

Рис. 8 Обратные траектории воздушных масс, построенные по модели HYSPLIT для конечной точки - координат Красной поляны на на 19 ч. (а) и 23 ч. (б) 29 января 2017 г. и 00 ч. (в), 06 ч. (г) и 12 ч. (д) 30 января 2017 г., а также все траектории воздушных масс, построенные с шагом в 3 часа, достигавшие Красной поляны с 26 по 30 января 2017 г. на высоте 2000 м

Анализ восстановленных обратных траекторий (см. рис. 8) является лишь аппроксимацией генерального происхождения воздушных масс и таким образом предоставляет только свидетельство пути транспорта воздушных масс. Локальные источники влаги могут включаться в воздушную массу, что никак не отражается на обратных траекториях.

На ненарушенном участке снежного покрова вдоль трассы «Газпром» был выполнен шурф, значения д¹⁸О снежных горизонтов которого изменяются от -13,1 до -24,6‰, д²H от -76,1 до -168,5‰ и дейтериевого эксцесса от 11,38 до 28,7‰ (рис. 9).

Рис. 9 Значения д¹⁸О в разрезе снежной толщи вблизи трассы Газпром в 2017 г.

Снег в январе 2010 г. В снежном покрове января 2010 г. значения д¹⁸О и д²H заметно выше, по сравнению с 2017 г., а величины дейтериевого эксцесса довольно близки к таковым в 2017 г., варьируя от 10,7 до 26,5‰ (табл. 2). В поверхностном снеге на хребтах Аибга и Псехако значения д¹⁸О изменяются от -17,2‰ на высоте 562 м до -9,2‰ на высоте 1477 м (см. табл. 2), в общем диапазоне высот выражен скорее «обратный» высотный изотопный эффект (рис. 10) с градиентом изменения значений д¹⁸О 0,22‰/100 м.

Таблица 2

Изотопные характеристики снежного покрова в Красной Поляне в 2010 г.

Разброс величины dexc в снеге 2010 г. скорее всего связан с тем, что на разных глубинах отбора были отобраны образцы, характеризующие осадки разных периодов, а значит, возможно, разных источников воздушных масс. Отличия двух сезонов (2010 и 2017 гг.) могут носить не глобальный характер, а определяться локальными условиями в момент отложения снега на склоне.

Рис. 10 Значения д¹⁸О в поверхностном (скорее всего, разновозрастном) снеге, отобранном на разных высотах в 2010 г.

Соотношение д¹⁸О-д²Н для снега 2010 г. описывается уравнением д²Н = 8,43 д¹⁸О + 24,298, R₂=0,99 (рис. 11), что численно близко к соотношению для всех образцов снега 2017 г. Это возможно также указывает на протекание процессов изотопной трансформации снега, тем более, если учесть, что в 2010 г. отбирался не свежевыпавший снег.

Рис. 11 Соотношение д¹⁸О-д²Н для снежных образцов 2010 г.: 1 - образцы поверхностного (скорее всего разновозрастного) снега, 2 - образцы снега с глубины отбора от 0,15 до 1,4 м.

Дискуссия

Одним из первых исследований высотного изотопного эффекта была работа Х.Мозера и В.Штихлера ^[11], которые наблюдали высотный изотопный эффект в свежем снеге в Альпах. Чуть позже Йе.Неводничанский и др. ^[12] установили величину высотного градиента для д¹⁸O между -0.6 и -1.0 ‰ на 100 м. М.Поаж и К.Чемберлен по результатам большого обобщения изотопных данных по разным районам мира сообщают о величине высотного изотопного эффекта в осадках в высокогорье ниже 5000 м в -0,28‰/100 м на глобальном уровне ^[13].

Тем не менее, имеется большой объем изотопных данных с большим диапазоном значений, в том числе с обратным высотным градиентом и, таким образом, не все случаи выпадения снега в горах связаны с линейным высотным распределением. Йе.Неводничанский и др. ^[11] объяснили эти вариации условиями во время снегопада и после отложения снега, такими как ветровое переотложение и фракционирование при таянии, а также орографическими и климатическими особенностями конкретных районов. Т.Моран и др. ^[14] определяют высотные изотопные градиенты для свежего снега в канадских Скалистых горах для д¹⁸O в пределах от -0,3 до + 1,8 ‰ на 100 м, в зависимости от снегопада и условий конденсации.

В свежевыпавшем январском снеге 2001 г. на леднике Гарабаши на южном склоне Эльбруса (Центральный Кавказ) и прилегающем склоне нами был зафиксирован выраженный высотный изотопный эффект. При этом градиенты изменения значений д¹⁸O и д²Н с высотой неодинаковы на разных высотных уровнях. В интервале высот 3100-3400 м они явно больше, составляя -2,4 ‰/100 м по д¹⁸O и -20 ‰ по д²Н по сравнению с -0,6 ‰/100 м по д¹⁸O и -6 ‰ по д²Н на высотах 3400-3900 м ^[15].

На леднике № 1 Баишуи, в южном Тибете, проявление “нормального” высотного изотопного эффекта было отмечено в поверхностном слое зимнего свежевыпавшего снега (изменение значений д¹⁸O с высотой составило -0,22 ‰ /100 м), при этом в лежалом снежном покрове в летний сезон Х.Пан отметил “обратный” высотный изотопный эффект с увеличением значений д¹⁸O на 1,37 ‰/100 м ^[16].

Полученные нами величины градиента облегчения изотопного состава свежевыпавшего снега на Красной Поляне в 2017 г. находятся в хорошем согласии с глобальным отношением д18O/высота (д2Н/высота) и численно совпадают с установленными ^[13]. “Обратный” высотный изотопный эффект в снеге 2010 г. может быть связан либо с ветровым переотложением снега, либо с неравномерным накоплением, либо с процессами изотопной трансформации снежного покрова. К этим процессам обычно относятся либо испарение снега (сублимация), либо наоборот, конденсация на поверхности снежных кристаллов водяного пара - обратная сублимация. Предполагать испарение (сублимацию) поверхностного снега нет оснований, т.к. для образцов снега характерны высокие значения dexc. При испарении изотопные характеристики (д¹⁸О и д²Н) испаряющегося снега смещаются в область более высоких значений, но вниз от линии метеорных вод, что выражается в отрицательных значениях дейтериевого эксцесса. Это было показано в экспериментальной работе по испарению московского снега ^[17]. При обратной сублимации (переходе воды из газообразного в твердое состояние) поток молекул направлен из атмосферы ко льду, ледяные кристаллы обогащается тяжелыми молекулами, а оставшийся водяной пар -- легкими, но кинетические процессы способствуют переносу и изотопно легких молекул ко льду, т.е. ослабляют фракционирование ^[18]. Тем не менее, нельзя исключать обратную сублимацию из постседиментационных процессов, приводящих к изотопной трансформации снега. Увеличение значений d_exc в образцах поверхностного снега, отобранных вдоль трассы Роза Хутор (С-В и южного склонов) через 3 и 4 дня после снегопада по сравнению с образцами вдоль трассы «Карусель», отобранными на следующий день поле снегопада, может говорить как о протекании постседиментационных процессов, так и о недоучтенных осадках. В течение этих 3-4 дней могло выпасть крайне незначительное количество осадков, добавление которых на снежный покров привело к отличиям в изотопном составе снежного покрова на соседних склонах.

Полученные авторами данные о распределении величины d_exc в снеге Красной поляны 2017 г. со слабо выраженным трендом к увеличению значений с высотой (см. рис. 5, в, кроме 4 верхних образцов) могут свидетельствовать о конденсации в условиях адиабатического охлаждения воздушной массы при подъеме ее по склону. При адиабатическом охлаждении поднимающейся вверх по склону воздушной массы в выпадающих осадках наблюдается линейная связь между значениями д¹⁸O и температурой. Было показано ^[19], что процесс адиабатического охлаждения приводит к уменьшению значений д¹⁸O в осадках на высокогорной станции Гаошан и одновременному с этим увеличению значений d_exc. Для осадков, выпавших в твердом виде при температурах ниже 0?С, характерны значения d_exc выше 10 и положение значимых точек на диаграмме д¹⁸О-д²Н выше линии метеорных вод. Эти значения представляют зимние осадки, выпадавшие при низких температурах и низкой относительной влажности воздуха. Такую же картину одновременного обеднения изотопного состава (уменьшение значений д¹⁸О и д²Н) и роста значений d_excЮ.Н.Чижова и Ю.К.Васильчук наблюдали в свежеотложенном снеге на трансекте Коноша - Полярный Урал, когда изотопные характеристики выпадающих осадков из одной воздушной массы при продвижении ее на северо-восток обнаруживали линейную связь с падением температуры воздуха ^[20].

Однако, тренд увеличения значений d_exc с высотой в снеге Красной поляны выражен крайне слабо, а значит, высокие значения 2017 г. могут быть проинтерпретированы как изотопная метка воздушной массы, долгое время находившейся над континентом и пришедшей к склону значительно изотопно обедненной.

Используя простую одномерную изотопную модель и данные по Антарктическому снегу, П.Сиас с Ж.Жузелем показали высокую чувствительность параметра d_exc к условиям насыщения воздуха, предшествовавшим формированию снежных осадков ^[21]. Высокие модельные значения д связаны с низкой температурой формирования снега и значения dexc меняются примерно на 10‰ при разном составе фаз конденсата (например, 0, 50 и 100 % жидкой фазы).

В аридных районах, например, восточное Средиземноморье, высокие значения dexc в зимний сезон вызваны модификацией континентальных воздушных масс при проходе их над относительно теплыми водами ^[22]. Низкая влажность воздуха в зимних континентальных воздушных массах приводит к быстрому испарению и таким образом, к высоким величинам dexc в последующих осадках. Высокие значения дейтериевого эксцесса в ледниковом керне ледника Иныльчек в Тянь-Шане имеют выраженную принадлежность к зимним сезонам ^[6]. Дальний перенос северо-атлантических воздушных масс над Евразией к районам центральной Азии (к Тянь-Шаню) в течение зимы приводит к взаимодействию с Черным, Каспийским и Аральским морями и условия на границе воздух/море благоприятны для быстрого испарения и формирования высоких значений d_exc водяного пара.

Если предполагать, что ответственным механизмом формирования высоких значений dexc в снеге Красной Поляны является рециклинг влаги, то согласно выводам К.Фрёлиха ^[23] коэффициент рециклинга влаги R = ? d_exc/100 (?d_exc в ‰). Среднее значение d_exc по снегу вдоль трассы Карусель составляет 25‰, следовательно, увеличение d_exc на 13 ‰ относительно средних величина d_exc осадков в северном полушарии в зимний период (=12‰^[23]) указывает на 13% континентальной влаги. Наибольшее затруднение в интерпретации полученных изотопных параметров связано с большой вариативностью значений dexc в снеге одного снегопада (см. табл. 1). К тому же, полученные средние значения d_exc = 30‰ (от 17,1 до 42,3‰) вдоль трассы Роза Хутор через 4 дня после снегопада должны в таком случае указывать, что процент влаги за счет рециклинга влаги составляет от 5 до 30%. Нам это представляется маловероятным. Возможно, в формировании изотопных характеристик снежного покрова Красной поляны играют роль сразу несколько механизмов, не исключающие друг друга (и смена воздушных масс, и недоучтенное количество осадков, и рециклинг влаги, и неравномерное отложение снега на склоне, и ветровое перемешивание, и постседиментационные процессы).