Содержание к диссертации
Введение
1. Атмосфера - один из каналов поступления антропоген ного вещества в арктику (по литературным данным) 9
1.1. Перенос воздушных масс и примесей в северной полярной области в разные сезоны года 9
1.1.1. метеорологические характеристики арктической атмосферы 10
1.1.2. синоптические процессы и перенос воздушных масс 15
1.1.3. осаждение аэрозольных примесей на поверхность 20
1.1.4. возможности дальнего переноса примесей в Арктику. 23
1.2. Микроэлементы в составе арктического аэрозоля (экспериментальные резуль таты) 26
1.2.1. химические элементы различной природы 26
1.2.2. сезонные изменения атмосферных концентраций элементов разной природы 33
1.2.3. уровень атмосферных концентраций микроэлементов в Арктике и их долговременные изменения 39
1.2.4. выпадение антропогенных микроэлементов на поверхность в Арктике 46
1.3. Антропогенная эмиссия микроэлементов в атмосферу 51
1.4. Воздействие антропогенных микроэлементов на окружающую среду в Арктике 59
2. Экспериментальное изучение элементного состава ат мосферного аэрозоля в российской арктике (наши ис следования) 65
2.1. Постановка и методика экспериментов 65
2.1.1. пункты и периоды наблюдений 65
2.1.2. методики отбора и анализа аэрозольных проб 67
2.1.3. подходы к изучению происхождения исследуемого аэрозоля по его элементному составу 70
2.2. Средние характеристики элементного состава изучаемого аэрозоля 71
2.2.1. средние концентрации микроэлементов в арктической атмосфере 71
2.2.2. средние коэффициенты обогащения микроэлементов 76
2.3. Корреляционный анализ состава аэрозольных проб 76
2.3.1. корреляции концентраций и коэффициентов обогащения 76
2.3.2. факторный анализ данных об элементном составе 83
2.4. Происхождение аэрозоля отдельных проб: результаты синоптического анали за движения воздушных масс 88
2.4.1. архипелаг Северная Земля 89
2.4.2. остров Врангеля и станция СП-28 92
2.4.3. морские экспедиции 94
2.5. Происхождение аэрозоля отдельных проб: метод отношений концентраций элементов- трассеров 95
2.5.1. основная идея метода и его апробация 95
2.5.2. примененная нами методика сравнения отношений концентраций элементов-трассеров 99
2.5.3. результаты идентификации регионов- источников антропогенных составляющих отдельных аэрозольных проб 102
3. Средние закономерности в процессах дальнего перено са воздушных масс в российскую арктику и из нее за период с 1986 по 1995 год 111
3.1. Постановка задачи и методика анализа траекторий переноса воздушных масс 112
3.1.1. пункты наблюдений и массивы траекторий 112
3.1.2. надежность исходной информации и результатов 115
3.1.3. классификация траекторий для применения к задаче переноса аэрозольных примесей в Арктику 118
3.2. Средние закономерности в процессах воздухообмена Российской Арктики с окружающими территориями 120
3.2.1. приход воздуха к пунктам наблюдений 121
3.2.2. уход воздуха от пунктов наблюдений 124
3.3. Межгодовая изменчивость в процессах воздухообмена 130
4. Численные оценки средних характеристик загрязнения атмосферы арктики за 10 лет с 1986 по 1995 год 136
4.1. Методика оценок средних показателей загрязнения арктической атмосферы при использовании больших массивов траекторий переноса воздушных масс 136
4.1.1. введение и расчет функции эффективности переноса примеси от источника к пункту наблюдений 137
4.1.2. параметры и характеристики, необходимые для оценки ФЭП 139
4.1.3. перераспределение примеси в арктической атмосфере 146
4.1.4. подход к оценкам средней атмосферной концентрации примеси и ее потока на подстилающую поверхность 150
4.2. Средние концентрации антропогенных микроэлементов в атмосфере Россий ской Арктики 152
4.2.1. вклады отдельных регионов-источников, наиболее значимые источники загрязнения атмосферы Российской Арктики 153
4.2.2. средние концентрации микроэлементов в арктическом воздухе 157
4.3. Очищение арктической атмосферы от антропогенных аэрозольных приме сей 162
4.3.1. сравнение эффективностей трех механизмов очищения 164
4.3.2. соотношение «вертикального» и «горизонтального» механизмов очищения для всей атмосферы Арктики 164
4.3.3. баланс антропогенных микроэлементов в атмосфере Арктики 168
4.4. Средние потоки антропогенных микроэлементов из атмосферы на подстилающую поверхность в Арктике 171
4.5. Влияние длительности исходных траекторий движения воздушных масс на средние показатели уровня загрязнения арктической атмосферы 174
4.6. Вклад атмосферы в загрязнение вод морей Российской Арктики 175
5. Многолетние изменения в процессах формирования за грязнения арктической атмосферы в конце xx века 181
5.1. Современные изменения климата в Северном полушарии и антропогенное загрязнение атмосферы Арктики 181
5.2. Изменения в процессах воздухообмена 185
5.3. Изменения вкладов источников антропогенных микроэлементов 192
5.4. Изменения в процессах очищения арктической атмосферы 193
5.5. Изменения средних показателей загрязнения в Арктике 195
5.5.1. Изменение концентраций антропогенных микроэлементов в атмосфе ре 195
5.5.2. Изменение потоков антропогенных микроэлементов на поверхность... 198
Заключение 204
- Микроэлементы в составе арктического аэрозоля (экспериментальные резуль таты)
- Средние характеристики элементного состава изучаемого аэрозоля
- Средние закономерности в процессах воздухообмена Российской Арктики с окружающими территориями
- Средние концентрации антропогенных микроэлементов в атмосфере Россий ской Арктики
Введение к работе
Атмосфера и гидросфера - два канала, по которым осуществляется перенос вещества из средних широт в Арктику. При этом на территории Арктики происходит разгрузка воздушных потоков и речных вод от тех загрязнений, которые они накопили в среднеширотных районах, и особая уязвимость окружающей среды арктического региона определяется своеобразием миграции и поступления загрязняющих веществ в ее депонирующие среды. В этой связи немаловажным является изучение источников антропогенных микроэлементов в арктической атмосфере, а также механизмов ее очищения и степени воздействия на различные объекты природной среды Арктики.
До недавнего времени роль атмосферы в процессе загрязнения водных объектов арктического региона недооценивалась. Однако для ряда веществ и химических элементов, в частности, антропогенных, вклад атмосферы может оказаться определяющим, особенно в центральных частях самого Северного Ледовитого океана и его морей.
Осаждаясь на подстилающую поверхность (лед, снег, вода океана и его морей, суша островов и прибрежных территорий), принесенные воздушными массами антропогенные вещества воздействуют на окружающую среду Арктики, ее флору и фауну, влияя через пищевые цепи и на человека [АМАР, 1997; 2002]. При этом в холодных условиях Арктики целый ряд элементов окружающей среды (морской лед, донные осадки, мхи и лишайники, некоторые животные) обладают свойством накапливать загрязнения в течение многих лет. В результате антропогенная нагрузка на арктические экосистемы возрастает со временем.
Специфика климатических и метеорологических условий, существующих в северной полярной области (СПО), определяет своеобразие природных явлений, происходящих в этом регионе. В частности, свойства и состав атмосферного аэрозоля в Арктике во многом существенно отличаются от аналогичных характеристик атмосферы других широт. Большую часть года (200-300 дней в году) поверхность Северного Ледовитого океана (СЛО) и суши в Арктике скована льдом и скрыта слоем снега, поэтому влияние природных (терригенного и морского) локальных и региональных источников аэрозольного вещества на состав арктического аэрозоля на долгое время исключается. Своеобразие процессов трансформации аэрозоля и его влияния на окружающую среду в арктическом регионе связано также с изменениями ряда физических параметров атмосферы и подстилающей поверхности при переходе от полярной ночи зимой к летнему незаходящему солнцу и обратно. В результате создаются условия, при которых определяющее воздействие на природную среду Арктики оказывают атмосферные аэро-
золи, в том числе и антропогенные, принесенные туда из среднеширотных районов планеты.
Несмотря на то, что последние 15-20 лет XX века ознаменовались активным изучением состава и свойств атмосферы Арктики, этих усилий оказалось недостаточно для выявления наиболее общих закономерностей в процессах воздействия деятельности человека на арктическую атмосферу и оценки возможных последствий этого явления. Поэтому в начале XXI века задача изучения временной и пространственной изменчивости уровня загрязнения атмосферы Арктики, а также источников и стоков этого загрязнения выделяется как одна из приоритетных в ряду исследований глобальных изменений климата и окружающей среды на нашей планете [АМАР, 1997; 2002; Мохов, 1999]. Это связано не только с возможными региональными изменениями природной среды арктических экосистем, но также с возможностью огромного и необратимого влияния этих изменений на все формы жизни далеко за пределами арктического региона [Климатический режим Арктики ..., 1991; Алексеев и др., 2000].
Уже многие годы арктический атмосферный аэрозоль содержит не только природные составляющие, но и ряд веществ и химических элементов, происхождение которых связано с деятельностью человека в средних широтах Северного полушария. Послойные исследования ледников островов Северной Канады, Гренландии, Шпицбергена, Северной Земли обнаружили, начиная с 50-х годов XX века, возрастание их загрязненности продуктами человеческой деятельности в соответствии с увеличением выбросов антропогенных веществ в атмосферу.
Основными (по массе) антропогенными компонентами аэрозоля в Арктике являются сульфаты, органика и элементарный углерод - сажа. Воздействие этих веществ на окружающую среду неодинаково. Наличие сульфатов и органики в атмосфере приводит к загрязнению и закисленню осадков и, соответственно, влияет на химический состав снега, льда, воды и почвы, на которые они выпадают. Что касается сажи, то она изменяет радиационный баланс атмосферы, влияя на оптические свойства тропосферы и подстилающей поверхности, и, следовательно, является важным климатообразующим фактором в Арктике.
Современные аналитические методы позволяют определять в аэрозольных пробах содержание еще около 40 химических микроэлементов, общая масса которых не превышает 5% от всей массы аэрозольного вещества. Однако изучение столь малых компонент оказалось весьма полезно не только с точки зрения воздействия отдельных (часто токсичных) элементов на окружающую среду. Многие из этих микроэлементов
являются трассерами при исследовании происхождения аэрозоля, путей его дальнего переноса в атмосфере, процессов его трансформации и осаждения на подстилающую поверхность. Именно такие малые составляющие арктического аэрозоля были объектом наших исследований.
Еще в 40-50-х годах в весеннее время в окрестностях Аляски пилоты метеослужбы наблюдали замутненность атмосферы (с дальностью видимости до 8 км), названную «арктической дымкой» (Arctic haze) [Mitchell, 1957]. Совпадение в весеннее время положений максимумов в сезонных зависимостях коэффициента светорассеяния арктического воздуха и содержания в нем различных составляющих антропогенного происхождения привело к тому, что основной причиной образования дымок стало считаться загрязнение арктической атмосферы продуктами человеческой деятельности на материках вокруг СЛО [Barrie, 1986]. В результате к этому вопросу было привлечено внимание не только ученых, но и политиков.
Таким образом, к середине 80-х годов XX столетия (т.е. к началу наших исследований) только-только была осознана необходимость подробнейшего ^изучения свойств и состава арктического аэрозоля. Развитие к этому моменту экспериментальной и аналитической базы также позволило организовать такие исследования. На Аляске, в Гренландии, в Канадском и Норвежском секторах Арктики были начаты круглосуточные круглогодичные наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, в том числе и за его элементным составом [Rahn, 1985]. В Российской Арктике в те годы на некоторых полярных станциях в отдельных экспедициях проводились измерения распределения аэрозольных частиц по размерам и спектральных характеристик арктической атмосферы [Сакунов и др., 1990]. Первые измерения элементного состава аэрозоля в Российской Арктике, проведенные в 1968 г. [Биненко и др., 1981], не повторялись до 1984-85 гг. (наши первые исследования на о. Врангеля [1]). Это было связано, с одной стороны, с недостатками экспериментальной базы, поскольку для работ в Арктике требовались уникальные высокообъемные пробоотборники и развитые методики обнаружения минимальных количеств отдельных химических элементов в аэрозольных пробах. С другой стороны, тормозом в развитии таких исследований была информационная закрытость СССР, когда научные работы в Арктике ограничивались, а их результаты подлежали цензуре и не публиковались в открытой печати.
Однако наша страна имеет северную границу, протянувшуюся вдоль половины побережья Северного Ледовитого океана, и оставлять такое огромное «белое пятно» на карте изучения Арктики в конце концов стало невозможно. Данные ученых западных
стран свидетельствовали (по их мнению) о том, что российские промышленные комплексы, расположенные вблизи полярного круга (на Кольском п-ове и в районе Норильска) загрязняют атмосферу Арктики и приближают экологическую катастрофу в этом регионе [Shaw, 1982; Rahn et al., 1983]. В связи с этим возникла необходимость экспериментального исследования состава атмосферы в Российской части Арктики, изучения и прогнозирования воздействия российских промышленных областей на арктические экосистемы.
Наши исследования элементного состава аэрозоля, выполненные во второй половине 80-х годов на двух российских станциях, расположенных на арх. Северная Земля и на о. Врангеля, были первыми более или менее регулярными (в течение 5 лет) наблюдениями такого рода. Все они ограничивались лишь весенним сезоном, когда арктическая атмосфера содержит наибольшее количество антропогенных составляющих. К сожалению, отсутствие достаточного материального обеспечения не позволило в последующие годы продолжить эти исследования и организовать круглогодичные наблюдения за составом атмосферы в этих районах. Работы, проводимые с начала 90-х годов до настоящего времени в Российской Арктике на научно-исследовательских судах, являются эпизодическими, поскольку определяются режимом конкретных экспедиций, и почти все они приходятся на летне-осенний сезон, когда большая часть российских арктических морей открыта ото льда. Для получения же достоверной информации о закономерностях и особенностях в процессах загрязнения атмосферы необходимо анализировать многолетние непрерывные информационные массивы.
Логическим продолжением наших экспериментальных работ стал анализ многолетней метеорологической и синоптической информации о движении воздушных масс в СПО, на основании которого были выполнены модельные оценки переноса антропогенных примесей в Российскую Арктику и из нее. Это позволило оценить средние концентрации (и их сезонные изменения) ряда антропогенных микроэлементов (в том числе, тяжелых металлов) в арктической атмосфере, а также выявить их наиболее значимые источники и стоки. Существующие экспериментальные данные об элементном составе аэрозоля в Российской части Арктики, хотя они и охватывают в основном лишь весенний и летний сезоны и являются результатом эпизодических наблюдений, оказались чрезвычайно полезными для верификации модельных оценок.
Полученные средние оценки уровня загрязненности арктической атмосферы были применены для определения вертикальных потоков ряда антропогенных микро-
элементов на подстилающую поверхность в Арктике и вклада атмосферных аэрозолей в формирование состава водной взвеси арктических морей России.
Целью работы являлось определение уровня загрязненности атмосферы в Российской Арктике как по результатам экспериментального изучения элементного состава атмосферного аэрозоля, так и на базе модельных расчетов, а также оценка средних потоков антропогенных примесей из атмосферы на поверхность Северного Ледовитого океана и его морей.
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе рассматриваются особенности арктической атмосферы, определяющие направления и эффективность переноса воздушных масс и антропогенных примесей в СПО в разные сезоны года, а также обобщаются экспериментальные данные об элементном составе и свойствах арктического аэрозоля (по литературе).
Вторая глава содержит результаты экспериментальных исследований элементного состава аэрозоля в Российской Арктике, в которых автор принимала участие совместно с сотрудниками Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, Арктического и Антарктического научно-исследовательского института, Института экспериментальной метеорологии (г. Обнинск) и Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Особое внимание уделяется определению происхождения различных составляющих арктического аэрозоля, а также идентификации отдельных промышленных регионов-источников антропогенных компонент.
Третья глава посвящена изучению 10-летних средних характеристик процессов дальнего переноса воздушных масс в Российскую Арктику и из нее. Анализируются основные пространственные и временные закономерности в процессах воздухообмена между Российской территорией Арктики и средними широтами, а также межгодовые и сезонные особенности этих процессов.
В четвертой главе описывается примененный нами подход для оценок эффективности переноса примеси в атмосфере при статистической обработке большого количества траекторий движения воздушных масс. Приводятся численные оценки средних атмосферных концентраций и выпадений на подстилающую поверхность конкретных антропогенных микроэлементов как для отдельных сезонов, так и в целом за год. Выявляются наиболее значимые для Российской Арктики источники этих аэрозольных составляющих с учетом загрязненности самого арктического воздуха в холодную часть года. Впервые вклад горизонтального переноса примесей в ходе межширотного воздухообмена рассматривается как один из механизмов очищения арктической атмосферы,
\
оценивается его эффективность в разные сезоны. Приводятся также оценки среднего вклада атмосферных аэрозолей в содержание антропогенных микроэлементов в водах морей Российской Арктики.
В пятой главе рассмотрено влияние долговременных (до 20 лет) изменений в процессах переноса воздушных масс в СПО на источники, стоки и средние концентрации антропогенных примесей в арктической атмосфере, а также на их потоки на подстилающую поверхность в Арктике. Выявлены основные тенденции современных изменений в процессах формирования примеси в атмосфере Арктики.
В заключении резюмируются основные результаты работы и формулируются наиболее значительные выводы из проведенного исследования.
Научная новизна результатов определяется в первую очередь объектом исследования - состав атмосферного аэрозоля в Российской Арктике, недостаток сведений о котором в последние 15-20 лет тормозит изучение свойств арктической атмосферы и экосистемы Арктики в целом. В частности, новыми можно назвать следующие результаты:
Получен и проанализирован первый и до сих пор единственный многолетний ряд экспериментальных данных об элементном составе аэрозоля в атмосфере Российской Арктики в весеннем сезоне, когда ее загрязнение максимально.
Оценены потенциальные возможности наиболее крупных промышленных регионов Северного полушария влиять на загрязнение атмосферы в Российской части Арктики и выявлены наиболее значимые источники этого загрязнения для разных пунктов в разные сезоны в отношении разных примесей.
Впервые показано, что в среднем за год процесс выноса антропогенных примесей воздушными массами за пределы Арктики по эффективности очищения арктической атмосферы сравним с процессами, осаждающими примеси на подстилающую поверхность внутри региона, и изучены сезонные вариации в соотношении этих процессов.
Впервые выполнены оценки средних многолетних значений (и их сезонных вариаций) атмосферных концентраций и выпадений на подстилающую поверхность в Российской Арктике ряда антропогенных микроэлементов, являющихся приоритетными для изучения с точки зрения их негативного воздействия на окружающую среду и человека.
Показано, что роль атмосферных аэрозолей в загрязнении вод Северного Ледовитого океана антропогенными микроэлементами значительно выше, чем предполагалось ранее. В частности, в арктических морях России средний годовой вклад аэрозолей в содержание некоторых тяжелых металлов составляет до половины вклада речного стока.
Изучены долговременные изменения в процессах воздухообмена в СПО в конце XX века, результатом которых были изменения в источниках и стоках антропогенных аэрозольных примесей в атмосфере Арктики, а также изменения средних атмосферных концентраций антропогенных микроэлементов и их потоков на подстилающую поверхность в арктическом регионе. Отмечено, что возможное снижение роли атмосферы как канала поступления антропогенных примесей в Арктику в условиях современного изменения климата должно привести к возрастанию вклада в этот процесс речного стока. Поэтому уменьшение антропогенной нагрузки на окружающую среду Арктики возможно лишь путем разработки, внедрения и реальной установки на промышленных предприятиях современных эффективных средств фильтрации и очистки продуктов, выбрасываемых в атмосферу и в водные объекты природной среды.
Возможные практические приложения результатов:
Полученные экспериментальные данные об элементном составе аэрозоля в атмосфере и оценки многолетних средних атмосферных концентраций и выпадений на поверхность антропогенных микроэлементов в Российской Арктике могут быть использованы при изучении условий существования и развития арктических экосистем, а также для верификации различных теоретических моделей и оценок.
Предложенный метод оценки потенциальной возможности конкретного промышленного региона влиять на состав атмосферы в Арктике дает перспективы для оценки, сравнения и регулирования воздействия существующих и новых промышленных объектов на арктическую атмосферу.
Полученные количественные оценки роли воздушных потоков в загрязнении и очищении природной среды Арктики в разные сезоны могут использоваться при изучении антропогенного воздействия на экосистему Арктики и климатических последствий этого воздействия.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации автором опубликовано 35 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и еще около 30 тезисов докладов в трудах различных конференций и симпозиумов. Результаты работы неодно-
кратно докладывались на семинарах лабораторий ААНИИ, ИО им. П.П. Ширшова РАН, НИФХИ им. Л.Я. Карпова, ИЭМ, ИФА им. A.M. Обухова РАН, а также на совещаниях и конференциях в нашей стране и за рубежом: на Европейской аэрозольной конференции в 1994 и 2001 гг., на 14-ой Международной конференции по нуклеации и атмосферным аэрозолям в 1996 г., на Российско - Германских совещаниях по проблемам моря Лаптевых в 1996 и 2000 гг., на Заседаниях Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» в 1995, 1996 и 2000-2002 гг., на Российско - Норвежском совещании в Санкт-Петербурге в 1995 г., на Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, 1999 г.), на XIII Международной школе по морской геологии в 1999 г., на Международных совещаниях по взаимодействию между сушей и океаном в Российской Арктике (LOIRA) в Москве в 1999 и 2000 гг., на 6-ой конференции в рамках международного проекта по Глобальной атмосферной химии (IGAC) в Италии в 1999 г., на 2-ом Международном симпозиуме по загрязнению окружающей среды (в рамках проекта АМАР) в Финляндии в 2002 г., на заключительной научной конференции по проекту "Климатическая система Арктики" (ACSYS) в Санкт- Петербурге в 2003 г.
Личный вклад автора состоит (і) в постановке задачи и организации экспериментальных наблюдений за составом атмосферного аэрозоля в Российской Арктике во второй половине 1980-х годов, (и) в проектировании высокообъемного пробоотборника для сбора аэрозольных проб в Арктике, (Ні) в обработке и интерпретации экспериментальных результатов, полученных в ходе всех экспедиций, (iv) в создании, разработке и реализации методики оценки средних характеристик аэрозольного загрязнения арктической атмосферы по многолетним массивам траекторий переноса воздушных масс. При выполнении модельной части работы автор дважды была руководителем инициативных проектов, поддержанных РФФИ.
Микроэлементы в составе арктического аэрозоля (экспериментальные резуль таты)
Атмосферные аэрозоли определяют физические и химические свойства не только самой атмосферы в целом, но даже ее газовых составляющих. В Арктике атмосферный аэрозоль начали изучать еще в 70-х годах сначала как одну из компонент арктической дымки, влияющей на дальность видимости, а также на климатические параметры атмосферы и кислотность осадков, а в последние 10 лет - как объект, участвующий в химических процессах, происходящих в атмосфере Арктики. Исследованиям состава арктической атмосферы и, в частности, ее аэрозоля посвящены несколько выпусков ведущих научных журналов [Proceedings], опубликовавших труды конференций и симпозиумов, посвященных этому вопросу, зарубежные обзоры [Barrie, 1986; 1995; 1996; Schroeder et al., 1987; Shaw, 1995], обзоры автора [3, 5] и с участием автора [22, 30, 31, 34], а также сборники результатов исследований, выполненных по программе АМАР [АМАР, 1997; 2002], и множество отдельных публикаций. В этом разделе обсуждаются экспериментальные результаты, касающиеся физических и химических свойств атмосферного аэрозоля Арктики, его состава и происхождения. Ряд данных будет использоваться в следующих главах диссертации для сравнения с нашими экспериментальными результатами и модельными оценками. Поскольку данная работа касается лишь элементного состава аэрозоля арктических районов и даже в большей степени только антропогенных микроэлементов, основное внимание в данном разделе уделяется публикациям, изучавшим именно эти компоненты. Более общие вопросы будут затронуты лишь по мере необходимости для более полного понимания рассматриваемых экспериментальных результатов. Методические аспекты получения аэрозольных проб и их анализа, а также методы обработки данных о составе атмосферного аэрозоля с целью выявления природы различных составляющих и их источников более подробно рассматриваются в следующей главе. 1.2.1. Химические элементы различной природы.
Основными (по массе) антропогенными компонентами аэрозоля в Арктике являются сульфаты (до 2 мкг м" ), органика (около 1 мкг м 3 ) и элементарный углерод -сажа (0.3-0.5 мкг м" ). Современные аналитические методы позволяют также определять в аэрозольных пробах содержания около 40 химических микроэлементов, общая масса которых не превышает 5% от всей массы аэрозольного вещества. Изучение столь малых компонент оказалось весьма полезно не только с точки зрения воздействия отдельных (часто токсичных) элементов на окружающую среду, но также при исследовании происхождения аэрозоля, его дальнего переноса в атмосфере, процессов его трансформации и осаждения на подстилающую поверхность. Типичные распределения массы и объема, а также плотности арктического аэрозоля по размерам его частиц в зимнее время года приведены на рис. 1.7 (для Канадской Арктики из [Barrie, 1996]). Частицы с диаметрами больше 1 мкм содержат преимущественно естественные компоненты аэрозоля морского и терригенного происхождения, тогда как в субмикронной фракции сосредоточена основная часть антропогенных и фотохимических составляющих (см. далее). Это качественно подтверждает зависимость плотности аэрозоля от размеров частиц (при средней плотности 1.72 г см 3 [Staebler et al., 1994]), которая отражает изменение его состава. Более грубая фракция имеет большую плотность, так как состоит в основном из пылевых частиц (с плотностью 2.6- 2.75 г см"3) и частиц морской соли (2.42 г см" ). В субмикронной фракции аэрозоля основную массу составляют сульфаты (с плотностью 1.52 г см 3) с наиболее вероятным диаметром частиц, возрастающим от 0.3 до 0.6 мкм при увеличении относительной влажности от 14 до 90% [Hillamo et al., 1993] в соответствии с увеличением размера гигроскопичных частиц сульфатов (преимущественно серной кислоты и бисульфата аммония). Углеродсодержащие компоненты арктического аэрозоля, составляющие до 11 % массы в зимнее время, представляют собой органические соединения углерода и элементарный сажевый углерод (black carbon) - ВС (1.8-5.8% от массы зимнего аэрозоля). Как отмечается в [Barrie, 1995], содержание ВС в Канадской Арктике в среднем составляет около 6% от количества сульфатов, при этом ВС имеет в основном антропогенное происхождение и может рассматриваться как трассер антропогенного аэрозоля.
Как и везде, в Арктике атмосфера содержит не только так называемый «первичный» аэрозоль, попавший в атмосферу непосредственно как продукт тех или иных природных и антропогенных процессов, но также в ее состав входят и «вторичные» компоненты, образовавшиеся уже в атмосфере в результате физических и/или химических преобразований первичного аэрозоля или газовых составляющих атмосферы. В табл. 1.4 сведены последние данные о происхождении различных микроэлементов в атмосфере земного шара в целом по данным [Остромогильский и Петрухин, 1984; Расупа, 1998; АМАР, 1997]. Однако необходимо учитывать, что существующие оценки антропогенного и естественного вкладов в содержание того или иного элемента в атмосфере часто противоречивы и требуют уточнения. Это связано с тем, что оценки атмосферных выбросов в глобальном масштабе (особенно естественными источниками) весьма грубы, а процессы миграции и трансформации аэрозоля в атмосфере очень многообразны и пока изучены недостаточно. Например, учет фотохимического источника аэрозолей (образование летучих соединений в результате жизнедеятельности растений, а также аэрозольных частиц в результате газо-фазных реакций) значительно изменил соотношение между антропогенной и естественной составляющей в глобальном масштабе для таких элементов, как сурьма и селен, приводимое в работе [Расупа, 1998], по сравнению с результатами более раннего исследования [Остромогильский и Петрухин, 1984]. Как видно из табл. 1.4, уже на глобальном уровне можно достаточно грубо разделить элементы, по крайней мере, на антропогенные (Ag, Cd, Pb, V, Zn) и те, чье происхождение в большей степени связано с естественными процессами, - терригенные (А1, Fe, Mn, Sc,) и морские (Na, СІ, Br). При изучении природы какого-либо вещества часто используется простейшая мера отклонения его химического состава от состава некой «стандартной» среды - это коэффициент обогащения EFx элемента X по сравнению с составом этой среды, определяемый следующим образом: EFX = [С(Х) / C(R)]A / [С(Х) / C(R)]CT, (1.1) где С(Х) и C(R) - концентрации изучаемого и реперного элемента, соответственно; а нижние индексы А и СТ - обозначают, что отношения концентраций вычисляются для аэрозоля и стандартной среды. Реперными элементами обычно выбираются типично терригенные А1, Fe, Ті или Sc при сравнении с составом земной коры [Mason, 1966; Taylor, 1964] или типично морские Na или С1 при сравнении с составом океанской взвеси [Савенко, 1994]. В том случае, когда коэффициент обогащения какого-либо элемента близок к единице, можно ожидать, что его происхождение в значительной степени связано с той средой, по сравнению с которой рассчитывался EF. Наоборот, при EFx » 1 считается, что аэрозоль сильно обогащен элементом X за счет влияния каких-то дополнительных источников.
Независимо от места и времени отбора аэрозольных проб в земной атмосфере (включая Антарктиду) содержание в аэрозолях определенной группы элементов (As. Br, Cd, Си, Pb, Sb, Se, Zn) в десятки - тысячи раз превышает их среднюю распространенность в земной коре [Остромогильский и Петрухин, 1984; Milford and Davidson, 1985]. Считалось, что причиной обогащения атмосферы этими элементами в глобальном масштабе является антропогенное загрязнение. Однако в последние 10-15 лет развитие исследований микроструктуры атмосферных аэрозолей, а также изучение процессов их трансформации в воздушной среде привели к пониманию сложности и взаимосвязанности целого ряда причин этого явления.
Средние характеристики элементного состава изучаемого аэрозоля
В таблицах 2.2 - 2.4 представлены средние (по пробам каждой экспедиции) концентрации элементов, характеризующие средний элементный состав аэрозоля, свойственный конкретному пункту в период проведения наблюдений. Для сравнения наших результатов с данными других авторов выбраны по возможности те же сезоны и годы, а также ближайшие пункты или похожие условия наблюдений: для ЗФИ - Шпицберген [Maenhaut et al., 1989], для ВР и СП-28 - Аляска [Sheridan and Zoller, 1989; Hansen and Rosen, 1984; Lowenthal and Rahn, 1985; Rahn et al., 1983], для C3 - Канадская Арктика (похожи по синоптическим и метеорологическим характеристикам) [Sheridan and Zoller, 1989; Sturges and Barrie, 1988; Barrie et al., 1981; Barrie and Hoff, 1985; Barrie and Barrie, 1990] или Шпицберген, для морских экспедиций - данные морской экспедиции в северной части Гренландского моря [Maenhaut et al., 1996]. Сравнение элементного состава атмосферного аэрозоля в Российской Арктике с аналогичными данными для зарубежных арктических районов показывает, что в среднем концентрации каждого элемента удовлетворительно соответствуют друг другу. Более того, весной и зимой концентрации антропогенных микроэлементов по всему пространству Арктики в среднем меняются не очень значительно. Так проявляется эффект перемешивания воздушных масс и примесей в пределах арктического региона в холодную часть года, о чем говорилось в главе 1.
Нельзя не заметить также, что весной в среднем концентрации элементов природного происхождения (терригенных и морских) в тихоокеанском (на о. Врангеля и на СП-28) и атлантическом (на Земле Франца Иосифа) секторах Арктики примерно на порядок выше, чем в центре Российской Арктики (арх. Северная Земля). Это может быть обусловлено более ранним приходом весны на западной и восточной окраинах арктического региона (см. раздел 1.1.1) и связанным с этим появлением там больших пространств суши и воды, открытых от снега и льда. В центральной Арктике эти процессы развиваются позже. Поскольку в воздухе тихоокеанской части Российской Арктики почти всех элементов больше, чем в центральной части, интересно выделить те элементы, концентрации которых, наоборот, выше в районе Северной Земли, - это Ag, Au и As. Значительные содержания первых двух, скорее всего, связаны с особенностями состава земной коры на прилегающих частях суши [Перельман, 1979], а третий, являясь одним из маркеров атмосферных выбросов такого крупного антропогенного источника аэрозолей, как «Центр бывшего СССР» (см. далее раздел 2.5.1), свидетельствует о значительном вкладе этого региона в состав аэрозоля в центре Российской Арктики.
Отдельно следует рассматривать пробы аэрозоля, собранные на дрейфующей станции СП-28 (см. подробнее раздел 2.4.2). Средний состав атмосферного аэрозоля, собранного в этой экспедиции, характеризовал средний весенний уровень концентраций элементов в арктической атмосфере в 1987 г. Из табл. 2.2 - 2.4 видно также, что временная изменчивость (т.е. изменчивость от пробы к пробе) концентраций всех элементов высока: значения стандартного отклонения часто близки к самим средним величинам и даже выше их. Заметим, что этот показатель определяется как реальными различиями концентраций в атмосферном аэрозоле, так и разбросом значений содержания элемента в отдельных пробах из-за погрешностей измерений. 2.2.1. Средние коэффициенты обогащения микроэлементов.
Как уже отмечалось в разделе 1.2.1, более устойчивыми характеристиками со- і става аэрозоля являются средние коэффициенты обогащения каждого из его элементов по сравнению со средним составом какой-либо стандартной среды (земная кора, морская взвесь, морская вода и т.д.). Коэффициенты обогащения рассчитывались по формуле (1.1), используя реперные данные о составе стандартных сред: для земной коры -из [Mason, 1966] или [Taylor, 1964], а для морского аэрозоля - из [Савенко, 1994]. Средние значения коэффициентов обогащения элементов в аэрозольных пробах от-дельных экспедиций показаны на рис. 2.2 и 2.3. Видно, что результаты для разных экспедиций различаются мало, за исключением некоторых элементов, концентрации кото- / рых были особенно высокими (Ag и Au в пробах 1988 г. с Северной Земли) или низкими (Си и Вгв пробах, собранных над Баренцевым морем). Наши данные подтверждают, что, как уже отмечалось в главе 1, арктический аэрозоль весной значительно обогащен антропогенными элементами (Pb, Zn, V, Cd, и т.д.). Для проб морского аэрозоля Арктики (рис. 2.3) можно сравнить коэффициенты обогащения элементов, рассчитанные как по сравнению с земной корой, так и по сравнению со средним составом морского аэрозоля. Видно, что во втором случае аэрозоль обогащен не только антропогенными, но также и некоторыми терригенными элементами. В частности, для редкоземельных элементов (La, Се, Nd, Sm, Ей) это может быть связано с особенностями состава ближайшей суши (например, пород Кольского п-ова) [Перельман, 1979]. 2.3. Корреляционный анализ состава аэрозольных проб. Для того, чтобы сделать более детальные выводы о происхождении исследуемого аэрозоля в целом или его отдельных компонент, рассмотрим изменения состава аэрозоля от пробы к пробе (т. е. временные изменения) в пределах каждой экспедиции. 2.3.1. Корреляции концентраций и коэффициентов обогащения. В работе [Heidam, 1985] для выделения элементов терригенного происхождения было предложено сравнить коэффициенты корреляции концентраций R и коэффициентов обогащения REF для одной и той же пары химических элементов. Идея состоит в следующем. Предположим, что вычисляется REF для пары заведомо терригенных эле- ментов, для которых сами коэффициенты обогащения по сравнению с составом земной коры теоретически равны единице, а практически случайным образом отличаются от нее из-за случайных погрешностей измерений. Для таких элементов REF должен быть равен нулю, а реально близок к нему. Следовательно, при переходе от Rc к REF происходит как бы отсекание терригенных долей элементов, и коэффициент REh выражает силу связи их нетерригенных остатков. При этом для элементов терригенного происхождения R R , а для остальных соотношение между этими коэффициентами может быть различным в зависимости наличия или отсутствия между ними вообще какой-нибудь связи.
На схемах, приведенных на рис. 2.4 - 2.6, показаны результаты расчетов коэффициентов корреляции между концентрациями, а также между коэффициентами обогащения пар элементов в пробах разных экспедиций. Применяя методику и выводы [Heidam, 1985], в пробах, собранных на СЗ и ВР (рис. 2.4 и 2.5), можно грубо выделить группы элементов преимущественно терригенного и нетерригенного происхождения (табл. 2.5). Для аэрозоля акватории Баренцева моря (рис. 2.6) удалось разделить элементы по их происхождению более детально (табл. 2.5), а именно: 1) Na, Br, Ni, Си - морские элементы; 2) Sc, Sb, La, Се, Nd, Sm, Eu - терригенные элементы; 3) происхождение Са и Сг связано как с морем, так и с почвой; 4) Со, Fe, Au - элементы смешанного терригенного и антропогенного происхождения; 5) Zn связан как с антропогенными источниками, так и с обоими природными. Отдельно обсудим тот факт, что в наших экспериментах никель оказался элементом морского происхождения. По-видимому, этот элемент образуется в приводном аэрозоле при фракционировании водной взвеси в процессе разбрызгивания морской воды с ее поверхности, а в поверхностном слое воды никель может быть как естественного, так и антропогенного происхождения. В частности, Савенко (1989) отмечал наличие никеля в морской воде в виде растворимых солей. При этом в начале осени, когда проводились исследования в Баренцевом море, антропогенная составляющая аэрозоля должна быть невелика (см. раздел 1.2.2).
Средние закономерности в процессах воздухообмена Российской Арктики с окружающими территориями
Этот раздел содержит основные результаты статистического анализа рассматриваемых массивов траекторий с точки зрения их пространственного распределения в разные месяцы для разных пунктов. Основной задачей было найти средние закономерности таких распределений, а также их сезонные изменения. Сравнение разных пунктов наблюдений позволило сделать ряд выводов о пространственных вариациях изучаемых процессов воздухообмена. 3.2.1. Приход воздуха к пунктам наблюдений. На рис. 3.3 представлены соотношения частот поступления воздушных масс из Европы, Азии, Америки, Арктики, а также с территорий Тихого и Атлантического океанов к пунктам наблюдений в течение года. Более точные цифры этих распределений для разных месяцев приведены в табл. 3.4.
В среднем за рассматриваемое десятилетие в процессах переноса воздушных масс в пункты наблюдений выделяются следующие основные черты: (а) доля арктического воздуха на ЗФИ и СЗ составляла в разные сезоны от 40 до 60%, а на ВР приблизительно вдвое меньше; (б) морской воздух (только из Атлантики) на ЗФИ составлял около 10% в течение всего года, на СЗ он был заметен только летом, а на ВР морской воздух - это воздух Тихого океана, и его вклад в разные сезоны был от 15 до 25%; (в) доля воздуха, приходящего с материков, в целом везде была высока (30-60% в течение года). Детализируя происхождение континентального воздуха, отметим, что влияние Европы уменьшается по мере удаления от нее, т.е. с запада на восток (от ЗФИ к ВР). Наоборот, доля азиатских воздушных масс возрастает в том же направлении, составляя на ВР 20-35%. Воздух из Америки заметен лишь на ВР (15-30%), причем летом его доля падает за счет увеличения вклада азиатской территории.
Как отмечалось в главе 1, эффективный атмосферный перенос аэрозольных примесей в Арктику происходит в пределах арктического фронта. На рис. 3.4 в качестве примера приведены самые южные точки всех обратных траекторий (уровень 850 гПа) для СЗ за январь и июль. Видно, что практически все рассматриваемые обратные траектории, несущие континентальный воздух, а с ним, возможно, и загрязнения, расположены внутри зоны, ограниченной линией, соответствующей среднему положению арктического фронта для данного сезона. Это же справедливо для всех пунктов и сезонов. Важной характеристикой движения воздуха является его скорость. Она, в частности, тоже определяет эффективность распространения примеси в атмосфере. Поэтому табл. 3.4 приведены средние значения скорости движения воздушных масс к пунктам наблюдений для разных сезонов. Можно выделить более и менее стабильные (с точки зрения воздухообмена) сезоны для разных пунктов: средняя скорость высока и имеет большой разброс - это признаки неустойчивости в атмосфере, характерные в большей степени для ЗФИ и ВР, чем для СЗ. Наиболее спокойный сезон для всех пунктов и, по-видимому, для всей Российской Арктики — это лето. Сравнивая распределения обратных и прямых траекторий (рис. 3.3 и 3.5), отметим следующее: 1) воздух уходит от пунктов наблюдений в Арктику чаще (до 65% случаев), чем приходит из нее; 2) воздухообмен тихоокеанского сектора Арктики (ВР) с территорией американского материка достаточно эффективен (по сравнению с ЗФИ и СЗ) в обе стороны; 3) из Российской Арктики в целом воздух чаще уходит в Азию, чем в Европу; 4) от ЗФИ и СЗ воздух практически не уходит на территории океанов, тогда как от ВР это происходит в среднем в 20% случаев и только на территорию Тихого океана. Последнее обстоятельство особенно важно в холодную часть года (зимой и весной), когда арктический воздух загрязнен. В это время в зоне арктического фронта должно происходить эффективное вымывание этих загрязнений осадками на водную или ледяную поверхность в северной части Тихого океана.
Интересно рассмотреть, как воздушные массы, остающиеся в Арктике (а это от 45 до 65%), распределяются по ее территории. Для этого область, которую мы называем «Арктика» (см. раздел 3.2.3), была условно поделена на 5 частей: ЦАБ - центральную часть арктического бассейна, ограниченная с юга широтой 80N, а также части кольца между 70N и 80N - канадская (КА) между 50W и 140W, восточная (ВА) между 140W и 140Е, сибирская (СА) между 50Е и 140Е, западная (ЗА) между 50Е и 50 W плюс остальная более южная часть Гренландии. На рис. 3.6 представлены средние распределения концов прямых траекторий, расположенных над Арктикой. Приведенные распределения достаточно однородны по пространству для всех пунктов и сезонов. Следовательно, уже за 5 суток воздух внутри арктического региона успевает перемешиваться. В результате, в холодные сезоны концентрации различных антропогенных микроэлементов, имеющих время жизни в арктической атмосфере до 10 суток и более, должны быть в среднем приблизительно одинаковы на всей территории Арктики, что отмечалось по экспериментальным данным в разделах 1.2 и 2.2.1. Среднее время, через которое воздушные массы, уходящие от пунктов наблюдения, покинут арктический регион (прямые траектории окажутся южнее 70N), также приведены в табл. 3.5. Естественно, воздух, уходящий от ВР, расположенного практически на широте 70, быстрее выходит в средние широты, чем от ЗФИ и СЗ, расположенных на 10 севернее. И лишь летом это не так, поскольку в это время направление скорейшего выхода воздуха от ВР в средние широты блокировано поступающими воздушными массами с юга, с территории Тихого океана. Не менее интересен вопрос, как далеко на юг могут продвинуться арктические воздушные массы после их выхода за пределы широты 70N. Экспериментальные наблюдения показывают, что зимой и весной воздух, приходящий из Арктики в средние широты, может сохранять ряд признаков арктического воздуха (температура, влажность и т.д. [Адикс, 1998]) и содержать значительное количество антропогенных примесей [Shaw, 1988; Rahn et al., 1989; Heintzenberg et al., 2003]. На рис. 3.7 представлены распределения самых южных точек прямых январских траекторий (от каждого пункта) по широтным поясам. Видно, что воздух из Арктики может распространяться над территориями материков и океанов до 40-х широт северного полушария, вынося туда загрязнения арктического региона. Заметим, что этому способствует также и положение арктического фронта, охватывающего в холодные сезоны заметную часть среднеши-ротных районов (см. рис. 1.6). В результате атмосфера Арктики может выступать в роли транзитного резервуара, перемешивающего антропогенные примеси и перераспределяющего их над Северным полушарием. 3.3. Межгодовая изменчивость в процессах воздухообмена.
В течение рассматриваемого десятилетия межгодовая изменчивость в процессах воздухообмена между пунктами наблюдений в Российской Арктике и окружающими районами была очень велика: средние квадратичные отклонения от средних распределений, представленных в табл. 3.4 и 3.5, достигают 100%. Рис. 3.8, на котором показаны ежегодные пространственные распределения январских обратных траекторий для СЗ, иллюстрирует изменение в течение 10 лет частот поступления воздуха в январе с различных территорий к пункту наблюдений.
Для отдельных сезонов и пунктов наблюдений можно выделить конкурирующие между собой направления в процессах воздухообмена через рассматриваемые пункты наблюдений. Результаты такого анализа приведены в табл. 3.6. Таким образом, на СЗ всегда, кроме осени, конкурировали процессы поступления воздушных масс с территорий Европы и Азии; на ЗФИ эти же процессы конкурировали между собой зимой, а в остальные сезоны поступающие европейские воздушные массы конкурировали с арктическими; на ВР весной конкурировали между собой процессы переноса воздуха из Азии и Америки. При уходе воздушных масс от ЗФИ весной и летом, а от СЗ всегда, кроме осени, конкурировали между собой потоки воздуха в Арктику и на территорию Азии, а при уходе от ВР (причем только осенью) - это процессы выноса воздуха в Арктику и в Тихий океан.
Средние концентрации антропогенных микроэлементов в атмосфере Россий ской Арктики
В данном разделе приводятся результаты применения описанного выше подхода для оценки уровня загрязнености арктической атмосферы конкретными антропогенными микроэлементами, переносимыми в воздухе на аэрозольных частицах. Высокая токсичность ряда антропогенных микроэлементов (в частности, тяжелых металлов), их участие в биохимических процессах и, как следствие, их способность накапливаться в растениях, почвах, в организмах животных и человека обуславливают особый интерес к ним как к вредным компонентам атмосферы, контроль за которыми необходим не только в промышленных зонах, но и в фоновых районах земного шара (см. подробнее раздел 1.4). Именно для таких составляющих арктической атмосферы и были проведены наши оценки. Выбор антропогенных химических элементов для апробации предложенной методики оценок был основан на следующих критериях: 1) наличие для этих элементов сведений о мощностях эмиссии и скоростях осаждения на поверхность, обеспечивающее проведение расчетов; 2) наличие экспериментальных данных об атмосферных концентрациях и выпадениях этих примесей в Арктике, позволяющее верифицировать результаты оценок и демонстрировать качества предлагаемого подхода; 3) выбранные элементы должны, с одной стороны, быть индикаторами различных производственных процессов и/или предприятий, а с другой стороны, оказывать негативное воздействие на окружающую среду и человека, обеспечивая тем самым не только чисто научную, но и практическую ценность получаемых результатов. Всем этим требованиям удовлетворяют (как подробно обсуждалось в разделах 1.2 - 1.4) следующие шесть микроэлементов - мышьяк (As), никель (Ni), свинец (РЬ), ванадий (V), цинк (Zn) и кадмий (Cd). 4.2.1. Вклады отдельных регионов-источников, наиболее значимые источники загрязнения атмосферы Российской Арктики.
Вклады отдельных регионов-источников в концентрации выбранных шести микроэлементов в пунктах наблюдений ЗФИ и СЗ рассчитывались по формулам (4.3) и (4.5), используя значения ФЭП, приведенные на рис. 4.5, а также оценки вклада самого арктического воздуха (рис. 4.7) и данные о мощностях эмиссии (табл. 1.14) выбранных микроэлементов в атмосферу различными регионами Евразии. Соотношения вкладов в концентрации трех микроэлементов в атмосфере ЗФИ и СЗ в апреле и июле показаны на рис. 4.8 и 4.9. Для трех других элементов соотношения аналогичны, так как все шесть элементов можно сгруппировать парами (As-Ni, Pb-V, Zn-Cd) по схожести пространственных распределений их выбросов. Отсутствие достаточно полных данных о составе и мощностях атмосферных выбросов промышленными районами, расположенными в Северной Америке, не позволило провести аналогичные расчеты для ВР, где ФЭП максимальна именно для американских регионов-источников (рис. 4.5). Можно лишь сделать вывод, что в среднем во все сезоны вклад североамериканских источников антропогенных загрязнений в атмосферу восточной Арктики (в частности, на ВР) является определяющим (по сравнению с евразийскими источниками). Видно, что вклады соответствующих регионов-источников, приведенные на рис. 4.8.и 4.9, изменяются для разных элементов, пунктов и сезонов. Кроме того, из этих рисунков ясно, что источник максимального вклада может быть не самым мощным: все зависит от пункта, конкретной примеси и времени года. Таким образом, влияние конкретного региона на состав аэрозоля в Арктике совершенно определенно зависит от того, в какое время года рассматривается это влияние, в каком пункте и в отношении какой примеси. Рис. 4.10 дает представление о вкладах некоторых крупных территорий в формирование атмосферной концентрации мышьяка и свинца в районах ЗФИ и СЗ в разные сезоны. Еще раз подчеркнем, что наиболее значимый источник - это понятие относительное: можно говорить лишь, что какой-то регион-источник, например, Европа, вносит максимальный вклад в концентрацию конкретного элемента, например, свинца, в конкретном пункте, например, на ЗФИ, в определенное время года (летом и осенью). А для СЗ, например, в те же сезоны источником максимального вклада того же свинца является Азия.
В табл. 4.3 приведены наиболее значимые регионы-источники (характеризующиеся наибольшими вкладами в концентрации рассматриваемых химических элементов) в отношении загрязнения атмосферы вблизи ЗФИ и СЗ в разные сезоны года. Таким образом, 4 крупных промышленных региона - Северная Европа, Кольский п-ов, Урал и Норильск - являются основными источниками антропогенных микроэлементов для атмосферы западной и центральной частей Российской Арктики, конкурируя друг с другом в разных пунктах наблюдений, в разные сезоны и в отношении разных примесей. Кроме того, в холодное полугодие мощным аккумулятором и вторичным источником загрязнений является сама арктическая атмосфера (рис. 4.7). Фоновый уровень ее загрязнения антропогенными микроэлементами весной может составлять до 50% их средней концентрации. 4.2.2. Средние концентрации микроэлементов в арктическом воздухе. В табл. 4.4 приведены полученные нами оценки средних концентраций рассматриваемых шести микроэлементов в атмосфере ЗФИ и СЗ для разных месяцев. Там же содержатся экспериментальные данные о концентрациях этих же элементов в арктическом воздухе, полученные нами и другими исследователями в отдельных экспедициях. Подчеркнем, что наши модельные оценки дают лишь среднюю антропогенную часть концентрации элемента в атмосферном аэрозоле, тогда как реальная концентрация содержит еще большую или меньшую природную долю этого элемента. При всей осторожности сравнения многолетних средних значений и результатов отдельных измерений видно, что полученные средние оценки близки к соответствуют реальной ситуации. Рис. 4.11 позволяет сравнить сезонный ход средних концентраций каждого из шести микроэлементов в атмосфере ЗФИ и СЗ (наши оценки) с экспериментальными результатами многолетних измерений концентраций тех же элементов в Канадской Арктике, полученными при непрерывной еженедельной регистрации элементного состава аэрозольных проб в течение 15 лет (с 1981 по 1995 гг.) [Sirois and Barrie, 1999].
Видно, что расчетные (для Российской Арктики) и экспериментальные (для Канадской Арктики) значения для свинца и ванадия соответствуют даже слишком хорошо, а для цинка они расходятся примерно в 5-6 раз. Соответствие наших оценок экспериментальным данным, полученным на Шпицбергене в течение 1995 г., также вполне удовлетворительное. Максимальные различия для Zn должны быть в первую очередь связаны с неадекватностью выбранного нами описания источников этого элемента. Возможны, например, следующие варианты: 1) мы использовали заниженные значения мощностей выбросов цинка регионами-источниками; 2) в С. Америке существуют мощные источники цинка, дающие вклад в концентрацию этого элемента в атмосфере Канадской Арктики; 3) в арктической атмосфере существует значительная доля цинка естественного происхождения. В разные сезоны эти и другие причины могут иметь большее или меньшее значение. В целом из рис. 4.11 и табл. 4.4 можно сделать вывод, что предложенный нами подход к решению поставленной задачи дает возможность оценить реальные средние (за 10 лет) концентрации антропогенных микроэлементов в арктической атмосфере и их сезонные изменения. 4.3. Очищение арктической атмосферы от антропогенных аэрозольных примесей.
До настоящего времени процесс распространения антропогенных примесей в атмосфере северных полярных районов рассматривался лишь как механизм загрязнения атмосферы и природных объектов Арктики
