CC BY
118
Вестник ДВО РАН. 2012. № 3
УДК 550.423, 551.510.411.2
В.В.КАЛИНЧУК, К.И.АКСЕНТОВ, М.В.ИВАНОВ, Е.А.ЛОПАТНИКОВ
Атомарная ртуть в приводном слое воздуха северо-западной части Японского моря осенью 2011 г.
Изучено распределение концентраций атомарной ртути в приводном слое воздуха северо-западной части Японского моря от южных берегов Приморья до возвышенности Ямато. Измерения проводились с 27 октября по 9 ноября 2011 г. в 58-м рейсе НИС «Академик М.А.Лаврентьев». Среднее содержание атомарной ртути за период исследования составило 2,2 ± 0,5 нг /м3. Перенос воздушных масс в район исследования осуществлялся преимущественно из северо-восточной части Китая. Определенная нами средняя концентрация ртути является повышенной относительно средних значений для районов, удаленных от антропогенных источников эмиссии ртути (Арктика, Тихий океан), но находится ниже фоновых уровней, установленных в соседних азиатских странах. Обнаружены также повышенные содержания ртути в воздухе, контролируемые, предположительно, поступлением от геологических объектов.
Ключевые слова: ртуть, атмосферный воздух, трансграничный перенос, Японское море.
Atomic mercury in a surface layer of air in the northwestern part of the Sea of Japan in autumn 2011.
V.V.KALINCHUK, K.I.AKSENTOV, M.V.IVANOV, E.A.LOPATNICOV (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
Distribution of mercury concentrations in air of the northwestern part of the Sea of Japan from the southern coast of Primorsky Krai to Yamato height was studied. Measurements were carried out from October 27 till November 9, 2011 in 58th cruise of the research vessel «Academician M.A.Lavrentiev». Average concentration of elemental mercury for this area was 2.2 ± 0.5 ng / m3. Air mass transfer to the study area was carried out mainly from the northeast China. Average mercury concentration that we determined is higher relative to average values of the areas that are remote from anthropogenic sources of mercury emission (Arctic, the Pacific Ocean) but it is lower than the background levels specified in neighboring oriental countries. Also higher mercury contents in air are detected which are controlled supposedly by emission from geological objects.
Key words: mercury, atmospheric air, transborder transfer, the Sea of Japan.
Ртутометрические исследования атмосферного воздуха широко применяются на суше при решении прогнозно-поисковых (руды, алмазы, нефть, газ), геологических (картирование зон глубинных разломов, проницаемости пород земной коры, ее современного и палеопрогрева) и экологических (выявление и оценка антропогенного загрязнения) задач [12]. Это возможно благодаря контрастности геохимических аномалий ртути и новым высокоточным экспрессным методам ее определения. Подобных исследований над акваториями немного. В частности, недостаточно изучены особенности распределения ртути в воздухе северо-западной части Японского моря. Имеется лишь небольшое число публикаций [1, 2, 6, 11], в которых приводятся данные по этому региону.
В атмосфере ртуть может находиться в различных формах [23]. Нами изучалось распределение только атомарной ртути, поскольку в этой форме находится, по разным
*КАЛИНЧУК Виктор Васильевич - научный сотрудник, АКСЕНТОВ Кирилл Игоревич - научный сотрудник, ИВАНОВ Максим Владимирович - научный сотрудник, ЛОПАТНИКОВ Евгений Александрович - техник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток).
* E-mail: viktor_kalinchuk@mail.ru
Работа выполнена в рамках ФЦП «Мировой океан».
оценкам, от 95 до 99% общего количества ртути, содержащейся в атмосфере, и именно в этой форме в основном происходит ее эмиссия как от антропогенных, так и от природных источников [18, 23].
Цель настоящей статьи - выявить особенности распределения концентраций атомарной ртути в приводном слое атмосферного воздуха северо-западной части Японского моря. Исследование выполнялось по двум направлениям:
1) изучалось антропогенное загрязнение ртутью атмосферного воздуха в Японском море. Опираясь на результаты многочисленных моделирований атмосферного переноса ртути в Северном полушарии [13, 24], определяли источники антропогенной ртути в районе отбора проб;
2) выявлялись признаки современной активизации тектонических разломов, подводных вулканов, газовых и гидротермальных выходов на дне и оценивалась их роль в поставке ртути в атмосферу.
Материалы и методы
Концентрации атомарной ртути в приводном слое атмосферного воздуха северо-западной части Японского моря измерялись с помощью анализатора ртути РА-915+ (фирма «Люмэкс», Санкт-Петербург) в 58-м рейсе НИС «Академик М.А.Лаврентьев» в период с 27 октября по 9 ноября 2011 г. Принцип действия анализатора основан на дифференциальном атомно-абсорбционном способе прямых измерений (без предварительного концентрирования), который реализуется с помощью зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии с высокочастотной модуляцией.
Измерения проводились по 8 ч с интервалом в 1,5-4 ч. Воздух из приводного слоя атмосферы (2 м от поверхности воды) закачивался по шлангу с левого борта носовой части судна в анализатор встроенным в него компрессором. При движении судна это позволяло избежать возможного загрязнения анализируемого воздуха выхлопными газами. При анализе данных нами учитывались только те значения, которые были получены, когда судно шло со скоростью 11-20 км / ч.
Использовалась компьютерная регистрация данных в режиме «мониторинг» с измерением содержания ртути каждую секунду. В результате происходило накопление первичных данных и обобщение их за длительный период. Осреднения делались для 5-минутных интервалов, далее полученные значения получали пространственную привязку. Таким образом, содержание ртути в воздухе было определено в 991 точке. Предел обнаружения ртути составлял 0,3 нг / м3.
По данным автоматической метеостанции и штатных судовых приборов каждые 2 ч регистрировались скорость и направление движения судна, а также метеорологические параметры (направление и скорость ветра, температура воздуха, атмосферное давление).
В соответствии с методикой выполнения измерений [9] все замеры содержания ртути были приведены к нормальным условиям (давление 760 мм рт. ст., температура 0°С для открытой местности) по формуле:
X = БсрХ 273 +1 ,
Рх0,358
где 5 - среднее значение массовой концентрации атомарной ртути; t - температура окружающей среды, °С; Р - атмосферное давление, мм рт. ст.
Результаты и обсуждение
Цели и задачи настоящего исследования отчасти соответствуют целям и задачам поисковой геохимии, основу которой составляет сравнение результатов замеров
с фоновыми значениями [10]. Поэтому на первом этапе определялась фоновая концентрация ртути в период исследования. Для этого был применен статистический метод анализа данных. Получены следующие статистические показатели для 991 замера концентраций атомарной ртути в воздухе (нг / м3): среднее арифметическое (С ) - 2,2, медиана - 2,1, минимальное значение (С ) - 1,1, максимальное значение (С ) - 4,1, нижний кван-
4 мин.' 7 7 4 макс / 77
тиль - 1,8, верхний квантиль - 2,4, стандартное отклонение (о) - 0,48, коэффициент вариации - 22,4%.
Статистическое распределение концентраций как на отдельных участках и акваториях, так и в целом в районе исследования аппроксимировалось нормальным законом, поэтому в качестве фоновых (наиболее вероятных) значений были приняты параметры нормального распределения - Сср и о. Таким образом было установлено, что с 27 октября по 9 ноября 2011 г фоновая концентрация атомарной ртути в приводном слое атмосферного воздуха северо-западной части Японского моря составляла 2,2 ± 0,5 нг / м3 (рис. 1).
В ходе исследования было выявлено весьма неравномерное пространственное распределение атомарной ртути в приводном слое атмосферного воздуха (рис. 2). Максимальные и минимальные концентрации наблюдались как вблизи урбанизированных берегов Приморского края, так и на относительном удалении от них, в открытом море (см. таблицу). Так, вблизи г. Владивосток максимальные содержания ртути были зафиксированы в Амурском заливе (Смакс = 4,0, Сср = 2,6 нг / м3) и прол. Босфор Восточный (С = 3,1, С = 2,4 нг / м3), а минимальные - в Уссурийском
заливе (Смин. = 1,1, Сср. = 1,8 нгм/акмс. 3). ср.
мин. ср.
На относительном удалении от антропогенных источников максимальные концентрации отмечены в районе о-ва Желтухина и мыса Гамова (Смакс до 2,9, Сср = 2,6 нг / м3), возле островов Аскольд и Путятина (Смакс до 2,6, Сср = 2,1 нг / м3), между зал. Находка и
Содержание атомарной ртути (нг / м3) над некоторыми акваториями и районами северо-западной части Японского моря (27 октября - 9 ноября 2011 г.)
Акватория (район) Кол-во измерений С ср. С -С мин. макс.
Вблизи урбанизированных территорий
Амурский залив 50 2,6±0,4 1,6—4,0
Уссурийский залив 100 1,8±0,3 1,1—2,8
прол. Босфор Восточный 10 2,4±0,5 1,8—3,1
зал. Находка 6 2,1±0,1 1,9—2,3
Вдали от урбанизированных территорий
острова Аскольд и Путятина 60 2,1±0,2 1,6—2,6
бухта Киевка 26 2,4±0,2 2,0—3,0
каньон Гамова 27 2,6±0,2 2,3—2,9
возв. Первенца 158 2,9±0,4 2,0—4,1
возв. Тарасова 186 1,9±0,3 1,1—2,9
котловина у северного подножия возв. Ямато 128 2,0±0,3 1,2—2,8
« 250 К
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 Содержание атомарной ртути в воздухе, нг / м3
Рис. 1. Статистическое распределение концентраций атомарной ртути в воздухе. Кривая линия - ожидаемое нормальное распределение
Рис. 2. Пространственное распределение атомарной ртути в приводном слое воздуха северо-западной части Японского моря с 27 октября по 9 ноября 2011 г. Стрелками показано локальное направление ветра
бухтой Киевка над материковым склоном на протяженных отрезках пути (до 2,6 нг / м3). В бухте Киевка содержание ртути достигало 3 нг / м3 (Сср = 2,4 нг / м3), в районе возв. Тарасова и северной части возв. Ямато - до 2,9 нг / м3 (Сср = 1,9-2,0 нг / м3). Наибольшие содержания ртути на протяженных отрезках наблюдались вблизи континентального склона - в районе каньона Гамова и возв. Первенца - до 4,1 нг / м3 при средней концентрации на 186 точках 2,8 нг / м3.
Установленное нами фоновое содержание атомарной ртути над северо-западной частью Японского моря (2,2 ± 0,5 нг / м3) является повышенным относительно фоновых значений для районов, удаленных от антропогенных источников загрязнения. Например, замеренное в 1989-1999 гг. содержание атомарной ртути в воздухе удаленных от берегов районов западной части Тихого океана изменялось в диапазоне 0,2-0,4 нг / м3. В то же время вблизи берегов Китая и Тайваня концентрации были гораздо выше - от 2,6 до 20 нг / м3 [11]. Для приземного слоя атмосферы Арктики средняя за 2001-2004 гг. концентрация ртути была установлена на уровне 1,68 ± 0,45 нг / м3 [7].
27.10.2011
28.10.2011
29.10.2011
30.10.2011
31.10.2011 1.11.2011 2.11.2011 3.11.2011
Рис. 3. Обратные траектории движения воздушных масс за 3 сут (сплошная линия - 50 м, пунктир - 500 м над уровнем земной поверхности, звездочка - местоположение судна)
Следует, однако, отметить, что для соседних азиатских стран фоновые содержания ртути в воздухе выше значений, зафиксированных нами у берегов Приморья. Так, среднегодовая концентрация атомарной ртути в Южной Корее на о-ве Энмион в 2004-2007 гг. составляла 4,61 ± 2,21 нг / м3 [19], о-ве Чеджу в 2006-2007 гг. - 3,85 ± 1,68 нг / м3 [20]. В Китае средние содержания ртути изменяются от 2,7 до 30 нг / м3, причем максимальные ее значения характерны для центральной и юго-восточной частей страны, т.е. регионов, где расположено большинство антропогенных источников эмиссии ртути [15]. Исследователи отмечают, что воздушные массы, приходящие из этих районов, обогащены ртутью [17, 20].
Известно, что ртуть в атмосферу поступает как от природных (сюда иногда относят и реэмиссию ртути), так и от антропогенных источников. В работе [13] установлено, что на современном этапе развития мировой промышленности техногенный вклад составляет в среднем 1/3, а природный (вместе с реэмиссией) - 2/3 от общего содержания ртути в атмосфере. В той же работе показано, что средняя концентрация атомарной ртути от антропогенных источников в северо-западной части Японского моря в 1997 г. составляла 0,7 нг / м3. Значит, природная составляющая должна была находиться на уровне 1,4 нг / м3, а общее (фоновое) содержание ртути - на уровне 2,1 нг / м3. Близкое к этому значение фонового содержания ртути (2,2 нг / м3) было получено нами осенью 2011 г., из чего можно заключить, что антропогенная и природная составляющие в этот период находились приблизительно на том же уровне, что и в 1997 г.
Предполагается, что антропогенная компонента содержания ртути над северо-западной частью Японского моря контролируется в основном переносом воздушных масс из Китая [13, 16, 24], с территории которого происходит самая значительная эмиссия ртути в мире - 623,1 т / год [21].
Для выявления возможных зависимостей между концентрациями ртути в воздухе и перемещением воздушных масс был проведен расчет их обратных траекторий движения с помощью модели HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model), разработанной Лабораторией воздушных ресурсов Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA, США), с использованием базы метеорологических данных GDAS (Global Data Assimilation System) [14, 22]. Результаты расчетов подтверждают, что в северо-западную часть Японского моря воздушные массы приходили с континента, преимущественно из северо-восточной части Китая (рис. 3).
Какой-либо зависимости между содержанием ртути в воздухе, перемещением воздушных масс и изменением локального направления ветра выявлено не было (см. рис. 2).
Таким образом, на трансграничный перенос можно отнести не более 1/3 общего содержания ртути в районе исследования. Увеличения антропогенной составляющей за счет трансграничного переноса и соответственно повышения концентрации ртути здесь, вероятно, можно ожидать с приходом воздушных масс из центральной и юго-восточной частей Китая, в которых, как отмечалось выше, расположены крупные индустриальные центры, выбрасывающие в атмосферу большое количество ртути.
Более высокие в сравнении с фоновыми концентрации ртути в воздухе на некоторых отрезках пути НИС «Академик М.А.Лаврентьев», скорее всего, обусловлены поступлением ртути от близлежащих источников. При наличии в районе исследования нескольких источников эмиссии ртути разного генезиса довольно сложно определить вклад каждого из них в общий фон. В воздухе над акваториями Амурского залива и прол. Босфор Восточный увеличение концентрации ртути может быть связано с ее эманацией от загрязненных донных осадков, морской воды [16] и(или) переносом загрязненного воздуха от г. Владивосток. Однако здесь нельзя исключать и увеличение природной составляющей. Ртуть может поступать сюда через разломы, идущие вдоль Амурского залива и прол. Босфор Восточный [4]. Повышенные содержания этого элемента могут быть также следствием дегазации углеводородных залежей. Такое предположение приводится в работе [8], где
автор связывает высокие содержания ртути, метана, тяжелых углеводородных газов и углекислого газа в морской воде зал. Угловой (Амурский залив) с дегазацией залегающего вблизи месторождения каменного угля. В той же работе показано, что повышенные содержания ртути в воде бухты Алексеева (о-в Попова, Амурский залив), расположенной в зоне палеовулканизма, а точнее, в приконтактовой зоне гранитоидного интрузива, трассируют тектоническое нарушение. Это означает, что в морскую среду ртуть может поступать через наземные и подземные источники углекислых и азотно-щелочных вод.
В центральной части зал. Находка, так же как и в районе Владивостока, высокие концентрации ртути могут быть вызваны как техногенными (загрязнения от города и портов, морского транспорта и т.д.), так и природным факторами (поступление ртути через Партизанский разлом).
Одной из причин увеличения концентрации ртути (до 2,6 нг / м3) вблизи островов Аскольд и Путятина можно считать ее эмиссию от отвалов месторождений золота, которые отрабатывались здесь вплоть до 1937 г. [3].
Обнаруженные нами повышенные содержания ртути в воздухе вдали от антропогенных источников, в частности над подводными возвышенностями в открытой части моря, обусловлены, вероятно, ее поставкой через разрывные нарушения земной коры в составе эндогенных флюидов. Однако выдвинутые нами предположения требуют подтверждений, которые планируется получить в ходе дальнейших, более детальных исследований.
В связи с общей обеспокоенностью населения проблемой ртутного загрязнения важно отметить, что ни одно из измеренных нами значений содержания ртути в воздухе не превышало предельно допустимую концентрацию, установленную для населенных мест на территории Российской Федерации, - 300 нг / м3 [5]. Однако новые данные, полученные в последнее десятилетие, свидетельствуют о том, что токсичные эффекты от загрязнения могут проявляться и при более низких, чем предполагалось ранее, содержаниях ртути [16]. Также нужно иметь в виду, что в случае увеличения антропогенной эмиссии атомарной ртути будет расти ее содержание в других формах, более химически активных, менее летучих, с большей растворимостью в воде и быстрее осаждающихся из атмосферы [18, 23]. В результате возможно опасное для большинства организмов, и в первую очередь для человека, увеличение биоаккумуляции ртути по пищевым цепям водных и наземных экосистем.
Выводы
Для северо-западной части Японского моря с 27 октября по 9 ноября 2011 г. определено фоновое содержание атомарной ртути в приводном слое атмосферного воздуха - 2,2 ± 0,5 нг / м3.
Установленный региональный фон является повышенным относительно фоновых уровней, характерных для удаленных от источников техногенного загрязнения районов (Арктика, Тихий океан), вследствие переноса воздушных масс из урбанизированных районов северо-востока Азии, преимущественно из Китая.
Выявлены участки с повышенными относительно фона содержаниями атомарной ртути в воздухе, в большинстве случаев это связано, вероятно, с поступлением ртути от геологических объектов.
Авторы выражают признательность сотрудникам ТОИ ДВО РАН А.А.Коптеву за предоставленные навигационные данные, к.х.н. В.Ф.Мишукову, д.г.-м.н. А.С.Астахову за консультации, а также сотрудникам Лаборатории воздушных ресурсов Национального управления океанических и атмосферных исследований (КОДА, США) за возможность использования модели ИУ8РЫТ в он-лайн доступе.
1. Аксентов К.И. Ртуть в абиотических компонентах экосистемы залива Петра Великого // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 173-184.
2. Астахов А.С., Иванов М.В., Ли Б.Я. Гидрохимические и атмохимические ореолы рассеяния ртути над гидротермальными источниками подводного вулкана Пийпа (Берингово море) // Океанология. 2011. Т. 51, № 5. С. 1-10.
3. Вестник золотопромышленника. Каталог месторождений. - http://gold.1prime.ru/deposits/catalog/deposit. asp?depositid=368 (дата обращения: 22.04.2012).
4. Геологическая карта дна Японского моря / под ред. И.И.Берсенева, Л.И.Красного. М.: Мингео СССР, 1988.
5. ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. - http://www.gostrf.com/Basesdoc/42/42030/index.htm (дата обращения: 28.11.2011).
6. Иванов М.В., Калинчук В.В., Астахов А.С. Ртутометрические исследования воздуха, воды и донных осадков в 54 рейсе (май-июнь 2011 г.) НИС «Академик М. А. Лаврентьев» // Геология морей и океанов: материалы 19-й междунар. науч. конф. (школы) по морской геологии. Т. 4. М.: Геос, 2011. С. 217-222.
7. Коноплев А.В., Панкратов Ф.Ф., Рычков А.М. Уменьшение концентрации ртути в атмосфере российской Арктики весной // Метеорология и гидрология. 2005. № 5. С. 50-53.
8. Лучшева Л.Н. Природные аномалии ртути в дальневосточных морях России и их экологическое значение: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Владивосток: ИБМ ДВО РАН, 2004. 23 с.
9. М 03-06-2000. Методика выполнения измерений массовой концентрации паров ртути в атмосферном воздухе, воздухе жилых и производственных помещений атомно-абсорбционным методом с зеемановской коррекцией неселективного поглощения и использованием анализатора ртути РА-915+. СПб.: ООО «Люмэкс», 2000. 10 с.
10. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: учебник. М.: Астрея, 1999. 768 с.
11. Степанов И.И., Калягин А.Н. Распределение концентраций ртути в атмосфере над акваторией западной части Тихого океана // Вестн. ДВО РАН. 1997. № 3. С. 48-56.
12. Фурсов В.З. Ртутометрические методы при геологическом картировании и экологических исследованиях: Методическое руководство. М.: ГЕОКАРТ: ГЕОС, 2006. 315 с.
13. Dastoor A.P., Larocque Y. Global circulation of atmospheric mercury: a modeling study // Atm. Envir. 2004. N 38. P. 147-161.
14. Draxler R.R., Rolph G.D. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model. NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2011. - http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php (дата обращения: 08.12.2011).
15. Fu X., Feng X., Sommar J. et al. A review of studies on atmospheric mercury in China // Sci. Total Environ. 2011. N 421. P. 73-81.
16. Global mercury assessment report. Geneva: UNEP Chemicals, 2002. 270 p. - http://www.chem.unep.ch/mer-cury/Report/GMA-report-TOC.htm (дата обращения: 08.12.2011).
17. Jaffe D., Prestbo E., Swartzendruber P. et al. Export of atmospheric mercury from Asia // Atmos. Environ. 2005.
N 39. P. 3029-3038.
18. Lin C., Singhasuk P., Pehkonen S. Atmospheric chemistry of mercury // Enviromental Chemistry and Toxicology of Mercury. N.Y.: Wiley, 2012. P. 113-153.
19. Nguyen H.T., Kim K.H., Kim M.Y. et al. Monitoring of atmospheric mercury at a Global Atmospheric Watch (GAW) site on An-Myun Island, Korea // Water Air Soil Pollut. 2007. N 185. P 149-164.
20. Nguyen H.T., Kim M.Y., Kim K.H. The influence of long-range transport on atmospheric mercury on Jeju Island, Korea // Sci. Total Environ. 2010. N 408. P. 1295-1307.
21. Pirrone N., Cinnirella S., Feng X. et al. Global mercury emissions to the atmosphere from natural and anthropogenic sources // Mercury fate and transport in the global atmosphere. N.Y.: Springer, 2009. P. 3-49.
22. Rolph G.D. Real-time Environmental Applications and Display system (READY). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2011. - http://ready.arl.noaa.gov (дата обращения: 08.12.2011).
23. Travnikov O. Atmospheric transport of mercury // Enviromental Chemistry and Toxicology of Mercury. N.Y.: Wiley, 2012. P 331-365.
24. Travnikov O., Ryaboshapko A. Modelling of mercury hemispheric transport and depositions // EMEP/MSC-E Technical Report 6/2002. Moscow, Russia: Meteorological Synthesizing Centre-East. 2002. - www.msceast.org/publica-tions.html (дата обращения: 28.11.2011).
