ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2013, № 5, с. 98-108
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЯ =
УДК 551.583
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ КАРЕЛИИ ПРИ ДАЛЬНЕМ ПЕРЕНОСЕ АНТРОПОГЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ
© 2013 г. А.А. Виноградова*, Ю.А. Иванова**
* Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва
Поступила в редакцию 24.05.2012 г.
Проанализированы закономерности дальнего переноса воздушных масс и антропогенных примесей в центральные районы Карелии. Определены вклады промышленных комплексов и регионов (Мурманская, Архангельская и Ленинградская области, Санкт-Петербург, г. Костомукша) в загрязнение среды в рассматриваемых пунктах. Оценены средние концентрации в воздухе и в осадках антропогенных Cu, Ni, Fe, Al и сажи, поступающих от этих источников, а также их потоки из атмосферы на подстилающую поверхность.
Введение. Данная работа выполнена в рамках проекта, целью которого является изучение антропогенного влияния на окружающую среду особо охраняемых природных территорий (ООПТ) севера России, и продолжает серию публикаций по этой теме [5, 9, 10, 26, 35, 38].
Состояние природной среды любого региона в значительной степени определяется процессами циркуляции атмосферы, от которых зависят длительность и направления переноса воздушных масс и, следовательно, источники и стоки переносимых ими примесей. Заповедники и заказники выделены для сохранения и изучения природы в ее естественном состоянии, поэтому apriori предполагается минимальное антропогенное влияние на эти территории. Однако при современном развитии индустрии в условиях продвижения человека с его жизнеобеспечивающей инфраструктурой во все более труднодоступные районы практически невозможно избежать антропогенного воздействия на окружающую среду даже самых изолированных территорий. Это воздействие необходимо оценивать, учитывать и, по возможности, минимизировать.
Огромные пространства Российской Арктики и Субарктики, примыкающие к Северному Ледовитому океану, пока очень слабо изучены экспериментально с точки зрения состава и свойств природной среды и, в частности, атмосферы. Понятно, что мониторинг загрязнения природ-
ных сред и объектов на такой площади имеет серьезные экономические и технические ограничения. Экспериментальные работы выполняются эпизодически в ходе научных экспедиций ряда институтов и ведомств. Наиболее регулярными можно считать точечные наблюдения на сети Росгидромета [22], исследования сотрудников Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН в морях Российской Арктики и на их прибрежных территориях [25, 35], а также появившиеся в последние годы результаты круглогодичного мониторинга состава атмосферы на станции ZOTTO в Центральной Сибири [39], поэтому модельные оценки антропогенного загрязнения атмосферы и потоков примесей из атмосферы на поверхность актуальны для анализа и прогноза экологической ситуации на труднодоступных и особо охраняемых территориях.
На территории России существует несколько более или менее локализованных крупных промышленных регионов (например, Урал, район Норильска, Кольский полуостров и др.), являющихся мощными источниками загрязнений глобального масштаба. Их атмосферные эмиссии разносятся воздушными потоками на расстояния до 10 тысяч километров, достигая американского материка [27, 33]. Один из наиболее эффективных стоков аэрозольной примеси из атмосферы - осаждение на подстилающую поверхность. Скорость этого процесса зависит не только от свойств воздушной
массы (влажность, осадки) и самих аэрозольных частиц (размеры, гигроскопичность и др.), но и от качества подстилающей поверхности (растительность, снег, лед и др.), над которой происходит движение. Таким образом, процессы циркуляции атмосферы определяют не только источники загрязнений, переносимых воздушными потоками, но и эффективность их стоков на поверхность. Многообразие климатических зон, существующих на территории нашей страны, усложняет модельное описание и параметризацию процессов переноса загрязнений воздушными массами [8].
В последние 10-15 лет траекторный подход стал применяться не только при изучении состава и генезиса конкретных проб воздуха, отбираемых в ходе экспериментальных работ, но также для изучения закономерностей в процессах дальнего переноса воздуха и его составляющих [13, 32, 36]. Метод статистики траекторий (МСТ) дает возможность анализировать средние характеристики процессов циркуляции атмосферы. В результате обнаруживаются источники и стоки различных атмосферных примесей (в качестве последних работ такого типа можно назвать [4, 20, 23, 34]) или, наоборот, изучается пространственное распределение примеси, распространяющейся от конкретных источников [7, 8]. Надежность результатов, получаемых с помощью МСТ, в значительной степени определяется качеством и пространственной плотностью метеорологической информации, на которой основаны расчеты траекторий, достоверностью используемых данных о составе и мощностях выбросов источников примесей, а также способом представления и описания трансформации вещества во время движения в атмосфере.
В данной работе в качестве объекта, подвергающегося антропогенному воздействию, рассматривается центральная часть Карелии - труднодоступный и мало изученный район с хорошо сохранившейся естественной природой. Множество видов животных и птиц, живущих в этих местах, занесено в Красную Книгу России. Однако влияние антропогенных факторов уже сказывается на составе некоторых природных объектов; например, тяжелые металлы накапливаются во мхах и лишайниках [17, 24, 26], которые затем входят в состав пищевых цепочек. Это говорит о необходимости детального постоянного мониторинга загрязнения окружающей среды рассматриваемого региона.
Методы и подходы. Объекты исследования и исходные данные. "Пункты наблюдений" данной работы - Костомукшский заповедник (КЗ) и Беломорская биологическая станция имени
Н.А. Перцова МГУ (ББС) - схематически показаны на карте (рис. 1). КЗ расположен на границе России и Финляндии и является частью международного Российско-Финского заповедника "Дружба". ББС МГУ находится на берегу Кандалакшского залива Белого моря. Расстояние между пунктами около 200 км.
Перенос воздуха к КЗ (с условными географическими координатами 64.57° с.ш., 30.67° в.д.) и ББС (с координатами 66.33° с.ш. и 33.07° в.д.) изучался по траекториям движения воздушных масс на высоте 100 м от поверхности земли. Двухсуточные трехмерные траектории переноса воздуха к этим пунктам (старт в 0 часов UTC, интервал счёта 6 часов) вычислялись и строились на картах для каждого дня января, апреля, июля и октября с помощью модели HISPLYT 4 и данных реана-лиза полей метеорологических характеристик NOAA (NCEP/NCAR Reanalysis Data Files) [29]. Анализировались массивы траекторий за 20 лет (с 1990 по 2009 г.) для КЗ и за 10 лет (с 2001 по 2010 г.) для ББС. Изучались средние (за 10 лет) пространственные распределения траекторий для каждого месяца и для года в целом.
Методика оценок переноса аэрозольных примесей в атмосфере, их концентраций в воздухе и потоков на подстилающую поверхность подробно описана в [11, 38], поэтому кратко остановимся лишь на основных формулах, допущениях и значениях параметров, принятых для данного исследования. Наш подход и все дальнейшие результаты и выводы относятся к так называемой консервативной примеси, переносимой в атмосфере на аэрозольных частицах, пассивной по отношению к химическим преобразованиям в воздухе во время переноса, или к отдельным микроэлементам, идентификация которых возможна вне зависимости от конкретного химического состава аэрозольного вещества.
Из уравнения баланса массы при переносе примеси вдоль траектории движения воздуха от каждого источника следует, что концентрация Cij примеси, создаваемая источником i в пункте j, может быть представлена следующим образом:
Cy = Qt (1 - a) Zip ( 1)
где Qi - мощность эмиссии примеси в единицу времени; a = 0.15- доля примеси, оседающая на поверхность вблизи источника [3, 31]; Zij - функция потенциального воздействия источника i на состав воздуха в пункте j. Zy характеризует все атмосферные процессы, влияющие на аэрозольную примесь по пути движения от источника i пункту j, и зависит от вероятности и длительнос-
Рис. 1. Расположение пунктов наблюдений КЗ и ББС (звёздочки) и регионов-источников антропогенных примесей: 1 - Ленинградская обл., 2 - Архангельск, 3 - Никель + Мурманск, 4 - Мончегорск, 5 - Косто-мукша.
ти движения воздуха между этими пунктами, а также от условий вертикального перемешивания и скорости выведения примеси из атмосферы во время переноса:
г,—**-
1 2гН,Ь
/ р, (П) гп ехр[- кгп /Н,] (2)
=1 (п)]2
где Ау - вероятность (частота) движения воздуха от источника I к пункту у; Р, (п) - вероятность (частота) того, что воздух от источника I к пункту у движется в течение 6п часов (при 6-часовой дискретности расчета траекторий); Н1 - высота слоя перемешивания; Ьу(п) - длина траекторий между источником I и пунктом у при длительности движения 6п часов; К = ка + ЖР - скорость осаждения примеси на подстилающую поверхность, определяющаяся сухим (к¿¡) осаждением и осаждением осадками (Ж - эффективность захвата примеси осадками, Р - количество осадков в единицу времени); - длительность 6п часов в секундах; Ь - параметр размывания воздушного потока в горизонтальном направлении, перпендикулярном траектории, который, по оценкам [3], при дальнем переносе примеси приблизительно равен 0.1-0.2.
На основе литературных данных о стратификации приземного слоя атмосферы в северных регионах России [21] и результатов расчетов этого параметра по программе HYSPLIT4 на сайте
ARL КОЛА [29] средние значения Н выбирались следующими: 250 м зимой и весной, 500 м летом и осенью - для всех источников, поскольку они расположены в одном климатическом поясе и обладают сходными климатическими характеристиками (рис. 1).
При дальнем атмосферном переносе аэрозоля по мере удаления от источника осаждение (сухое и осадками) на поверхность способствует сжатию спектра размеров
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.