Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Радиоактивное загрязнение Черного, Карского, Баренцева и Белого морей: анализ с помощью метода спектральной реконструкции

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Радиоактивное загрязнение Черного, Карского, Баренцева и Белого морей: анализ с помощью метода спектральной реконструкции"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

г ГБ ОД

Марголина Татьяна Марковна ' ~ у«л п 2103 УДК 551.463+551.464:541.28

РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЧЕРНОГО, КАРСКОГО, БАРЕНЦЕВА И БЕЛОГО МОРЕЙ: АНАЛИЗ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ

04.00.22- геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Севастополь - 2000

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте Национальной Академии наук Украины

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Иванов Леонид Михайлович, Морской гидрофизический институт HAH Украины, ведущий научный сотрудник отдела ядерной гидрофизики

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Богуславский Сергей Григорьевич,

Экспериментальное отделение Морского гидрофизического института HAH Украины, главный научный сотрудник

кавдцд^физико-математических наук Фомин Владимир Владимирович,

Морское отделение Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института Комитета Украины по гидрометеорологии, заведующий лабораторией морских прогнозов

Ведущая организация:

Федеральный государственный научный центр

«Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт» (г. Санкт-Петербург, Российская Федерация)

Защита состоится« » MtJß 2000 г. в ^ часов на заседании Специализированного Ученого совета Д 50.158.02 в Морском гидрофизическом институте HAH Украины по адресу: 99011, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института HAH Украины по адресу: 99011, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2.

Автореферат разослан « _» cf/7/0(fJ?ß 2000 г.

Ученый секретарь

Специализированного Ученого совета

Д 50.158.02 доктор физи

А.М. Суворов

CÖS

оЭ /Л с ¿¿Г,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Выбор полей техногенной радиоактивности в качестве объекта исследований с применением разработанного метода спектральной реконструкции (Ететееу, К'апоу, Кнлузп, 1992) объясняется несколькими причинами.

Радионуклиды (как естественного, так и искусственного происхождения) традиционно представляли интерес для исследователей как в качестве самостоятельных объектов изучения (как непосредственные участники различных природных процессов), так и в роли трассеров геохимичесюгх и геофизических процессов.

Во второй половине двадцатого века на фоне постоянно возрастающего антропогенного воздействия на природу возник новый экологический фактор - загрязните окружающей среды, связанное с выходом продуктов радиоактивного распада из-под контроля человека. Это обстоятельство обусловило смещение интереса при изучении полей радиоактивности в сторону исследования содержащихся в природной среде радионуклидов искусственного происхождения. В этих условиях особый интерес представляет изучение радиоактивного загрязнения вод Мирового океана, куда попадает большая часть инжектированных во внешнюю среду радиоактивных веществ искусственного происхождения, независимо от природы их источника. Значительная доля этих радионуклидов находится в водорастворимых формах и поэтому практически мгновенно вовлекается в гидрологические и гидрохимические процессы, происходящие в океане. Отдельные компоненты морской среды (планктон, донные отложения) обладают высокой аккумулирующей способностью по отношению к радионуклидам, что может привести к резким локальным повышениям уровня радиоактивности, а также стать источником угрозы (через промысловые и сьтрьевые ресурсы океана) безопасности человека. Совокупность этих факторов определяет необходимость проведения радиационного мониторинга морской среды как с целью анализа существующего уровня радиоактивного загрязнения, так и с целью прогноза основных тенденций его эволюции.

В последнее десятилетие определилась четкая региональная направленность исследований загрязнения вод Мирового океана радионуклидами техногенного происхождения. Одним из объектов, привлекающих пристальное внимание ученых и общественности, является Северный Ледовитый океан (см., например, Матишов и др., 1994; Степанец и др., 1996, 1998; Е&оп & а1., 1997). Толчком к интенсификации исследований в этом регионе Мирового океана послужили преданные широкой огласке в начале 90-х годов сведения, касающиеся захороненных в Арктике бывшим Советским Союзом ядерных материалов. Несмотря на важную роль в

процессе формирования мирового экологического "климата, Северный Ледовитый океан, тем не менее, в течение десятилетий служил объектом радиоактивного техногенного загрязнения, как для Советского Союза, так и для ряда Европейских стран. Размещение радиоактивных отходов в Баренцевом и Карском морях, загрязнение водосборных бассейнов рек Обь и Енисей отходами производства ядерного оружия и топливо-перерабатывающей промышленности, а также прямой сброс радиоактивных отходов в воды Ирландского и Северного морей европейскими предприятиями по переработке ядерного топлива, явились главными факторами, обусловившими негативное изменение радиоактивного климата вод Северного Ледовитого океана.

Не менее актуальным является в настоящее время и исследование загрязнения Черного моря радионуклидами Чернобыльского происхождения (см., например, Радиоактивность Черного моря, 1994; Соботович, 1990; Поликарпов и др. 1992, 1993, 1995, 1997; Margvelashvily, Maderich and Zheleznyak, 1997). Являясь беспрецедентной по масштабам последствий трагедией за всю историю существования человечества, авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. вызвала радиоактивное загрязнение обширных территорий Восточной Европы и большой части Западной Европы. Значительность загрязнения акватории Черного моря в результате атмосферных выпадений на этапе распространения радиоактивного облака, а также вторичного загрязнения черноморских вод в последующий период определяют актуальность проведения исследований в этом направлении для Украины.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал как по пост-Чернобыльскому загрязнению Черного моря (см., например, Чудиновских и Еремеев, 1990; Buesseler and Livingston, 1994, Доманов, Контарь, Сапожников и др., 1996 н др.), так и по полям искусственной радиоактивности морей Арктического бассейна (Вакуловский и др., 1985, 1987, 1988; Никитин и др., 1991; Стыро и др., 1984, 1990, 1995 и др.). Эти данные содержат информацию об изотопном составе и концентрациях различных радионуклидов техногенного происхождения. К сожалению, отдельные измерения (съемки) дают лишь ориентировочную и довольно неточную оценку радиоактивного состояния морской среды. Простая констатация факта радиоактивного загрязнения среды и грубые оценки ее характеристик являются далеко не достаточными для целей радиоэкологического мониторинга и, самое главное, для прогноза возможной эволюции этих характеристик по каким-либо численным моделям. На современном этапе исследований возникает необходимость: 1) выявления общих закономерностей и региональных особенностей проявления глобального загрязнения вод Мирового океана; 2) определения масштабов и

■местоположения локальных очагов радиоактивности; 3) выявления и оценки факторов, формирующих поле техногенной радиоактивности; 4) идентификации механизмов миграции радиоактивного загрязнения, в том числе и тех, которые регулируют . распределение радиоактивных веществ между отдельными компонентами морской среды; 5) определения степени угрозы, которую представляют для человека изменения радиоактивного характера морской среды. Для решения этих задач необходима разработка новых подходов к обработке радиохимической информации, учитывающих особенности имеющихся в распоряжении исследователей данных.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, проводились в рамках следующих научных программ и проектов:

• тема "Радиоэкологический мониторинг Черноморского бассейна" (шифр "Альма", номер госрегистрации 0193Ш24764);

• Украинская Национальная программа ликвидации последствий Чернобыльской катастрофы и социальной защиты населения на 1993— 1995 годы и на период до 2000 года, тема "Исследование механизмов формирования п трансформации полей радионуклидов искусственного происхождения в экосистеме приустьевой зоны Днепра и прилегающего шельфа Черного моря" (шифр "Чернобыль", номер госрегистрации 01931Ю09983);

• тема "Разработка теоретических и технологических основ диагностирования и прогнозирования состояния сложных морских систем, управление их ресурсным потенциалом, обеспечения эколого-техногекной безопасности и рекультивации водной среды (на примере Азово-Черноморского бассейна)" (шифр "Регион", номер госрегистрации 01961Ю17322);

э проект "Моделирование гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических процессов, связанных с развитием и безопасностью морских экосистем шельфовых районов Черного моря" (шифр "Эко.модель", номер госрегисграции 019711014935).

Цель п задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось получение количественных оценок радиационного загрязнения Черного моря и морей Арктического бассейна с применением метода спектральной реконструкции. Для достижения сформулированной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Развить вариационные методы для получения оптимальных оценок характеристик скалярных океанографических полей по зашумленным данным наблюдений, выполненных на неравномерной сетке и содержащих значительные пространственные пропуски.

2. Используя данные экспедиционных измерений, реконструировать пространственно-временную изменчивость полей концентраций радиоактивных изотопов Сл131 и Ся134 в водах Черного моря в период с 1986 по 1994г.

3. Идентифицировать источники и стоки радиоактивности Черного моря, и оценить их вклад в радиационный баланс вод Черного моря, сформировавшийся под влиянием атмосферных выпадений (осень 1986 г.) и в результате вторичного загрязнения Черного моря радионуклидами Чернобыльского происхождения, вынесенными в море речными водами.

4. Выявить основные тенденции изменения полей радиоактивности воды Черного моря в пост-Чернобыльский период.

5. Используя данные экспедиционных измерений, восстановить поля концентраций радионуклидов Ся137 и ¿У90 в Баренцевом, Карском и Белом морях.

6. Оценить климатические потоки радиоизотопов, формирующие поля объемной радиоактивности искусственного происхождения в западной части Арктического бассейна: Карском, Баренцевом и Белом морях.

7. Выяснить степень влияния локальных источников, связанных с затопленными на дне Карского моря контейнерами с радиоактивными отходами, на радиоактивность вод Карского моря.

Научная новизна и практическое значение полученных результатов. В диссертационной работе развито несколько вариационных методов для усвоения данных радиохимических измерений. На основе этих методов восстановлены поля концентраций радионуклидов в различных географических регионах. Развитые методы позволяют эффективно фильтровать ошибки измерений, складывающиеся из погрешностей измерения радиохимических методов и ошибок, связанных с дискретностью расположения радиоэкологических станций (наличие неразрешаемых пространственно-временных масштабов движений). Использование вариационных методов позволило:

• дать коренную ревизию существующих оценок интегрального содержания растворенных Су137 и С*134, попавших в Черное море после Чернобыльской аварии;

• реконструировать пространственно-временную изменчивость цезиевых полей в верхнем слое Черного моря в период с 1986 по 1994 гг.;

• рассчитать цезиевый баланс для Черноморского бассейна и получить количественные оценки мощности основных источников и стоков этих радионуклидов;

• впервые дать климатические оценки интегрального содержания радионуклидов цезия и стронция в водах Карского, Белого и Баренцева морей;

• с использованием швзерсной вариационной модели провести идентификацию (определение расположетш и интенсивности) вероятных локальных источников радиоактивного загрязнения Карского моря; показать, что на период середины девяностых годов контейнеры с радиоактивньши отходами, затопленные на дне моря, не оказывали существенного влияния на радиационную обстановку в этом географическом регионе; сделать вывод о том, что наибольшее количество радиоактивного стронция выносится в Карское море с водами р. Енисей, а не Обь, как предполагалось ранее;

• показать, что формирование полей искусственной радиоактивности беломорской воды происходит под влиянием двух разнонаправленных процессов: поступления радионуклидов из Баренцева моря через пролив Горло Белого моря и поглощения радиоактивных изотопов взвешенным веществом с его последующим оседанием на дно моря;

• на основе полученных балансовых оценок для Баренцева моря сделать вывод о существовашш локальных источников искусственной радиоактивности на дне моря или в его прибрежной зоне;

• показать, что вклад сбросов радиоактивных отходов западноевропейских заводов по переработке ядерного топлива незначителен по сравнению с потоками радионуклидов, выносимых в арктические моря реками Печора, Обь и Енисей.

Использованный в диссертационной работе метод спектральной реконструкции может бьпъ применен для восстановления скалярных полей по данным измерений, отличающихся пространственной и временной неоднородностью и содержащих шумы с неизвестными статистическими свойствами.

Полученные новые результаты по оценке характеристик радиоактивного климата Черного, Карского, Баренцева и Белого морей позволяют

- дать оценку степени загрязнения этих морей и идентифицировать физические механизмы формирования полей изотопов;

- решить принципиальный вопрос о соотношении вкладов западноевропейских стран и собственных радиохимических производств Российской Федерации в формирование радиоактивного климата морей Западной Арктики

и создают необходимую информационную основу для предсказания долговременных последствий раднонуклвдного загрязнения отдельных регионов бывшего СССР.

Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, были использованы в Севастопольском государственном гидрографическом предприятии при выполнении работ по проекту "Формирование системы

управления в сфере навигационно-гидрографического обеспечения мореплавания" для восстановления поверхностного поля температуры Черного моря по данным космических снимков спутника NOAA-11, в Морском гидрофизическом институте HAH Украины при выполнении работ по проекту "Создание системы слежения за долговременными изменениями морской среды, вызванными антропогенными и естественными причинами" (шифр "Прогноз", номер госрегистрации 0194U022993) для реконструкции климатических полей температуры и солености поверхностного слоя Черного моря, а также при выполнении работ по проекту "Моделирование гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических процессов, связанных с развитием и безопасностью морских экосистем шельфовых районов Черного моря" (шифр "Экомодель", номер госрегистрации 0197U014935) дли реконструкции климатического аттрактора хлорофилла-а в Черном море.

Личный вклад соискателя. Постановка задачи исследования произведена научным руководителем, развитие математических методов и программного обеспечения выполнено соискателем, обсуждение основных выводов и результатов исследований осуществлено соискателем совместно с научным руководителем.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, включенные в диссертацию, были представлены на следующих научных конференциях и симпозиумах, которые проводились как в Украине, так и зарубежом:

1. XX General Assembly of the European Geophysical Society, Hamburg,

1995.

2. Conference on Coastal Oceanic and Atmospheric Prediction, 76th Annual Meeting of the American Meteorological Society, Atlanta, Georgia, 1996.

3. XXII General Assembly of the European Geophysical Society, Vienna,

1997.

4. Istanbul International Workshop "Black Sea Fluxes 97", 1997.

5. Международная конференция "Открытое общество", Всеукраинский комитет поддержки программы ООН по защите окружающей среды, Севастополь, 1998.

6. IAEE 1999 International Geoscience and Remote Sensing Symposiuir (IGARSS'99), Hamburg, 1999.

Публикации. Научные результаты диссертации отражены в i публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных журналах и Í трудах научных конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Он;

содержит 126 страниц машинописного текста, в том числе 22 рисунка, 10 таблиц. Список использованных источников включает 120 наименований.

Автор выражает особую глубокую благодарность своему научному руководителю к.ф.-м.н. Иванову Л.М. за постановку задачи, помощь во время теоретических исследований, а также всестороннюю поддержку и внимание на всех этапах работы. Автор также выражает искреннюю благодарность д.г.н. профессору Полонскому А.Б., к.ф.-м.н. Самодурову A.C. и д.ф.-м.н. Демышеву С.Г. за ценные замечания и пожелания, высказанные в процессе написания и обсуждения диссертации. Для автора было очень полезным сотрудничество со всеми соавторами научных работ, которым также выражается глубокая признательность.

Основное содержание

Во ВВЕДЕНИИ к диссертационной работе раскрыта актуальность темы диссертации, показана связь работы с научными программами, планами, темами, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическое значение полученных результатов, отражен личный вклад соискателя, указано, на каких научных конференциях и симпозиумах докладывались результаты исследований, включенные в диссертацию.

ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ диссертации носит обзорный характер. В нем отражено состояние изученности проблемы радиоактивного загрязнения Мирового океана радионуклидами искусственного происхождения, проанализированы основные особенности измерений характеристик радиоактивности морской воды, дан обзор методов интерполяции и аппроксимации, применяемых в настоящее время для обработки радиохимической информации. Сделаны следующие выводы;

1. В настоящее время поля активности, образованные радионуклидами искусственного происхождения, формируются под влиянием преимущественно локальных факторов: сброса в окружающую среду отходов топливоперерабатывающего производства, поступлений от вдерных аварий (Чернобыль), уже существующих захоронений радиоактивных отходов на дне моря.

2. Особый шггерес представляет изучение полей радионуклидов Cv137 и Sr° и изотопа наведенной активности Cs134, отсутствующего в глобальных выпадениях. Cs137 и Sr являются основными дозообразунмцими радионуклидами с большим временем полураспада и характеризуются повышенной радиотоксичностью, биологической доступностью и высокой подвижностью в биоценозах.

3. В пост-Чернобыльский период особую актуальность приобрели проблемы вторичного загрязнения Черного моря и самоочищения морской воды от радионуклидов Чернобыльского происхождения. В связи с этим необходимо проведение идентификации и оценки мощности основных компонент радиоактивного баланса Черного моря.

4. При исследовании радиоактивности вод западных морей Арктического бассейна наименее изученным и наиболее дискуссионным остается до настоящего времени вопрос о принципиальных источниках искусственной радиоактивности этого региона.

5. Доступные данные радиохимических измерений характеризуются асинхронностью, нерегулярностью и пространственной неравномерностью. Кроме того, эти данные отличаются высоким уровнем содержащихся в них шумов с различными (по большей части -неизвестными) статистическими свойствами. Эти особенности радиохимических измерений делают необходимым применение к ним эффективных процедур интерполяции и аппроксимации.

6. Стандартные методы, применяемые в настоящее время для обработки радиохимической информации, позволяют получить лишь качественные или грубые, требующие уточнения, количественные оценки радиоактивности морской воды.

7. Существующие методы интерполяции и аппроксимации позволяют свести задачу к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). При этом все задачи, связанные с обработкой океанографической и, в том числе, радиохимической информации, являются некорректными, а результирующие системы линейных алгебраических уравнений - плохо обусловленными. Поэтому для их решения необходимо применение регуляризирующих процедур.

8. Существующие ретуляризируюхцие процедуры или дают сглаженные решения, или требуют для своего применения наличия значительного объема априорной информации о решении и о шуме, содержащемся в данных. Последнее требование применительно к данным радиохимических измерений невыполнимо. Поэтому в этом случае необходимо использование процедур, позволяющих фильтровать шумы в условиях минимума априорной информации об их статистических свойствах.

ВТОЮЙ РАЗДЕЛ диссертационной работы содержит описание метода спектральной реконструкции, который был использован для анализа полей радиоактивности Черного моря и морей Западной Арктики. Показано, что при решении инверсной задачи восстановления полей радиоактивности необходимо учитывать ее априорную неопределенность, связанную с особенностями анализируемых полей: значительной (25-30%)

инструментальной ошибкой измерений концентраций радионуклидов в морской воде; ограниченностью количества измерений; неравномерностью пространственного расположения станций измерений'; невозможностью точно сформулировать динамические уравнения, описывающие физико-химическую кинетику процессов переноса, адсорбции и превращения изотопов. В работе используется постановка ннверсной проблемы по реконструкции полей концентраций радионуклидов, допускающая спектральное представление для этих полей. Весовые коэффициента для такого представления находятся из решения минимизационной задачи при определенных динамических ограничениях. Показано, что такая задача может быть сведена к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Дана физическая трактовка такой постановки инверсной проблемы. Определено, что получаемое решение является . средней оценкой поля концентрации радионуклида в Байесовском ансамбле гладких функций. Степень гладкости характеризуется евклидовой нормой вектора спектральных коэффициентов. Отмечено, что искомым считается решение, устойчивое по отношению к возмущению результатов измерений. В первом подразделе обоснована также постановка задач по реконструкции полей концентраций радионуклидов в исследуемых регионах. Для Черпого моря рассчитываются некоторые мгновенные оценки концентраций радионуклидов по данным отдельных радиоэкологических съемок в отсутствии динамических ограничений. В этом случае особые требования предъявляются к точности оценки спектральных коэффициентов. Для Карского и Баренцева морей ищется некоторое установившееся состояние полей радиоактивности (радиоактивный климат), соответствующее климатическому полю циркуляции. Под климатом понимается устойчивое состояние шля радионуклидов, полученное осреднением по некоторому вероятностному ансамблю состояний поля радиоактивности, а в качестве ансамбля используется байессовский ансамбль функций определенной степени гладкости. Для Белого моря рассчитываются составляющие радиоактивного баланса с использованием простой модели обмена радионуклидами между двумя водными слоями. В заключение первого подраздела обсуждается вопрос о пределах применимости используемого подхода к реконструкции полей концентраций радионуклидов. Показано, что детерминированное описание реконструируемых полей радиоактивности, которое неявно предполагается при данной постановке вариационной проблемы, вполне оправдано.

Во втором подразделе обосновывается выбор в качестве базисных функций спектрального разложения собственных функций задачи Неймана для плоского оператора Лапласа. Эти функции: 1) обладают свойством полноты; 2) учитывают геометрию расчетной области; 3) определены нелокально внутри всей расчетной области; 4) допускают эффективные

методы расчета; 5) обеспечивают высокую скорость сходимости спектральных разложений. Кроме того, для их расчета не требуется использование информации об измерениях исследуемых полей.

В третьем подразделе дается описание степенного метода, использованного для расчета базисных функций. Степенной метод решения спектральной задачи обладает следующими преимуществами. Во-первых, он позволяет ограничиться нахождением небольшого числа наименьших собственных значений и соответствующих собственных функций. Во-вторых, так как матрица оператора Лапласа обладает спектром неотрицательных собственных значешй, вещественна и симметрична, то она в явном виде не заполняется, что упрощает программную реализацию степенного метода.

Заключительный подраздел содержит описание метода оценки спектральных коэффициентов без априорного знания нормы точного решения на основе данных измерений, содержащих шумы с неизвестными статистическими свойствами. Использованный метод (Ivanov et а!., 1999; Ivanov and Margolina, 1997; Ivanov, Chu and Margolina, 1999; Ivanov and Margolina, 1999) позволяет получить устойчивое псевдорешение СЛАУ без какой-либо регуляризации в условиях априорной неопределенности относительно статистических свойств шума, содержащегося в ее правой части. Главная идея метода заключается в том, что существенное повышение точности решеши системы плохо обусловленных линейных уравнений может быть достигнуто через одновременное уменьшение безразмерного числа «отношение шум/сигнал» и числа обусловленности матрицы правой части системы, определяемого как отношение максимального сингулярного числа матрицы к ее минимальному числу. Приведены результаты тестовых расчетов, демонстрирующие преимущество данного метода перед широко используемыми в настоящее время численными методами решения СЛАУ (метод наименьших квадратов, SVD подход) при условии плохой обусловленности системы и высоких уровней шумов в ее правой части. Показано, что при «неудачных» комбинациях значений чисел обусловленности и шумов в правой части соответствующей системы линейных алгебраических уравнений наш подход дает более точные результаты, чем традиционные методы. Кроме того, он позволяет получить несмещенную и состоятельную оценку решения, что полезно и важно при оценке характеристик природных процессов.

ТРЕТИЙ РАЗДЕЛ диссертационной работы содержит результаты спектрального анализа пост-Чернобыльского радиоактивного загрязнения Черного моря. В первом подразделе дана общая гидрологическая характеристика района исследований.

Во втором подразделе дана характеристика данных, использованных для спектральной реконструкции полей радиоактивной Черного моря. Для

анализа пост-Чернобыльского радиоактивного загрязнения Черного моря использованы результаты радиохимических измерений, проведенных в экспедиционных исследованиях с 1986 по 1994 г.г. Для подготовки результатов наблюдений к обработке методом спектральной реконструкции было произведено районирование меря с помощью регулярной сетки квадратов со сторонами 12' по долготе и 10' по широте. Размерность сетки на горизонте Ом- 65x36. Левый нижний угол сетки имеет координаты <р410с.ш., Я:=27.5"в.д. Концентрации радионуклидов в центрах квадратов рассчитывались как взвешенное среднее по всем станциям, попавшим в квадрат. Веса, с которыми проводилось суммирование измерений на станциях, рассчитывались по методу обратных расстояний. В качестве базисных функций при спектральной реконструкции использовалось до тридцати собственных функций спектральной зада'га Неймана для плоского оператора Лапласа, рассчитанных на регулярной сетке для 21 уровня с неравномерным шагом по вертикали.

Для оценки количества радиоактивных изотопов цезия, попавших н Черное море в результате атмосферных выпадений непосредственно после аварий на Чернобыльской АЭС была проведена спектральная реконструкция поверхностных полей концентраций изотопов радиоактивного цезия по данным, полученным в 14 рейсе НИ С "Профессор Колесников" (в ноябре-декабре 1986 г.) и в 27 рейсе НИС "Яков Гаккель" в октябре 1986 г. Сделан вывод, что для удовлетворительной реконструкции поверхностного поля концентраций изотопов радиоактивного цезия достаточно использования первых двадцати членов спектрального разложения. Оценен наименьший горизонтальный пространственный масштаб поля концентрации радионуклидов, восстанавливаемый при использовании метода спектральной реконструкции. Сделан вывод о крупномасштабном характере радиоактивного загрязнения Черного моря, наблюдавшегося осенью 1986 г. Приведены оценки количеств изотопов радиоактивного цезия, попавших в Черное море в результате аварии на ЧАЭС, полученные по реконструированным полям. Отмечено, что по двум массивам данных, измеренных практически синхронно различными исследователями, получены близкие оценки интегрального содержания радиоактивных изотопов цезия в морской воде. Для оценки временной эволюции поля радиоактивного загрязнения Черного моря в постЧернобыльский период аналогичная методика была применена к данным, полученным в июле-августе 1992 г. в 21 рейсе НИС "Профессор Колесников" и рейсе 40-А НИС "Яков Гаккель". Показано, что за период с ноября 1986 г. по июль-август 1992 г. интегральное содержание радиоактивного цезия в воде Черного моря уменьшилось примерно на 70%. Проведенные расчеты по оценке вкладов различных факторов, определяющих формирование и эволюцию полей радиоактивных элементов в воде Черного моря, показали,

что такая трансформация поля радиоактивного цезия в пост-Чернобыльский период была обусловлена суммарным воздействием трех факторов: выносом радионуклида через Босфор, аккумуляцией радиоактивного цезия донными отложениями и радиоактивным распадом изотопа. Рассчитаны потоки растворенного радиоактивного цезия, выносимого в Черное море реками Днепр и Дунай. Анализ результатов расчетов показал незначительность этого источника радиоактивности Черного моря по сравнению с другими компонентами радиоактивного баланса.

ЧЕТВЕРТЫЙ РАЗДЕЛ диссертации содержит анализ полей радиоактивности техногенного происхождения западных морей Арктического бассейна.

В первом подразделе дана общая гидрологическая характеристика морей западной части Арктического бассейна.

Во втором подразделе описаны материалы наблюдений, которые использовались для получения климатических оценок радионуклндных потоков, формирующих поле искусственной радиоактивности в Баренцевом, Карском и Белом морях; данные измерений, полученные в ходе натурных исследований радиоактивного загрязнения арктических морей в августе 1985г. , в 12-м рейсе научно-исследовательского ледокола "Огто Шмидт" в августе-октябре 1982 г., в российско-норвежской экспедиции 1992 г. (20-й рейс НИС "Виктор Буйницкий") и в ходе измерений радиоактивности вод Белого моря, выполненных НПО "Тайфун" в августе 1985 г. Расчет собственных функций спектральной задачи Неймана для плоского оператора Лапласа для бассейна Карского моря производился на сетке с шагом 7,5 миль (размерность сетки 125x80). Для Баренцева моря использовалась сетка 52x55 с шагом 28 км. Для оценок основных компонент радиоактивного баланса Карского моря и совместного радиоактивного баланса Карского и Баренцева морей были использованы результаты расчетов среднегодовой климатической циркуляции, выполненные в Федеральном государственном научном центре «Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт» (Санкт-Петербург, Россия).

В третьем подразделе -приведены результаты идентификации основных источников и стоков, формирующих толя радиоактивного загрязнения Баренцева, Карского и Белого морей. Приводятся полученные климатические оценки радиоактивного загрязнения Карского моря: средние концентрации основных радионуклидов, их интегральное содержание и основные исгочниковые и стоковые компоненты радиоактивного баланса. Показано, что наибольшее количество радиоактивного стронция выносится в Карское море водами р. Енисей, а не Обь, как предполагалось раньше. Анализ данных измерений 1992 г. позволил сделать вывод о том, что затопленные на дне Карского моря контейнеры с радиоактивными отходами не представляли

на тот момент экологической опасности для региона. Этот вывод был полностью подтвержден прямыми измерениями потоков радионуклидов от затопленных контейнеров в ходе Норвежско-Российской экспедиции 19951996 г.г. Расчет оценок мощности основных источников и стоков радиоактивности Белого моря проводился с использованием боксовой модели, основанной на схеме гидрологического баланса водных масс Белого моря. При построении модели принималась гипотеза о существовании квазистационарного состояния полей искусственной радиоактивности. В дополнение к принятой гипотезе были сделаны следующие предположения, опирающиеся на анализ опубликованных исследований полей радиоактивного загрязнения вод Белого моря. Во-первых, предполагалось, что вкладом прямых глобальных выпадений над акваторией Белого моря в формирование поля радиоактивного загрязнения моря можно пренебречь. Во-вторых, предполагалось, что поглощение радионуклидов морской биотой уменьшает общее радиоактивное загрязнение моря не более, чем на несколько процентов. В-третьих, в балансовой модели для Белого моря не вводился компонент, описывающий влияние вероятных локальных источников загрязнения, которые могут быть связаны с дампингом радиоактивных отходов. Математический базис модели составляют уравнения баланса для среднегодовых количеств Cs'37 и .SV90, поступающих в верхний и нижний слои Белого моря и удаляемых из них. Полное содержание радиоактивных цезия и стронция рассчитывалось по реконструированным полям этих радионуклидов на пяти горизонтах (0, 25, 50, 100 и 150 м). Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что основная масса радиоактивных изотопов цезия и стронция поступает в Белое море с баренцевоморской водой. Показано, что в донных отложениях Белого моря должно происходить постоянное накопление радиоактивного цезия, что является ключевой стоковой компонентой радиоактивного баланса Белого моря. Полученные оценки показывают, что наиболее высокие средние концентрации Су'37, накопленного в донных отложениях на дне моря за 25-летний период, должны наблюдаться в его глубоководной части, где среднее удельное содержание цезия может достигнуть примерно 10-15 Бк/кг. Эта оценка согласуется с результатами прямых измерений Су137 в донных отложениях Белого моря, проведенных в 1994 г. (Матишов и др., 1995).

ВЫВОДЫ

1. На основе метода спектральной реконструкции развито несколько инверсных вариационных моделей различного уровня сложности. Они были использованы для ассимиляции измерений концентраций радионуклидов в Черном, Карском, Баренцевом и Белом морях, что позволило отфильтровать шумы в данных, заполнить пробелы,

связанные с несовершенством планов измерений, провести интерполяцию данных измерений в узлы равномерной сетки и создать набор радиохимических данных, удобных для получения интегральных оценок содержания радионуклидов в различных географических регионах.

2. Дана новая ревизованная оценка глобального загрязнения Черного моря изотопами цезия Чернобыльского происхождения. В качестве критериев правдоподобности этой оценки использованы:

• Количественное совпадете рассчитанных по двум различным квазисинхронным сериям измерений (МГИ НАН Украины и НПО «Тайфун», Россия) значений интегрального содержания в море растворенного цезия;

• Качественное совпадение в поведении реконструированных межгодовых потоков радионуклидов растворенных цезия и стронция, выносимых в Черное море водами рек Днепр и Дунай, и результатов независимых измерений этих характеристик (Кулебакина и Поликарпов 1990; Поликарпов и др., 1993 и Вакуловский и др., 1991).

3. Восстановлена пространственно-временная структура полей растворенных изотопов радиоактивного цезия на поверхности Черного моря в период с 1986 по 1992 г.г. Определен характерный пространственно-временной масштаб изменчивости этого поля.

4. Рассчитан вклад различных физических и химико-биологических факторов в процесс формирования современного поля растворенного радиоактивного цезия в Черном море. Найдено, что естественный распад изотопов, их вынос из моря Верхнебосфорским течением и аккумуляция Су137 взвешенным веществом - три принципиальных механизма, определяющих этот фон.

5. Развита инверсная вариационная модель для реконструкции полей изотопов Су137 и Бг*0, находящихся в растворенной форме, а также изотопа Су13', связанного на взвеси. Модель основана на локальном вариационном потенциале и может бьгть применена для регионов с открытыми границами.

6. Исследован современный цезиевый и стронциевый баланс в Карском море. Даны оценки интегрального содержания изотопов в море, рассчитаны среднегодовые потоки через пролив Карские ворота и количества изотопов, выносимых в море реками Обь и Енисей. Найдено, что в 1992 г., когда были выполнены измерения, использованные для настоящих оценок, вклад затопленных на дне Карского моря контейнеров с радиоактивными отходами в формирование полей радиоактивности Карского моря был пренебрежимо мал по сравнению с

другими факторами. Главная порция изотопов поступала в морс с баренцсвоморской водой через пролив Карские ворота. Отсутствие сколько-нибудь значительного выхода изотопов в морскую воду из контейнеров было позднее подтверждено прямыми измерениями в российско-норвежской экспедиции 1996 г.

7. Оценена мощность источников радионуклидного загрязнения Баренцева моря. Из результатов наших расчетов следует, что главные факторы формирования поля радиоактивного загрязнения Баренцева моря - вынос значительных количеств изотопов реками Арктического бассейна и попадание радионуклидов в море с радиоактивных свалок, организованных в шельфовых зонах моря бывшим СССР. Выдвинутая ранее многими российскими и западными исследователями гипотеза о том, что Баренцево море в основном загрязнено изотопами от завода по переработке ядерного топлива (Селлафивд, Англия), настоящими расчетами не подтверждается.

8. Развита основанная на особешгостях формирования гидрологической структуры Белого моря балансовая двухслойная модель круговорота изотопов S^ и Csm.

9. Найдено, что радионуклидное поле Белого моря формируется за счет поступления изотопов с соленой баренцсвоморской водой и аккумуляции растворенного Cs137 взвесью, с последующим накоплением радионуклидов в верхнем слое донных отложений. Качественное совпадение оценок средней концентрации Cs137 в донных отложениях и результатов прямых измерений этой величины, приведенных в Матишов и др., 1995, подтверждают результаты настоящих расчетов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Eremeev V.N., Ivanov L.M., Kirwan A.D., Jr., Margolina T.M. Ananlysis of Césium Pollution in the Black Sea by Régularisation methodVMarine Pollution Bulletin. - 1995.- Vol.30, No.7.- P.460-462.

2. Eremeev V.N., Ivanov L.M., Kirwan A.D., Jr., Margolina T.M: Amount of Cs137 and Cs134 Radionuclides in the Black Sea Produced by the Chernobyl Accident//J.Environ.Radioactivity. - 1995. - No.27.-P.49-63.

3. Данилов А.И., Иванов Л.М., Кулаков М.Ю., Марголина Т.М., Павлов В.К. Современный радиоактивный климат Карского моря//Доклады Академии наук России. - 1996. - том 346, №4. - С.545-548.

4. Ivanov L.M., Margolina Т.М., Melnichenko O.V. Prédiction and Management of Extreme Events Based on a Simple Probabilistic Model of the

First-Passage Boundary//Phys. Chem. Earth (A).- 1999. - Vol.24, No.2. -P. 169-173.

5. Ivanov. L.M., Margolina T.M. Reconstruction of oceanographic fields without the information on statistical properties of noise//Proceedings of the Conference on Coastal Oceanic and Atmospheric Prediction. - Atlanta, Georgia, 76th AMS Annual Meeting. - 1996. - P.155-158.

6. Ivanov L.M., Margolina T.M. Reconstructed intenmnual variability of Cs-137, Cs-134 and Sr-90 pumped into the Black Sea by the Danube and Dnieper rivers from 1986 to 1994//Abstract of IOC-BSRC Workshop "BLACK SEA FLUXES". - 10-12 June 1997. - Istanbul, University of Istanbul, Institute of Marine Sciences and Management. - P. 11.

7. Ivanov L.M., Margolina T.M. Structure reconstruction of nonlinear dynamical systems from observed time series without information on noises distorted an useful signal//Annales Geophysicae, Supplement II to Volume 15 (Abstracts Book of the XXII General Assembly of the European Geophysical Society), Part II "Hydrology, Oceans, Atmosphere & Nonlinear Geophysics". - Vienna. - 1997.-P.C593.

8. Ivanov L.M., Margolina T.M. Радиоактивное загрязнение Черного моря. Реконструкция пост-Чернобыльского периода. Прогноз развигия//Тезисы Международной конференции «Открытое общество», Всеукраинский комитет поддержки программы ООН по окружающей среде, Севастопольское отделение. - Севастополь. - 1998 - С.23.

9. Ivanov L.M., Margolina Т.М. Spectral Reconstruction of Oceanographic Fields. Approach, Mathematical Methods, an Application to the FGGE-Lagrangian Data Field//Abstracts of the 31st International Liége Colloquium on Ocean Hydrodynamics "Three-Dimensional Ocean Circulation: Lagrangian Measurements and Diagnostic Analyses". - Liége. - 1999. - P.44.

АННОТАЦИЯ

Марголнна Т.М. Радиоактивное загрязнение Черного, Карского, Баренцева и Белого морен: анализ с помощью метода спектральной реконструкции,-Рукопись.

Диссертация fia соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика-Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 2000.

Целью диссертационной работы являлось развитие инверсных вариационных моделей, позволяющих ассимилировать имеющиеся в настоящее время данные радиохимических измерений, получение количественных оценок радиоактивного загрязнения Черного моря и западных морей Арктического бассейна с применением метода спектральной реконструкции и идентификация физических механизмов, формирующих это загрязнение. Рассчитан вклад различных физических и химико-биологических факторов в процесс формирования полей искусственной радиоактивности в Черном море и западных морях Арктического бассейна. Выяснена степень влияния локальных источников, связанных с затопленными на дне Карского моря контейнерами с радиоактивными отходами, на глобальную радиоактивность Карского моря. Предложена балансовая модель круговорота радионуклидов в Белом морс, учитывающая особенности гидрологического режима моря.

Ключевые слова: искусственная радиоактивность, спектральная реконструкция, пространственно-временная изменчивость, вариационный метод, фильтрация шумов.

АНОТАЦ1Я

Марголша Т.М. Радюактивне забруднення Чорного, Карського, Баренцева й Бiлого MOpiB: анал!з за допомогою методу спектрально! реконструкцп. Рукопис.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата ф!зико-математичних наук за спещальшстю 04.00.22 - геоф1зика. Морський гтдроф1зичнкий iHcnrryг HAH Украши, Севастополь, 2000.

Метою диссртацшно'1 робота був розвиток ¿нверсних вар1ащйних моделей, що дозволяють асимЪповатн дат радкшм1чкнх вим^рювань, ¿сиуючих у цей час, отримання гальюсних оцшок радюакгавного забруднення Чорного моря й захщних MOpiB Арктичного басейну \з застосуванням методу спектрально! реконструкцп й вдентифнеащя ф1зичних мехашзм1в, що формують це забруднення. Розрахований внесок pi3Hitx ф1зичних i xîmîko-бюлопчних чинншав у процес форму вання гошв штучно!' радюактивносп в Чорному Mopi i захтдних морях Арктичного басейну. З'ясована Mipa впливу локалышх джерел, пов'язаних i3 затопленими на дш Карського моря

контейнерами з радюакгавннмн выходами, на глобальну радюактившсть Карського моря. Залропонованз балансова модель круговороту радюнуклщв у Бшому Mopi, яка враховуе особливосп гщролопчного режиму моря. K®040Bi слова: штучка радюактившсть, спекгральна реконструыдя, просторо во-часова шшпшсть, вар1ащшшй метод, фшьтрахря inyMie..

SUMMARY

Margolina Т.М. Radioactive contamination of the Black, Kara, Barents and White Seas: analysis by the method of spectral reconstruction-Manuscript. The thesis for a Ph.D.'s degree (physical and mathematical sciences) in speciality 04.00.22-geophysics.-Marine Hydrophysical Institute of the Ukrainian National Academy of Sciences, Sevastopol, 2000.

A few invers variation models based on the method of spectral reconstruction have been developed. The models were used to assimilate measurements of radionuclide concentration in the Black, Kara, Barents and White Seas. That allowed to filter noises the data contained, to fill spatial gaps caused by imperfection of measurement plans, to interpolate the data into knots of uniform grid. As a result sets of radiochemical data which are appropriate to obtain integral estimations of radionuclide content in various geographic regions have been created. A new revised estimation of the Black Sea contamination by the cesium isotopes of Chernobyl origin is given. The following facts were used as criteria of verisimilitude for the estimations: 1) quantitative coincidence of values of integral cesium content in the Black Sea obtained by two diverse quasi-syncronic series of measurements; 2) qualitative coincidence between the reconstructed interannual fluxes of dissolved cesium and strontium pumped into the Black Sea by the Danube and Dnieper rivers and direct undependent measurements of these characteristics. Spatial-temporal structure of the fields of dissolved cesium and strontuim on the surface of the Black Sea has been reconstructed for the period 1986-1992. The typical spatial-temporal scale of the fields' variability has been estimated. Contributions which are brought in the process of forming the modem field of dissovcd radioactive cesium in the Black Sea by various physical and chemico-biological factors have been calculated. It is found that natural decay, the Bosphorus outflow and the isotope accumulation by sediments are the basic processes reducing the amount of the dissolved cesium and strontium in the Black Sea after the Chernobyl disaster. The invers variation model to reconstruct fields of dissolved cesium and strontium and suspendid Cs-137 in the Kara Sea has been developed. The model is based on the local variational potential and can be applied to regions with open boundaries. The modern cesium and strontium balances for the Kara Sea have been investigated. Estimations of integral amounts of the isotopes are given for the Kara Sea. The average annual fluxes through the Kara Gate and the amounts of isotopes pumped

into Ihe sea by the Ob and Yenisey rivers are given. Il was shown that in the middle of 90s the containers with radionuclide wastes damped in the Kara Sea by the former USSR had not exerted any considerable influence on the radioactive situation in that region. This results has been confirmed by direct measurements conducted in the course of the Russian-Norwegian expidition in 1996. It is a result of the present calculations that the main part of radionuclides was carried into the Kara Sea with the Barents Sea waters through the Kara Gate. In contrast to earlier assumptions, it was found out that the Yenisey river pumped a more considerable amount of radioactivity into the Kara Sea than the Ob river did. The capacity of sources of radioactivity contamination was also estimated for the Barents Sea. It results from the present calcuiations that the principal factors forming the radioactive contamination fields of the Barents Sea are the carrying of considerable amount of radionuclides into the sea by the rivers of the Arctic Basin and the entering of radioisotopes coming from the radioactive dumps which had been arranged in the shelf zones of the sea by the former Soviet Union. The advanced before by many russian and west scientists hypothesis that the Barents Sea is on the whole contaminated by the isotopes of reprocessing facilities in Western Europe has not been corroborated by the present calculations. The two-layer model of Cs-137 and Sr-90 rotation in the White Sea based on the well-known pecularities of the White Sea hydrological structure forming has been worked out. It was found that the White Sea radionuclide field was formed by input of the isotopes with the salt water of the Barents Sea and by accumulation of dissolved Cs-137 by suspension with its posterior piling in the upper layer of sediments. The qualitative coincidence of the estimation of the Cs-137 average concentration in the White Sea sediments and the results of direct measurements has confirmed that result.

Key words', artificial radioactivity, spectral reconstruction, spatial-temporal variability, variation method, filtering of noise.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 01.03.2000 г. Формат бумаги 60 х 84 1/16

Авт. л. 0,9 Заказ 14 . Тираж 100 экз.

Отпечатано НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика» 99000, Севастополь, ул. Ленина, 28