Формирование химического состава осадков на Севере европейской территории россии

УДК 551.35

котовА Екатерина ильинична, эколог 1 категории информационно-аналитического отдела Северного межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Архангельск), аспирантка кафедры географии и геоэкологии института естественных наук и биомедицины Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 8 научных публикаций

формирование химического состава осадков на севере европейской территории россии

Исследован процесс формирования химического состава атмосферных осадков в прибрежной зоне Европейского Севера России. На основе корреляционного анализа и анализа обратных траекторий поступления воздушных масс определены основные факторы, влияющие на формирование ионного состава атмосферных осадков. Установлено воздействие дальнего переноса веществ воздушными массами на химический состав атмосферных осадков, выпадающих на данной территории.

Ключевые слова: химический состав атмосферных осадков, дальний перенос, прибрежная зона.

Исследования последних лет показали [1], что в северных широтах в загрязнении окружающей среды большую роль играет перенос загрязняющих веществ воздушными массами. Выявить пути поступления химических веществ на исследуемую территорию позволяет изучение ионного состава атмосферных осадков, который является косвенным показателем загрязнения атмосферы.

На основе результатов химического анализа ежемесячных проб осадков, отобранных на гидрометеорологических станциях (ГМС) Архангельск, Северодвинск, Брусовица, Мудьюг,

© Котова Е.И., 2012

Онега, Нарьян-Мар (рис. 1) за 1991-2008 годы автором было проведено исследование процесса формирования химического состава атмосферных осадков в прибрежной зоне Белого моря.

В качестве фоновых рассматривались данные со станции Сура, расположенной вне зоны прямого влияния промышленных предприятий и воздействия морской среды, на границе Архангельской области и Республики Коми. В пробах осадков определялось содержание сульфатов, нитратов, гидрокарбонатов, хлоридов, ионов аммония, магния, натрия, кальция и калия, уровень pH.

Рис. 1. Расположение станций отбора проб

В процессе исследования был проведен статистический анализ материалов, включающий расчет основных статистических показателей и построение матриц коэффициентов парной корреляции между концентрациями веществ в пробах атмосферных осадков в пределах одной станции. Для определения степени близости связи использовалась хорошо известная в научных кругах вербально-числовая шкала Харрингтона [2], которую после некоторых преобразований можно использовать в геоэкологии. Кроме того, в программе HYSPLIT, разработанной Лабораторией воздушных ресурсов Американской национальной администрации

по исследованию океана и атмосферы (NOAA), для месяца с максимальной за весь период наблюдений концентрацией вещества в атмосферных осадках рассчитывались ежедневные обратные траектории поступления воздушных масс (ОТ). Расчеты проводились на сайте http:// www.arl.noaa.gov, посредством системы Ready. Время движения воздушных масс, взятое для расчета, составило 120 часов; высота воздушных масс над уровнем моря в точке расчета -20 м, 500 м, 1000 м; время в точке поступления воздушных масс (по местному времени) - 12 часов 00 минут. ОТ классифицировались по четырем направлениям: южное, западное, северное,

СРЕДНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКАХ НА РАССМАТРИВАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ ЗА 1991-2008 гг.

Средние значения

80/- 4 С1- N0^ НСОз- ЛИ, + 4 Ла+ К+ Са2+ Mg2+ pH

Северодвинск 3,17 3,87 1,52 2,20 0,31 2,03 0,53 1,23 0,69 5,98

Брусовица 2,54 1,64 1,01 4,70 0,33 0,92 0,37 1,45 0,58 5,88

Онега 4,31 1,63 1,43 16,33 0,40 1,23 1,64 4,90 0,66 6,35

Архангельск 5,80 1,91 1,64 1,69 0,42 1,23 0,46 1,72 0,61 5,74

Мудьюг 10,33 9,48 2,19 5,68 1,61 5,15 0,91 2,54 1,73 6,02

Нарьян-Мар 3,03 2,63 1,33 3,13 1,05 1,50 0,44 0,99 0,36 6,16

Сура 2,16 1,28 1,70 0,80 0,57 0,48 0,33 0,65 0,27 5,41

восточное. Для станций Мудьюг, Архангельск и Северодвинск отдельно выделялось северо-западное направление, включающее территорию Кольского п-ова.

По материалам многолетних наблюдений за химическим составом осадков установлено, что содержание хлоридов и ионов натрия в атмосферных осадках постепенно снижается при удалении от моря (см. таблицу).

По данным корреляционного анализа в большинстве случаев между количеством осадков и концентрациями веществ прослеживается обратная связь от незначительной до средней степени. Между суммой ионов и концентрациями веществ корреляция преимущественно от средней до очень высокой, за исключением связи суммы ионов с нитратами в районе большинства станций. Это предполагает поступление указанных ионов независимо от формирования основного химического состава атмосферных осадков, что подтверждается и отсутствием связи концентраций нитратов с другими веществами.

Корреляция сульфатов с содержанием в осадках остальных веществ чаще средняя, характер связи прямой. Максимальное содержание сульфатов в атмосферных осадках на станции Нарьян-Мар (14,8 мг/л) и Онега (24,0 мг/л) определено антропогенным загрязнением добывающей отрасли республики Коми, о чем свидетельствует преобладание в этот период воздушных масс, поступающих с данной территории.

Вследствие влияния морских аэрозолей повсеместно определялась высокая корреляция между хлоридами и натрием. Значительные концентрации хлоридов и натрия в атмосферных осадках, в 5-11 раз превышающие средние концентрации, отмечаются также в зимний период, когда прилегающие моря покрыты льдом. В этом случае поступление морских ионов происходит с незамерзающей части Баренцева моря и севера Атлантического океана (рис. 2). Данная тенденция наблюдается и в районе станции Сура, где в феврале 1991 года содержание хлоридов составило 5,01 мг/л, ионов натрия - 2,50 мг/л.

Воздушные массы, поступающие с территории суши, приводят к увеличению концентраций ионов кальция, гидрокарбонатов и высокому уровню pH. Коэффициент корреляции между гидрокарбонатами и кальцием определялся в пределах от среднего до очень высокого. Повсеместно высокие значения содержания гидрокарбонатов, ионов кальция, водородного показателя отмечаются при поступлении воздушных масс со стороны разрабатываемых месторождений полезных ископаемых и металлургической промышленности Кольского п-ова, а также с территории республики Коми.

Значимую роль в формировании химического состава атмосферных осадков, выпадающих в районе станция Онега, играют воздушные массы, поступающие с территории республики

МєієгбАОЬ Эоигсе  аі 64.32 N 40.58 Е

Рис. 2. Обратные траектории поступления воздушных масс в район станции Брусовица www.arl.noaa.gov

NOAA HYSPLIT MODEL Backward trajectories ending at 0900 UTC 06 Dec 98

CDC1 Meteorological Data

__________12/06___________12/05__________12/04___________12/03___________12/02

This is not a NOAA product. It was produced by a web user.

Job ID: 3910 Job Start: Fri Mar 1 a 18:43:52 UTC 2011

Source 1 I at: 64,32 Ion.: 40.58 hgts: 20, 500,1000 m AGL Trajectory Direction: Backward Duration: 120 hrs Vertical Motion Calculation Method: Model Vertical Velocity

Meteorology: 0000Z 01 Dec 2095 - reanalysis___________________________________

Рис. 3. Обратные траектории поступления воздушных масс в район станции Брусовица www.arl.noaa.gov.

Карелия, стран Северной Европы, разрабатываемых месторождений Кольского п-ова.

Поступление воздушных масс с территории Вологодской области, в том числе промышленного района г. Череповец, где находятся крупные комбинаты по производству минеральных удобрений и других неорганических веществ (рис. 3), приводит к росту концентраций форм азота в районе станции Онега и Брусовица, аммонийного иона - в районе Нарьян-Мара. При этом на станции Онега обнаружена значимая корреляция форм азота с сульфатами, что подтверждает факт антропогенного источника поступления сульфатов.

В пробах со станции Сура наблюдались наименьшие средние значения определяемых компонентов и наименьшая сумма ионов. Здесь связь годового хода натрия и хлоридов отсутствует. При этом связь годового хода гидрокарбонатов и кальция значительна. Основное влияние на формирование ХСО в районе ГМС Сура оказывают южные воздушные массы, приходящие с территории Вологодской области, центральной и южной частей России.

Статистический анализ абсолютных значений ежемесячных концентраций химических веществ в осадках выявил их значительную неоднородность в течение года. Коэффициент вариации изменяется в пределах 68,5-539,7 %. Данный факт указывает на различия в формировании химического состава осадков в течение года, что может быть связано с преобладанием различных ветров в разные сезоны, сезонной работой предприятий - источников загрязнения атмосферы и др. факторами. В то же время

усредненные за год концентрации имеют значительно меньший разброс, хотя коэффициент вариации при этом относительно высокий.

Таким образом, процесс формирования ХСО в исследуемом районе носит многофакторный характер и происходит под влиянием естественных и антропогенных факторов. Существенный разброс статистических характеристик и значений концентраций веществ указывает на пространственную и временную неоднородность ХСО.

В прибрежных и морских районах происходит обогащение атмосферных осадков натрием и хлоридами. Значительные концентрации хлоридов и ионов натрия в атмосферных осадках отмечаются и в зимний период.

Повышенные концентрации сульфатов обусловлены как влиянием моря, так и антропогенными источниками: за счет переноса их с территории республик Коми, Карелия, Мурманской области, стран Северной Европы.

Воздушные массы, поступающие с территории суши, приводят к увеличению концентраций ионов кальция, гидрокарбонатов и как следствие высокому уровню pH.

Влияние антропогенных выбросов территории Вологодской области проявляется в увеличении концентраций аммоний-иона, нитратов и как следствие уровня кислотности практически на всех рассматриваемых станциях.

На станции Сура концентрации веществ значительно ниже, чем на остальных станциях, при этом связь между концентрациями веществ имеет преимущественно незначительную степень.

Список литературы

1. Шевченко В.П. Влияние аэрозолей на среду и морское осадконакопление в Арктике. М., 2006.

2. Коробов В.Б. Экспертные методы в географии и геоэкологии. Архангельск, 2008.

Kotova Ekaterina Ilyinichna

Northern Agency for Hydrometeorology and Environmental Monitoring (Arkhangelsk); Postgraduate Student of the Northern (Arctic) Federal University named after M.V Lomonosov,

Institute of Natural Sciences and Biomedicine

FORMATION OF THE CHEMICAL COMPOSITION OF PRECIPITATION IN THE NORTH OF THE EUROPEAN PART OF RUSSIA

Formation of the chemical composition of atmospheric precipitation in the coastal zone of the European North of Russia was investigated. On the basis of correlation analysis and analysis of backward trajectories of air masses, major factors affecting ionic composition of precipitation were established. Main regularities and local features of this process were defined. Impact of the distant transfer of polluting substances by air masses on the chemical composition of precipitation on this territory was established.

Key words: precipitation chemical composition of atmospheric precipitation, distant transfer, coastal zone

Контактная информация: Котова Екатерина Ильинична е-mail: ecopp@yandex.ru

Рецензент - Губайдуллин М.Г., доктор геолого-минералогических наук, профессор, директор института нефти и газа Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова