Ру
EnУченые лаборатории математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН показали, как микропластик из сибирских рек распространяется в арктических морях (статья в газете "Наука в Сибири")
Ученые показали, как микропластик из сибирских рек распространяется в арктических морях
Диана Хомякова
26
ноября
2024
Что происходит с микропластиком в океане? Он оседает на дно или дрейфует на поверхности, а если не тонет, то где в итоге оказывается? Ученые Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН с помощью математического моделирования показали, что вмерзание пластиковых фрагментов в морской лед и их биообрастание существенно влияет на траектории распространения микропластика в Арктике. Результаты исследования опубликованы в двух статьях в журналах Water и Applied Sciences.
По данным исследований, каждый год в океан попадает от 8 до 13 миллионов тонн пластиковых отходов. Из-за воздействия солнечного света, волн, перепада температур и механического трения пластиковый мусор постепенно крошится и превращается в микропластик — фрагменты размером менее пяти миллиметров. Они представляют большую опасность для окружающей среды. Во-первых, живые организмы могут воспринимать мелкие пластиковые частицы в качестве пищи, что нередко приводит к их гибели. Во-вторых, на поверхности микропластика адсорбируются различные загрязняющие вещества. Двигаясь вверх по пищевой цепочке, они могут попадать в организм человека.
Частицы микропластика находят в поверхностном и глубинном слоях океана, а также в морском льду. Ученые предполагают, что в Мировом океане существуют области накопления микропластика, которые достаточно сложно определить только на основе данных полевых измерений. В дополнение к ним необходимо применять численное моделирование.
Модельные траектории для отдельных частиц размером 0,5 мм (слева) и 0,01 мм (справа), выброшенных на шельф Карского моря в течение 2016 года: март (пурпурный), май (зеленый), октябрь (коричневый), декабрь (голубой). Вставки в углах рисунка иллюстрируют временные ряды глубины погружения для каждой частицы. Положительные значения глубины указывают на то, что частица вмерзла в лед
«Современные физико-математические модели на основе сценарных расчетов позволяют восстанавливать пространственно-временную изменчивость характеристик океанических вод, моделировать систему течений океана и дрейфа морского льда, а также определять возможные области накопления загрязняющих веществ», — рассказывает главный научный сотрудник ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Елена Николаевна Голубева.
Ученые лаборатории математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН в рамках проекта РНФ решили изучить, как происходит перенос распределения микропластика в арктических водах. С помощью модельных расчетов они выявили ключевые физические механизмы, влияющие на поведение и траектории распространения пластиковых частиц.
Численное моделирование переноса-осаждения микропластика в арктических морях проводилось с использованием трехмерной модели океана и морского льда SibCIOM (Siberian Coupled Ice-Ocean Model), разработанной в ИВМиМГ СО РАН. «SibCIOM рассчитывает поля течений, температуры и солености океана, а также толщину и дрейф льда. Модель неплохо показала себя при исследовании климатической изменчивости Северного Ледовитого океана в рамках международных проектов по сравнению моделей океана и морского льда», — констатирует Елена Голубева.
При проведении численных экспериментов важно было задать источники поступления микропластика в океан. Одним из основных источников считается речной сток. Имея огромные водосборные площади, арктические реки пересекают территорию крупных городов, промышленных и сельскохозяйственных районов и вбирают в себя сточные воды неизвестной степени очистки. В своей работе ученые использовали существующие модельные оценки сброса загрязнений крупнейшими реками мира, основанные на данных о плотности населения и оценке качества очистительных сооружений. По этим оценкам, среди сибирских арктических рек наиболее загрязненными считаются Обь и Енисей.
«В первую очередь распространение пластика в океане определяется системой океанических течений. Однако если он вмерзает в лед, то начинает переноситься уже дрейфом льда», — рассказывает младший научный сотрудник ИВМиМГ СО РАН Марина Алексеевна Градова.
В исследовании рассматривались сферические частицы разных типов пластика. Они включали как легкие плавучие типы, так и тяжелые, плотность которых выше плотности морской воды.
Результаты моделирования пятилетнего непрерывного поступления микропластика с речными водами Оби и Енисея на шельф Карского моря показали, что легкие пластиковые частицы разных размеров распространяются как в области шельфа, так и за его пределами. Они преимущественно остаются в поверхностном слое и следуют за океаническими течениями. Процесс попадания микропластика в лед оказывает существенное влияние на траектории частиц, ведь циркуляция льда может отличаться от циркуляции верхнего слоя океана.
Модельное распределение частиц микропластика после пяти лет непрерывного стока с речными водами. Результаты эксперимента для частицы размером 0,5 мм зимой (слева) и летом (справа). Цвет частицы определяется глубиной ее погружения, показанной на панели ниже. Круговые диаграммы показывают процентное содержание частиц в каждом слое
«Лед движется быстро, особенно в области проливов, связывающих Арктику с Северной Атлантикой. Поэтому наиболее легкие частицы, выйдя за пределы Карского моря, могут распространяться достаточно далеко. Тяжелые же пластиковые частицы быстро оседают в непосредственной близости от устья реки, не успев вмерзнуть в ледяной покров, и переносятся системой придонных течений на небольшие расстояния по Карскому морю», — отмечает Елена Голубева.
Следующим этапом развития модели переноса-осаждения микропластика в Арктике стала разработка блока, описывающего биообрастание частиц.
«При благоприятных условиях пластиковые фрагменты могут накапливать на своей поверхности живые организмы, то есть происходит так называемый процесс биообрастания. Биопленка имеет большую плотность, чем морская вода, поэтому даже плавучие частицы, накопив биомассу, могут начать тонуть», — рассказывает Марина Градова.
Ученые включили в исследование процессы роста и деградации биопленки за счет процессов жизнедеятельности водорослей. Также учитывались условия окружающей среды полярного региона, влияющие на размножение и изменение биомассы за счет дыхания и смертности арктических водорослей.
Биообрастание представляет собой ключевой процесс, который влияет на глубину погружения плавающей частицы, траекторию ее движения и скорость осаждения на дно.
Проведенное моделирование продемонстрировало сложный характер перемещения частиц по вертикали. Легкие частицы микропластика, обрастая водорослями, постепенно погружаются в нижележащие слои океана. Однако на определенной глубине, где условия становятся менее благоприятными (понижается температура воды, уменьшается количество проникающего света и доступного хлорофилла), эти водоросли теряют способность размножаться и биопленка постепенно отмирает. Очищенная частица всплывает ближе к поверхности, где может снова накопить биомассу.
«Такой характер вертикального движения свойственен частицам разных размеров, однако чем мельче частица, тем больше времени занимает процесс ее всплытия. Относительно крупные частицы (около 0,5 мм в диаметре) за летний сезон многократно колеблются между поверхностью и глубиной эвфотической зоны — освещаемой солнцем верхней толщи воды. При этом в зимний период, полностью потеряв биопленку и поднявшись вверх, они могут быть вморожены в лед. В таком случае их дальнейшая траектория определяется системой дрейфа льда. В то же время более мелким частицам (0,01 мм) после очищения требуется около года, чтобы подняться к поверхности. В период подъема они перемещаются под действием глубоководных морских течений, направления которых отличаются от циркуляции поверхностного слоя и дрейфа льда», — говорит Елена Голубева.
Исследователи признают, что их подход является упрощением сложных взаимодействий между движением морской воды, дрейфом льда и плавучестью частиц, на которые влияют механическая фрагментация, биообрастание и другие факторы.
На данный момент ученые рассматривали в модели только сферическую форму пластиковых фрагментов, однако большая часть микропластика в океане представляет собой волокна, которые могут дрейфовать и погружаться немного иным образом. Также, вероятно, имеет смысл обратить внимание и на биологическую миграцию пластика — внутри поглотивших его живых организмов. Тем не менее специалисты подчеркивают, что эта работа фокусирует внимание на фундаментальных физических процессах, которые необходимо изучить, чтобы лучше определить области потенциального загрязнения морской среды микропластиком в будущем.
Исследование выполнено в рамках проекта РНФ (№ 20-11-20112 «Разработка системы моделирования для анализа современного состояния и оценки тенденций будущих изменений природной среды сибирских шельфовых морей»).
Диана Хомякова
Изображения предоставлены исследователями, фото из открытых источников
Новосибирский научный центр СО РАН
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН