Частицы микропластика, присутствующие повсюду на планете, могут затруднить оценку роли чёрного углерода в таянии снега и его вклада в радиационный баланс Земли.

Частицы чёрного углерода, образующиеся при сжигании бензина, дизельного топлива, угля и других органических веществ, оказались вторым по величине фактором потепления климата после углекислого газа (CO2) в промышленную эпоху [Myhre et al., 2013]. Столь значительный вклад чёрного углерода в это потепление объясняется тем фактом, что он способствует таянию снега и льда и, таким образом, потемнению поверхности Земли, уменьшая количество отражаемого и увеличивая количество поглощаемого солнечного света.

Эти процессы были тщательно изучены, однако измерения концентрации частиц чёрного углерода в снегу, проведённые в прошлом, и оценки их воздействия на таяние могут быть неточными. На сегодняшний день в большинстве исследований упускается из виду главный и потенциально осложняющий ситуацию фактор: микропластики. Здесь рассматриваются возможные последствия этой проблемы и предлагаются рекомендации, способствующие более точной оценке воздействия как чёрного углерода, так и микропластика на снег и климат.

Огромное количество неучтённых микропластиков

Микропластики (МП) представляют собой крошечные пластиковые частицы, волокна или фрагменты размером менее 5 миллиметров в диаметре, и они повсюду. Они были вовлечены в ряд экологических эффектов, включая биоаккумуляцию в рыбе, а также в крови и фекалиях человека. Эти частицы достигли наименее населённых районов Земли, включая Высокие Альпы, Арктику [Bergmann et al., 2019] и даже Антарктиду [Kelly et al., 2020] - фактически, куда бы учёные ни посмотрели, они находят микропластичные частицы. МП и чёрный углерод осаждаются вместе на снег с 1950-х годов, когда стали широко использоваться пластмассы и нефтепродукты.

Сегодня масса частиц МП в окружающей среде, скорее всего, больше, чем масса частиц чёрного углерода. Dubaish и Liebezeit [2013] обнаружили в пять раз больше частиц MП, чем видимых частиц чёрного углерода, при их подсчёте на предметном стекле в пробах воды из залива Джейд на северо-западном побережье Германии. На сегодняшний день это единственное исследование, в котором сообщалось об одновременных измерениях частиц MП и чёрного углерода, и оно не рассматривало сосуществование этих частиц в снегу.

Ветер может поднимать частицы МП над землёй и переносить их на поверхность снега [Evangeliou et al., 2020], где, как показали расчёты, они могут оставаться в течение сотен лет, прежде чем полностью разложатся. Сейчас считается, что частицы МП распространились по всем доступным для людей уголкам Земли [Brahney et al., 2020; Pabortsava and Lampitt, 2020]. Таким образом, когда в ходе полевых исследований учёные отбирают снег для лабораторных измерений чёрного углерода, они неизбежно одновременно разливают в бутылки или упаковывают МП - и оба типа частиц могут быть подсчитаны вместе во время измерения и анализа.

В очень немногих исследованиях чёрного углерода в снегу пытались выделить МП до проведения инструментальных измерений. Такое долгосрочное пренебрежение МП в снегу в прошлых исследованиях могло привести к завышенным оценкам содержания чёрного углерода в снегу и его воздействия на ледники, снежный покров, ледяные щиты и климат. К сожалению, оценки изменения климата до сих пор также не включали роль МП в снегу.

С инструментами всё по-прежнему ...

Риск, если не отделить МП от чёрного углерода до проведения лабораторных измерений, состоит в том, что эффекты двух типов частиц могут быть смешаны, что ухудшит понимание истинного воздействия каждого из них на снег и климат. Почему? МП и чёрный углерод могут быть неотличимы по результатам термооптических и пиролизных лабораторных испытаний.

Наиболее часто используемые пластики включают полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид, а также меньшее количество других пластиков. Эксперименты по сжиганию показывают, что пластмассы воспламеняются и горят в кислороде при температурах от 500°C до 1000°C. Поскольку основными элементами, из которых состоят пластмассы, являются углерод (примерно 85%), водород (примерно 14%) и кислород (менее 1%), при полном сгорании этих пластмасс выделяются CO2 и H2O [Zevenhoven et al., 1997]. Частицы чёрного углерода, состоящие в основном из углерода, окисляются на воздухе при температуре от 500°C до 700°C и образуют CO2, если сгорание идет до конца [Andreae and Gelencsér, 2006]. Перекрытие диапазонов температур окисления чёрного углерода и МП означает, что связанные с пиролизом методы могут давать результаты, в которых сигнал чёрного углерода в образце загрязнён МП.

Аналогичным образом, методы оптического поглощения, такие как эталометрия (поглощение света аэрозольными частицами, собранными на фильтрах) и индуцированное лазером накаливание (поглощение света распыляемыми образцами), также могут объединять сигналы от МП и чёрного углерода. Многие типы МП являются ярко окрашенными или чёрными и поглощают свет в видимой и ближней инфракрасной областях спектра [Alexander et al., 2008], как и частицы чёрного углерода.
До недавнего времени светопоглощающие составляющие в образцах снега, измеренные с помощью вышеуказанных методов, неявно предполагались как чёрный углерод, органический углерод или пыль, в то время как вероятное сосуществование МП не принималось во внимание.

Но окружающая среда знает разницу

Почти все «прозрачные» пластмассы почти прозрачны в УФ-видимом диапазоне длин волн [Ishaq, 2019]. Эти пластмассы, нанесённые на снег, не нарушают баланс солнечной радиации. Однако большинство пластиковых изделий окрашены, что приводит к поглощению ими света. Например, красный пластик поглощает зеленый свет, синий пластик - жёлтый, а чёрный пластик поглощает в широком диапазоне длин волн. Кроме того, по мере погодных условий и разрушения, отчасти из-за поглощения солнечного света, МП могут превращаться из прозрачных в полупрозрачные. Процессы разрыва, царапин и старения заставляют частицы МП поглощать больше света.

Более интенсивное поглощение света МП может исказить оценки воздействия чёрного углерода на альбедо снега (долю солнечного света, отражаемую снегом) и, следовательно, на его вклад в расчёты радиационного баланса двумя способами. Во-первых, частицы МП могут быть ответственны за часть снижения альбедо снега, приписываемого текущими лабораторными тестами полностью чёрному углероду. Другой способ заключается в том, что измеренные количества эквивалентного чёрного углерода (значение, определяемое с использованием массового коэффициента поглощения, который может включать в себя вещества, отличные от чёрного углерода) могут завышать фактическое количество чёрного углерода, если его эквивалентные количества включают значительный вклад от МП.

Хотя естественная температура окружающей среды никогда не становится достаточно высокой, чтобы преобразовать частицы чёрного углерода и МП в СО2 (за исключением, возможно, зоны, близкой к активным лесным пожарам или вулканам), лабораторные анализы с использованием методов пиролиза - другое дело. В таких анализах как чёрный углерод, так и МП окисляются до СО2, и измерения отражают вклад обоих видов. Таким образом, расчеты чёрного углерода, термически преобразованного в СО2 в приборах, могут быть завышены из-за непризнанных вкладов МП в текущие анализы приборов.

Инструмент для измерения чёрного углерода и МП на снегу

Принимая во внимание потенциально значительные сложности, которые МП создают для понимания воздействия чёрного углерода на таяние снега и климат, становится ясно, что срочно необходимы исследования для определения степени - или её отсутствия - в которой учёные могут различать эти частицы, используя различные аналитические методы. Также очень важно количественно определить совместное присутствие МП и чёрного углерода в пробах снега, собранных для лабораторных измерений. До сих пор не применялись методы для разделения этих частиц перед инструментальным анализом в снегу или льду. Поэтому предлагается следующий простой способ предварительной обработки для разделения МП и чёрного углерода в образцах снега перед тестированием:

• При отборе проб в полевых условиях используйте стеклянные бутылки вместо пластиковых, чтобы избежать загрязнения пластиком из бутылок для отбора проб.
• Отфильтруйте пробы талого снега через фильтры с порами микрометрового размера для удаления относительно крупных частиц МП.
• Центрифугируйте образцы для отделения более мелких частиц MP. (Плотность частиц чёрного углерода превышает 1,8 грамма на кубический сантиметр, тогда как у большинства пластиков плотность менее 1,4 грамма на кубический сантиметр.)

В свете потенциального искажения из-за присутствия МП также предлагается пересмотреть предыдущие измерения чёрного углерода в снегу и провести совместную оценку радиационного воздействия чёрного углерода и МП в снегу. Такая переоценка может помочь в выявлении истинных источников загрязнения частицами и таяния снега и повысить эффективность восстановительных работ.

Цитируемая литература:

Alexander, D. L. T., P. A. Crozier, and J. R. Anderson (2008), Brown carbon spheres in East Asian outflow and their optical properties, Science, 321(5890), 833–836, https://doi.org/10.1126/science.1155296.
Andreae, M. O., and A. Gelencsér (2006), Black carbon or brown carbon? The nature of light-absorbing carbonaceous aerosols, Atmos. Chem. Phys., 6, 3,419–3,463, https://doi.org/10.5194/acp-6-3131-2006.
Bergmann, M., et al. (2019), White and wonderful? Microplastics prevail in snow from the Alps to the Arctic, Sci. Adv., 5(8), eaax1157, https://doi.org/10.1126/sciadv.aax1157.
Brahney, J., et al. (2020), Plastic rain in protected areas of the United States, Science, 368(6496), 1,257–1,260, https://doi.org/10.1126/science.aaz5819.
Dubaish, F., and G. Liebezeit (2013), Suspended microplastics and black carbon particles in the Jade system, southern North Sea, Water Air Soil Pollut., 224(2), 1352, https://doi.org/10.1007/s11270-012-1352-9.
Evangeliou, N., et al. (2020), Atmospheric transport is a major pathway of microplastics to remote regions, Nat. Commun., 11(1), 3381, https://doi.org/10.1038/s41467-020-17201-9.
Ishaq, M. U. (2019), On optical properties of transparent micro-and nanoplastics, MS thesis, 40 pp., Dep. of Phys. and Math., Univ. of East. Finland, Joensuu, https://urn.fi/urn:nbn:fi:uef-20190313.
Kelly, A., et al. (2020), Microplastic contamination in east Antarctic sea ice, Mar. Pollut. Bull., 154, 111130, https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2020.111130.
Myhre, G., et al. (2013), Anthropogenic and natural radiative forcing, in Climate Change 2013: The Physical Science Basis—Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, pp. 659–740, Cambridge Univ. Press, Cambridge, U.K.
Pabortsava, K., and R. S. Lampitt (2020), High concentrations of plastic hidden beneath the surface of the Atlantic Ocean, Nat. Commun., 11(1), 4073, https://doi.org/10.1038/s41467-020-17932-9.
Zevenhoven, R., et al. (1997), Combustion and gasification properties of plastics particles, J. Air Waste Manage. Assoc., 47(8), 861–870, https://doi.org/10.1080/10473289.1997.10464461.

Ссылка: https://eos.org/opinions/microplastics-hidden-contribution-to-snow-melting