Determination of elements in snow and water samples on Jan Mayen

Abstract

Iceland is considered one of the greatest dust emission sources in the Arctic. Once the dust is deposited, it significantly affects snow and ice albedo. This hastens the glacier melting and leads to new accessible dust sources priorly covered by snow and ice. To elucidate the effect of increased dust emission in high-latitude areas of the world, the HiLDA project was created. HiLDA aims to make a model for high-latitude dust emission and characterize the dust emission and transport processes using Iceland as a model source. During the summer of 2021, an expedition to Jan Mayen was conducted for sample collection, where among others, meltwater and snow samples were collected in a transect with a snow pit at 1300 m.a.s.l. These samples were analyzed for mercury- and multielement determination using Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry (ICP-MS) and Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). A cold-vapor separation unit was used in tandem with ICPMS during the mercury determination. Particles from one of the samples were examined with a Variable Pressure - Scanning Electron Microscope (VP-SEM). These analyses aimed to investigate the element concentrations in snow and meltwater on Jan Mayen, looking for trends in element concentrations in correlation with altitude and comparing the data with element concentrations found in data published in the literature. The data showed that samples collected from altitudes above 1000 meters were less likely to be influenced by local dust and rather more likely by long-distance atmospheric dust. Elements commonly found in Icelandic basaltic dust, such as iron (Fe) and aluminum (Al), were negatively correlated with increasing altitude, with p-values below 10-05 . The back trajectories affecting Jan Mayen come from the north and southwest, which indicates that particles originating from Iceland can be a contributor to dust on Jan Mayen. Comparisons of aluminum and iron concentrations from the snow pit on Jan Mayen with data from the literature revealed approximately seven times higher concentrations in the ‘Jan Mayen samples’. The expected concentration range of mercury in Arctic snow was <10 ng/L, and 75% of the samples contained less than 10 ng/L. Single-particle characterization revealed fly ash in the sample, which suggests that computer-controlled electron microscopy can be used to estimate the anthropological contribution. The elemental composition found in snow and water was unable to indicate dust sources due to Jan Mayen dust containing such large amounts of elements. Other sources had to be more predominant or contain elements not found in Jan Mayen dust to be determined as a source.

Island er anerkjent som en av de største kildene i Arktis til atmosfærisk støv. Når støvet sedimenterer på snø og is påvirkes refleksjonsevnen til overflaten. Dette fører til raskere smelting av f.eks. isbreer, som leder til nedgang i refleksive overflater og øker tilgangen på tidligere tildekket støv. Prosjektet HiLDA ble opprettet for å forstå effekten av økt støvutslipp i nordlige breddegrader. HiLDA søker å lage en modell for støvutslipp og karakterisere transportprosessene atmosfærisk støv gjennomgår, med Island som modell. Det ble i 2021 holdt en ekspedisjon til Jan Mayen i regi av HiLDA for prøvetaking av blant annet snø-, smeltevannog jordprøver. Prøvene ble samlet i en transekt fra toppen av Beerenberg, med en snøgrop på 1300 meter over havet. Prøvene ble analysert for kvikksølv- og flergrunnstoff-bestemmelse ved bruk av induktivt koblet plasma – massespektrometer (ICP-MS) og induktivt koblet plasma – optisk emisjonspektrometer (ICP-OES). Til kvikksølvbestemmelsen ble det brukt en kalddamp-separator for å skille prøven fra matriks. Partiklene fra en av prøvene ble observert med et varierende trykk–skanningelektronmikroskop (VP-SEM). Hensikten var å undersøke grunnstoffkonsentrasjonene funnet i snø- og smeltevannsprøver fra Jan Mayen, samt å teste for korrelasjon mellom konsentrasjoner og høyde. I tillegg var det et mål å sammenligne resultatene med data fra litteraturen. Resultatene tydet på at prøver som var samlet fra over 1000 meters høyde var mindre sannsynlig å være påvirket av lokalt støv, men heller sannsynlig å være påvirket av langtransportert støv. Grunnstoff som finnes i islandsk basalt-støv, som jern (Fe) og aluminium (Al) var negativt korrelert med økende høyde, med p-verdier under 10-05 . Vindene som påvirker Jan Mayen blåser fra nord og sørvest, som indikerer at partikler fra Island kan være en bidragsyter til støv på Jan Mayen. Det ble funnet at jern- og aluminiumkonsentrasjonene var cirka 7 ganger høyere på Jan Mayen enn beskrevet i litteraturen. Den forventede kvikksølvkonsentrasjonen i arktisk snø var <10 ng/L, og 75% av ‘kvikksølvprøvene’ fra Jan Mayen inneholdt under 10 ng/L Hg. Karakterisering av enkeltpartikler med VP-SEM avdekket svevestøv i prøven, som antyder at data-kontrollert elektronmikroskopiering kan brukes til å estimere antropologisk bidrag av støv til Jan Mayen. Grunnstoffsbestemmelsen i snø- og vannprøver kunne ikke brukes til å bestemme kilder til støv, da støvet på Jan Mayen viste seg å inneholde for mange grunnstoff til å kunne skilles fra andre kilder. For at andre kilder skulle oppdages måtte de inneholdt grunnstoff som ikke finnes i støvet på Jan Mayen.