К оценке распространения микропластика в восточной части Финского залива

Для изучения характеристик распространения частиц микропластика, поступающих с водами Невы, в Невской губе и в восточной части Финского залива используется трехмерная численная гидродинамическая модель, основанная на Принстонской модели океана POM. Модель реализована на равномерной квазиортогональной горизонтальной сетке с шагом 100 м, в вертикальном направлении используются 7 равномерно распределенных сигма-уровней. Морские начальные условия и условия на западной границе для уровня воды, температуры и солености были взяты из оперативной модели Балтийского моря HIROMB-BOOS Датского метеорологического института с дискретностью 1 час. На восточной границе в устье Невы были заданы среднемесячные климатические значения расхода и температуры Невы. Атмосферное воздействие было взято из результатов реанализа ERA-Interim с 6-часовым временным разрешением и пространственным разрешением 0.125 × 0.125°. Были рассмотрены два типа суспензии, которые моделировали распространение частиц микропластика в воде: примесь нейтральной плавучести и оседающая взвесь со скоростью опускания 0.2 м/сут. Оба типа взвеси поступают из Невы с постоянной объемной концентрацией 10−6. Для расчета толщины слоя осаждающейся фракции на дне используется упрощенное уравнение Экснера. Расчеты проводились за период май—август 2018 года, когда был выполнен мониторинг пластикового мусора на пляжах Невской губы и восточной части Финского залива.

Согласно результатам расчетов, пространственное распределение опускающихся частиц в целом повторяет распределение примеси нейтральной плавучести, с той лишь разницей, что чем дальше от источника частиц на запад, тем ниже концентрация опускающихся частиц. Существенной особенностью распределения является то, что большая часть рассматриваемого периода концентрации в северной части модельного домена выше, чем в его южной части. Изменение толщины донного слоя частиц осаждающейся фракции в конце периода счета 31 августа 2018 г., т.е. накопление частиц микропластика в донных отложениях за рассматриваемый период, характеризуется той же особенностью, что и распределение взвеси обоих типов в воде: накопление микропластика в донных отложениях в северной части модельной области за пределами Невской Губы было заметно больше, чем в южной части, особенно в прибрежной зоне.

Данные по мониторингу загрязнения пляжей побережья пластиковым мусором косвенно подтверждают полученные результаты: на южном побережье восточной части Финского залива за пределами Невской Губы практически не было пластикового мусора в период с июня по август 2018 года, хотя он был обнаружен в значительных количествах на северном побережье. Таким образом, модельные оценки распространения частиц микропластика в воде и их накопления в донных отложениях могут быть использованы для выбора районов для будущей работы по мониторингу загрязнения пластиковым мусором побережья Финского залива.

1. Thompson R.C., Olsen Y., Mitchell R.P., Davis A., Rowland S.J., John A.W., McGonigle D., Russell A. E. Lost at sea: where is all the plastic? // Science. 2004. 304(5672). P. 838—838.

2. Cole M., Lindeque P., Halsband C. & Galloway T.S. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review // Marine pollution bulletin. 2011. 62(12). P. 2588—2597.

3. Long M., Moriceau B., Gallinari M., Lambert C., Huvet A., Raffray J., Soudant P. Interactions between microplastics and phytoplankton aggregates: Impact on their respective fates // Marine Chemistry. 2015. 175. P. 39—46.

4. Eriksen M., Lebreton L.C., Carson H.S., Thiel M., Moore C.J., Borerro J.C., Galgani F., Ryan P.G., Reisser J. Plastic pollution in the world’s oceans: more than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea // PloS one. 2014. 9(12). e111913.

5. Lebreton L.M., Greer S.D. & Borrero J.C. Numerical modelling of floating debris in the world’s oceans // Marine Pollution Bulletin. 2012. 64(3). P. 653—661.

6. Maximenko N., Hafner J., Niiler P. Pathways of marine debris derived from trajectories of Lagrangian drifters // Marine pollution bulletin. 2012. 65(1—3). P. 51—62.

7. Cózar A., Echevarría F., González-Gordillo J.I., Irigoien X., Úbeda B., Hernández-León S., Palma A.T., Navarro S., Garcíade-Lomas J., Ruiz A., Fernández-de-Puelles M.L., Duarte C.M. Plastic debris in the open ocean // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014. 111(28). P. 10239—10244.

8. Clark J.R., Cole M., Lindeque P.K., Fileman E., Blackford J., Lewis C., Lenton T.M., Galloway T.S. Marine microplastic debris: a targeted plan for understanding and quantifying interactions with marine life // Frontiers in Ecology and the Environment. 2016. 14(6). P. 317—324.

9. Van Sebille E., England M. H., Froyland G. Origin, dynamics and evolution of ocean garbage patches from observed surface drifters // Environmental Research Letters. 2012. 7(4). 044040.

10. Van Sebille E., Wilcox C., Lebreton L., Maximenko N., Hardesty B.D., Van Franeker J. A., Eriksen M., Siegel D.A., Galgani F., Law K.L. A global inventory of small floating plastic debris // Environmental Research Letters. 2015. 10(12). 124006.

11. Cummings J.A. Operational multivariate ocean data assimilation // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2005. 131(613). P. 3583—3604.

12. Besseling E., Quik J.T., Sun M., Koelmans A.A. Fate of nano-and microplastic in freshwater systems: A modeling study // Environmental Pollution. 2017. 220. P. 540—548.

13. Quik J.T., de Klein J.J., Koelmans A.A. Spatially explicit fate modelling of nanomaterials in natural waters // Water research. 2015. 80. P. 200—208.

14. Obbard R.W., Sadri S., Wong Y.Q., Khitun A.A., Baker I., Thompson R.C. Global warming releases microplastic legacy frozen in Arctic Sea ice // Earth’s Future. 2014. 2(6), P. 315—320.

15. Obbard R.W. Microplastics in polar regions: the role of long range transport // Current Opinion in Environmental Science & Health. 2018. 1. P. 24—29.

16. Hardesty B.D., Harari J., Isobe A., Lebreton L., Maximenko N., Potemra J., van Sebille E., Vethaak A. Dick, Wilcox C. Using numerical model simulations to improve the understanding of micro-plastic distribution and pathways in the marine environment // Frontiers in Marine Science. 2017. 4, 30.

17. Bagaev A., Mizyuk A., Khatmullina L., Isachenko I., Chubarenko I. Anthropogenic fibres in the Baltic Sea water column: Field data, laboratory and numerical testing of their motion // Science of the Total Environment. 2017. V. 599. P. 560—571.

18. Bagaev A., Khatmullina L., Chubarenko I. Anthropogenic microliter in the Baltic Sea water column // Marine Pollution Bulletin. 2018. V. 129, № 2. P. 918—923.

19. Stolte A., Forster S., Gerdts G., Schubert H. Microplastic concentrations in beach sediments along the German Baltic coast // Marine Pollution Bulletin. 2015. 99. P. 216—229. DOI: 10.1016/j.marpolbul.

20. Talvitie J., Heinonen M., Pääkkönen J.J., Vahtera E., Mikola A., Setälä O., Vahala R. Do wastewater treatment plants act as a potential point source of microplastics? Preliminary study in the coastal Gulf of Finland, Baltic Sea // Water science and technology: a journal of the International Association on Water Pollution Research. 2015. 72 (9). P. 1495—1504.

21. Chubarenko I., Stepanova N. Microplastics in sea coastal zone: Lessons learned from the Baltic amber // Environmental Pollution. 2017. V. 224. P. 243—254.

22. Beer S., Garm A., Huwer B., Dierking J., Nielsen T.G. No increase in marine microplastic concentration over the last three decades e a case study from the Baltic Sea // Sci. Total Environ. 2018. 621. P. 1272—1279.

23. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model / Heaps N. (Ed.), Threedimensional Coastal Ocean Models. American Geophysical Union, 1987. 208 p.

24. Ryabchenko V., Dvornikov A., Haapala J., Myrberg K. Modelling ice conditions in the easternmost Gulf of Finland in the Baltic Sea // Continental Shelf Research. 2010. V. 30. P. 1458—1471.

25. Андреев П.Н., Дворников А.Ю., Рябченко В.А., Цепелев В.Ю., Смирнов К.Г. Воспроизведение штормовых нагонов в Невской губе на основе трехмерной модели циркуляции в условиях маневрирования затворами Комплекса Защитных Сооружений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6, № 4. С. 23—31.

26. Мартьянов С.Д., Рябченко В.А., Рыбалко А.Е. Моделирование процесса взмучивания донных осадков в Невской губе // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2011. Вып. 20. С. 13—26.

27. Мартьянов С.Д., Рябченко В.А. Воспроизведение взмучивания и переноса донных осадков в Невской губе на основе трехмерной модели циркуляции // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6, № 4. С. 32—43.

28. Martyanov S. Modeling of sediment resuspension in Neva Bay during strong wind events // 6th IEEE/OES Baltic Symposium 2014 “Measuring and modeling of multi-scale interactions in the marine environment”, 2014. DOI: 10.1109/BALTIC.2014.6887882. P. 1—5.

29. Martyanov S., Ryabchenko V. Bottom sediment resuspension in the easternmost Gulf of Finland in the Baltic Sea: A case study based on three–dimensional modeling // Cont. Shelf Res. 2016. 117, P. 126—137. DOI: 10.1016/j.csr.2016.02.011

30. Ryabchenko V.A., Leontyev I.O., Ryabchuk D.V., Sergeev A.Yu., Dvornikov A.Yu., Martyanov S.D., Zhamoida V.A. Mitigation measures of coastal erosion on the Kotlin Island’s shores in the Gulf of Finland, the Baltic Sea // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. 11, 2. С. 36—50. DOI: 10.7868/S207366731802003X

31. Copernicus marine environment monitoring service. URL: http://marine.copernicus.eu/ [Электронный ресурс] (Дата обращения: 07.07.2019).

32. The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. URL: https://www.ecmwf.int/ [Электронный ресурс] (Дата обращения: 08.05.2019).

33. Parker G., Paola C., Leclair S. Probabilistic Exner sediment continuity equation for mixtures with no active layer // J. Hydraul. Eng. 2000. V. 126, N 11. P. 818—826.

34. van Rijn L.C. Unified view of sediment transport by currents and waves. IV - Application of morphodynamic model // J. Hydraul. Eng. 2007. V. 133, N 7. P. 776—793.

35. Martyanov S.D., Dvornikov A.Yu., Ryabchenko V.A., Sein D.V. (2019). Modeling of sediment transport in Bothnian Bay in the vicinity of the nuclear power plant ‘Hanhikivi-1’ construction site // J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 229. DOI: 10.3390/jmse7070229

36. Eremina T., Ershova A., Martin G., Shilin M. Marine litter monitoring: review for the Gulf of Finland coast // IEEE/OES Baltic International Symposium (BALTIC). 2018. 8 p. DOI: 10.1109/BALTIC.2018.8634860

37. Haseler M., Schernewski G., Balciunas A. et al. Monitoring methods for large micro- and meso-litter and applications at Baltic beaches // J. Coast. Conserv. 2018. 22: 27.

38. Ершова А.А., Пашкевич Д.В., Ковалева С.В. Исследование загрязненности морским мусором пляжей восточной части Финского залива в 2018 году // Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации. Сборник тезисов Всероссийской научно-практической конференции. 2019. С. 799—800.

39. Ершова А.А., Еремина Т.Р., Макеева И.Н. Мониторинг морского мусора в прибрежной зоне восточной части Финского залива Балтийского моря // Арктические берега: путь к устойчивости Материалы XXVII Международной береговой конференции. Ответственный редактор Е.А. Румянцева. 2018. С. 211—214.

40. Chubarenko I., Bagaev A., Zobkov M., Esiukova E. On some physical and dynamical properties of microplastic particles in marine environment // Marine Pollution Bulletin. 2016. 108. P. 105—112. DOI: 10.1016/j.marpolbul.2016.04.048.