Количество осадков в прошлом оставляет удивительный след в загрязнении воздуха

Фото из открытых источников

Прогнозирование уровня загрязнения воздуха долгое время в значительной степени основывалось на отслеживании направления ветра — проходила ли воздушная масса над промышленными районами или над относительно чистыми территориями.

Новые исследования показывают, что картина неполна. Оказывается, количество выпавших осадков на этом пути так же важно, как и географическое происхождение, при определении количества загрязняющих веществ, переносимых воздушной массой. Результаты исследования опубликованы в журнале Earth and Space Science.

Полученные данные предоставляют метеорологам новый физический ориентир для улучшения моделирования загрязнения. Они также проливают свет на то, как загрязняющие вещества накапливаются в горных районах и попадают в расположенные ниже водоемы.

Исследование проводилось учеными из инженерного факультета Мичиганского университета в сотрудничестве с учеными из Аппалачского горного клуба и Плимутского государственного университета.

Ведущий автор исследования Лорен Ричардс из Мичиганского университета проанализировала образцы облаков и дождевой воды, собранные в течение 19 летних сезонов на вершине горы Вашингтон в Нью-Гэмпшире.

Большинство исследований загрязнения воздуха основаны на компьютерном моделировании для оценки перемещения загрязняющих веществ в сложной местности. Физические образцы — настоящая вода, собранная из облаков и дождя, — встречаются редко, и содержащиеся в них данные невозможно полностью воспроизвести с помощью какой-либо модели.

Клуб любителей горных походов Аппалачей непрерывно собирал образцы в хижине «Озера Облаков» с 1996 по 2014 год. Для сбора облачной воды использовалась система из тефлоновых нитей на поворотном механизме, вращающаяся под действием ветра. Когда облака проходят сквозь них, вода конденсируется на нитях и капает в сборный сосуд.

Команда создала долговременную базу данных, содержащую прямые химические маркеры как загрязнения, так и истории выпадения осадков.

«Наличие этих физических образцов, позволяющих напрямую узнать, откуда взялся воздух и какие загрязняющие вещества он содержал, является ценным элементом научной головоломки», — сказала соавтор исследования профессор Адриана Бейли из Мичиганского университета.

«Наша цель при мониторинге химического состава облаков и дождевой воды в горах заключалась в том, чтобы понять причины кислотных осадков на больших высотах», — добавила Джорджия Мюррей, старший научный сотрудник Аппалачского горного клуба. «Это позволило нам обмениваться данными с федеральными органами, управляющими земельными ресурсами, и информировать общественность о причинах кислотных дождей, а также о способах их устранения».

Для измерения уровня загрязнения команда использовала сульфатные ионы в качестве основного маркера – стандартный показатель в исследованиях качества воздуха, который наиболее четко проявлялся в образцах.

Чтобы измерить количество осадков, выпавших до того, как воздушная масса достигла Нью-Гэмпшира, исследователи изучали соотношение тяжелых и легких молекул воды.

Облака, которые принесли много дождя на своем пути, несут меньшую долю тяжелой воды — молекул с дополнительными нейтронами — чем облака, которые оставались относительно сухими.

Это соотношение служит своего рода показателем количества осадков, позволяя ученым определить, сколько осадков воздушная масса уже выпала до достижения вершины.

Прежде чем приступить к анализу, команде сначала пришлось перебрать архивные образцы, хранившиеся на протяжении десятилетий, удалив все образцы, на которых были обнаружены признаки испарения.

В итоге сохранилась редкая долговременная химическая летопись, содержащая достаточно подробные данные для количественной проверки гипотезы о влиянии осадков.

Результаты были очевидны. Используя трехдневные модели ветра от NOAA в сочетании с образцами, взятыми на горе Вашингтон, команда проверила, насколько хорошо различные переменные предсказывают уровни загрязнения.

Географическое происхождение — то есть, из какого из пяти основных регионов дул ветер — объясняет около 40 процентов вариаций концентрации сульфатов.

Если учесть историю выпадения осадков, точность прогнозирования подскочила до 55,6 процента.

«Мы обнаружили, что осадки играют столь же важную роль, как и источник воздушной массы, в определении концентрации загрязняющих веществ», — говорит Ричардс. «Мы ожидали, что осадки повлияют на загрязнение окружающей среды, но увидеть это количественно оказалось действительно интересно».

Этот скачок с 40 до 55 процентов может показаться скромным, но в мире моделирования атмосферы он представляет собой существенное улучшение и физический механизм, на основе которого теперь можно строить симуляции.

Последствия выходят за пределы самой горы. Загрязнения, оседающие на высоких вершинах в виде дождя и облачной воды, не остаются там. Загрязнение попадает в реки и ручьи, перенося загрязняющие вещества в горные экосистемы и, в конечном итоге, в низинные водоемы.

С тех пор Аппалачский горный клуб расширил свою деятельность по мониторингу, включив в нее отбор проб речной воды наряду со сбором данных о облачности и осадках.

Команда занимается созданием более полной картины того, как региональное загрязнение распространяется в этих чувствительных экосистемах.

Гора Вашингтон — экстремальное место: с точки зрения погоды, расположения на обрыве и длительности собираемой информации. Именно эта экстремальность и делает её полезной.  Узоры, которые в других местах могли бы быть едва заметны, отчетливо проявляются на вершине, и, похоже, здесь следует усвоить, что дождь, который облако проливает по пути, формирует то, что оно несет, в той же степени, что и место своего происхождения.