Атомарная ртуть в приводном слое атмосферы дальневосточных морей России в летне-осенний период Калинчук Виктор Васильевич

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время существуют две причины, которые обуславливают необходимость изучения особенностей распределения ртути и процессов которые с ней происходят в окружающей среде. Первая – «экологическая» причина заключается в том, что ртуть является одним из наиболее значимых параметров химического загрязнения окружающей среды. Ее концентрацию необходимо контролировать во всех компонентах биосферы. Это связано с высокой токсичностью почти всех форм и соединений ртути, особенно органических, и усугубляется способностью менее реакционных и токсичных форм и соединений ртути трансформироваться в более реакционные и токсичные формы, а также способностью ртути биоаккумулироваться в организмах и биомагнифицироваться в пищевых цепях различных экосистем. Вторая причина – «геологическая», связана с поступлением ртути из недр Земли, и особыми физико-химическими свойствами этого элемента, вследствие которых в районе обогащенных ртутью геологических объектов и структур образуются более или менее контрастные био- и геохимические ореолы ее рассеяния, что, в свою очередь, может быть использовано при решении различных прогнозно-поисковых и геологических задач. Сюда же можно отнести возможность использования знаний о присутствии той или иной формы ртути и/или ее повышенного содержания в горных породах, минералах и полезных ископаемых для определения их генезиса, а также изучение распределения ртути в депонирующих компонентах природной среды с целью реконструкции ее состояния в прошлом. Развитию ртутометрических исследований способствует создание новых высокоточных экспрессных методов определения различных форм и соединений ртути во всех компонентах окружающей среды.

Необходимость изучения ртути в атмосфере обусловлена рядом причин. Во-первых, от ее состава и состояния прямо либо опосредованно зависит жизнедеятельность всех организмов. Во-вторых, только в этой среде на Земле происходят самые быстрые миграции вещества на дальние расстояния. В-третьих, в приземном слое в атмосферы могут образовываться контрастные атмохимические ореолы рассеяния ртути над источниками ее поступления (как природными, так и антропогенными).

Выбор в качестве объекта исследования именно атомарной формы ртути обусловлен ее особыми физико-химическими свойствами, следствием которых является ряд обстоятельств. Во-первых, в основном именно в этой форме происходит эмиссия ртути в атмосферу, как от антропогенных, так и природных источников, а также в результате реэмиссии. Во-вторых, именно в атомарной форме ртуть может наиболее продолжительное время существовать в атмосфере с момента своего поступления в нее (по разным данным до 2 лет). В результате основная масса ртути, содержащаяся в атмосфере, находится в атомарной форме. Таким образом, именно атомарная форма ответственна за атмосферный перенос ртути на дальние расстояния (порядка тысяч и десятка тысяч километров) и загрязнение значительно удаленных от источников поступления районов в результате окисления и осаждения на поверхность Земли. И в третьих, именно атомарная форма ртути способна образовывать контрастные газовые ореолы рассеяния в приземном слое атмосферы над источниками ее поступления.

К настоящему моменту на суше проведено относительно большое количество ртутометрических исследований атмосферы. Однако на морских акваториях число подобных работ весьма ограничено, хотя стоит отметить, что оно растет с каждым годом и, в результате, все более увеличивается объем данных и знаний об источниках поступления ртути в атмосферу над морями и процессах, которые происходят с этим элементом в системе море-атмосфера. Ранее в дальневосточных морях России было

проведено несколько исследований [Ганеев и др., 1983; Степанов, Калягин, 1997; Аксентов, 2009; Колесник, 2009; Астахов и др., 2011; Kang, Xie, 2011], целью которых являлось изучение распределения ртути в атмосфере. Тем не менее, на сегодняшний день пространственно-временная изменчивость содержания атомарной ртути в атмосфере данного региона остается, все же, недостаточно изучена. А между тем дальневосточные моря России обладают важным рыболовным значением, именно здесь ведется один из самых результативных промыслов в мире. Кроме того они расположены по соседству с азиатскими странами, откуда, как будет показано в данной работе, в глобальном масштабе в атмосферу поступает наибольшее количество антропогенной ртути. Помимо этого регион дальневосточных морей России, характеризуется интенсивной сейсмичностью и активными магматическими (вулканическими) процессами, которые также могут служить поставщиками ртути в атмосферу.

Цель работы заключалась в изучении пространственно-временной изменчивости содержания атомарной ртути (Hg⁰) в приводном слое атмосферы над дальневосточными морями России в летне-осенний период и установлении причин этой изменчивости.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение содержания Hg⁰ в приводном слое атмосферы над дальневосточными морями России в летне-осенний период года.

2. Выявление географических районов-источников поступления ртути, влияющих на ее содержание в атмосфере над дальневосточными морями России.

3. Оценка влияния переноса воздушных масс из районов-источников на содержание ртути в атмосфере дальневосточных морей России

4. Оценка влияния подводных эндогенных источников ртути на ее содержание в приводном слое атмосферы.

Научная новизна. На основании многолетних исследований определены средние содержания Hg⁰ в приводном слое атмосферы над дальневосточными морями России в летне-осенний период. На основании многочисленных зарегистрированных эпизодов переноса воздушных масс из высокоиндустриального региона Желтого моря оценено их влияние на содержание Hg⁰ в приводном слое атмосферы в Японском море. Установлен перенос Hg⁰ воздушными потоками из региона Желтого моря в атмосферу над Охотским морем. В зоне сопряжения Центральной глубоководной котловины Японского моря с впадиной Татарского пролива, над разломом обнаружен контрастный газовый ареол рассеяния Hg⁰ в атмосфере. Дана оценка влияния переноса воздушных масс от извергавшегося вулкана Плоский Толбачик на содержание Hg⁰ в атмосфере над Охотским морем и прикамчатским сектором Тихого океана. Обнаружен атмосферный перенос Hg⁰ из района Северного Ледовитого океана в район Берингова моря.

Практическая значимость. Морские ртутометрические исследования атмосферы являются важным дополнением к подобным исследованиям, проводимым на суши, в частности на стационарных станциях мониторинга. Они способны охватывать значительные расстояния, и позволяют проводить изучение в районах, удаленных от мощных источников поступления ртути (как природных, так и антропогенных) и в которых отсутствует мониторинговая сеть. Данные полученные в результате натурных измерений ртути в атмосфере над дальневосточными морями России могут помочь улучшить существующие модели глобального распределения атмосферной ртути. Кроме того, результаты данной работы могут быть применены для обоснования морских ртутометрических исследований приводного слоя атмосферы как дополнительного метода при морской геофизической съемке для геологического картирования и, возможно поисков углеводородных и рудных залежей.

Основные защищаемые положения:

1. В летне-осенний период наблюдается тенденция увеличения средней
концентрации Hg в приводном слое атмосферы над дальневосточными морями России
в юго-западном направлении от 1,1 нг/м³ в Беринговом море до 1,7 нг/м³ в Японском.
Содержание Hg увеличивается в результате переноса загрязненных воздушных масс из
высокоиндустриальных районов восточной Азии.

2. В дальневосточных морях России в приводном слое атмосферы отмечается заметное увеличение содержания Hg в результате переноса воздушных масс от действующих наземных вулканов данного региона и в результате поступления ртути через толщу воды от подводных геологических источников.

3. Летом, в период разрушения ледяного покрова, воздушный бассейн Северного Ледовитого океана является поставщиком Hg в атмосферу Берингова моря.

Исходные материалы. В основу диссертации легли данные ртутометрических исследований атмосферы, проведенные автором совместно с коллегами в летне-осенний период года с 2010 по 2013 год включительно на НИС «Академик М.А. Лаврентьев» (рейсы №52, 53, 54, 58, 59, 62, 63, 64), НИС «Академик Опарин» (рейс №44), НИС «Луговое» (рейс №1) в Японском, Охотском, Беринговом морях и северо-западной части Тихого океана в районе Курило-Камчатского желоба.

Личный вклад автора состоит в организации и проведении ртутометрических исследований атмосферы в дальневосточных морях России. Анализ литературных данных, все расчеты, интерпретация полученного фактического материала и обобщения сделаны лично автором. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором, либо на равных правах с соавторами.

Обоснованность и достоверность полученных результатов определяются рядом факторов:

все измерения содержания Hg были выполнены одним методом на одном анализаторе ртути: современном прецизионном атомно-абсорбционном спектрометре РА-915+ (ООО «Люмэкс», г. Санкт-Петербург) с ежегодной поверкой анализатора;

для генерирования траекторий движения воздушных масс в точки измерения была использована общедоступная и широко применяемая в научных исследованиях модель HYSPLIT (NOAA, США);

на всех акваториях дальневосточных морей России получены большие, статистически значимые объемы как судовых данных о содержании Hg в атмосфере, так и данных о траекториях движения воздушных масс в точки измерения;

результаты исследования согласуются с мировым уровнем знаний об особенностях пространственно-временного распределения Hg в атмосфере.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликованы 11 работ, в том числе 4 статьи, в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ряде совещаний и конференций, в том числе: на семинарах лаборатории исследования загрязнения и экологии ТОИ ДВО РАН, на всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России» (Владивосток, 2012), на конференции молодых ученых «Океанологические исследования» (Владивосток, 2013 г.), на международной научной конференции по морской геологии «Геология морей и океанов» (Москва, 2011, 2013, 2015), на региональной конференции «Океанография залива Петра Великого и прилегающей части Японского моря» (Владивосток, 2013), на

Втором международном симпозиуме «Ртуть в биосфере: эколого-геохимические аспекты» (Новосибирск, 2015).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 208 страницах, содержит 72 рисунка, 38 таблиц и список литературы из 304 наименований.

Благодарности. Работа выполнена в ТОИ ДВО РАН и ТПУ под научным руководством д.г.-м.н. А.С. Астахова, которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Диссертант признателен за ценные консультации и обсуждение, поддержку и конструктивную критику к.х.н. В.Ф. Мишукову, к.г.-м.н. К.И. Аксентову, д.х.н. П.Я. Тищенко, д.ф-м.н. М.С. Пермякову, д.б.н. П.М. Жадану, д.г.-м.н. А.И. Обжирову, к.г.-м.н. Ю.П. Василенко, д.г.-м.н. А.Н. Дергачеву, к.ф.-м.н. В.И. Пономареву.

Работа по теме диссертации была выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Мировой океан», Правительства Российской Федерации (грант № 14.Z50.31.0012), а также грантов в которых автор являлся руководителем: гранты РФФИ: № мол_а «Источники и миграция ртути в атмосферном воздухе северо-западной части Тихого океана и его окраинных морей», №14-05-00723_а «Пространственно-временное распределение ртути в дальневосточных морях России и атмосфере над ними»; грант ДВО РАН «Ртуть в атмосфере над дальневосточными морями России: источники, пути миграции, особенности распределения».