Библиографическое описание:

Калинчук В. В. Атмосферный перенос ртути из региона Желтого моря в район залива Петра Великого (Японское море) в октябре 2010 г. // Молодой ученый. — 2015. — №24. — С. 313-318.

 

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.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle