научная статья по теме АТМОСФЕРНЫЙ ПЕРЕНОС АНТРОПОГЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ТЕРРИТОРИИ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА НА ПОВЕРХНОСТЬ БЕЛОГО И БАРЕНЦЕВА МОРЕЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «АТМОСФЕРНЫЙ ПЕРЕНОС АНТРОПОГЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ТЕРРИТОРИИ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА НА ПОВЕРХНОСТЬ БЕЛОГО И БАРЕНЦЕВА МОРЕЙ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 6, с. 812-821

УДК 551.510.41

АТМОСФЕРНЫЙ ПЕРЕНОС АНТРОПОГЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ТЕРРИТОРИИ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА НА ПОВЕРХНОСТЬ БЕЛОГО И БАРЕНЦЕВА МОРЕЙ

© 2008 г. А. А. Виноградова, Л. О. Максименков, Ф. А. Погарский

Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: anvinograd@yandex.ru Поступила в редакцию 05.07.2007 г., после доработки 03.04.2008 г.

Представлены результаты анализа распространения воздушных масс и антропогенных аэрозольных примесей от крупного промышленного региона, расположенного за полярным кругом на севере Кольского полуострова. Исходными данными являются ежедневные 5-суточные траектории движения воздуха от источника для января, апреля, июля и октября, рассчитанные на протяжении 20 лет с 1981 по 2000 гг. по данным реанализа метеорологических полей NOAA. Изучены сезонные и долговременные изменения средних концентраций мышьяка и тяжелых металлов (Ni, Cu, Pb, Cd, V) в приземном воздухе и в осадках над акваториями Белого и Баренцева морей. Результаты сопоставлены с приведенными в литературе данными натурных наблюдений, характерными для изучаемого региона. Показано, что в целом за год атмосферный поток стойких экотоксикантов с территории Кольского полуострова в воды Белого и Баренцева морей вполне сравним с вкладом впадающих рек, а для никеля и меди является преобладающим.

ВВЕДЕНИЕ

Арктические моря России и их прибрежные территории обладают богатейшими запасами природных ископаемых, рыбы и других морепродуктов. От сохранности и репродуктивности окружающей среды и экосистем этих морей зависит не только жизнь и существование коренных народов, населяющих побережье, но в значительной степени и богатство России. Удаленность арктических районов от основных областей промышленности Европы и Азии в некоторой степени была гарантией сохранения их природной среды даже в эру промышленной революции на материках. Однако влиянием крупных комплексов горнодобывающей и металлургической промышленности, расположенных за Полярным кругом (на Кольском полуострове и в районе Норильска), на природные объекты близлежащих территорий невозможно пренебречь. В результате пространственного распространения примеси и ее осаждения на подстилающую поверхность антропогенному воздействию подвергается не только воздушная среда окружающих регионов, но также все природные объекты на поверхности земли (почвы, воды рек и водоемов, растения и т.д.), а также - через пищевые цепочки - животные и люди.

Модельные оценки переноса в атмосфере антропогенных стойких экотоксикантов - один из важных аспектов изучения состояния окружающей среды. Однако ценность этих оценок ограничена, в первую очередь, ненадежностью и явной недостаточностью данных о выбросах в атмосферу антропогенных примесей в регионах-источниках, а так-

же данных о параметрах выведения примеси из атмосферы по пути ее распространения с воздушными массами. В [1, 2] для оценок атмосферных концентраций и выпадений на поверхность ряда антропогенных микроэлементов в акваториях Российских арктических морей использовались результаты расчетов этих характеристик в приземной атмосфере арктических островов России (на основании устаревших косвенных оценок антропогенной эмиссии крупными регионами-источниками Европы и севера Азии из [3]). В [4] оценки потоков примесей на поверхность (только для свинца и двуокиси серы) выполнены для территорий Белого и Баренцева морей на базе данных ЕМЕП об эмиссии только европейских источников, а в [5] пространственное распределение антропогенного свинца в атмосфере моделировалось с учетом выбросов источников Европы и азиатской части России. Натурные измерения атмосферных концентраций тяжелых металлов и их содержания в осадках в изучаемом районе Арктики проводились еще с 80-х годов XX века на Шпицбергене и в Скандинавии [6-9], а на территории России в основном в 2000-е годы [10-13].

Целью данной работы является оценка среднего вклада промышленности Мурманской области в загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) воздуха и воды в акваториях Белого и Баренцева морей на базе анализа многолетних данных о распространении воздушных масс в регионе. Изучаются изменения этого вклада за последние 20 лет XX века, и сравнивается роль атмосферного и речного каналов по-

ступления экотоксикантов в воды Белого и Баренцева морей.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ, МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ОЦЕНОК

В силу специфики промышленности Мурманской области, этот регион является самым мощным на севере Европы источником выбросов в атмосферу никеля и меди, определяющим антропогенный вклад этих элементов в природные среды и объекты окружающих территорий. Основными предприятиями, выбрасывающими Ni и Cu в атмосферу, являются крупные горнорудные и металлургические компании: ПО "Апатит" с рудником и обогатительными фабриками; комбинат "Североникель", включающий плавильный комплекс по получению меди, никеля, кобальта и ряда попутных металлов; Олене-горский горно-обогатительный комбинат, который добывает и обогащает железные руды; металлургический комбинат "Печенганикель" (г. Никель) и др. В табл. 1 представлены средние значения годовой эмиссии в атмосферу рассматриваемых ТМ, которые использовались в данной работе при оценке пространственного распределения примесей. Значения мощности выбросов в атмосферу Ni, Pb, V, Cd, Cu в городах Мурманской области были обобщены по данным сборников Росгидромета [14, 15] и аналогичных изданий 1996 и 2001 годов. По существу, это единственные официальные источники информации такого рода, поэтому все дальнейшие результаты необходимо рассматривать с учетом возможной неполноты и неточности эмиссионных данных, положенных в основу количественных оценок. Отсутствующие в этих источниках сведения о мощности эмиссии мышьяка на Кольском полуострове были дополнены данными старых косвенных оценок [3], которые по мощности эмиссии ванадия и кадмия хорошо соответствуют современным данным, приведенным в указанных сборниках.

Предполагалось, что все атмосферные выбросы ТМ предприятиями Мурманской области сосредоточены в одном условном точечном источнике с координатами 69° N, 31° E. Исходным материалом для изучения распространения примеси от этого источника являлись 5-суточные траектории движения воздушных масс для каждого дня января, апреля, июля и октября с 1981 по 2000 гг. Расчет траекторий осуществлялся с помощью модели HYSPLIT 4 и данных реанализа полей метеорологических характеристик NOAA (NCEP/NCAR Reanalysis Data Files) [16] для изобарических поверхностей 925 и 850 гПа (старт в 0 часов GMT, интервал расчетов 1 час).

Пространственные распределения плотности числа траекторий и примеси в воздухе строились на координатной сетке (1° х 1°) для каждого месяца за 10 лет - отдельно для 80-х и 90-х годов. Считая рассматриваемые месяцы представительными для каждого сезона, изучались сезонные вариации при-

Таблица 1. Годовая эмиссия экотоксикантов в атмосферу с территории Мурманской области (т/год) в конце XX века

Десятилетие Pb Ni Cd V As Cu

80-е 200 4000 26* 150 165* 3000

90-е 100 2000 29 80 165* 1300

Примечание. Обобщение данных [14, 15] и аналогичных изданий 1996, 2001 годов для РЬ, N1, V, Сё, Си, а также (*) [3] для Аз и Сё.

Таблица 2. Скорости осаждения примеси из атмосферы на подстилающую поверхность и доля примеси, осаждаемая осадками, в разные месяцы над территориями Белого и Баренцева морей

Месяц Скорость сухого осаждения, см/с Полная скорость осаждения, см/с Доля осаждения осадками, %

Белое море

Январь 0.06 0.061 0.8

Апрель 0.1 0.27 44.4

Июль 0.2 1.1 72.3

Октябрь 0.15 0.48 60.7

Баренцево море

Январь 0.1 0.137 19.0

Апрель 0.15 0.31 39.6

Июль 0.2 0.8 64.2

Октябрь 0.15 0.29 40.2

земной концентрации ТМ и их потоков на поверхность. Средние и суммарные годовые показатели вычислялись в предположении равной длительности сезонов, хотя для Арктики это не совсем так. Однако дальний перенос воздушных масс определяется атмосферными синоптическими процессами, масштаб которых охватывает не только арктические, но и средние широты Северного полушария. Долговременные тенденции изменения характеристик загрязнения оценивались при сравнении результатов для 80-х и 90-х годов.

Поскольку все рассматриваемые ТМ распространяются в воздухе на аэрозольных частицах субмикронного размера, скорости их осаждения на подстилающую поверхность считались одинаковыми при дальнем переносе и неизменными по мере распространения от источника. Учитывались сезонные и пространственные вариации скорости осаждения примесей. Несмотря на принципиальные различия механизмов сухого осаждения аэрозольных частиц и осаждения их осадками, математически их можно описать с помощью параметров, эквивалентных скорости осаждения или выведения из приземного слоя. В табл. 2 приведены используе-

(а) (а)

(г) (г)

Рис. 1. Распределения примеси (усл. ед.), выброшенной в атмосферу рассматриваемым источником, над территориями Белого и Баренцева морей в 80-х годах (левая колонка) и их изменения в 90-х годах (правая колонка): а - январь; б - апрель; в - июль; г - октябрь.

мые в данной работе значения скоростей осаждения примеси над территориями Белого и Баренцева морей в разные сезоны. При этом скорости сухого осаждения субмикронного аэрозоля задавались, согласно [17, 18], с учетом различия подстилающих поверхностей, а скорости осаждения осадками рассчитывались по многолетним данным о количестве и агрегатном состоянии осадков в Северо-Западном регионе России и над поверхностью рассматриваемых морей [18, 19].

Подход к оценкам распространения примеси при ее дальнем переносе в атмосфере был аналогичен описанному в [17, 20, 21]. Считалось, что вблизи источника (в радиусе порядка 20-50 км) происходит осаждение около 20% примеси, а остальные 80% вовлекаются в дальний перенос. При этом по вертикали примесь распределена равномерно в пределах пограничного слоя, высота которого определяется высотой температурной инверсии в нижней тропосфере, - в наших расчетах в среднем около 1 км. По мере удаления от источника происходит экспоненциальное убывание при

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.

Показать целиком