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.
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.
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.
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.