научная статья по теме УМЕНЬШЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РТУТИ В АТМОСФЕРЕ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ ВЕСНОЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «УМЕНЬШЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РТУТИ В АТМОСФЕРЕ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ ВЕСНОЙ»

УДК 551.510.42:546.49<<321>>(985)

Уменьшение концентрации ртути в атмосфере Российской Арктики весной

А. В. Коноплев*, Ф. Ф. Панкратов*, А. М. Рычков*

Приведены данные непрерывных наблюдений концентрации паров элементарной ртути в приземном слое атмосферы на полярной станции Ам-дерма с помощью автоматизированного анализатора "Текгап 2537А" с июня 2001 г. по февраль 2004 г. Индивидуальные измерения проводились каждый час. Работа анализатора основана на высокоселективной адсорбции паров ртути из воздуха на адсорбенте из золота высокой чистоты. После этого амальгамированная ртуть термически десорбируется и количественно определяется с помощью атомно-флуоресцентного спектрометра холодного пара. Средняя концентрация ртути за время наблюдений 1,68 ± 0,45 нг/м3. Обнаружено явление уменьшения концентрации ртути весной в атмосфере п. Амдерма, аналогичное тому, что наблюдается в арктических областях Канады, США, Норвегии и Дании. В весенний период, с конца марта до середины июня, существенно увеличивается изменчивость концентрации ртути и уменьшается ее среднее значение. В мае 2002 г. средняя концентрация ртути составила 1,21 ± 0,47 нг/м3.

Введение

Ртуть является одним из трех приоритетных тяжелых металлов (Н§, Сё, РЬ) с точки зрения их экологической опасности (значимости). В атмосферном воздухе она находится главным образом в виде паров элементарной ртути Н§(0). Характерное время выведения ртути из атмосферы составляет, в среднем, порядка одного года [11]. Вследствие этого перенос ртути в атмосфере приводит к ее глобальному распространению, и в том числе повышенные уровни концентрации ртути наблюдаются в природных средах Арктики [1]. В 1995 г. на канадской полярной станции мониторинга Алерт впервые было обнаружено так называемое явление "истощения" содержания ртути в тропосфере [8]. Это явление наблюдалось в период с начала полярного восхода Солнца до завершения снеготаяния на станции, а именно с апреля по начало июня. Открытие этого явления стало возможным благодаря появлению автоматизированных средств измерения паров ртути в атмосфере высокого временного разрешения [7]. После этого уменьшение концентрации ртути в тропосфере в период весеннего восхода Солнца было обнаружено и на других арктических станциях: на Аляске (Барроу), Шпицбергене (Най Алезунд), в Гренландии (Норд) [2, 5, 6]. В 2000—2001 гг. это явление было обнаружено в Антарктике [4]. Таким образом, к настоящему времени известно, что уменьшение содержания ртути в тропосфере

* Научно-производственное объединение "Тайфун".

характерно только для высоких широт и наблюдается на протяжении порядка двух — трех месяцев от начала полярного восхода Солнца до окончания снеготаяния. Весьма примечательно, что уменьшение концентрации ртути совпадает по времени и по характеру с уменьшением концентрации тропосферного озона в полярных и приполярных районах [3, 5, 10]. При этом концентрации озона и паров элементарной ртути значимо коррелируют между собой (коэффициент корреляции г2 = 0,8) [9, 10].

Предполагается, что уменьшение концентрации тропосферного озона в период полярного восхода Солнца обусловлено автокаталитическими циклическими реакциями с участием атомарного брома Вг, который в свою очередь образуется в результате фотохимических гетерогенных реакций на поверхности атмосферных аэрозолей, содержащих морские соли и ион Вг-. Разрушение тропосферного озона при этом происходит по реакции

Наличие ВгО в атмосфере Арктики подтверждается спутниковыми спектроскопическими наблюдениями [12]. Уменьшение концентрации паров элементарной ртути в тропосфере может происходить по одной из реакций [6, 9]:

В результате процессов (2) и (3) элементарная ртуть трансформируется в соединения ее окисленных форм Hg(II). Эти соединения могут находиться как в газовой фазе, так и входить в состав атмосферного аэрозоля. Характерное время выведения этих соединений из атмосферы при процессах сухого осаждения и вымывания значительно меньше времени выведения паров элементарной ртути. Из-за этого в период между полярным восходом Солнца и окончанием снеготаяния возрастает поступление ртути из атмосферы в наземные и водные экосистемы, что приводит к ее накоплению в трофических цепях Арктики [1].

Описанный механизм окисления паров элементарной ртути подтверждается данными комплексных исследований содержания ртути в атмосфере на полярной станции Барроу (Аляска, США) по программе BAMS (Ваг-row АгсИс Мегсигу Study) [6]. Было показано, что во время уменьшения концентрации паров элементарной ртути наблюдаются увеличение концентрации окисленных форм ртути в атмосферном воздухе и рост общего содержания ртути в снежном покрове [6].

Целью настоящей работы является получение систематических данных высокого временного разрешения о концентрации паров элементарной ртути в приземном слое атмосферы, а также исследование уменьшения ее концентрации весной в условиях Российской Арктики.

В качестве пункта наблюдения за содержанием в атмосфере ртути был выбран п. Амдерма Архангельской области (69,72° с. ш., 61,62° в. д.). Ам-дерма находится на побережье Карского моря вблизи арктической границы

Вг + О3 ^ ВгО + О2.

(1)

ВгО + Hg0 ^ HgO + Вг, Вг + Hg0 ^ HgBn

(2) (3)

Материалы и методы

между Европой и Азией, что определяет значимость этой точки наблюдения с точки зрения обмена воздушными массами и, как следствие, глобального переноса загрязняющих веществ. Схема расположения станции в районе п. Амдерма представлена на рис. 1.

Измерения концентрации паров элементарной ртути проводили с помощью автоматизированного анализатора "Текгап 2537А" [11], который позволяет непрерывно измерять концентрацию паров элементарной ртути на уровне нг/мъ (рр^. Работа прибора основана на высокоселективной адсорбции паров ртути из воздуха на адсорбенте из золота высокой чистоты. После этого амальгамированная ртуть термически десорбируется и количественно определяется с помощью атомно-флуоресцентного спектрометра холодного пара. Анализатор снабжен двумя картриджами из золота высокой чистоты, работающими параллельно (каналы А и В); это позволяет осуществлять непрерывную подачу воздуха в анализатор. В то время как один картридж используется для поглощения ртути из пропускаемого атмосферного воздуха, во втором картридже происходит десорбция ртути при его нагревании.

Наблюдения проводили при времени экспозиции 60 мин, т. е. каждый час проводилось индивидуальное измерение концентрации ртути в атмосферном воздухе. После контроля качества полученных измерений рассчитывали средние значения между параллельными измерениями по каналам А и В (среднее за 2 ч измерений) и среднесуточные концентрации ртути в воздухе.

Результаты и обсуждение

За период с июня 2001 г. по январь 2004 г. среднесуточная концентрация паров атомарной ртути менялась в пределах от 0,3 до 4,5 нг/мъ. Среднее значение концентрации ртути за это время составило 1,68 ± 0,45 нг/М. Наблюдаемые концентрации элементарной ртути в приземном воздухе в районе п. Амдерма соответствуют глобальным фоновым уровням для арктических регионов [1]. Временной ход среднесуточной концентрации элементарной ртути в атмосферном воздухе в районе п. Амдерма в период с июня 2001 г. по февраль 2004 г. приведен на рис. 2а. Видно, что максимальные концентрации паров ртути наблюдаются в летние месяцы (июль и август). Так, средние значения концентрации ртути в приземном воздухе составили: в июле 2001 г. — 1,92 ± 0,30 нг/мъ, в июле 2002 г. — 1,88 ± ± 0,13 нг/мъ, в июле 2003 г. — 1,79 ± 0,37 нг/м3. Аналогичные сезонные изменения концентрации ртути в атмосфере наблюдались на канадской полярной станции Алерт [8] и полярной станции Барроу на Аляске [6]. Увеличение концентрации паров ртути в приземной атмосфере в течение лета

Рис. 1. Схема расположения станции мониторинга ртути в приземном слое атмосферы в районе п. Амдерма.

Рис. 2. Временной ход среднесуточной концентрации элементарной ртути в приземной атмосфере (а) и среднесуточной температуры воздуха (б) в районе п. Амдерма в период наблюдений с июня 2001 г. по февраль 2004 г.

может быть обусловлено сезонным увеличением температуры воздуха и, как следствие, возрастанием испарения летучих форм ртути с наземных и водных экосистем в глобальном, региональном и локальном масштабах [6]. Временной ход температуры приземного воздуха в п. Амдерма приведен на рис. 2б. Кроме того, на протяжении периода наблюдений отмечены спорадические пики концентрации ртути. Так, 31 января 2001 г. средняя концентрация элементарной ртути в воздухе составила 3,30 ± 1,15 нг/м3, 26 октября 2003 г. — 3,9 ± 0,9 нг/м3 и 29 октября 2003 г. — 2,8 ± 2,4 нг/мъ. Однако в отличие от долговременного повышения концентрации в летние месяцы эти всплески концентраций носят кратковременный характер (наблюдаются только на протяжении нескольких часов). Причину этого явления еще предстоит выяснить с помощью анализа метеоинформации. Можно предположить, что эти даты соответствуют выносу воздушных масс от источников, расположенных на континенте.

В период с конца марта до середины июня концентрация паров элементарной ртути изменяется характерным образом, а именно, существенно увеличивается ее изменчивость. Концентрация паров ртути в этот период варьирует от 0,01 до 2,3 нг/м3, причем это наблюдалось весной как 2002 г., так и 2003 г. (см. рис. 2а). Соответственно уменьшается среднее значение концентрации ртути в этот период и увеличивается ее стандартное отклонение. Так, например, в мае 2002 г. средняя концентрация ртути в атмосферном воздухе составила 1,21 ± 0,47 нг/м3. Минимальная изменчивость концентрации ртути наблюдалась в зимние месяцы. Так, стандартное отклонение концентрации за период с 1 декабря 2001 г. по 28 февраля 2002 г. составило ±0,22 нг/м3.

Таким образом, по результатам наблюдений с помощью автоматического анализатора "Текгап 2537А" в п. Амдерма достоверно регистрируется уменьшение содержания элементарной ртути в приземной атмосфере в период после полярного восхода Солнца до завершения снеготаяния. Полученные для Российской Арктики результаты означают, что сезонное уменьшение концентрации па

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