Текст книги "Наземные и морские экосистемы"

А.А. Виноградова
Воздействие крупных промышленных регионов России на окружающую среду Арктики и Сибири
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва

Аннотация

В работе представлены результаты анализа распространения воздушных масс и антропогенных тяжелых металлов – Ni, Cu, Pb – от крупных промышленных регионов, расположенных на Кольском полуострове, в районе Норильска и на Урале (Свердловская и Челябинская области), над территорией Российской Арктики и Сибири. Исходными данными являются ежедневные 5-суточные траектории движения воздуха от источников для января, апреля, июля и октября, рассчитанные на протяжении 28 лет с 1981 по 2008 гг. по модели HYSPLIT 4 и данным реанализа полей давления и ветра NOAA (NCEP/NCAR Reanalysis Data Files). Оценены сезонные и долговременные изменения средних концентраций тяжелых металлов, принесенных от рассматриваемых источников, в приземном воздухе и в осадках, а также потоков этих элементов на поверхность. Полученные результаты могут быть использованы для оценки антропогенного воздействия рассматриваемых источников на окружающую среду удаленных и труднодоступных территорий. В целом в изучаемый период атмосферный вклад крупных промышленных комплексов в загрязнение окружающей среды северных районов России и Сибири уменьшался, однако пространственные и сезонные вариации этих изменений значительны. Потоки тяжелых металлов из атмосферы на поверхность арктических морей, так же, как и на территории водосборов крупных сибирских рек, вполне сравнимы с потоками этих же металлов, выносимых в Северный Ледовитый океан речными водами. Таким образом, атмосферный перенос играет важную роль в поставке антропогенных загрязнений в окружающую среду Арктики и Сибири, повышая содержание экотоксикантов в пищевых цепях различных экосистем.

Введение

Антропогенные загрязнения распространяются в окружающей среде по двум основным каналам – через атмосферу (воздушные выбросы) и с водами рек (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки). По мере переноса примесей в воздухе происходит их осаждение на подстилающую поверхность, и, в результате, антропогенному воздействию подвергаются все поверхностные природные объекты (почвы, воды рек и водоемов, растения и т. д.), а также – через пищевые цепочки – животные и люди. Некоторые среды и элементы пищевых цепей (почвы, мхи и лишайники, птицы, рыбы, животные) накапливают экотоксиканты в течение нескольких лет. А есть еще «сезонные» депонирующие среды – снег и лед, которые накапливают и перераспределяют попадающие в них загрязнения в течение зимнего сезона, а в Арктике – круглогодично и даже в течение нескольких лет (Шевченко, 2006; Шевченко и др., 2006).

Степень влияния источника загрязнений через атмосферу на окружающую среду конкретного района зависит от их взаимного расположения в пространстве, от характеристик атмосферы (закономерности циркуляции, скорость ветра, температура, осадки и др.), а также от свойств самих загрязняющих веществ (химическая форма, преобразование и время существования в атмосфере, и т. п.). В принципе, все районы на Земле подвержены антропогенному воздействию, и оценка его величины и возможных негативных последствий – один из важных аспектов изучения состояния окружающей среды.

На территории России существует несколько более или менее локализованных промышленных регионов (Урал, район Норильска, Кольский п-ов и др.), являющихся мощными источниками загрязнений глобального масштаба, атмосферные эмиссии которых разносятся воздушными потоками на огромные расстояния. В частности, «дыхание» этих источников чувствуется над российскими арктическими морями, в центральной Арктике и даже над северными территориями американского материка (Arctic …, 1997; Арктика …, 2000; AMAP…, 2002; Виноградова, 2004), а также над труднодоступными районами Сибири и Забайкалья.

Арктические моря России и их побережья обладают богатейшими запасами природных ископаемых, рыбы и других морепродуктов. От сохранности и репродуктивности окружающей среды и экосистем этих морей зависит не только жизнь и существование коренных народов, населяющих побережье, но в значительной степени и богатство России. Не меньшее значение для экономики нашей страны имеет и экологическое состояние территорий Западной и Восточной Сибири с их уникальной природой и огромными запасами ископаемого топлива, металлов и др.

Огромные пространства Российской Арктики (половина побережья Северного Ледовитого океана) и Сибири пока очень слабо изучены экспериментально с точки зрения состава и свойств окружающей среды и, в частности, атмосферы. Понятно, что реальный мониторинг загрязнения природных сред и объектов на такой площади имеет серьезные экономические и технические ограничения. Международный полярный год 2007/08 – уникальное время для таких исследований в Арктике, но и он кончается. Поэтому модельные оценки переноса в атмосфере стойких экотоксикантов – один из важных аспектов изучения окружающей среды.

Основными задачами данного исследования, выполненного в рамках программ подготовки и проведения МПГ 2007/08, являлись анализ возможности и отработка методики оценок среднего воздействия через атмосферу крупных промышленных регионов на окружающую среду удаленных территорий. Изучалось пространственное распространение воздушными массами тяжелых металлов (свинец, никель и медь), выбрасываемых тремя регионами-источниками (Кольский п-ов, район Норильска, Урал). Оценивались концентрации тяжелых металлов, принесенных от этих источников, в воздухе и в осадках, а также их потоки на подстилающую поверхность над удаленными территориями Российской Арктики и Сибири. Анализировались пространственные, сезонные и долговременные вариации этих характеристик. Для территорий российских арктических морей и водосборов крупных сибирских рек проводилось сравнение годовых потоков антропогенных тяжелых металлов, поступающих из атмосферы, с потоками этих же металлов, выносимыми речными водами в Северный Ледовитый океан.

Исходные данные и методика оценок

Предположение малых размеров источников по сравнению с дальностью распространения примеси и анализ многолетних данных о переносе воздушных масс от источников позволяют решить задачу оценки среднего антропогенного воздействия через атмосферу на удаленные территории с помощью методики, предложенной и развитой в работах (Vinogradova, 2000; Виноградова, Пономарева, 2001; Виноградова, 2004).

Антропогенные источники тяжелых металлов

Для Российской Арктики наибольшее значение имеют антропогенные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ на Кольском полуострове и вблизи Норильска, поскольку эти источники расположены в самой Арктике, севернее Полярного круга. В силу специфики промышленности этих регионов, они являются самыми мощными на севере Евразии (и самыми мощными в Арктике в целом) антропогенными источниками никеля и меди и в значительной степени определяют антропогенный вклад этих элементов в природные среды и объекты окружающих территорий.

Для территории Сибири, из-за преобладания ветров с западной составляющей, наиболее значимыми крупными источниками антропогенных составляющих в атмосфере являются горнодобывающие комплексы и металлургические предприятия, расположенные в районе Норильска и на Урале (Свердловская и Челябинская области). Эти источники выбрасывают в атмосферу цветные металлы, свинец, сажу и другие экотоксиканты.

Для наших оценок были выбраны три металла – никель, медь и свинец (Ni, Cu, Pb), представляющие интерес с точки зрения воздействия самых крупных российских промышленных регионов на окружающую среду рассматриваемых территорий. Эти тяжелые металлы (ТМ) являются маркерами различных процессов человеческой деятельности (Arctic …, 1997; Арктика …, 2000; Шевченко и др., 2006) и относятся к числу наиболее опасных антропогенных экотоксикантов (Никаноров, Жулидов, 1991; Соколов, Черников, 1999). Значения (средние для каждого десятилетия) годовой эмиссии никеля, меди и свинца в атмосферу от рассматриваемых источников представлены в табл. 1. Использованы данные Росгидромета (Ежегодник …, 1990, 1998) и Администрации Мурманской области. Видно, что соотношение выбросов рассматриваемых ТМ в Норильске и на Урале позволяет проанализировать три различные комбинации эмиссий этих источников: свинец выбрасывается в основном на Урале, никель, наоборот, – в районе Норильска, а медь – почти поровну обоими источниками. Подчеркнем, что в течение рассматриваемых почти 30 лет эмиссия ТМ в атмосферу от всех трех источников заметно уменьшалась. Это связано как с резким сокращением производства в России в 1990-х годах, так и с усилением мер по очистке атмосферных выбросов в последние 20 лет.

Таблица 1. Значения (принятые для расчетов) годовой эмиссии свинца, никеля и меди в атмосферу территорий Кольского полуострова (Мурманская область), района Норильска и Урала (Свердловская и Челябинская области) в конце XX – начале XXI века, т/год. По данным (Pacyna, 1985; Ежегодник …, 1990, 1998; Pacyna et al., 1998)

Методика оценок средних характеристик загрязнения

В работе приняты следующие условные координаты точечных источников, расположенных на Кольском полуострове, вблизи Норильска и на Урале: Кольский – 69° с.ш., 31° в.д.; Норильск – 69° с.ш., 88° в.д.; Урал (ввиду протяженности – две точки) – 53° с.ш., 58° в.д. и 57° с.ш., 61° в.д. Изучение распространения примеси от источников было основано на анализе больших массивов траекторий движения воздушных масс. Исходным материалом при этом были 5-суточные прямые траектории движения воздуха от источников, рассчитанные для каждого дня января, апреля, июля и октября с 1981 по 2008 гг. Расчет траекторий осуществлялся на изобарических поверхностях 925 и 850 гПа (старт в 0 часов GMT с интервалом 1 час) с помощью модели HYSPLIT 4 и данных реанализа полей метеорологических характеристик NCEP/NCAR Reanalysis Data Files (Draxler, Rolph, 2003). Пространственные распределения плотностей траекторий и примеси в воздухе от каждого источника для каждого месяца рассчитывались в ячейках координатной сетки (1°×1°) – отдельно для 1980-х (1981–1990), 1990-х (1990–1999) и 2000-х (1999–2008) годов – и представлялись на картах (всего для каждого источника 12 карт = 4 сезона × 3 десятилетия). Распределения плотности траекторий для Урала, полученные от двух точек-источников, усреднялись в каждой ячейке. Действие рассматриваемых трех источников считалось независимым, их общее влияние оценивалось путем суммирования показателей отдельных источников в каждой ячейке. Предполагая рассматриваемые месяцы представительными для каждого сезона, мы оценивали сезонные вариации характеристик загрязнения, а годовые средние/суммарные показатели вычислялись путем усреднения/суммирования сезонных величин в предположении одинаковой длительности сезонов. Долговременные тенденции изменения характеристик загрязнения оценивались при сравнении результатов для трех указанных выше десятилетий.

Подход к описанию распространения аэрозольной примеси при ее дальнем переносе в атмосфере был аналогичен работам (Ровинский и др., 2004; Гальперин и др., 1995; Виноградова, 2004). Считалось, что вблизи источника (в радиусе порядка 30–50 км) происходит осаждение до 20 % эмитированной им примеси, а остальные 80 % вовлекаются в дальний атмосферный перенос. При этом по вертикали примесь распределена равномерно в пределах приземного слоя перемешивания, высота которого Н определяется высотой слоя приземной инверсии температуры (или нижнего уровня приподнятой инверсии), – в наших расчетах в среднем Н = 1 км. Считалось, что по мере удаления от источника происходит экспоненциальное убывание примеси в воздушном потоке пропорционально exp (—Kt/H), где t – время движения от источника, за счет ее осаждения на поверхность со скоростью К.

При оценке скорости осаждения К учитывалось «сухое» (dry) осаждение примеси на поверхность и ее осаждение осадками (wet) с соответствующими скоростями: К = К_D + K_W. Кроме того, были учтены сезонные вариации К за счет влияния качества подстилающей поверхности, а также количества и агрегатного состояния осадков (Географический …, 1967; Rahn, 1981; Быкова и др., 1991; Гидрометеорология …, 1991; Климатический …, 1991; Гальперин и др., 1995; Виноградова, Пономарева, 2001; Формирование …, 2004; Гинзбург, 2005).

Поскольку при дальнем переносе все ТМ распространяются в воздухе преимущественно на аэрозольных частицах субмикронного размера (Гальперин и др., 1995), скорости их осаждения на подстилающую поверхность считались одинаковыми и неизменными по мере распространения от источника. Последнее допущение (постоянство скорости осаждения примеси вдоль траектории распространения) заметно упрощает задачу и не должно слишком искажать результат в условиях, когда источники и районы, для которых проводятся оценки, расположены в близких по своим свойствам климатических зонах, над которыми и происходит перенос примеси.

Районирование рассматриваемых территорий

Изучаемые территории Российской Арктики и Сибири были разделены на участки, для которых характерны различные физические и метеорологические условия, влияющие на скорость осаждения примеси (качество подстилающей поверхности, количество и качество осадков, волнение и сроки замерзания моря, сроки снегозалегания и т. д.), и/или обнаружены устойчивые различия в плотности примеси, принесенной от источников.

Арктика. В Белом море, в соответствии с его классическим районированием (Гидрометеорология, 1991), расчеты велись для Кандалакшского, Онежского, Двинского и Мезенского заливов, а также для бассейна, Горла и Воронки самого моря (Виноградова, 2008). Для Баренцева моря отдельно рассмотрено 5 участков: вблизи Кольского п-ова (200 км от берега) от мыса Нордкап до Воронки Белого моря (около 600 км), Печорское море, север (севернее 77° с.ш.), восток (восточнее 48° в.д. вдоль побережья Новой Земли) и центр (остальная территория) (Виноградова и др., 2008). Территории Карского моря и моря Лаптевых каждая были поделены на западную и восточную половины равной площади. Отдельно расчеты проводились для западной части Карелии, полуострова Ямал, северо-западного побережья и материковой части полуострова Таймыр, арх. Северная Земля, а также для окрестностей пос. Тикси на берегу моря Лаптевых, где в ходе работ в рамках МПГ 2007/08 была развернута международная метеостанция.

Параметры (средние значения по площади моря), описывающие осаждение примеси на поверхность разных морей в разные сезоны, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Средние значения параметров, описывающих осаждение примеси на поверхность арктических морей, в разные сезоны

Сибирь. Поскольку территория Сибири охватывает несколько различных климатических зон, в настоящем исследовании она была разделена на крупные участки (рис. 1) с учетом климатического и почвенного районирования (Географический …, 1967; Ломакина, 2007). В наших расчетах параметры осаждения аэрозоля для этих участков были разные в соответствии с табл. 3. Отдельно расчеты проводились для Томской области и района Байкала.

Рис. 1. Условное деление территории Сибири на 8 климатических участков. Границы (сплошные линии) соответствуют указанным параллелям, меридианам и полярному кругу. Черные квадратики – положение источников загрязнений

Таблица 3. Средние значения параметров, определяющих осаждение ТМ на подстилающую поверхность на выделенных участках территории Сибири (рис. 1) в разные сезоны

В заключение этого раздела отметим, что верификация получаемых нами оценок весьма затруднительна, поскольку это оценки средних значений параметров загрязнения за 10 лет. В то же время регулярные многолетние наблюдения за составом атмосферы (тем более, за элементным составом аэрозоля) ни в Российской Арктике, ни в удаленных районах Сибири вообще не проводятся. Сравнение средних значений с отдельными точечными (во времени и в пространстве) экспериментальными данными, на наш взгляд, не совсем корректно. В этом смысле более информативным должно быть сопоставление средних оценок с измеренными характеристиками, которые являются результатом какого-либо усреднения по времени, например, годовых потоков на поверхность или содержания ТМ в осадках (пробы которых обычно берутся в течение месяца или сезона).

Основные результаты и их обсуждение

В связи с проблемами верификации получаемых нами оценок, мы не приводим карты пространственных распределений атмосферных концентраций ТМ, а попытаемся сравнить наши результаты с опубликованными в литературе экспериментальными данными в тех районах, где они получены. Понятно, что такая сводка лишь качественно подтверждает реальность полученных нами результатов.

Содержание ТМ в приземном воздухе и в осадках в Арктике

В табл. 4 приведены сведения об элементном составе аэрозолей в сравнении с нашими оценками для разных районов евразийской части Арктики. Обсудим возможные причины наиболее заметных несоответствий сравниваемых значений. Во-первых, зимние результаты непрерывных наблюдений на Шпицбергене (Berg et al., 1996) для Ni и Cu значительно ниже полученных нами средних оценок для января 1990-х годов. Причиной этого, на наш взгляд, может быть ошибочное занижение значений скоростей осаждения этих металлов, принятых в наших расчетах, над почти незамерзающим Баренцевым морем. С другой стороны, возможно, что зимы 1994–95 гг., когда проводились измерения, были аномальными с точки зрения поступления ТМ от Кольского п-ова на Шпицберген (может быть, такой перенос был редок). Во-вторых, нами получены очень низкие значения для средней атмосферной концентрации свинца во всех пунктах. По-видимому, это связано с тем, что наиболее мощными антропогенными источниками свинца являются регионы с активно функционирующим авиационным и автомобильным транспортом, которые расположены в Центральной и Восточной Европе. Как показано в (Виноградова, Пономарева, 2001; Виноградова, 2004), именно эти весьма удаленные от Арктики территории в значительной степени определяют содержание свинца в атмосфере полярных областей России.

Таблица 4. Оценки концентраций ТМ в воздухе, полученные в данной работе, в сравнении с измеренными значениями для разных районов российской Арктики, мг/м³. При расчетах для Cd и As эмиссии источников – из (Pacyna et al., 1985; Pacyna, 1998)

Рис. 2 дает возможность сравнить наши оценки средних концентраций ТМ в осадках над поверхностью Белого и Баренцева морей с оценками других авторов, основанными на данных реальных наблюдений. Экспериментальные данные были получены в начале 2000-х годов на биологической станции в Дальних Зеленцах (около 69° с.ш., 36° в.д.) на северном побережье Кольского полуострова (Голубева и др., 2006), а также в 1993–95 гг. на Шпицбергене (Berg et al., 1996). Видно, что все оценки разумно соответствуют друг другу и практически вписываются в разброс экспериментальных значений для Дальних Зеленцов. Заметим, что и в осадках наши оценки дают низкие значения концентраций свинца, что естественно при низких значениях атмосферных концентраций.

Рис. 2. Содержание ТМ в осадках в разные месяцы: по нашим оценкам в среднем для 1990-х годов – над Белым и Баренцевым морями и вблизи Кольского п-ова, а также экспериментальные данные, полученные в Дальних Зеленцах (ДЗ) в начале 2000-х годов (Голубева и др., 2006) и на Шпицбергене в середине 1990-х годов (Berg et al., 1996)

Если сравнить эффективность «сухого» осаждения и осаждения осадками в целом за год, выбранные нами параметры осаждения примесей (табл. 2) обусловили следующие средние соотношения для морей Российской Арктики: за год на поверхность Белого, Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых с осадками выпадает, соответственно, около 60, 45, 35 и 25 % от общего количества атмосферной примеси, осаждающейся в течение года. Остальная часть примеси выпадает на поверхность морей в результате так называемого «сухого» осаждения. Такие заметные различия между морями обусловлены метеорологическими условиями над их территориями (скорость ветра, волнение, ледовитость и т. д.), а также различием режимов (количества и агрегатного состояния) осадков. Отметим, что в современных условиях довольно быстрого изменения климата за последние 10–15 лет режим осадков над севером Евразии изменился (Китаев и др., 2004) как качественно, так и в количественном отношении. Но тренды таковы, что введение соответствующих поправок в наши оценки пока приводит к небольшим изменениям рассматриваемых характеристик загрязнения (в пределах 10 %) и не вносит принципиальных сдвигов в обсуждаемые закономерности.

Сезонные вариации атмосферных концентраций и потоков ТМ на поверхность

Для российских арктических морей на рис. 3 показаны сезонные изменения концентраций ТМ в воздухе и их потоков на поверхность (на примере никеля в 1990-х годах). Приведены значения, усредненные по площади для каждого моря (с учетом соотношения площадей соответствующих участков, для которых велись расчеты). Атмосферная концентрация примеси максимальна в холодную часть года (зимой и весной), а выпадения на поверхность, наоборот, больше в теплые сезоны (летом или осенью). Эти различия определяются сезонными изменениями режима осадков, а также качества морской поверхности и прибрежных территорий (открытая вода, лед, снег, растительность и т. д.), влияющих на величину скорости «сухого» осаждения примеси.

Как видно из рис. 3, амплитуды сезонных вариаций как атмосферной концентрации примеси, так и ее потока на поверхность различны для разных морей. Сезонные изменения максимальны над Белым морем, а над Баренцевым морем и морем Лаптевых – малы. Схожесть Баренцева моря и моря Лаптевых по этому показателю кажется неожиданной, поскольку эти два моря сильно отличаются друг от друга не только площадью, но и климатическими характеристиками (Геоэкология …, 2001), определяющими сезонный ход скорости осаждения примеси на поверхность. Однако дело в том, что большое по площади Баренцево море охватывает территории с разными условиями загрязнения и очищения атмосферы, что сглаживает средний (для всего моря) сезонный ход (Виноградова и др., 2008). Море Лаптевых, наоборот, характеризуется наиболее однородными климатическими условиями как на всей своей акватории, так и в течение всего года, что определяет небольшие внутригодовые колебания скорости осаждения примеси на поверхность (табл. 2).

Рис. 3. Сезонный ход концентрации примеси в воздухе (а) и ее потока на поверхность (б) в среднем над акваториями Белого (Бел), Баренцева (Бар), Печорского (Печ), Карского (Кар) морей и моря Лаптевых (Лап) на примере средних (за 1990-е годы) показателей для никеля, принесенного в атмосфере от Кольского полуострова и района Норильска

Для территории Сибири сезонные вариации изучаемых параметров загрязнения окружающей среды иллюстрируют рис. 4 и 5. Рассмотрены районы, удаленные от источников на расстояния 800–1300 км (рис. 6). Для каждого района сезонный ход рассматриваемых показателей загрязнения формируется в результате индивидуального сочетания факторов атмосферного переноса и параметров осаждения примеси. Летний минимум атмосферной концентрации примеси во всех районах Сибири (как и в Арктике) связан, в первую очередь, с благоприятными в это время условиями очищения атмосферы (большое количество осадков и высокие скорости осаждения примеси – табл. 3). Весной и осенью часто формируются максимумы потока примеси на поверхность, обусловленные большим количеством осадков (чаще всего жидких) и достаточно высоким содержанием примеси в воздухе в это время (при не самых больших скоростях осаждения).

Рис. 4. Долговременные изменения характеристик загрязнения окружающей среды (средних за 10 лет) в пяти районах вблизи Урала (см. рис. 6) для разных месяцев и за год (полная высота столбика): а – концентрация ТМ в приземном воздухе; б – поток ТМ на поверхность

Рис. 5. То же, что на рис. 4, но вблизи Норильска (см. рис. 6)

Рис. 6. Районы, для которых приведены оценки на рис. 4 (черные звездочки) и рис. 5 (белые звездочки) – 800–1300 км от соответствующего источника

Интересно сравнить рис. 4 и 5 с точки зрения пропорциональности атмосферных концентраций и потоков на поверхность в разных районах. Для территорий вблизи Урала свойственны достаточно однородные (в климатическом отношении) условия, которые определяют почти одинаковые скорости осаждения ТМ на поверхность (табл. 3). В результате, как это видно по рис. 4, при сравнении разных районов потоки примеси на поверхность приблизительно пропорциональны ее концентрации в воздухе. Для окрестностей Норильска (рис. 5) это не так. Там климатические характеристики и скорость осаждения примеси на поверхность меняются более резко (табл. 3), особенно в широтном направлении. Поэтому, например, несмотря на большую загрязненность воздуха на северо-востоке, потоки ТМ на поверхность, и, следовательно, нагрузка на наземные экосистемы там меньше, чем на юге, где, наоборот, воздух загрязнен значительно меньше (рис. 5).

Этот пример подчеркивает, что при оценке и сравнении экологического состояния окружающей среды разных районов не всегда достаточно сравнить только степень загрязненности приземного воздуха, необходимо учитывать возможные различия в процессах осаждения примесей на поверхность в рассматриваемых районах.

Пространственные вариации потоков ТМ на поверхность

Пространственные вариации среднегодовых потоков ТМ, принесенных воздушными массами от рассматриваемых источников, на поверхность в Российской Арктике и в Сибири представлены на рис. 7, 8.

Для арктических морей (рис. 7) можно сделать следующие выводы (Виноградова, 2008). На небольшом по площади Белом море наиболее загрязненными оказываются воздух, поверхностные воды и прибрежные территории Кандалакшского залива (поток примеси на поверхность приблизительно вдвое больше, чем в других частях моря) (Виноградова, 2008; Виноградова и др., 2008а). Большое по площади Баренцево море загрязняется очень неравномерно. Наибольшее содержание ТМ в воздухе и в потоках вещества на поверхность, естественно, в ближайшей к источнику прибрежной зоне около Кольского полуострова. Там за год на площадь около 120 тыс. км² (меньше 10 % площади моря) осаждается до 50 % примеси, выпадающей на всю территорию моря. Карское море и море Лаптевых загрязняются меньше и более равномерно по площади, при этом море Лаптевых наименее подвержено антропогенному воздействию со стороны рассматриваемых регионов-источников. Понятно, что азиатская часть рассматриваемой территории загрязняется в основном промышленностью Норильска, тогда как европейский север больше подвержен воздействию источников Кольского полуострова. Над Карским морем происходит смена лидера в поставке загрязнений через атмосферу от рассматриваемых источников.

Рис. 7. Пространственные распределения средних (для 2000-х годов) потоков никеля (а) и меди (б), поступающих через атмосферу от Кольского п-ова и Норильска на территорию Российской Арктики, г/км²/год

На территории Сибири, естественно, потоки ТМ на поверхность максимальны в районах, ближайших к источникам (рис. 8). Здесь наземные экосистемы подвергаются наибольшей антропогенной нагрузке, которая определяется в основном именно этими двумя мощными индустриальными центрами. По мере удаления от источников их вклад в загрязнение окружающей среды ослабевает, и они создают «фоновый» уровень загрязнения, на который «накладываются» примеси, поступающие от местных локальных источников (Виноградова и др., 2008б). Поэтому результаты, представленные на рис. 8, могут использоваться для оценки антропогенного воздействия на природные объекты в фоновых труднодоступных районах.

Рис. 8. Пространственные распределения средних (для 2000-х годов) потоков свинца (а), никеля (б) и меди (в), поступающих от Урала и Норильска через атмосферу на территорию Сибири, г/км²/год

На рис. 9 показано сопоставление полученных нами средних потоков ТМ на подстилающую поверхность с содержанием этих же металлов в почвах для фоновых районов юга средней Сибири. Отметим, что это регион с развитой промышленностью, характеризующийся повышенным уровнем загрязнения атмосферы в городах (Обзор …, 2004, 2007). Содержание ТМ в почвах (рис. 9, б) при не слишком большом удалении от Урала (до 2000 км) приблизительно пропорционально средним потокам ТМ из атмосферы на поверхность (рис. 9, а). На бóльших расстояниях выбросы Урала мало влияют на содержание ТМ в почвах, и, по-видимому, все определяется ближайшими промышленными центрами (Новокузнецк, Иркутск и др.).

Рис. 9. Сопоставление потоков Pb, Ni, Cu из атмосферы на подстилающую поверхность (а) с содержанием этих же ТМ в почвах (б) в нескольких районах южной части Сибири и Урала: Свердловская, Омская, Томская области, Новокузнецк, Иркутск, Байкал (Обзор …, 2004, 2007)

Оценка воздействия промышленности Урала и Норильска на наземные экосистемы в районе озера Байкал показали, что содержание ТМ в воздухе и в осадках на ст. Монды (фоновый район) определяется вкладом рассматриваемых нами удаленных антропогенных источников. Содержание ТМ в водах озера практически полностью определяется загрязнением впадающих рек. Например, для меди дальний атмосферный перенос антропогенных выбросов от Норильска и Урала обеспечивает годовой поток на поверхность озера, составляющий лишь несколько процентов от потока меди, выносимой за год в озеро впадающими реками (Виноградова и др., 2008 б).

Долговременные изменения антропогенной нагрузки

Долговременные изменения антропогенной нагрузки через атмосферный канал на поверхностные объекты окружающей среды обусловлены тремя основными факторами: уменьшением выбросов в атмосферу источников загрязнений (табл. 1); изменением процессов циркуляции воздушных масс и, в связи с этим, путей переноса примесей; изменением режима осадков (о чем говорилось выше) и, соответственно, скоростей осаждения примесей. Процессы циркуляции атмосферы над севером Евразии и прилегающими арктическими морями в течение рассматриваемых 28 лет заметно изменялись (Формирование …, 2004). Эти изменения весьма неоднородны как в пространстве, так и от сезона к сезону. В результате, в одном и том же месте они могут приводить к увеличению загрязнения в один месяц и уменьшению – в другой (Виноградова и др., 2008а, 2009а). В целом, эффект, который оказывают изменения циркуляционных процессов на атмосферные концентрации антропогенных ТМ и их потоки на поверхность, по абсолютной величине вполне сравним с эффектом от уменьшения эмиссии источников в эти годы (Виноградова и др., 2008 а, б, в).