CC BY
37
УДК 502.51
DOI: 10.24412/1728-323X-2020-5-87-91
МАРГИНАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР КАК РЕГУЛЯТОР ПОСТУПЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В МОРСКИЕ ВОДЫ С РЕЧНЫМ СТОКОМ С ОСТРОВОВ ЗАПАДНОГО СЕКТОРА РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ
И. В. Мискевич, д. г. н, в. н. с.,
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, subarct@gmail.com, В. Б. Коробов, д. г. н., директор СЗО Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, szoioran@mail.ru, Москва, Россия
Рассмотрен вопрос специфики поступления загрязняющих веществ в воды морей со стоком малых рек на арктических островах. Обращено внимание на возможность аккумуляции загрязняющих веществ в лагунных устьях рек в морях западного сектора российской Арктики. Их источником могут служить вещества, накопленные за много лет в островных ледниках и многолетнемерзлых грунтах, которые разрушаются в результате потепления климата в последние десятилетия. Геоморфологические особенности островных устьевых лагун создают благоприятные условия для формирования в них обширных зарослей водных растений и морских водорослей и для ограничения транзита взвешенных и влекомых наносов в морские воды. Здесь помимо гравитационного оседания взвесей будет наблюдаться химический перевод ряда растворимых веществ в нерастворимые формы. В таких устьях рек не исключается появление локальных зон с высоким содержанием высокотоксичных веществ в донных отложениях.
The issue of the specificity of the entry of pollutants into the waters of the seas with the runoff of small rivers on the Arctic islands is considered. The attention is drawn to the possibility of accumulation of pollutants in the lagoon estuaries in the seas of the western sector of the Russian Arctic. The substances accumulated over many years in the island glaciers and permafrost, which are destroyed as a result of climate warming in recent decades may be their source. The geomorphological features of the island estuarine lagoons create favorable conditions for the formation of vast thickets of aquatic plants and algae in them and for limiting the transit of suspended and entrained sediments into the sea waters. Here, in addition to the gravitational settling of suspended matter, a chemical conversion of a number of soluble substances into insoluble forms will be observed. In such river mouths, the appearance of local zones with a high content of highly toxic substances in bottom sediments is not excluded.
Ключевые слова: Арктика, западный сектор, острова, река, устье, лагуна, прилив, маргинальный фильтр, галофиты, ледники, мерзлый грунт, таяние, загрязнение.
Keywords: the Arctic, western sector, islands, river, estuary, lagoon, tide, marginal filter, halophytes, glaciers, frozen ground, melting, pollution.
В условиях наблюдаемого в последние 30—40 лет потепления климата в западном секторе российской Арктики (Белое, Баренцево и Карское моря) началось заметное таяние ледников и многолетнемерзлых грунтов на архипелагах Франца-Иосифа, Новая Земля, Северная Земля, на островах Колгуев, Вайгач, Белый и более мелких островах. При этом возникает проблема оценки транспорта, загрязняющих веществ, накопленных на них за счет атмосферного переноса [1—3], в том числе связанного с ядерными испытаниями, с речных водосборов в прилегающие морские воды [4]. Также необходимо оценить возможность поступления в море растворенных соединений ряда металлов при дренировании кислых тундровых почв талыми водами, резко повышающими их миграционные способности в водной среде.
Спецификой гидрологических условий островов в рассматриваемом секторе Арктики является формирование на них гидрографических сетей водотоков только за счет малых рек и ручьев, а также наличие в устьях их рек хорошо выраженных приливных явлений. Под малой рекой в соответствии с ГОСТ 19179—73 «Гидрология суши. Термины и определения» принято понимать реку, бассейн которой располагается в одной географической зоне, и гидрологический режим ее под влиянием местных факторов может быть не свойственен для рек этой зоны. При этом площадь водосбора малой реки не должна превышать 2000 км2.
По величине сизигийного прилива (Н) на устьевых взморьях рек согласно В. Н. Михайлову [5] принято выделять устьевые области рек с микроприливными (0,3 м < Н < 1,6 м), мезоприливными (1,6 м < Н < 2,8 м) и макроприливными (Н > 2,8 м) условиями. Для устьев рек арктических островов в целом типичны микроприливные условия, при которых в зоне смешения речных и м орских вод возникает вертикальная плотностная стратификация. Она выражается в наличии верхнего поверхностного слоя сильно распресненных вод и придонного слоя более соленых (морских) вод. Между этими слоями фиксируется слой скачка плотности, характеризуемый резкими изменениями температуры и солености устьевых вод. В мезоприливных и макроприливных условиях стратификация вод в устье реки становится неустойчивой или исчезает полностью.
В настоящее время для оценки процессов переноса веществ с речным стоком в море широко используется модель маргинального фильтра, разработанная академиком А. П. Лисицыным. Согласно ей зону смешения речных и морских вод по мере возрастания солености можно разделить на три участка, которые можно обозначить как «иловая пробка», «элементорганическая пробка» и «биологическая пробка». Она нашла свое подтверждение на примере исследований большого количества устьев рек в различных регионах нашей планеты [6—7]. Однако почти все они относятся к так называемым большим рекам, под которыми согласно ГОСТ 19179—73 принято понимать водотоки с площадью водосбора не менее 50 000 км2.
Основное отличие приливных устьев малых рек от устьев более крупных водотоков относится соизмеримость ширины русла водотока в малую воду приливного цикла с шириной приливных осушек. Последние, как правило, покрыты водной и околоводной растительностью (гало-фитами), выдерживающей широкий диапазон колебаний солености (минерализации) воды. Га-лофиты в большинстве случаев образовывают обширные заросли, через которые в море в фазу отлива проходит основной объем устьевых вод. При наличии закрытого или полузакрытого устьевого взморья реки заросли галофитов способны сформировать мощный биогеохимический барьер, в котором сосредотачиваются все вышеупомянутые пробки. Это связано с влиянием гидробиологических факторов и изменением характера гидрофизических процессов. В рассматриваемой зоне меняется режим теплообмена и массообмена между атмосферой, водой и донным грунтом, резко ослабевают скорости течений, уменьшается турбулентный обмен, значительно снижается высота ветровых волн и меняется характер вертикальных движений ледяного покрова.
В некоторых устьях рек «мутьевая пробка» с первого участка в классической модели маргинального фильтра перемещается на третий (последний) участок. Подобная ситуация возникает, когда сильные приливные течения за счет взмучивания иловых, глинистых отложений и мелкозернистых песков резко повышают содержание взвешенных веществ на устьевом взморье реки.
Здесь необходимо отметить, что все вышеупомянутое справедливо только для мелководных устьев рек, расположенных на низменных участках. В устьях малых рек в прибрежных морских районах со скалистыми берегами, где ширина приливных осушек не превышает 1—5 м, а на
устьевом взморье наблюдаются глубины более 10—50 м, трансформация веществ, при их переносе из реки в море, идет по сценарию классической модели маргинального фильтра.
В зоне тундр протаивание многолетнемерз-лых грунтов более интенсивно идет в прибрежной морской зоне. За счет этого явления на протяжении устьевого водотока могут возникать локальные расширения и углубления, формируя эстуарные озера, доступные для проникновения морских вод. Они, в свою очередь, становятся ловушками для взвесей, с одной стороны, выносимых с речными водами, с другой стороны, поступающими со стороны моря при появлении мощных ветровых нагонов. Это, наряду с зарастанием подобных озер водной растительностью, должно приводить к их превращению в заболоченный участок с наличием узкого русла для транзита устьевых вод. Время их существования определяется балансом между скоростями протаивания тундровых грунтов и скоростями заболачивания устьевых микроводоемов и зависит от характера потепления климата в западном секторе российской Арктики. Вероятнее всего, оно составляет несколько десятков лет, возможно, и более [8]. Здесь необходимо заметить, что подобные устье -вые озера становятся аккумуляторами нерастворимых примесей, в том числе высокотоксичных поллютантов, выносимых с разрушаемых много -летнемерзлых грунтов и ледников. Таким образом, они могут служить своего рода барьером, препятствующим поступлению в прибрежные воды арктических морей загрязняющих веществ.
Формированию другого вида подобных барьеров способствуют геоморфологические особенности устьевых лагун. В условиях арктических морей они получили значительное развитие и, в частности, на архипелаге Новая Земля [9]. Некоторые из них отделены от моря очень узким проливом шириной 1—3 м или водопроницаемой дамбой из галечного — галечно-гравийного материала. Образованию таких узких проливов и дамб, с одной стороны, способствует протяженность и ориентация оси лагуны вдоль направления господствующих ветров, с другой стороны, открытость ее морской границы развитому ветровому волнению и приливам. Ветровое волнение, как со стороны л агуны, так и со стороны моря, способствует накоплению крупнодисперсных взвешенных частиц и влекомых наносов на границе лагуны с морем.
Приливы способны вносить большой вклад в данный процесс. Это объясняется резким повышением крутизны ветровой волны, если она движется против направления распространения при-
ливной волны [10]. За счет указанного эффекта происходит гранулометрическая сортировка наносов в лагунном проливе, что может приводить к накоплению в нем гравия и гальки, и, в конечном счете, к его исчезновению. Данный процесс зависит от мощности речного стока в лагуну. При больших расходах речных вод лагунный пролив устойчив, или даже может периодически расширяться. Однако для многих малых водотоков, стекающих с ледников, формирование водопроницаемых дамб должно быть типичным процессом. Для их появления необходимо наличие крупнодисперсных наносов на прилегающей акватории моря или непосредственно в лагуне.
Интересно отметить, что подобное может отмечаться и на проточных озерах вне зон влияния моря. В частности, озера на юге Новой Земли, протяженностью более 1 км, ось которых ориентирована с СЗ на ЮВ, в своей южной части имеют галечно-гравийные дамбы шириной 1—2 м, через которые свободно просачиваются озерные воды, формируя в дальнейшем устойчивый ручьевой водоток.
Лагуны с очень узкими проливами и водопроницаемыми дамбами превращаются в ловушку для взвесей, выносимых с островными реками в море. В них благоприятные условия для массового развития получают водные и околоводные растения. Там, где возможно сохранение устойчивой стратификации устьевых вод в придонных слоях, в течение всего года могут находиться морские воды с соленостью 15—20 %о и даже выше. Здесь уже могут существовать зоны, сплошь покрытые морскими водорослями. В ряде лагун они получают мощное развитие за счет появления «оранжерейного» эффекта — появления очень высокого прогрева придонных слоев устьевых высокосоленых вод, защищенных от выхолаживания поверхностными слоями прозрачных сильно рас-пресненных вод. Например, в лагунных опресняемых озерах в заливе Черная губа на Новой Земле температура придонного слоя воды могла на 7—10 °С превышать температуру поверхностного слоя [11]. Помимо свободного доступа солнечной энергии в таких лагунах водоросли обеспечиваются повышенными концентрациями биогенных солей за счет ускоренной минерализации органики. Они, как и водные растения, препятствуют транзиту в сторону моря нерастворимых примесей.
Процессы зарастания и заболачивания лагунных устьев рек на арктических островах, а также их ограниченный водообмен с морскими водами, влекут за собой накопление в лагунах нерастворимых примесей, включая токсические вещества.
Кроме этого, щелочные свойства устьевых вод в лагуне и увеличение их минерализации, связанные с влиянием морских вод и фотосинтезом водной растительности, способствуют выпадению в осадок веществ, которые могут находиться в растворенном состоянии в закисленных речных водах (величина рН < 7). К ним, в частности, можно отнести железо, алюминий, марганец, свинец и уран [7]. Получаем, что лагунные устья рек арктических островов рассматриваемого региона могут «замыкать» маргинальный фильтр, препятствуя при разрушении ледников и мно-голетнемерзлых грунтов переносу веществ с талыми водами с территории суши в арктические моря.
Вышеуказанные условия способны создать локальные геохимических аномалии в опресняемых лагунах западного сектора российской Арктики, включая накопление токсических веществ. Для него это особенно актуально за счет имеющихся тенденций к потеплению климата на его территории [12], повышенных потоков атмосферного переноса ряда тяжелых металлов [13] и выпадения закисленных атмосферных осадков [14]. Устья некоторых м алых рек при разрушении мно-голетнемерзлых грунтов могут препятствовать переносу веществ с талыми водами с территории суши в арктические моря.
Таким образом, при оценке поступления в арктические моря загрязняющих веществ, высвобождаемых при таянии многолетнемерзлых грунтов и ледников, необходимо учитывать наличие устьевых маргинальных фильтров (барьеров), препятствующих данному процессу.
При изучении природных условий западного сектора Российской Арктики исследования по рассмотренной проблеме должны получить дальнейшее развитие. В настоящее время информации по природным условиям устьев рек вышеупомянутых арктических островов практически отсутствует. Для ориентировочной оценки возможности накопления токсических веществ в устьевых лагунах можно воспользоваться экспертными методами [15]. По крайней мере, их применение будет весьма полезно при выборе приоритетных объектов для проведения геохимических исследований.
Это обстоятельство также следует принимать во внимание при разработке сети наблюдений экологического мониторинга, поскольку все арктические острова западного сектора подвержены угрозе загрязнения при освоении месторождений нефтяных углеводородов и их транспортировке по акватории арктических морей [16].
Работа выполнена в рамках темы № 01492019-0007 государственного задания «Современные и древние донные осадки и взвесь Мирового океана — геологическая летопись изменений среды и климата: рассеянное осадочное вещество и донные осадки
морей России, Атлантического, Тихого и Северного Ледовитого океанов — литологические, геохимические и микропалеонтологические исследования; изучение загрязнений, палеообстановок и процессов в маргинальных фильтрах рек».
Библиографический список
1. Шевченко В. П., Виноградова А. А., Иванов Г. И., Лисицын А. П., Серова В. В. Распределение и состав аэрозолей западной Арктики // Доклады Академии наук. — 1997. — Т. 335. — № 5. — С. 673—676.
2. Шевченко В. П. Влияние аэрозолей на среду и морское осадконакопление в Арктике. — М.: Наука, 2006, 226 с.
3. Котова Е. И., Шевченко В. П. Влияние дальнего атмосферного переноса на формирование ионного состава атмосферных осадков и снежного покрова прибрежной зоны западного сектора Российской Арктики. — Фундаментальные исследования. — 2014. — № 12-11. — С. 2378—2382.
4. Айбулатов Н. А. Экологическое эхо холодной войны в морях Российской Арктики. — М.: ГЕОС, 2000, 306 с.
5. Михайлов В. Н. Принципы типизации и районирования устьевых областей рек (аналитический обзор) // Водные ресурсы. — 2004. — Т. 31. — № 1. — С. 5—14.
6. Лисицын А. П. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. — 1994. — Т. 34. — № 5. — С. 735—747.
7. Гордеев В. В. Геохимия системы река-море. — М.: ИП «Матушкина И. И.», 2012. — 452 с.
8. Мискевич И. В., Белоруков С. К., Мосеев Д. С., Яковлев А. Е. Характеристика природных условий озера Мелкое в устьевой области реки Чеша в Баренцевом море (по следам экспедиции РГО 1902 года) // Труды Архангельского центра Русского географического общества. Вып. 5. — Архангельск, 2017. — С. 354—359.
9. Школьный Д. И., Айбулатов Д. Н. Типизация устьевых областей рек острова Южный (архипелаг Новая Земля) // Вестник Московского ун-та. — Сер. 5. География. — 2016. — № 6. — С. 50—58.
10. Коробов В. Б., Лавренов И. В. Оценка влияния приливных течений на функции распределения высот ветровых волн // Метеорология и гидрология. — 1989. — № 11. — С. 73—80.
11. Крепс Е. М. Гидрологический очерк Черной губы на Новой Земле и реликтовых озер, к ней примыкающих // Исследования морей СССР. — Л., 1927. — Вып. 5. — С. 10—80.
12. Малинин В. Н., Вайновский П. А. О причинах первого потепления Арктики в ХХ столетии // Ученые записки РГГМУ. — 2018. — Вып. 53. — С. 34—55.
13. Lisitzin A. P., Shevchenko V. P. Glacial-marine sedimentation // Encyclopedia of Marine Geosciences / J. Harff, M. Meschede, S. Petersen, J. Thiede (eds.). Dordrecht: Springer Science + Business Media. — 2016. — P. 288—294.
14. Ветров В. А., Кузовкин В. В., Манзон Д. А. Кислотность атмосферных осадков и атмосферные выпадения серы и азота в Арктической зоне Российской Федерации по данным мониторинга химического состава снежного покрова // Арктика: экология и экономика. — № 3 (15). — 2014. — С. 46—51.
15. Коробов В. Б. Теория и практика экспертных методов / под ред. Кочурова Б. И. — М.: НИЦ ИНФРА-М, 2019. — 281 с.
16. Губайдуллин М. Г., Естбел Н., Золотухин А. Б., Коробов В. Б., Мискевич И. В., Муангу Ж. Р., Немировская И. А., Ренниген П., Рид М., Серхейм К., Синсгаас И., Сунгуров А. В., Шевченко В. П. Моделирование разливов нефти в западном секторе Российской Арктики. — Архангельск: САФУ, 2016. — 219 с.
POLLUTANTS IN SEA WATERS WITH RIVER RUNOFF FROM THE WESTERN ISLANDS IN THE RUSSIAN ARCTIC ZONE
I. V. Miskevich, Ph. D. (Geography). Leading Researcher of Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, subarct@gmail.com,
V. B. Korobov, Ph. D. (Geography). Director of the North-West Branch of Shirshov Institute of Oceanology, RAS, szoioran@mail.ru
References
1. Shevchenko V. P., Vinogradova A. A., Ivanov G. I., Lisitsyn A. P., Serova V. V. Raspredeleniye i sostav aerozoley zapadnoy Arktiki [Distribution and composition of aerosols in the western Arctic. Reports of the Academy of Sciences]. 1997. Vol. 335. No. 5. P. 673—676 [in Russian].
2. Shevchenko V. P. Vliyaniye aerozoley na sredu i morskoye osadkonakopleniye v Arktike. Shevchenko V. P. [The influence of aerosols on the environment and marine sedimentation in the Arctic Zone]. Moscow, Nauka. 2006, 226 p. [in Russian].
3. Kotova Ye. I., Shevchenko V. P. Vliyaniye dal'nego atmosfernogo perenosa na formirovaniye ionnogo sostava atmosfernykh osadkov i snezhnogo pokrova pribrezhnoy zony zapadnogo sektora Rossiyskoy Arktiki [The influence of long-range atmospheric transport on the formation of the ionic composition of atmospheric precipitation and snow cover of the coastal zone of the western sector of the Russian Arctic]. Basic research. 2014. No. 12-11. P. 2378—2382 [in Russian].
4. Aybulatov N. A. Ekologicheskoye ekho kholodnoy voyny v moryakh Rossiyskoy Arktiki [Ecological echo of the Cold War in the seas of the Russian Arctic]. Moscow, GEOS. 2000. 306 p. [in Russian].
5. Mikhailov V. N. Printsipy tipizatsii i raionirovaniia ustevykh oblastei rek (analiticheskii obzor). Vodnye resursy [Principles of typification and zoning of river estuarine regions (analytical review). Water resources]. 2004. Vol. 31. No. 1. P. 5—14 [in Russian].
6. Lisitsyn A. P. Marginalnyi filtr okeanov. Okeanologiia [Oceans marginal filter. Oceanology]. 1994. Vol. 34. No. 5. P. 735—747 [in Russian].
7. Gordeev V. V. Geokhimiia sistemy reka-more [Geochemistry of the river-sea system]. Moscow, IP Matushkina I. I. 2012. 452 p. [in Russian].
8. Miskevich I. V., Belorukov S. K., Moseev D. S., Iakovlev A. E. Kharakteristika prirodnykh uslovii ozera Melkoe v ustevoi oblasti reki Chesha v Barentsevom more (po sledam ekspeditsii RGO 1902 goda). Trudy Arkhangelskogo tsentra Russkogo ge-ograficheskogo obshchestva. Vyp. 5 [Characteristics of the natural conditions of Lake Melkoe in the mouth area of the Cheesha River in the Barents Sea (after the expedition of the Russian Geographical Society in 1902). Proceedings of the Arkhangelsk Center of the Russian Geographical Society. Issue 5]. Arkhangelsk, 2017. P. 354—359 [in Russian].
9. Shkolnyi D. I., Aibulatov D. N. Tipizatsiia ustevykh oblastei rek ostrova Iuzhnyi arkhipelag Novaia Zemlia. Vestnik Mosko-vskogo un-ta. Ser. 5. Geografiia [Typification of estuarine areas of the rivers of Yuzhny Island (Novaya Zemlya Archipelago). Bulletin of Moscow University. Ser. 5. Geography]. 2016. No. 6. P. 50—58 [in Russian].
10. Korobov V. B., Lavrenov I. V. Otsenka vliianiia prilivnykh techenii na funktsii raspredeleniia vysot vetrovykh voln. Meteor-ologiia i gidrologiia [Assessment of the influence of tidal currents on the distribution functions of the heights of wind waves. Meteorology and Hydrology]. 1989. No. 11. P. 73—80 [in Russian].
11. Kreps E. M. Gidrologicheskii ocherk Chernoi guby na Novoi Zemle i reliktovykh ozer k nei primykaiushchikh Issledovaniia morei SSSR. Vyp. 5. [Hydrological sketch of the Black Bay on Novaya Zemlya and relict lakes adjacent to it. Research of the seas of the USSR.]. Leningrad, 1927. P. 10—80 [in Russian].
12. Malinin V. N., Vainovskii P. A. O prichinakh pervogo potepleniia Arktiki v XX stoletii. Uchenye zapiski RGGMU. Vyp. 53 [On the causes of the first warming of the Arctic in the 20th century. Scientific Papers of the RSHU]. 2018. P. 34—55. [in Russian].
13. Lisitzin A. P., Shevchenko V. P. Glacial-marine sedimentation. Encyclopedia of Marine Geosciences. J. Harff, M. Meschede, S. Petersen, J. Thiede (eds.). Dordrecht: Springer Science + Business Media, 2016. P. 288—294.
14. Vetrov V. A., Kuzovkin V. V., Manzon D. A. Kislotnost atmosfernykh osadkov i atmosfernye vypadeniia sery i azota v Ark-ticheskoi zone Rossiiskoi Federatsii po dannym monitoringa khimicheskogo sostava snezhnogo pokrova. Arktika ekologiia i ekonomika [Acidity of atmospheric precipitation and atmospheric deposition of sulfur and nitrogen in the Arctic Zone of the Russian Federation according to the monitoring of the chemical composition of the snow cover. Arctic: ecology and economics]. 2014. No. 3 (15). P. 46—51 [in Russian].
15. Korobov V. B. Teoriya i praktika ekspertnykh metodov [Theory and practice of expert methods]. Moscow, NITS INFRA-M. 2019. 281 p. [in Russian].
16. Gubaydullin M. G., Yostbol N., Zolotukhin A. B., Korobov V. B., Miskevich I. V., Muangu Zh. R., Nemirovskaya I. A., Rennigen P., Rid M., Sorkheym K., Sinsgaas I., Sungurov A. V., Shevchenko V. P. Modelirovaniye razlivov nefti v zapadnom sektore Rossiyskoy Arktiki [Oil Spill Modeling in the Western Sector of the Russian Arctic.]. Arkhangelsk, NarFU. 2016. 219 p. [in Russian].
