hranice ve vědě o Zemi

Úvod

Charles Darwin popsal fenomén, kterého si všiml na plachetnici Beagle, že paluba a veškeré vybavení byly v devatenáctém století pokryty jemným prachem. Také moře bylo pokryto tenkou vrstvou prachu, pokud byl pohled viditelný. Stalo se tak, když se plavil na Atlantické pobřeží západní Afriky ve své slavné expedici (Darwin, 1845)., Dnes je známým fenoménem dálkového transportu prachu a mnoha vedlejších účinků, které mají velký dopad na životní prostředí. Vzdušné částice, v závislosti na jejich aerodynamickém poloměru, mohou být přepravovány z několika set až deseti tisíc kilometrů (Prospero, 1999; Husar, 2004). Tento Minerální prach většinou pochází z přírodních zdrojů, zatímco antropogenní účinek je mnohem menší (Mahowald et al., 2004; Tegen et al., 2004a, b)., V posledních letech, stále větší pozornost byla věnována tomuto jevu, protože bylo prokázáno, že částice ve vzduchu, které přispívají k prachu mají zásadní vliv na atmosférické a meteorologické jevy prostřednictvím absorpce a rozptyl slunečního záření, a představuje nukleační centra, což vede k tvorbě mraků, deště a ledu (Sokolik a Toon, 1999; Arimoto, 2001), při prezentaci chemické reakce centra pro plynné sloučeniny změnou mechanismů chemických reakcí v atmosféře (Andreae a Rosenfeld, 2008)., Je také třeba zmínit významný degradace půdy od zdrojů prachu, zatímco usazování prachu vede ke zvýšení živin v půdě, a proto nárůst plodnosti z těchto oblastí (Swap et al., 1992). Transport prachu dlouhého doletu ovlivňuje do značné míry zvířata i lidi a může přenášet různé patogeny, což má za následek přímé ohrožení zdraví (Kellogg and Griffin, 2006). Prachové částice s aerodynamickým průměrem menším než 2.,5 µm, které většinou obsahují dálkové dopravy, přímo ovlivňují lidské zdraví a zdraví zvířat, protože oni hladce pronikají do plic a citlivé alveolární systému, což způsobuje různé zánětlivé procesy, astma a obstrukční plicní nemoci (Prospero et al., 2008; De Longueville et al., 2010). Přestože je tento jev přepravy prachu na dlouhé vzdálenosti obecně přítomen, je třeba zdůraznit, že severní Afrika, přesněji Sahara, je největším zdrojem minerálního prachu s přibližně 0, 8 × 109 tunami ročně, což přispívá k 20-70% globálního minerálního prachu (Laurent et al., 2008)., V oblasti Sahary vedou vzdušné proudy k hromadění prachu, které se pak přepravují do Středozemního moře (Rodríguez et al., 2003; Querol et al., 2004) a dále na sever do arktických oblastí nebo na západ do Atlantiku a tam dálkovou dopravou po celém oceánu na pobřeží Ameriky.

chemické složení a komplexní index lomu, chemická a mineralogická analýza částic vzdušného prachu a distribuce velikosti saharského prachu jsou dobře zkoumány (Kandler et al., 2007, 2009, 2011; Scheuvens et al.,, 2011, 2013) a obsah četných minerálních druhů (Illit, Albit, křemen, kalcit, Dolomit, Halit, hematit atd.), stejně jako koncentrace a poměr kationtových a aniontových druhů, které představují „otisk prstu“ saharského prachu (Rodríguez et al., 2003; Querol et al., 2004). Stejný koncept se také používá k určení existence dálkových transportů z jiných oblastí (mořský aerosol, velká města, průmyslové oblasti atd.), které mohou doplňovat komplexní obraz přenosu a dopad prachu, ať už přírodního nebo antropogenního.,

Island je největší poušť v Evropě a Arktidě s odhadovaným ukládáním prachu 31-40 mil tun ročně(Arnalds et al ., 2014). To může představovat asi 7% celkových globálních emisí prachu a až 21% emisí saharského prachu. Odhaduje se, že asi 3% islandského prachu dosáhne Evropy (Groot Zwaaftink et al., 2017). Frekvence událostí prachu na Islandu je v průměru 34-135 dní prachu ročně (Dagsson-Waldhauserova et al., 2014a). Islandský prach se však liší od krustálního prachu, jako je Sahara., To je sopečný prach, tmavé barvy, s >75% sopečného skla s vysokým podílem FeO, Al2O3 a TiO2 (Dagsson-Waldhauserova et al., 2014b; Arnalds et al., 2016). Identifikace islandských prachových částic transportovaných do Evropy, s výjimkou sopečných erupcí, je však řídká (Ovadnevaite et al., 2009).

různé přístupy byly použity k identifikaci a charakterizaci zdrojových oblastí vzdušných hmot., Zpětné trajektorie jsou nejčastěji vypočtena typ, HYSPLIT je nejvíce široce použitý model a částic je druh znečišťující látky nejčastěji zkoumány (Pérez et al., 2015). Přesnost modelů trajektorie závisí na zdroji dat z Větrného pole, Rozlišení dostupných meteorologických polí, typu trajektorie atd. (Fleming et al., 2012). Zpětné trajektorie se obvykle odhadují z archivovaných údajů o větrném poli a tlaku a představují přibližnou trojrozměrnou průtokovou cestu vzduchového balíku., Model HYSPLIT byl použit pro výpočet dopravy, míchání, chemické transformace a ukládání znečišťujících látek a nebezpečných materiálů (Stein et al., 2015). Byl rozsáhle aplikován na výzkum havárie ve Fukušimě a erupce sopky Eyjafjallajökull, stejně jako několik celosvětových výzkumů regionální a místní dopravy prachu a znečištění ovzduší (např. McGowan a Clark, 2008; Wang et al., 2010; Cristofanelli et al., 2011; Liu et al., 2013; Draxler et al., 2015; Leelõssy et al., 2017)., Hysplit zpětné trajektorie byly často používány také při přepravě prachu na dlouhé vzdálenosti a vniknutí saharského prachu (Hamonou et al., 1999; Varga et al., 2013, 2014).

hlavním důvodem, proč je model HYSPLIT široce používán, je volně dostupný a velmi snadno použitelný (Pérez et al., 2015). Model HYSPLIT je přístupný prostřednictvím webových environmentálních aplikací v reálném čase a zobrazovacího systému (READY) vyvinutého laboratoří NOAA Air Resources Laboratory (ARL) (Draxler et al., 2013).,

v této práci hodláme použít charakteristické poměry prvků jako otisky prstů pro identifikaci islandských částic sopečného prachu ve středním Balkánu. Kromě toho se diskutuje o dálkovém transportu atmosférických aerosolů vstupujících do atmosféry suspenzí materiálu crustal element z povrchové půdy a pouští na Islandu. Velké množství vzorků aerosolů v příměstské oblasti středního Balkánu a povrchové půdě oblasti Rangárvellir na Islandu a jejich provedené analýzy jsou cenným unikátním souborem dat.,

Materiály a Metody

Odběr

Atmosférické aerosoly byly měřeny v příměstské oblasti (Obrázek 1) Bělehrad (φ= 44°48′; λ= 20°28′; 240 m převýšení) 48 h kumulativní vzorky každých 6 dní, začíná v 8 hodin ráno Nízkého tlaku cascade těles Prof. Dr. Berner s vakuové čerpadlo s průtokem 25 l min–1 byl použit pro odběr vzorků (Berner, 1972; Wang a John, 1988). Velikost oddělené aerosoly byly shromážděny na tedlar fólií s následujícími fázemi: PM0. 27-0.53, PM0.53-1.06, PM1.06-2.09, PM2.09-4.11, PM4.11-8.11, a PM8.11-16., Vzorky a polotovary byly uchovávány v Petri kelímcích v mrazáku (-20 ° C) až do zpracování.

vzorky povrchové půdy byly shromážděny v oblasti Rangárvellir na jižním Islandu (63° N; 20 ° E; 50 m Nadmořská výška) v blízkosti Mt Hekla, nejaktivnější islandské sopky a při vysokých erozních procesech (Thorarinsdottir a Arnalds, 2012). Půda z této oblasti se skládá z různých materiálů pocházejících z okolních sopek a lávy.,

denní kompozitní prostředky geopotenciálních výšek a rychlosti větru na specifických isobarických úrovních byly získány z národních center pro environmentální predikci/Národní centrum pro atmosférický výzkum (NCEP/NCAR) reanalýza datové sady pro studijní období (2012-2013).

analytický postup

vzorky atmosférických aerosolů byly gravimetricky měřeny v systému rukavic s řízenou dusíkovou atmosférou (teplota 20 ± 5 °C a vlhkost 45 ± 5%)., Na rozklad vybraných aerosolů byly provedeny pomocí Pokročilých Mikrovlnná trouba Trávicí Systém (ETHOS 1, Milestone, Itálie) s HPR-1000/10S vysoký tlak segmentované rotoru a tlaku odolné PTFE plavidel. Vzorky byly přeneseny do nádob PTFE pomocí HNO3 (62%, UltraPure, Merck), H2O2 (30%, Sigma-Aldrich) a HF (UltraPure, Merck) a poté zahřívány mikrovlnnou energií po dobu 50 minut., Obsah prvků v roztoku vzorků atmosférických aerosolů byla určena induktivně vázanou plazmou hmotnostní spektrometrie (ICP-MS), pomocí Thermo Fisher Scientific iCAP Qc ICP-MS (Brémy, Německo) s použitím EPA Metoda Standardní, Nízké Úrovni Prvků Kalibrace Skladem (10 mg L–1) prvků. Každý desátý vzorek byl prázdný, shromažďovány pomocí stejného postupu jako pro aerosolové vzorky, ale bez použití čerpadla čerpat vzduch přes filtr (Karanasiou et al., 2007; Đuričić-Milanković et al., 2018).,

pro stanovení koncentrací prvků v extraktech půdy z Islandu byla použita indukčně vázaná plazma iCAP-6500 Duo (Thermo Scientific, Velká Británie) s atomovým emisním spektrometrem. Laboratorní metody zajištění kvality a kontroly kvality byly použity při stanovení koncentrací prvků, včetně standardních provozních postupů, kalibrace se standardy a analýzy obou, polotovarů a replikátů činidel. Koncentrace prvků jsou hlášeny v mg kg-1 na suché hmotnosti půdy (Sakan et al., 2016).,

model Hysplit zpětných trajektorií

model HYSPLIT je kompletní systém pro výpočet trajektorií komplexní disperze a depoziční simulace pomocí buď puff nebo částic přístupy (Draxler a Hess, 1998). HYSPLIT je i nadále jedním z nejrozšířenějších atmosférických dopravních a disperzních modelů v komunitě atmosférických věd (Stein et al., 2015). Model HYSPLIT je široce používán pro generování zpětných trajektorií v daných výchozích místech(např., 2010; Freitag et al., 2014; Pérez et al., 2015; Su et al., 2015).,

čtyřdenní zpětné trajektorie byly vypočítány tak, aby sledovaly historii vzduchu pomocí modelu HYSPLIT. Pohyb částic je definován jako superpozice deterministického pojmu po větru (advekce) a stochastického turbulentního pohybu (Draxler a Hess, 1998). Deterministický termín je interpolován na každou polohu částic z Větrného pole poskytovaného vstupním numerickým prognostickým (NWP) modelem. Vstupní meteorologická data se získávají z analýzy dat globálního systému asimilace dat (GDAS)., GDAS je provozně provozován 4krát denně (v 00, 06, 12 A 18 UTC) národními centry NOAA pro environmentální predikci (NCEP). NCEP po zpracování GDAS převádí data ze spektrálního koeficientu na 1 stupeň latitude-longitude (360 x 181) mřížky a od sigma úrovně na úroveň tlaku. NOAA ARL ukládá následné analýzy a 3-h předpověď, čtyřikrát každý den k vytvoření nepřetržitého archivu dat. Rozhodnutí o použití těchto údajů bylo způsobeno vylepšenými metodami asimilace dat a nejvyšším horizontálním, vertikálním a časovým rozlišením., Byly vybrány 4 dny zpětných trajektorií, protože je dostatek času na určení regionálních dopravních cest. Trajektorie byly vypočteny každý 1 h od 14. Března 2012 do 26. prosince 2013 pro čtyři příjezdu výšky: 500, 1500, 3000 a 5000 m nad mořem. Výběr 500 m jako nejnižší úroveň vyplynul z orografie kolem stanice. Aby se objasnil účinek dálkového transportu, analyzují se trajektorie v nízkých a středních troposférických nadmořských výškách až do 5000 m (např., 2004; Sangeetha et al., 2018)., Trajektorie a kompozitní mapy jsou prezentovány na úrovni 700 mb jako nejreprezentativnější úroveň zpětné trajektorie HYSPLIT na základě předchozích analýz epizod přepravy prachu dlouhého doletu pro středoevropské a středomořské případové studie (Hamonou et al., 1999; Varga et al., 2013, 2014).

Výsledky

příspěvek minerální prach z high-latitude zdroje globální prachu cyklu nebyla dostatečně zkoumána ještě (Baddock et al., 2017)., V blízké minulosti existují některé práce týkající se atmosférického transportu islandského sopečného popela během erupce Eyjafjallajökull (Langmann et al., 2012), stejně jako sopečné prašnosti během bouřkových událostí (Dagsson-Waldhauserova et al., 2015; Taylor et al., 2015; Wilkins et al., 2016) ale zatím nejsou dostatečně prozkoumány vulkanické částice v atmosférických aerosolech pocházejících z výskytu prachových bouří na Islandu nad kontinentální částí Evropy.,

Obsah Prvků a Jejich Poměry

V této práci jsme považovali za další prvky Al, Ca, Fe, K, Na, Mg a Mn a jejich charakteristické poměry jako otisky prstů pro Islandský sopečný prach v příměstské atmosférických aerosolů centrální Balkán. Obsahy prvků jsou uvedeny v Tabulce 1 jako rozdělení průměrné hodnoty, standardní odchylky, minimální a maximální v příměstské aerosol rozdělit do šesti Dp frakce pro vzorky změřeno a shromážděno v Bělehradě (Đuričić-Milanković et al., 2018) a pro půdu oblasti Rangárvellir (Island)., Hlavní rozdíl mezi atmosférickými aerosoly středního Balkánu a povrchovou půdou oblasti Rangárvellir spočívá v tom, že dominantní hmotnostní příspěvek Ca je v měřeném atmosférickém aerosolu, zatímco dominantní prvek v povrchové půdě zkoumané oblasti na Islandu je Fe.

charakteristické poměry, které jsme v této práci zvažovali, byly Ca / Al, Fe/Al, k/Al, Mg/Al, Mn/Al, Ca/Fe a Mg/Fe. Tabulka 2 uvádí průměry, standardní odchylky, minima a maxima zkoumaných poměrů v atmosférickém aerosolu příměstské oblasti středního Balkánu a v povrchové půdě jižního Islandu., Tyto poměry měřené v PM atmosférických aerosolů se liší až do několika řádů veličin v závislosti na původu hmotnosti vzduchu, zatímco odchylky od průměrných hodnot poměrů prvků v povrchových půdách oblasti Rangárvellir na Islandu jsou výrazně nižší, což naznačuje podobnost prvků složení všech zkoumaných vzorků. Nejvyšší průměrné poměry vykazovaly Ca / Al v atmosférických aerosolech středního Balkánu, zatímco nejvyšší průměrné poměry v povrchové půdě oblasti Rangárvellir na Islandu jsou pro Fe / Al.