Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

IMPACT OF ANTROPOGENIC SOURCES ON FORMATION OF TRACE-METAL COMPOSITION OF THE WHITE SEA COASTAL NEAR-THE-GROUND AEROSOL

Starodymova D.P. 1 Vinogradova A.A. 2 Shevchenko V.P. 1 Zakharova E.V. 3 Sivonen V.V. 4 Sivonen V.P. 4
1 Shirshov Institute of Oceanology
2 A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics Russian Academy of Sciences
3 Lomonosov Moscow State University
4 White Sea Biological Station
Ранее опубликованные данные по микроэлементному составу приземного аэрозоля побережья Кандалакшского залива Белого моря проанализированы совместно с обратными траекториями движения воздушных масс к точке пробоотбора. Для каждой пробы вычислена частота прохода воздушных масс через важнейшие источники антропогенных выбросов региона (Мончегорск, Никель, Архангельск, Кировск, Апатиты, Мурманск, Санкт-Петербург). 29 проб, отобранные в течение лета – осени 2013 г. и весны 2014 г., сгруппированы по признаку преимущественного поступления воздушных масс от определенного антропогенного источника. Из выделенных групп были исключены те пробы, которые характеризуются смешанным поступлением воздушных масс. Для каждого источника загрязнения построены графики средних концентраций микроэлементов, присутствующих в соответствующих пробах аэрозоля. Воздушные массы, проходящие через Мончегорск и Никель, характеризуются повышенными содержаниями в пробах V, Ni, Cu, Cd, Y, Архангельск и Санкт-Петербург – Zn, Sb, Pb, Кировск и Апатиты – Sr, Ba и редкоземельных элементов (РЗЭ).
Previosly published materials of trace-element composition of the White Sea coastal near-the-ground aerosols were analyzed together with backward trajectories of air masses to sampling site. Frequency of air masses passing through the most important regional sources of anthropogenic emission (Monchegorsk, Nikel’, Arkhangelsk, Kirovsk, Apatity, Murmansk, Saint-Petersburg) was calculated for every sample. 29 samples collected during summer–autumn 2013 and spring 2014 were grouped by prevailed input of air masses from certain anthropogenic sources. Samples with multi-source input of air masses were excluded from identified groups. Average trace-element concentrations occurring in aerosol samples were plotted for every emission source. Air masses passing from Monchegrosk and Nikel’ is defined by increased contents of V, Ni, Cu, Cd, Y, from Arkhangelsk and St.-Petersburg – by Zn, Sb, Pb, from Kirovsk and Apatity – by Sr, Ba and rare earth elements (REEs).
atmospheric transport
anthropogenic sources
White Sea
Kola Peninsula
copper
nickel
heavy metals
backward trajectories
Arkhangelsk

Атмосферный перенос от антропогенных источников является важным путем поступления загрязняющих веществ в окружающую среду удаленных, в том числе арктических, районов [6, 8, 9, 13, 14]. Начавшись в середине 1980-х гг. [2], исследования атмосферного переноса загрязнителей сейчас приобретают особое значение для изучения воздействия антропогенных факторов на природу полярных и приполярных областей России. В ряде недавних работ опубликованы исследования по микроэлементному составу аэрозольного материала, поступающего в приполярные области [4, 7]. Для интерпретации данных по геохимии аэрозольного материала, полученных при полевых измерениях, полезным является анализ распространения воздушных масс к району исследований, что обеспечивает более надежные выводы об источниках загрязняющих веществ. В настоящей работе интерпретируются имеющиеся данные по химическому составу аэрозолей с привлечением статистической обработки массива данных по перемещениям воздушных масс в районе исследований, полученного с помощью программы HYSPLIT [15].

Материалы и методы исследования

Почти круглогодичные исследования аэрозолей на Беломорской биологической станции им. Н.А. Перцова МГУ (ББС МГУ) на северо-западном побережье Кандалакшского залива (Белое море) ведутся с 2010 г. Станция оборудована пробоотборником UAS-310, прокачивающим воздух через фильтры, на которые оседают частицы размером менее 2,5 мкм. Точка пробоотбора (66,55 ° с.ш., 33,1 ° в.д.) удалена от локальных источников загрязняющих веществ [7, 10, 12]. Длительность отбора отдельной пробы составляет около недели. Ранее проводились исследования органического и элементного углерода в аэрозолях, отобранных на этой станции [10]. В данной работе анализировался микроэлементный состав аэрозолей, собранных в течение трех сезонов: летом – осенью 2013 г. и весной 2014 г. Первые результаты изучения вещественного и микроэлементного состава этих аэрозолей опубликованы в работе [7]. Всего анализировалось 29 проб аэрозоля. В качестве источника антропогенного загрязнения рассматривались следующие города и их окрестности: Архангельск, Санкт-Петербург, Мончегорск, Никель, Кировск и Апатиты, Петрозаводск (рис. 1). Данные по выбросам в атмосферу этих городов опубликованы, например, в [5].

star1.tif

Рис. 1. Расположение точки отбора проб аэрозолей и источников антропогенных выбросов, которые использовались в расчете

Анализ атмосферного переноса в район отбора проб проводился по 5-суточным обратным траекториям движения воздушных масс для каждого часа тех дней, когда отбирались пробы. С помощью программы HYSPLIT было рассчитано 5280 обратных траекторий (по 24 траектории с интервалом в один час для 220 дней), каждая точка которых характеризовалась тремя координатами, а также значениями метеорологических параметров (высота слоя перемешивания, давление и количество осадков). Весь массив траекторий был разделен на 29 групп, соответствующих периодам отбора каждой пробы аэрозолей, для которых получены данные по микроэлементному составу. Для удобства выявления преобладающих направлений переноса, с которых приходят воздушные массы на ББС МГУ, все точки траекторий для каждого периода отбора проб в отдельности были отнесены к ячейкам размером 1 °x1 °, а затем высчитано количество точек траекторий, попавших в конкретную ячейку. Подробно этот метод математической обработки обратных траекторий описан в работе [1]. В результате проба характеризуется матрицей, где для каждой географической ячейки обозначено количество траекторий, прошедших через эту ячейку. Это позволяет вычислить частоту прохождения воздушных масс через интересующие нас источники. Размерность ячеек не позволяет более детально рассмотреть частоту прохода воздушных масс через отдельные объекты (например, гг. Кировск и Апатиты попадают в одну ячейку), однако, учитывая, что перенос воздушных масс в изучаемом районе определяется в основном действием крупных циклонов, большая детализация из-за процессов перемешивания теряет смысл.

Результаты исследования и их обсуждение

Из всех выбранных источников наиболее часто воздушные массы проходят через ту ячейку, где расположен г. Мончегорск. Северное и северо-западное направление поступления воздушных масс наиболее устойчивое, поэтому только в 10 % проб обратные траектории не проходили через ячейку, в которой расположен г. Мончегорск. Поступление воздушных масс с южных румбов происходило наиболее редко, поэтому количество точек траекторий, попадающих в ячейки, в которых располагаются Санкт-Петербург и Петрозаводск, минимально (таблица), а в 70 % проб обратные траектории не проходили через эти ячейки.

Суммарное количество точек обратных траекторий, попадающих в ячейки с главными источниками антропогенных выбросов, и количество проб, при отборе которых обратные траектории не проходили через данные ячейки («нулевые» пробы*)

Источник

Координаты (с.ш., в.д.)

Сумма точек траекторий, попадающих в ячейку

Количество «нулевых» проб*

Мончегорск

67 °, 32 °

2708

3

Кировск и Апатиты

67 °, 33 °

2491

4

Мурманск

68 °, 33 °

1634

10

Архангельск

64 °, 40 °

568

17

Никель

69 °, 30 °

531

7

Санкт-Петербург

59 °, 30 °

253

21

Петрозаводск

61 °, 34 °

151

20

Как уже отмечалось, длительность отбора одной пробы довольно продолжительна (около недели), поэтому почти каждая проба характеризуется более чем одним источником загрязнения. Оказалось невозможным выделить пробы, при отборе которых воздушные массы приходили исключительно со стороны Мурманска, Архангельска, Петрозаводска и др. Поэтому были рассмотрены следующие группы проб, при отборе которых воздушные массы проходили преимущественно через:

- Мончегорск и Никель (М + Н), 14 проб;

- Архангельск и Санкт-Петербург (А + С), 6 проб;

- Кировск и Апатиты (К + А), не задевая другие объекты Кольского полуострова, 2 пробы.

Для каждой из выделенных групп были рассчитаны средние содержания элементов в пробах и построены графики средних концентраций химических элементов (далее будут называться элементными профилями).

На рис. 2 представлены элементные профили для выделенных групп аэрозольных проб. Явно выделяется элементный профиль проб группы М + Н, который характеризуется более высоким содержанием ванадия, никеля, меди, рубидия, иттрия, кадмия и цезия. Основными источниками никеля и меди в регионе являются выбросы металлургических предприятий Кольского полуострова. Другим источником меди и никеля является сжигание угля [11, 14], однако на фоне воздействия предприятий гг. Мончегорска и Никеля этот источник не идентифицируется. Конфигурация элементных профилей остальных проб схожа. Группа А + С характеризуется повышенным содержанием цинка и сурьмы, тогда как для группы К + А характерны более высокие содержания стронция, бария и редкоземельных элементов (РЗЭ). Поступление этих элементов со стороны гг. Кировск и Апатиты определяется предприятиями добычи и переработки апатит-нефелиновых руд. Отметим, что среднее по выборке содержание свинца промерно такое же, как и в пробах А + С и К + А, но значительно выше, чем в пробах М + Н, несмотря на численное преобладание этих проб. Можно говорить о том, что преобладающий источник свинца не выделяется и он не расположен с северной стороны, откуда поступают воздушные массы группы М + Н. В работе [3] было показано, что свинец над европейской территорией России в значительной степени имеет происхождение из Западной Европы. Основными источниками свинца являются эмиссии автомобильного транспорта и, в меньшей степени, сжигание угля [14]. Для сурьмы самые высокие содержания получены в группе А + С, однако они незначительно выше среднего значения, в пробах М + Н значительно ниже, а в пробах К + А сурьма не определяется. Это говорит о том, что сурьма поступает с разных направлений, но от объектов Кольского полуострова поступление сурьмы низкое (главным источником поступления сурьмы является сжигание угля [11]).

star2.tif

Рис. 2. Графики средних концентраций элементов в аэрозольном материале, поступающем со стороны источников: Мончегорск и Никель; Архангельск и Санкт-Петербург; Кировск и Апатиты

Выводы

Поступление воздушных масс в район ББС МГУ происходит с разных направлений, среди которых преобладающим является северное и северо-западное. Средний состав аэрозолей определяется наложением этих воздушных масс, а содержание некоторых элементов связано с конкретным направлением переноса. Поступление воздушных масс со стороны Мончегорска и Никеля определяет повышенное содержание ванадия, никеля, меди, кадмия, иттрия, цезия. Воздушные массы, приходящие со стороны Кировска и Апатитов, вызывают повышенние содержания стронция, бария и РЗЭ. Источники таких элементов, как цинк, сурьма и свинец, многочисленны и не описываются тем ограниченным набором параметров, который использовался в работе.

Авторы работы благодарны А.Б. Цетлину за содействие в организации отбора проб, академику А.П. Лисицыну и доценту Д.Д. Бадюкову за ценные советы. За предоставленную возможность строить обратные траектории переноса воздушных масс, пользуясь моделью HYSPLIT на сайте http://www.arl.noaa.gov/ready.html, авторы признательны сотрудникам Лаборатории воздушных ресурсов Национальной администрации США по исследованию океана и атмосферы (NOAA).

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 14-27-00114).