Методический подход к оценке аэрозольного техногенного загрязнения по данным спутниковых наблюдений на примере горнопромышленного комплекса Мурманской области

С.П.Месяц, заведующий лабораторией;

С.П.Остапенко, к.т.н., старший научный сотрудник;

А.В.Зорин, к.г.н., научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН (ГоИ КНЦ РАН)

Введение

Атмосферный воздух является важнейшим природным ресурсом, необходимым наряду с солнечным светом, почвой и водой для жизнеобеспечения человека и природных экосистем. В этой связи актуальной является оценка аэрозольного техногенного загрязнения воздуха с целью принятия решений по минимизации последствий для населения и природной среды, что имеет принципиальное значение в условиях крайней уязвимости природной среды Арктики.

Освоение минерально-сырьевых ресурсов неизбежно приводит к загрязнению воздуха. Характерным видом загрязнения являются выбросы горнопромышленными предприятиями тонкодисперсных минеральных частиц [1]. Аэрозольное загрязнение образуется при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, при обогащения руд, хранении складированных отходов добычи и переработки руд, при переработке получаемых концентратов. Наибольшую опасность для здоровья человека представляют взвешенные частицы крупностью менее 10 мкм (РМ10 и РМ2.5), их предельно допустимые среднегодовые концентрации в атмосферном воздухе населенных мест, согласно ГН 2.1.6.2604-10, составляют 0,04 и 0,025 мг/м3, соответственно.

Время нахождения взвешенных частиц в атмосфере, в течение которого частицы переносятся от источника, зачастую, на значительные расстояния, определяется их размером и изменяется от суток (фракции +10мкм) до нескольких месяцев (фракции –5 мкм) [2].

Казалось бы, над территорией Кольского полуострова (Мурманская область) активная циклоническая деятельность с умеренными и сильными ветрами должна способствовать очищению атмосферы в результате рассеивания взвешенных частиц. Однако данные наземных наблюдений свидетельствуют о наличии характерных зон постоянного техногенного загрязнения [3].

Определение площади аэрозольного воздействия горнопромышленных предприятий на территории Мурманской области не проводилось из-за недостаточного количества станций наземной сети метеорологических наблюдений. Представляется целесообразным для оценки аэрозольного техногенного воздействия предприятий использовать данные зондирования атмосферы из космоса, превосходящие по информативности (объему и пространственному разрешению) наблюдения любой наземной сети.

Среди источников, характеризующих аэрозольное загрязнение атмосферы, оптимальными по территориальному охвату являются данные, предоставляемые NASA, отличающиеся оперативностью публикации, доступом в режиме онлайн, наличием автоматизированного архива, наибольший интерес из которых представляют данные о вертикальном распределении аэрозольного загрязнения в атмосфере (проект CALIPSO) и панорамной съемки интегральных характеристик прозрачности атмосферы (проект MODIS) [4].

Пространственное распределение аэрозольного загрязнения определяется совокупностью многих факторов, наиболее важными являются местоположение источника загрязнения и интенсивность выбросов, рельеф территории, метеорологические условия [5]. Вследствие влияния множества факторов уровень техногенного аэрозольного загрязнения является вероятностной величиной, что обусловливает применение геостатистических методов.

Цель проводимых исследований

Оценка влияния горнопромышленных предприятий на природную среду по данным спутниковых и наземных наблюдений в арктических регионах.

Характеристика объекта исследования

Мурманская область – самая населенная часть Арктической зоны России (766 тыс. человек на 01.01.2015 г.), занимает территорию в 144,9 тыс. км2. Градообразующие горнопромышленные предприятия находятся на северо- и юго-западе и в центральной части области.

Географическое положение области определяет вклад промышленных источников Западной Европы в загрязнение атмосферного воздуха в результате переноса техногенного аэрозольного загрязнения с запада на восток струйными течениями в верхних слоях атмосферы (трансграничный перенос) [5].

Большая часть территории области находится севернее Полярного круга в Атлантико-Арктической зоне умеренного климата, отрицательных среднегодовых температур и избыточного увлажнения воздуха. С трех сторон Мурманскую область окружают Баренцево (с Севера) и Белое (с Востока и Юга) моря. Близость теплого течения Гольфстрим обуславливает большие температурные различия незамерзающего Баренцева моря и материка в летние и зимние месяцы. В этой связи ветровой режим носит муссонный характер, который выражается в преобладании зимой ветров южного и юго-западного направлений, а летом – северного и северозападного направлений. Осаждению взвешенных частиц способствуют осадки (для Мурманской области их годовая норма составляет 500–600 мм) и их продолжительность (порядка 3700 час/год).

Неблагоприятными для самоочищения атмосферного воздуха метеорологическими условиями, способствующими накоплению загрязняющих веществ в приземном слое, являются штиль, туман, температурная инверсия. Продолжительность штилей и туманов на территории Мурманской области составляет 1750 и 150 час/год, соответственно. Продолжительность приземных инверсионных состояний атмосферы составляет около 2978 ч, средняя интенсивность инверсий ~3,7°C , повторяемость 34%, мощность ~0,5 км. Интенсивность приподнятых инверсий составляет ~2,4°C, повторяемость 6%, высота их нижней границы изменяется от 0,01 до 2 км, их мощность ~0,45 км [6].

Рельеф территории области достаточно сложен: перепад высот составляет от 10 м на равнине до 1200 м в горных массивах. Высота расположения горнопромышленных предприятий изменяется в диапазоне от 30 до 320 м (табл. 1).

Горнопромышленные предприятия Мурманской области, являющиеся источником аэрозольного загрязнения атмосферы

Максимальное расстояние между источниками загрязнения составляет 259 км в меридиональном направлении (между предприятиями №1 и №9), в широтном –162 км (между предприятиями №7 и №8) (табл. 1). По территориальной близости можно условно выделить три горнопромышленных района:

- северо-западный, включающий предприятия №1 и №2, с суммарным выбросом загрязнений в атмосферу ~125 тыс. т;

- центральный (предприятия №№ 3–7) с суммарным выбросом загрязнений в атмосферу ~61 тыс. т;

- юго-западный (предприятие №8 и №9) с суммарным выбросом загрязнений ~21 тыс. т.

При кажущейся простоте, оценка воздействия предприятий на природную среду по величине суммарного выброса загрязнений в атмосферу не совсем корректна, поскольку не принимается во внимание пространственное распределение аэрозольного загрязнения, что, в свою очередь, затрудняет определение приоритетов в региональных экологических программах.

Экспериментальная часть

Источником сведений о содержании аэрозольных частиц в атмосфере являются данные дистанционного зондирования территории космическим аппаратом MODIS Terra разрешением 10€10 км (MOD04_L2) [8]. В качестве параметра аэрозольного загрязнения атмосферы использовалась величина аэрозольной оптической толщи (АОТ) на длине волны 0,47 мкм, характеризующая ослабление света в атмосфере за счёт его поглощения и рассеяния. В исследуемую совокупность входили все имеющиеся в базе NASA LP DAAC (Land Processes Distributed Active Archive Center) и EROS (USGS/Earth Resources Observation and Science Center) данные дистанционного зондирования за период 2000–2015 гг. [4]. Расчет величины АОТ проводился обработкой данных, полученных в светлое время суток, с 1 мая по 30 октября (с учетом полярного дня арктического региона).

Распределение аэрозольного загрязнения по высоте оценивалось по данным лидарного зондирования атмосферы, выполненного в рамках проекта CALIPSO (CAL_LID_L2_05km APro-Prov-V3-30) [9]. При исследовании учитывались координаты нижней отметки загрязнения атмосферы.

Для изучения пространственного распределения АОТ использовалась программная среда статистических расчетов R [10] и пакеты специализированной обработки данных raster [11], rasterVis [12], gstat [13]. Площадь аэрозольного техногенного воздействия горнопромышленного предприятия рассчитывалась по пространственной корреляции АОТ в меридиональном и широтном направлениях от источника загрязнения. Результирующее значение площади воздействия предприятия определялось усреднением лагов вариограмм в меридиональном и широтном направлениях за период 2000–2015 гг.

Расчет преимущественных направлений выноса аэрозольного техногенного загрязнения от локального источника выполнялся обращением розы ветров.

Результаты и их обсуждение

Распределение аэрозольных частиц в атмосфере носит вероятностный характер, поэтому исследование их рассеивания требует представительного объема данных и длительного срока наблюдений.

За 16-летний период с 2000 по 2015 гг. с 1 мая по 30 октября число наблюдений АОТ над территориией Мурманской области космическим аппаратом MODIS Terra варьировалось в диапазоне от 300 до 1500 (рис. 1).

Рис. 1 Количество наблюдений аэрозольного загрязнения по данным съемки MODIS Terra территории Мурманской области с 2000 по 2015 гг. в период с 1 мая по 30 октября. 1 и 2 – Комбинат «Печенганикель», 3 – Оленегорский ГОК, 4 – Комбинат «Североникель», 5 – фабрика АНОФ-2, АО «Апатит», 6 – фабрика АНОФ-3, АО «Апатит», 7 – ГОК «Олений ручей», 8 – АО «Ковдорский ГОК», 9 – Кандалакшский алюминиевый завод филиал «КАЗ-СУАЛ»; К – контрольные точки

Рис. 1 Количество наблюдений аэрозольного загрязнения по данным съемки MODIS Terra территории Мурманской области с 2000 по 2015 гг. в период с 1 мая по 30 октября. 1 и 2 – Комбинат «Печенганикель», 3 – Оленегорский ГОК, 4 – Комбинат «Североникель», 5 – фабрика АНОФ-2, АО «Апатит», 6 – фабрика АНОФ-3, АО «Апатит», 7 – ГОК «Олений ручей», 8 – АО «Ковдорский ГОК», 9 – Кандалакшский алюминиевый завод филиал «КАЗ-СУАЛ»; К – контрольные точки

Ограничение количества наблюдений связано с высокой повторяемостью 10-балльной облачности, составляющей ~70% (табл. 2). Примечательно, что число наблюдений аэрозольного загрязнения над горнопромышленными районами существенно меньше числа наблюдений в восточной, промышленно неосвоенной части области (рис. 1).

Показатели аэрозольной оптической толщины, характеризующие горнопромышленные районы Мурманской области, и метеопараметры в период с 2000 по 2015 г.

Влияние метеорологических факторов в большей степени проявляется в максимальных значениях АОТ, характеризующих источники аэрозольного техногенного загрязнения на территории Мурманской области: чем больше повторяемость ветров >7 м/с, тем лучше рассеивание аэрозольного загрязнения. Так для северо-западного горнопромышленного района количество выбросов в атмосферу предприятием составляет 125,018 тыс. т, при этом максимальная величина АОТ составляет 1,028–1,393 при повторяемости скорости ветров более 7 м/с 22,4%. Для центрального горнопромышленного района при суммарных выбросах 61 тыс. т максимальная величина АОТ составляет от 1,230 до 2,236 при повторяемости скорости ветров более 7м/с ~ 14%. Влияние количества осадков на АОТ проявляется в меньшей степени. Анализ средних значений АОТ, характеризующих аэрозольное загрязнения атмосферы, несмотря на значительное число наблюдений, не обнаруживает значимой корреляции с объемом выбросов предприятий в атмосферу.

В табл. 2 представлены показатели аэрозольной оптической толщины, характеризующие загрязнение атмосферы горнопромышленных районов Мурманской области, объединяющих несколько предприятий.

Отсутствие прямой корреляции между средними АОТ и метеопараметрами предполагает наличие других факторов, наличие других факторов,влияющих на значения АОТ, таких как пылеобразование природного характера и трансграничный перенос.

Для разграничения источников аэрозольного загрязнения (пылеобразование природного происхождения, техногенный источник, трансграничный перенос) исследовалась вертикальная стратификация аэрозольного загрязнения атмосферы над Мурманской областью по данным спутникового лидарного зондирования (табл. 3).

О частоте случаев трансграничного переноса аэрозольных загрязнений из Западной Европы свидетельствует повторяемость аэрозольного загрязнения на высоте более 5 км, отмеченная для комбината Печенганикель» (п. Никель и г. Заполярный) и АО «Ковдорский ГОК» (г. Ковдор) (для северозападного и юго-западного горнопромышленных районов), расположенных в непосредственной близости от западной границы Мурманской области.

Для всех горнопромышленных районов характерно наличие аэрозольного загрязнения природного и техногенного характера в приповерхностной области и техногенного характера на высоте до 5 км (табл. 3).

В контрольных точках (рис. 1) трансграничный перенос на высоте более 5 км и загрязнение техногенного характера на высоте до 5 км отсутствуют, что позволяет отнести приповерхностное аэрозольное загрязнение к природному. Повторяемость наличия аэрозольного загрязнения для выделенных горнопромышленных районов (от 27 до 52%) в несколько раз выше, чем для контрольных точек (от 4 до 16%), в которых область аэрозольного загрязнения характеризует загрязнение природного характера.

Для площадной оценки аэрозольного воздействия предприятий проведен расчет корреляции аэрозольной оптической толщины (АОТ) по вариограммам в меридиональном и широтном направлениях в случаях кратного превышения над контрольными точками. Медианное абсолютное отклонение для меридиональной и широтной протяженности составляло 3,5 и 6 км, соответственно. Удельная нагрузка загрязнения предприятий рассчитывается с учетом общей массы выбросов, в которой твердые частицы составляют ~9,5% [7], и площади воздействия.

Как показали расчеты, наибольшее аэрозольное загрязнение характеризует комбинат «Печенганикель» (п. Никель и г. Заполярный, суммарная удельная нагрузка загрязнения 14 т/км2) и комбинат «Североникель» (г. Мончегорск, удельная нагрузка 13,3 т/км2), что многократно превышает таковую остальных предприятий (от 0,4 до 2,7 т/км2). Это объясняется наличием в технологическом процессе комбинатов слива горячих шлаков в открытые шлакохранилища, сопровождающегося образованием значительного количества аэрозоля.

Табл. 4 Характеристика аэрозольного загрязнения горнопромышленных районов Мурманской области, каждый из которых представлен несколькими предприятиями горного профиля

Следует отметить, что по выбросам в атмосферу комбинат Печенганикель» (п. Никель и г.Заполярный) более, чем в три раза превосходит комбинат «Североникель» (г. Мончегорск) (125,018 и 39,222 т соответственно, табл. 1). Поскольку, из-за различия ветрового режима в результате влияния горных массивов на аэрографию, площади воздействия этих предприятий различны (829 и 280 км2 соответственно), удельная нагрузка загрязнения получается сравнимой (14,5 и 13,3 т/км2 соответственно). По данным табл. 4 центральный район превосходит другие по суммарной удельной нагрузке загрязнения (17,3 т/км2) и площади (1793 км2).

Рис. 2 Площадь аэрозольного техногенного загрязнения центрального горнопромышленного района Мурманской области

Рис. 2 Площадь аэрозольного техногенного загрязнения центрального горнопромышленного района Мурманской области

роходит через населенные пункты, акватории озер Умбозеро и Имандра, являющихся источниками водоснабжения. Из-за аэрозольного загрязнения происходит ухудшение светового режима подстилающей поверхности (уменьшение количества и интенсивности света, изменение его спектрального состава) в результате рассеяния и поглощения солнечного излучения.

Вымывание аэрозольного техногенного загрязнения из облачного и подоблачного пространства приводит к его депонированию в почвенном покрове, в донных осадках водоемов. Многолетняя деятельность горнопромышленных предприятий привела к увеличению содержания тяжелых металлов (ТМ), стронция, алюминия, фтора в почвах и растениях [3].

Данные спутниковых наблюдений аэрозольного техногенного загрязнения Мурманской области хорошо согласуются с результатами наземных наблюдений загрязнения почв.

Оценка техногенной нагрузки горнодобывающей отрасли на природную среду, проведенная на предыдущем этапе исследований, показала, что районы максимального загрязнения почв соединениями тяжелых металлов приурочены к местоположению горнопромышленных предприятий, (учитывался уровень техногенной нагрузки (в виде суммарного содержания тяжелых металлов в почвах). В качестве индикатора техногенного воздействия на почвы в условиях многокомпонентного загрязнения ТМ, такими как Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, использовался суммарный показатель загрязнения

суммарный показатель загрязнения

где Kc – коэффициент концентрации i-ого химического вещества, определяемый отношением фактического содержания элемента в почве к его фоновому содержанию, n – число химических элементов, входящих в изучаемую ассоциацию.

Минимальное рассчитанное значение Zc для Мурманской области составляет 2,8, что отвечает допустимому уровню загрязнения почвы.

Максимальное значение составляет 178, что превышает чрезвычайно опасный уровень загрязнения.

Область чрезвычайно опасного, высоко опасного уровней загрязнения охватывает крупные промышленные центры. Менее освоенным в хозяйственном отношении восточным и западным территориям Кольского полуострова соответствуют допустимые уровни загрязнения тяжелыми металлами (рис. 3) [14].

Таким образом, выявленное по данным спутниковых наблюдений аэрозольное техногенное загрязнение является наглядным индикатором воздействия горнопромышленных предприятий на природную среду, что определяет перспективу использования разработанного методического подхода для оценки экологического состояния территории горнопромышленных регионов.

Заключение

В результате исследований изучено аэрозольное техногенное загрязнение над территорией Кольского горнопромышленного комплекса (Мурманская область) на основании данных вертикального распределения аэрозольного загрязнения в атмосфере (проект CALIPSO) и панорамной съемки интегральных характеристик прозрачности атмосферы (проект MODIS) (NASA). По совокупности данных спутниковых наблюдений аэрозольной оптической толщи, повторяемости наличия и нижней отметки аэрозольного загрязнения выполнено разделение региональных источников техногенного загрязнения, трансграничного переноса из Западной Европы и источников природного происхождения.

Рис. 3 Загрязнение почв Мурманской области тяжелыми металлами

Рис. 3 Загрязнение почв Мурманской области тяжелыми металлами

Предложено характеризовать источники загрязнения площадью аэрозольного воздействия и удельной нагрузкой. Показано, что наибольшие суммарные удельная нагрузка и площадь воздействия наблюдаются в центральной части Мурманской области (удельная нагрузка загрязнения 17,3 т/км2, площадь воздействия 1793 км2). Площади воздействия нескольких предприятий, перекрываясь, формируют полосу загрязнения протяженностью ~150 км. Данные спутниковых наблюдений аэрозольного загрязнения Мурманской области хорошо согласуются с результатами наземных наблюдений техногенного загрязнения почв.

Предложенный подход к оценке аэрозольного техногенного воздействия крупных промышленных объектов на природную среду перспективен для характеристики экологического состояния территорий, расположенных в полярных широтах.

Работа выполнена в рамках Программы по стратегическим направлениям развития науки №3 «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации», номер госрегистрации АААА-А16-116022510126-1

Информационные источники:
1. Бухтияров И.В., Чеботарёв А.Г. Проблемы медицины труда на горнодобывающих предприятиях Сибири и Крайнего Севера. Горная Промышленность. 2013. №5 (111). С. 77.
2. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 194с.
3. Environmental geochemical atlas of the central Barents region / Reinmann C., Ayras M., Chekushin V.A., Bogatyrev I.V. and others. - Norway, NGU, 1998. - 745 p.
4. The online Data Pool, courtesy of the NASA Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC), USGS / Earth Resources Observation and Science (EROS) Center, Sioux Falls, South Dakota. - https://lpdaac.usgs.gov/data_access/data_pool
5. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Выпуск 02. Мурманская область / Евсеева В.И. (часть 1) Бут Н.О. (части 2-6) Справочник. - Ленинград: Гидрометиздат, 1988. - 316 с.
7. Ежегодные доклады о состоянии окружающей среды Мурманской области. http://www.govmurman.ru/region/environmentstate/
8. Kaufman, Y. J., D. Tanre, L. A. Remer, E. F. Vermote, A. Chu, and B. N. Holben, Operational remote sensing of tropospheric aerosol over land from EOS moderate resolution imaging spectroradiometer. - J. Geophys. Res. - 1997- 102. - pp. 17051-17067.
9. Winker, D. M., Pelon J., McCormick M. P. The CALIPSO mission: Spaceborne lidar for observation of aerosols and clouds / Lidar Remote Sensing for Industry and Environment Monitoring III // U. N. Singh, T. Itabe, and Z. Lui, Eds. - International Society for Optical Engineering (SPIE Proceedings). - 2003. - vol. 4893. - P.1-11.
10. R Development Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. - 2008. - ISBN 3-900051-07-0. - http://www.Rproject.org
11. Hijmans R.J., Jacob van Etten, Cheng J., Mattiuzzi M. et al.http://cran.r-project.org/web/packages/raster/index.html
12. Lamigueiro O.P., Hijmans R. http://cran.rproject.org/web/packages/rasterVis/index.html
13. Pebesma, E.J., Multivariable geostatistics in S: the gstat package. - Computers & Geosciences. - 2004. - 30. pp. 683-691.
14. Месяц С.П., Остапенко С.П. Оценка ресурсных возможностей территории Кольского горнопромышленного комплекса для восстановления почвенно-экологических функций нарушенных земель // Экология антропогена и современности: природа и человек: Сборник научных докладов, представленных на международную конференцию. Волгоград-Астрахань, 24-27 сентября 2004 г. СПб.: «Гуманистика», 2004. с. 409-417.
Ключевые слова: атмосфера, горнопромышленное предприятие, аэрозольное техногенное загрязнение, данные спутниковых и наземных наблюдений.

Журнал "Горная Промышленность"№6 (130) 2016, стр.69