Результаты мониторинга океанологических условий у восточного побережья Японии в марте–апреле 2011 г. После аварии на АЭС «Фукусима-1»

География Океанология

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6

УДК 551.465.5(521.16) И.А.ЖАБИН, Н.Б.ЛУКЬЯНОВА

Результаты мониторинга океанологических условий у восточного побережья Японии в марте-апреле 2011 г. после аварии на АЭС «Фукусима-1»

На основе спутниковых и океанографических данных изучены океанологические условия у восточного побережья Японии в весенний период 2011 г. Результаты спутникового мониторинга и сведения об уровне радиационного загрязнения морской акватории позволили рассмотреть наиболее вероятные сценарии распространения радионуклидов в зоне смешения вод течений Ойясио и Куросио. По предварительным оценкам фоновое содержание цезия-137 в поверхностных водах у восточного побережья Японии будет составлять приблизительно 0,1 Бк/л; переход к относительно однородному распределению радионуклидов в этом районе может занять от нескольких месяцев до одного года. Относительно высокие по сравнению с фоном концентрации изотопов цезия могут наблюдаться в прибрежной зоне вблизи АЭС «Фукусима-1» и в теплом ринге Куросио, расположенном у северо-восточного побережья о-ва Хонсю.

Ключевые слова: Куросио, Ойясио, фронты, вихри, радиоактивность.

The results of oceanological conditions monitoring near the east coast of Japan in March-April 2011, after the accident on the APP «Fukushima-1». I.A.ZHABIN, N.B.LUK'YANOVA (V.Ul'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Oceanological conditions during the spring 2011 near the east coast of Japan are considered, basing on the satellite and oceanographic data. The results of satellite monitoring and data on radiation pollution level of sea water area allowed considering the most probable scenarios of radionuclides distribution in waters mixing zone of Oyashio and Kuroshio currents. By preliminary estimates, the background content ofcesium-137 in the surface water of the east coast of Japan will make approximately 0.1 Bq/l. The transition to homogeneous distribution of radionuclides can take from several months to one year. Relatively high concentrations of isotopes of cesium, in comparison with the background, can be observed in the coastal zone near APP «Fukushima-1» and in Kuroshio warm ring located at the northeast coast of Honshu Island.

Key words: Kuroshio, Oyashio, fronts, eddies, radioactivity.

Радиоактивное заражение акватории Тихого океана, прилегающей к АЭС «Фу-кусима-1», где 11 марта 2011 г. произошло разрушительное землетрясение, вызвавшее мощное цунами, связано с поступлением радионуклидов из атмосферного шлейфа, а также с прямыми утечками и сбросом радиоактивной воды в прибрежную зону. По данным мониторинга, проводимого компанией-оператором аварийной АЭС «Фукусима-1» ТЕРСО, в конце марта-начале апреля 2011 г. содержание цезия-137 (период полураспада около 30 лет) в морской воде вблизи станции составляло несколько десятков тысяч Бк/л, а содержание йода-131 (период полураспада 8 дней) превышало 100 000 Бк/л. Для сравнения: до аварии содержание цезия-137 в морской воде в районе станции составляло 0,003 Бк/л, а содержание радиоактивного йода-131 было ниже пределов чувствительности приборов [5]. Содержание радионуклидов в прибрежной зоне начало снижаться после 11 апреля 2011 г. В конце апреля 2011 г. удельная активность цезия-137 в непосредственной близости от АЭС «Фукусима-1» не превышала 100 Бк/л. Содержание цезия-137, превышающее

*ЖАБИН Игорь Анатольевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, ЛУКЬЯНОВА Наталья Борисовна - старший инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). *Е-шай: zhabin@poi.dvo.ru

ТЗй мЗ И11

Рис. 1. Схема циркуляции вод

50 Бк/л, наблюдалось в пределах морской зоны радиусом 50 км. Предельный уровень содержания цезия-137 в воде для ядерных объектов в Японии составляет 90 Бк/л.

Акватория Тихого океана, прилегающая к восточному побережью Японии, на котором расположена АЭС «Фукусима-1», находится в зоне взаимодействия двух мощных течений - Куросио и Ойясио (рис. 1а). Течение Куросио у восточного побережья о-ва Хонсю отклоняется на восток, в сторону открытого океана, холодное течение Ойясио следует с севера вдоль островов Курильской гряды. Одна из ветвей этого течения распространяется в южном направлении вдоль побережья о-ва Хоккайдо.

Район у восточного побережья Японии можно определить как зону смешения вод Куросио и Ойясио. Зона смешения отличается сложным динамическим режимом и значительной пространственно-временной изменчивостью океанологических условий. В пределах этой зоны формируются синоптические вихри с теплыми и холодными ядрами, наблюдаются струйные вторжения субтропических и субарктических вод, которые взаимодействуют с вихревыми образованиями (мезомасштабные «затяжки», или стримеры, закручивающиеся по периферии вихрей). Отдельные вихри (ринги) Куросио, двигаясь в северо-восточном направлении вдоль островов Хонсю и Хоккайдо, могут достигать южных Курильских островов [1, 6].

Существует потенциальная возможность поступления радионуклидов в экономическую зону России. Цель настоящей работы - на основе анализа спутниковых и гидрологических данных исследовать океанологические условия у восточного побережья Японии в марте-апреле 2011 г. и на этой основе рассмотреть возможные сценарии распространения радиоактивного загрязнения.

Материал и методы

Для мониторинга океанологических условий у восточного побережья Японии использовали следующие данные:

1. Изображения поверхности океана в инфракрасном диапазоне спектра, полученные со спутников серии КОЛА (http://www.satellite.dvo.ru). Анализ этого типа спутниковой информации позволяет исследовать термическую структуру поверхностного слоя океана

и рассмотреть положение и изменчивость основных течений, вихрей и фронтов в районе Тихого океана, прилегающем к АЭС «Фукусима-1».

2. Карты поверхностных течений, рассчитанные по данным спутниковой альтиметрии (www.aviso.oceanobs.com). Спутниковые альтиметры позволяют на регулярной основе с высокой точностью проводить измерения уровня поверхности океана, по которым затем рассчитываются скорости геострофических течений. С помощью данных альтиметрии можно определить динамическую структуру вод зоны смешения Куросио и Ойясио.

3. Океанографические данные, полученные с дрейфующих у восточного побережья Японии профилирующих всплывающих буев «ARGO» (http://www.coriolis.eu.org). Эта информация позволяет рассмотреть вертикальную термохалинную структуру вод и определить толщину верхнего однородного слоя, в пределах которого происходит распространение и перемешивание радионуклидов.

При обсуждении использовали результаты компьютерного моделирования распространения радионуклидов в северо-западной части Тихого океана, проведенного в Университете Тулузы, Франция (модель SIROCCO, http://sirocco.omp.obs-mip.fr, рис. 1б) и в Японском агентстве по морским наукам и технологиям (модель JCOPE2, http://www.mext.go.jp).

Результаты мониторинга океанологических условий

у восточного побережья Японии

Спутниковые инфракрасные изображения, полученные непосредственно после катастрофических событий в Японии (рис. 2), позволяют рассмотреть особенности структуры вод района Тихого океана, прилегающего к восточному побережью о-ва Хонсю. Течение Куросио (наиболее теплые воды на снимке, которым соответствуют темные тона изображения) отделялось от побережья вблизи 36° с.ш. и уходило на восток в сторону открытого океана. У побережья о-ва Хонсю наблюдался мощный антициклонический вихрь Куросио (А1 на рис. 1а). Вихрь имел диаметр около 220 км, его центр располагался в точке с координатами 39°10' с.ш., 143°45' в.д. По спутниковым данным, вихрь А1 сформировался в октябре 2010 г. Воды течения Ойясио (наиболее холодные, которым соответствуют светлые тона на спутниковом снимке) поступали в зону смешения вдоль побережья о-ва Хоккайдо и затем распространялись по восточной и южной периферии вихря А1. По западной его периферии в северном направлении наблюдалось струйное вторжение относительно теплых вод, связанных с течением Куросио. Этот стример непосредственно взаимодействовал с водами прибрежного района, прилегающего к аварийной АЭС «Фу-кусима-1». Из Японского моря через Сангарский пролив в Тихий океан поступали теплые воды Сангарского течения (ветвь Цусимского течения), которые затем распространялись в южном направлении вдоль восточного побережья о-ва Хонсю. В северной части района (рис. 1а) по спутниковым данным располагались еще два антициклонических вихря -у побережья о-ва Хоккайдо (А2) и в районе южных Курильских островов (А3). Вихри не взаимодействовали друг с другом через общую систему связанных стримеров, которые могли бы обеспечить адвекцию вод в северном направлении из зоны, прилегающей к аварийной АЭС «Фукусима-1» по направлению к южным Курильским островам.

В конце марта (рис. 2б) океанологические условия в зоне смешения вод Куросио и Ойясио изменились. В это время сформировался хорошо выраженный первый меандр Куросио, и основной фронт течения сместился к северу. За счет меандрирования фронта вихрь А1 приобрел эллиптическую форму. Он продолжал активно взаимодействовать с Куросио, модифицированные воды этого течения по периферии вихря вдоль побережья о-ва Хонсю проникали на север до 40° с.ш. Карта векторов поверхностных геострофических течений, рассчитанных по спутниковым данным (рис. 2г), показывает, что течение Ойясио препятствовало дальнейшему распространению этих вод в северном направлении.

Рис. 2. Спутниковое изображение поля поверхностной температуры в инфракрасном диапазоне спектра

В первой половине апреля (рис. 2в) вихрь А1 вновь взаимодействовал с холодными водами Ойясио. На юго-западной периферии вихря в поверхностном слое наблюдалось интенсивное перемешивание вод прибрежного района, прилегающего к АЭС «Фукусима-1», и холодного стримера, а также теплых субтропических вод, связанных с Куросио. Анализ спутниковых данных позволяет сделать вывод о том, что воды из прибрежного района, загрязненного радионуклидами, за счет перемешивания с водами струйных вторжений и последующей адвекции по периферии антициклонических вихрей могли распространиться в северном направлении до 40-41° с.ш. Таким образом, поступление радионуклидов в район южных Курильских островов не может быть связано с прямой адвекцией вод из района, непосредственно подвергнувшегося радиоактивному загрязнению.

Океанографические данные, полученные в марте-апреле 2011 г. с профилирующих всплывающих буев «ARGO», позволяют определить толщину верхнего слоя океана, в пределах которого происходило распространение и перемешивание радионуклидов. В потоке Куросио (буй 2900964) средняя толщина верхнего слоя составляла около 130 м, в зоне Ойясио (буй 2901003) - 50 м, в районе антициклонического вихря Куросио (буй 2900934, рис. 3) - 80 м.

С учетом характерных временных масштабов процессов, определяющих перемешивание во фронтальной зоне Куросио / Ойясио, в стримерах относительно однородное распределение радионуклидов будет достигнуто в течение нескольких недель (субмезо-

масштабные процессы), время существования стримеров составляет от одного до нескольких месяцев (мезомасштабные структуры). Характерный временной масштаб синоптических вихрей - 1-3 года.

Результаты компьютерного моделирования (модель SIROCCO, рис. 1б), показали, что в конце марта-начале апреля 2011 г. радионуклиды, поступившие в океан, распространялись от АЭС как вдоль побережья, так и в сторону открытого океана. По мере удаления от станции удельная объемная активность радионуклидов уменьшалась в 10-100 раз за счет перемешивания и разбавления. Распространение радиоактивного загрязнения в прибрежной зоне определялось в основном ветровыми течениями. Радионуклиды из прибрежного района, прилегающего к АЭС, вовлекались в течение Куросио и далее в потоке течения следовали в восточном направлении в сторону открытого океана. Поступление радиоактивных вод к югу от оси Куросио в область крупномасштабного субтропического круговорота может быть связано с рециркуляционными ветвями этого течения (рис. 1а). Сравнение результатов компьютерного моделирования распространения радиоактивного загрязнения (модель SIROCCO) и

Рис. 3. Расположение станций профилирующего всплывающего буя «ARGO» 2900934 весной 2011 г.

спутниковых данных показывает (рис. 1а, 2б, г), что загрязненные радионуклидами воды закручивались по периферии вихря А1 в направлении по часовой стрелке. Эти воды, связанные со стримером вихря А1, проникали до 41° с.ш. Таким образом, распространение радионуклидов связано с мезомасштабными процессами - взаимодействием вихрей с течениями Куросио и Oйясио (струйные вторжения вод этих течений в зону смешения и закручивание стримеров по периферии вихрей).

По результатам компьютерного моделирования (модели SIROCCO и JCOPE2) в марте-апреле 2011 г. повышенные концентрации изотопов цезия наблюдались в пределах района Тихого океана, расположенного между 35-42° с.ш. С востока зона со следами радиоактивного загрязнения была ограничена меридианом 148° в.д.

Заключение

Предварительные оценки, основанные на прямых измерениях (IRSN, Институт радиационной защиты и ядерной безопасности, Франция, http://www.irsn.fr), показывают, что после серии инцидентов на АЭС «Фукусима-1» в марте-апреле 2011 г. в Тихий океан поступило приблизительно 5,7 • 10 15 Бк цезия-137 и 3,3 • 10 15 Бк йода-131. Для сравнения: в Балтийское море после аварии на Чернобыльской АЭС поступило 4,1-5,1 • 10 15 Бк цезия-137 [4]. Антропогенное загрязнение Японского моря цезием-137 до аварии на АЭС «Фукусима-1» оценивалось в 1,7б ± 0,б8 • 1015 Бк [2]. Oценка общего количества цезия-137, попавшего в Тихий океан после аварии на АЭС «Фукусима-1», позволяет приблизительно рассчитать уровень радиоактивного загрязнения поверхностного слоя в зоне смешения вод Куросио и Oйясио у восточного побережья Японии. Площадь района Тихого океана, в пределах которого могли распространяться воды с повышенным содержанием радионуклидов, составляет около 4,75 • 10 5 км2, средняя толщина верхнего слоя - около 85 м. При таких значениях фоновое содержание цезия-137 в поверхностных водах после аварии на АЭС «Фукусима-1» будет составлять приблизительно 0,1 Бк/л (оценка получена без учета цезия-137, покинувшего зону смешения в потоке продолжения Куросио). В поверхностных водах северо-западной части Тихого океана близкий по порядку величины уровень содержания цезия-137 зарегистрирован после испытаний ядерного оружия в конце 50-начале 60-х годов прошлого века [3]. С учетом высокой динамической активности фронтальной зоны и временных масштабов основных процессов, обеспечивающих перемешивание в поверхностном слое, переход к относительно однородному распределению радионуклидов в этом районе может занять от нескольких месяцев до одного года. Oтносительно высокие по сравнению с фоном концентрации изотопов цезия могут наблюдаться в прибрежной зоне у АЭС «Фукусима-1» и в теплом ринге Куросио А1. Радиоактивное загрязнение прибрежной зоны может продолжаться за счет поступления радионуклидов с речным стоком и дренажными водами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лобанов В.Б., Рогачёв К.А., Булатов Н.В. и др. Долгопериодная эволюция теплого вихря Куросио // ДАН СССР. 1991. Т. 317, № 4. С. 984-988.

2. Ito T., Otosaka S., Kawamura H. Estimation of total amounts of anthropogenic radionuclides in the Japan Sea // J. Nucl. Sci. Technol. 2007. Vol. 44, N 6. P. 912-922.

3. Povinec P. et al. 90Sr, l37Cs and 239-240 Pu concentration surface water time series in the Pacific and Indian Oceans -WOMARS results // J. Environ. Radioact. 2005. Vol. 81. P. 63-87.

4. Radioactivity in the Baltic Sea, 1999-2006: HELCOM thematic assessment // Balt. Sea Environ. Proc. 2009. N 117. P. 64.

5. Schiermeier O. Radiation release will hit marine life // Nature. 2011. Vol. 472, N 7342. P. 145-146. - doi:l0.l038/ 472145a (Published online 12 April 2011).

6. Yasuda I. et al. Cold-Core Anticyclonic Eddies South of the Bussol' Strait in the Northwestern Subarctic Pacific // J. Phys. Oceanogr. 2000. Vol. 30, N 6. P. 1137-1157.