Z Снег помог ученым оценить качество воздуха

Настройки отображения

Размер шрифта:
Цвета сайта
Изображения

Параметры

Специалисты Института геологии и минералогии СО РАН (ИГМ СО РАН) при участии коллег из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) проанализировали элементный состав твердых осадков снежного покрова в парковых зонах Новосибирска и его окрестностях. Ученые сравнили данные исследований 2005 и 2016 гг. – на левом берегу г. Новосибирска в пределах Бугринской рощи в техногенных аэрозолях резко снизилось содержание некоторых тяжелых металлов, что указывает на улучшение качества городского воздуха и экологической ситуации в целом. Результаты опубликованы в журнале «Интерэкспо Гео-Сибирь», работы проведены при поддержке гранта РФФИ.

Выбросы промышленных предприятий – это один из основных факторов загрязнения окружающей среды. Информацию об экологической ситуации можно получить, изучив городскую растительность, снег и почву, которые аккумулируют в себе техногенные аэрозоли. Кристаллы снега зимой и капли дождя летом, проходя через толщу воздуха, очищают его: они захватывают твердые частицы и газообразные соединения, в то же время крупные и тяжелые частицы оседают и в сухих условиях – под действием силы тяжести. В Сибири устойчивый снежный покров, который формируется с ноября по март, накапливает аэрозольные частицы в течение всего зимнего периода.  

таблетки из осадков для исследования методом РФА СИ 1

 Таблетки для исследования методом РФА СИ

Пробы снега. Таблетки из осадков.  Все источники техногенного загрязнения, будь то промышленное производство или, скажем, автотрасса, имеют свои уникальные геохимические индикаторы выбросов, которые выявляются в процессе анализа проб снега. Точки сбора определяются с учетом розы ветров и места расположения «объекта». На качество проб может повлиять близость автомагистралей, которые тоже имеют свои индикаторы, кроме того, важно, чтобы человек не нарушал целостность снежного покрова. Таким образом, идеальный снег для исследований можно найти только, в буквальном смысле, в чистом поле, вдали от шоссе и жилых кварталов, но, если такой возможности нет, «территориальные особенности» обязательно учитываются в дальнейшем.

«В конце марта мы собрали крупнообъемные (до 200 литров) пробы снега на всю глубину, до поверхности земли. Пробы отстаивались в течение трех дней, затем в ходе фильтрации из них выделялись твердые осадки – частицы техногенных аэрозолей, – рассказывает доктор геолого-минералогических наук, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИГМ СО РАН Светлана Артамонова. – Такие частицы можно изучать по-разному: в данном случае твердые осадки прессовались в специальные таблетки для последующего исследования на экспериментальной станции рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на ускорителе ВЭПП-3 Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» ИЯФ СО РАН. С помощью этого метода определялся как элементный состав в целом, так и степень концентрации отдельных веществ». 

Сферическая аэрозольная частица под электронным микроскопом 1

Сферическая аэрозольная частица

Новосибирск. Индикаторы загрязнения. В городских аэрозолях преобладают полые сферические частицы муллита, состоящего из алюминия и кремния – ученые связывают это со сжиганием угля. По мере удаления от города техногенная нагрузка уменьшается, а в воздухе повышается содержание природных минералов, таких как кварц, плагиоклаз и другие -  это частицы почв, поднятые ветром.

На Левом берегу геохимическими индикаторами долгое время служили, как правило, олово, свинец, медь, мышьяк и хром. В 2016 году в аэрозолях Бугринской рощи содержание элементов-индикаторов (по сравнению с 2005 г.) снизилось в среднем в 2,5 раза: содержание некоторых тяжелых металлов, например, свинца – примерно в 2 раза, хрома и кадмия – в 4 раза.  Это указывает на улучшение качества городского воздуха и, значит, экологической ситуации в целом. По сравнению с 2005 г. в пыли стало гораздо меньше металлсодержащих частиц, только изредка присутствуют микрочастицы оксидов олова. В то же время, на правом берегу Новосибирска появляются другие индикаторы: здесь становится разнообразнее распределение редкоземельных элементов. Например, в аэрозолях правобережья среднее содержание тория составило 11,3 мг/кг, что в среднем на 30 % больше, чем в аэрозолях левобережья.

 Частицы кварца в аэрозолях Новосибирска

Частицы кварца в аэрозолях Новосибирска

Рентгенофлуоресцентный анализ на синхротронном излучении (РФА-СИ). Принцип действия. РФА – это высокочувствительный метод исследования, который применяется в различных областях науки и промышленности, и включает в себя сбор и последующий анализ спектра, возникающего при облучении материала рентгеновским излучением. Он позволяет с высокой точностью определить элементный состав и обнаружить даже очень незначительные концентрации вещества, и кроме того, не разрушает и не деформирует объекты исследования. Под воздействием излучения атомы возбуждаются и испускают кванты энергии (строго определенное значение для каждого элемента), которые регистрируются специальным детектором. Проанализировав шкалу энергии, с одной стороны, и интенсивность пиков спектра (зависит от количества квантов)  с другой, можно сделать вывод о составе исследуемого образца.

В качестве источника рентгеновских квантов можно использовать рентгеновские трубки или радиоактивные изотопы. Однако в этих исследованиях более предпочтительно использовать синхротронное излучение (СИ), которое генерирует ускоритель. «СИ имеет ряд преимуществ, – рассказывает кандидат физико-математических наук, ученый секретарь ИЯФ СО РАН Яков Ракшун. – Для сравнения: на традиционных источниках предел обнаружения (минимальная концентрация вещества, которую можно определить в ходе анализа) – 10-5, а для синхротрона – до 10-9. Кроме того, благодаря широким возможностям фокусирвки, область анализа сравнительно легко можно уменьшить до нескольких микрон. Высокая интенсивность СИ существенно сокращает время набора экспериментальной статистики, а значит, и время исследования каждого образца (от 2-3 и до 20 минут в зависимости от размера и сложности состава), широкий спектр излучения позволяет вести панорамное исследование большего числа элементов. И наконец, синхротронное излучение дает возможность провести комплексное исследование материалов с использованием не только РФА, но и, например, рентгеноструктурного и других методов спектрального анализа».