УДК 551.510.42:546.49(985)
Анализ данных долговременного мониторинга концентрации атмосферной ртути и метеорологических величин на полярной стан ции Амдерма
Ф. Ф. Панкратов*, А. В. Коноплев*, А. Махура**, О. В. Кац***
Ртуть — один из наиболее опасных тяжелых металлов, загрязнение которым представляет серьезную угрозу для природной среды Арктики. Соединения ртути достаточно подвижны и легко мигрируют не только в водную, но и в воздушную среду. Наиболее интенсивно ртуть выводится из атмосферы во время наступления полярной весны — эффект AMDE (Atmospheric Mercury Depletion Events). Это явление наблюдалось в период с начала восхода Солнца за полярным кругом до завершения снеготаяния, с апреля до начала июня. В 2000—2001 гг. истощение ртути было обнаружено в Антарктике. В 2001 г. в п. Амдерма, расположенном на Югорском п-ове, был установлен ртутный анализатор. В процессе измерений были зарегистрированы случаи AMDE. Исследования в Арктическом регионе показали, что эффект AMDE наблюдается на достаточно ограниченном пространстве: вдоль морского побережья арктических морей. Активизация AMDE происходит как при интенсивном УФ-излучении, так и под влиянием температуры, скорости ветра и влажности в приземном слое, что способствует выводу ртути из атмосферы. Это характерно только для высоких широт и наблюдается на протяжении порядка двух-трех месяцев от начала восхода Солнца за полярным кругом до окончания снеготаяния.
1. Введение
Расширение хозяйственной деятельности человека, увеличение объемов транспортных перевозок по Северному морскому пути, освоение месторождений углеводородного сырья и значительные изменения климата приводят к необратимым процессам в природной среде Арктики. При интенсивном освоении территории Арктики окружающая среда этого региона и традиционная жизнь коренного населения будут подвергаться усиливающемуся влиянию техногенных процессов. Главной причиной загрязнения это го ре ги о на являет ся то, что в холод ной ар кти чес кой среде про цес-сы самоочищения и восстановления протекают достаточно медленно. Из-за особенностей ветрового режима и барических полей в тропосфере
* Научно-производственное объединение "Тайфун"; e-mail:pankratov@typhoon.obninsk.ru.
** Датский метеорологический институт, Дания.
*** Закрытое акционерное общество "Быт-Сервис".
загрязняющие вещества от источников, расположенных в средних и высоких широтах Европы, Азии и Северной Америки, в зимне-весенний период поступают в арктические широты, накапливаются там, а затем перераспределяются в Северном полушарии [30]. Этот процесс усугубляется еще и тем, что за Северным полярным кругом в Европе находятся достаточно крупные промышленные районы, являющиеся источниками загрязнения атмосферного воздуха. Для России это прежде всего Кольский п-ов, где разме ща ет ся ми ро вой ги гант ме тал лур гии по про из водству меди, ни ке ля и кобальта [1]. Другим таким источником за Северным полярным кругом является Норильский металлургический комбинат, влияние которого прослеживается не только в евразийском, но и в североамериканском секторе Арктики [13]. Таким образом, выбросы крупных промышленных предприятий накапливаются и остаются в Арктике на длительный срок. Следует отметить, однако, что арктическая морская среда пока относительно чистая [10].
Атмосфера и гидросфера — это два основных канала переноса ртути и других стойких загрязняющих веществ из средних широт в высокие [2]. Это при водит к тому, что заполяр ные тер ри то рии в светлый пе ри од года являются областью глобального стока ртути из атмосферы и ее аккумуляции в почве и водной среде. По специфическим климатическим и метеорологическим условиям полярные области существенно отличаются от территорий, расположенных в средних широтах. Так, 200—300 дней в году они по кры ты льдом и сло ем сне га, поэ тому про цес сы пе ре но са и ак кумуляции ртути здесь другие. Разные химические соединения ртути биологически активны, имеют тенденцию накапливаться в живых организмах и оказывать токсичное влияние на людей, животных и растения [8, 9, 11]. В связи с этим в рамках Программы арктического мониторинга и оценки (Arctic Monitoring and Assessment — AMAP) Арктического совета было проведено комплексное исследование степени загрязнения ртутью всей приполярной зоны Северного полушария. Для этого были обследованы ландшафты, водные экосистемы и живые организмы, а также население всех арктических регионов. Установлено, что в атмосферу с Европейского континента выбрасывается до 300 т, с Африканского — 380, с Североамериканского — 220, а с Южноамериканского — около 80 т ртути в год. Количество выбросов ртути для Австралии с Океанией составило около 120 т в год. Анализ образцов ледяных кернов за последние почти 300 лет показал, что с начала 1980-х годов максимальная концентрация ртути в них составила приблизительно 20 нг/л, что в 20 раз больше, чем в образцах, относящихся к доиндустриальному периоду [21]. Кроме того, в течение последних 100 лет основное поступление ртути (до 70%) связано с антропогенными источниками [23]. В XX в. увеличение загрязнения окружающей среды ртутью можно соотнести с ростом промышленного производства. Следует отметить, что в течение предшествующих 100 лет происходило увеличение загрязнения экосистем ртутными соединениями, а в последние 15—20 лет наблюдается достаточно быстрое уменьшение их на коп ле ния в при род ных средах.
2. Методология
2.1. Мониторинг концентрации ртути в атмосфере Арктики
В 2001 г. в п. Амдерма (69,45° с. ш., 61,39° в. д., 49 м над уровнем моря; Ненецкий автономный округ), расположенном на Югорском п-ове, был установлен ртутный анализатор. С его помощью производятся непрерывные измерения концентрации паров элементарной газообразной ртути в приземном слое атмосферы [3, 7, 22]. Так как элементарная газообразная ртуть может длительное время находиться в атмосфере, то это приводит к ее дальнему переносу из средних в высокие широты Северного полушария. Вследствие этого наблюдаются повышенные уровни концентрации ртути в биоте арктической экосистемы.
Наиболее интенсивно ртуть выводится из атмосферы во время полярной весны, в период с начала восхода Солнца за полярным кругом до завершения снеготаяния. Впервые эффект уменьшения концентрации ртути в атмосфере (так называемое истощение атмосферной ртути Atmospheric Mercury Depletion Event, AMDE) был обнаружен на канадской полярной станции Алерт в 1995 г. [15, 31].
2.2. Исследования концентрации ртути на российской полярной станции Амдерма
Целью проводимых исследований в районе п. Амдерма является получение систематических данных высокого временного разрешения о концентрации паров элементарной газообразной ртути в приземном слое атмосферы, а также изучение динамики и эффекта истощения ртути в условиях российской Арктики [5]. Поселок Амдерма находится на побережье Карского моря (рис. 1) вблизи арктической границы между Европой и Азией, что позволяет наблюдать за перемещением воздушных масс как с запада, так и с востока [3, 6, 23].
Анализ данных показал, что эффект AMDE наблюдается на достаточно ограниченной территории — вдоль морского побережья арктических морей. В течение 10-летнего периода наблюдений анализатор находился в трех точ ках, где про води лись изме ре ния, и на раз ном рас стоя нии от по бе-режья Карского моря [6]: с 2001 по 2004 г. — на расстоянии 8,9 км (рис. 1, точка 1), с 2005 по 2010 г. на расстоянии 2,5 км (рис. 1, точка 2) и с 2010 г. на расстоянии примерно 200 м (рис. 1, точка 3).
По данным измерений в тропосфере с использованием воздушных зондов, пары элементарной газообразной ртути были обнаружены в тропосфере до высоты не более 8 км и на этих вы сотах были за фикси ро ва ны случаи AMDE [12, 17, 18]. В то же время при зондировании случаи истощения ртути были зарегистрированы и на высоте менее 100 м над поверхностью земли. Если рассматривать изменчивость концентрации ртути в пределах прибрежной полосы, то в основном все случаи AMDE были за-фикси ро ва ны на рас стоя нии 10 км от по бе режья (ледо во го при пая) вглубь суши и не более 100 м в сторону океана [19]. Для лучшего понимания распределения паров элементарной газообразной ртути в атмосфере как по
Рис. 1. Места установки анализатора (кружки).
1) с 2001 по 2004 г.; 2) с 2005 по 2010 г.; 3) с 2010 по 2011 г.
высоте, так и по глубине площади прибрежной зоны необходимо провести дополнительные исследования вдоль береговой полосы арктических морей.
2.3. Газовый анализатор Tekran 2537Адля измерения концентрации ртути в атмосфере Арктики
Для проведения долговременных постоянных измерений концентрации паров ртути в атмосфере Арктики фирмой "Tekran Instruments Corporation" (Торонто, Канада) был разработан атомно-флуоресцентный спектрометр, являющийся газовым анализатором Tekran 2537A (http:// www.tekran.com/products/ambient-air/tekran-model-2537-cvafs-automated-mercury-analyzer). Данный анализатор был выбран в качестве прибора, используемого для постоянного измерения содержания ртути в атмосфере, на всех полярных станциях (включая Амдерму). Основными его характеристиками являются:
— высокое временное разрешение — от 5 мин до 200 ч;
— высокая чувствительность — от 100 до 200 пг/м3;
— использование ловушки из золота высшей пробы для сорбции ртути;
— автоматическая внутренняя калибровка во время процесса измерения ртути;
— полная автономность в процессе измерения и обработки данных.
Работа прибора основана на высокоселективной адсорбции паров ртути из воздуха с использованием адсорбента из золота высшей пробы. После периода накопления амальгамированная ртуть термически десорбируется и количественно определяется с помощью атомно-флуоресцентного спектрометра холодного пара. Анализатор снабжен двумя картриджами, работающими параллельно (каналы А и В), что позволяет осуществлять непрерывную подачу воздуха. В то время как один картридж используется для поглощения ртути из пропускаемого атмосферного воздуха, в другом при его нагреве происходит десорбция ртути. Наблюдения проводили в основном при времени экспозиции 30 мин, т. е. каждые пол
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.