Атмосферные аэрозоли в оценке экологического состояния окружающей среды. 
Методика и методы исследования

Неотъемлемой частью атмосферы являются аэрозольные частицы, которые играют решающую роль во многих атмосферных процессах (облакои осадкообразование, радиационный теплообмен, видимость). Они существенно влияют на качество окружающей среды, климат, химию и физику атмосферы (Кабанов, Панченко, 1984; Аэрозоли…, 2006 и др.). Поэтому в последние годы внимание к изучению атмосферных аэрозолей неуклонно растет.

Как показывает анализ литературных данных, универсального определения понятия «атмосферная пыль» не существует. Та или иная классификация частиц пыли по видам и величине отражает специфику лишь отдельных отраслей знаний. В метеорологии под пылью понимают, прежде всего, частицы, которые могут витать в воздухе, но по размерам (>1(Г⁵ см) достаточно велики для того, чтобы вызывать существенное отклонение от закона Рэлея. В почвоведении частицы почвы самой различной величины принято рассматривать по их размерам. В целом, пылями называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами независимо от их дисперсности (спектра размеров частиц) (Фстт, 1961; Юнге, 1965; Грин, Лейн, 1972; Пришивалко, Астафьева, 1989; Экология…, 1994, и др.).

В работах экологического и санитарно-гигиенического характера под понятием «пыль», как правило, подразумевается ее весовая или относительная концентрация, выделенная из того или иного субстрата (воздух, осадки и др.) (Воробьева и др., 1992; Экология…, 1994).

По источнику образования атмосферные пылевые частицы разделяются на две большие группы: естественные (космические, герригенные, вулканические, пыль пожарищ, пыль морского происхождения, некоторые виды органической земной пыли) и антропогенные (техногенные) (сжигание жидкого и твердого топлива, пыль связанная с производственными процессами и др.) (Грин, Лейн, 1972; Пришивалко, Астафьева, 1989; Аэрозоли…, 2006, и др.).

В последнее время в мониторинге загрязнения окружающей среды широко используются природные планшеты-накопители аэрозолей. В этом смысле снеговой покров как естественный планшет-накопитель дает действительную величину сухих и влажных атмосферных выпадений в холодный сезон. В холодный период года в местах сплошного развития снегового покрова, когда исключается перенос частиц почвы на его поверхность, вещественный и химический состав твердого осадка становится функцией атмосферных выпадений (Василенко и др., 1985; Аэрозоли…, 1993).

Изучение химического и вещественного состава нерастворимого (твёрдого) осадка снежного покрова (или твёрдофазных выделений снегового покрова) позволяет выявить пространственные ореолы загрязнения и количественно рассчитать реальное загрязнение ландшафта в течение периода с устойчивым снежным покровом.

В целом, как показал обзор литературных данных, пристальное внимание ученых и большое количество публикуемых экспериментальных данных по изучению атмосферных аэрозолей обусловлено тем, что роль аэрозолей в атмосферных процессах очень велика, и они могут оказывать воздействие на качество окружающей среды. Кроме этого, воздух является основным продуктом обмена организма с внешней средой, и каждый человек находится под непосредственным влиянием окружающей аэрозольной атмосферы.

Методика и методы исследования. Атмогеохимический метод исследований предназначается для изучения пылевой нагрузки, содержания химических элементов и особенностей вещественного состава пылсаэрозольных выпадений в районе исследования.

Изучение пылсаэрозолсй осуществляется путем отбора проб снега. Все работы по отбору и подготовке снеговых проб выполняются с учетом методических рекомендаций, приводимых в работах В. Н. Василенко и др. (Василенко и др., 1995), И. М. Назарова и др. (Назаров и др., 1978), методических рекомендаций ИМГРЭ (Методические…, 1982) и с учетом руководства по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186 № 2932−83). Кроме того, исследования также проводят на основе многолетнего практического опыта эколого-геохимических исследований на территории Западной Сибири (Язиков, Рихванов, 1996; Шатилов, 2001; Язиков, 2006, и др.).

Пробы отбираются из шурфов на всю мощность снежного покрова, за исключением пятисантиметрового слоя над почвой, для избежания загрязнения проб литогенной составляющей во время формирования снегового покрова (Методические…, 1982). При опробовании снегового покрова на всю его мощность результаты особенно представительны, поскольку исключают вариации (флуктуации направления ветра, непостоянство выбросов) и даюг средневзвешенную величину загрязнения, усредненную естественным путем за продолжительный период времени — с момента снсгостава до момента отбора (Экология…, 1994). При отборе проб снега замеряется площадь и глубина шурфа, а также фиксируется время (в сутках) от начала снегостава. Вес пробы — 10… 15 кг. Пробы снега отбирают в полиэтиленовые пакеты объемом 50 л и завязывают веревкой с биркой, на которой указан номер пробы. Отобранные пробы снега регистрируются в журнале с указанием порядкового номера, места отбора, даты отбора, площади и глубины шурфа.

Отбор снега предполагает раздельный анализ снеговой воды и твердого осадка, который состоит из атмосферной пыли, осажденной на поверхность снегового покрова (рис. 2.1.1).

Объектом исследования является твёрдый осадок снега. Пробоподготовку начинают с таяния снега при комнатной температуре, а затем проводят следующие операции: фильтрацию, высушивание, просеивание и взвешивание. В процессе фильтрования снеготалой воды получают твёрдый осадок на беззольном фильтре типа «синяя» лента, который затем просушивают при комнатной температуре, просеивают до фракции менее 1 мм и взвешивают. Разница в массе фильтра до и после фильтрования характеризует массу пыли в пробе. Основные выводы по количественной оценке загрязняющих веществ в твёрдом осадке снега делают на основе анализов фракции менее 1 мм.

Магнитную сепарацию проб твёрдого осадка снега осуществляют с помощью многополюсного магнита системы А. Я. Сочнсва. После отделения магнитной фракции в пробе остаются еще частицы, обладающие слабо выраженными магнитными свойствами. Электромагнитную сепарацию производят с помощью электромагнита, работающего на постоянном токе.

Рис. 2.1.1. Схема обработки и изучения снеговых проб

Для изучения вещественного состава твёрдого осадка снега применяли современные минералогические методы исследования (электронная микроскопия, локальный спектральный анализ с лазерным отбором проб, шлиховой, рентгеноструктурный, термический анализы, импульсная катодная люминесценция) в аналитических лабораториях гг. Москвы, Санкт-Петербурга, Томска, Новосибирска, Карлсруэ (Германия).

Большая часть исследований вещественного состава проб была выполнена в лабораториях МИНОЦ «Урановая геология» при кафедре геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета.

Определение вещественного состава валовой пробы с последующим установлением процентного соотношения всех природных и техногенных составляющих проводится методом сравнения с эталонными палетками согласно запатентованной разработке (Патент № 2 229 737, авторы Е. Г. Язиков, А. Ю. Шатилов, А.В. Таловская). По установленному процентному соотношению техногенных компонентов в пробах проводят построение изолиний и выделяют загрязненные участки территорий с определением источника их поступления.

Микроскопическое изучение проб проводят с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа (МБС-9 или Leica ZN 4D). Детальное изучение микрочастиц позволяет дать характеристику частиц с определением цвета, блеска, твердости, прозрачности, формы и размеров частиц, характера поверхности, степени окатанности и окисленное™.

В пробах определяют процентное содержание всех типов природных минеральных, биогенных и техногенных частиц методом сравнения с эталонными кружками палетки С. А. Вахромеева (Вахромеев, 1956) таким образом, чтобы содержание всех частиц в сумме составляло 100% (рис. 2.1.2).

Сущность этого метода заключается в сравнении видимого под микроскопом количества частиц в пробе в каком-либо поле зрения с эталонными кружками, на черном фоне которых имеется определенное количество белых фигурок. Путем сравнения нетрудно найти ближайший по содержанию эталон и таким путем установить процентное содержание каждого типа частиц в пробе.

Рис. 2.1.2. Иллюстрации к сравнительному методу определения (по С.А. Вахромееву).