Горячие углеводородные точки на карте холодной Арктики

Рис. 1. Импактные зоны на побережье арктических морей: 1 – области влияния речного стока; 2 – расположение источников локального загрязнения («горячие точки»); 3 – направление дрейфа льдов. Иллюстрация из архива автора

Хозяйственная деятельность на акваториях арктических морей пока невелика. Исключение представляют акватории Баренцева и Белого морей, где ведутся разведка и добыча углеводородного сырья, рыбный промысел, развито транспортное и военное судоходство. Только на рыбном промысле в Баренцевом море постоянно находится около 200 судов российских рыбодобывающих компаний. Из-за специфики Арктики серьезные локальные загрязнения могут при определенных условиях приобретать региональный и даже циркумполярный характер.

Насколько загрязнена Арктика

Состояние окружающей среды Арктики до сих пор остается фрагментарно изученным и вызывает нарастающую озабоченность в связи с существованием так называемых «горячих точек». В них масштабы деградации естественных экосистем достигли опасных значений (рис. 1).

Наиболее серьезные экологические угрозы в арктических морях обусловлены возможными нефтяными разливами. При транспортировке топлива основными антропогенными источниками становятся морские течения, пресноводный сток с территории водосбора, трансграничный атмосферный перенос. Нефть, попадая в море, распределяется по-разному. При наличии снежно-ледяного покрова создаются два дополнительных барьера: снег–лед и лед–вода, которые также оказывают влияние на поведение нефти (рис. 2).

В отличие от разливов в районах с умеренным климатом естественная очистка после выбросов нефти в Арктике может длиться не годы, а десятилетия, как это произошло после аварии танкера «Эксон Валдез» в районе Аляски. Даже через восемь лет после разлива состав нефтяных комков оставался петрогенным, то есть нефтяным.

Волнение в море усиливает испарение, но в то же время способствует и более быстрому образованию эмульсии «вода в нефти» и «нефть в воде». Из-под воды нефть испаряться уже не может. Бензин испаряется быстро и полностью исчезает с поверхности воды, а мазут практически не испаряется. Эмульгирование во льдах почти полностью подавляется из-за ослабления волновой деятельности и, как следствие, низкой турбулентности поверхностного слоя воды.

При температуре около нуля по Цельсию плотность нефти и нефтепродуктов обычно становится больше плотности льда, и поэтому лед как бы наползает на нефтяную пленку. Этому способствуют также ветер и течения. Установлено, что при скорости ветра 12 м/с, скорости течения 0,5 м/с и толщине льда 15–45 см нефть легко загоняется под лед. Шельфовые моря, которые производят и «экспортируют» большие объемы льда, особенно эффективны в транспортировке разлитой нефти во внутренние районы Северного Ледовитого океана. Например, нефть, разлитая в море Бофорта, может циркулировать в круговороте этого моря в течение пяти или более лет. Тогда как разлив в Карском море или море Лаптевых может быть вынесен из Арктики через Баренцево море или пролив Фрама в течение одного-двух лет.

Возможность крупномасштабного влияния нефти на тепловой режим арктических морей, вызванного снижением альбедо снежно-ледяного покрова, загрязненного нефтью, приводит к таянию льдов в весенне-летний период. Даже незначительное изменение альбедо приводит к интенсивному таянию льдов. Поэтому значительное нефтяное загрязнение снежно-ледяной поверхности может привести к изменению количества льдов в Арктическом бассейне.

Лед как нефтяная  промокашка

Перемещение ледового пятна вместе со льдом происходит преимущественно под действием ветра. В условиях пониженной температуры и ограниченного притока солнечной радиации и кислорода замедляется бактериальный и фотохимический распад углеводородов. Из физико-химических свойств наиболее важно увеличение плотности нефтей с понижением температуры воздуха.

Многочисленные эксперименты по разливу нефтепродуктов на многолетние льды показали, что в механизме их трансформации большое значение имеют такие факторы, как температура воздуха и наличие биогенных элементов. Даже зимой через 10 суток экспозиции оставалось менее 50% разлитого дизельного топлива. При этом главную роль в трансформации углеводородов приобретают ветровые процессы, которые разрушают нефтяную пленку на 50–70%.

На долю фотоокисления благодаря действию солнечной радиации приходится 15–35%, а биологическая утилизация составляет всего 2–7%. Наиболее интенсивно испарение пленок происходит при скорости ветра, превышающей 5 м/с.

Рис. 2. Поведение нефти в море при наличии снежно-ледяного покрова. Иллюстрация из архива автора

Однако в этих экспериментах не учитывалось поглощение углеводородов льдами, которые, как показали наши расчеты, изменяют площадь разлива (рис. 3). Оказалось, что через 240 часов после начала разлива, то есть через 15 суток, пленка дизельного топлива практически исчезает с поверхности воды. Ее толщина уменьшается до 0,001 мм. В конце этого периода объем разлива составил менее 1% от первоначального. В случае разлива сырой нефти пленка исчезает через 30 суток. Образование ледового покрова примерно в два раза сокращает площадь разлива.

Наибольший захват нефтепродуктов происходит при образовании морского льда при волнении, снегопаде и низкой температуре воздуха. Если ледообразование происходит при небольшом градиенте температур вода–воздух, то лед становится пористым (до 100 см3/кг) и нижние его слои обладают повышенной сорбционной способностью. По мере таяния льда и при продолжении его формирования в нижнем слое нефть будет продвигаться вверх и в конце концов окажется на поверхности.

В арктических условиях лед способен аккумулировать и удерживать до 1 млн баррелей нефти на 1 кв. милю ледового покрова. Эти процессы значительно ускоряются под действием солнца при появлении первых признаков нефти на поверхности льда. Прямые наблюдения показывают, что таяние льда, под которым находится нефть, происходит на две недели раньше.

Маргинальный фильтр для углеводородов

Исследования, проведенные в 1998–2011 годах, установили, что концентрации нефтяных углеводородов в поверхностных водах, превышающие 50 мкг/л (этот показатель – предельно допустимая концентрация (ПДК) для нефтяных углеводородов), встречаются очень редко. До начала реализации крупномасштабных проектов разведки и добычи углеводородного сырья на шельфе Баренцева и Карского морей прямое поступление сырой нефти имело крайне ограниченный характер.

Основной источник антропогенных углеводородов в Баренцевом море – прибрежные поступления из промышленно развитых районов Европы, США, районов добычи нефти и активного судоходства. Баренцево море стало так называемой разгрузочной зоной для различных антропогенных соединений. Повышенные уровни нефтяного загрязнения характерны в основном для мелководной прибрежной зоны вблизи гаваней портовых городов.

Воды окраинных морей – Баренцево, Печорское, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское – находятся под влиянием рек Оби, Енисея, Лены, Печоры и др. До последнего времени считалось, что решающий вклад в суммарное поступление нефтяных углеводородов в моря Арктики принадлежит речному стоку, благодаря которому потоки нефти могут исчисляться десятками и сотнями тысяч тонн в год.

Действительно, наши исследования, проведенные по трассе Северного морского пути, показали, что наибольший диапазон концентраций наблюдался в приустьевых районах (рис. 4). В частности, многолетние работы в устьевой области реки Северная Двина установили, что характер распределения углеводородов подчиняется закономерностям маргинального фильтра. По модели, предложенной академиком Александром Лисицыным, барьер река–море (маргинальный фильтр) состоит из трех основных зон, принципиально различающихся по их функциям.

Рис. 3. Модельные расчеты площади разлива (км2) на поверхности Енисейского залива в различные интервалы времени после аварийного выброса дизельного топлива (1; 2) и сырой нефти (3; 4) до (1; 3) и после (2; 4) образования ледового покрова. Иллюстрация из архива автора

Первая – гравитационная зона, где из-за подпруживания речных вод морскими происходит осаждение песчано-алевритовых фракций. В физико-химической зоне происходит захват коллоидов и растворенных соединений – зона флоккуляции и коагуляции. В биологической зоне с просветлением воды происходит развитие фитопланктона, и вновь благодаря природным процессам могут возрастать концентрации углеводородов.

Во время весеннего паводка содержание углеводородов в водах маргинального фильтра Северной Двины значительно превысило их концентрации по сравнению с летней меженью. В этот период в речную воду переходит накопленное в снеге и льдах большое количество органических соединений природного и антропогенного происхождения.

В Карском море максимальный градиент концентраций углеводородов в воде так же, как других соединений, наблюдался в устьевой области реки Обь (рис. 4). В устье Енисея концентрации углеводородов изменялись в меньшем диапазоне. В отличие от Оби сток Енисея зарегулирован, в результате произошло снижение поступления наносов более чем в два раза – с 13 млн т/год до 4,9 млн т/год.

Что творит Природа

Полученные данные противоречат распространенному мнению, что в Карском море существуют многочисленные «горячие точки» с максимальным загрязнением Обь-Енисейского района. Возможно, они существуют в водосборе рек Карского моря. Было установлено, что воды в нижнем течении рек Оби, Пура, Надыма характеризуются как «чрезвычайно грязные», а воды реки Таз – как «значительно загрязненные».

Это означает, что для первых трех рек предельно допустимая концентрация загрязняющих веществ может быть превышена в 30–50 раз, а для второй реки – в 7–10 раз. В донных отложениях Обской губы содержание нефтяных углеводородов в 3,2 раза превышало допустимые концентрации (по нормам Евросоюза).

В то же время, как показали наши исследования и имеющиеся в литературе данные, в эстуариях (устьях) Енисея и Оби даже несмотря на высокие концентрации, состав углеводородов имеет преимущественно природное происхождение. Видимо, более значимым процессом загрязнения устьевых областей Оби и Енисея становится дальний перенос загрязнений с водами протоков, пересекающих районы нефтедобычи.

Таким образом, по сравнению с большинством других районов мира в Арктике все еще сохраняется относительно чистая окружающая среда. Судоходство как источник нефтяного загрязнения Арктики может представлять определенную опасность лишь на акваториях, прилегающих к портам и трассам интенсивных морских перевозок (например, Кольский и Кандалакшский заливы), тогда как на основной части Арктики этот фактор пока не играет заметной роли.

Рис. 4. Распределение углеводородов (мкг/л) во взвешенной (б) форме в поверхностных водах в сентябре 2011 года.

На границе река–море углеводородное загрязнение, выносимое реками, не преодолевает область смешения и переходит в осадки. В основном это высокомолекулярные углеводороды – в частности, бенз(а)пирена и другие канцерогенные полиарены.

По мере удаления от таких районов в сторону открытого моря количество загрязняющих веществ уменьшается до величин, регистрация которых становится невозможной на фоне естественной динамики природных процессов. Учитывая преимущественно природный состав углеводородов, можно заключить, что маргинальные фильтры рек справляются с поступающими загрязнениями. Поэтому вывод о том, что реки являются основным источником нефтяного загрязнения шельфа арктических морей, явно преувеличен.

Анализ приведенных результатов показывает, что начиная с 1990 года в концентрациях и составе углеводородов в донных осадках произошли изменения только в прибрежных районах арктических морей. При этом в качестве источника полиаренов, формирующих высокие концентрации в донных осадках прибрежного района Свальбарда, предполагали эрозию углистых отложений западной части острова Шпицберген.

Величины концентраций углеводородов в осадках моря Бофорта (597 нг/г), в дельте реки Маккензи (748 нг/г), а также в северо-западной части Баренцева моря (607 нг/г) можно считать близкими. Высокие концентрации в этих акваториях обусловлены подтоком газово-жидких флюидов из нижележащих толщ.

При составлении баланса углеводородов в арктических средах (Arctic Monitoring and Assessment Programme – AMAP) оказалось, что количество нефтяных углеводородов, поступающих при добыче, транспортировке и потреблении нефти, значительно ниже (менее 7%, 730 т) по сравнению с поступлениями от природных просачиваний (79%, 8360 т). Другими словами, в этих районах уровень содержания углеводородов обусловлен природными, а не антропогенными процессами.