Распределение радионуклидов в ледовой прикромочной зоне Баренцева моря (по материалам экспедиции 2016 года)

Транзитный пролет мигрирующих птиц через исследованную область выражен слабо и представлен гагарообразными (чернозобая гагара) и гусеобразными (гуменник, морянка, обыкновенная гага), обычными для акватории во время осенних и весенних кочевок. Пролетные виды отмечены в юго-западной и юго-восточной части акватории. По-видимому, пролет проходит в непосредственной близости к южному побережью и над ним, а в обследованных районах летит незначительная часть птиц, отклонившихся от основного русла. При значительной разнице в составе видов на участках общая плотность распределения птиц всех видов в них различается мало (от 6 до 8 экз/км2).

Литература

Боркин И. В. О значении сайки в питании наиболее массовых птиц Баренцева моря // Вестн. Балт. федерал. ун-та им. И. Канта. 2012. Вып. 1. С. 107-115.

Особенности распределения и численность наиболее массовых морских птиц-ихтиофагов Баренцева моря в связи с распределением их жертв в 2003-2004 гг. / И.В. Боркин, С.В. Зырянов, В.А. Терещенко, С.А. Егоров // Рыбное хозяйство. 2006. № 1. С. 97-101.

Результаты авиасъемки морских птиц Баренцева моря осенью 1991 г. / И.В. Боркин, В.И. Черноок, И.Я. Пономарев и др. // Исследование взаимоотношений рыб в Баренцевом море. Мурманск: Изд. ПИНРО, 1992. С. 301-317.

Gould P.J., Forsell D.J. Techniques for shipboard surveys of marine birds // Fish and Wildlife Technical Rep. Washington, 1989. V. 25. 22 p.

The Barents Sea ecoregion: a biodiversity assessment / T. Larsen, D. Nagoda, J R. Anderson (Eds.). Oslo: World Wildlife Fund, 2001. 160 р.

УДК 551.468 (268.45):504.054

Г.В. Ильин, И.С. Усягина, Н.Е. Касаткина, Д.А. Валуйская, А.А. Дерябин

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН, г. Мурманск, Россия

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В ЛЕДОВОЙ ПРИКРОМОЧНОЙ ЗОНЕ

БАРЕНЦЕВА МОРЯ

Аннотация

Выполнены радиоэкологические исследования морской среды в ледовой прикромочной зоне Баренцева моря. Приведены данные о современной активности 137Cs и 90Sr в воде, молодых льдах и донных отложениях моря. Положение кромки плавучего льда в апреле 2016 г. характеризовалось аномальным смещением к северу, а ледовые процессы соответствовали зимнему периоду. Новообразование льда и наличие битого льда не оказывают влияния на радиоэкологическое состояние верхнего слоя вод. Дифференциация удельной активности 137Cs происходит в глубинных слоях прикромочной зоны, характеризуется слабовыраженной тенденцией роста ко дну и поддерживается аккумуляцией у дна тонкодисперсной взвеси. Загрязнение донного осадка, вызванное в том числе и атмосферными выпадениями радионуклидов, опосредовано ледовыми процессами. Мощность загрязненного слоя составила примерно 4 см, однако уровень радиоактивного загрязнения оказался низким.

G.V. Ilyin, I.S. Usyagina, N.E. Kasatkina, D.A. Valuiskaya, A.A. Deryabin

Murmansk Marine Biological Institute KSC RAS, Murmansk, Russia

DISTRIBUTION OF RADIONUCLIDES IN THE MARGINAL ICE ZONE OF THE BARENTS SEA

Abstract

The paper addresses radioecological studies in the marginal ice zone of the Barents Sea in April and May 2016. It adduces data on the current activity of 137Cs and 90Sr in sea water, young sea ice, and bottom sediments. In April 2016, the edge of the floating sea ice was anomalously shifted northwards; ice processes corresponded to the winter period. The formation of new ice and the presence of broken ice do not have any impact on the radioecological status of the upper seawater layer. Differentiation of specific activity of 137Cs occurs in deeper layers of the marginal ice zone, is characterized by mild growth trend as closer to the bottom, and is supported by the accumulation of fine suspension at the bottom. Contamination of bottom sediments caused by, among other sources, atmospheric fall-outs is mediated by ice processes. Thickness of the contaminated layer was approximately 4 cm; however, the level of contamination was low.

Введение. Исследование радиоэкологической ситуации в ледовой прикромочной зоне стоит в ряду общих задач изучения и мониторинга состояния среды различных океанографических зон Баренцева моря как объекта, находящегося под воздействием множественных региональных и локальных источников радиационного загрязнения. К таковым относятся атлантические течения - транзитеры загрязнений от источников в Западной Европе, разветвленная инфраструктура гражданского и военного атомного флота, загрязненные участки испытательных полигонов на архипелаге Новая Земля. Однако особый научный интерес к состоянию прикромочной зоны связан с ледовым переносом аккумулированных в толще дрейфующего льда радионуклидов, выпавших на ледовую поверхность при глобальном и региональном атмосферном переносе. Радионуклиды, накопленные во время зимы, высвобождаются весной при таянии льда. Таким образом, в относительно узкой зоне ледовой кромки Баренцева моря создается потенциал локального роста радионуклидного фона в водной среде и для биологического поглощения техногенных радионуклидов.

В Баренцевоморском бассейне наблюдаются льды местного происхождения, аккумулирующие атмосферные выпадения непосредственно в пределах акватории моря. Главным образом, это однолетние льды, которые образуются осенью и зимой, а весной и летом тают. Старые льды, в том числе паковые, в последние годы практически не встречаются.

В Баренцевом море подробное изучение радиоэкологической характеристики ледовой кромки проведено впервые в "постъядерную эпоху", после прекращения испытаний оружия, когда общий фон радиоактивного загрязнения от всех источников значительно снижен (Современная ..., 2014). К тому же современный научный и практический интерес к изучению особенностей регионального фона связан с выносом радионуклидов, депонированных в период ядерных испытаний в почвенно-грунтовом покрове и ледниках архипелагов Новая Земля и Земля Франца-Иосифа. Влияние поверхностного стока с архипелагов на морскую среду уже было отмечено в некоторых исследованиях, и может быть вызвано потеплением в Арктике (Усягина и др., 2014; Ильин и др., 2015; Радиоэкологические ..., 2017). Быстрое

таяние ледников увеличивает вероятность регионального ветрового переноса терригенных загрязненных субстанций.

Таким образом, цель работы - изучение региональных особенностей радионуклидного загрязнения Баренцева моря в специфических условиях высоких широт и оценка роли плавучих льдов в перераспределении техногенных радионуклидов в морской среде.

Материал и методы. Исследования выполнены во второй половине апреля 2016 г. в прикромочной зоне плавучего ледового покрова в полосе разреженного битого льда и открытой воды (рис. 1).

арх. ""Шпицберген ¿3

? 3 —Г Ь ы 91 арх. 31 Ш -1 з / 32 Ш1Я Франца-Иоеис 44 ж] 43 / _ а 1

V, 93 30 31 1 «¡87 арх. 11оиая Зйуфя )

91 Станция отбора проб —•— Гранина кромки льда -I— изотерма

Т--г

20° 30° 40° 50° 60°

Рис. 1. Район экспедиционных исследований. Кромка битого льда показана с учетом особенностей эволюции ледовых условий и временной дискретности наблюдений

Было изучено содержание техногенных радионуклидов и 9^г в водной среде и в донных отложениях. При этом исследовался не только поверхностный слой воды, но также глубинные и придонный. Отобрана проба плавучего льда. В донных отложениях дополнительно были взяты колонки осадка длиной до 10-12 см (таблица).

Сбор, обработку и анализ материалов осуществляли общепринятыми в международной практике методами. Радиологический анализ выполнен в лаборатории ММБИ. В пробах воды определена активность радиоизотопов

137^1 90с тт 137/-1

Cs и Sr. Для концентрирования Cs из морской воды использовали целлюлозный неорганический сорбент "Анфеж".

Объем собранного материала

Тип пробы

для определения С^

Количество проб

Т37-

для определения ^г

Вода

поверхностный слой глубинные слои придонный слой всего

Донный осадок (0-2 см) Донный осадок (колонка) Лед

12 5

13 8

5 4

30 17

12 12

2 2

1 -

Измерения активности радионуклидов в пробах сорбента и донного осадка выполнены на спектрометрах гамма-излучения InSpector-2000, гамма- и рентгеновского излучения b13237 ("Canberra", США). Обработка и анализ спектров проведены с помощью программного обеспечения Genie-2000.

Определение удельной активности 90Sr в пробах осуществляли методом радиохимического концентрирования равновесного 90Y. Счетные образцы измерены на жидкосцинтилляционном Р-радиометре "LS-6500" ("Beckman Instruments Inc.", США).

Результаты и обсуждение. Характеристика района исследований и прикромочной ледовой зоны. Район исследований занимал относительно узкую полосу между архипелагами Земля Франца-Иосифа и Новая Земля от 78о с. ш. до 79.5о с. ш, в пределах которой перемещалась южная граница ледового покрова в период исследований (рис. 1).

В океанографии прикромочной зоной принято считать пограничную область между ледовым покровом и открытыми районами моря. Эта область характеризуется специфическими океанографическими условиями: тонким распресненным слоем на поверхности, образующимся в результате таяния льда; наличием конвекции и разномасштабных неоднородностей в поле течений и термохалинных характеристик; затуханием ветровых волн и зыби. Исследуемый в настоящей работе район связан с прикромочной зоной плавучего льда, которая характеризуется в дополнение к вышеизложенному динамичностью своего положения на акватории моря в течение года, зависящей от стадии развития процессов ледообразования и ледотаяния.

По климатическим нормам в апреле ледовый покров в Баренцевом море получает максимальное развитие и распространяется на юг до 74о с. ш. (Гидрометеорология ..., 1990). Однако в апреле 2016 г. граница ледовой кромки не достигала своего климатического положения и быстро смещалась к северу в высокоширотной области моря в соответствии с существующими гидрометеорологическими условиями.

Район исследований захватывал участки разреженного битого льда как фрагмент ледовой кромки и полосу открытой воды - зону турбулентности и перемешивания, вызванного дрейфом ледовых полей.

Граница плавучего ледового покрова была отмечена узкой полосой (5-10 миль) разреженного битого морского льда и значительным снижением солености до 34.45 %о. Слой распресненной воды, образующийся в прикромочной зоне, обнаруживался фрагментами (станции 51-54) и был отделен от подстилающих слоев на глубине 15-25 м хорошо сформированным пикноклином. В условиях распреснения пикноклин, как правило, совпадает с галоклином и изолирует талые воды от нижележащих слоев. Наличие ареалов высокой и пониженной солености (34.45-34.7 %о) в зоне битого льда, низкая температура воды (-1.6.-1.8 оС) и воздуха (-1.-8 оС), образование блинчатого льда свидетельствовали о сочетании процессов ледотаяния и ледообразования в прикромочной зоне, что соответствует конечному этапу зимнего периода.

Структура вод в зоне турбулентности была весьма неоднородной и представляла собой систему разномасштабных линз и вихрей, сгенерированных движущимися и тающими ледовыми полями. Взаимодействие основных для ледовой кромки водных масс (зимней баренцевоморской и арктической) осложнялось поступлением в глубинные слои теплой атлантической водной массы, фрагментами

выходящей на поверхность (рис. 2). Ширина турбулентной зоны составляла до 40-50 миль, а вертикальное развитие достигало более 50 м. При смешении вод были сформированы остроградиентные поля температуры и солености. Характерная для водных масс соленость (34.8 %о - зимняя баренцевоморская, < 34.6 %о - арктическая, > 34.8 %о - атлантическая; Химические ..., 1997) позволяла идентифицировать генетический тип водной массы в линзах и вихрях.

Станции

27 31 43 44 51

Станции

27 31 43 44 51

Рис. 2. Профили температуры и солености на широтном разрезе ледовой прикромочной

зоны в апреле 2016 г.

Таким образом, исследуемую ледовую прикромочную зону следует рассматривать как короткоживущую, динамично изменяющуюся относительно узкую зону воды с чередующимися участками обострения градиентов температуры и солености, не имеющую линии основного фронтального раздела и четких границ.

Техногенные радионуклиды в воде ледовой прикромочной зоны. По данным наблюдений, объемная активность 137Cs в поверхностном слое вод варьировала в диапазоне 0.8-2.1 Бк/м3, а 908г - от 1 до 3.3 Бк/м3 (рис. 3). То есть необходимо отметить в целом очень низкое радионуклидное загрязнение верхнего слоя воды в прикромочной зоне. Пробы воды, отобранные для исследования, принадлежат двум обозначенным выше водным массам: зимней баренцевоморской и арктической, к которой относится и распресненная вода у ледовой кромки. Именно в верхнем слое 15-25 м может наблюдаться влияние талого льда на радиоэкологическое состояние морской воды. Лед из Карского моря в Баренцево практически не поступает вследствие слабых течений и не искажает складывающуюся в прикромочной зоне радиоэкологическую ситуацию. Однако, по выполненным наблюдениям, отличительных признаков дифференцированного распределения радионуклидов в зоне битого льда и в турбулентной зоне не обнаружено. Статистически достоверных отличий между концентрациями рассматриваемых радионуклидов воде в районе кромки и в других районах Баренцева моря не выявлено, не наблюдается и статистически достоверной связи объемной активности и 9^г с температурой и соленостью вод поверхностного слоя.

Рис. 3. Объемная активность радионуклидов в поверхностном слое воды

в апреле 2016 г.

При гамма-спектрометрическом анализе блинчатого льда (масса пробы 100 кг), отобранного у ледовой кромки, было отмечено включение техногенных радиоизотопов в структуру льда. Объемная активность в нарастающем льду (1.7±0.8 Бк/м3) в целом соответствовала его среднему содержанию в окружающей воде (1.4±0.4 Бк/м3). Ранее изучение радиоэкологического состояния морского плавучего льда в Баренцевом море не проводилось. Ближайшие к данному району исследования были выполнены в прилегающей акватории Северного Ледовитого океана более 20 лет назад - в 1993 г.

Таким образом, радиационный фон плавучего льда не отличается от такового водной среды в районе своего формирования. Дрейфующий лед как агент перераспределения загрязнений выполняет транспортную функцию и может играть роль генератора неоднородности загрязнения в морском бассейне. Влияние плавучего льда как аккумулятора атмосферных выпадений радионуклидов в период наблюдений не выявлено. Однако следует учесть неблагоприятные для такого анализа факторы - господствующие в районе исследований зимние погодные условия, препятствующие активному таянию льда, и колоссальное сокращение площади ледового покрова.

В вертикальной структуре вод различия концентрации радионуклидов малы (рис. 4). Однако ниже слоя турбулентности

137 90

в распределении Cs и Sr отмечена устойчивая тенденция роста концентрации, хотя, в целом, его содержание остается низким. Диапазон изменений объемной активности по вертикальному профилю

на разрезе через прикромочную зону разновелик и составляет от 0.5 до 1.3 Бк/м3 в зависимости от гидродинамики и подстилающей водной массы. Рост объемной активности в глубинных слоях

обусловлен, по-видимому, концентрацией взвеси, оседающей в период осенне-зимней конвекции из вышележащих слоев. Миграция изотопов

тесно связанас перераспределением минерального и органического взвешенного вещества - основного сорбента этого радионуклида в морской воде. Поэтому в период наших наблюдений, в конце гидрологической зимы, более высокая концентрация наблюдалась в придонном слое

вод (рис. 4). На этом фоне максимальное содержание радиоизотопа в глубинных слоях (до 2.5 Бк/м3) характерно для участков выхода в прикромочную зону теплых и соленых атлантических вод (рис. 2).

В отличие от 137С8 908г слабо сорбируется взвесью и мигрирует в основном в растворе. Потому концентрация 9^г в слоях воды разнообразна (от 0.5 до 3.7 Бк/м3, в среднем - 2.3±1.1 Бк/м3), а закономерности распределения размыты и требуют более подробного изучения. Относительно высокая вариация концентраций (примерно 50 %) определяется неравномерностью смешения разнотипных вод, тогда как концентрация связана

с концентрацией взвеси.

Рис. 4. Вертикальное распределение объемной активности 137Сб и 908г на разрезе вдоль ледовой прикромочной зоны в апреле 2016 г., Бк/м3

Радионуклиды в донных отложениях. Донные отложения существенно меньше подвергаются загрязняющему влиянию плавучих льдов чем водная среда вследствие сезонной динамичности пространственного положения ледовой кромки. По-видимому, наиболее значимое воздействие происходит в зимний период при интенсивном осаждении мелкодисперсной взвеси при вертикальной конвекции и весной при таянии льда. Именно процесс зимней конвекции наблюдался на исследуемом участке (рисунки 2, 3).

Донные осадки практически повсеместно имели постоянный механический состав, что соответствует спокойному характеру донного рельефа,

представляющего собой относительно выровненный участок Северного плато с глубинами моря 250-300 м.

По данным анализа колонок длиной до 12 см, взятых на станциях 27 и 51, верхний относительно тонкий слой бурого ила (примерно 2-3 см) подстилается слоем плотных, рассыпчатых бурых или черных глин. На некоторых станциях отмечены редкие включения мелкого гравия и гальки в интервале 7-12 см.

Концентрация техногенных 137Сб и 9^г в верхнем современном слое осадка (0-2 см) была низкой. Удельная активность 137Сб варьировала в пределах среднего значения 2.2±1.1 Бк/кг сухого осадка, а удельная активность 908г - около 1.3±0.9 Бк/кг (рис. 5).

арх. """Шпицберген Г * арх. Земля <1 ¡л ранца-Иосифа^^3. р ¿ъЗШз" Шщ

*ч-..... 2.4 4,2 1 5- 'До 1 ¡'¿I 38 1£Г '  1 4| А 55 } 56

оЗ 1 Станция отбора проб 4.2 Удельная активность '"Сэ в I донных отложениях, И Бк/кг сух. массы 1.31 32 арх. Новая Зсмйя )

20° 30° 40° 50° 60°

с арх. ^"Шпицберген арх. Земля <1 ранца-Иосифа

23* / к ' * ^ 0.4 | 0.1 2.5 О.э! 3  - 2.1,5 | 1.6 4 <56 9 56 0

031 Станция отбора проб д ^ Удельная активность ''^г в ^ донных отложениях,  Бк/кг сух. массы §3! и арх. Новая Зег$]я ) „г-"" У

20° 30° 40° 50° 60°

Рис. 5. Распределение 137 Сб и ^г в донных отложениях прикромочной зоны в апреле 2016 г.

Таким образом, содержание радионуклидов в изучаемом районе соответствует общему для донных отложений глубоководной части Баренцева моря современному радиоэкологическому фону, который характеризуется диапазоном концентрации 137Сб от 0.8 до 3 Бк/кг сухого осадка, а 908г - от 0.8 до 1.0 Бк/кг (Матишов, Матишов, 2001; Современная ..., 2014). Полученные результаты хорошо согласуются с данными других наблюдений в высокоширотной зоне Баренцева моря (Усягина и др., 2014), по которым радиоэкологический фон донных отложений в исследуемой нами области соответствует концентрации 137С8 1.0-3.8 Бк/кг, а 908г - 0.7 Бк/кг сухого осадка.

Несмотря на механическую однородность верхнего слоя отложений, на общем фоне низкой концентрации радионуклидов отмечена повышенная вариативность удельной активности и 908г - 50 и 73 % соответственно.

Одной из причин этого является в том числе неравномерность радионуклидного загрязнения вытаивающей из льда терригенной взвеси. Отметим, что при климатической "норме" исследуемый район является летней границей плавучего льда, интенсивное таяние которого происходит в июле и августе (Гидрометеорология ..., 1990).

При исследовании колонок послойно проанализировано содержание в донном осадке. В глубинных слоях отложений не фиксируется рост удельной активности этого радиоизотопа, что соответствовало бы эпохе ядерных испытаний. Наоборот, в слое от 4 до 8 см отмечено резкое снижение удельной активности радиоцезия с 3.5 до 0.2 Бк/кг сухого осадка. Слой современных осадков 0-4 см, по-видимому, отделяет "ядерную" эпоху в седиментогенезе высокоширотных областей Баренцева моря. В более глубоких слоях происходит диффузионная миграция и биотурбация радионуклидов.

Заключение. В итоге проведенных исследований можно заключить, что, несмотря на аномально высокое широтное положение кромки плавучего льда в апреле 2016 г., ледовые процессы соответствуют зимнему периоду с образованием молодых льдов. Таяние льдов не развито. При складывающейся гидрологической ситуации в верхнем слое вод прикромочной зоны практически не наблюдается пространственных различий объемной активности техногенных радионуклидов, связанных с наличием битого льда или образованием нового льда. Однако в вертикальной структуре вод можно отчетливо наблюдать глубинную дифференциацию активности геохимически связанную

с вертикальным перераспределением минерального и органического взвешенного вещества, с диапазоном изменений по вертикальному профилю от 0.5 до 1.3 Бк/м3. Аккумуляция тонкодисперсной взвеси у дна в конце гидрологической зимы определяет максимум концентрации изотопов в придонных горизонтах.

При ледообразовании фоновая концентрация в молодых льдах

идентична таковой в водной среде на месте образования ледового покрова, что в дальнейшем, при дрейфе ледовых полей, становится еще одним фактором разномасштабного перераспределения радионуклидов.

В условиях слабого влияния атлантических вод и отсутствия материкового стока в высокоширотной зоне моря к числу основных источников поступления радионуклидов в донные отложения следует отнести аэрозольный поток тонкодисперсного терригенного вещества, влияние которого опосредовано ледовыми процессами. Слой донного осадка, сформированный в холодной высокоширотной зоне, в том числе под влиянием атмосферных выпадений, составил примерно 4 см, а удельная активность техногенных радиоизотопов и 9^г оказалась низкой. Вследствие этого можно утверждать, что атмосферные выпадения радионуклидов не создают значимого радиоактивного загрязнения донных осадков в высокоширотной области Баренцева моря по сравнению с водным трансграничным переносом радионуклидов.

Литература

Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. I. Баренцево море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 280 с.

Ильин Г.В., Усягина И.С., Касаткина Н.Е. Современная оценка радиоэкологического состояния среды Карского моря // Экосистема Карского моря - новые данные экспедиционных исследований: Матер. науч. конф. (Москва, 27-29 мая 2015 г.). М.: АПР, 2015, С. 267-275.

Матишов Д.Г. Матишов Г.Г. Радиационная экологическая океанология. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2001. 417 с.

Радиоэкологические исследования на севере архипелага Новая Земля / А.Ю. Мирошников, Н.П. Лаверов, Р.А. Чернов и др. // Океанология. 2017. Т. 57, № 1. С. 227-237.

Современная радиоэкологическая нагрузка на морскую среду Западной Арктики / Г.Г. Матишов, Д.Г. Матишов, Г.В. Ильин и др. // Морские экосистемы и сообщества в условиях современных климатических изменений. СПб.: Реноме, 2014. С. 76-98.

Усягина И.С., Касаткина Н.Е., Ильин Г.В. Техногенные радионуклиды в морской среде и элементах наземной экосистемы архипелага Земля Франца-Иосифа // Тр. Кольского науч. центра РАН. Сер. Океанология. 2014. Вып. 2, № 4(23). С. 102-112.

Химические процессы в экосистемах северных морей (гидрохимия, геохимия, нефтяное загрязнение) / Отв. ред. И.А. Шпарковский. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1997. 404 с.