УДК 551.510.42:546.49<<2012>>(265.54)
Изменение концентрации атомарной ртути в приводном слое атмосферы над акваторией Уссурийского залива Японского моря во время прохождения тайфуна Болавен в 2012 г.
В. В. Калинчук*, А. С. Астахов*, В. Ф. Мишуков*, К. И. Аксентов*
Приведены результаты измерения концентрации атомарной ртути Н^ с 28 по 30 августа 2012 г. в приводном слое атмосферы над акваторией Уссурийского залива Японского моря во время прохождения тайфуна Болавен. Установлено, что концентрация Н^ в это время изменялась от 1,7 до 3,3 нг/м3. Максимальные значения наблюдались при поступлении обогащенных ртутью воздушных масс из района Желтого моря при одновременном понижении атмосферного давления и увеличении скорости ветра.
Введение
Ртуть — одно из самых токсичных химических веществ. Токсичны все формы и соединения ртути, особенно органические. Она также является индикатором многих геологических процессов, ее распределение в воздухе, природных водах и породах используется при поисках залежей углеводородов и руд. Именно эти несколько факторов в настоящий момент определяют значительное число исследований, направленных на изучение биогеохимических циклов ртути и ее миграции в разных средах.
В атмосферу ртуть попадает из многочисленных природных и антропогенных источников и далее находится в ней в разных физико-химических формах, которые условно можно разделить на три группы:
- в окисленной форме (реактивно способная ртуть), в основном со степенью окисления +2 (И§2+), реже +1 (в виде ионов или в составе неорганических и органических соединений);
- в виде паров элементарной ртути, в атомарной форме со степенью окисления 0 (И§0);
- в виде атомов, ионов и соединений, сорбированных твердыми и жидкими аэрозольными частицами (И§ч).
От при род ных ис точ ни ков и в результате ре эмис сии ртуть вследствие своих физико-химических свойств (низкая температура плавления, высокая упругость паров и т. д.) попадает в атмосферу в основном в атомарной форме, в ходе антропогенной деятельности — также по большей части в
* Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: viktor_kalinchuk@mail.ru.
атомарной (60—70%) и примерно в равных частях в окисленной форме и в виде сорбированной на частицах ртути [21, 24].
Ртуть в окисленной форме Н§2+ вследствие повышенной реакционной способности и растворимости, малой летучести быстро выводится из атмосферы и выпадает на поверхность моря и суши с жидкими и твердыми аэрозольными частицами, растворяясь в них и (или) сорбируясь ими [19]. Время существования Н§2+ в атмосфере изменяется от нескольких минут до нескольких дней. Время нахождения в атмосфере Н§ч может составлять от нескольких дней до нескольких недель (обычно менее 10 сут). Поэтому Н§2+ и Н§ч вносят значительный вклад главным образом в осаждение в локальном и региональном масштабах вблизи от источников поступления.
Атомарная ртуть Н§0, напротив, обладая малой химической активностью, высокой летучестью, малой растворимостью в воде, способностью испаряться с водной и земной поверхности, относительно малой скоростью окисления основными атмосферными окислителями, плохо удаляется из ат мос фе ры как осад ка ми, так и при со при кос но ве нии с по вер хнос тью земли [19, 33]. Н§0, однажды попав в атмосферу, может долго в ней находиться — от нескольких месяцев до двух лет [15, 25, 26]. Поэтому Н§0 является основной формой существования ртути в атмосфере, по разным данным, на ее долю приходится более 90% общего содержания ртути в атмосфере [12, 20, 31, 35].
Таким образом, после попадания в атмосферу дальнейшее существование ртути зависит от ее формы, химических и физических (метеорологи-чес ких) усло вий среды и, со от ве тствен но, от про цес сов, про исходя щих с ней. От этого в свою очередь будет зависеть, повлияет ли выпущенная в атмосферу ртуть на локальное (региональное) осаждение либо на атмосфер ный пе ре нос на даль нее рас стоя ние.
В тропосфере один из самых быстрых способов переноса воздушных масс на дальнее расстояние возможен при прохождении циклонов и тайфунов. На Дальний Восток России все тайфуны приходят примерно по одному маршруту — из западной части Тихого океана через Восточную Азию, кото рая в свою оче редь явля ет ся одним из основ ных ис точ ни ков антропогенной эмиссии ртути в мире [12, 14, 20]. Тайфун Болавен сформировался как тропическая депрессия 19 августа 2012 г. в районе Марианских о-вов [34] и, быстро набирая силу, начал медленно перемещаться на северо-запад. Пройдя над о. Окинава, тайфун увеличил скорость своего продвижения. За двое суток (с 27 по 29 августа) он прошел над Восточно-Китайским и Желтым морями, затем изменил траекторию движения на северо-восточное направление и пересек Корейский п-ов. С 29 по 30 августа центр тайфуна прошел над северо-восточной частью Китая, при этом оказывая влияние на погоду в Приморском крае России и на прибрежные акватории Японского моря (рис. 1). Это было зафиксировано при проведении метеорологических и ртутно-метрических измерений с борта научно-исследовательского судна "Академик М. А. Лаврентьев", находившегося в это время в Уссурийском заливе.
Таким образом, была поставлена цель — изучить взаимосвязь между концентрацией Н§0 в приводном слое атмосферы над акваторией Уссурийского залива Японского моря и движением воздушных масс при прохождении тайфуна Болавен над ним.
Методика
Исследования проводились в 59-м рейсе научно-исследовательского судна "Академик М. А. Лаврентьев", выполнявшемся в период с 7 по 30 августа 2012 г. в Японском и Охотском морях. С 27 по 30 августа судно стояло на якоре в Уссурийском заливе, укрываясь от шторма, вызванного прохождением тайфуна Болавен (рис. 1). В этот период осуществлялось непрерывное измерение концентрации в приводном слое воздуха и раз в
3 ч — измерение метеорологических величин (атмосферного давления и температуры воздуха, скорости и направления ветра). Анализируемый воздух закачивался в анализатор ртути встроенным в него компрессором по шлангу с носовой части правого борта судна. Воздухозаборный конец шланга располагался на высоте 2 м от поверхности воды. Возможность загрязнения отбираемого воздуха от судовых источников исключалась, так как судно во время прохождения тайфуна Болавен находилось на якоре и было постоянно ориентировано по направлению ветра. При исследованиях определялась только концентрация атомарной ртути Н§ из-за ее наибольшего содержания в атмосфере и других свойств, которые были описаны выше. Прямое определение содержания Н§° выполнялось с помощью атомно-абсорбционного спектрометра РА 915+ ("Люмэкс", г. Санкт-Петербург), предел обнаружения которого при 1-секундном осреднении сигнала
'Фпкино
залив Петра Великого
ЯННЯНШН
ш
Ш»29 - 17 У 29-11ч
ио Владивосток
=9 5 М , *
КНДР Японское море
28 -23ч
-Н а.1 ,
Республика ЯПОНИЯ Желтое море Ко рея
Google earth
Рис. 1. Траектория движения тайфуна Болавен в августе 2012 г.
Цифрами указаны дата и время, точками — местоположение центра тайфуна через каждые 6 ч по местному времени. Звездочка на врезке — местоположение судна. Данные трека взяты с сайта Военно-морской исследовательской лаборатории США http://www.nrlmry.navy.mil/tc_pages/tc_home.html [34].
составляет 2 нг/м3, при 30-секундном — 0,3 нг/м3 [27]. В настоящем исследовании осреднение проводили для 5-минутных интервалов, соответственно предел обнаружения составлял не менее 0,3 нг/м3.
В соответствии с методикой выполнения измерений [7] все замеры содержания ртути были приведены к нормальным условиям (давление 760 мм рт. ст., температура 0°С для открытой местности) по формуле
х= s 273±1,
pQ
где X — концентрация Hg0, приведенная к нормальным условиям (нг/м3); S — среднее измеренное значение массовой концентрации Hg0 (нг/м3); T — температура воздуха (°С); p — атмосферное давление (мм рт. ст.); Q — коэффициент пересчета, равный 0,358 для открытой местности. Метеорологические величины регистрировались с помощью метеостанции "Davis Weather Wizard III" и штатными судовыми приборами.
Для выявления возможной зависимости между концентрацией Hg0 в воздухе и перемещением воздушных масс был проведен расчет их обратных траекторий движения за 72 ч с помощью модели HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model), разработанной Лабораторией воздушных ресурсов Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA, США), с использованием базы метеорологических данных GDAS (Global Data Assimilation System) [13]. Для более наглядного представления перемещения воздушных масс расчет проводился для девяти точек (в виде матрицы), охватывающих всю площадь Уссурийского залива. Начальной высотой обратных траекторий было вы бра но 500 м над уровнем моря, так как приблизительно до этой высоты распространяется пограничный слой атмосферы, подверженный определяющему влиянию подстилающей поверхности [4].
Результаты и обсуждение
За период экспедиции выполнено 3098 осредненных измерений содержания Hg0 в приводном слое атмосферного воздуха Японского и Охотского морей. Средние ее концентрации составили 2,1 ± 0,3 нг/м3 (N = 718) в Охотском море и проливе Лаперуза и 2,0 ± 0,3 нг/м3 (N = 2380) — в Японском море и Татарском проливе. Содержаниe Hg0 изменялось от 0,8 до 3,0 нг/м3, что определяется большим разнообразием геологических и гидрометеорологических условий в районах работ экспедиции.
За время прохождения тайфуна Болавен при непрерывном (ежесекундном) измерении содержания Hg0 в воздухе было сделано 395 5-минутных осреднений. Концентрация Hg0 в приводном слое атмосферного воздуха Уссурийского залива изменялась от 1,7 до 3,3 нг/м3, среднее содержание — 2,4 ± 0,3 нг/м3. Это значение было больше средней концентрации, определенной в воздухе над данной акваторией осенью 2011 г. — 1,8 ± 0,3 нг/м3 [5], а также больше средних значений для атмосферного воздуха Японского и Охотского морей и других, удаленных от антропогенных источников, районов (табл. 1).
Кроме того, были выявлены зависимости между концентрацией Hg0
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.