Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНЕГО АТМОСФЕРНОГО ПЕРЕНОСА НА ФОРМИРОВАНИЕ ИОННОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ

Котова Е.И. 1 Шевченко В.П. 2
1 ФГБУ «Северное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»
2 ФГБУН «Институт океанологии им. П.П. Ширшова» Российской академии наук
Цель исследования заключалась в оценке влияния дальнего атмосферного переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Российской Арктики в сравнении с влиянием местных источников загрязнения. Исходным материалом для проведения исследования послужили результаты государственного мониторинга загрязнения атмосферных осадков на 6 прибрежных станциях за период 1991–2008 гг. и снежного покрова на 43 прибрежных и островных станциях Белого, Баренцева и Карского морей за период 1988–2008 гг. Для определения источников поступления вещества для месяца с максимальной за весь период наблюдений концентрацией ионов в атмосферных осадках с помощью программы HYSPLIT [www.arl.noaa.gov] мы рассчитывали ежедневные обратные траектории поступления воздушных масс. Показано, что роль дальнего переноса в процессе формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова различна для каждой станции; на основе корреляционного анализа и анализа обратных траекторий поступления воздушных масс могут быть определены основные направления поступления ионов. Результаты данной работы могут быть использованы для геоэкологической экспертизы прибрежной зоны Российской Арктики, где начинается широкомасштабное освоение нефтегазовых месторождений.
атмосферные осадки
снежный покров
ионный состав
дальний атмосферный перенос
прибрежная зона
Российская Арктика
загрязнение
1. Василенко Н.В., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 182 с.
2. Виноградова А.А. Антропогенный аэрозоль над морями Северного Ледовитого океана: дис. ... д-ра геогр. наук. – М., 2004. – 218 c.
3. Добровольский В.В. Основы биогеохимии: учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Академия, 2003. – 400 с.
4. Котова Е.И., Коробов В.Б., Шевченко В.П. Особенности формирования ионного состава снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора арктических морей России // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – URL: www.science-education.ru/106-7843 (дата обращения: 25.12.2014).
5. Общая характеристика климата Архангельской области и Ненецкого автономного округа. – Режим доступа: http://www.sevmeteo.ru (дата обращения: 22.12.2014).
6. Руководство по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186-89). – М.: Госкомгидромет – Министерство здравоохранения СССР, 1991. – 693 с.
7. Система Белого моря. Т. II [отв. ред. А.П. Лисицын, ред. И.А. Немировская]. – М.: Научный мир, 2012. – 784 с.
8. Трубицина О.П. Нагрузки кислотных выпадений на севере Русской равнины // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Серия: Естественные науки. – 2013. – № 4. – С. 44–49.
9. Шевченко В.П. Аэрозоли – влияние на осадконакопление и условия среды в Арктике: дис. … канд. геол.-мин. наук. – М., 2000. – 213 с.
10. Шевченко В.П., Коробов В.Б., Лисицын А.П. и др. Первые данные о составе пыли, окрасившей снег на Европейском Севере России в желтый цвет (март 2008 г.) // Доклады Академии наук. – 2010. – Т. 431, № 5. – С. 675–679.
11. Шевченко В.П., Лисицын А.П., Виноградова А.А. и др. Аэрозоли Арктики – результаты десятилетних исследований // Оптика атмосферы и океана. – 2000. – Т. 13, № 6–7. – С. 551–576.
12. NOAA – Air Resources Laboratory. – Режим доступа: http://www.arl.noaa.gov.
13. Shevchenko V. The influence of aerosols on the oceanic sedimentation and environmental conditions in the Arctic. Berichte zur Polar- und Meeresforschung. 2003. – № 464. – 149 p.

Исследования последних 40 лет, выполненные учеными разных стран, показали, что в северных широтах, особенно в Арктике, в загрязнении природной среды большую роль играет перенос загрязняющих веществ воздушными массами [2, 11, 13]. Различные загрязнители обнаружены на расстояниях в сотни и тысячи километров от их источников [2, 10, 13]. Арктический аэрозоль содержит составляющие различной природы, количественное соотношение между которыми зависит от времени года и места наблюдений [2, 9]. Кроме антропогенных источников, в рассматриваемом регионе есть значимый природный источник поступления аэрозолей в атмосферу – это морские акватории, а в летний период также литогенный и биогенный материал суши.

Формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Российской Арктики проходит под воздействием интенсивного западного переноса воздушных масс с Атлантического океана. Эта территория находится в зоне активной циклонической деятельности и частой смены воздушных масс, различных по месту своего формирования, температуре и влажности. Наиболее интенсивна циклоническая деятельность осенью и зимой [5]. Под влиянием Нордкапского течения большие акватории Баренцева моря остаются свободными ото льда и служат источником морских аэрозолей и в зимний период. В составе морских аэрозолей в атмосферу поступают хлорид-, сульфат-ионы, ионы натрия, калия, магния. Вклад регионов в загрязнение атмосферного воздуха различен. Предприятия г. Норильска – мощный источник диоксида серы, способный оказывать влияние на отдаленные территории. Значимый объем диоксида серы поступает от предприятий Мурманской и Архангельской областей. Основной объем выбросов оксидов азота приходится на источники Ямало-Ненецкого АО и Красноярского края.

Изучение ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова позволяет выявить пути поступления веществ на исследуемую территорию [4, 7, 8]. Цель исследования заключалась в оценке влияния дальнего переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктических морей в сравнении с влиянием местных источников загрязнения.

Материалы и методы исследования

Исходным материалом для проведения исследования послужили результаты государственного мониторинга загрязнения атмосферных осадков на 6 прибрежных станциях за период 1991–2008 гг. и государственного мониторинга загрязнения снежного покрова на 43 прибрежных и островных станциях Белого, Баренцева и Карского морей за период 1988–2008 гг. (рис. 1). Для оценки вклада морских аэрозолей в состав атмосферного воздуха прибрежных станций проводилось сравнение данных с материалами станции Сура, расположенной вне зоны прямого влияния промышленных источников и воздействия морской среды. Кроме того, это одна из немногих станций, где отбираются пробы и атмосферных осадков, и снежного покрова.

kot1.tif

Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб атмосферных осадков и снежного покрова

Анализ проб проводился по 10 показателям. Отбор и анализ проб на государственной сети наблюдений проводится по единым методикам согласно [6]. Достоверность результатов подтверждается большим объемом экспериментального материала, использованием апробированных методик полевых и камеральных работ, современных методов статистического анализа, ГИС-технологий. Были рассчитаны основные статистические показатели, матрицы коэффициентов парной корреляции между концентрациями веществ в пробах осадков и матрицы коэффициентов корреляции между концентрациями веществ в снежном покрове. С целью определения источников поступления веществ для месяца с максимальной за весь период наблюдений концентрацией ионов в атмосферных осадках с помощью программы HYSPLIT [12] рассчитаны обратные траектории переноса воздушных масс. Для расчета в программу вводились следующие показатели: время движения воздушных масс, взятое в расчет, составляло 120 часов. Высота воздушных масс над уровнем земли в точке расчета составляла 20 м (приземный слой), 500 м и 1000 м. Время в точке поступления воздушных масс – 12 часов 00 минут (местное). Для станций Нарьян-Мар, Онега, Сура полученные траектории классифицировались по четырем направлениям: южное, западное, северное, восточное. Для станций Двинского залива отдельно выделялось северо-западное направление, включающее территорию Кольского п-ова.

По формулам из работ [1, 3] был произведен расчет коэффициента обогащения талой фазы снежного покрова по отношению к атмосферным осадкам над океаном [3]. Для анионов расчет велся по отношению к хлорид-иону, для катионов – к иону натрия. Также рассчитывался суммарный показатель загрязнения относительно фоновой станции Сура и отдаленной островной станции им. Кренкеля (Земля Франца-Иосифа).

Результаты исследования и их обсуждение

Во временной динамике ионного состава как атмосферных осадков, так и снежного покрова, наблюдается значительная межгодовая изменчивость содержания ионов – в отдельные годы концентрации ионов могут возрастать в десятки раз, что подтверждают и высокие значения коэффициента вариации [4, 7].

Вследствие влияния морских аэрозолей в рассматриваемом районе происходит обогащение атмосферных осадков и снежного покрова ионами натрия и хлорид-ионами. Изменения концентраций этих ионов во времени и пространстве сходны между собой, поэтому практически на всех станциях между значениями концентраций данных показателей определяется значимая корреляция. Максимальные концентрации хлорид-ионов и ионов натрия в атмосферных осадках приходятся на холодный период (рис. 2), что связано с поступлением воздушных масс с незамерзающей части Баренцева моря и Атлантического океана. В пространственном отношении повышенное содержание хлорид-ионов в снежном покрове отмечается на прибрежных станциях, открытых для западного переноса воздушных масс с Баренцева моря: п-ов Канин, о-в Колгуев, северо-западное побережье Кольского п-ова, побережье и острова Карского моря.

kot2.tif

kot3.tif

Рис. 2. Годовой ход средних значений концентраций хлоридов и ионов натрия в атмосферных осадках, мг/л

Повышенное содержание сульфат-ионов на рассматриваемой территории отмечено в прибрежных районах Архангельской области, в западной части Ненецкого автономного округа, на северо-западе и в центральной части Кольского п-ова. На побережье Таймырского п-ова высокое среднее содержание сульфат-ионов в снежном покрове связано с увеличением концентраций в отдельные годы. Поступление сульфат-ионов может происходить в составе морских аэрозолей и от антропогенных источников. Для разделения этих источников был произведен расчет коэффициентов обогащения талой фазы снежного покрова по отношению к атмосферным осадкам над океаном. Значительный антропогенный вклад в загрязнение атмосферных осадков и снежного покрова сульфатами определен в районе Мончегорска и на территории Архангельской области. Повышенные значения коэффициентов обогащения снежного покрова сульфат-ионами отмечены на станции Сеяха, что говорит о значительной доле антропогенного загрязнения снежного покрова в результате влияния источников г. Норильска и разрабатываемых месторождений Ямало-Ненецкого автономного округа. Влияние этих же источников прослеживается и на станциях Таймырского полуострова. По мере удаления от побережья антропогенный вклад в загрязнение снежного покрова сульфатами увеличивается. Анализ обратных траекторий поступления воздушных масс показал, что увеличение содержания сульфат-ионов в атмосферных осадках происходит, в том числе, и за счет дальнего переноса их с территории Республики Коми, Мурманской области, стран Северной Европы.

Средние значения концентраций нитрат-ионов увеличиваются с северо-востока на юго-запад, на Кольском полуострове увеличение средних значений концентраций нитрат-ионов идет с северо-запада на юго-восток (рис. 3). В увеличении концентраций форм азота и кислотности атмосферных осадков проявляется воздействие антропогенных выбросов Вологодской области. Пространственное изменение значений суммарного показателя загрязнения относительно фоновой станции Сура согласуется с пространственным распределением значений концентраций «морских» ионов, поступающих в результате переноса с незамерзающих акваторий Баренцева моря.

kot4.tif

Рис. 3. Пространственное изменение концентраций нитратов в снежном покрове, мг/л

Таким образом, основной вклад в загрязнение снежного покрова прибрежных станций относительно континентальных оказывает дальний перенос морских аэрозолей. Высокие значения суммарного показателя загрязнения относительно станции им. Кренкеля определены на станциях, где повышены концентрации форм азота: станции Онега, Мезень, Нарьян-Мар, Сеяха, Ковдор, п-ов Канин. В пространственном отношении закисление снежного покрова наблюдается на территории Кольского п-ова. Главной причиной закисления атмосферных осадков практически повсеместно является перенос воздушных масс с запада. Наибольшее число случаев закисления атмосферных осадков отмечено в районе фоновой станции Сура, что, скорей всего, может быть связано с дальним переносом, т.к. в непосредственной близости от станции источников загрязнения нет. Довольно часто закисление осадков отмечается в районе Архангельской агломерации.

Таким образом, вклад естественных и антропогенных факторов, а также дальнего переноса в процесс формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова различен для каждой станции, а на основе корреляционного анализа и анализа обратных траекторий поступления воздушных масс могут быть определены основные направления поступления ионов.

Авторы благодарны сотрудникам Северного и Мурманского управлений гидрометеослужбы за предоставление данных, академику А.П. Лисицыну и д.г.н. В.Б. Коробову за ценные советы. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 14-35-50431 мол_нр и 14-05-00059-а) и Программы 44 фундаментальных исследований Президиума РАН (проект «Седиментологические и биогеохимические исследования …»).

Рецензенты:

Виноградова А.А., д.г.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова» Российской академии наук, г. Москва;

Лукашин В.Н., д.г.-м.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН» Российской академии наук, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 30.12.2014.


Библиографическая ссылка

Котова Е.И., Шевченко В.П. ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНЕГО АТМОСФЕРНОГО ПЕРЕНОСА НА ФОРМИРОВАНИЕ ИОННОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12-11. – С. 2378-2382;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36699 (дата обращения: 28.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074