Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка влияния местных источников загрязнения и дальнего переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктики

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка влияния местных источников загрязнения и дальнего переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктики"

На правах рукописи

005058411

КОТОВА Екатерина Ильинична

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МЕСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ДАЛЬНЕГО ПЕРЕНОСА НА ФОРМИРОВАНИЕ ИОННОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА АРКТИКИ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ростов-на-Дону 2013

005058411

Диссертационная работа выполнена на кафедре географии и геоэкологии Института естественных наук и биомедицины ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: Коробов Владимир Борисович,

доктор географических наук, врио директора Северо-Западного отделения ФГБУН «Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН»

Официальные оппоненты:

Ивлиева Ольга Васильевна,

доктор географических наук, профессор, заведующая кафедрой туризма ФГАОУ ФПО «Южный федеральный университет»

Виноградова Анна Александровна,

доктор географических наук, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории оптики и микрофизики аэрозоля ФГБУН «Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН»

Ведущая организация:

ФГБУН «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»

Защита диссертации состоится 23 мая 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.12 при ФГАОУ ФПО «Южный федеральный университет» по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географический факультет ЮФУ, ауд.201.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ФГАОУ ФПО «Южный федеральный университет» по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, д. 148.

Автореферат разослан 2J3 ллл^ЛаАлЯ- 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук, профессор

О.С. Безуглова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования обусловлена важностью изучения прибрежной зоны северных регионов для предотвращения негативных последствий антропогенной деятельности, так как прибрежная зона - очень уязвимая территория, тем более в северных регионах, в то же время она интенсивно осваивается человеком в течение уже длительного времени. До недавнего времени Арктика рассматривалась в качестве «эталона чистоты». 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. Арктический аэрозоль содержит составляющие различной природы, количественное соотношение между которыми зависит от времени года и места наблюдений.

В прибрежной зоне взаимодействие компонентов окружающей среды проявляется наиболее ярко. Это наиболее динамичная часть всей акватории. Вследствие различия подстилающей поверхности суши и моря, особенности осаждения загрязняющих веществ в прибрежной зоне морей отличаются от особенностей их осаждения в открытом море и в глубине континента. Изучение ионного состава осадков и снежного покрова, связей между концентрациями элементов позволяет выявить пути поступления веществ на исследуемую территорию. Положение территории в высоких широтах определяет благоприятные предпосылки для исследования химического состава атмосферы, используя атмосферные осадки и снежный покров в качестве природного архива потоков веществ из атмосферы.

Объектами исследования являются атмосферные осадки и снежный покров прибрежной зоны Белого, Баренцева и Карского морей.

Предмет исследования - процесс формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктических морей.

Цель исследований - оценка влияния местных источников загрязнения и дальнего переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктики.

Задачи исследований:

1. Составление электронной базы данных ионного состава атмосферных осадков на территории Вологодской, Архангельской областей, Ненецкого автономного округа (АО) и Республики Коми и электронной базы данных ионного состава снежного покрова на территории Мурманской, Вологодской и Архангельской областей, Ненецкого, Ямало-Ненецкого, Таймырского АО и Республики Коми за многолетний период.

2. Инвентаризация наиболее значимых источников загрязнения окружающей среды, оказывающих влияние на исследуемую территорию.

3. Статистический анализ материалов государственного мониторинга загрязнения атмосферных осадков и снежного покрова.

4. Расчет и классификация обратных траекторий поступлений воздушных

масс.

5. Выявление путей поступления основных ионов по результатам статистического анализа и анализа обратных траекторий поступления воздушных масс.

6. Разработка рекомендаций по оптимизации системы наблюдений за ионным составом атмосферных осадков и снежного покрова.

Научная новизна. Впервые исследован ионный состав осадков и снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктики как особого географического объекта. Изучена временная и пространственная динамика ионного состава осадков и снежного покрова территории. Проведен анализ процессов формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова для данного района, выявлены общие закономерности и локальные особенности поступления ионов. Выполнена оценка воздействия ионного состава осадков и снежного покрова на подстилающую поверхность. Разработаны рекомендации по оптимизации системы наблюдений за ионным составом осадков и снежного покрова.

Практическая значимость. Материалы и результаты исследования могут быть использованы при составлении разделов справочных пособий экологического состояния Европейской территории России (ЕТР), для разработки лекционных курсов по региональной экологии, для составления частных программ мониторинга окружающей среды, а также для совершенствования системы регионального экологического мониторинга.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Корреляционный анализ и анализ обратных траекторий поступления воздушных масс позволяет определить факторы, оказывающие влияние на ионный состав снежного покрова и атмосферных осадков.

2. Вследствие влияния морских аэрозолей в прибрежной зоне происходит обогащение атмосферных осадков и снежного покрова ионами натрия и хлорид-ионами, в том числе и в зимний период, в связи с поступлением воздушных масс с незамерзающей части Баренцева моря и севера Атлантического океана.

3. Повышенные концентрации сульфат-ионов в прибрежной зоне обусловлены влиянием моря. В районе гг. Мончегорск и Архангельск, на побережье Таймырского п-ова установлен антропогенный вклад в загрязнение осадков и снега сульфат-ионами.

4. Основной вклад в антропогенную составляющую загрязнения снежного покрова вносят формы азота.

5. Для оптимизации системы мониторинга рекомендуется возобновление наблюдений за ионным составом снежного покрова на гидрометеорологической станции (ГМС) Архангельск; организовать отбор проб снежного покрова в районе г. Новодвинск и дополнительную точку отбора проб снежного покрова на территории Ненецкого АО; провести ежемесячный отбор проб снежного покрова на станциях Онега, Архангельск, Шойна, Нарьян-Мар, Диксон; включить в Программу мониторинга снежного покрова и атмосферных осадков отдельных станций определение концентраций тяжелых металлов и ароматических углеводородов.

Личный вклад. Автором была составлена электронная база данных ионного состава осадков на 6 прибрежных станциях, а также электронная база данных ионного состава снежного покрова на 43 прибрежных и островных ГМС; проведен статистический анализ материалов, включающий расчет основных статистических показателей и матриц коэффициентов парной корреляции между концентрациями ионов для атмосферных осадков и снежного покрова; построены и классифицированы обратные траектории поступления воздушных масс; выявлены особенности формирования ионного состава осадков и снежного покрова; построены карты пространственного распределения значений концентраций ионов в снежном покрове; рассчитана нагрузка поступления ионов на подстилающую поверхность; разработаны рекомендации по оптимизации системы наблюдений за ионным составом осадков и снежного покрова на рассматриваемой территории.

Достоверность результатов подтверждается большим объемом экспериментального материала, использованием апробированных методик полевых и камеральных работ, современных методов статистического анализа, ГИС-технологий. Вся процедура от отбора пробы до получения данных о концентрациях ионов проводится по единым методикам. Расчет обратных траекторий поступления воздушных масс производился в Программе HYSPLIT, разработанной Лабораторией воздушных ресурсов Американской национальной администрации по исследованию океана и атмосферы (NOAA), широко используемой в научных кругах.

Апробация работы. Данные диссертационного исследования были доложены и обсуждены на 6 международных и региональных научных и научно-практических конференциях, в том числе XVIII и XIX Международных научных конференциях (Школах) по морской геологии (Москва, 2009, 2011), Конференции молодых специалистов, посвященной 55-летию Института прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова (Москва, 2011), Научной конференция с международным участием «История изучения и освоения Арктики - от прошлого к будущему» (Архангельск, 2012).

Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 122 источника, списка иллюстративного материала. Общий объем диссертации составляет 257 страниц, включая 12 приложений, 41 рисунок, 10 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.г.н. В.Б. Коробову, а также к.г.-м.н. В.П. Шевченко за консультации и рекомендации. Автор признательна сотрудникам ФГБУ «Северное УГМС», принимавшим участие в сборе фактического материала, а также руководителю ФГБУ «Мурманское УГМС» A.B. Семенову за предоставление данных химического анализа проб снежного покрова, отобранных на территории Кольского п-ова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит характеристику актуальности, объектов и предмета исследования, цели, задач, научной новизны, практической значимости работы, изученности проблемы и личного вклада автора. Кроме того, включает сведения об апробации результатов, структуре и объеме работы, а также выносимые на защиту положения.

Глава 1. Геоэкологические условия формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова

В данной главе рассмотрены физико-географические особенности исследуемой территории, расположенной на Севере ЕТР, с точки зрения их влияния на процессы формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова.

В рамках исследования было определено, что формирование ионного состава осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктики проходит под воздействием интенсивного западного переноса воздушных масс с Атлантического океана. Вхождения теплого и влажного атлантического воздуха зимой сопровождаются потеплениями и снегопадами, которые могут приводить к подтаиванию снега.

Территория находится в зоне активной циклонической деятельности и частой смены воздушных масс, различных по месту своего формирования, температуре и влажности. Особенно обильно осадки выпадают при циклонах, поступающих из районов Черного и Средиземного морей. Циклоны с Атлантики приносят осадки менее интенсивные, но более продолжительные.

Зимой на рассматриваемой территории преобладают ветры южной составляющей. Восточные ветры доминируют на станциях Карского моря -Челюскин, Марресале, Сопочная Карга, Визе. На островных станциях (им. Кренкеля, Известий ЦИК) преобладают уже северо-восточные ветры. Розы ветров для зимнего периода несильно отличаются от годовых, а лишь незначительно сдвигаются в строну преобладающего направления.

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. Кроме акваторий морей природным источником поступления ионов в атмосферу служит территория суши.

Непосредственное антропогенное воздействие на ионный состав атмосферных осадков и снежного покрова рассматриваемой территории оказывают источники Мурманской, Вологодской, Архангельской областей, Республики Коми и Республики Карелия, севера Красноярского края (г. Норильск), Ямало-Ненецкого автономного округа. Вклад регионов в загрязнение атмосферного воздуха различен. Предприятия г. Норильска -мощный источник диоксида серы, способный оказывать влияние на отдаленные территории, вследствие чего по масштабу воздействия его можно отнести к региональным. 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.

Предприятия Ямало-Ненецкого АО являются также основным источником оксидов углерода. В качестве значимого, но не учтенного источника поступления загрязняющих веществ в атмосферу являются отвалы горных пород разрабатываемых месторождений, от которых в атмосферу поступает большое количество гидрокарбонат-ионов, ионов кальция, калия и др.

Расположение территории в зоне низкого метеорологического потенциала загрязнения способствует с одной стороны очищению атмосферы, а с другой -значительному загрязнению осадков и, как следствие, снежного покрова в результате интенсивного вымывания примесей из атмосферы.

Глава 2. Материалы и методы исследования

В данной главе описаны объем и состав исходных данных, а также методы и методики исследования.

2.1. Характеристика исходных материалов

Исследование проводилось на основе архивных материалов государственного мониторинга окружающей среды и обобщения литературных данных подразделений Росгидромета и Российской Академии наук. Исходными материалами являлись результаты химического анализа ежегодных проб снежного покрова 43 прибрежных и островных ГМС Белого, Баренцева и Карского морей за период с 1988 г. по 2008 г., а также ежемесячных проб осадков ГМС Архангельск, Северодвинск, Брусовица, Мудьюг, Онега, Нарьян-Мар за период 1991-2008 гг. (рис. 1)._

ШЯШ

"Г""!" V ф "

и&т «¿за

«тоичег

--и

Н0ШШШ. мшэс*

Диксон

(Шишек Ки|»1 а

(irn.fm.iil Кн.» ии Ашкрия

ЫмнИм- тткш*

!1>|рИ1Ш

•• • . "|(,|1||и Мы* Мнкулкнн

• МММ1Ь

Иульнп < Ч?М|Ч№Ш1№к л(пш«шк

(Ии'Га Ируйияшм 1>|')1

НмрМнМнр

СТНИШН! (тгбирп проб!

- ФГ1»У "Семерное У ГМС" Ф Ф1 "ВУ "Мурманское У ГМС"

Рисунок 1. Расположение станций отбора проб атмосферных осадков и снежного покрова

Для оценки вклада морских аэрозолей в состав атмосферного воздуха прибрежных станций, в качестве фоновых рассматривались материалы станции Сура, расположенной вне зоны прямого влияния промышленных предприятий и воздействия морской среды, на границе Архангельской области и Республики Коми. Кроме условно чистой станции Сура в работе использовались данные станций Кольского полуострова.

2.2. Обзор методов работы

Отбор и анализ проб атмосферных осадков и снежного покрова на государственной сети наблюдений проводится по единым методикам на основании РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы». Химический анализ проб проводился по 10 показателям: содержание сульфат-, нитрат-, хлорид- и гидрокарбонат-ионов, ионов аммония, магния, натрия, кальция и калия, а также уровень рН.

Статистический анализ данных включал расчет основных статистических показателей и построение матриц коэффициентов парной корреляции между концентрациями ионов в пределах одной станции для снежного покрова и для атмосферных осадков. Для станций Онега, Нарьян-Мар и Сура также были рассчитаны коэффициенты парной корреляции между значениями концентраций ионов в снежном покрове и значениями концентраций этих же ионов в атмосферных осадках. Для определения степени близости связи использовалась вербально-числовая шкала Харрингтона.

Для месяца с максимальной за весь период наблюдений концентрацией иона в атмосферных осадках рассчитывались ежедневные обратные траектории поступления воздушных масс с помощью программы НУБРЫТ, разработанной Лабораторией воздушных ресурсов Американской национальной администрации по исследованию океана и атмосферы (ЫОАА), на сайте http://www.arl.noaa.gov. Для расчета использовались следующие показатели: время движения воздушных масс - 120 часов; высота воздушных масс над уровнем земли в точке расчета - 20 м, 500 м, 1000 м; время в точке поступления воздушных масс - 12 часов 00 минут (мск.). Полученные траектории классифицировались по четырем направлениям: южное, западное, северное, восточное. Для станций Мудьюг, Архангельск, Брусовица и Северодвинск отдельно выделялось северо-западное направление, включающее территорию Кольского п-ова.

Построение схем пространственного изменения концентраций проводилось в ГИС Мар1пй>. Схемы создавались при помощи интерполяции, инструментом «Тематические карты» - метод ГО\У. В связи с тем, что разброс значений концентраций ионов в снежном покрове значителен, для построения карт использовались значения медианы.

Расчет нагрузки на подстилающую поверхность производился по формулам:

- для атмосферных осадков ["Свистов и др.. 2010]: Р = Xе/ *10 3' где

Р - величина влажного выпадения, т/км2 в год; С - концентрация ионов в пробе осадков в ¡-й месяц, мг/л; ц - сумма осадков в ¡-й месяц, мм. - для снежного покрова ГВасиленко и др.. 19851:

0 = С*р*Ю'3, где

(2 - запас ионов на маршруте, т/км2; С - концентрация ионов в пробе снежного покрова, мг/л; р - средний влагозапас на маршруте, мм.

Расчет коэффициента обогащения талой фазы снежного покрова ионами по отношению к атмосферным осадкам над океаном проводился для анионов по отношению к хлорид-иону, для катионов - к иону натрия по формуле [Тот-ЗаиШгу, Вате, 2002; Добровольский, 2003]:

(с/

/С

„Г. \ / СГ(Ый'))

КОл = -;-^ , ГДе

/М

СГЩа')

КОА - коэффициент обогащения, Сион, СсиМа1 - концентрация рассматриваемого иона и хлорид-ионов или ионов натрия в талой фазе снежного покрова на станции, Ми[)н, МС|(Гч-а) - концентрация рассматриваемого иона и хлорид-ионов или ионов натрия в атмосферных осадках над океаном [Добровольский, 2003].

Суммарный показатель загрязнения рассчитывался относительно фоновой станции Сура и отдаленной островной станции им. Кренкеля по формуле [Методические рекомендации ..., 1990]:

2 = 1

-С»1-1), где

Сф

Ъ - суммарный показатель загрязнения; Сгмс - концентрация ¡-го иона на станции, для которой производился расчет; Сф - концентрация 1-го иона на станции Сура или Кренкеля; п - количество ионов.

Глава 3. Ионный состав атмосферных осадков и снежного покрова, процессы их формирования

В главе приведена пространственная и временная динамика ионного состава осадков и снега, дано описание особенностей процесса их формирования, в том числе по данным корреляционного и траекторного анализа, рассчитаны коэффициенты обогащения снежного покрова и суммарные показатели загрязнения, дана оценка нагрузки поступления ионов на подстилающую поверхность.

3.1. Ионный состав атмосферных осадков

Для учета влияния количества осадка на концентрации ионов в атмосферных осадках вместо арифметического среднего за многолетний период значения концентрации в атмосферных осадках производился расчет средневзвешенной концентрации.

3.1.1. Пространственное изменение ионного состава атмосферных осадков

В пространственном распределении значений концентраций ионов прослеживается влияние морских акваторий. Наибольшие средневзвешенные

концентрации хлорид-ионов и ионов натрия зафиксированы на станциях Северодвинск (3,27 мг/л) и Мудьюг (8,10 мг/л), максимально приближенных к морю. На остальных станциях средневзвешенные значения концентраций хлорид-ионов составляли 1,18-2,27 мг/л. Содержание ионов натрия в атмосферных осадках также постепенно снижается при удалении от моря в пределах 0,47^,43 мг/л.

Средневзвешенные за период наблюдений концентрации сульфат-ионов на рассматриваемой территории находились в пределах 1,93 мг/л (ГМС Сура) -8,30 мг/л (ГМС Мудьюг). На станции Архангельск содержание сульфат-ионов в атмосферных осадках относительно других устьевых станций повышено (4,86 мг/л), что связано с увеличением антропогенного воздействия.

Наибольшие средневзвешенные за период наблюдения значения концентраций гидрокарбонат-ионов, ионов кальция и калия определены на станции Онега и равны 17,73 мг/л, 5,08 мг/л и 1,75 мг/л соответственно. Средневзвешенные концентрации гидрокарбонат-ионов на других станциях изменялись в интервале 1,14-5,67 мг/л, ионов кальция - 0,63-1,97 мг/л, калия -0,31-0,80 мг/л.

Содержание нитрат-ионов на всех станциях изменяется незначительно: 0,92-1,99 мг/л. Средневзвешенные за период наблюдений концентрации ионов магния определены в интервале 0,25-1,49 мг/л, иона аммония - 0,24-1,62 мг/л.

По данным многолетних наблюдений за ионным составом осадков максимальные средние значения большинства показателей определены на станции Мудьюг. Наименьшие средние значения определяемых компонентов наблюдались в пробах с фоновой станции Сура.

Наибольшее число случаев закисления атмосферных осадков (рН < 5,6) отмечено в районе ГМС Сура (61 %), что, скорей всего, может быть связано с воздействием дальнего переноса, т.к. в непосредственной близости от станции источников загрязнения нет. Довольно часто закисление атмосферных осадков отмечается также в районе Архангельской промышленной агломерации (Архангельск, Брусовица). На станциях Нарьян-Мар и Онега средний уровень рН сдвинут в щелочную сторону вследствие большого содержания в атмосферных осадках гидрокарбонат-ионов.

3.1.2. Временная динамика ионного состава атмосферных осадков

Во временной динамике определена связь изменений во времени значений концентраций хлорид-ионов и ионов натрия как в годовом, так и в многолетнем ходе. В годовом изменении средних значений указанных ионов отмечен рост в холодный период года, когда прилагающие акватории покрыты льдом.

На станции Онега в летний период концентрации ионов натрия выше концентраций хлорид-ионов, т.е. появляется дополнительный к морскому источник данного иона. Годовой ход средних значений концентраций гидрокарбонат-ионов в осадках в большинстве случаев аналогичен годовому ходу концентраций ионов кальция, а также сходен с годовым ходом суммы осадков и суммы ионов. На станциях Онега, Мудьюг, Северодвинск, Брусовица концентрации гидрокарбонат-ионов и ионов кальция выше в теплый период,

что связано с большей запыленностью атмосферы. В районе Архангельска значения концентраций большинства ионов выше в зимний период. На станции Сура не прослеживается связь внутригодовых изменений концентраций ионов натрия и хлорид-ионов, а также гидрокарбонат-ионов и ионов кальция. Повышенные концентрации сульфат-ионов в районе данной станции сохраняются в весенний период, нитрат-ионов - зимой.

Вследствие большей запыленности атмосферы уровень рН осадков на всей территории в основном увеличивается летом и сдвигается в сторону кислотности в зимний период.

В многолетней динамике для всех ионов отмечаются резкие увеличения или снижения концентраций в отдельные годы. За последние пять лет отмечена тенденция снижения концентраций сульфат-ионов в атмосферных осадках на территории Архангельской области. На станциях Онега, Архангельск, Брусовица отмечается незначительное снижение содержания в атмосферных осадках нитрат-ионов. В районе Нарьян-Мара с 2006 г. наблюдается рост концентраций нитрат-ионов на фоне их снижения в предыдущие годы. В последние годы отмечено снижение концентраций гидрокарбонат-ионов и ионов кальция практически повсеместно, за исключением станций Нарьян-Мар и Сура, где также отмечен рост уровня рН атмосферных осадков. Постепенное увеличение кислотности атмосферных осадков в период 1991-2008 гг. наблюдается на ГМС Брусовица.

3.2. Статистический анализ ионного состава атмосферных осадков

Статистический анализ абсолютных значений ежемесячных концентраций ионов в осадках выявил их значительную неоднородность в течение года и всего рассматриваемого периода. Коэффициент вариации изменяется в пределах 68,5-539,7%. Для гидрокарбонат-ионов, а в ряде случаев для сульфат- и хлорид-ионов, медиана значительно отличается от средней концентрации, что свидетельствует об асимметричности распределения значений.

Корреляционный анализ материалов ионного состава атмосферных осадков показал, что содержание основных ионов в осадках не зависит от количества выпавших осадков (значения модуля коэффициента корреляции между суммой осадков и значениями концентраций веществ находились в пределах 0,01-0,41).

Установлено влияние морских аэрозолей. Очень высокая корреляция между значениями концентраций хлорид-ионов и ионов натрия определена для всех станций за исключением Онеги и Суры, где степень связи между содержанием данных ионов в атмосферных осадках средняя.

Повсеместно получена значимая корреляция между значениями концентраций гидрокарбонат-ионов и ионов кальция. На станции Онега, где гидрокарбонат-ионы вносят основной вклад в сумму ионов, прослеживается высокой степени корреляционная связь концентраций гидрокарбонат-ионов с содержанием в осадках ионов натрия и калия.

Корреляция значений концентраций сульфат-ионов с содержанием в осадках других ионов чаще прямая и средняя по уровню значимости.

Определено, что концентрации нитрат-ионов не имеют тесной связи с концентрациями остальных ионов, за исключением сульфат ионов на отдельных станциях.

Установлено, что на уровень рН значимое воздействие оказывает содержание в осадках гидрокарбонат-ионов, что подтверждается наличием высокой корреляции между значениями данных показателей.

3.3. Анализ обратных траекторий поступления воздушных масс

Анализ обратных траекторий поступления воздушных масс подтвердил влияние морских акваторий на содержание в атмосферных осадках исследуемой территории ионов натрия и хлорид-ионов. Высокие концентрации указанных ионов отмечаются и в период, когда прилегающие моря покрыты льдом, и связаны с поступлением воздушных масс с незамерзающей части Баренцева моря и севера Атлантического океана (рис. 2) [Котова, 2012]. Данная тенденция наблюдается и в районе фоновой станции Сура. Воздушные массы, приходящие с территории суши, приводят к росту концентраций ионов кальция, гидрокарбонат-ионов и высоким значениям уровня рН осадков. Рост значений концентраций гидрокарбонат-ионов, ионов кальция, водородного показателя отмечается при поступлении воздушных масс со стороны разрабатываемых месторождений полезных ископаемых и предприятий металлургической промышленности Кольского п-ова, а также с территории Республики Коми.

Воздействие антропогенных выбросов территории Вологодской области проявляется в увеличении концентраций аммоний-иона и нитрат-ионов и высокой кислотности атмосферных осадков практически на всех рассматриваемых станциях (рис. 3).

-NUAA HVÜHLII MUUtL

Backward trajectories ending at 0900 UTC 23 Jan 92 CDC1 Meteorological Data

OOOPZ 01 Jar 3092 iMnaltsJs

Рисунок 2. Обратные траектории поступления воздушных масс в район станции Брусовица 23 января 1992 г. (составлено автором на сайте 1ЖЬ;Ы1р:/Лу\у\¥.аг1. noaa.gov)_

NUAA HYSHLI1 MOUtL Backward trajectories ending at 0900 UTC 27 Oct 00 CDC1 Meteorological Data

53.02 Е

Source * at 67.65 N

сд < 1500 1000 * _____1000 500 * - -a-"5*^ 500

*4 4 £

This is riot a NOAA product. It was produced By a web user. Job ID: 364300 Job Slail: Fii Jun 17 20:38:44 UTC 2011 Source 1 la!.: 67.65 Ion.: 53.02 hats: 20. 500. 1000 m AGl Traiedofv Direction: Backward Duration: 120 his Vortical Motion Calculation Method: Model Vertical Velocity Meteorology: OOOOZ Ot Oct 2000 - ieanalysis

Рисунок 3. Обратные траектории поступления воздушных масс в район станции Нарьян-Мар 27 октября 2000 г. (составлено автором на сайте URL:http://www.arl.noaa.gov)

Определяющую роль в формировании ионного состава атмосферных осадков, выпадающих в районе станция Онега, играют воздушные массы, поступающие с западного направления.

Перенос воздушных масс с запада является главной причиной низких значений уровня рН атмосферных осадков практически повсеместно.

В районе станции Сура максимальные концентрации хлорид-ионов и высокая кислотность осадков были обусловлены поступлением воздушных масс с акватории незамерзающей части Баренцева моря и севера Атлантического океана через промышленные районы. Установлено влияние химической промышленности Вологодской области на свойства атмосферных осадков, выпадающих в районе рассматриваемой станции. Максимальные концентрации ионов калия (4,70 мг/л при среднем значении 0,33 мг/л) в районе данной станции были отмечены в период преобладания южного направления поступления воздушных масс, когда в большинстве случаев траектории движения воздушных масс проходили в районе г. Череповец. Высокая кислотность атмосферных осадков здесь также отмечается в месяцы с преобладанием южного направления поступления воздушных масс.

3.4. Ионный состав снежного покрова

3.4.1. Пространственное изменение ионного состава снежного покрова

В пространственном распределении концентраций ионов в снежном покрове отмечено повышенное содержание хлорид-ионов на прибрежных станциях, открытых для переноса воздушных масс с Баренцева моря: п-ов Канин, о-в Колгуев, северо-западное побережье Кольского п-ова, побережье и острова Карского моря (рис. 4), где средние концентрации указанного иона находились в пределах 6,68-17,0 мг/л. Зоной относительно низкого содержания хлорид-ионов в снежном покрове можно назвать побережье Белого моря, западное побережье глубоко вдающихся в сушу заливов Карского моря, внутренние станции Кольского п-ова, район станции Нарьян-Мар, где средние концентрации данного иона составляют 1,244,72 мг/л [Котова, Коробов, Шевченко, 2012]. Распределение средних значений концентраций ионов натрия и магния в снежном покрове аналогично распределению средних значений концентраций хлорид-ионов, как преобладающих ионов в морском аэрозоле.

Средние значения концентраций сульфат-ионов на большей части исследуемой территории находились в пределах 0,62-4,89 мг/л. Повышенное содержание сульфат-ионов фиксируются на побережье Архангельской области, западе Ненецкого автономного округа. Вследствие влияния предприятий цветной металлургии высокие средние значения концентраций сульфат-ионов зафиксированы на северо-востоке Кольского п-ова и в районе станции Мончегорск (7,5 мг/л). Средние значения концентраций сульфат-ионов на побережье Таймырского автономного округа, особенно на ГМС Сопочная Карга (9,22 мг/л), относительно выше, чем на остальных станциях в результате очень высоких концентраций сульфат-ионов в отдельные годы (до 12,6257,98 мг/л).

Рисунок 4. Пространственное изменение концентраций хлорид-ионов снежном покрове, мг/л

По содержанию в снежном покрове гидрокарбонат-ионов и ионов кальция из всего массива данных выделяется станция Ковдор, что, скорей всего, связано с воздействием разрабатываемого открытым способом Ковдорского железорудного месторождения. Здесь средние значения концентраций данных ионов составляют 28,77 мг/л и 8,74 мг/л, соответственно, в то время как на остальной территории средние значения концентраций гидрокарбонат-ионов составляли 0,44-14,93 мг/л, ионов кальция — 0,324,39 мг/л. На станциях восточного побережья Карского моря средние концентрации данных ионов в снеге имеют повышенные значения за счет очень высоких концентраций в отдельные годы.

Средние значения концентраций нитрат-ионов в снежном покрове увеличиваются с севера-востока на юго-запад от 0,09 мг/л на станции им. Кренкеля (архипелаг Земля Франца-Иосифа) до 1,52-1,75 мг/л - на станциях Онега, Нарьян-Мар. На Кольском п-ове увеличение средних значений концентраций нитрат-ионов идет с северо-запада на юго-восток в пределах 0,24-0,87 мг/л. Высокое среднее значение нитрат-ионов в снежном покрове (1,33 мг/л) получено для станции Сеяха, предположительно за счет влияния выбросов источников нефтедобывающей отрасли Ямало-Ненецкого автономного округа. Средние значения концентраций аммоний-иона в снеге на всей территории находились в интервале 0,07—0,91 мг/л.

На фоновой станции Сура по сравнению с другими станциями в снежном покрове повышены концентрации нитрат-ионов, что, скорей всего, связно с воздействием выбросов химической промышленности Вологодской области. В то же время концентрации хлорид-ионов, ионов магния, натрия и калия понижены вследствие отдаленности источника морских ионов.

Закисление снежного покрова наблюдается на территории Кольского п-ова. Исключение составляет станция Ковдор, где минимальное значение уровня рН составляет 5,85 ед. рН, что связано с высоким содержанием гидрокарбонат-ионов.

3.4.2. Временная динамика ионного состава снежного покрова

Ионный состав снежного покрова на всей рассматриваемой территории не однороден во времени, в разные годы отмечаются значительные изменения концентраций определяемых ионов. На всех рассматриваемых станциях прослеживается согласованность изменения во времени концентраций хлорид-ионов и ионов натрия в пределах станции. На станции Амдерма с динамикой изменения концентраций указанных ионов сходна динамика изменения содержания в снеге сульфат-ионов. Тенденция к увеличению концентраций сульфат-ионов в последние годы наблюдается на станции Бугрино. Максимальная концентрация сульфат-ионов здесь зафиксирована в 2004 г., когда отмечены высокие концентрации практически всех ионов. Рост концентраций сульфат-ионов с 2007 г. наряду с хлорид-ионами и ионами натрия отмечается на станциях Голомяный и Сура. Уменьшение содержания сульфат-ионов в снеге отмечается в районе Онеги, Мезени и Нарьян-Мара. Снижение концентраций нитрат-ионов отмечается на ГМС Голомяный, Сура, Бугрино и Диксон. Увеличивается содержание нитрат-ионов на ГМС Онега. Рост содержания гидрокарбонат-ионов в снежном покрове наблюдается на станциях Онега, Амдерма, Сура. На других станциях тенденций в изменении концентраций гидрокарбонат-ионов и ионов кальция не прослеживаются. На станции Онега совместно с гидрокарбонат-ионами отмечается существенный рост концентраций ионов аммония и калия.

3.5. Статистический анализ ионного состава снежного покрова

Статистический анализ концентраций ионов в снежном покрове подтвердил их большую межгодовую изменчивость, что обусловлено непостоянством поступления ионов, в том числе в результате воздействия дальнего переноса загрязняющих веществ.

По данным корреляционного анализа было установлено, что концентрации ионов в пробах снега не зависят от высоты снежного покрова и величины влагозапаса в снеге.

Вследствие влияния морских аэрозолей, в прибрежной зоне прослеживается значимая корреляция между концентрациями хлорид-ионов и ионов натрия практически по всем станциям. Исключение составили станции Кольского п-ова, удаленные от побережья, промышленный центр Мурманск, а также фоновая станция Сура. Также в прибрежной зоне обнаружена связь концентраций данных ионов с содержанием в снежном покрове сульфат-ионов, ионов калия и магния, что говорит о поступлении данных ионов преимущественно со стороны моря. Связь концентраций нитрат-ионов с содержанием в снежном покрове других ионов чаще незначительная. Рост значений уровня рН снежного покрова в большинстве случаев происходит при увеличении концентраций гидрокарбонат-ионов. На станции Сура, не подверженной прямому воздействию морских аэрозолей и влиянию промышленности, связь между концентрациями ионов имеет преимущественно незначительную степень. Значимая корреляция здесь отмечается только между содержанием в снежном покрове сульфат- и нитрат-ионов, ионов магния, калия и натрия, абсолютные концентрации которых незначительны.

3.6. Коэффициенты обогащения снежного покрова и суммарные показатели загрязнения

Пространственное распределение значений коэффициентов обогащения снега сульфат-ионами показало, что антропогенная составляющая в загрязнении снежного покрова сульфат-ионами значительна на территории Архангельской, Мурманской областей (рис. 5). Основным центром загрязнения снега сульфат-ионами можно назвать район Мончегорска и Ковдорского месторождения. По мере отдаления от побережья антропогенный вклад в загрязнение снега сульфат-ионами увеличивается. Влияние источников г. Норильска и разрабатываемых месторождений Ямало-Ненецкого автономного округа проявляется в увеличении антропогенного загрязнения

Рисунок 5. Пространственное изменение коэффициента обогащения снежного покрова сульфат-ионами, мг/л

Антропогенный вклад в содержание ионов калия в снежном покрове увеличивается с северо-востока на юго-запад. Максимальное антропогенное загрязнение ионами калия наблюдается в районе Ковдорского месторождения Кольского п-ова, а также на побережье Белого моря. Повышенные концентрации ионов калия, поступивших с территории суши, фиксируются в районе станции Сопочная Карга. Высокое содержание ионов магния наблюдается на восточном побережье Карского моря, где (за исключением островных станций и ГМС Диксон, Стерлегова) определены и высокие значения коэффициента обогащения снега ионами магния.

Для всех станций был рассчитан суммарный показатель загрязнения снежного покрова относительно фоновой станции Сура, отделенной от прибрежной полосы и антропогенных источников загрязнения, и суммарный показатель загрязнения относительно станции им. Кренкеля (архипелаг Земля

Франца-Иосифа), где определены минимальные средние концентрации практически всех ионов.

Пространственное изменение загрязнения относительно фоновой пространственным распределением поступающих в результате переноса с

значении суммарного показателя станции (рис. 6) согласуется с значений концентраций ионов, незамерзающих акваторий Баренцева

моря и севера Атлантики (хлорид-ионы, ионы натрия). Таким образом, основной вклад в загрязнение снежного покрова прибрежных станций относительно континентальных оказывает дальний перенос морских аэрозолей.

Рисунок 6. Изменение значений суммарного показателя загрязнения, рассчитанного относительно станции Сура

Высокие значения суммарного показателя загрязнения относительно станции им. Кренкеля определены на станциях, где повышены концентрации форм азота (рис. 7) - станции Онега, Мезень, Нарьян-Мар, Сеяха, Ковдор, п-ов Канин

Рисунок 7. Изменение суммарного показателя загрязнения, рассчитанного относительно станции им. Кренкеля

Пространственное изменение значений данного показателя иллюстрирует распределение антропогенного загрязнения снежного покрова, а также говорит о том, что основной вклад в антропогенную составляющую загрязнения снега вносят формы азота.

3.7. Связь процессов образования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова

Оценка связи ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова проводилась для станций Онега, Сура и Нарьян-Мар. Установлено, что для большинства показателей средние значения концентраций ионов в снежном покрове и средние значения концентраций этих же ионов в атмосферных осадках отличаются незначительно.

На фоновой станции Сура средняя за период исследования концентрация гидрокарбонат-ионов в снежном покрове в 7 раз выше средней концентрации данных ионов в атмосферных осадках. Данная тенденция характерна и для станции Архангельск, где содержание гидрокарбонат-ионов в снеге в 4 раза больше, чем в пробах атмосферных осадков. Здесь же в 1,5 раза увеличено содержание в снежном покрове ионов магния. По данным со станции Нарьян-Мар в снежном покрове, по сравнению с атмосферными осадками, в 2 раза увеличена концентрация ионов калия, в то же время в атмосферных осадках практически в 2 раза увеличена концентрация сульфат-ионов. На ГМС Онега средние концентрации ионов, наоборот, выше в атмосферных осадках, чем в снежном покрове. Концентрации сульфат- и хлорид-ионов, ионов натрия и магния в атмосферных осадках выше, чем в снеге в 2 раза, гидрокарбонат-ионов и ионов кальция - в 4.

Анализ матриц коэффициентов корреляции между содержанием ионов в атмосферных осадках и снежном покрове показал, что в районе станций Онега и Сура корреляция между концентрациями ионов в снежном покрове и концентрациями этих же ионов в осадках незначительная, что говорит о различии в процессах формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова. Кроме того, это может свидетельствовать о значительном поступлении ионов в снежный покров в результате осаждения.

3.8. Геоэкологическая оценка воздействия ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова на подстилающую поверхность

Анализ содержания ионов в снежном покрове и атмосферных осадках показал, что концентрации большинства ионов не превышают предельно допустимые концентрации для водоемов рыбохозяйственного значения (ПДКр/х), за исключением ионов аммония. Частота случаев превышения концентрации аммоний-иона в атмосферных осадках установленных нормативов для водных объектов изменяется от 17 % (ГМС Брусовица) до 64 % (ГМС Нарьян-Мар). В снежном покрове станций Мезень и Нарьян-Мар превышения по данному иону фиксировались в 71 % проб, в районе Мурманска - в 68 % проб, отсутствуют превышения на островных станциях Карского моря и на станциях в Байдарацкой губе Карского моря. В 52-95 % проб уровень

кислотности атмосферных осадков не соответствовал требованиям для водных объектов (6,5-8,5 ед. рН). Значения уровня рН менее 5,6 были зафиксированы в 12-61 % проб осадков. Наибольшее число проб со значением водородного показателя менее 5,6 (61 %) было отобрано на фоновой станции Сура.

Из расчета значений влажных выпадений определено, что в районе станции Мудьюг за год с осадками выпадает 4,55 т/км2 хлорид-ионов и 2,39 т/км2 ионов натрия. На остальной территории объем влажных выпадений составил 0,73-1,97 т/км2 для хлорид-ионов и 0,28-1,01 т/км2 для ионов натрия. При этом четко прослеживается тенденция снижения влажных выпадений данных ионов при удалении от береговой линии. Значения влажных выпадений сульфат-ионов в районе станции Мудьюг составили 4,68 т/км2 в год, на ГМС Архангельск - 3,28 т/км2 в год, в районе Онеги - 2,66 т/км2 в год, на остальных станциях - 1,2-1,8 т/км2. На станции Онега зафиксированы максимальные для рассматриваемой территории значения влажных выпадений гидрокарбонат-ионов (12,03 т/км2 в год), ионов калия (1,28 т/км2 в год) и кальция (3,43 т/км2 в год). В снежном покрове в период максимального влагозапаса минимальное содержание сульфат-ионов в снеге (0,08-0,15 т/км2) зафиксировано на северных островах Карского моря и побережье Байдарацкой губы. Максимальное содержание сульфат-ионов - 1,14 и 1,87 т/км2, зафиксировано в районе ГМС Архангельск и Сопочная Карга, соответственно. Содержание хлорид-ионов в снежном покрове перед началом снеготаяния находится в пределах 0,163,50 т/км2 (за исключением ГМС Сопочная Карга), гидрокарбонат-ионов 0,082,34 т/км2, нитрат-ионов - 0,01-0,82 т/км2, ионов аммония - 0,01-0,17 т/км2, ионов натрия - 0,08-1,59 т/км2, калия - 0,02-0,80 т/км2, кальция - 0,050,60 т/км2.

Глава 4. Рекомендации к системе наблюдений за ионным составом атмосферных осадков и снежного покрова

В разделе рассмотрен процесс становления государственной сети наблюдений за загрязнением атмосферных осадков и снежного покрова, дано описание ее состояния в настоящее время, а также приведены рекомендации по ее оптимизации.

4.1. Оценка состояния мониторинга атмосферных осадков и снежного покрова

С начала 90-х годов прошлого века сеть наблюдений за химическим составом и кислотностью атмосферных осадков ФГБУ «Северного УГМС» практически не изменилась и в настоящее время состоит из 14 станций, отбирающих суммарные пробы на химический анализ, в которых определяются удельная электропроводимость, рН, сульфат-, хлорид-, нитрат-ионы, ионы аммония, натрия, калия, кальция, магния, сумма ионов. Также работают 7 пунктов, на которых в оперативном порядке измеряется величина рН. В состав сети ФГБУ «Мурманское УГМС» на 2011 г. входит 12 станций мониторинга атмосферных осадков.

Наблюдения за химическим составом снежного покрова на территории ФГБУ «Северное УГМС» начались в 1983 г. На тот период более чем на 40 станциях в пробах снежного покрова определялся уровень рН и

концентрация сульфат-ионов. В 1987 г. в Программу наблюдений были добавлены формы азота, а с 1988 г. анализ проб снежного покрова и осадков проводится по 11 показателям качества. По состоянию на 2011 год сеть наблюдений за загрязнением снежного покрова на территории ФГБУ «Северного УГМС» включает 51 станцию. В настоящее время на территории ФГБУ «Мурманское УГМС» отбор проб снежного покрова на определение его химического состава производится на 23 станциях.

4.2. Оптимизация системы наблюдений за ионным составом атмосферных осадков и снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктических морей

На основе проведенного исследования было определено, что для оптимизации государственной сети мониторинга загрязнения атмосферных осадков и снежного покрова в прибрежной зоне необходимо организовать отбор проб снежного покрова в районе г. Новодвинск, а также возобновить наблюдения за загрязнением снежного покрова на станции Архангельск.

Для получения более полной картины о распространении загрязнения атмосферных осадков в прибрежной зоне необходимо проводить отбор проб атмосферных осадков в районе станции Мезень для учета западного переноса воздушных масс.

Кроме того, необходимо организовать дополнительную точку отбора проб снежного покрова на территории Ненецкого АО, для учета воздействия разрабатываемых месторождений нефти и газа.

Для оценки изменения ионного состава снега в течение зимнего периода рекомендуется провести ежемесячный отбор проб снежного покрова на станциях Онега, Архангельск, Шойна, Нарьян-Мар, Диксон и, в случае выявление значительных различий в составе снега в течение периода его залегания, увеличить частоту отбора пробы снежного покрова до 2 раз в год.

На территории Архангельской агломерации рекомендуется использовать снежный покров для определения состава загрязняющих веществ в различных районах агломерации, что предусматривает создание сети отбора проб снежного покрова в городе для проведения разовых экспедиционных исследований.

Для наблюдений за антропогенным воздействием на атмосферу необходимо включить в Программу мониторинга снежного покрова и атмосферных осадков анализ проб на тяжелые металлы и ароматические углеводороды. К тому же возможности определения данных компонентов в ФГБУ «Северное УГМС» имеются.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Во временной динамике ионного состава наблюдается значительная межгодовая изменчивость содержания ионов, как в атмосферных осадках, так и в снежном покрове - концентрации ионов могут значительно возрастать в отдельные годы, что подтверждают и высокие значения коэффициента вариации концентраций (21-540 %).

2. Вклад естественных и антропогенных факторов, а также дальнего переноса загрязняющих веществ воздушными массами в процесс формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова различен для каждой станции.

3. Вследствие влияния морских аэрозолей на рассматриваемой территории происходит обогащение осадков и снежного покрова ионами натрия и хлорид-ионами. Высокие концентрации хлорид-ионов и ионов натрия в атмосферных осадках (в 5-13 раз выше среднего значения) отмечаются в период, когда прилегающие моря покрыты льдом, и связаны с поступлением воздушных масс с незамерзающей части Баренцева моря и севера Атлантического океана.

4. Повышенные концентрации сульфат-ионов в прибрежной зоне, обусловленные влиянием моря, фиксируются практически на всех станциях. В то же время прослеживается вклад антропогенных источников в загрязнение снежного покрова данными ионами, особенно в районе гг. Мончегорск, Архангельск и на побережье Таймырского п-ова.

5. Воздушные массы, поступающие с территории суши, приводят к увеличению в осадках и снежном покрове содержания ионов кальция, гидрокарбонат-ионов и уровня рН. Концентрации указанных ионов в осадках в летний период выше в 2-3 раза по причине большей запыленности атмосферы. Максимальные концентрации гидрокарбонат-ионов (28,8 мг/л) и ионов кальция (8,74 мг/л) определены на станции Ковдор, что связано с расположенным вблизи Ковдорским месторождением полезных ископаемых, которое оказывает воздействие даже на отдаленные территории.

6. Основной вклад в антропогенную составляющую загрязнения снежного покрова вносят формы азота. Концентрации нитрат-ионов и аммоний-иона увеличиваются с северо-востока на юго-запад к побережью Белого моря. Чаще всего к росту концентраций форм азота и увеличению кислотности осадков приводит воздействие антропогенных выбросов предприятий Вологодской области.

7. Главной причиной закисления атмосферных осадков практически повсеместно является перенос воздушных масс с запада — с территории Республики Карелия, Кольского п-ова и стран Европейского Севера. В пространственном отношении низкие значения уровня рН снежного покрова (< 5,6 ед. рН) отмечаются на территории Кольского п-ова.

8. Корреляционный анализ и анализ обратных траекторий поступления воздушных масс позволяет определить факторы, оказывающие влияние на ионный состав снежного покрова и атмосферных осадков.

9. В настоящее время необходимо развивать государственную сеть наблюдений за загрязнением снежного покрова, особенно в циркумполярном регионе, т.к. мониторинг снежного покрова обеспечивает получение значительного объема важной экологической информацией при очень небольших трудозатратах.

10. Для оптимизации системы мониторинга рекомендуется возобновление наблюдений за ионным составом снежного покрова на ГМС

Архангельск; организовать отбор проб снежного покрова в районе г. Новодвинск и дополнительную точку отбора проб снежного покрова на территории Ненецкого АО; провести ежемесячный отбор проб снежного покрова на станциях Онега, Архангельск, Шойна, Нарьян-Мар, Диксон; включить в Программу мониторинга снежного покрова и атмосферных осадков отдельных станций определение концентраций тяжелых металлов и ароматических углеводородов.

Список работ, опубликованных по теме исследования

Статьи в ведущих рецензируемых изданиях, соответствующих перечню ВАК (девичья фамилия Е.И. Котовой - Куртеева):

1. Шевченко В.П., Коробов В.Б., Лисицын А.П., Алешинская A.C., Богданова О.Ю., Горюнова Н.В., Грищенко И.В., Дара О.М., Завернина H.H., Куртеева Е.И., Новичкова Е.А., Покровский О.С., Сапожников Ф.В. Первые данные о составе пыли, окрасившей снег на Европейском севере России в желтый цвет (март 2008 г.) // Доклады Академии наук. - 2010. - Том 431. -№5.-С. 675-679.

2. 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. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/106-7843.

3. Котова Е.И. Формирование химического состава осадков на севере Европейской территории России // Вестник САФУ. Серия Естественные науки. -2012,-№4.-С. 116-122.

Прочие публикации:

4. Шевченко В.П., Алешинская A.C., Богданова О.Ю., Горюнова Н.В., Грищенко И.В., Дара О.М., Завернина H.H., Коробов В.Б., Куртеева Е.И., Новичкова Е.А. Дальний перенос пыли в Арктику и Субарктику // Вестник Архангельского государственного технического университета. Серия «Прикладная геоэкология». - Архангельск: Арханг. гос. техн. ун-т. - 2009. -Вып. 79.-С. 51-63.

5. Куртеева Е.И. Статистические характеристики химического состава снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктических морей // Геология морей и океанов: Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии - 2009. - Т. III - С. 71-74.

6. Куртеева Е.И. Особенности формирования загрязнения снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктических морей // Труды ИПГ,-2011.-С. 284-288.

7. Куртеева Е.И. Статистические характеристики химического состава снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Арктических морей // Образование и наука: Материалы региональной молодежной научно-практической конференции.-2011. - С. 148-150.

8. Куртеева Е.И. Особенности формирования загрязнения снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктических морей //

IV Международная молодежная научная конференция «Экология - 2011» (611 июня 2011 года): материалы докладов. - 2011. - С. 38-39.

9. Котова Е.И. Формирование химического состава осадков в прибрежной зоне западного сектора Арктических морей // Геология морей и океанов: Материалы XIX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. - 2011. - Т. III. - С. 71-74.

10. Шевченко В.П., Алиев P.A., Бобров В.А., Гордеев В.В., Горюнова Н.В., Демина Л.Л., Замбер Н.С., Коробов В.Б., Котова Е.И., Кузнецова О.Л., Макаров В.И., Новигатский А.Н., Покровский О.С., Попова С.А., Романенко Ф.А., Стародымова Д.П., Субетто Д.А., Филиппов A.C. Эоловый материал в природных архивах // Система Белого моря. Т. II. Водная толща и взаимодействующие с ней атмосфера, криосфера, речной сток и биосфера. М.: Научный мир. - 2012. - С. 70-107.

Подписано в печать 11.04.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №1416.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Котова, Екатерина Ильинична, Архангельск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРНЫЙ (АРКТИЧЕСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА»

На правах рукописи

04201357682

КОТОВА Екатерина Ильинична

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МЕСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ДАЛЬНЕГО ПЕРЕНОСА НА ФОРМИРОВАНИЕ ИОННОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА АРКТИКИ

25.00.36 - геоэкология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: д.г.н., В.Б. Коробов

Архангельск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение.............................................................. 4

Глава 1 Геоэкологические условия формирования ионного

состава атмосферных осадков и снежного покрова...... 13

1.1 Климатические характеристики................................... 13

1.2 Рельеф................................................................... 22

1.3 Гидрология прибрежной зоны морских акваторий.......... 27

1.4 Источники воздействия на природную среду.................. 31

1.5 Уровень загрязнения атмосферного воздуха................... 41

Глава 2 Материалы и методы исследования........................... 45

2.1 Характеристика исходных материалов......................... 45

2.2 Обзор методов......................................................... 47

Глава 3 Ионный состав атмосферных осадков и снежного

покрова, процессы их формирования......................... 56

3.1 Ионный состав атмосферных осадков........................... 57

3.1.1 Пространственное изменение ионного состава атмосферных осадков............................................... 58

3.1.2 Временная динамика ионного состава атмосферных осадков................................................................. 61

3.2 Статистический анализ ионного состава атмосферных осадков.................................................................. 68

3.3 Анализ обратных траекторий поступления воздушных масс..................................................................... 71

3.4 Ионный состав снежного покрова............................... 86

3.4.1 Пространственное изменение ионного состава снежного покрова................................................................. 88

3.4.2 Временная динамика ионного состава атмосферных осадков................................................................. 98

3.5 Статистический анализ ионного состава снежного покрова................................................................. 100

3.6 Коэффициенты обогащения снежного покрова и суммарные показатели загрязнения............................ 105

3.7 Связь процессов образования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова..................... 110

3.8 Геоэкологическая оценка воздействия ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова на подстилающую поверхность....................................... 112

Глава 4 Рекомендации к системе наблюдений за ионным

составом атмосферных осадков и снежного покрова..... 126

4.1 Оценка состояния мониторинга атмосферных осадков и снежного покрова..................................................... 124

4.2 Оптимизация системы наблюдений за ионным составом атмосферных осадков и снежного покрова в прибрежной

зоне западного сектора Арктических морей.................. 130

Заключение............................................................ 135

Использованная литература....................................... 140

Список иллюстративного материала............................ 152

Приложение 1. Розы ветров за многолетний период......... 155

Приложение 2. Годовой ход значений суммы осадков для

станций отбора проб атмосферных осадков.................. 159

Приложение 3. Пример заполнения таблицы химического

анализа осадков (ТХО-1).......................................... 163

Приложение 4. Пример заполнения таблицы 5.4............. 164

Приложение 5. Графики временной динамики ионного

состава атмосферных осадков..................................... 166

Приложение 6. Статистические характеристики ионного

состава атмосферных осадков.................................... 197

Приложение 7. Матрицы коэффициентов корреляции

концентраций ионов в пробах атмосферных осадков........ 199

Приложение 8. Временная динамика ионного состава

снежного покрова................................................... 202

Приложение 9. Статистические характеристики ионного

состава снежного покрова......................................... 233

Приложение 10. Матрицы коэффициентов корреляции

концентраций ионов в пробах снежного покрова............. 244

Приложение 11. Матрицы коэффициентов корреляции между концентрациями ионов в снежном покрове и

концентрациями ионов в атмосферных осадках............... 255

Приложение 12. Предельно допустимые концентрации ионов в воде водных объектов.................................... 257

Введение

До недавнего времени Арктика рассматривалась в качестве «эталона чистоты» для сравнения с антропогенно деформированными экосистемами. На самом деле нетронутость Арктических экосистем оказалась лишь предположением [Halsall, 2001]. Уже начиная с послеледникового времени, Арктика подвергалась достаточно жесткому прессу со стороны первобытных охотников и рыболовов. С развитием капитализма в европейских странах натиск на арктические экосистемы усиливался, ассортимент антропогенной нагрузки и ее интенсивность постоянно нарастали. В XX веке в Заполярье возникает промышленное производство и многочисленные центры добычи и переработки сырья и полезных ископаемых, в российском секторе Арктики формируется единый Северный морской путь. Баренцевоморский регион становится местом наибольшей концентрации кораблей с ядерными установками и вооружением. Осуществляется серия испытаний атомного и водородного оружия на Новоземельском полигоне, здесь же затапливаются реакторы атомных подводных лодок. В результате к концу прошлого века в Арктике практически не остается территорий и акваторий, не испытывающих антропогенного влияния [Погребов, Шилин, 2001].

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. Различные загрязнители обнаружены на расстояниях, удаленных на сотни и тысячи километров от источников выбросов [Шевченко, 2006; Шевченко и др., 2009; Виноградова, 2004; Bottenheim et al., 2004; Solomos et al., 2011]. Выявлено, что арктический аэрозоль содержит составляющие различной природы, количественное соотношение между которыми зависит от времени года и места наблюдений.

Определить пути поступления веществ на исследуемую территорию позволяет изучение ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова, связей между концентрациями элементов.

Данные о химическом составе атмосферных осадков и снежного покрова служат косвенным показателем загрязнения атмосферы.

Захватывая вещества из атмосферы и фиксируя их в своей толще, снежный покров становится интегральным накопителем химических веществ, содержащихся в атмосфере за весь снежный период года, включая и вещества, привнесенные с других территорий и акваторий в результате дальнего переноса. Вследствие этого снежный покров может быть использован в качестве индикатора общей загрязненности атмосферы. За зиму снежный покров накапливает химические вещества и отдает их в окружающую среду при снеготаянии, способствуя перераспределению веществ во времени и пространстве [Прокачева, Усачев, 1989].

В отличие от снежного покрова, пробы осадков характеризуют состав аэрозолей над исследуемой территорией без учета сухого выпадения. Изучение химического состава осадков, осуществляющих круговорот веществ в природе и являющихся мощным механизмом самоочищения атмосферы от различных примесей, имеет большое значение для метеорологии и ряда смежных наук. Атмосферные осадки и их составляющие являются индикатором переноса примесей на значительные расстояния [Першина, Полищук, 2008].

Принимая во внимание особенности рассматриваемой территории, расположенной на Севере Европейской территории России (ЕТР), можно считать актуальным исследование химического состава атмосферы, используя атмосферные осадки и снежный покров.

Приток атмосферных загрязнителей в Арктику имеет сильные сезонные колебания с максимумом в феврале - апреле [БешЬ, Вгаеккап, .Гогал^ег, 1984]. Скорей всего это связано с тем, что в период залегания снежного покрова на рассматриваемой территории ветры в основном имеют южное, юго-западное и западное направление, т.е. дуют с суши [География России, 2008; Залогин,

Косарев, 1999]. В это же время наблюдается максимум поступления в атмосферу загрязняющих веществ в промышленных центрах ЕТР (период отопительного сезона), когда на полную мощность работают ТЭК и котельные [Прокачева, Усачев, 1989]. Следовательно, именно в зимнее время на данную территорию поступает значительное количество веществ антропогенного происхождения.

В прибрежной зоне взаимодействие компонентов природной среды проявляется наиболее ярко. На элементы метеорологического режима здесь оказывают влияние различия в подстилающей поверхности, орографические особенности. Вследствие различия теплоемкости воды и горных пород в летнее время в береговой части возникают бризы. Бризы и орографические эффекты делают циркуляцию воздуха в прибрежной полосе более интенсивной. Прибрежная полоса - наиболее динамичная часть всей акватории моря. Вследствие меньших глубин здесь происходит разрушение волн, увеличение скорости течений. Большой вклад в формирование режима прибрежной зоны в окраинных морях вносят приливы. На устьевом взморье рек создаются особые гидрохимические и гидробиологические условия в результате процессов смешения речных и морских вод.

Учитывая вышесказанное, в качестве объектов исследования были выбраны атмосферные осадки и снежный покров прибрежной зоны западного сектора Арктических морей — Белого, Баренцева и Карского.

Несмотря на то, что часть исследуемой территории не полностью входит в границы Арктики, она имеет значимое на нее воздействие. Многие источники загрязнения атмосферного воздуха Мурманской и Архангельской областей расположены вне территориальных границ Арктики, но, как известно воздушный бассейн границ не имеет. В связи с этим, исключить антропогенный вклад данных субъектов в загрязнение арктических систем невозможно. Кроме того, в соответствии с положениями Программы экологического мониторинга и оценки Арктики (АМАР) в сферу проведения арктического экологического мониторинга входит прибрежная зона шельфовых морей Северного Ледовитого океана, включая Баренцево, Белое и Карское [URL:http://www.amap.no].

Предмет исследования - процесс формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктических морей.

В силу пространственной неоднородности атмосферных процессов распределение загрязнения на земной поверхности происходит крайне неравномерно. Под влиянием различных метеорологических условий в атмосфере происходит перемешивание всех веществ, их трансформация, перенос на значительные расстояния и рассеивание, а также вымывание осадками. Прибрежные зоны морей играют в этом процессе особую роль. Вследствие различия подстилающей поверхности суши и моря, особенности осаждения загрязняющих веществ в прибрежной зоне морей отличаются от особенностей их осаждения в открытом море и в глубине континента.

Прибрежная зона — территория, интенсивно осваиваемая человеком, в течение уже длительного времени [Геоэкология шельфа ... , 2001]. В то же время это очень уязвимая территория, тем более в северных регионах. В связи с этим встает вопрос о необходимости изучения прибрежной зоны, особенно северных регионов, для предотвращения негативных последствий антропогенной деятельности.

Цель исследования состоит в оценке влияния местных источников загрязнения и дальнего переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктики.

В соответствии с целью исследования были сформулированы следующие задачи:

1. Составление электронной базы данных ионного состава атмосферных осадков на территории Вологодской, Архангельской областей и Ненецкого автономного округа (НАО), Республики Коми, а также электронной базы данных ионного состава снежного покрова на территории Мурманской, Вологодской и Архангельской областей, Ненецкого, Ямало-Ненецкого, Таймырского автономных округов и Республики Коми за многолетний период.

2. Инвентаризация наиболее значимых источников загрязнения окружающей среды, оказывающих влияние на исследуемую территорию.

3. Статистический анализ материалов государственного мониторинга загрязнения атмосферных осадков и снежного покрова.

4. Расчет и классификация обратных траекторий поступления воздушных

масс.

5. Выявление путей поступления основных ионов по результатам статистического анализа и анализа обратных траекторий поступления воздушных масс.

6. Разработка рекомендаций по оптимизации системы наблюдений за ионным составом атмосферных осадков и снежного покрова.

Работа проводилась на основе материалов государственного мониторинга окружающей среды на территории деятельности ФГБУ «Северное Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» (УГМС) и ФГБУ «Мурманское УГМС», а также обобщения литературных данных.

Научная новизна работы. Впервые исследован ионный состав осадков и снежного покрова в прибрежной зоне западного сектора Арктики как особого географического объекта. Изучена временная и пространственная динамика ионного состава осадков и снежного покрова территории. Проведен анализ процессов формирования ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова для данного района, выявлены общие закономерности и локальные особенности поступления ионов. Выполнена оценка воздействия ионного состава осадков и снежного покрова на подстилающую поверхность. Разработаны рекомендации по оптимизации системы наблюдений за ионным составом осадков и снежного покрова.

Практическая значимость. Материалы и результаты исследования могут быть использованы при составлении разделов справочных пособий экологического состояния ЕТР, для разработки лекционных курсов по региональной экологии, для составления частных программ мониторинга

окружающей среды, а также для совершенствования системы регионального экологического мониторинга.

Изученность проблемы. Работы по исследованию атмосферных осадков и снежного покрова для оценки степени загрязнения окружающей среды имеют большое распространение, но большинство из них носят локальный характер [Овсепян, Зимовец, 2010; Иванов, Мухаметдинова, Королик, 2010; Пристова, Василевич, 2010; Пристова, Шамрикова, 2010; Раткин, 2005; Рысаева, 2012]. Изучению состояния атмосферного воздуха на севере Русской равнины по данным ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова посвящены работы Трубициной О.П. [Трубицина, 2001; 2002; 2006; Шварцман, Трубицина, 2006]. Исследование закономерностей формирования химического состава снежного покрова в фоновых и техногенных районах и распределения макро- и микрокомпонентов на территории таежной зоны Европейского северо-востока России (Республика Коми) проводилось Василевич М.И. [Василевич, 2009].

Обобщение и анализ материалов государственного мониторинга ионного состава атмосферных осадков на территории России проводится специалистами Главной геофизической обсерватории им. Воейкова Росгидромета (ГТО), результаты публикуются в трудах ГГО [Першина, Полищук, 2008; Першина, Полищук, Свистов, 2008; Свистов, Полищук, Першина, 2010; 2009]. Данные государственного мониторинга за загрязнением атмосферных осадков и снежного покрова ежегодно помещаются в Обзоры состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации [Обзор ... , 2010], но основное внимание здесь уделяется соединениям серы и азота, уровню рН.

Применение корреляционного анализа для установления степени сопряженности хлоридов с другими компонентами ионного состава осадков, а также определение пространственно-временной изменчивости этой связи на основе многолетних наблюдений проводится в Казанском (Приволжском) федеральном университете [Хайрулина, Торсу ев, 2012]. В результате проведенного ими исследования было выявлено, что значения и количество статистически значимых коэффициентов корреляции между ионами прямо

пропорциональны их содержанию, а наиболее высокая связь наблюдается между хлорид-ионами и ионами натрия (особенно на прибрежных метеостанциях). Разработкой региональной модели переноса многокомпонентного атмосферного аэрозоля, учитывающей изменения его физических свойств, химического состава и распределения по размерам, предназначенной для исследования пространственно-временного распределения и свойств тропосферного аэрозоля и оперативных расчетов загрязнения воздуха РМ в Европе занималась Цыро С.Г. [Цыро, 2008].

Исследования аэрозолей приводного слоя и снежного покрова морей Российской Арктики с целью оценки роли аэрозольного материала в современном осадконакоплении и формировании природной среды Арктики в период с 1991 г. проводятся под руководством ака�