Distribution of ²²⁸Ra and ²²⁶Ra in the surface layer of the Black Sea waters

Толық мәтін

Введение

Долгоживущие изотопы радия ²²⁶Ra и ²²⁸Ra характеризуются длительным периодом полураспада, равным 1600 и 5,75 лет соответственно. Эти изотопы непрерывно образуются в рядах распада урана-238 и тория-232 соответ-ственно, которые содержатся в основном в почвах, горных породах и донных отложениях. Особенности распределения изотопов радия в Мировом океане тесно связаны с периодом их полураспада и источником поступления, а также с гидродинамическими условиями, наблюдаемыми в том или ином районе океана [1, 2].

Согласно литературным данным, ²²⁶Ra и ²²⁸Ra образуются непосредствен-но в морской среде в результате распада материнских ядер (торий-230 и торий-232 соответственно), а также поступают в нее с субмаринной разгрузкой подземных вод [3–5], речным стоком [6, 7], в результате диффузии из донных отложений [8] и с атмосферными осадками [9]. Из морской среды эти изотопы выводятся в результате радиоактивного распада [10]. Несмотря на то что концентрации ²²⁶Ra и ²²⁸Ra на взвеси на два порядка меньше, чем в растворенной форме [11–13], вертикальный перенос ²²⁶Ra частицами оседающего взвешенного вещества (так называемый «биологический насос») является доминирующим процессом удаления этого изотопа из верхних слоев Мирового океана. На это указывают результаты недавно опубликованного исследования [14].

Научный интерес к указанным изотопам радия обусловлен возможностью их использования в роли трассеров для исследования процессов перемешивания (вертикального и горизонтального) в прибрежных [15–17] и глубоководных [2, 18] районах Мирового океана. С их помощью выявляют ¹ [15] и идентифицируют [15, 19–21] источники пресных вод в морской среде, а также оценивают объем поступающих пресных вод [4, 22] и количество веществ (биогенные вещества, тяжелые металлы и др.), попадающих с ними в воды морей и океанов [4, 23, 24]. В частности, в работах [25–27] было показано, что содержание биогенных элементов в районах субмаринной разгрузки на два порядка может превышать фоновые уровни.

Изучению пространственной изменчивости полей концентрации ²²⁶Ra и ²²⁸Ra в различных районах Мирового океана уделяется большое внимание [5, 28]. В то же время подробных исследований особенностей такой изменчивости этих радионуклидов в водах Черного моря ранее не проводилось.

В настоящей работе представлены новые, а также опубликованные ранее [29–31] данные о содержании ²²⁶Ra и ²²⁸Ra в поверхностном слое вод различ-ных районов Черного моря. Цель работы заключается в обобщении сведений об особенностях пространственной изменчивости полей концентрации ²²⁶Ra и ²²⁸Ra и факторах, определяющих эти особенности в пределах экономической зоны РФ в Черном море.

Материалы и методы

Отбор проб. Экспедиционные работы выполнялись в ходе 106-го (18 апреля – 13 мая 2019 г.), 116-го (22 апреля – 17 мая 2021 г.) и 121-го (19 апреля – 14 мая 2022 г.) рейсов НИС «Профессор Водяницкий», а также в ходе прибрежной экспедиции 19 июля 2020 г. на м. Айя. Во время экспедиций были проведены гидрологические измерения, отбор проб для определения концентрации биогенных элементов (кремниевая кислота, растворенный неорганический фосфор) и объемной активности изотопов ²²⁶Ra, ²²⁸Ra.

Для определения концентрации биогенных элементов пробы морской во-ды отбирали в пластиковые емкости объемом 125 мл, после чего фильтровали через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм (ЗАО «Владисарт», Россия) и замораживали для дальнейшего анализа в береговой лаборатории.

Для определения объемной активности ²²⁶Ra и ²²⁸Ra пробы морской воды отбирали с глубины 3 м (0,3 м во время береговой экспедиции) в пластиковые емкости объемом 200–250 л с помощью погружного вибрационного насоса UNIPUMP БАВЛЕНЕЦ БВ 0,12-40-У5 (ООО «Саблайн Сервис», Россия), одновременно фильтруя через полипропиленовый картридж с диаметром пор 1 мкм. Далее на судне проводили сорбционное концентрирование радия. При проведении прибрежной экспедиции отобранные пробы воды транспортировались в лабораторию, в которой проводилось концентрирование радионуклидов.

Сорбционное концентрирование изотопов ²²⁶Ra, ²²⁸Ra. Извлечение данных изотопов проводили двухколоночным методом путем пропускания с помощью перистальтического насоса LongerPump WT600-2J (Longer Precision Pump Co., Китай) 200–250 л отфильтрованной морской воды через две колонки, каждая из которых была заполнена пятью граммами волокна собственного производ-ства на основе MnO₂. Методика получения волокна подробно описана в работе [29]; по формуле, также приведенной в этой работе, рассчитывали степень извлечения ²²⁶Ra, ²²⁸Ra. Согласно полученным результатам, она составляла в среднем 88 ± 1% для ²²⁶Ra и 86 ± 1% для ²²⁸Ra.

Определение активности изотопов ²²⁶Ra, ²²⁸Ra. По окончании экспедицион-ных исследований в береговой лаборатории проводили смывку с сорбентов активного компонента с сорбируемыми радионуклидами раствором, содержащим 2 М HCl и 2 мл насыщенного раствора солянокислого гидроксиламина. Затем проводилось соосаждение ионов радия с сульфатом бария. Часть образовавшегося осадка (100 мг) переносили на подложку. Подробно методика радиохимической подготовки приведена в [28].

Подготовленный таким образом счетный образец выдерживали 4–5 сут в чашке Петри от времени отделения изотопов радия и измеряли на альфа-бета-радиометре УМФ-2000 (ООО НПП «Доза», Россия) в течение не менее 8 ч. Проводилось три повторных измерения на 4–5-е сутки и также три измерения через 10–12 сут после выделения изотопов радия. Погрешность определения концентрации радионуклидов обычно не превышала 10%.

Определение концентрации биогенных элементов. Основные биогенные элементы определяли фотометрически (РД 52.0.740-2010, РД 52.10.738-2010, РД 52.10.744-2010, РД 52.10.745-2010)² [32]: минеральный фосфор по молибденовой сини, кремний по кремнемолибденовому комплексу.

Относительная ошибка определения содержания неорганического фосфо-ра составила 2,00% для диапазона его концентраций 0–0,21 мкМ и 1,50% для диапазона 2–8 мкМ. То же – для кремнекислоты: 2,00 % для концентрации 1,1 мкМ, 0,13% – для концентрации 10,8 мкМ, 0,50% – для концентрации 18,8 мкМ.

Гидрологическая съемка. Измерения температуры и солености в рейсах выполнялись с помощью океанографического зонда Ocean Seven 320 plus CTD (IDRONAUT S.r.l., Италия), в прибрежной экспедиции – зондирующим биофизическим комплексом «Кондор» («НПП «Аквастандарт», ТУ 431230-006-00241904-2015, код ТН ВЭД ЕАЭС 9027 50 000 0, декларация соответствия ЕАЭС N RU Д-RU.ЭМ03.А.00096/19). Погрешности измерения температуры ± 0,05°С, солености ± 0,01.

Статистический анализ данных проводился в Statistica® (StatSoft Inc.), карты были построены с использованием Surfer® (Golden Software, LLC).

Результаты и обсуждение

Распределение ²²⁸Ra и ²²⁶Ra в центральной части Черного моря. На рис. 1 приведены пространственные распределения содержания долгоживущих изото-пов радия и их отношения в поверхностном слое Черного моря, полученные путем объединения данных трех рейсов. Повышенное содержание ²²⁸Ra отмечается в глубоководной части моря, пониженное – в прибрежной. Пространственная изменчивость содержания ²²⁶Ra имеет более сложный характер по сравнению с ²²⁸Ra. Так, повышенные и пониженные значения концентрации отмечаются как в прибрежных, так и в глубоководных районах моря. В центральной части содержание ²²⁸Ra изменяется в пределах 47,2–121,7 dpm/м³ и составляет в среднем 79,3 ± 27,7 dpm/м³, в то время как содержание ²²⁶Ra изменяется в диапазоне 59,2–86,8 dpm/м³ при среднем значении 72,1 ± ± 8,9 dpm/м³. В работах [33, 34] представлены результаты единичных измерений ²²⁶Ra в центральной части моря, согласно которым его концентрация лежит в диапазоне 50,0–102,0 dpm/м³. Таким образом, значения, полученные в настоящей работе, согласуются с опубликованными данными по ²²⁶Ra для центральной части моря. В доступной литературе сведения о содержании ²²⁸Ra в Черном море отсутствуют.

Пространственная изменчивость отношения концентраций ²²⁸Ra к ²²⁶Ra подобна пространственной изменчивости концентрации ²²⁸Ra: повышенные значения наблюдаются в глубоководной части, пониженные – в прибрежной. В центральной части моря значение отношения составляет 0,70–1,36 при среднем значении 0,97. Согласно литературным данным (таблица), в Мировом океане и в водах суши отношение концентраций этих радионуклидов изменяется в широком диапазоне 0,17–12,00. Такой разброс обусловлен различием в содержании ²²⁸Ra и ²²⁶Ra в грунтах и, как следствие, в воде.

В обсуждаемом районе имеют место различные источники поступления пресных (субмаринная разгрузка, речной сток) или распресненных (из Азовского моря) вод. Для того чтобы оценить их влияние на пространственную изменчивость содержания ²²⁸Ra, ²²⁶Ra и значения их отношения, данный район был разбит на 5 областей, которые показаны на рис. 1.

 

Концентрации ²²⁸Ra, ²²⁶Ra и их отношение в Мировом океане и в водах суши

Concentrations of ²²⁸Ra and ²²⁶Ra, and their ratios in the World Ocean and in the internal basins

Регион / Region	Район / Region	S	226Ra (dpm/м3)	228Ra(dpm/м3)	228Ra/226Ra	Ссылка / Reference
Черное море / Black Sea	р. Днестр / r. Dniester	нет свед. / no inform.	25,2	нет свед. / no inform.	нет свед. / no inform.	[34]
	р. Буг / r. Bug	нет свед. / no inform.	234,0	нет свед. / no inform.	нет свед. / no inform.
ЮВ побережье США / SE coast of USA	р. Альтамаха – р. Нойз / r. Altamaha – r. Noise	< 1,00	6,0–800,0	12,0–170,0	< 0,19–2,10	[35]
Северный Ледовитый океан / Arctic Ocean	Альфа-Ридж / Alpha-Ridge	нет свед. / no inform.	104,8	92,0	0,88	[36]
	Восточно-Гренландское течение / East Greenland Current	нет свед. / no inform.	80,0	15,0–38,0	0,19–0,47	[37]
Север Южно-Китайского моря / Northern South China Sea	Эстуарий р. Санья / Estuary of r. Sanya	22,88	154,5	437,5	2,83	[38]
	ИСРПВ* / SSGD*	20,22	2460,0	4350	1,77
	б. Санья Бэй / Sanya Bay	33,77	96,0–119,0	231–380	2,17–3,48
	Открытое море / Open sea	нет свед. / no inform.	59,2	117	1,98
Атлантический океан /Atlantic Ocean	р. Амазонка / r. Amazon	0,18	41,2	88,8	2,15	[39]
		0,88	37,7	77,0	2,04
	Эстуарий р. Амазонки / Estuary of r. Amazon	35,92–36,26	65,2–75,5	15,9–30,6	0,22–0,40
		34,01–35,81	69,7–105,7	35,4–262,3	0,51–2,48
		2,59–34,01	37,7–150,7	70,5–491,8	0,89–3,33
Хорватия / Croatia	Реки, впадающие в Черное и Адриатическое моря / Rivers inflowing to the Black and Adriatic seas	< 1,00	392,4–3566,4	154,2–1245,6	0,48–12,00	[40]
Средиземное море / Mediterranean Sea	Открытое море / Open sea	нет свед. / no inform.	75,0	43,0	0,57	[4]
	б. Альфакс (ИСРПВ*) / Alfax Bay (SSGD*)	нет свед. / no inform.	3300,0	1010,0	0,31
	б. Альфакс (ирригационные каналы) / Alfax Bay (irrigation canals)	нет свед. / no inform.	480,0	330,0	0,69
	б. Альфакс (поровые воды) / Alfax Bay (pore waters)	нет свед. / no inform.	200,0	1400,0	7,00
Карское море / Kara Sea	р. Обь / r. Ob	0,01	273,1	409,4	1,44	[41]
		0,03	26,3	41,8	1,39
	Речные+морские☼ / River+sea☼	16,88	46,1	108,6	2,26
	Открытое море / Open sea	23,81	61,4	138,0	2,15
	р. Енисей / r. Yenisey	0,97	32,7	81,3	2,36
	Речные + морские☼ / River+sea ☼	9,45	45,8	128,0	2,69
	Открытое море / Open sea	24,46	56,1	132,0	2,24
Море Лаптевых / Laptev Sea	р. Лена / r. Lena	0,08	85,2	118,8	1,33
	Речные + морские☼ / River+sea ☼	0,21	131,1	248,9	1,81
	Открытое море / Open sea	31,39	72,3	151,6	2,03
Баренцево море / Barents Sea	Открытое море / Open sea	32,80–33,57	63,8–90,5	32,7–56,0	0,49–0,78

* ИСРПВ –источник субмаринной разгрузки подземных вод.

* SSGD – source of submarine groundwater discharge.

^☼ район смешения речных и морских вод

^☼ the area where river and sea waters mix

 

Рис. 1. Концентрации ²²⁸Ra (a), ²²⁶Ra (b) и их отношение (c) в поверхностном слое вод Черного моря (точками показано расположение станций отбора проб, их цвет соответствует номеру рейса НИС «Профессор Водяницкий»; красными прямоугольниками выделены рассматриваемые области, красные цифры соответствуют их порядковому номеру)

Fig. 1. Concentrations of ²²⁸Ra (a) and ²²⁶Ra (b) and their ratio (c) in the Black Sea surface layer (dots show the sampling station locations, their color corresponds to the cruise number of the R/V Professor Vodyanitsky; red rectangles indicate the areas under study, red numerals correspond to the ordinal number of these areas)

 

Распределение ²²⁸Ra и ²²⁶Ra на шельфе Черного моря в районе Балаклавы (Севастополь). Этот район соответствует области 1 на рис. 1. Полученные поля пространственной изменчивости концентрации радионуклидов показаны на рис. 2.

 

Рис. 2. Концентрации ²²⁸Ra (a) и ²²⁶Ra (b), их отношение (c) и соленость (d) в поверхностном слое вод Черного моря по данным 106-го рейса НИС «Профессор Водяницкий» (желтыми точками показано расположение станций отбора проб, красными – положение географических объектов)

Fig. 2. Concentrations of ²²⁸Ra (a) and ²²⁶Ra (b), their ratio (c) and salinity (d) in the Black Sea surface layer based on the data of the 106th cruise of the R/V Professor Vodyanitsky (yellow dots show the sampling station locations, red ones – the geographic object positions)

 

Отмечается тенденция к плавному уменьшению содержания ²²⁸Ra с юго-запада (70,9 dpm/м³) на северо-восток (33,5 dpm/м³) рассматриваемой области (рис. 2, а). Примечательно, что в поле солености отмечается обратная тенденция (рис. 2, d). Результаты корреляционного анализа указывают на наличие сильной взаимосвязи между этими параметрами (r = –0,90, p < 0,01). На станции, наибо-лее близко расположенной к выходу из Балаклавcкой бухты (рис. 2, b), наблюдается максимум концентрации ²²⁶Ra (106,6 dpm/м³), что в 2,4 раза превышает значение концентрации этого радионуклида на «фоновой» станции (44,8 dpm/м³). За «фоновую» мы приняли станцию, наиболее удаленную от берега. В данном случае это крайняя левая станция на рис. 2, b. Согласно литературным данным, на выходе из Балаклавской бухты имеет место выброс канализационных вод в открытое море, превышающий 3 млн. м³/год [42], а также источник субмаринной разгрузки ^[3]. Возможно, эти источники обусловливают повышенное содержание ²²⁶Ra. Для подтверждения или опровержения этого предположения необходимо получить данные о содержании изотопов радия в этих источниках. Отметим, что влияние предполагаемых источников не проявляется в поле концентрации ²²⁸Ra. Отношение концентраций радионуклидов (рис. 2, с) было минимальным в точке с максимальной концентрацией ²²⁶Ra (0,55, рис. 2, b) и максимальным в восточной части области (1,21). Результаты корреляционного анализа свидетельствуют об отсутствии взаимосвязи между пространственной изменчивостью концентраций ²²⁸Ra и ²²⁶Ra (r = 0,45, p = 0,31).

Распределение ²²⁸Ra и ²²⁶Ra у м. Айя. Мыс расположен в области 1, его положение отмечено стрелкой на рис. 1 и маркером на рис. 2. Этот район (рис. 3) интересен тем, что, согласно опубликованным данным [43, 44], в Екатерининском гроте (карстовая полость, открытая к морю с одной стороны, под скальным обрывом у м. Айя) расположен крупный субмаринный источник с расходом 4100–13900 м³/день.

 

Рис. 3. Концентрации ²²⁸Ra (a) и ²²⁶Ra (b), их отношение (c), соленость (d) и температура (e), концентрации кремнекислоты (f) и растворенного неорганического фосфора (g) в карстовой полости и прилегающей области (черными точками показано расположение станций отбора проб, красными – название гротов)

Fig.  3. Concentrations of ²²⁸Ra (a) and ²²⁶Ra (b), their ratio (c), salinity (d) and temperature (e), concentrations of silicic acid (f) and dissolved inorganic phosphorus (g) in the karst cavity and the adjacent areas (black dots show the sampling station locations, red ones – the names of grottoes)

 

Повышенные значения концентрации ²²⁸Ra и ²²⁶Ra отмечались в гроте и изменялись в интервалах 102,7–135,9 dpm/м³ (среднее 118,9 dpm/м³) и 227,7–270,1 dpm/м³ (среднее 247,9 dpm/м³) соответственно (рис. 3, a, b). Помимо высоких концентраций радионуклидов в гроте также наблюдаются минимальные значения солености и температуры (13,04 и 21,39°С соответственно) и максимальные значения концентрации биогенных элементов (37,80 и 0,23 мкМ для кремнекислоты и растворенного неорганического фосфора соответственно) (рис. 3, d – g). Данные о вертикальном распределении солености (не показано на рисунке) указывают на то, что более легкие распресненные воды распространяются узким слоем толщиной ~ 0,5 м. Данные о пространственной изменчивости концентрации биогенных элементов и солености свидетельствуют о наличии в гроте двух точек выхода подземных вод, что согласуется с результатами работ [30, 45, 46].

На удалении от грота на расстоянии ~ 100 м концентрация ²²⁸Ra уменьшалась в 1,6–2,2 раза до 53,5 dpm/м³, концентрация ²²⁶Ra – в 1,6–2,3 раза до 107,3 dpm/м³, концентрация кремнекислоты и растворенного неорганического фосфора – в 5,4–36,9 раза до 0,80 мкМ и в 1,5–16 раз до ˂ 0,01 мкМ соответственно, а температура и соленость увеличивались в 1,7 раза до 24,76°С и в 1,2 раза до 18,13 соответственно. Результаты корреляционного анализа указывают на наличие сильной взаимосвязи между изменчивостью концентраций ²²⁸Ra и ²²⁶Ra (r = 0,85, p = 0,03), а также между изменчивостью концентраций ²²⁸Ra, ²²⁶Ra и солености с коэффициентами корреляции –0,89 (p = 0,01) и –0,93 (p < 0,01). Таким образом, наблюдается уменьшение концентрации обоих изотопов по мере разбавления пресной воды морской.

Максимальное значение отношения концентраций ²²⁸Ra / ²²⁶Ra наблюдалось в юго-западной части полигона (0,71), минимальное – в его северной точке (0,34). Среднее значение отношения концентраций в гроте составляло 0,48 ± 0,05. Наблюдаемое минимальное значение отношения концентраций радионуклидов в северной части может быть обусловлено смешением вод Екатерининского грота с водами Дышащего грота, расположенного севернее (рис. 3), поскольку при маловетрии распространение вод из «Екатерининского грота в северном направлении доминирует»^[4]. В пользу этого предположения также свидетельствуют данные о пространственной изменчивости солености – «язык» пониженных значений солености севернее Екатерининского грота (рис. 3, d). Результаты корреляционного анализа указывают на отсутствие взаимосвязи между пространственной изменчивостью отношения концентраций и солености (r = 0,21, p = 0,68).

Распределение ²²⁸Ra и ²²⁶Ra в районе Южного берега Крыма (ЮБК). Этот район соответствует области 3 на рис. 1. Согласно данным 121-го рейса, здесь наблюдался участок пониженного содержания ²²⁸Ra и повышенного содержания ²²⁶Ra, значения концентрации радионуклидов составляли 17,2–24,1 и 73,2–135,7 dpm/м³ соответственно (рис. 4, a, b). На периферии этой области концентрация ²²⁸Ra увеличивалась до 67,5 dpm/м³, а концентрация ²²⁶Ra уменьшалась до 57,4 dpm/м³. Результаты корреляционного анализа указывают на отсутствие взаимосвязи между пространственной изменчивостью этих радионуклидов (r = –0,46, p = 0,11). Минимальное отношение ²²⁸Ra/²²⁶Ra (0,13) наблюдалось на станции, наиболее близко расположенной к г. Алушта (рис. 4, c). В южной части рассматриваемой области оно увеличивалось до 1,06. Не приводя карты, отметим, что в рассматриваемой области пространственная изменчивость солености была незначительной (в среднем 18,55) при значении стандартного отклонения 0,03. По этой причине статистически достоверная на уровне значимости 95% корреляционная связь концентраций ²²⁸Ra, ²²⁶Ra и их отношения с соленостью отсутствовала.

На наш взгляд, такую пространственную изменчивость концентраций ²²⁸Ra и ²²⁶Ra можно объяснить одним из двух факторов: подъемом глубинных вод циклоном или совместным влиянием циклона и субмаринных источников.

Согласно данным работы [47], в этом районе могут наблюдаться циклонические и антициклонические вихри. Косвенно в пользу того, что такие структуры действительно наблюдались, свидетельствуют, к примеру, данные о глубинах залегания ядра холодного промежуточного слоя (ХПС) и изопикны 14,4 отн. ед. в 121-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий». Анализируемая изопикна выбиралась исходя из ее максимального значения, наблюдаемого на самой мелководной станции. На рис. 4, d, e показано, что глубина изменяется в диапазонах 38–103 и 26–58 м для положения ХПС и изопикны 14,4 отн. ед. соответственно. В рассматриваемой области наблюдаются минимальные глубины залегания. Поскольку имело место уменьшение содержания ²²⁸Ra и рост концентрации ²²⁶Ra, можно предположить, что это является проявлением влияния циклона, который находится в исследованном районе и поднимает воду из более глубоких слоев на поверхность. В целом с ростом глубины концентрация ²²⁸Ra уменьшается, а концентрация ²²⁶Ra увеличивается вследствие разности периодов полураспада [1]. Данные о вертикальном распределении концентраций этих радионуклидов, которые могли бы подтвердить или опровергнуть указанную или следующую гипотезу, отсутствуют.

В качестве второй гипотезы рассматривается перенос субмаринных вод в исследуемой области проходящим циклоном. Так, по данным [48, 49], в районе ЮБК предполагается действие двух субмаринных источников трещинно-жильного происхождения: на южной части горы Аю-Даг и у пос Бондаренково. В работе [48] сообщается, что субмаринная разгрузка подруслового стока находится на удалении от берега у Алушты. Восточнее нее расположена площадная разгрузка трещинно-карстовых вод [48]. Данные о содержании изотопов радия и их отношении в этих источниках отсутствуют. Не приводя карт, отметим, что пространственная изменчивость солености и температуры в области пониженной концентрации ²²⁸Ra по сравнению с соседними станциями не позволяет подтвердить наличие субмаринного источника на указанных станциях.

Спустя 10 дней на обратном пути в Севастополь в рассматриваемой области с пониженным содержанием ²²⁸Ra было отобрано две пробы морской воды (рис. 4, f, g). Содержание радионуклида в них составило 64,3 и 50,3 dpm/м³, что соответствует значениям активности, наблюдаемым в юго-западной части этой области ранее. Отношение активности ²²⁸Ra/²²⁶Ra на этих двух станциях увеличилось до 0,77, что также близко к значениям, наблюдаемым ранее в юго-западной части полигона. В целом же, если сравнивать со значениями концентрации ²²⁸Ra и отношением ²²⁸Ra/²²⁶Ra на ближайшей северо-восточной и юго-западной станциях, то они остаются относительно пониженными.

 

Рис. 4. Концентрации ²²⁸Ra (a) и ²²⁶Ra (b), их отношение (с), глубины залегания ХПС (d) и сигмы 14,4 (е) при первом прохождении сетки станций, а также концентрация ²²⁸Ra (f) и отношение ²²⁸Ra / ²²⁶Ra (g) при ее повторном прохождении в 121-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий» (розовыми точками показано расположение станций, красными – положение географических объектов)

Fig.  4. Concentrations of ²²⁸Ra (a) and ²²⁶Ra (b), their ratio (c), depths of CIL (d) and sigma 14.4 (e) during the first passage of the grid of stations, and ²²⁸Ra concentration (f) and ²²⁸Ra / ²²⁶Ra ratio (g) at the re-passage of the stations in the 121st cruise of the R/V Professor Vodyanitsky (pink dots show the station locations, red ones – the geographical object positions)

 

Распределение ²²⁶Ra и ²²⁸Ra в водах Черного моря в районе восточной части Крыма. Азовоморские воды характеризуются пониженной на 6,50–7,50 соленостью по сравнению с черноморскими водами [50]. Проникая через Керченский пролив, они могут распространяться в западном и восточном направлениях в зависимости от ветровых условий [50]. В западном направлении они переносятся вдоль берега относительно узкой струей шириной 1–10 км и достигают м. Чауда или м. Меганом, где происходит их отрыв от берега. Далее ширина струи может увеличиваться до 30 км или разваливаться на отдельные пятна. В отдельных случаях распространение азовоморских вод может отслеживаться до м. Херсонес (Севастополь).

Большинство проб морской воды в районе от м. Чауда до Керченского пролива были отобраны в ходе 116-го рейса НИС «Профессор Водяницкий» (рис. 5). На двух станциях, наиболее близко расположенных к Керченскому проливу, наблюдаются повышенные концентрации ²²⁸Ra (57,7–78,2 dpm/м³) и ²²⁶Ra (60,2–93,1 dpm/м³). На станции, расположенной мористее, концентрации ²²⁸Ra и ²²⁶Ra снижаются до 50,3 и 73,6 dpm/м³ соответственно. От пролива в сторону Феодосийского залива прослеживается полоса повышенных значений концентрации этих радионуклидов. Вероятнее всего, ее появление обусловлено именно распространением азовоморских вод. В пользу этого также свидетельствуют данные о пространственной изменчивости солености (рис. 5, d) и значения отношения концентраций этих радионуклидов (рис. 5, с).

Как отмечалось выше, в Феодосийский залив могут попадать воды азовоморского происхождения, которые характеризуются пониженной соленостью и повышенным содержанием обоих изотопов. На станциях, расположенных в самом заливе и около него, концентрации ²²⁸Ra и ²²⁶Ra достигают 172,3 и 169,8 dpm/м³ соответственно (рис. 5, а), что в 2,2–2,8 раза выше, чем вблизи Керченского пролива. Принимая во внимание пространственное распределение абсолютных значений солености и отношений концентраций радия (17,40–18,20 и 0,67–1,01), можно предположить, что источником повышенных значений концентрации ²²⁸Ra и ²²⁶Ra в заливе являются азовоморские воды. В противном случае следовало бы ожидать изменение отношения концентрации этих радионуклидов. Вероятнее всего, пониженные значения концентрации радионуклидов на станциях, наиболее близко расположенных к Керченскому проливу, обусловлены тем, что эти станции находятся на расстоянии 8–14 км от берега, что достаточно далеко, учитывая ширину струи азовоморских вод (1–10 км). Скорее всего, эти станции находились на периферии струи. Стоит отметить, что результаты исследования пространственной изменчивости температуры и солености, представленные в доступной литературе, ³ указывают на наличие субмаринного источника, расположенного на дне залива (~ 30 м). В то же время из-за ограничений на работы в заливе авторам указанного исследования не удалось выявить точное расположение этого источника. Отметим, что проведенный нами анализ данных о вертикальном распределении температуры и солености (не показано на рис. 5) не позволил подтвердить существование такого источника.

 

Рис. 5. Концентрации ²²⁸Ra (a) и ²²⁶Ra (b), их отношение (с) и соленость (d) (розовыми и сине-зелеными точками показано расположение станций в двух рейсах, красными – положение географических объектов)

Fig. 5. Concentrations of ²²⁸Ra (a) and ²²⁶Ra (b), their ratio (c) and salinity (d) (pink and cyan dots show the station locations in two cruises, red ones – the geographical object positions)

 

Распределение ²²⁶Ra и ²²⁸Ra в восточной части Черного моря. Этот район соответствует области 5 на рис. 1. Его отличием от рассматриваемых выше является наличие рек, впадающих в море. Данные о пространственной изменчивости полей концентрации ²²⁸Ra и ²²⁶Ra приведены на рис. 6.

 

Рис. 6. Концентрации ²²⁸Ra (a) и ²²⁶Ra (b), их отношение (с) и соленость (d) (сине-зелеными точками показано расположение станций в 116-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий», красными точками – положение географических объектов)

Fig. 6 Concentrations of ²²⁸Ra (a) and ²²⁶Ra (b), their ratio (c) and salinity (d) (cyan dots show the station locations in the 116th cruise of the R/V Professor Vodyanitsky, red ones – the geographical object positions)

 

Содержание ²²⁸Ra и ²²⁶Ra изменялось по пространству в диапазонах 37,9–153,0 и 37,9–95,5 dpm/м³ соответственно (рис. 6, a, b), значение отношения их концентраций находилось в интервале 0,59–4,03 (рис. 6, c). Примечательно, что, несмотря на различия в исходном содержании радионуклидов у восточного побережья Черного моря, во всех случаях наблюдался рост их концентрации на разрезе от прибрежной станции к последующей. Повышенные концентрации ²²⁸Ra и высокие значения отношения ²²⁸Ra/²²⁶Ra наблюдаются в восточной части рассматриваемой области между городами Сочи и Туапсе. Вероятнее всего, это обусловлено влиянием речного стока. Так, на ближайшей к берегу станции, расположенной на удалении ~ 10 км от него, соленость составляла 17,40 (рис. 6, d), концентрация ²²⁸Ra – 75,8 dpm/м³, отношение концентраций – 1,62. По мере удаления от берега соленость увеличивалась до 18,80, концентрация ²²⁸Ra – до 153,0 dpm/м³, отношение концентраций – до 4,03. Вероятнее всего, такая пространственная изменчивость концентраций изотопов связана с десорбцией радионуклидов со взвешенного вещества, попадающего в морскую среду с речными водами. Так, активность радия на взвеси может быть в разы больше, чем в растворенной форме в речной воде [51]. При смешении речной воды с морской, с одной стороны, интенсифицируется процесс коагуляции взвеси с ее последующей седиментацией в донные отложения, с другой – начинается десорбция изотопов радия с нее. Аналогичные результаты были получены в работах [19, 52], в которых анализировалась изменчивость содержания ²²⁸Ra и ²²⁶Ra по мере отдаления от эстуария рек. Наблюдаемый в настоящем исследовании рост значения отношения концентраций может быть обусловлен различием в содержании изотопов радия на взвеси, а также скоростью десорбции этих радионуклидов со взвеси (поскольку скорость их сорбции также отличается [23, 31]).

Выводы

В работе представлены натурные данные о пространственной изменчивости концентраций ²²⁸Ra и ²²⁶Ra и их отношение в поверхностном слое вод Черного моря. Так, содержание радионуклидов изменялось по пространству в широком интервале 17,2–172,2 dpm/м³ для ²²⁸Ra и 38,0–270,1 dpm/м³ для ²²⁶Ra. Отношение активности ²²⁸Ra к ²²⁶Ra составляло 0,13–4,03. В пространственной изменчивости концентрации ²²⁸Ra отмечается тенденция к уменьшению от глубоководной части моря к шельфу. Поле концентрации ²²⁶Ra, с одной стороны, более однородно по сравнению с ²²⁸Ra, вследствие чего пространственная изменчивость отношения ²²⁸Ra / ²²⁶Ra в целом подобна пространственной изменчивости концентрации ²²⁸Ra. С другой стороны, поле концентрации имеет более сложный характер: относительно повышенные и пониженные концентрации ²²⁶Ra отмечались как в прибрежной, так и в глубоководной части моря.

Проанализировано влияние источников поступления пресных (субмаринная разгрузка, речной сток) или распресненных (поступление из Азовского моря) вод на распределение²²⁸Ra и ²²⁶Ra. Показано, что в исследуемом районе влияние субмаринных источников и, предположительно, канализационных стоков носит локальный характер и проявляется в росте концентрации указанных радионуклидов или одного из них в 1,5–2,3 раза. Сделано предположение, что мезомасштабные вихри в районе ЮБК могут оказывать влияние на пространственную изменчивость полей концентрации изотопов радия, приводя к локальному уменьшению или росту их концентрации в 2,3–2,8 раза. Показано, что распространение азовоморских вод в акватории Черного моря проявляется в повышении значений концентрации ²²⁸Ra и ²²⁶Ra. В частности, по данным о соотношении ²²⁸Ra / ²²⁶Ra установлено, что увеличенные в 2,3–2,6 раза значения концентрации этих радионуклидов в Феодосийском заливе обусловлены распространением азовоморских вод. Показано, что в районах, подверженных влиянию речного стока, наблюдается рост концентрации долгоживущих изотопов радия при отдалении от берега. Такой рост, вероятно, обусловлен десорбцией радионуклидов с частиц взвешенного вещества, поступающего с речной водой. Следует ожидать, что пространственные масштабы, на которых проявляется влияние того или иного источника, пропорциональны его мощности (расходу и концентрации радионуклидов): чем мощность выше, тем на большее расстояние отслеживается влияние источника. Так, к примеру, влияние субмаринной разгрузки у м. Айя отслеживалось по ²²⁸Ra примерно в сотне метров от источника, в то время как влияние азовоморских вод – в 80 км от Керченского пролива.

 

¹ Nuclear and isotopic techniques for the characterization of submarine groundwater discharge in coastal zones. Results of a coordinated research project 2001–2006. Vienna: IAEA, 2008. (IAEA-TECDOC-1595).

² Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана. М. : Изд-во ВНИРО, 2003. 202 с. URL: http://hdl.handle.net/123456789/1554 (дата обращения: 18.01.2021).

³ Кондратьев С. Субмаринные воды Крыма // Коммерсантъ. Наука. 2020. 19 ноября. № 33. С. 28. URL: https://www.kommersant.ru/doc/4566221 (дата обращения 20.05.2023).

⁴ Субмаринная разгрузка подземных вод в районе м. Айя. Методика исследований. Особенности поверхностного течения и проявления субмаринных вод в поле гидролого-оптических характеристик (по данным экспериментальных исследований 2013 г) : отчет о НИР (заключ.) / МГИ НАНУ : рук. Иванов В. А. ; исполн.: Совга Е. Е. [и др.]. Севастополь, 2013. 320 с. Инв. № 5437.

Авторлар туралы

O. Kozlovskaia

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences; Sevastopol State University

Email: o.n.kozlovska@gmail.com
SPIN-код: 5386-4791

младший научный сотрудник, отдел биогеохимии моря, научно-исследовательская лаборатория "Радиоэкология и морская радиохимия"

Ресей, Sevastopol; Sevastopol

D. Kremenchutskii

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: d.kremenchutskii@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-8747-6612
ResearcherId: AAC-1673-2020

старший научный сотрудник, отдел биогеохимии моря

Ресей, Sevastopol

Iu. Shibetskaia

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: iuliia.shibetskaia@gmail.com
SPIN-код: 7765-8638

старший инженер-исследователь, отдел биогеохимии моря

Ресей, Sevastopol

V. Razina

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: razina.v@mail.ru
SPIN-код: 6754-8468

инженер, отдел биогеохимии моря

Ресей, Sevastopol

N. Bezhin

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences; Sevastopol State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: nickbezhin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1670-4251

старший научный сотрудник, отдел биогеохимии моря, доцент, кафедра химии и химической технологии, кандидат технических наук

Ресей, Sevastopol; Sevastopol

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар