Results of expedition measurements of PM 10 , PAHs and mercury above the water area of Lake Baikal in August 2023

I. I. Marinaite; Маринайте И. И.; T. V. Khodzher; Ходжер Т. В.; M. Y. Shikhovtsev; Шиховцев М. Ю.; E. S. Lutskin; Луцкин Е. С.; V. L. Potemkin; Потёмкин В. Л.

doi:10.31951/2658-3518-2024-A-3-171

Результаты экспедиционных измерений PM₁₀, ПАУ и ртути над поверхностью оз. Байкал в августе 2023 года

Авторы: Маринайте И.И.¹, Ходжер Т.В.¹, Шиховцев М.Ю.¹, Луцкин Е.С.¹, Потёмкин В.Л.¹
Учреждения:
1. Лимнологический институт, Сибирское отделение Российской академии наук
Выпуск: № 3 (2024)
Страницы: 171-180
Раздел: Статьи
URL: https://bakhtiniada.ru/2658-3518/article/view/282624
DOI: https://doi.org/10.31951/2658-3518-2024-A-3-171
ID: 282624

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В продолжение регулярных исследований, проводимых с целью получения информации о механизмах и источниках загрязнении атмосферы над акваторией оз. Байкал, представлены результаты экспедиционных исследований содержания РМ₁₀, ПАУ и газообразной элементарной ртути в приводном слое атмосферы озера Байкал в августе 2023 г. На маршруте следования судна по периметру озера наблюдалось увеличение концентрации загрязняющих веществ в приводной атмосфере вблизи локальных источников загрязнения, расположенных на побережье Южного Байкала (п. Листвянка, гг. Слюдянка, Байкальск), и в истоке Ангары при северо-западном переносе от промышленных городов региона. За период исследования концентрации РМ₁₀ составили, в среднем, 6.0 мкг/м³, ПАУ – 1.1 нг/м³, газообразной элементарной ртути – 0.75 нг/м³, что было ниже результатов, обнаруженных при пожарах 2016–2020 гг. в отдельных районах Сибири. Полученные концентрации исследуемых компонентов атмосферы не превышали стандарты качества воздуха. Значение коэффициентов парной корреляции за период исследования было высокое между РМ₁и ПАУ – 0.71, низкое между ПАУ и ртутью – 0.21.

Ключевые слова

загрязнение атмосферы, частицы PМ10, ПАУ, ртуть, Байкал

Полный текст

1. Введение

Мониторинг таких микропримесей, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и газообразная элементарная ртути в атмосферном воздухе, является обязательным вследствие их канцерогенной и токсической опасности для окружающей среды и здоровья человека (Kaleta and Kozielska, 2023). К антропогенным источникам поступления их в атмосферу относятся, прежде всего, сжигание угля, нефти, древесины (Маринайте и др., 2023; Tripathee et al., 2019). Из атмосферы загрязняющие вещества поступают на подстилающую поверхность посредством влажного (осадки, туман) и сухого (газы, частицы) осаждения. В Байкальском регионе на протяжении последнего десятилетия интенсивно исследуется динамика изменения климата и загрязнение воздушного бассейна от региональных промышленных предприятий и локальных источников на побережье озера. Наблюдения, проведенные в атмосфере над Байкалом во время крупных лесных пожаров в Прибайкалье, Красноярском крае и Якутии в 2016–2020 гг., показали рост содержания в атмосфере аэрозольных частиц, газовых примесей (Ходжер и др., 2019; Zhamsueva et al. , 2022), суммарной концентрации ПАУ (Marinaite et al., 2018), газообразной ртути (Mashyanov et al., 2021) в атмосферном воздухе над акваторией и побережьем озера. Эти токсичные вещества осаждаются на акваторию озера, загрязняя его воды (Gorshkov et al., 2021). Контроль загрязняющих примесей в атмосфере над озером является одной из приоритетных задач при мониторинге качества его вод.

2. Используемые методы и материалы

Для оценки вклада антропогенных источников Прибайкалья и опасных природных явлений (лесные пожары) в загрязнение атмосферы над оз. Байкал с 5 по 15 августа 2023 г. с борта научно- исследовательского судна “НИС Верещагин” проведены непрерывные измерения счетной и массовой концентрации аэрозольных частиц, газообразной элементарной ртути, отобрано и проанализировано 25 образцов аэрозоля на содержание ПАУ. Маршрут экспедиции проходил по всему периметру озера Байкал с остановками в районах крупных локальных источников загрязнения атмосферы на побережье озера, устьевых участках крупных притоков и заливах (Рис. 1).

Рис.1. Карта-схема движения научно-исследовательского судна “ Г.Ю.Верещагин” по акватории оз. Байкал с 5.08 по 15.08.2023 г.

Для исследования счетной концентрации и распределения частиц по размерам применялся счетчик частиц Handheld 3016 IAQ (фирма Lighthouse США), позволяющий измерять размеры частиц по 6 каналам (0.3, 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0 мкм) в непрерывном режиме с усреднением в течение 5 минут. Измерения в воздухе газообразной элементарной ртути проводились с использованием портативного автоматического ртутного монитора Lumex РA-915М (Россия). Состав аэрозоля на 21 компонент ПАУ проанализировали с помощью газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием на приборе GC/MS Triple Quad 7000C c GC System 7890B (фирма Agilent Technologies, США).

3. Результаты и обсуждение

В отличие от экспедиций в период лесных пожаров 2018–2020 гг., в 2023 г. дымовой аэрозоль в атмосфере над озером не наблюдался, хотя в конце лета фиксировались пожары на территории Якутии. Полная массовая концентрации частиц ТРМ изменялась в пределах от 1 до 12 мкг/м³ с максимумом над Южным Байкалом в 10-12 мкг/м³, что до 10 раз выше фоновых значений. В Средней котловине изменения фиксировались в пределах от 3 до 4 мкг/м³, в Северной от 1 до 2 мкг/м³. В целом, по акватории озера полученные концентрации не превышали среднесуточной величины ПДК (60 мкг/м³) для атмосферного воздуха окружающей среды и соизмеримы с результатами 2022 г.

В динамике счетной концентрации аэрозольных частиц изменения отмечены как в средней фракции аэрозоля с размером до 1.0 мкм, так и в грубодисперсной фракции до 10 мкм. Во время экспедиционных работ отмечалось несколько эпизодов роста концентрации частиц средней фракции (PM₁< 1мкм). По маршруту в фоновом районе вдоль восточного берега (середина маршрута от б. Ая – остров Лохматый), количество средней фракции (PM₁< 1мкм) составляло 62% (Рис. 3, проба 14). В устье Харауза и при переходе от восточного берега к западному (устье Харауза-Большое Голоустное) за счет, действующего над оз. Байкал в этот период циклона, содержание средней фракции достигало 65% (пробы 21-23). В Южном Байкале с приближением к локальным источникам количество средней фракции аэрозоля резко снижалось с 43% до 27% (пробы 2-3), в Среднем Байкале у п. Усть-Баргузин – до 24% (Рис. 3, проба 15).

Рис.3. Изменчивость массовой концентрации (мкг/м³) средней (PM₁< 1мкм) и грубодисперсной фракции (PM₁₀от 1мкм до 10 мкм) аэрозоля и доля (%) средней фракции в общей массе аэрозоля в приводной атмосфере оз. Байкал (5-15 августа 2023 г.)

Полученная динамика распределения концентрации суммы ПАУ соответствовала динамике концентрации аэрозольных частиц над акваторией Байкала (Рис. 2), что подтверждается тесными корреляционными связями между ними (Таблица 1) и указывает на сходные источники их происхождения. Корреляция же концентрации газообразной ртути с концентрациями ПАУ и РМ₁₀практически отсутствовала (Таблица 1).

Рис.2. Массовая концентрация частиц ТРМ (мкг/м³), усредненная для каждой пробы, и сумма 21 ПАУ (нг/м³) в атмосфере над акваторией оз. Байкал (5-15 августа 2023 г.)

Таблица 1. Коэффициенты парной корреляции между суммарной концентрацией ПАУ, массовой концентрацией аэрозольных частиц разных размерных фракций и ртути над поверхностью оз. Байкал

	ПАУ	TPM	PM₁<1 мкм	PM₁₀>1 мкм	Ртуть
ПАУ	1.00
TPM	0.49	1.00
PM₁<1 мкм	0.71	0.79	1.00
PM₁₀>1 мкм	0.32	0.96	0.58	1.00
Ртуть	0.21	0.23	0.48	0.09	1.00

Примечание: TPM – суммарная концентрация аэрозольных частиц; PM₁< 1мкм – среднедисперсная фракции аэрозоля с размером частиц менее 1 мкм; PM₁₀> 1мкм – грубодисперсная фракция аэрозоля с размером частиц до 10 мкм (Ивлев и Довголюк, 1999).

За исследуемый период суммарная концентрация ПАУ в приводной атмосфере изменялась от 0.008 до 8.4 нг/м³(среднее значение 1.1± 2.0 нг/м³) с наибольшими значениями в Южной котловине Байкала (6.3-8.4 нг/м³). В Средней котловине изменения были в пределах от 0.050 до 1.5 нг/м³, в Северной от 0.045 до 0.46 нг/м³. Полученные результаты в экспедиционный период 2023 года оказались ниже концентраций при пожарах на побережье озера в 2016 г. (0.22-133 нг/м³, среднее 5.9± 22.6 нг/м³), на уровне значений над акваторией озера в 2019 г. ( 0.11-4.6 нг/м³, среднее 0.96± 1.0 нг/м³), но выше концентраций ПАУ в 2020 г. – от 0.07 до 2.5 нг/м³ (среднее значение 0.4± 0.5 нг/м³),).

Во время работ в Южной котловине Байкала повышенное содержание ПАУ до 180 раз от фоновых значений наблюдалось на маршруте вдоль западного побережья озера по направлению Кадильный – Листвянка – Исток р. Ангары (до 3.7 нг/м³проба № 1-2, Рис. 2) и на стоянке у г. Слюдянка (до 8.4 нг/м³проба № 4), у г. Байкальск (до 1.1 нг/м³проба № 5) в условиях штилевой погоды и выноса аэрозоля от локальных источников побережья. На маршруте вдоль восточного, а затем вдоль западного берега из Южного Байкала в Средний и далее в Северный (п. Боярск – устье Харауза – остров Ольхон – мыс Елохин – г. Северобайкальск) содержание суммы ПАУ в аэрозоле было низким (0.05 нг/м³) с постепенным возрастанием (до 0.12 нг/м³, Рис. 2) при подходе к г. Северобайкальску. Практически за весь этот период в атмосфере наблюдалась низкая облачность, сопровождавшаяся периодически выпадающими осадками, приводящими к очищению атмосферы. Во время работ по Северному Байкалу, повышенное содержание суммы ПАУ наблюдалось на стоянке у г. Северобайкальск (0.46 нг/м³, проба №11), предположительно за счет выбросов продуктов сгорания ТЭЦ города Северобайкальска. При следовании судна вдоль восточного берега из фоновых районов Северного Байкала (бухта Аяя – Хакусы – Чивыркуйский залив) было выявлено низкое содержание суммы ПАУ 0.045-0.16 нг/м³ (пробы № 12-19). Метеорологическая обстановка в этот период характеризовалось наличием небольших инверсий, низкой облачностью и периодически выпадающими осадками, которые приводили к очищению атмосферы. Снижение концентрации загрязняющих примесей отмечено в Среднем Байкале при переходе от мыса Бакланий до устья Харауза (0,07-0,09 нг/м³ пробы № 20-21). На переходе от восточного берега на западный по маршруту устье Харауза – Большое Голоустное и далее вдоль западного берега в Южный Байкал (м. Кадильный – Большие Коты – п. Листвянка), содержание ПАУ возросло от 1.5 до 6.4 нг/м³ (пробы № 21-23, Рис. 2). Их рост так же отмечен в истоке р. Ангара (0.97 нг/м³, пробы № 24-25). Концентрация бенз(а)пирена, нормируемого в России, над всей акваторией оз. Байкал изменялась от 0.001 до 0.84 нг/м³(среднее 0.09±0.2 нг/м³), и не превышала норм ПДК (1 нг/м³).

Отмечены различия в составе индивидуальных ПАУ, отобранных из различных районов над поверхностью озера (Рис. 4). Из 21 обнаруженных ПАУ доля основных соединений уменьшалась в последовательности: пирен (11.8%) > бенз(k)флуорантен (11.7%) > индено(1,2,3-с,d)пирен (8,3%) > бенз(e)пирен (7%), бенз(a)пирен (7%). В пробах аэрозолей вблизи локальных источников южной части Байкала (№ 4, 11, 23) преобладала группа ПАУ с четырьмя-пятью- шестью бензольными кольцами их доля – до 84% от общей массы. Это указывает на пирогенный характер источников при сжигании угля, древесины, жидкого топлива (Othman et al., 2022). В пробе 12 на маршруте г. Северобайкальск – бухта Ая количество ретена (компонента горения биомассы) достигало 18 % от общей массы обнаруженных соединений.

Рис.4. Доля (%) индивидуальных соединений от суммарной концентрации ПАУ в пробах аэрозоля № 4, 11,12, 23 над поверхностью Байкала (5-15 июля 2023 г.)

Оценены потоки ПАУ из атмосферы на поверхность озера. Для их определения использовали скорость осаждения 0.02 м/сек частиц, принятую в работе (Duce and Neil, 1991). Как и концентрации, максимальные потоки ПАУ определены у локальных источников вдоль западного (Листвянка, исток Ангары) и восточного (г. Слюдянка) побережья Южного Байкала (1.7 - 102 мкг/м²/неделя). В Среднем Байкале потоки ПАУ составили 0.6-1.7 мкг/м²/неделя, в Северном – 0.5-5.6 мкг/м²/неделя с повышенным значением у г. Северобайкальска. Результаты оказались в 15 раз ниже потоков, рассчитанных для района Бугульдейки при пожарах летом 2016 г. (490-1600 мкг/м²/неделя) (Marinaite et al., 2018).

Концентрация газообразной элементарной ртути над озером изменялась от 0.18 до 1.29 нг/м³. Наибольшие значения обнаружены в Южном Байкале (0.4-1.29 нг/м³, средняя величина 0.76±0.19 нг/м³). В Среднем Байкале ее изменения были в пределах от 0.18 до 1.07 нг/м³ (средняя 0.73±0.13 нг/м³), Северном от 0.19 до 1.02 нг/м³(средняя 0.72±0.12 нг/м³). Таким образом, средние значения концентрации газообразной элементарной ртути в экспедиции 2023 г. над озером изменялись незначительно и оказались ниже средних величин 1.1 нг/м³(Mashyanov et al., 2021), проанализированных над озером в июле 2018 года во время дымового смога от лесных пожаров. За время экспедиции существенных аномалий концентрации ртути в воздухе над озером обнаружено не было. Некоторое повышение ее концентрации в Южном Байкале можно объяснить переносом от локальных источников – котельных, ТЭЦ, расположенных в населенных пунктах побережья, а также переносом загрязнений от крупных ТЭЦ из городов Прибайкалья по долине р. Ангары (Рис. 5). Потенциальным естественным источником выбросов ртути в атмосферу может быть дегазация ртути через зоны глубинных разломов, так как Байкал находится в пределах сейсмически активной Байкальской рифтовой зоны. В литературе приводятся данные небольшого увеличения концентрации ртути до 1.6 нг/м³над газогидратными залежами и выходами нефти на поверхность озера (Mashyanov et al., 2021), хотя однозначных доказательств связи воздушных ртутных аномалий с тектоническими структурами не найдено. Средняя концентрация ртути 0.74±0.17 нг/м³, зафиксированная во время экспедиции над Байкалом, была в два раза меньше средней величины – 1.6±0.15 нг/м³, зафиксированной на береговой станции мониторинга западного побережья Южного Байкала в п. Листвянка в те же дни наблюдений (Луцкин и др., 2023) и, вероятно, объясняется осаждением ее из атмосферы в процессе конденсации влаги над водной поверхностью.

Рис.5. Изменчивость концентрации газообразной элементарной ртути (нг/м³) в атмосфере над поверхностью южной, средней и северной котловинами Байкала (5-15 июля 2023 г.)

4. Заключение

Во время экспедиционных работ на судне НИС «Г.Ю.Верещагин» с 5 по 15 августа 2023 г. выявлена пространственно-временная картина распределения загрязняющих примесей (PM_10, ПАУ и газообразной элементарной ртути) в атмосфере над акваторией оз. Байкал, оценены потоки на водную поверхность озера. Повышение концентрации до 180 раз от фоновых значений для ПАУ, до 10 раз для PM₁₀ (определенных в чистых районах озера), наблюдались в Южном Байкале у населенных пунктов (п. Листвянка, гг. Слюдянка, Байкальск) в условиях штилевой погоды и в Истоке Ангары при северо-западном ветре. При этом концентрации бенз(а)пирена и аэрозольных частиц не превышали стандартов качества воздуха. Обнаружена положительная корреляция концентрации суммы ПАУ с средней (PM₁< 1мкм) и грубодисперсной (PM₁₀от 1 до 10 мкм) фракциями аэрозоля, что указывает на сходное расположение их источников. Потоки ПАУ на водную поверхность озера были в 15 раз ниже значений, полученных в пожароопасный период 2016 года. Средняя концентрация ртути в атмосфере над озером (0.74±0.17 нг/м³) определена ниже уровня береговых значений на станции мониторинга в п. Листвянка (1.6±0.15 нг/м³).

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (19–77–20058 П). Химический анализ ПАУ выполнен с использованием оборудования Центра коллективного пользования “Ультромикроанализ” Лимнологического института СО РАН.