Закономерности пространственно-временного распределения и причины контрастности гидрокарбонат-ионов в химическом составе атмосферных осадков на севере Русской равнины Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.557

И.А. Рысаева, Н.П. Торсуев

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИЧИНЫ КОНТРАСТНОСТИ ГИДРОКАРБОНАТ-ИОНОВ В ХИМИЧЕСКОМ СОСТАВЕ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ НА СЕВЕРЕ РУССКОЙ РАВНИНЫ

Анализируется пространственно-временная ритмика концентрации гидрокарбонат-ионов в атмосферной среде региона севера Русской равнины. Основываясь на использовании метода корреляционного анализа данного макрокомпонента между метеостанциями Европейского Севера, проводится построение уравнений линейной регрессии для анализируемого аниона в атмосферных осадках региона.

Ключевые слова: пространственно-временной анализ, метеостанция, корреляционный анализ, регрессионный анализ, концентрация.

Исследования химического состава атмосферных осадков (ХСО) в городских условиях представляют собой достаточно сложный процесс, поскольку формирование их ингредиентного состава определяется не только характером региональных процессов переноса воздушных масс, которому свойственна контрастная сезонная смена циркуляции атмосферы, но и повседневным техногенным воздействием на атмосферную составляющую окружающей среды (ОС). Оценить интенсивность загрязнения осадков и выявить причины происходящих изменений в воздушном бассейне городов в целях последующей выработки эффективных программ, направленных на оптимизацию качества атмосферной среды, представляется возможным при адекватной оценке их наблюдаемого состояния.

Получение подобной информации является задачей мониторинговых исследований, современные возможности которых позволяют детектировать появление и накопление различного рода пол-лютантов в ОС, выяснить динамику загрязнения, сезонную и суммарную нагрузку содержащихся в осадках химических соединений на подстилающую, в том числе водную поверхность [1].

В предлагаемой публикации дается пространственно-временной анализ распределения гидрокарбонат-ионов (HCO3-) в ХСО региона севера Русской равнины за максимально возможный период наблюдений (1958 - 2007 гг.).

Исходя из вышеизложенного, цель данной работы определяется как пространственновременной анализ флуктуаций гидрокарбонат-ионов в ХСО под воздействием природных и антропогенных факторов для региона севера Русской равнины.

Реализация поставленной цели, естественно, потребовала решения комплекса взаимосвязанных

задач:

- проведение корреляционного и регрессионного анализов концентрации HCO3" в атмосферных осадках с учетом всех метеостанций (МС) на севере Русской равнины в сезонном и годовом аспектах, на которых идет отбор проб;

- восстановление единичных пропусков наблюдений в значениях концентрации HCO3" методом корреляционного и регрессионного анализов с использованием лицензионного пакета программы STATGRAFICS Plus при наличии соответствующих значений других поллютантов на тех же МС, либо соответствующих значений концентраций анализируемого макрокомпонента на других МС региона;

- наращивание рядов наблюдений за содержанием HCO3" в ХСО региона до максимально возможного периода (1958 - 2007 гг.).

Следует отметить, что анализируемый макрокомпонент - HCO3", будучи производным угольной кислоты, находится в растворе в динамическом равновесии между самой угольной кислотой и составляющими ее ионами в определенных количественных отношениях [2]. Общепризнанно, что источниками обогащения атмосферы гидрокарбонатами служат пылеватые частицы, поднятые в воздух с поверхности выветриваемых карбонатных пород, таких как известняки, доломиты, мергели, карбонатный цемент многочисленных осадочных горных пород.

Являясь важнейшими, хотя и наиболее непостоянными составляющими атмосферных осадков, их содержание в ХСО ряда пунктов может быть незначительным, тогда как в ареалах техногенного воздействия они обнаруживаются в больших количествах. Кроме того, следует отметить, что в регионах с высоким содержанием неокисленных или несгоревших гидрокарбонатов, естественно, фиксируется

самая большая концентрация озона. Именно это обстоятельство явилось причиной того, что озон стал рассматриваться как источник смога, тем более что он является одним из веществ, получаемых в этом процессе. И даже несмотря на то, что озон и гидрокарбонаты уничтожают друг друга, в атмосфере существует достаточное количество и того и другого, что в дальнейшем создает проблемы [3].

Ландшафтные особенности региона севера Русской равнины. Исследуемый регион представляет собой обособленную территориальную единицу с выраженной локализацией своих границ: на севере - Белым и Баренцевым морями, на западе - бассейном Онежского озера, на востоке - отрогами северного Урала.

Особенности климата региона определяются малым количеством солнечной радиации, воздействием северных морей, интенсивным западным переносом воздушных масс. Температурный режим региона, как важнейший метеопредиктор, отличается выраженностью годового хода с максимумом в июле - от +18 °С на юге до +8 °С на побережье Баренцева моря и минимумом в январе - феврале (побережья морей) от -11-12 °С до -18-22 °С [4]. По данным многолетних метеонаблюдений, годовая сумма осадков на территории Европейского Севера варьирует в пределах от 550 - 600 мм (северо-восток) до 750 - 800 мм (юго-запад) и отличается неравномерностью их выпадения в годовом цикле.

Гидрологический потенциал региона формируют более 138 тыс. рек, главнейшими из которых являются Сев. Двина, Печора, Онега, Мезень; озера, преимущественно ледникового происхождения и болота верхового типа.

В структуре народнохозяйственного комплекса региона приоритетное значение принадлежит межотраслевому топливно-энергетическому, сформировавшемуся на базе минерально-сырьевых ресурсов Европейского Севера. Важнейшим элементом производственной инфраструктуры принято считать лесопромышленный комплекс (Архангельский, Котласский, Соломбальский ЦБК). Структурной составляющей общественного производства Европейского Севера является металлургический комплекс, высокоразвитость которого предопределена функционированием предприятий-гигантов отрасли, сконцентрированных в Вологодской области (Череповецкий комбинат «Северсталь», ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод»).

Стоит отметить и негативный аспект стратегии природопользования в условиях севера Русской равнины. Примером вышесказанного может служить Архангельская область, на долю которой приходится 30 % выбросов вредных веществ в атмосферу, и, как следствие, - рост в воздушно-водной среде концентраций ионов щелочных металлов, сульфатов, хлоридов и других поллютантов.

Материалы и методика исследований

В рамках настоящей работы в качестве исходного материала использована информация о количественном содержании гидрокарбонат-ионов в атмосферных осадках по 14 МС региона исследования. Данные по концентрациям НС03" в ХСО получены в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова и в Северном территориальном управлении Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Правда, в исходной рабочей базе только четыре МС имеют максимально продолжительные во времени ряды наблюдений: Мудьюг (1958 - 2007 гг.), Усть-Вымь (1958 - 2007 гг.), Нарьян-Мар (1962 - 2007 гг.), Сыктывкар (1972 - 2007 гг.), тогда как наблюдения на других МС были начаты в начале 1990-х гг.

Отсутствие более длительных наблюдений за содержанием гидрокарбонат-ионов в атмосферных осадках на остальных 10 МС затрудняет проведение анализа многолетней пространственной изменчивости в них НС03". Поэтому наши исследования являются первой попыткой восполнить этот пробел.

В качестве методологического инструментария обработки данных особо важная роль отводится так называемому приведению (наращиванию) метеорологических рядов наблюдений, что позволяет получить весьма надежные и сравнимые климатические показатели для МС с различными периодами наблюдений [5].

По имеющимся данным о содержании НС03" в ХСО с использованием лицензионных программных средств был произведен расчет средней концентрации гидрокарбонатов в атмосферных осадках на севере Русской равнины по годам и месяцам с последующим представлением полученных результатов в графической форме.

Результаты и их обсуждение

Задачами работы являлось восстановление единичных пропусков и наращивание рядов наблюдений в значениях концентрации HCO3" в ХСО севера Русской равнины до максимально возможного периода. Существующие пропуски в значениях концентрации гидрокарбонат-ионов в атмосферных осадках региона были заполнены с использованием метода корреляционного и регрессионного анализов в программе STATGRAFICS Plus. При этом учитывался так называемый уровень значимости R-squared (уровень предсказания), величина которого должна быть меньше 0,05.

В конечном итоге, нами было восстановлено 1665 значений-пропусков исследуемого макрокомпонента в осадках по МС региона. Однако в ряде случаев пропуски наблюдений на МС территории исследования не удалось восстановить по причине превышения допустимого уровня значимости (> 0,05) или в связи с отсутствием в искомый месяц значений концентраций HCO3" в атмосферных осадках на других МС.

Таблица 1

Результаты корреляционного и регрессионного анализов концентрации HCO3- в атмосферных осадках МС на севере Русской равнины по месяцам

Наименование МС Вид линейного уравнения регрессии Коэффициент корреляции

Январь

Брусовица Брусовица=1,73374+4,34056*Северодвинск Брусовица=2,98626+1,01048*Сура 0,70 0,64

Сура Сура=-0,210209+0,963397*У сть-Вымь 0,57

Усть-Вымь Усть-Вымь=1,62569-0,0902125*Троицко- Печорск -0,58

Северодвинск Северодвинск=-0,113008+0,179363*Брусовица 0,88

Апрель

Белозерск Белозерск=- 1,42216+0,90575*Сыктывкар 0,68

Мудьюг Мудьюг=-0,145245+0,194476*Троицко-Печорск 0,83

Август

Белозерск Белозерск=0,446529+0,260125 *Троицко-Печорск 0,69

Брусовица Брусовица=1,65409+1,83889*Северодвинск 0,53

Мудьюг Мудьюг=-3,33936+2,9968*Белозерск 0,51

Северодвинск Северодвинск= 1,10227+0,0509013*Онега 0,73

Т роицко-Печорск Т роицко-Печорск=5,99856+1,97556*Белозерск 0,71

Нами были получены коэффициенты корреляции, при изучении которых в последующем постулировалось линейное уравнение регрессии по месяцам и годам (табл. 1, 2). Между выборками, полученными на данных МС, встречался коэффициент корреляции, превышающий 0,5, а в ряде случаев и более 0,7, с уровнем значимости менее 0,05. Коэффициент корреляции, равный более 0,7, был получен для МС Белозерск, Северодвинск, Архангельск, Троицко-Печорск.

Затем были получены усредненные значения концентрации НС03" в атмосферных осадках на севере Русской равнины по годам и месяцам. Для оценки изменения содержания гидрокарбонат-ионов в ХСО региона в процессе многолетнего характера эволюции их химического состава были составлены специальные графики.

Оценка сезонной изменчивости концентрации НС03" в осадках была проведена на примере 5 МС: Нарьян-Мар, Северодвинск, Сыктывкар, Ухта и Череповец (рис. 1).

Исходя из представленных данных, отражающих сезонную изменчивость НС03" в осадках по МС региона исследования, удалось четко диагностировать доминирование данного макрокомпонента в анионном составе осадков на МС Ухта. В течение всего календарного года здесь можно наблюдать высокие значения концентрации НС03" в атмосферных осадках, а пиковые периоды приходятся на летне-осенний и отдельные месяцы зимнего периодов. Так, в частности, в августе месяце средняя величина концентрации НС03" в осадках составила 37,84 мг/л, в октябре - 30,69 мг/л, в феврале - 30,58 мг/л, тогда как относительно низкие значения отмечены в марте месяце - 11,80 мг/л. По-видимому,

источником существенного повышения доли гидрокарбонатов в ХСО на МС Ухта в указанные сезоны могут служить продукты выветривания почвы и углекислый газ атмосферного воздуха; основным поставщиком может выступать и почвенная пыль, которая в виде карбонатов кальция вымывается осадками из воздуха.

Таблица 2

Результаты корреляционного и регрессионного анализов концентрации HCO3- в атмосферных осадках по МС на севере Русской равнины по годам

Наименование МС Вид линейного уравнения регрессии Коэффициент корреляции

1971

Мудьюг Мудьюг=2,57554-0,391732*Нарьян-Мар -0,75

Нарьян-Мар Нарьян-Мар=4,61118-1,46147*Мудьюг -0,75

1991

Северодвинск Северодвинск=-0,110346+0,193436*Мудьюг 0,65

1992

Архангельск Архангельск=-0,499441+0,31959*Брусовица 0,77

1993

Белозерск Белозерск=0,00639495+0,0278097Юнега 0,83

1995

Сыктывкар Сыктывкар=4,48714+10,823* Сура 0,65

Усть-Вымь Усть-Вымь=- 1,33916+0,6392*Троицко-Печорск 0,70

1996

Череповец Череповец=-14,8545+1,2044* Онега 0,72

2000

Мудьюг Мудьюг=2,13703+3,49129*Сура 0,69

2002

Архангельск Архангельск=-0,238257+0,173058*Нарьян-Мар 0,72

2003

Т роицко-Печорск Троицко-Печорск=11,3934+0,502145*Сыктывкар 0,62

40,00

0.00 ^ і ~—і—і—і—і----------------1-г-1-1-1-і—

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 И 12

Рис. 1. Среднемесячная изменчивость концентраций гидрокарбонатов в атмосферных осадках на ряде

МС севера Русской равнины за 1958 - 2007 гг.

В анализируемой связке МС, наименьшие значения концентрации НС03- в ХСО зафиксированы на МС Северодвинск. Они варьируются в течение года в интервале от 0,90 до 4,23 мг/л. Предположительно, одной из искомых причин малой концентрации гидрокарбонатов в ХСО на данной МС являются особенности географического положения МС - приуроченность к морскому побережью с явным превалированием в составе осадков хлоридной составляющей.

Характер среднемноголетнего распределения концентраций НС03- в осадках рассмотрим на примере МС, расположенных поблизости друг от друга (рис. 2).

20.00

Ч

Н 18.00

л

еа о н 16.00

£ 14.00

'О

Е" 12.00

о

В 10.00

и г 8.00

щ

6,00

1 4.00

Й

о 2.00

И

0.00

-♦Архангельск

Зрусовица ►Му дью г

-Т--г---,---г—--------------------------------------------------г-,-,-г-,-,-1-,-т-,-1-,-,-т-г-т—!-г-,-,

^58 І96$ і9?2 І9?д І9Я6 ¡9д3 2<>0() 2°0?

Рис. 2. Среднемноголетняя изменчивость концентраций гидрокарбонатов в атмосферных осадках на МС Архангельск, Брусовица, Мудьюг за 1958 - 2007 гг.

Достаточно высокие значения концентраций НС03- в ХСО отмечены на МС Брусовица. Они достигают во временном аспекте 11,5 мг/л (1972 г.), 14,2 мг/л (1996 г.), 19 мг/л (2001 г.), тогда как абсолютный минимум здесь зафиксирован в 2007 г. - 1,02 мг/л. На МС Мудьюг, где мониторинг за ХСО проводится более чем 50 лет, за весь период фиксировалось то повышение, то понижение концентраций НС03- в осадках. «Вспышки» концентраций гидрокарбонат-ионов в осадках приходятся на начало 1990-х и 2000-х гг. (11,50 мг/л, 14,91 мг/л), наименьшие значения датируются 1960-ми и второй половиной 1970-х гг.

120,00

с;

Ь А 100,00

(й

у

К 80,00

'О

ё

РГ 60,00

с

Е

Ы « 40,00

Ё*

о.

Е 20,00

¡4

0,00

-•Вологда

-*#Онега

I Г I I Г I I Г I I Г Т I Г 1 I Г 1 I I Т I I Т I I Т I 11 II Г I I Г I I Г I I Г I I

>9б3 11>?2 *979 }с>Нв ,993 2°00 2оО?

Рис. 3. Среднемноголетняя изменчивость концентраций гидрокарбонатов в атмосферных осадках на МС Вологда и Онега за период 1958 - 2007 гг.

В промышленных городах на ОС все большее воздействие оказывает антропогенный фактор, связанный с повседневной хозяйственной деятельностью человека. И поэтому вполне естественно, что в мегаполисах, а также в городах с развитым промышленным сектором, естественных осадков не может быть по определению.

Так, наиболее высокие значения концентраций гидрокарбонат-ионов в осадках отмечаются на МС Онега и Вологда, где продукты технической деятельности, и, в частности, углекислого газа (С02), определяющий концентрацию НС03- в осадках, по всей вероятности, определяют качественный состав атмосферных вод (рис. 3).

Динамика содержания НС03- в осадках в годовом разрезе характеризуется несколькими ярко выраженными пиками (табл. 3).

Таблица 3

Пиковые значения концентраций гидрокарбонат-иона в ХСО на МС Онега

Наименование метеорологической станции Год Величина поступления НС03" в осадки, мг/л

Онега 1966 55,30

1972 57,37

1985 59,16

Как известно, г. Онега (Архангельская область) является одним из крупнейших лесопромышленных центров России, где функционирует лесопильно-деревообрабатывающий комбинат, лесозавод, ОАО «Онегалес», являющиеся, естественно, существенными источниками загрязнения атмосферы. Кроме того, здесь выявлены месторождения строительных материалов - щебень, кирпичные глины, на базе которых получила развитие строительная промышленность. Деятельность данных стационарных источников способствует увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу, а источники выбросов С02, в свою очередь, определяют концентрацию НС03- в осадках. Однако в последние годы на данной территории наметилась тенденция к снижению доли гидрокарбонатов в ХСО, составив, в частности, в 2005 г. - 7,03 мг/л, в 2007 г. - 1,14 мг/л. Очевидно, что столь положительная динамика здесь является результатом действенных мер служб контроля за состоянием ОС, а также все большим внедрением прогрессивных технологий в производственный процесс.

На МС Вологда, расположенной значительно южнее, период выраженной аккумуляции гидрокарбонатов в осадках приходится на 60-е - первую половину 70-х гг. XX в. Абсолютный максимум данного макрокомпонента здесь зафиксирован в 1961 г. - 111,46 мг/л, определенные временные пики увеличения доли иона в ХСО наблюдались также и в конце 80-х гг.

Если говорить о косвенных антропогенных источниках-поставщиках гидрокарбонатов в ХСО, то здесь, также как и в г. Онега, отмечается четко выраженная специализация в строительной индустрии. Дополнительно к этому, лидирующие позиции в области по производству топливных и энергоисточников (46,5% в общем объеме региона), при сжигании которых выделяется С02.

Выбор подобной комбинации МС для проведения анализа не случаен, поскольку, в данном случае можно провести определенную аналогию в отношении временного распределения концентраций НС03" в осадках и источников поступления иона в осадки. В частности, можно наблюдать практически совпадающий рост (1996 г.) значений иона в ХСО на обеих МС. Но, в то же время, если последние несколько лет на МС Онега ознаменованы снижением доли НС03" в осадках, то на МС Вологда, напротив, наблюдается рост величины данного макрокомпонента в осадках (2006 г. - 25,25 мг/л, 2007 г. -32,15 мг/л).

На МС Ухта доля НС03" в ХСО весьма значительна, что также поддается достаточно логичному обоснованию. Принимая во внимание тот факт, что содержание НСО3- в осадках является индикатором уровня СО2, указанные особенности пространственного распределения концентраций и выпадений гидрокарбонатов можно объяснить ролью промышленности близ г. Ухта [6]. Основными стационарными источниками загрязнения воздушного бассейна С02 являются предприятия угледобывающей, газовой (ООО «Газпромтрансгаз Ухта»), нефтегазовой («Лукойл-Ухтанефтегаз»), нефтеперерабатывающей (ООО «Лукойл-Ухтанефтепереработка»), теплоэнергетической и других отраслей промышленности, располагающихся в г. Ухта и близ него (рис. 4).

35.00

30.00

25,00

0.00

со

Оі

Сі

О'.

а.

о

о

о

о

о

о

N

*4

о

о

'Ч

о

о

N

О

о

І-Ч

ч". С I ООО ООО -“І -“І

концентрация гндрокарбонатов, мгл

вепігпша выороса оксида углдюда в атмосферу от стационарных источников, тыс.т./год

Рис. 4. Долевой вклад в концентрацию гидрокарбонатов выбросов оксида углерода в атмосферу г. Ухта от стационарных источников за 1998 - 2007 гг.

Выводы

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1) используя методы корреляционного и регрессионного анализов, заполнены пропуски в значениях концентрации гидрокарбонат-ионов в атмосферных осадках на всей территории севера Русской равнины. Кроме того, проведено наращивание рядов наблюдений за содержанием НС03" в ХСО региона до максимально возможного периода (1958 - 2007 гг.). В конечном счете, заполнено 1665 значений исследуемого макрокомпонента в осадках региона;

2) на основании полученных коэффициентов корреляции постулировались линейные уравнения регрессии;

3) было установлено, что в сезонном разрезе наибольшая доля НС03" в атмосферных осадках всего региона отмечена на МС Ухта. Выявлено, что периоды пика здесь приходятся на летне-осенний и отдельные месяцы зимнего периодов;

4) на всех анализируемых МС в сезонном и годовом аспектах выявлены периоды пика и спада в содержании гидрокарбонат-ионов в атмосферных осадках;

5) на примере ряда МС, в частности, Вологды, Онеги и Ухты, удалось показать, что наличие НС03" в осадках обусловлено не только природными, но и антропогенными факторами, связанными с производственно-хозяйственной деятельностью общества;

6) на примере МС Ухта был определен и показан долевой вклад в концентрацию гидрокарбонат-ионов выбросов оксида углерода в атмосферу города от стационарных источников за период 1998

- 2007 гг.

Благодарности

Авторы выражают искреннюю признательность и благодарность кафедре ландшафтной экологии института экологии и географии Казанского (Приволжского) федерального университета за предоставление фактического материала для написания данной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналити-ческие измерения. М.: Изд-во стандартов, 1992. 432 с.

2. Посохов Е.В. Гидрохимия. Ростов н/Д: Изд-во Ростов. ун-та, 1965. 135 с.

3. Прибылов К.П., Савельев В.П., Латыпов З.М. Основы химии атмосферы. Казань: Изд-во ДАС, 2001. 169 с.

4. Рихтер Г.Д., Чикишев А.Г. Север европейской части СССР. М.: Мысль, 1966. 236 с.

5. Верещагин М.А., Наумов Э.П., Шанталинский К.М. Статистические методы в метеорологии. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1990. 106 с.

6. Копотева Т.Н., Федорова В.А. Атмосферные выпадения НС03-в междуречье рр. Печора и Северная Двина и их влияние на речной сток // Современные проблемы геохимии. Иркутск, 2011. С. 169-171.

Поступила в редакцию 25.01.12

I.A. Rusaeva, N.P. Torsuev

The regularity of the space-temporary distribution, and causes of contrast, for hydrocarbonate ions in the chemical solution of the atmospheric precipitations in the north of the Russian plain

This article analyzes the space- temporary rhythmics of the concentration of the hydrocarbonate ions at the atmospheric sphere in the north of the Russian plain. The article presents the equations of linear regression for the analyzed aniode in the atmospheric precipitations of the region formulated on the basis of the method of the correlation analysis of the above macrocomponent between meteostations in the European north.

Keywords: space-temporary analysis, meteostation, correlation analysis, regression analysis, concentration.

Рысаева Ирина Анатольевна, соискатель Казанский (Приволжский) федеральный университет 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская, 18 Е-таП: [email protected]

Торсуев Николай Павлович, доктор географических наук, профессор Казанский (Приволжский) федеральный университет 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская, 18

Rusaeva I.A.

Kazan federal university

420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya st., 18

E-mail: [email protected]

Torsuev N.P., doctor of geographical sciences, professor

Kazan federal university

420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya st., 18