Введение к работе
ІООі О
Актуальность работы определяется высоким стратегическим значением оз. Байкал как крупнейшего источника питьевой воды и как участка мирового природного наследия. Возрастание промышленного загрязнения воздушного бассейна в Байкальском регионе представляет собой реальную угрозу экосистеме озера и окружающим его природным комплексам. В ряду основных экологических проблем, связанных с нарушением химического состава атмосферных выпадений, стоит проблема кислотных осадков, обусловленная увеличением потока в атмосферу кислотообразующих газов (Израэль и др., 1989; Husar, 1991; Galloway, 2001). Изменение состава атмосферных выпадений ведет к нарушениям функционирования наземных и водных экосистем, многочисленные примеры которых известны в Европе и Северной Америке (Зайков и др., 1991; Knutsson, 1994; DriscoU et al., 2001; Emberson et al., 2001).
Для Байкальского региона проблема кислотных выпадений не стояла остро, хотя исследования, проведенные в начале 1980-х гг. в горных районах Прибайкалья, показали низкие значения величины рН и малую буферную емкость снеговых вод (Ходжер, 1988; Оболкин и др., 1991). Исследования воздушного бассейна Прибайкалья в 1970-80-ые гг. были направлены в основном на изучение химического состава атмосферных осадков (АО) в связи с промышленным освоением территории. Проводили оценку поступления загрязняющих веществ с АО на южную, наиболее подверженную загрязнению, территорию озера и в целом на весь Байкал (Матвеев, 1983; Ходжер, 1983; Ветров и др., 1985; Анохин и др., 1991; Оболкин и др., 1990). Полученные в этот период результаты позволили сделать первые оценки накопления отдельных компонентов на подстилающей поверхности, определить роль АО в химическом балансе озера Байкал (Ходжер, 1988; Ветров и др., 1997). В это же время наличие на юго-восточном побережье озера крупного локального источника загрязнения атмосферы, Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК), обозначило проблему поражения пихтовых и кедровых лесов северного склона хребта Хамар-Дабан (Морозова, 1991). К началу 1990-х гг. увеличение объемов выбросов в атмосфе-
„ РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ І 0
экологически неблагополучной тер эиторэдБЩ^ЩкЕородрв. Значительному
ру индустриальными центрами юга
Влгтпттттй С'чАиргс "Г-У""*"" К ПОЯВЛЄНИЮ
* 9В
*&&
воздействию атмосферных выбросов подвергались хвойные леса, произрастающие вблизи городов Приангарья (Михайлова и др., 1994).
Наїли комплексные исследования были направлены на изучение современного состояния атмосферы и ее роли в функционировании различных природных сред на Байкальской природной территории. Согласно Федеральному закону «Об охране озера Байкал», «Байкальская природная территория (БПТ) определена как территория, в состав которой входят озеро Байкал, водоохранная зона, прилегающая к озеру Байкал, его водосборная площадь в пределах территории Российской Федерации, особо охраняемые природные территории, прилегающие к озеру Байкал, а также прилегающая к озеру территория шириной до 200 километров на запад и северо-запад от него».
В работе применен системный подход к изучению состояния атмосферы, базирующийся на новейших методах отбора и анализа природных образцов, оценке потоков химических веществ из атмосферы на водосборную территорию и акваторию озера, а также роли атмосферы в функционировании различных природных сред, что позволило провести районирование БПТ и определить районы, наиболее уязвимые по отношению к атмосферным загрязнениям.
Пель работы - изучить процессы формирования химического состава аэрозолей, атмосферных осадков и малых газовых примесей, оценить их воздействие на экосистемы БПТ в современный период.
Задачи исследований:
-
на основании имеющейся научной информации обосновать выбор сети станций мониторинга для комплексного исследования атмосферы, поверхностных вод, почвенного покрова, растительности в различных физико-географических районах БПТ;
-
изучить основные факторы формирования и пространственно-временную динамику химического состава малых газовых примесей, аэрозолей и атмосферных осадков над БПТ;
-
выявить механизмы подкислсния атмосферных осадков и установить районы в пределах БПТ, испытывающие кислотные нагрузки;
-
на основе экспериментальных данных и методов математического моделирования оценить поступление веществ из атмосферы на подстилающую поверхность и определить их влияние на наземные экосистемы БПТ;
5) определить роль атмосферных выпадений в приходной части химического
баланса оз. Байкал в современный период.
Объекты исследования. В основу работы положены результаты многолетних исследований (1990-2003 гг.) с применением комплексного подхода к изучению атмосферы и оценке ее влияния на различные природные среды. Выполнено одновременное изучение малых газовых примесей, атмосферных аэрозолей (АА), единичных атмосферных осадков (АО), снежного покрова, почвы, поверхностных вод, растительности. С начала 1990-х гг. детальные исследования атмосферы и атмосферных выпадений осуществляли на наземных станциях в районе Южного Байкала, а также над всей акваторией озера, используя научно-исследовательский флот и самолет-лабораторию. Организованы три станции непрерывного мониторинга (Иркутск, Листвянка, Монды), отражающие различные условия атмосферы (глобальный или региональный фон, антропогенное влияние на состав атмосферы).
Станция Иркутск (523' N, 1044' Е) располагается в крупном промышленном центре на юге Восточной Сибири с населением более 600 тысяч человек. В городе действует 196 промышленных и коммунальных котельных и одна крупная ТЭЦ, доля выбросов которых составляет 86% от валового выброса всех источников загрязнения атмосферы. Наблюдения вели в черте города, на его южной окраине. Представленные по этой станции данные характеризуют условия промышленных районов Сибири.
Станция Листвянка (519' N, 1047' Е) находится в 70 км от Иркутска, на северо-западном побережье южной оконечности Байкала. Листвянка - небольшой поселок с населением около 5 тыс. жителей в последние годы стал центром туризма на Байкале. Здесь имеются точечные источники загрязпения атмосферы в виде котельных и печного отопления. Кроме того, атмосфера интенсивно загрязняется выбросами автомобильного транспорта, поток которого за последние годы увеличился в несколько раз. Наблюдения вели на двух уровнях: на площадке метеостанции Исток Ангары (460 м над у. м.) и на астрофизической обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН (ИСЗФ СО РАН) (760 м над у. м.). Результаты исследований на этой станции являются характерными для территорий, расположенных на периферии промышленных центров (сельские районы).
Станция Монды (516' N, 1010'Е) находится на территории астрономической обсерватории ИСЗФ СО РАН. Обсерватория расположена на горе Часовые сопки (плоскогорье между хребтами Восточного Саяна и Хамар-Дабана на высоте 2005 м над у. м.) и не имеет локальных источников загрязнения атмосферы. От промышленных комплексов Прибайкалья она удалена более чем на 300
км и закрыта хребтами. Наблюдения на
этой станции отражают региональные
фоновые условия атмосферы и гло
бальный перенос атмосферных приме
сей. На станциях были установлены
автоматические метеосистемы, прово
дился отбор единичных АО автомати
ческими осадкосборниками, а также АА
и газовых примесей. Вблизи станций и
в других районах БИТ проводили об
следование снежного покрова, почв, по
верхностных вод и растительности
(рис. 1). В работе проанализировано око-
Рис. 1. Карта-схема района ло бдо щ^ малых газовых примесей,
исследований (1990-2003 гг.) более 1800 проб АА, около 800 проб еди
ничных АО, 650 проб снежного покрова, 30 образцов почвы, свыше 200 проб реч
ной воды, 25 образцов растительности. Выполнено около 55 тыс. определений бо
лее 40 показателей методами высокоэффективной жидкостной хроматографии,
атомной абсорбции, рентгенофлуоресцентного анализа с синхротронным излучени
ем, нейтронно-активационного анализа, рентгеновского микроанализа с электрон
ным микрозондом. При обработке большого массива данных использованы стати
стические методы: расчет коэффициентов корреляции, факторный и кластерный
анализы. Для определения вклада крупно- и мезомасштабных метеорологиче
ских процессов в динамику аэрозольного вещества рассчитана повторяемость
синоптических процессов для периодов, характеризующихся высокими значе
ниями концентраций ионов в АА. Выполнен анализ обратных траекторий пере
носа воздушных масс в периоды, когда выпадали кислотные осадки или осадки с
высокой минерализацией.
Научная новизна.
научно обоснован выбор сети репрезентативных станций мониторинга БПТ и впервые одновременно проведены комплексные исследования химического состава атмосферы, поверхностных вод, почв, растительности с применением новейшего оборудования и современных аналитических методов;
изучен состав и динамика малых газовых примесей, химических и биологических составляющих АА, выявлена роль климатических факторов и синоптических процессов в их пространственно-временной динамике, определено происхождение байкальских аэрозолей;
исследованы процессы, ведущие к подкислению АО, установлены районы БПТ, подверженные влиянию кислотных выпадений; выявлен существенный вклад атмосферных выпадений в формирование состава речных вод бассейна Южного Байкала, определены тренды в изменении химического состава АО и вод рек Южного Байкала в современный период;
на основании экспериментальных данных и расчетных оценок, полученных математическим моделированием потоков макро- и микроэлементов на подстилающую поверхность, выполнено районирование БПТ по уровню атмосферного загрязнения и оценена роль атмосферной составляющей в приходной части химического баланса Байкала;
на основе результатов исследований и сопоставления их с мировыми данными установлено, что в пределах БПТ высокогорная станция Монды отражает фоновые условия состояния атмосферы Центральной Азии. Практическая значимость. Результаты предварительных работ начала 1990-х гг. послужили основой для выбора сети репрезентативных станций мониторинга и организации систематических исследований различных природных сред на БПТ. Материалы, получаемые на созданной сети станций, использует Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет РФ). Они отражены в ежегодных отчетах по международной программе «Сеть станций мониторинга кислотных вьшадений в Восточной Азии» (EANET). Анализ материалов систематических наблюдений на станции Монды позволил рекомендовать её Росгидромету РФ в качестве международной
фоновой станции Глобальной Службы Атмосферы (ГСЛ). Проведено районирование по уровню техногенных нагрузок на наземные экосистемы БПТ, которое может служить основой для прогноза возможного их изменения в будущем.
Многолетние исследования на БПТ позволили оценить роль атмосферы в формировании современного химического баланса оз. Байкал. Материалы работы вошли в Географический атлас «Озеро Байкал». В соавторстве создана база данных «Атмосферные аэрозоли Восточной Сибири», зарегистрированная Российским агентством по патентам (Свидетельство № 990012 от 10.03.99 г.), которая используется специалистами, работающими в области охраны окружающей среды.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением комплекса современных высокочувствительных методов химического анализа в аккредитованной лаборатории гидрохимии и химии атмосферы Лимнологического института СО РАН. Она подтверждена регулярным участием сотрудников лаборатории в двух международных программах (Global Atmospheric Watch QA/QC под эгидой Всемирной метеорологической организации и Acid Deposition Monitoring Network in East Asia - EANET) no контролю качества химических анализов с тестированием образцов «искусственных кислых дождей», «поверхностных вод» и «почв». Выполнено сопоставление результатов анализа проб АА в лабораториях гидрохимий и химии атмосферы Лимнологического института СО РАН и химической экологии водных сред Института неорганической химии СО РАН (г. Новосибирск). Ряд химических определений выполнен в ведущих российских и зарубежных лабораториях, имеющих международные сертификаты (Институт ядерной физики, г. Новосибирск; Институт ядерных исследований, г. Дубна; Высшая океанографическая школа Род-Айлендского университета (США); Центр по микро- и следовому анализу Антверпенского университета (Бельгия); Университет г. Майнца (Германия). Экспериментальные данные хорошо согласуются с математическими оценками накопления загрязняющих компонентов на подстилающей поверхности БПТ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на российских и международных конференциях и совещаниях: Международный аэрозольный симпозиум (Москва, 1994,1995); «Международная Верещагинская Байкальская Конференция» (Иркутск, 1995, 2000, 2005); Третий межреспубликанский симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1996); 15-ая ежегодная конференция международного аэрозольного общества (США, 1996); 14-ая
Международная конференция «Нуклеация и атмосферный аэрозоль» (Финляндия, 1996); Joint International Symposium on Lake Baikal (Япония, 1998); рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 1997-2003); 7-й Азиатский химический конгресс (Япония, 1998); Scientific Conferences of the International Global Atmospheric Chemistry Project (США, 1998, Италия, 1999); International Symposium «Tropospheric Ozone in East Asia and Its Potential Impacts on Vegetation» (Япония, 1998); International Conference «Baikal as World Natural Heritage Site: Results and Prospects of International Cooperation» (Улан-Удэ, 1998); International Conferences «Acid Rain» (Япония, 2000, Чехия, 2005); 43-rd Conference on Great Lakes and St. Lawrence River Research (Канада, 2000); международная конференция «Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2001); Международные семинары под эгидой НАТО «Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality» (Иркутск, 2001); «Ancient lakes: Speciation, development in time and space, natural history» (Иркутск, 2002); 5-th Workshop on Land Ocean Interactions in the Russian Arctic (Москва, 2002); 8-th International Seminar «On the Regional Deposition Processes in the Atmosphere in the East Asia (Иркутск, 2002); 7- th International Congress of Ecology (Корея, 2002); World Climate Change Conference (Москва, 2003); «Environmental Simulation Chambers; Application to Atmospheric Chemical Processes» (Польша, 2004); European Aerosol Conferences (Германия, 1997, Чехия, 1999, Венгрия, 2004), General Assembly of the European Geosciences Union (Франция, 2003,2004).
Публикации и личный вклад автора. В диссертацию вошли материалы, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора в ходе проведения исследований в рамках планов НИР СО РАН: «Разработка, интсрка-либрация и внедрение новых методов физико-химического и биологического мониторинга», «Исследование малых газовых примесей, аэрозолей и осадков (химические и биологические компоненты) над БИТ и газообмена Байкала с атмосферой в условиях глобального накопления С02», а также работ, поддержанных грантами INTAS (93-01-82), Исследовательским фондом министерства окружающей среды Японии, грантом Международного научно-технического центра №1908, интеграционными проектами №№ 64, 169 СО РАН «Аэрозоли Сибири», грантами РФФИ и РФФИ-Байкал. Под руководством диссертанта научно обоснован выбор станций комплексного мониторинга, проведено их оснащение совре-
менным оборудованием, выполнен сбор и анализ экспериментального материала, организовано участие сотрудников лаборатории гидрохимии и химии атмосферы в международных программах по контролю качества выполняемых анализов. Диссертант лично принимал участие в сборе, первичной обработке и интерпретации данных, представленных в работе. В международной программе EANET автор является экспертом и отвечает за материалы, поставляемые Росгидрометом РФ в ежегодные отчеты Центра Сети этой программы. По теме диссертации опубликовано в российских и международных журналах свьппе 40 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 305 страниц с 71 таблицей, 116 рисунками состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы, содержащего 315 источников, из них 96 иностранных.
Похожие диссертации на Исследование состава атмосферных выпадений и их воздействия на экосистемы байкальской природной территории
