Сотрудники Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН изучили элементный состав чердачной пыли сельских домов на юге Западной Сибири и выяснили, что она служит надёжным индикатором техногенных и антропогенных загрязнений.
Статья об исследовании опубликована в журнале «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири».
Воздушное царство вещества
Атмосфера Земли наполнена аэрозолями дальнего и сверхдальнего распространения, которые состоят из частиц размером 1—4 мкм. В отличие от морского, воздушный океан непрерывен. «Это царство вещества, невидимого глазом, причём в количествах, обычно незаметных без применения современных приборов», — писал известный российский геолог академик Александр Петрович Лисицын.
Ветер поднимает частички самых верхних слоёв почвы с другими частичками, которые уже выпали на них, и переносит на дальние расстояния. Во время этих скитаний они ещё сильнее измельчаются, фракционируются и перемешиваются. С удалением от источника доля микрочастиц в аэрозолях возрастает, а соотношение химических элементов становится универсальным. В какой-то момент частички решают закончить свое путешествие и оседают с дождём или снегом. Надолго это получается сделать, если конечным местом прибытия становятся донные отложения озёр, торфяники или же чердаки сельских домов, куда десятилетиями не ступала нога человека.
«Мелкодисперсная пыль, которую видно в луче света, постепенно осаждается на чердаках за счёт различных гравитационных процессов. Если нет вентиляции, она может равномерно накапливаться в течение десятков, а иногда и сотен лет. В конечном итоге это дает информацию о составе тех пылевых выносов, которые и поступали за определённый промежуток времени», — рассказывает заведующий лабораторией геохимии радиоактивных элементов и экогеохимии ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Михаил Сергеевич Мельгунов.
На огромных просторах Западной Сибири представлены почти все ландшафтные зоны. Концентрация населенных пунктов и промышленных производств на единицу площади в этом регионе значительно меньше, чем в европейской части России. Конечно, воздух загрязнен и здесь, особенно вблизи крупных городов, горнодобывающих и перерабатывающих производств. Однако обширные территории Западной Сибири позволяют получить геохимические характеристики современного аэрозоля, практически свободного от антропогенного загрязнения.
Геологи на чердаках
Изучать атмосферные аэрозоли и проводить их детальный геохимический и геологический анализ в России (тогда еще — СССР) впервые начал академик Александр Петрович Лисицын из Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН. Доктор геолого-минералогических наук Всеволод Михайлович Гавшин в Институте геологии и минералогии СО РАН исследовал атмосферные выпадения в Сибири. Именно он в конце 1990-х годов организовал проект по изучению чердачной пыли, результаты которого представлены в этой статье.
Исследование чердачной пыли является признанным методом для определения долговременного загрязнения воздуха. Так, в своё время он показал накопление цезия-137 и плутония-239 вблизи полигона ядерных испытаний в Неваде и позволил определить стабильные компоненты загрязнения воздуха твёрдыми частицами в США.
Сотрудники лаборатории геохимии радиоактивных элементов и экогеохимии ИГМ СО РАН решили изучить, какой вклад в формирование геохимического состава чердачной пыли юга Западной Сибири вносят различные факторы: почвенный покров, пожары, техногенная деятельность. Кроме того, исследователей интересовало, как на атмосферных выпадениях этой территории отразились 468 взрывов, произведённых во время испытания ядерных устройств на Семипалатинском полигоне в 1951—1963 годах.
Исследователи рассчитали трансект (поперечный разрез через участок местности) через центральные районы Новосибирской области и Алтайского края и изучали пыль с чердаков сельских домов, расположенных на этом трансекте. Маршрут был проложен перпендикулярно господствующей в то время розе ветров — она тогда имела преимущественно юго-западное направление. Полевые исследования проводились в 1996—1997 годах.
Схема отбора проб чердачной пыли на трансекте: 1 — степь; 2 — лес; 3 — реки и озёра; 4 — точки отбора проб; 5 — ландшафтные зоны
«На каждую деревню уходило минимум пять часов. Мы приезжали, находили старожилов, разговаривали с ними, выясняли, какие улицы когда построены. Нам важно было отобрать чердаки, соответствующие следующим критериям: во-первых, это должны были быть минимально посещаемые чердаки (в некоторых из них мы обнаруживали пятисантиметровые слои пыли). Во-вторых, чердак должен был претерпевать минимум разрушений или вторжений извне. Мы спрашивали у хозяев, когда перекрывали крышу, не текла ли она. В-третьих, нас интересовали слабопроветриваемые чердаки. Чтобы убрать биогенную составляющую, в качестве поверхностей выбирались деревянные покрытия — ровные, без мха, паутины, грибов. С помощью совка, протёртого спиртом, и чистых метёлочек мы собирали лежащую на них пыль», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИГМ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Вера Дмитриевна Страховенко.
Самое сложное было найти подходящие чердаки и договориться с хозяевами. «В основном все относились доброжелательно, помогали, но были и эксцессы. Например, один мужчина, с женой которого мы предварительно договорились, стал кричать: “Не трогайте мою пыль!”, убрал лестницу, по которой мы поднимались, и нам пришлось спрыгивать с крыши. Бывало, что приезжаешь в деревню, а все на сенокосе, и нужно возвращаться туда снова», — говорит Вера Дмитриевна.
Разумеется, собранную таким образом пыль нельзя было изучать послойно, но сам принцип отбора чердаков, в зависимости от продолжительности периода накопления вещества, позволил выделить несколько групп. Первая содержала пыль «доатомного» периода из домов, которые были уже построены в 1914—1940-х годах. Вторая отнесена к «атомным» годам (1945—1962), когда происходило бурное развитие промышленности юга Сибири и Восточного Казахстана, освоение целинных земель и проводились ядерные испытания на Семипалатинском полигоне. Третья группа характеризовала период с 1970-го по 1980 год, а четвёртая — время после 1980 года.
Всего получилось взять 48 проб в 44 точках отбора. Собранный материал анализировался в Аналитическом центре многоэлементных и изотопных исследований СО РАН с помощью атомной абсорбции и нейтронно-активационного анализа — способа определения концентрации элементов в образце за счёт изучения их активированных радиоактивных изотопов. Содержание цезия-137 выявляли методом полупроводниковой гамма-спектрометрии. Полученные результаты сравнивали с данными обследования городской пыли из квартир и научных лабораторий новосибирского Академгородка.
В 2006 году ушёл из жизни Всеволод Михайлович Гавшин, и исследования чердачной пыли так и не были закончены. Продолжили и довели до логического завершения их его коллеги из ИГМ СО РАН Владислав Андреевич Бобров и Борис Леонидович Щербов. Однако обработать и опубликовать полученные результаты получилось только в последние годы.
Фоновая пыль как точка отсчёта
Изучая чердачную пыль, исследователи смогли выделить группу элементов, которая распространена повсеместно. Некоторые из них оказались тесно связаны с антропогенным воздействием. Так, в Новосибирской области в районе Куйбышева фиксировались повышенные содержания кадмия, свинца, меди, цинка, марганца, хрома, никеля, кобальта, стронция, сурьмы и кальция. В Алтайском крае самыми загрязнёнными оказались районы Рубцовска и Колывани — там, помимо предприятий, свой вклад внесли горнодобывающие производства. В пыли из некоторых квартир Академгородка (которые исследовались для сравнения) содержание кадмия было сопоставимо с химическими лабораториями. Возможно, это связано с тем, что при изготовлении ковров использовались в том числе кадмиевые составляющие. Ожидаемо, сельская пыль оказалась значительно более чистой, чем пыль из квартир или производственных помещений.
«Практически все образцы, которые были изучены, показывают повышенный уровень содержания тех или иных элементов, но везде это содержание было ниже предельно допустимых концентраций. Тем не менее мы видим, что происходят определённые процессы, которые могут быть источником неприятных последствий в будущем. И это при том, что Сибирь находится в наиболее благоприятной зоне с небольшим количеством загрязняющих предприятий и промышленных производств. Найденные повышения концентраций требуют дополнительных исследований», — объясняет Михаил Мельгунов.
Изучение радиоактивных элементов позволило исследователям чётко выделить временной интервал, связанный с ядерными испытаниями. Им удалось показать, что цезий-137 выпадал не только непосредственно в период ядерных испытаний, но и в течение 20—30 лет после их окончания. Это связано с тем, что в воздух поднимались верхние горизонты почв, которые в свое время были загрязнены цезием-137, и происходило его вторичное перераспределение.
Кроме того, исследование позволило понять, как повлияли на состав атмосферных выпадений пылевые бури, вызванные происходившим в 1954—1965 годах освоением целинных земель.
«Почвенные частицы удерживаются в земле дерновым слоем от 1 до 12 см. Он корешками растений захватывает их и не даёт выдуваться, а к тому же позволяет сохранять влагу. Когда распахали целину, этот дерновой слой разрушили. Почвенные частицы стали значительно легче подниматься в воздух и образовывать пылевые бури, которые доходили из Казахстана аж до Новосибирска. Я студенткой застала остатки целинных полей. Это был 1981 год, Казахстан. Мы приехали на поле, где взошла пшеница. При нас налетела пылевая буря — и через 15 минут на том месте, где было поле, осталась каменистая глинистая степь. Мы выковыривали пшеницу из одежды, из волос, из ушей. Сейчас целинные земли почти все полностью ушли назад, под овцеводство, но процесс восстановления очень медленный», — рассказывает Вера Страховенко.
Область сноса почвенного покрова юга Западной Сибири не менялась последние два миллиона лет. Элементный состав чердачной пыли этого региона за весь XX век тоже оказался примерно один и тот же. Поэтому, утверждают учёные, полученные результаты можно использовать для определения так называемой фоновой точки.
«Свинец, уран, галлий и другие элементы показывают, что элементный состав пыли за XX век практически не изменился: и 100, и 50 лет назад, и сейчас он практически одинаков. Можно сказать, что мы охарактеризовали средний состав обычной пыли, которая существует у нас на территории Западной Сибири. Если произойдёт антропогенная катастрофа, можно будет использовать ретроспективную оценку: взять эту пыль как фоновую точку для сравнения с новыми данными», — отмечает Вера Страховенко.
Так, когда в 2011 году произошла авария на Фукусиме, сотрудники ИГМ СО РАН взяли пробы снега в новосибирском Академгородке и нашли в нём полный спектр элементов, выброшенных при взрыве. «Это говорит о том, что атмосферные выпадения, так называемый дальний перенос частиц, являются очень хорошим индикатором загрязнений», — комментирует Михаил Мельгунов.
Исследования чердачной пыли можно использовать для экологической оценки наряду с изучением торфяных залежей и донных отложений. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Так, чердачная пыль не позволяет исследовать накопления стратифицировано, но она лучше других методов показывает содержание аэрозольной составляющей. Донные осадки озёр можно смотреть послойно, но какие-то элементы из них могут вымываться, а другие — приходить снизу. В формировании торфяников интенсивно участвуют биота и грунтовые воды — вычленить, где их влияние, а что пришло с атмосферными осадками, очень сложно.
«Сейчас мы не занимаемся новыми исследованиям чердачной пыли. Но у нас есть идея сопоставить полученные результаты с аэрозольной составляющей донных отложений, которые я изучаю сейчас. Для понимания геохимии окружающей среды очень важно знать, как распределяются и перераспределяются элементы в различных системах», — отмечает Вера Страховенко.
Текст: Диана Хомякова.
Источник: «Наука в Сибири».