ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Год: 1989 1999 2004

Российская Арктика - "кузница погоды", источник 25% мировых запасов углеводородного сырья, уникальный биогеоценоз с минимальными последствиями промышленного воздействия - длительное время (более 10 лет) оставалась без внимания ученых Государственного океанографического института Росгидромета (ГОИН). Коллективом ГОИН был накоплен организационный и финансовый опыт работы в новых экономических условиях. Из различных институтов, университетов и частных фирм Москвы и Севастополя собраны воедино кадры старой "морской гвардии". В последние пять лет приняты на работу и в аспирантуру более полутора десятка молодых сотрудников. Все эти достижения позволили ГОИН оторваться от исследований на южных эпиконтинентальных морях России и впервые за 15 лет уйти в Мировой Океан: моря и открытую часть самого малого океана - Северного Ледовитого.

В период с 7 сентября по 2 ноября 2005 года ГОИН провел комплексные экспедиционные исследования на борту НЭС "Михаил Сомов", осуществлявшего "северный завоз" в Западной Арктике. Организационное содействие при размещении и работе на судне было оказано Северным межрегиональным территориальным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Северное УГМС). Финансовая поддержка осуществлялась за счет субвенции федерального агентства Роснаука. Путь судна пролегал в Белом, Баренцевом и Карском морях по следующему маршруту: порт Архангельск - о. Колгуев - Новая Земля ("Новые Кармакулы") - Земля Франца-Иосифа (Земля Александры - о. Хейса) - Новая Земля (м. Желания) - о. Визе - Северная Земля (архипелаг Седова) - О. Известий ЦИК - п. Диксон - пр. Вилькицкого (м. Челюскина) - м. Стерлигова (берег Харитона Лаптева) - п. Диксон. Далее маршрут пролегал вдоль южных берегов Баренцева и Карского морей с глубоким заходами в губы и в Белом море: Енисейская губа (до опочной Карги) - о. Вилькицкого - Обская губа (до Нового порта) - о. Белый - Байдарацкая губа - о. Вайгач - о. Колгуев - п. Варандей - м. Канин нос - Кольский полуостров (Сосновка) - порт Архангельск.

Основные направления исследований экспедиции ГОИН в 2005 году

Основной задачей НЭС "Михаил Сомов" на пути в 6710 миль была доставка грузов на труднодоступные и полярные станции и пограничные заставы, расположенные на арктическом побережье. Производство стандартных океанологических станций было невозможно. Поэтому экспедиция ГОИН вела те исследования, которые возможно проводить ходу судна и в местах стоянок на траверзе портов, метеостанций, погранзастав. Экспедиция ГОИН вела исследования морских аэрозолей, мокрых атмосферных выпадений, вторичных корпускулярных потоков (тепловых нейтронов), а также в районах стоянок (на акватории и побережье) собирала пробы морской воды, поверхностного микрослоя, пресной воды, снега, лишайников, водорослей, биоматериала птичьих базаров и донных отложений в литоральной и сублиторальной зоне.

Загрязнение морских аэрозолей

Основным направлением исследований были определение концентрации и размерных спектров морских аэрозолей, сбор аэрозолей на фильтры для последующего определения их загрязнения тяжелыми металлами, углеводородами и рядом устойчивых органических токсикантов. Такие исследования в Арктике ежегодно проводятся РАН и рядом европейских и американских институтов. Все они посвящены проблемам дальнего атмосферного переноса, в том числе и эолового. ГОИН же поставил двоякую задачу: 1) определение уровня загрязненности воздуха в высоких широтах на акватории, удаленной от антропогенных источников загрязнения и аридных зон, и 2) описание малоизученного направления и массопереноса вещества по пути "объемная морская вода - поверхностный микрослой (ПМС) - морской аэрозоль", отражающего влияние Мирового Океана на оптические свойства атмосферы, и химический состав самого нижнего приводного слоя атмосферы.

Морская поверхность является самым мощным источником генерации аэрозолей: мощность морского источника генерации солевых аэрозолей, оцениваемая в 5900 Мт/год, превышает мощности почвенного пылевого источника генерации 1-10 мкм аэрозолей почти в 6 раз, субмикронного почвенного пылевого аэрозоля - в ~24 раза, сульфатного аэрозоля - почти в 40 раз, и углеродного (включая сажевый) - в ~70 раз [Кондратьев К.Я., 1998]. Таким образом, потенциально 80% массы аэрозолей могут составлять морские аэрозоли. Механизмы генерации морских аэрозолей из поверхностного микрослоя при разрушении пузырьков, возникающих в толще морской воды при газовыделении на дисперсной фазе или при обрушении волн, или прямом ветровом срыве капель воды с волнующейся поверхности моря предполагают значительное сходство в композиции химических веществ между поверхностным микрослоем и морскими аэрозолями [Лапшин В.Б. и др., 2005]. Обогащение поверхностного микрослоя (ПМС) загрязняющими веществами хорошо известно. "Обратный" (по отношению к атмосферным выпадениям) путь транспорта тяжелых металлов в составе аэрозолей по пути ПМС - воздух был предположен нами как основная причина значительного превышения содержание тяжелых металлов в морских аэрозолях по сравнению с городскими аэрозолями и терригенными аэрозолями [Сыроешкин А.В. и др., 2001-2004; Syroeshkin A.V. et al, 2005]. В ходе многолетних исследований пространственно-временной изменчивости загрязнения морского аэрозоля Черного, Балтийского и Каспийского морей (а также спорадических исследований на Средиземном море) тяжелыми металлами и нефтепродуктами ГОИН доказана роль нового трансграничного источника загрязнения воздуха морскими аэрозолями, генерируемыми морской поверхностью. Этот источник приводит к увеличению содержания кадмия, свинца на порядок по сравнению с фоновым уровнем, обусловленным терригенными источниками и дальним атмосферным переносом [Kolesnikov M.V. et al, 2005]. Инициированные ГОИН аэрозольные мониторинговые и научные программы необходимы, в частности, для санитарно-гигиенического планирования рекреационной политики. Поэтому было крайне необходимо исследовать уровни "загрязнения" морских аэрозолей в открытом океане. Осенние месяцы экспедиции были выбраны потому, что аэрозоли Западной Арктики, вследствие сезонных особенностей траектории воздушных масс, характеризуются наименьшим содержанием тяжелых металлов. Следовательно, в этот период было легче определять вклад собственно морского источника.

Вторичный корпускулярный поток солнечного излучения

Часть протонов Солнечного ветра, не отклоненная магнитосферой Земли, вступает в верхних слоях атмосферы в ядерные реакции, продукты которых - нейтроны - термализуются в атмосфере и в нижних слоях тропосферы имеют энергию в основном не более 1 эВ. Этот вид корпускулярного излучения регистрируют на стационарных мониторах (на территории России в трех институтах, в частности, в ИЗМИРАН) как один из индикаторов солнечной активности. Поток тепловых нейтронов составляет величины порядка 10 частиц в секунду на кв.м. Этот вид вторичных корпускулярных потоков ранее не учитывался в климатических сценариях. ГОИН, совместно с НИИИТ Минатома и РУДН, описан феномен сильнейшего воздействия ультраслабых потоков этого корпускулярного излучения на живые организмы и поверхностный микрослой [Матвеева И.С. и др., 2004]. Так был найден один из потенциальных механизмов влияния солнечной активности на границу раздела вода-воздух, и, в конечном счете, на климат. К осени 2005 года ГОИН получил целый ряд мониторинговых данных о возрастании потока тепловых нейтронов от поверхности Черного моря с высотой и при увеличении широты от Цемеской бухты Черного моря до Кандалакшского залива Белого моря. Были получены данные об аномалиях в плотности потока тепловых нейтронов у поверхности воды [Плотникова Н.В. и др., 2005]. Совокупность имеющихся результатов требовала получения данных о плотности потока тепловых нейтронов при, во-первых, меридиональном разрезе в открытом океане, во-вторых, в полярных широтах. Этим двум требованиям и удовлетворял Северный Ледовитый океан.

Поиск "золотого стандарта" пресной воды

В последнее время в ГОИН активно развиваются исследования структуры воды и методов биотестирования [Смирнов А.В. и др., 2004, 2005; Сыроешкин А.В. и др., 1998, 2001, 2003, 2004]. Современные поверхностные воды в большей или меньшей степени загрязнены из-за промышленной деятельности, коммунальных стоков, дальнего атмосферного переноса, процессов деструкции биоценозов. Подземные воды Европы, несмотря на "чистоту" по содержанию стойких органических токсикантов, являются либо токсичными из-за особого состава микро- и ультрамикроэлементнов [Фитин В.Ф., 2000; Гончарук В.В., 2005], либо представляют собою лечебную минеральную воду. Уникально чистые, не подверженные антропогенному загрязнению, высокоширотные районы российской Арктики предоставили возможность поиска пресной воды (с минерализацией до 1 г/л), не обладающей ни токсичным действием, ни специфической биологической активностью, то есть биологически инертной воды - идеального минерального растворителя, необходимого для минерального питания человека и живых организмов.

В период с 7 сентября по 2 ноября 2005 года ГОИН провел комплексные экспедиционные исследования на борту НЭС "Михаил Сомов", осуществлявшего "северный завоз" в Западной Арктике. Организационное содействие при размещении и работе на судне было оказано Северным межрегиональным территориальным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Северное УГМС). Финансовая поддержка осуществлялась за счет субвенции федерального агентства Роснаука. Путь судна пролегал в Белом, Баренцевом и Карском морях по следующему маршруту: порт Архангельск - о. Колгуев - Новая Земля ("Новые Кармакулы") - Земля Франца-Иосифа (Земля Александры - о. Хейса) - Новая Земля (м. Желания) - о. Визе - Северная Земля (архипелаг Седова) - О. Известий ЦИК - п. Диксон - пр. Вилькицкого (м. Челюскина) - м. Стерлигова (берег Харитона Лаптева) - п. Диксон. Далее маршрут пролегал вдоль южных берегов Баренцева и Карского морей с глубоким заходами в губы и в Белом море: Енисейская губа (до опочной Карги) - о. Вилькицкого - Обская губа (до Нового порта) - о. Белый - Байдарацкая губа - о. Вайгач - о. Колгуев - п. Варандей - м. Канин нос - Кольский полуостров (Сосновка) - порт Архангельск.

Основное содержание экспедиционных работ

Экспедиционный отряд Государственного океанологического института (ГОИН) в ходе рейса №4 НЭС "Михаил Сомов" по обеспечению системы гидрометслужбы в Белом, Баренцевом и Карском морях (6710 миль,) провел изучение физических характеристик (размерные спектры и концентрация) морских аэрозолей, а также произвел сбор аэрозолей на фильтры. Попутно были собраны метеорологические данные, проведен мониторинг плотности потока тепловых нейтронов, а также пассивный сбор атмосферных осадков. Собранные пробы (аэрозольные фильтры, пробы атмосферных осадков) анализируются на содержание тяжелых металлов (V, Cr, Ni, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb), мышьяка, алюминия, натрия, сульфатов, аммонийного азота, суммарных полиароматических и алифатических углеводородов, а также производится качественное выявление белок-содержащих аэрозольных частиц и ДНК бактериопланктона. Производится анализ полученных данных для описания широтных локальных особенностей загрязнения морских аэрозолей арктических морей, определения источника генерации аэрозолей (морской или терригенный), сравнения данных с прогнозами международной программы AMAP. В ходе экспедиционных работ собрано 177 аэрозольных фильтров, 31 проба атмосферных осадков (снег). Получено 98 размерных спектров (численные и массовые) аэрозолей по 32 размерным группам, а также данные по концентрации аэрозолей (общий объем массива данных - 6370). Получены данные по плотности потока тепловых нейтронов по всему маршруту движения судна с усреднением за 3 мин (общий объем массива данных - 19000). Дополнительно проведен попутный сбор (на акватории стоянок НЭС "Михаил Сомов" на рейде и в береговой зоне) следующих проб: лишайники - 15 проб, пресная вода (ручьи, реки, озера, временные водоемы) - 7 проб, морской поверхностный микрослой - 19 проб, подповерхностная морская вода - 9 проб, донны отложения (глубины 3-10 м) - 13 проб.

Основные результаты экспедиции ГОИН в 2005 году

В стационарных лабораториях ГОИН был обработан основной экспедиционный материал о загрязнении морских аэрозолей, плотности потока тепловых нейтронов, биотестирования пресных вод и мокрых атмосферных выпадений, полей температуры в западной Арктике (контактные измерения и спутниковые данные) и материалов визуальных наблюдений, а также была проведена детекция гетеротрофного бактериопланктона в ПМС и морских аэрозолях. Следует подчеркнуть, что в ГОИН разработаны "алгоритмы" различения аэрозолей морского и терригенного источников генерации [Kolesnikov M.V. et al, 2005, Лапшин В.Б. и др., 2005], основанные на сравнении относительных элементных профилей, анализе комбинаций численных и массовых размерных спектрах аэрозолей, присутствия в аэрозолях морских маркеров - представителей гетеротрофного планктона рода Mycobacteria. В экспедиции применялись также ряд методических приемов, позволяющих предотвратить контаминацию проб турбулентными потоками из трубы судна.

Морские аэрозоли Баренцева и Карского морей осенью 2005 года характеризовались относительно высокой однородностью в содержании Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb. Среднеквадратичные значения для различных участков сбора (20 участков по ходу следования судна в открытом Баренцевом море и около Земли Франца-Иосифа и 16 участков в открытом Карском море и около архипелага Седова) отличались не более, чем в несколько раз. Необходимо отметить, что суточные вариации содержания тяжелых металлов в прибрежных зонах Черного и Балтийского морей могут достигать двух порядков. Это позволило определить по частотным спектрам фоновое содержание элементов (нг/м3) в аэрозолях, генерируемых с поверхности моря осенью 2005 года в Западной Арктике: Al - 75, Cr - 0.8, Mn - 8.5, Fe - 275, Ni - 2.6, Cu - 19, Zn - 19, Cd - 0.2, Pb - 1.1. Кобальт и мышьяк были обнаружены в 3% проб и 45% проб, соответственно, при максимальной концентрации - Со - 0.02 нг/м3, As - 0.26 (0.14±0.09) нг/м3. Эти значения концентрации тяжелых металлов и мышьяка в разы и на порядки меньше аналогичных данных, полученных нами в 2002-2005 годах для морских аэрозолей Черного, Балтийского и Средиземного морей! Исключение составляет только содержание меди - среднее между таковым для Черного и Средиземного морей. ГОИН не обнаружил в морских аэрозолях не только нефтяные углеводороды, но отсутствовали (< 0.2 мкг/м3) даже биогенные неполярные насыщенные и полиароматические углеводороды. К примеру, частота встречаемости нефтепродуктов в морских аэрозолях Черного моря составляет 1 раз в неделю, в морских аэрозолях Финского залива 1 раз в три дня, в морских аэрозолях западного Средиземноморья - ежедневно. Низкое содержание неполярных углеводородов может быть связано с высокой активность гетеротрофного бактерипланктона, высокая численность которого и неожиданно высокая частота встречаемости (в 50% проб ПМС) была подтверждена методом ДНК-анализа (гнездовой ПЦР).

Поток тепловых нейтронов, измеряемый непрерывно по всему маршруту судна, продемонстрировал удивительное явление: отсутствие широтной зависимости, хорошо известной для этого вида излучения при измерениях, производимых при движении вдоль меридиана на суше. Медианные значения плотности потока вторичного корпускулярного излучения нейтронов составили 1.5-1.6 нейтронов/(c cм2), что соответствует данным для широты Москвы в этот период, полученным на идентичном счетчике. Более того, при движении в Обской губе удалось зафиксировать восстановление широтной зависимости. Такое выглаживание потока тепловых нейтронов в отрытом океане ранее не было описано и может быть связано с высокой концентрация водных (в том числе ледовых) аэрозолей в верхних слоях атмосферы арктической зоны. На этот факт указывают минорные максимумы на частотном спектре, соответствующие ожидаемым значениям плотности потока 10-20 нейтронов/(c cм2).

"Золотой стандарт" пресной воды был найден на острове Земля Александры (Земля Франца-Иосифа). Пробы с Земли Александры, как показал химический анализ, не содержат детектируемых стойких органических токсикантов и тяжелых металлов и не обладают биологической активностью в опытах с универсальным клеточным биосенсором, используемым для характеристики токсичности/лекарственного действия в токсикологической химии. Более того, структура гигантских гетерофазных кластеров воды соответствует картине идеальной воды, получаемой в лабораторных условиях при многочисленных операциях по сбалансированному кондиционированию (восстановлению минерального состава) бидистиллированной воды.

На основании полученных в экспедиции данных, их сопоставления с лабораторными исследованиями, экспедиционных исследований ГОИН в Белом море в 2004 году и литературных данных были сформулированы две новые теории. Первая теория касается механизма спонтанной эмиссии аэрозолей с невозмущенной водной поверхности и базируется на тонкой структуре поверхностного микрослоя. Вторая теория описывает океанологические основы формирования ранее неизвестного типа природного очага инфекционных заболеваний птиц и морских млекопитающих, зависящего от состояния морской среды прибрежных районов.

Данные о потеплении в Арктике были получены на основании визуальных наблюдений, а также контактных и дистанционных спутниковых наблюдениях за температурой поверхностных вод. Экспедиционной группой ГОИН получены фото- и видеоматериалы о разрушении берегов вследствие таяния вечной мерзлоты. Не обнаружены льды (за исключением локальных прибрежных участков) на всем маршруте движения судна, в том числе, ни за о. Рудольфа (самый северный остров Земли Франца-Иосифа), ни в проливе Вилькицкого.