Фоновые потоки аэрального вещества юга Дальнего Востока России как региональная основа оценки загрязнения атмосферы

Существование живых организмов на планете Земля возможно только при определенном балансе всех компонентов окружающей среды. В том числе, и при определенном соотношении химических элементов и их соединений в литосфере, гидросфере и атмосфере. Существенные нарушения этого баланса чреваты необратимыми последствиями для всего живого на планете. Средние концентрации химических элементов, в этих средах на протяжении истории планеты Земля были не постоянными. Наиболее консервативной сферой является литосфера, наиболее изменчивой — атмосфера. Она на 99% состоит из азота и кислорода и только около 1% составляют газо-аэрозольные примеси. Изменение газо-аэрозольного состава примеси атмосферы происходит на глазах живущего поколения. Но сейчас, все большее влияние оказывает антропогенный фактор. Наиболее известными и изученными его проявлениями являются «парниковый эффект», обусловленный поступлением в атмосферу СОг антропогенного происхождения и «кислотные осадки», вызванные загрязнением воздушного бассейна окислами серы и азота (12. 38).

Изменение газо-аэрозольного состава примеси атмосферы Земли оказывает непосредственное влияние на состояние всех сред планеты, в том числе, и на биосферу. Безусловно, живые организмы имеют определенный запас прочности и способны выдерживать некоторые изменения среды обитания. Так, например, все биологические объекты, обитающие на поверхности Земли, живут в условиях естественного радиационного фона. Естественные колебания этого фона не представляют для них опасности. Но значительное увеличение интенсивности космического излучения или загрязнение сред планеты искусственными радионуклидами могут привести к гибели значительной части живых существ, и в первую очередь высокоорганизованных. К таким же последствиям может привести существенное нарушение баланса (стабильных) химических элементов в природных средах планеты. Одни биологические виды и организмы способны выдерживать значительные колебания концентраций химических элементов и соединений в окружающей среден другие погибают даже при незначительных отклонениях (67). Для людей предельно допустимые концентрации (ПДК) химических элементов и их соединений в различных природных средах устанавливаются национальными и международными организациями. Предполагается, что концентрации ниже ПДК не представляют опасности для здоровья населения. Но разрабатывают ПДК люди, а им свойственно ошибаться, они могут быть недостаточно осведомлены, или подвергаться политическому давлению. Так, или иначе, ПДК в значительной степени являются субъективными критериями, они периодически уточняются, зачастую изменяясь на порядки величин.

При проведении экологических исследований с целью оценки степени антропогенного воздействия на окружающую среду часто используют в качестве критерия ПДК. Но это не всегда оправдано, т.к. не все биологические объекты одинаково реагируют на изменения содержания химических элементов и их соединений в среде обитания. К тому же ПДК не учитывают региональных особенностей и не охватывают все элементы и соединения. Единственным объективным критерием для оценки степени антропогенного воздействия на окружающую среду территории является региональный фон. Поэтому исследование фонового состояния окружающей среды является одной из важнейших задач экологических дисциплин.

Атмосфера Земли, является одним из звеньев в цепи круговорота веществ в природе. Объектом, переносящим вещество между средами, является аэрозоль, а газы — представляют среду, в которой он находится во взвешенном состоянии. Основную массу аэрального вещества составляют элементы, преобладающие в литосфере и гидросфере. На эти макроэлементы (О, А1, Са, Ре, К, Mg, Иа, С1) приходится более 99% валового состава фонового аэрозоля. Но именно остальные микроэлементы (тяжелые металлы) представляют повышенный интерес для специалистов в области экологии. Обычно к ним относят — Си, Ъъ, №, Со, Сс1, РЬ, Н^, V, Бе. Повышенный интерес определяется тем, что относительное содержание тяжелых металлов в атмосфере существенно выше чем литосфере и гидросфере. Например, для кадмия и селена коэффициент обогащения составляет несколько порядков величин. Причина столь высокой степени обогащения атмосферного аэрозоля этими металлами до конца не ясна. Но, несомненно/ решающую роль играет антропогенный фактор. Именно с отходами производств поступают в атмосферу тяжелые металлы. Их повышенные концентрации относительно естественных содержаний в окружающей среде представляет опасность для биоты, как, и вообще любое существенное отклонение от привычных условий обитания. Соотношение макрои микроэлементов в атмосфере планеты не одинаково во всех ее регионах. В антропогенных районах оно зависит от специфики выбросов в атмосферу. В районах с развитой металлургией, энергетикой, интенсивным транспортным движением, как правило, увеличиваются концентрации тяжелых металлов. Вблизи с заводами строительной индустрии в атмосфере аномально возрастают концентрации кальция, кремния и железа. Комбинации элементного состава аэрозоля в атмосфере антропогенных районов могут быть очень разнообразными. При определенных условиях, существенное влияние на состав атмосферного аэрозоля в антропогенных зонах оказывает региональный фактор, т. е. региональный фоновый состав аэрального вещества. Он определяется: свойствами подстилающей поверхности, аэросиноптическими процессами в регионе и многими другими факторами. Действительно состав аэрального вещества в атмосфере над Тихим океаном, пустыней Гоби, промышленной Европой и Антарктидой будет существенно отличаться. Атмосфера каждого из этих регионов характеризуется своим соотношением и концентрациями химических элементов.

Как бы долго частица не находилась в атмосфере, рано или поздно она оседает на подстилающую поверхность. На любой участок поверхности земного шара постоянно выпадают аэрозольные частицы. Характеристикой этого потока является скорость выведения аэрозоля из атмосферы. Этот параметр зависит от размеров частиц, свойств подстилающей поверхности, скорости воздушного потока, его турбулентности, интенсивности и типа осадков и других факторов. Скорость выведения, как характеристика вертикального потока аэрального вещества, не постоянна для различных участков земной атмосферы. Наряду с потоком направленным на подстилающую поверхность существует и обратно направленный поток. Эти потоки могут уравновешивать друг друга, или преобладать один из них (80). Для различных регионов характерно преобладание того или иного процесса. Важную роль играет также сезонная изменчивость направлений и интенсивности вертикальных потоков. Естественно последствия для биоты районов с различной интенсивностью потоков аэрального вещества могут быть разными. Ведь кроме загрязняющих веществ, что особенно актуально в настоящее время, на земную поверхность выпадают и биогенные элементы, и микроэлементы необходимые для жизнедеятельности растений. И самое главное, воздухом, содержащим аэрозоль, дышит человек и влияние газоаэрозольного состава атмосферы на здоровье людей трудно переоценить. Таким образом, не достаточно изучения только состава и содержания макро-и микроэлементов в атмосфере, также необходима оценка параметров вертикальных потоков аэрального вещества.

Естественные процессы изменчивости состава аэрального вещества, его содержания в атмосфере, а также потоки на подстилающую поверхность могу быть исследованы только в фоновых районах. В антропогенных районах, изменчивость концентраций в атмосфере определяется, в основном, спецификой производственной деятельности. Фоновым районом региона является территория в минимальной степени подверженная антропогенному воздействию, в том числе, и атмосферному переносу загрязняющих веществ. Такие районы, в той или иной степени, отражающие региональный фон, находятся и в урбанизированных, и слабо освоенных частях планеты. Часто употребляемое выражение «глобальный фон элемента или вещества в атмосфере», видимо, имеет смысл, когда указываются пределы концентраций. Не может быть единой величины концентраций в атмосфере, например, для кадмия во всех частях планеты. Его всегда будет больше в урбанизированных районах планеты. Кроме критериев для оценки степени антропогенной нагрузки, исследования потоков аэрального вещества в фоновых районах позволяют прояснить вопросы циркуляции химических элементов в природных средах. Ведь только в фоновых районах можно избавиться от влияния фактора локального загрязнения.

При всем различии газо-аэрозольного состава примеси атмосферы различных регионов, она является единой для всей планеты. Загрязняющие вещества, инжектированные в атмосферу на одном конце планеты, вполне могут достигнуть самых удаленных ее участков. Безусловно, удаленность от центров эмиссии имеет решающее значение, т.к. время жизни примеси в атмосфере и скорость ее перемещения являются конечными величинами. Так, теоретические расчеты для стационарной атмосферы, дают время выведения от границ тропопаузы (15 км) до поверхности Земли для частиц с радиусом 10 мкм (плотностью 1 г/см) равное — 12 дней, для частиц с радиусом 1 мкм — 2,8 года, 0,1 мкм — 112 лет, 0,01 мкм — 1530 лет (111). В реальной атмосфере время пребывания частицы может увеличиваться за счет турбулентности потоков, а с другой стороны, уменьшаться благодаря эффекту вымывания осадками. Особенно это характерно для приземного слоя атмосферы, где сконцентрирована основная часть аэрозоля. Разница в концентрациях аэрозоля в приземном слое и на высоте 10 км составляет несколько порядков величин (89).

Взвешенные в атмосфере частицы перемещаются вместе с воздушными потоками и последние определяют пути их переноса за пределы зон генерации. Для атмосферы Земли характерны более или менее устойчивые направления движения воздушных масс. Так, для средних широт в тропосфере характерно преобладание переноса воздушных масс с запада на восток (34). Оно усиливается на высотах и на отдельных участках принимает формы струйных течений. Обычно оси струйных течений находятся на границе тропосферы и стратосферы (10−16 км). Протяженность такого потока достигает нескольких тысяч километров. Именно с этими потоками аэрозоль может переместиться на большие расстояния за короткий отрезок времени. Оседая на поверхности суши, морей и океанов, аэральное вещество принимает участие в формировании почвенного слоя и донных отложений. Расстояния, на которое переносятся аэрозоль, достигает тысяч километров. Так, пыль из центрально-азиатских пустынь регистрируется на Гавайях и о-вах Лайн в Тихом океане (100, 134). Давно известно о переносе пыли с Азиатского континента на Японские о-ва (108).

В приземном слое, средние скорости перемещения воздушных масс значительно меньше, но он более насыщен аэральным веществом. Приземные слои атмосферы интенсивно обменивается веществом с подстилающей поверхностью, обогащаясь из естественных и антропогенных источников. Поэтому состав аэрального вещества приземного слоя достаточно адекватно отражает предысторию воздушных масс, т. е. некоторое время он несет в себе информацию об естественных и антропогенных источниках эмиссии в районах, над которыми проходил воздушный поток. На этом принципе был построен один из методов контроля за техническими параметрами и конструктивными особенностями ядерного оружия, испытание которого производились в атмосфере.

После прекращения испытаний в атмосфере ядерного оружия, в промышленно развитых странах осознали актуальность проблемы общего антропогенного загрязнения атмосферы, в том числе и трансграничного переноса примеси. Странами Европы и Северной Америки были подписаны межгосударственные соглашения, обязывающие правительства этих стран систематически принимать меры по сокращению выбросов в атмосферу и в полном объеме обмениваться информацией о состоянии загрязнения окружающей среды.

Принятые меры дали положительный результат, и в последние годы в промышленно развитых странах отмечается сокращение выбросов в атмосферу и, как следствие, ослабление антропогенного прессинга на окружающую среду.

Для контроля за трансграничным переносом в СССР и странах СЭВ была создана сеть станций атмосферного мониторинга и комплексного фонового мониторинга, которая реально функционирует с начала 80-х годов. Последние были созданы на базе биосферных заповедников. Одной из задач этих станций — являлось изучение и контроль основных параметров глобального атмосферного фона. Самая восточная станция в сети стран СЭВ находилась в Сихотэ-Алинском биосферном заповеднике (САБЗ). Фактически период ее работы продолжался около 10 лет с 1981 по 1989 г. Станция была создана с целью комплексного изучения и контроля фонового состояния окружающей среды в регионе. Но, в силу ряда причин, работы ограничились контролем за уровнями приоритетных загрязняющих веществ в атмосфере.

Исследовательская сторона проблемы фонового мониторинга реализовывалась в рамках темы ГКНТ «Контроль природной среды», один из разделов которой выполнялся в ДВНИГМИ Госкомгидромета. С 1984 по 1989 г. ответственным исполнителем этой темы по разделу «Сихотэ-Алинский биосферный регион» являлся автор диссертационной работы.

Работы предусматривали исследования элементного состава атмосферного аэрозоля, химического состава атмосферных выпадений, поверхностных вод и почв. В данной работе автор представляет и анализирует только результаты исследований элементного состава аэрального вещества в атмосфере и выпадениях. Эта проблема представляется автору наиболее актуальной для юга Дальневосточного региона, по следующим общим соображениям.

Приморский край^в силу его географического положения, находится в широтной полосе северной периферии аридных зон континента. Общее преобладание западного переноса, казалось бы, должно в значительной мере определить интенсивность поступления аэрального материала на его территорию. С другой стороны, муссонный климат с обилием осадков в летний период с выносом воздушных масс со стороны океана также должен оказывать заметное влияние на состав и интенсивность аэральных потоков. Достаточно сложный рельеф края, а также наличие промышленных центров, являющихся источниками антропогенной эмиссии, создают предпосылки сложной картины состава и концентраций аэрального вещества в атмосфере и выпадениях.

Если информация о состоянии загрязнения атмосферы в населенных пунктах достаточно обширна, хотя представлена только приоритетными поллютантами, то для фоновых районов она была крайне ограничена.

В пробах аэрозоля, отбираемых на станции фонового мониторинга в САБЗ, анализировались только приоритетные элементы (РЬ и Сф, что явно недостаточно даже для составления представления об элементном составе аэрального вещества. В программе, разработанной автором, ряд исследуемых элементов предлагалось расширить, дополнив их А1, К, Са, Л, Мп, Ре, N1, Си. Потоки аэрального вещества на подстилающую поверхность предлагалось исследовать по химическому составу снежного покрова. В пробах снега исследовался примерно тот же ряд элементов плюс основные ионы. Исследования выпадений охватывали, в основном, районы среднего Сихотэ-Алиня. Несмотря на значительные трудности, связанные с отбором проб в удаленных от населенных мест и дорог точках, именно этим работам уделялось особое внимание. Только данные, полученные в фоновых районах, где не сказывается влияние местных источников эмиссии, могли дать ответы на вопросы о реальных уровнях выпадений, обусловленных тропосферным переносом аэрального вещества в регионе. Данные по элементному составу аэрозоля и выпадений были дополнены исследованиями направлений переноса воздушных масс, поступающих в регион.

Реализация этой программы исследований, по мнению автора, позволила бы сделать шаг в решении одной из фундаментальных задач географической науки — «оценке параметров глобальных потоков аэрального вещества в японо-морском бассейне».

Кроме того, полученные данные по фоновому составу аэрального вещества в атмосфере и выпадениях создают информационную основу для разработки критериев оценки степени антропогенного воздействия на окружающую среду в Дальневосточном регионе.

Основной задачей работы являлось: исследование микрои макроэлементного состава потоков аэрального вещества в фоновом и урбанизированном районах Приморского края, выявление закономерностей их пространственной и временной изменчивости под влиянием климатических факторов.

Для выполнения этой задачи были проведены следующие исследования:

— элементного состава аэрозоля в фоновом и урбанизированном районах Приморского края;

— изменчивости концентраций аэрозоля под воздействием климатических факторов;

— направлений переноса воздушных масс в фоновый район;

— состава и концентраций атмосферных выпадений в фоновом и урбанизированном районах в зимний период года;

— пространственной изменчивости состава и концентраций атмосферных выпадений в фоновом районе;

— временной изменчивости параметров вертикальных потоков аэрального вещества в фоновых районах;

— параметров скоростей выведения аэрозоля из атмосферы фонового и урбанизированного районов.

Кроме этих основных направлений разрабатывалась методика элементного анализа проб аэрозоля рентгеноспектральным методом. Авторский вариант методики приготовления, анализа и обработки проб был использован для исследований макросостава атмосферного аэрозоля.

Необходимо подчеркнуть, что реализовать эти исследования стало возможным только благодаря плодотворному сотрудничеству двух институтов ДВНИГМИ Госкомгидромета и Тихоокеанского института географии ДВО РАН. Совместные работы выполнялись в рамках темы ГКНТ 0.85.04 «Контроль природной среды» и в соответствии с договором о сотрудничестве двух институтов. Сотрудничество выражалось в организации экспедиций с участием сотрудников обеих институтов, которые базировались на научно-экспериментальной станции «Смычка" — выполнении основной массы аналитических работ в лаборатории геохимии Тихоокеанского института географии, совместном использовании материалов исследований.

Участие автора выражалось в постановке задач исследований, разработке программ работ, организации и руководстве работами, руководстве и участии в разработке методики рентгеноспектрального анализа, отборе проб и анализе результатов исследований.

Исследования проводились в 1985;1989 гг. в Сихотэ-Алинском биосферном регионе и в 1990;1991 гг. в г. Спасске-Дальнем. За период работ было отобрано и проанализировано 1580 проб аэрозоля, в которых определялось 12−14 макрои микроэлементов. Проведено 6 экспедиций по отбору проб атмосферных выпадений (снега). За этот период пробы были отобраны в 240 точках. В большинстве случаев в каждой точке отбиралось по три пробы. Таким образом, общее число проб выпадений составило 498. В пробах снежного покрова определялись рН, основные ионы и 6−7 микроэлементов во взвешенной и растворимой фракциях. Для оценки направлений переноса воздушных масс обработано около 3500 карт барической топографии, по которым проведен анализ за 896 суток — 2,5 года. При проведении статистического анализа обработаны метеоданные станции Терней за год наблюдений по основным метеопараметрам.

На защиту выносятся, установленные в процессе исследований закономерности временной и пространственной изменчивости макрои микроэлементного состава фонового аэрального потока, основные параметры потока атмосферных выпадений в зимний период в фоновом районе Приморского края.

Научная новизна. В результате исследований, проведенных в фоновом районе Приморского края, буферной зоне Сихотэ-Алинского биосферного заповедника (п.Терней) и промышленном центре (г. Спасск-Дальний):

1) установлена сезонная изменчивость концентраций макроэлементов (А1, К, Са, Т^ Мп, Ре) и «пыли» в атмосфере САБЗ и буферной зоны;

2) показано, с помощью методов статистического анализа, что сезонная изменчивость концентраций аэрозоля в САБЗ и буферной зоне обусловлена метеофакторами;

3) установлено различие состава фоновых атмосферных выпадений на восточном и западном склонах Сихотэ-Алиня в зимние периоды;

4) установлена временная изменчивость состава фоновых атмосферных выпадений в зимние периоды, обусловленная усилением влияния континентальных воздушных масс на район среднего Сихотэ-Алиня во второй половине 80-х гг.;

5) уточнены величины фоновых концентраций и плотностей выпадений взвешенного вещества, основных ионов и микроэлементов в зимний период в Сихотэ-Алинском биосферном регионе;

6) установлено, что фоновые плотности выпадений взвешенного вещества в САБР имеют уровни, характерные для умеренных широт земного шара, что объясняется особенностями атмосферной циркуляции в регионе, которая не благоприятствует поступлению аэрального вещества непосредственно из аридных зон континента;

7) найдены скорости выведения отдельных элементов, для атмосферы фонового и урбанизированного районов Приморья;

8) показано, что в зимний период скорости выведения в фоновом и урбанизированном (Спасск-Дальний) районах имеют один порядок величин и не зависят от степени антропогенной нагрузки на атмосферу;

9) разработан авторский вариант методики рентгеноспектрального анализа проб аэрозоля, которая была использована при исследованиях макроэлементного состава атмосферной взвеси.

Методы исследований. На этапе сбора информации исследовался, по возможности, единый ряд элементов в атмосфере и выпадениях. Для их определения применялись методы химического, атомно-абсорбционного и рентгено-спектрального анализов. При обработке данных был использован статистический анализ (в т. ч. и факторный). Анализ направления движения воздушных масс проводился путем построения обратных траекторий по картам барической топографии AT- 850. При разработке алгоритма программы калибровки спектрометра использован метод математических статистик Чебышева.

Практическая ценность. Данные о составе и фоновых концентрациях аэрального вещества в атмосфере и выпадениях являются базовыми параметрами, которые могут использоваться для объективной оценки степени антропогенной нагрузки на атмосферу в урбанизированных районах региона. Установленные закономерности пространственной и временной изменчивости потоков аэрального вещества и полученные данные являются исходными параметрами при исследованиях влияния трансграничного переноса загрязняющих веществ на территорию Приморья.

Комплексный подход, реализованный при исследованиях, показал свою эффективность, как в фоновом, так и урбанизированном районах и может использоваться при проведении аналогичных работ.

Полученные данные использовались при составлении ежегодника «Бюллетень фонового загрязнения окружающей природной среды в регионе» .

Автор выражает свою искреннюю признательность научному руководителю к.г.н. А. Н. Качуру за постоянное внимание и поддержку, как на стадии написания диссертации, так и сбора информации в период экспедиционных работд.г.н. Г. В. Свинухову за всестороннюю поддержку при проведении научных исследованийд.г.н. В. Г. Свинухову за плодотворное сотрудничество в течение многих лет совместной работыведущему специалисту Госкомприроды С. С. Лишавскому основоположнику фонового мониторинга в САБЗ, а также сотрудникам лаборатории геохимии ТИГ ДВО РАН и отдела экологического мониторинга ДВНИГМИ, принимавших участие в экспедиционных, аналитических работах и оформлении диссертации.

144 ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что потоки аэрального вещества на подстилающую поверхность в фоновых районах Приморского края имеют уровни, характерные для гумидных зон континента, не подверженных антропогенному воздействию.

2. Показано, что состав фоновых атмосферных выпадений напрямую твисит, от изменчивости атмосферной циркуляции в регионе и основным фактором являются — интенсивности континентального или океанического переносов воздушных масс.

3.Выявлена сезонная изменчивость концентраций пыли и макроэлементов в атмосфере Сихотэ-Алинского биосферного заповедника и буферной зоне, кйторая имеет два явно выраженных максимума концентраций и, соответственно, цва минимума.

4. Показано, что континентальные воздушных масс на высотах 1,5 км поступают в Сихотэ-Алинский биосферный заповедник в среднем за год в четыре чаще, чем океанические.

5. Прослежена тенденция усиления континентального переноса воздушных масс в район среднего Сихотэ-Алиня во второй половине 80-х годов, которая наблюдалась по увеличению числа траекторий движения воздушных масс, пришедших со стороны континента и изменению состава атмосферных выпадений.

6. Установлено, что горная система Сихотэ-Алиня оказывает заметное влияние на формирование потоков аэрального вещества на подстилающую поверхность, которое проявляется в относительно большем вкладе континентальной составляющей в атмосферных выпадениях на западном макросклоне и океанической на восточном.

7. Определены основные, параметры фоновых потоков аэрального вещества, которые являются основой для объективной оценки степени антропогенной нагрузки на атмосферу в техногенных зонах региона.