Trace elements and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in snow and ice sampled at Colle Gnifetti, Monte Rosa (4450 m), during the last 10,000 years: environmental and climatic implications
Les élements présents a l'état de traces et les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques dans la neige et la glace prélevées au Col Gnifetti, massif du Mont Rose (4450m): implications environnementales et climatiques
Résumé
A new melting device for on-line decontamination and continuous analysis of alpine firn/ice cores has been designed, built and tested. Melt water from the inner part of each ice core section was pumped to an ICP-QMS and a conductivity micro-cell for continuous measurements of trace elements concentrations and conductivity, respectively. Discrete samples were also collected for trace elements, Pb isotopes and 239Pu determinations by ICP-SFMS and ICP-OES. Melt water from the outer section was extracted on-line by solid-phase cartridges for semi-continuous Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) analysis.
Pronounced seasonal variations were observed for all elements, both crustal (Mg, Al) and anthropogenically enriched (Pb). To understand short-time variations, air mass back trajectories are an important parameter which must be considered. Also the knowledge of the temperature inversion dynamics and the boundary layer features is extremely important because they play a key role in the transport and dispersion of aerosol and gases from low-altitude emission sources.
The largest emissions of Pb through history occurred during the 19th and 20th centuries and especially between the 1950s and 1970s. To determine if changes observed in Colle Gnifetti core faithfully reflect changes in emissions from nearby European countries, we have compared snow/ice data with emissions data present in the literature. For example, from 1800 AD to the first decade of 20th century Pb concentrations progressively increased, reaching a maximum in the 1920s. During the 1920s Pb concentrations suddenly halved and remained low for the next two decades. After the Second World War, Pb depositions increased dramatically with the introduction of Pb additives in gasoline, peaking in the mid-1970s. From 1975, Pb concentrations in Colle Gnifetti ice began to decrease in accordance with the first environmental policies in Europe which started to limit pollutant emissions.
Before 1875 PAHs levels were very low: the pre-1750's PAHs concentrations were assumed to be the background level. ΣPAHs in the 1945-1955 ten-year period were 10 times greater than background values with ΣPAHs* greater by about 40-50 times. From 1900, PAHs concentrations increased exponentially, reaching a maximum in 1920. In the 1920s, after the First World War economic stagnation in Europe depressed industrial activities which were converting to civilan production. From the mid-1930s PAHs rapidly doubled reaching their maximum concentrations from 1940 to 1950. The heaviest ΣPAHs* concentrations decreased by a factor 5 from 1950 to 1975 while for total ΣPAHs the concentrations halved. From 1975 to 2003 ΣPAHs rose again and nearly returned to 1910s values. Although the general PAHs trends are strongly correlated with anthropogenic emission variation, the fine shape of the profile is less clear and could be influenced by several parameters.
Plutonium is present in the environment as a consequence of the atmospheric nuclear testing carried out in the 1960s, the production of nuclear weapons and nuclear industry releases over the past 50 years. The shape of 239Pu profile reflects three main periods of atmospheric nuclear weapons testing.
The 206Pb/207Pb ratio for the pre-1700 background period ranged between 1.18 and 1.20, in agreement with the composition of local rocks. Although Pb deposition on Colle Gnifetti after 1900 was almost totally due to anthropogenic emissions, the 206Pb/207Pb ratio does not decline intensely until 1975. This is due to the average Pb isotopic composition of industrial emissions and gasoline additives used which was very similar to the crustal composition in local rocks and soil. After 1975, a sudden and intense 206Pb/207Pb ratio depletion is recorded. This value reached a minimum of 1.11 in 1979-1980. This behaviour is characteristic of the ILE experiment (Isotopic Lead Experiment) - a large scale isotopic tracer experiment using Pb isotopes that was carried out between 1975 and 1980 in the Piedmont region of northwest Italy centred on Turin.
Pronounced seasonal variations were observed for all elements, both crustal (Mg, Al) and anthropogenically enriched (Pb). To understand short-time variations, air mass back trajectories are an important parameter which must be considered. Also the knowledge of the temperature inversion dynamics and the boundary layer features is extremely important because they play a key role in the transport and dispersion of aerosol and gases from low-altitude emission sources.
The largest emissions of Pb through history occurred during the 19th and 20th centuries and especially between the 1950s and 1970s. To determine if changes observed in Colle Gnifetti core faithfully reflect changes in emissions from nearby European countries, we have compared snow/ice data with emissions data present in the literature. For example, from 1800 AD to the first decade of 20th century Pb concentrations progressively increased, reaching a maximum in the 1920s. During the 1920s Pb concentrations suddenly halved and remained low for the next two decades. After the Second World War, Pb depositions increased dramatically with the introduction of Pb additives in gasoline, peaking in the mid-1970s. From 1975, Pb concentrations in Colle Gnifetti ice began to decrease in accordance with the first environmental policies in Europe which started to limit pollutant emissions.
Before 1875 PAHs levels were very low: the pre-1750's PAHs concentrations were assumed to be the background level. ΣPAHs in the 1945-1955 ten-year period were 10 times greater than background values with ΣPAHs* greater by about 40-50 times. From 1900, PAHs concentrations increased exponentially, reaching a maximum in 1920. In the 1920s, after the First World War economic stagnation in Europe depressed industrial activities which were converting to civilan production. From the mid-1930s PAHs rapidly doubled reaching their maximum concentrations from 1940 to 1950. The heaviest ΣPAHs* concentrations decreased by a factor 5 from 1950 to 1975 while for total ΣPAHs the concentrations halved. From 1975 to 2003 ΣPAHs rose again and nearly returned to 1910s values. Although the general PAHs trends are strongly correlated with anthropogenic emission variation, the fine shape of the profile is less clear and could be influenced by several parameters.
Plutonium is present in the environment as a consequence of the atmospheric nuclear testing carried out in the 1960s, the production of nuclear weapons and nuclear industry releases over the past 50 years. The shape of 239Pu profile reflects three main periods of atmospheric nuclear weapons testing.
The 206Pb/207Pb ratio for the pre-1700 background period ranged between 1.18 and 1.20, in agreement with the composition of local rocks. Although Pb deposition on Colle Gnifetti after 1900 was almost totally due to anthropogenic emissions, the 206Pb/207Pb ratio does not decline intensely until 1975. This is due to the average Pb isotopic composition of industrial emissions and gasoline additives used which was very similar to the crustal composition in local rocks and soil. After 1975, a sudden and intense 206Pb/207Pb ratio depletion is recorded. This value reached a minimum of 1.11 in 1979-1980. This behaviour is characteristic of the ILE experiment (Isotopic Lead Experiment) - a large scale isotopic tracer experiment using Pb isotopes that was carried out between 1975 and 1980 in the Piedmont region of northwest Italy centred on Turin.
Nous avons conçu, construit et testé un nouveau système pour la décontamination en ligne et l'analyse en continu de carottes de neige ou de glace des Alpes. L'eau de fusion obtenue à partir de la partie centrale des carottes est directement introduite dans un spectromètre de masse à quadrupole (ICP-QMS) et un conductimètre, pour la détermination en continu de différents éléments présents à l'état de traces et de la conductivité. Des échantillons sont également prélevés en discontinu pour la détermination de divers éléments présents à l'état de traces, des isotopes du Plomb et du Plutonium par spectrométrie de masse à secteur magnétique (ICP-SFMS) et par ICP-OES. L'eau de fusion obtenue à partir de la partie externe des carottes est quant à elle utilisée pour la détermination en semi-continu des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAPs), avec extraction en ligne à l'aide de cartouches en phase solide.
D'importantes variations saisonnières des concentrations sont observées pour tous les éléments, aussi bien les éléments qui proviennent de manière prédominante de la croûte terrestre (Mg, Al) que les éléments enrichis par suite d'apports anthropiques (Pb). Pour comprendre ces variations à court terme, il est important de se référer aux rétro-trajectoires des masses d'air. D'autres paramètres importants sont la dynamique des inversions de températures et les caractéristiques de la couche limite. Ils jouent en effet un rôle majeur dans le transport et la dispersion des aérosols et des gaz à partir des sources d'émissions situées à basse altitude.
Les émissions les plus importantes de Plomb au cours de l'histoire ont eu lieu pendant les 19e et 20e siècles, et plus particulièrement des années 1950 aux années 1970. Pour déterminer si les variations observées dans la carotte du Colle Gnifetti reflètent fidèlement les variations des émissions dans les pays européens voisins, nous avons comparé les données obtenues pour la neige et la glace avec les données d'émission disponibles. De 1800 jusqu'à la première décennie du 20e siècle, les concentrations de Plomb ont augmenté de manière très marquée, atteignant un maximum dans les années 1920. Pendant les années 1920, les concentrations de Plomb décroissent rapidement d'un facteur deux, et restent à ce niveau pendant les deux décennies suivantes. Après la fin de la 2e guerre mondiale, les flux de retombées de Plomb augmentent de manière très importante par suite de l'utilisation des additifs au Plomb dans l'essence, et atteignent un maximum au milieu des années 1970. A partir de 1975, les concentrations de Plomb mesurées dans la neige et la glace du Colle Gnifetti commencent à décroître par suite des règlementations adoptées en Europe pour limiter les émissions de polluants.
Avant 1875, les concentrations de HAP étaient très basses: les concentrations observées dans la glace datant d'avant les années 1750 représentent très probablement le niveau de bruit de fond de ces composés. Les concentrations cumulées des HAP au cours de la décennie 1945-1955 sont supérieures d'un facteur dix aux valeurs de bruit de fond, alors que les concentrations cumulées de HAP* sont environ 40 à 50 fois plus élevées. A partir des années 1900, les concentrations de HAP augmentent de façon très importante, atteignant un maximum vers 1920. Pendant les années 1920, après la première guerre mondiale, la récession économique en Europe conduit à une chute des activités industrielles. A partir du milieu des années 1930, les concentrations de HAP doublent rapidement, atteignant un maximum pendant les années 1940. La concentration cumulée des HAP* les plus lourds décroit ensuite d'un facteur cinq de 1950 à 1975 alors que la concentration cumulée des HAP décroit d'un facteur deux. De 1975 à 2003, la concentration totale des HAP augmente à nouveau, approchant les valeurs des années 1910. De manière globale, les variations temporelles observées pour les HAP sont fortement corrélées aux variations des émissions anthropiques. Cependant, les variations détaillées sont difficiles à interpréter et pourraient être influencées par divers paramètres.
Le Plutonium est présent dans l'environnement par suite des essais nucléaires atmosphériques des années 1960, de la production des armes nucléaires et des rejets par l'industrie nucléaire au cours des 50 dernières années. Le profil de variations du Plutonium dans la neige et la glace du Colle Gnifetti met en évidence les trois périodes principales d'essais nucléaires atmosphériques.
Le rapport isotopique 206Pb/207Pb est compris entre 1.18 et 1.20 pour la glace datant d'avant 1700, en accord avec la composition des roches locale. Bien que les retombées de Plomb au Colle Gnifetti après les années 1900 soient presque entièrement dues à des apports anthropiques, on n'observe pas de variations importantes du rapport isotopique jusqu'en 1975. Ceci est lié au fait que la composition isotopique moyenne du Plomb dans l'essence et le pétrole utilisés était très semblable à la composition isotopique des roches et des sols locaux. Après 1975, on observe une décroissance brutale et forte du rapport isotopique 206Pb/207Pb, jusqu'à des valeurs proches de 1.11 en 1979-1980. Cette décroissance brutale est liée à une expérience réalisée entre 1975 et 1980 dans la région du Piémont au Nord-Ouest de l'Italie (Isotopic Lead Experiment).
D'importantes variations saisonnières des concentrations sont observées pour tous les éléments, aussi bien les éléments qui proviennent de manière prédominante de la croûte terrestre (Mg, Al) que les éléments enrichis par suite d'apports anthropiques (Pb). Pour comprendre ces variations à court terme, il est important de se référer aux rétro-trajectoires des masses d'air. D'autres paramètres importants sont la dynamique des inversions de températures et les caractéristiques de la couche limite. Ils jouent en effet un rôle majeur dans le transport et la dispersion des aérosols et des gaz à partir des sources d'émissions situées à basse altitude.
Les émissions les plus importantes de Plomb au cours de l'histoire ont eu lieu pendant les 19e et 20e siècles, et plus particulièrement des années 1950 aux années 1970. Pour déterminer si les variations observées dans la carotte du Colle Gnifetti reflètent fidèlement les variations des émissions dans les pays européens voisins, nous avons comparé les données obtenues pour la neige et la glace avec les données d'émission disponibles. De 1800 jusqu'à la première décennie du 20e siècle, les concentrations de Plomb ont augmenté de manière très marquée, atteignant un maximum dans les années 1920. Pendant les années 1920, les concentrations de Plomb décroissent rapidement d'un facteur deux, et restent à ce niveau pendant les deux décennies suivantes. Après la fin de la 2e guerre mondiale, les flux de retombées de Plomb augmentent de manière très importante par suite de l'utilisation des additifs au Plomb dans l'essence, et atteignent un maximum au milieu des années 1970. A partir de 1975, les concentrations de Plomb mesurées dans la neige et la glace du Colle Gnifetti commencent à décroître par suite des règlementations adoptées en Europe pour limiter les émissions de polluants.
Avant 1875, les concentrations de HAP étaient très basses: les concentrations observées dans la glace datant d'avant les années 1750 représentent très probablement le niveau de bruit de fond de ces composés. Les concentrations cumulées des HAP au cours de la décennie 1945-1955 sont supérieures d'un facteur dix aux valeurs de bruit de fond, alors que les concentrations cumulées de HAP* sont environ 40 à 50 fois plus élevées. A partir des années 1900, les concentrations de HAP augmentent de façon très importante, atteignant un maximum vers 1920. Pendant les années 1920, après la première guerre mondiale, la récession économique en Europe conduit à une chute des activités industrielles. A partir du milieu des années 1930, les concentrations de HAP doublent rapidement, atteignant un maximum pendant les années 1940. La concentration cumulée des HAP* les plus lourds décroit ensuite d'un facteur cinq de 1950 à 1975 alors que la concentration cumulée des HAP décroit d'un facteur deux. De 1975 à 2003, la concentration totale des HAP augmente à nouveau, approchant les valeurs des années 1910. De manière globale, les variations temporelles observées pour les HAP sont fortement corrélées aux variations des émissions anthropiques. Cependant, les variations détaillées sont difficiles à interpréter et pourraient être influencées par divers paramètres.
Le Plutonium est présent dans l'environnement par suite des essais nucléaires atmosphériques des années 1960, de la production des armes nucléaires et des rejets par l'industrie nucléaire au cours des 50 dernières années. Le profil de variations du Plutonium dans la neige et la glace du Colle Gnifetti met en évidence les trois périodes principales d'essais nucléaires atmosphériques.
Le rapport isotopique 206Pb/207Pb est compris entre 1.18 et 1.20 pour la glace datant d'avant 1700, en accord avec la composition des roches locale. Bien que les retombées de Plomb au Colle Gnifetti après les années 1900 soient presque entièrement dues à des apports anthropiques, on n'observe pas de variations importantes du rapport isotopique jusqu'en 1975. Ceci est lié au fait que la composition isotopique moyenne du Plomb dans l'essence et le pétrole utilisés était très semblable à la composition isotopique des roches et des sols locaux. Après 1975, on observe une décroissance brutale et forte du rapport isotopique 206Pb/207Pb, jusqu'à des valeurs proches de 1.11 en 1979-1980. Cette décroissance brutale est liée à une expérience réalisée entre 1975 et 1980 dans la région du Piémont au Nord-Ouest de l'Italie (Isotopic Lead Experiment).
Domaines
Géologie appliquée
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