В октябре 2010 г. в Японском море, у побережья Приморского края России были проведены измерения концентрации атомарной ртути (Hg0) в приводном слое атмосферы. Содержание Hg0 изменялось от 0,7 до 2,6 нг/м3, среднее составило 1,9±0,4 нг/м3. Установлено, что максимальные концентрации наблюдались в период, когда воздушные массы в точки измерения приходили из Желтоморского региона. При этом содержание ртути в приводном слое атмосферы в Японском море увеличилось в среднем на 40 % относительно нижней границы фонового диапазона для Северного полушария.
Ключевые слова: ртуть, атмосфера, Японское море.
Ртуть является одним из наиболее значимых параметров химического загрязнения окружающей среды. В связи с этим необходимо контролировать ее концентрацию во всех компонентах биосферы. В атмосферу ртуть попадает в различных физико-химических формах от большого количества как природных, так и антропогенных источников, а также в результате реэмиссии. Однако только в атомарной форме, ртуть может относительно долгое время находиться в атмосфере (по разным данным от 0,5 до 2 лет) [20; 9; 15; 18; 16]. В результате воздушными течениями она способна переноситься на дальние расстояния (десятки тысяч километров) и затем, окисляясь и осаждаясь на поверхность Земли загрязнять районы значительно в глобальном масштабе удаленные от источника поступления [21]. Чтобы расширить знания о поведении ртути в атмосфере над Японским морем были проведены ртутометрические исследования в октябре 2010 г.
Материалы и методы
С 9 по 11 октября 2010 г. в 52 рейсе НИС «Академик М. А. Лаврентьев» в Японском море вдоль побережья Приморского края России были выполнены прямые определения содержания атомарной ртути (Hg0) в приводном слое атмосферы. Содержание Hg0 определялось на уровне — около 2 от поверхности воды, с помощью атомно-абсорбционного спектрометра с зеемановской коррекцией неселективного поглощения — РА-915+ (ООО «Люмэкс», г. Санкт-Петербург), в стандартном автоматическом режиме «мониторинг», с пределом обнаружения — 0,3 нг/м3 [19]. Забор воздуха производился с носовой части судна по шлангу длиной 20 м. Полученные ежесекундные значения содержания ртути в воздухе усреднялись за 5-минутные интервалы и получали пространственную привязку.
Одновременно регистрировалась скорость и направление движения судна, метео- и гидрологические параметры с помощью штатных судовых приборов, автоматической метеостанции Davis Vantage Pro 2 (Davis Instruments Corp., США), термосоленографа SBE 21 SEACAT (США).
Все полученные значения концентрации Hg0 в воздухе были приведены к нормальным условиям (атмосферное давление — 760 мм. рт. ст., температура окружающего воздуха — 0°С) в соответствии с методикой выполнения измерений [4].
При расчете во избежание ошибок, связанных с загрязнением анализируемого воздуха выхлопными газами судна, не учитывались значения, полученные при небольшой либо равной нулю скорости судна, а также при попутном ветре равном или превышающем скорость движения судна.
Для выявления возможной зависимости между концентрацией ртути в воздухе и перемещением воздушных масс из различных районов был проведен расчет их обратных траекторий движения за 5 суток 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) [8; 14]. Расчет обратных траекторий движения воздушных масс производился для высот 50 и 500 м из координат местоположения судна через каждый час. Высота 500 м была определяющей, так как приблизительно именно до этой высоты распространяется пограничный слой атмосферы, наиболее подверженный влиянию подстилающей поверхности [2].
Дополнительно для выявления районов-источников поступления ртути в атмосферу над дальневосточными морями России были использованы спутниковые изображения распределения SO2 в 5-километровом слое атмосферы для районов, где проводились исследования и откуда воздушные массы приходили в точки измерения. Спутниковые изображения были взяты с сайта NASA — http://so2.gsfc.nasa.gov/ и получены со спутника AURA (США) с помощью установленного на нем спектрометра измеряющего интенсивность отражённого и рассеянного в атмосфере солнечного излучения. Такой подход обусловлен тем, что поступление в атмосферу ртути и диоксида серы происходит во многих случаях от одних и тех же источников (сжигании угольного топлива, нефти и природного газа, при выплавке металлов, от вулканических газов, лесных пожаров).
Результаты и обсуждение
В результате проведенных исследований было выявлено неоднородное пространственно-временное распределение концентрации Hg0 в приводном слое атмосферы (рис. 1, 2). Диапазон, в пределах которого она изменялась, составил 0,7–2,6 нг/м3, среднее значение находилось на уровне 1,9±0,4 нг/м3 (N=348) (табл. 1).
Рис. 1. Пространственно-временное изменение содержания Hg0 в приводном слое атмосферы» в Японском море с 9 по 11 октября 2010 г., по ходу движения НИС «Академик М. А. Лаврентьев»
Рис. 2. Временное изменение содержания Hg0, метео- и гидрологических параметров в приводном слое атмосферы и поверхностном слое воды, соответственно, в Японском море с 9 по 11 октября 2010 г., по ходу движения НИС «Академик М. А. Лаврентьев». Вертикальные серые линии — моменты времени (А-Г), для которых на рис. 3 соответственно отображены обратные траектории движения воздушных масс в точки измерения; горизонтальная серая линия — фоновый диапазон содержания Hg0 в приземном слое атмосферы Северного полушария [12]
Таблица 1
Основные статистические показатели содержания Hg0 (нг/м3) на уровне 2 от поверхности воды, полученные по ходу движения судна в Японском море с 9 по 11 октября 2010 г. в 52 рейсе НИС «Академик М. А. Лаврентьев»
|
Показатель |
Период измерения (UTC) |
||
|
Весь период |
10 / 8:00–22:00 |
9 / 1:00–10 / 8:00 |
|
|
Среднее |
1,9 |
2,1 |
1,7 |
|
Стандартная ошибка |
0,02 |
0,02 |
0,02 |
|
Медиана |
1,9 |
2,2 |
1,8 |
|
Мода |
1,9 |
2,3 |
1,9 |
|
Стандартное отклонение |
0,4 |
0,3 |
0,3 |
|
Дисперсия выборки |
0,13 |
0,06 |
0,1 |
|
Эксцесс |
0,5 |
1,3 |
0,5 |
|
Асимметричность |
-0,8 |
-0,9 |
-0,9 |
|
Интервал |
1,9 |
1,4 |
1,6 |
|
Минимум |
0,7 |
1,2 |
0,7 |
|
Максимум |
2,6 |
2,6 |
2,3 |
|
Сумма |
661 |
307,7 |
353,3 |
|
Счет |
348 |
144 |
204 |
|
Уровень надежности (95,0 %) |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
Зафиксированная средняя концентрация была выше фонового диапазона содержания Hg0 в приземном слое атмосферы Северного полушария — 1,5–1,7 нг/м3 [12]. Максимальные концентрации наблюдались 10 июня с 8:00 до 22:00 (UTC), в районе залива Петра Великого. В этот период содержание Hg0 изменялось в интервале от 1,2 до 2,6 нг/м3, среднее составляло 2,1±0,3 нг/м3. Расчет обратных траекторий движения воздушных масс из точек измерения показал, что увеличение началось с приходом воздушных масс из Желтоморского региона (рис. 3). Анализ спутниковых изображений распределения SO2 в атмосфере над Желтоморским регионом свидетельствует о повышенном поступлении диоксида серы в атмосферу в этот период (рис. 4). По-видимому, одновременно с наблюдавшимися в этот период выбросами SO2 происходили также выбросы Hg0 в атмосферу в этом регионе. Далее в течение нескольких суток загрязненные воздушные массы были перенесены в район исследования в Японском море, в результате чего были зафиксированы повышенные концентрации Hg0 в приводном слое атмосферы. Таким образом, в результате переноса обогащенных ртутью воздушных масс из Желтоморского региона содержание ртути в приводном слое атмосферы в Японском море увеличилось на 40 % относительно нижней границы фонового диапазона для Северного полушария. За исключением данного периода в остальное время исследования средняя концентрация Hg0 находилась на уровне верхней границы фонового диапазона для Северного полушария — 1,7 нг/м3.
Рис. 3. Обратные траектории движения воздушных масс в точки измерения (звездочки) на высотах 50 и 500 м (красные и синие линии) для четырех (А-Г) моментов времени (см. рис. 2) за предыдущие 5 сут (треугольники и квадраты) в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Дата/время — UTC. Красными прямоугольниками выделены области Желтоморского региона, откуда воздушные массы приходили в точки измерения в Японском море (см. рис. 4)
Рис. 4. Спутниковые изображения распределения SO2 в 8-километровом слое атмосферы восточного Китая за 7 и 9 октября 2010 г. Красными прямоугольниками выделены области Желтоморского региона, откуда воздушные массы приходили в точки измерения в Японском море (см. рис. 3)
Чем же может быть обусловлено повышенное содержание ртути в воздушных массах, пришедших в Японское море из Желтоморского региона? Из опубликованных данных известно, что среди стран Азии и в целом среди всех стран на Земле Китай стоит на первом месте по антропогенной эмиссии ртути — на 2000 г. она составляла более 600 т/год (28 % от глобальной антропогенной эмиссии ртути) [13]. Основное сжигание угля происходит в восточной части Китая, там же расположены крупнейшие промышленные центры по разработке ртутных залежей, золотодобыче, выплавке металла, химическое производство [11]. Вследствие антропогенного загрязнения, содержание ртути в воде Желтого моря и атмосферном воздухе над ним являются повышенными относительно содержаний в воде и воздухе большинства районов земного шара [6].
Ранее перенос обогащенных ртутью воздушных масс из Китая уже фиксировался различными исследователями. Так, например, по результатам исследований, проведенных весной 2004 г. одновременно на о. Окинава (Япония) и в центре штата Орегон (США) (в обоих случаях вдали от источников загрязнения), были установлены средние содержания Hg0 в воздухе — 2,04 нг/м3 с диапазоном изменения от 1,37 до 4,74 нг/м3 и 1,77 нг/м3 с диапазоном изменения от 1,47 до 2,51 нг/м3, для обеих станций соответственно. На обеих станциях была обнаружена положительная зависимость между содержанием в воздухе Hg0, оксида углерода (CO) и приходом в точку измерения воздушных масс из Китая [10]. Ртутометрические исследования атмосферы, проведенные на о. Тайвань, также однозначно указывают на дальний атмосферный перенос ртути из районов восточного Китая [17]. На побережье Желтого моря [6] и в самом Желтом море [7] максимальные содержания ртути в атмосфере наблюдались, когда воздушные массы приходили из юго-восточной части Китая. В атмосфере над Японским морем также было зарегистрировано увеличение содержания ртути вызванное переносом воздушных масс из Желтоморского региона [1], в том числе с тайфуном [3].
Дальний (трансграничный) перенос антропогенной ртути воздушными массами в атмосферу над Японским морем может иметь существенные экологические последствия по ряду причин. Во-первых, это море обладает важным рыболовным значением, именно здесь ведется один из самых результативных промыслов в мире [5]. Учитывая сухое и мокрое осаждение ртути на поверхность Земли, токсичность почти всех ее форм и соединений, способность трансформироваться из менее токсичных и биодоступных форм в более токсичные и биодоступные, способность к биологическому накоплению, биогенной миграции и биомагнификации в пищевых цепях водных и наземных экосистем, существует вероятность негативного воздействия ртути на все звенья пищевой цепи в данном регионе, особенно на консументов высоких порядков, и главным образом на человека.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 14–05–00723 «Пространственно-временное распределение ртути в Дальневосточных морях Росси и атмосфере над ними».
Литература:
1. Аксентов К. И., Калинчук В. В. Особенности распределения атомарной ртути в приводном слое атмосферного воздуха Японского моря осенью 2010 г. // Метеорология и гидрология. 2012. № 10. С. 44–51.
2. Кабанов М. В. Региональный мониторинг атмосферы. Ч.1. Научно-методические основы: Монография / Под общей редакцией Зуева В. Е. Томск: изд-во «Спектр» ИОА СО РАН, 1997. 211 с.
3. Калинчук В. В., Астахов А. С., Мишуков В. Ф., Аксентов К. И. Изменение концентрации атомарной ртути в приводном слое атмосферы над акваторией Уссурийского залива Японского моря во время прохождения тайфуна Болавен в 2012 г. // Метеорология и гидрология. 2013. № 5. С. 26–35.
4. 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+. М 03–06–2000. СПб.: ООО «Люмэкс», 2000. 10 с. Методика аттестована ГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» Свид-во № 2420/56–2000 от 11 июля 2000 г.
5. Шунтов В. П. Биология дальневосточных морей России. Том1. Владивосток: ТИНРО-центр, 2001. 580 с.
6. Ci Z., Zhang X., Wang Z., Niu Z. Atmospheric gaseous elemental mercury (GEM) over a coastal/rural site downwind of East China: temporal variation and long-range transport //Atmos. Environ. 2011а. V. 45. Р. 183–190.
7. Ci Z. J., Zhang X. S., Wang Z. W., Niu Z. C., Diao X. Y., Wang S. W. Distribution and air-sea exchange of mercury (Hg) in the Yellow Sea // Atmos. Chem. Phys. 2011b. V. 11. P. 2881–2892.
8. Draxler R. R., Rolph G. D. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory). Model access via NOAA ARL READY Website. NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2013. http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php. (дата обращения: 08.12.2013).
9. Hall B. The phase oxidation of elemental mercury by ozone // Water, Air, and Soil Pollution. 1995. № 80. P. 301–315.
10. Jaffe D., Prestbo E., Swartzendruber P. et al. Export of atmospheric mercury from Asia // Atmos. Environ. 2005. V. 39. № 17. P. 3029–3038.
11. Li P., Feng X. B., Qiu G. L., Shang L. H., Li Z. G. Mercury pollution in Asia: A review of the contaminated sites // J. of Hazard. Materials. 2009. V. 168. P. 591–601.
12. Lindberg S., Bullock R., Ebinghaus R., Engstrom D., Feng X., Fitzgerald W., Pirrone N., Prestbo E., Seigneur C. A synthesis of progress and uncertainties in attributing the sources of mercury in deposition. Ambio. 2007. № 36(1). P. 19–32.
13. Pacyna E. G., Pacyna J. M., Steenhuisen F. Global anthropogenic mercury emission inventory for 2000 // Atmos. Environ. 2006. №. 60. P. 4048–4063.
14. Rolph G. D. Real-time Environmental Applications and Display system (READY). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. 2013. — http://ready.arl.noaa.gov (датаобращения: 08.12.2013).
15. Schroeder W., Munthe J. Atmospheric mercury—an overview // Atmos. Environ. 1998. № 32. P. 809–822.
16. Selin N. Global biogeochemical cycling of mercury: A review // Annual Rev. Environ. Resour. 2009. V.34. P. 43–63.
17. Sheu G.-R., Lin N.-H., Wang J.-L., Lee C.-T., Ou Yang C.-F., Wang S.-H. Temporal distribution and potential sources of atmospheric mercury measured at a high-elevation background station in Taiwan // Atmos. Environ. 2010. V. 44. P. 2393–2400.
18. Shia R. L., Seignuer C., Pai P., Ko M., Sze N. D. Global simulation of atmospheric mercury concentrations and deposition fluxes // Geophys. Res. 1999. № 104. P. 23747–23760.
19. Sholupov S., Pogarev S., Ryzhov V., Mashyanov N., Stroganov A. Zeeman atomic absorption spectrometer RA-915+ for direct determination of mercury in air and complex matrix samples // Fuel Processing Technology. 2004. V. 85. P. 473–485.
20. Slemr F., Schuster G., Seiler W. Distribution, speciation, and budget of atmospheric mercury // J. of Atmos. Chem. 1985. № 3. 407–434.
21. Travnikov O. Atmospheric transport of mercury. Enviromental Chemistry and Toxicology of Mercury. 2012. P. 331–365.
