Исследования загрязнения атмосферного воздуха Российской Арктики стойкими загрязняющими веществами (СЗВ)

Представлены результаты исследований 2007-2009 гг. загрязнения атмосферного воздуха Российской Арктики стойкими загрязняющими веществами (СЗВ). К СЗВ относятся стойкие органические загрязняющие вещества (СОЗ) и тяжелые металлы. Среди тяжелых металлов особый интерес представляет ртуть. Мониторинг паров ртути осуществляли в районе п. Амдерма (Ненецкий АО) на побережье Карского моря с помощью автоматизированного ртутного анализатора TEKRAN 2537A с высоким временным разрешением. В течение 2007-2009 гг. средняя концентрация элементной ртути в воздухе составляла 1.5-1.7 нг/м³. Зарегистрировано ежегодное явление истощения содержания ртути в воздухе Арктики в период весеннего восхода Солнца (с марта по май). В этот период концентрация ртути подвержена максимальным колебаниям, достигая нулевых значений. Максимальные среднемесячные концентрации наблюдались в летние месяцы (июль-август).

Мониторинг СОЗ в атмосферном воздухе осуществляется на п/с Валькаркай (Чукотский АО) с апреля 2008 г. Пилотные исследования содержания СОЗ на этой станции мониторинга проводились до этого в 2002-2003 гг., что позволяет выявить временной ход загрязнения воздуха СОЗ. В основе метода отбора проб воздуха лежит прокачка воздуха через слои фильтрующего материала. При этом происходит раздельный отбор аэрозольной и газовой фракций СОЗ твердые частицы оседают на фильтре из стекловолокна, газовая фракция – на двух слоях пенополиуретанового сорбента, расположенных непосредственно за фильтром. В период с апреля по сентябрь 2008 г. средняя концентрация в воздухе (газовая фаза и взвешенные частицы) смеси конгенеров полихлорированных бифенилов (ПХБ) (63 индивидуальных соединения) составила 147 пг/м³. Максимальные концентрации были зафиксированы в апреле-мае 2008 г. Следует отметить, что уровни ПХБ на Чукотке – одни из самых высоких для глобальной Арктики. Средние концентрации изомеров гексахлорциклогексана (ГХЦГ) в районе метеостанции Валькаркай в период с апреля по сентябрь 2008 г. составили около 27 и 1,2 пг/м³ для α-ГХЦГ и γ-ГХЦГ соответственно. Максимальные концентрации изомеров ГХЦГ наблюдались в первой половине рассматриваемого периода, а в июле-сентябре 2008 г. содержание данных веществ в воздухе резко сократилось и было ниже пределов обнаружения. Средние концентрации 4,4’-ДДЕ и 4,4’-ДДТ в воздухе на метеостанции Валькаркай в апреле-сентябре 2008 г. составили около 4 и 1,5 пг/м³ соответственно. Для этих соединений также характерно относительное уменьшение содержания во второй половине рассматриваемого периода, однако, в менее значительной степени.

В 2007-2008 гг. НПО «Тайфун» впервые в России выполнил цикл работ по определению относительно нового класса СОЗ – полибромированных дифениловых эфиров (ПБДЭ) в атмосферном воздухе и воздухе внутри помещений, а также градиента концентраций ПБДЭ в воздухе от центра России к Арктическим регионам. Показано, что ПБДЭ повсеместно распространены и обнаруживаются в значимых количествах в пробах воздуха как центральных городов (Москва, Обнинск), так и удаленных мест в Арктике (Архангельск, Амдерма, Валькаркай). Конгенерный состав ПБДЭ в воздухе РФ отличается от состава ПБДЭ в воздухе Северной Америки и Западной Европы прежде всего недостатком окта-конгенеров. В газовой фазе существенный вклад в общее содержание ПБДЭ вносят более летучие низкобромированные БДЭ, в то время как на аэрозоле преобладают высокобромированные конгенеры.

Загрязнение поверхностных вод арктический регионов происходит вследствие: а) индустриального освоения минерально-сырьевых ресурсов в пределах региона, б) транспорта загрязняющих веществ со стоком северных рек и в) трансграничным переносом загрязненных воздушных масс. Наибольшее загрязнение поверхностных вод связано с последствиями функционирования предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых и транспортно-энергетических объектов.

В результате прямого поступления сточных вод в озера и аэротехногенного загрязнения их водосборов в водной среде развивается ряд негативных антропогенно-обусловленных процессов: токсичное загрязнение вод тяжелыми металлами и хлоорганическими ксенобиотиками; увеличение минерализации и доли в ней сульфат-ионов, повышение мутности как следствие загрязнения водоемов в районах горных разработок и также вблизи индустриальных центров; эвтрофикация вод в локальных зонах вблизи выпуска сточных вод городов и поселков, а также в зоне влияния подогретых вод АЭС; закисление вод, которое развивается за пределами пылевой эмиссии от индустриальных центров вследствие высокой нагрузки кислотообразующих веществ и природной чувствительности водосборов.

Закисление вод проявляется: а) в снижении рН вод малых озер автономных ландшафтов (для примера, на Кольском Севере из 460 обследованных озер более 10% закислены, до 30% - в критическом состоянии); б) в повсеместном кратковременном возникновении рН-“шока” на ручьях в период стремительного половодья; в) в устойчивых трендах снижения буферной емкости крупных рек, свидетельствующих о глубоких преобразованиях всей водосборной системы. Кислотные осадки изменяют и природные потоки элементов с водосбора.

Следует отметить, что в арктической зоне нагрузка на поверхностные воды имеет комплексный характер. В индустриальных центрах одновременно развивается токсичное загрязнение, эвтрофирование, а также увеличивается минерализация, снижается прозрачность вод и развиваются другие сопутствующие явления. За пределами - закисление вод обуславливает активное выщелачивание токсичных металлов в водную среду.

На примере Кольского региона установлены основные тенденции изменения химического состава вод (за последние 20 лет), связанные с климатическим фактором и антропогенной нагрузкой. Расчеты критических нагрузок на воды суши по фактору закисления и загрязнения вод металлами, показали необходимость ужесточения существующих нормативов применительно к Арктическим регионам, как минимум в 3 раза.

Анализ многолетней режимной (1980-2006 гг.) гидрохимической информации ГСН показал, что одним из основных путей поступления (на фоне возможного локального загрязнения) растворенных веществ в устьевые области арктических рек являются их приток по водотокам. Последние представляют собой важные каналы переноса химических веществ по основным притокам и далее вниз по течению основного русла до замыкающего створа.

Сравнительная оценка модулей стока приоритетных загрязняющих веществ по длине р. Печора и по ее притокам показала, что наиболее высокие объемы притока легкоокисляемых органических веществ, минеральных форм азота, фосфоросодержащих соединений и фенолов формируются в реке на участке от с. Троицко-Печорск до с. Усть-Цильма. На замыкающем створе реки у с. Оксино отмечен максимальный объем притока по нефтепродуктам.

Интенсивное поступление в р. Печора легкоокисляемых органических веществ и азота аммонийного происходит с водами притоков Уса, Сула и Цильма, соединений фосфора – за счет притоков Уса и Лая; нефтепродуктов – за счет притоков Лая и Ижма, и фенолов – за счет притока р. Илыч.

Характер изменчивости среднемноголетних модулей стока приоритетных загрязняющих веществ по длине транзитных рек Восточного сектора Арктики позволил заключить, что:

- по длине рр. Обь и Енисей переносятся наибольшие объемы легкоокисляемых органических веществ, азота аммонийного и нефтепродуктов с тенденцией сохранения высоких объемов их притока на замыкающие створы;

- по длине р. Колыма объемы стока азота аммонийного и азота нитратного снижаются к замыкающему створу, а по фенолам увеличиваются.

Такой характер транспорта исследуемых загрязняющих веществ позволяет сделать вывод о том, что их физический перенос по транзитным рекам в пределах водосборной границы арктического региона нередко преобладает над процессами химико-биологической их трансформации. Заметное количество растворенных химических веществ поступает на устьевые участки арктических рек, играющих нередко роль «ловушек» для многих из них.

Сравнительная оценка среднемноголетних объемов притока приоритетных загрязняющих веществ с допустимыми по ПДК объемами показала, что кратность превышения последних достигает на замыкающих створах рек по:

-фенолам 7-12 раз для рр. Печора и Енисей;

-нефтепродуктам в 13 раз для р. Енисей и 29 раз для р. Печора;

-соединениям железа в 10 раз для рр. Печора, Яна и 11-17 раз для рр. Надым, Пур, Индигирка;

- соединениям меди в 7-8 раз для рр. Печора, Анабар и 13 раз для р. Пур;

- соединениям цинка в 6 раз для рр. Печора и Енисей.

Используя разработанный авторами классификатор антропогенной нагрузки по модулю притока азота аммонийного, легкоокисляемых органических веществ и нефтепродуктов можно заключить, что антропогенная нагрузка на устьевые экосистемы крупных органических рек меняется по:

-азоту аммонийному от малой для рр. Пур, Оленек, Лена, Яна, Индигирка, Колыма до критической для рр. Обь, Енисй и очень высокой для рр. Надым, Таз;

-легкоокисляемым органическим веществам от малой для рр. Лена, Яна, Индигирка, Колыма до критической для р. Обь и высокой для рр. Надым, Пур, Таз;

- нефтепродуктам от малой для рр. Лена, Яна, Индигирка, Колыма до высокой для рр. Пур, Таз и экстремальной для р. Надым.

Определяющим фактором формирования гидрологического режима рек является климат. Наметившаяся тен­денция к изменению климата под воздействием естественных и антропогенных факторов влияет на речной сток. На основе прогнозных данных об основных стокообразущих климатических характеристиках (температуры воздуха и годовых сумм осадков) определены возможные изменения речного стока в бассейнах рек Печоры, Северной Двины и Оби до 2050 г. В перспективе, при сохранении тенденций изменения климата годовой сток Печоры и Северной Двины возрастет к 2050 г. на 5%, зимний - на 15-30%, летне-осенний - на 10-15%. Сток весеннего половодья на Северной Двине может снизиться на 7 %. Годовой сток Оби в XXI веке по одним оценкам возрастет незначительно, на 3 - 4%, по другим - сток Оби в XXI веке уменьшается.

Загрязняющие вещества (ЗВ), включая устойчивые органические соединения, радионуклиды и соединения тяжелых металлов, переносимые в Арктику из других регионов, оцениваются как одна из основных нагрузок на окружающую среду, взаимодействующих с изменением климата. Анализ многолетней режимной гидрохимической информации показал, что основная часть металлов – до 70-80 % – поступает в устья рек в период половодья. Таким образом, существенные изменения гидрологического режима рек обусловят изменения условий накопления и смыва ЗВ на водосборах рек, что может привести к изменениям концентрации и переноса ЗВ в воде рек, а также распространения этих загрязняющих веществ в прибрежной зоне морей Северного Ледовитого океана.

Разработана методика прогноза изменений смыва загрязняющих веществ и проведена оценка их выноса с водосбора рек под влиянием возможных изменений климата в будущем. Увеличение водного стока и стока наносов приведет, очевидно, к росту выноса ЗВ в океан. По прогнозам увеличение стока будет неодинаковым для различных фаз водного режима, причем минимальным в паводок, когда с водосбора смывается основная часть большинства металлов. Поэтому вынос в океан тяжелых металлов в 2050 г. будет составлять 90-110% настоящего уровня, а для органических загрязняющих веществ этот показатель может составить 50-110%.

Основной количественной характеристикой смыва радионуклидов поверхностным стоком является коэффициент смыва, представляющий собой долю запаса радионуклида на водосборе, поступившую с поверхностным стоком в реку. На основании литературных данных был рассчитан вынос ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs с водосбора рек за счет «жидкого» и «твердого» смыва в настоящее время и на период 2050 года. В расчетах выноса радионуклидов учитывалось, что период их полураспада составляет 30 лет и, следовательно, к 2050 году при отсутствии дополнительных выпадений ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, их концентрация в почве снизится как минимум в два раза. Показано, что вынос в океан ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs при прогнозируемом потеплении климата и изменении стока может снизиться почти на 40 %.
Климатогенные и антропогенные изменения биоты и наземных экосистем Российской Арктики

(к итогам биогеографических исследований по МПГ в ИГ РАН)
Тишков А.А., Белоновская Е.А., Вайсфельд М.А., Дмитриев А.В., Глазов П.М.,

Лаппо Е.Г., Маркова А.К., Морозова О.В., Пузаченко А.Ю., Семашко В.Ю.,

Семашко Е.В., Тертицкий Г.М., Черенков А.Е., Царевская Н.Г.

Институт географии РАН
Представлены краткие результаты биогеографических исследований 2007–2009 гг. по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 16, Ч. 2, выполненных в рамках темы «Изучение численности и ареалов животных и растений в полярных областях в условиях меняющегося климата и хозяйственного освоения Севера» и тематики лаборатории биогеографии. Экспедиционные и камеральные исследования весь период проводились на архипелагах архипелаге Шпицберген, на островах Белого моря, в низовьях р. Печора, на о. Колгуев, п-овах Таймыр, Гыдан, Чукотка и Камчатка.

В настоящее время в Арктике выявлено обитание примерно 25–26 тыс. видов растений и животных, т.е. около 1.5 % описанных видов современной биоты Земли. Собственно арктическая биота составляет 0.6–0.7 %. Диспропорция между площадью Ароктики (около 4 % площади Земли) и ее видовым богатством обусловлена не только общим снижением уровня биоразнообразия к полюсу, связанным с уменьшением количества климатического тепла, но и другими факторами, в частности с генезисом арктической биоты.

В рамках исследований по программе:

- проведена реконструкция границ арктических и субарктических экосистем на севере Европы в ключевые периоды перехода от плейстоцена к голоцену (публикации А.К. Марковой, А.Ю. Пузаченко и др.)

- в рамках экспедиционных исследований получены новые результаты по динамике численности и распространению морских и водоплавающих птиц, в т.ч. гусеобразных (публикации Г.М. Тертицкого, Е.В. Семашко, Г.М. Глазова, Е.Г. Лаппо и др.);

- обобщены материалы по факторам, определяющим флористическое богатство северных регионов Европейской части России (публикации О.В. Морозовой и др.);

- проведены оценки современных трендов и циклов в продвижении бореальных видов млекопитающих на север (публикации М.А. Вайсфельда и др.);

- проведен детальный анализ изменений биоразнообразия и биогеографических особенностей российской Арктики в связи с климатическими изменениями и расширением хозяйственной деятельности (публикации А.А. Тишкова).

Первые итоги биогеографических исследований ИГ РАН по МПГ также представлены в статье в коллективной монографии по результатам выполнения Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16, Ч. 2, а также в подготавливаемом томе изданий результатов российских исследований по МПГ 2007-2009 гг. под редакцией Г.Г. Матишова и А.А. Тишкова.
Количественные характеристики растительности и их влияние на глубину сезонного протаивания
Хомутов А.В.¹, Лейбман М.О.¹, Москаленко Н.Г.¹, Эпштейн Г.Э.², Уолкер Д.А.<sup>3

1</sup>Институт криосферы Земли СО РАН

²Университет Вирджинии, США

³Университет Аляски, Фербенкс, США
Рассмотрена корреляция количественных параметров растительности и глубины протаивания. Для исследования использовались данные по глубине протаивания, полученные на площадке 100 на 100 м с измерениями через каждые 10 м на стационаре «Васькины Дачи» на Центральном Ямале. В рамках проектов МПГ №569 (GOA) и №439 (CALM), произведены измерения вегетационных индексов NDVI и LAI. NDVI (нормализованный относительный индекс растительности) – показатель количества фотосинтетически активной биомассы. LAI (индекс листовой поверхности) – отношение суммарной поверхности листьев к единице площади участка, занятого фитоценозом. Измерения вегетационных индексов проводились в 121 точке площадки. Также проанализированы данные по характеру поверхности, видовому составу растительных сообществ, количественные характеристики растительности (высота, проективное покрытие), мощность органогенного горизонта. Построены карты-схемы, на которых интерполяцией методом натурального соседства показано распределение каждого из показателей в пределах площадки.

При анализе полученных карт-схем выявляются некоторые зависимости между вегетационными индексами и другими количественными характеристиками растительности с одной стороны, и глубиной протаивания с другой. Наибольшие глубины протаивания, характерные для поверхностей скольжения оползней, визуально совмещаются с минимальными значениями вегетационных индексов. Эта зависимость лучше выражена для NDVI. Значения LAI повышаются только при преобладании в структуре фитоценоза трав, кустарничков, а особенно кустарников. Низкие значения обоих индексов характерны и для наиболее высоких местоположений в пределах площадки, где преобладают лишайники на песчаных породах с большой глубиной протаивания. Таким образом, низкие/высокие значения вегетационных индексов указывают на большую/малую глубину протаивания. В то же время, значения NDVI и LAI зависят от характера растительного покрова. При увеличении покрытия и высоты растительности в целом, мощности и покрытия мхов, высоты и покрытия кустарников, а также мощности органогенного горизонта, увеличиваются значения NDVI и, в среднем, уменьшается глубина протаивания. В наибольшей степени уменьшение глубины протаивания проявляется при увеличении мощности теплоизолирующего мохового покрова. Высокие значения LAI указывают на малую глубину протаивания, особенно на менее дренированной вогнутой поверхности склона с высокими кустарниками; меньшая корреляция между LAI и глубиной протаивания наблюдается на телах оползней, где заросли ивы также достигают высоты 0,5-0,65 м. На ненарушенной поверхности склона в условиях повышенного увлажнения хорошо развит моховой покров, а на нарушенной криогенным оползанием поверхности моховой покров удален, кроме пионерных мхов на теле оползня с доминирующей ивой. Самые низкие значения LAI, характерные для выпуклой вершинной поверхности с песками в сезонноталом слое и отсутствием высокой растительности, указывают на большую глубину протаивания.

Дополнительный анализ соотношения средних значений глубины протаивания, NDVI, LAI и параметров мохово-лишайникового покрова показал, что значения выбранных характеристик растительности обратно пропорциональны значениям глубины протаивания. Это наиболее заметно для мощности мохово-лишайникового покрова, в котором наибольшую роль играет мощность мха. Корреляция вегетационных индексов с глубиной протаивания менее выражена, чем корреляция параметров мохово-лишайникового покрова с глубиной протаивания. Это связано с тем, что индексы растительности в каждой точке суммируют различные её свойства, часть которых способствует увеличению (например, разреженность растительности, доминирование ксерофитов), а часть снижению (например, развитая моховая подушка, сомкнутость травяно-кустарникового яруса) глубины протаивания.

Соответственно, вегетационные индексы NDVI и LAI могут выступать в роли индикаторов глубины протаивания: низкое значение индекса – большая глубина протаивания, и наоборот, но с учетом других параметров растительности и компонентов ландшафта.

Исследование морского влияния и распределения загрязняющих веществ в экосистемах дельты р. Печора
Украинцева Н.Г.¹, Коробова Е.М.², Сурков В.В.³, Седых Э.М.² Данилова Т.В.<sup>2

1</sup>Институт криосферы Земли СО РАН

²Институт геохимии и аналитической химии им.В.В. Вернадского РАН

³Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Дельты рек Арктического бассейна являются важными рубежами природных процессов, где в результате взаимодействия в системе «река – море» происходит аккумуляция речных наносов, а вместе с ними – техногенного загрязнения регионального и локального уровней.

Задачей исследований, организованных в 2004 г. ГЕОХИ РАН в низовьях р. Печоры при содействии СевПИНРО и финансовой поддержке ОНЗ РАН, было выявление особенностей распределения природных и техногенных химических элементов в типичных пойменных и террасовых ландшафтах с геохимически контрастными условиями миграции вещества на разноудаленных от морской акватории участках дельты. Результаты будут сопоставлены с аналогичными ландшафтно-геохимическими исследованиями, выполненными в дельтовой зоне р. Енисей в рамках международного проекта «ESTABLISH». В дельте р. Печора такие исследования ранее не проводились.

Участки опробования в низовьях р. Печоры были расположены в подзонах южной тундры и лесотундры на разном удалении от морского побережья: в Печорском заливе (м. Болванский), в нижней части дельты (пос. Юшино, о. Глубокий), в средней ее части (о-ва Ёкушанский, береговая пойма у пос. Искателей), и в ее начале (о.Кермундей, Бол. Сопка). Для экспресс-обследования территории использован метод ландшафтно-геохимического профилирования с детальной нивелировкой пойменной и террасовой части. Отбор образцов почв, растений (укосы, ведущие виды) и природных вод производился на отдельных тестовых площадках ключевых геоморфологических уровней поймы в контрастных условиях накопления химических элементов (депрессии и гривы, береговые обнажения). Почвенные профили опробовались непрерывно на глубину активного слоя или до уровня грунтовых вод. Химический анализ природных вод выполнен по стандартным методикам в Почвенном институте и ГЕОХИ РАН. В настоящем сообщении приводятся первые результаты анализа состава природных вод, распределения микроэлементов в почвах и растениях.

Анализ образов природных вод (речных, озерно-речных, грунтовых и болотных) показал их низкую минерализацию (35-131 мг/л) и доминирующий гидрокарбонатно-кальциевый состав. Воды р. Печоры, опробованные в шести пунктах, имели минерализацию 70-131 мг/л. В устье Печоры (в районе м. Болванского) воды характеризовались значительной долей ионов хлора, натрия, а также магния (39, 26 и 31 экв% соответственно). Там же доля ионов хлора, иногда магния повышена и в грунтовых водах, что обусловлено морским влиянием. Болотные воды отличались: пониженным рН (до 4,2), высоким содержанием водорастворимых органических веществ (цветность - 540-2450 град Pt-Co шкалы при цветности речных вод 16-35 град), присутствием нитратного и аммонийного ионов, что способствует десорбции и мобилизации элементов в заболоченных ландшафтах.

В почвенно-растительном покрове пойменных экосистем выявлены геохимические барьеры, аккумулирующие как природные, так и техногенные (загрязняющие) химические элементы. Последние могут быть использованы в качестве «техногенных меток» скорости и интенсивности аккумуляции речных наносов в дельте.

Работы продолжены в 2009 г. в ИКЗ СО РАН при финансовой поддержке РФФИ (грант 08-05-00872а) и разделов Программы ОНЗ РАН №13 «Эволюция криосферы в условиях меняющегося климата».