Распределение 228Ra и 226Ra в поверхностном слое вод Черного моря

О. Н. Козловская1, 2, Д. А. Кременчуцкий1, ✉, Ю. Г. Шибецкая1, В. А. Разина1, Н. А. Бежин1, 2

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 ФГАОУ ВО Севастопольский государственный университет, Севастополь, Россия

✉ e-mail: d.kremenchutskii@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Обобщить сведения об особенностях пространственной изменчивости полей концентрации 226Ra и 228Ra и факторах, определяющих эти особенности в поверхностном слое вод Черного моря, – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Используются данные о концентрации 228Ra и 226Ra в поверхностном (0,3–3,0 м) слое вод Черного моря, полученные в ходе четырех экспедиций. Извлечение изотопов 228Ra и 226Ra из проб морской воды проводили с использованием волокна на основе MnO2. Измерения их активности были выполнены на альфа-бета-радиометре УМФ-2000. Данные о содержании основных элементов главного биогенного цикла были получены фотометрически.

Выводы. Концентрации 228Ra и 226Ra изменялись по пространству в интервалах 17,2–172,2 и 38,0–270,1 dpm/м3 соответственно. Показано, что влияние субмаринных источников и, предположительно, канализационных стоков носит локальный характер и проявляется в росте концентрации этих радионуклидов или одного из них в 1,5–2,3 раза. Сделано предположение, что мезомасштабные вихри, наблюдаемые в районе Южного берега Крыма, 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 полях концентрации 228Ra и 226Ra: в этих районах наблюдается повышенное в 2,3–2,6 раза содержание данных изотопов. Установлено, что в районах, подверженных влиянию речного стока, наблюдается рост концентрации долгоживущих изотопов радия при отдалении от берега. 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.

Ключевые слова

228Ra, радий-228, 226Ra, радий-226, Черное море, субмаринная разгрузка подземных вод, речной сток

Благодарности

Авторы выражают благодарность капитану и команде НИС «Профессор Водяницкий» за помощь в проведении работ на судне, а также членам отряда гидрологии и течений за данные о температуре и солености. Пробы воды отобраны в Центре коллективного пользования «НИС Профессор Водяницкий» ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН». Работа выполнена в рамках темы государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации FNNN-2021-0004.

Для цитирования

Распределение 228Ra и 226Ra в поверхностном слое вод Черного моря / О. Н. Козловская [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, No 6. С. 831–850. EDN SDUNVX.

Kozlovskaia, O.N., Kremenchutskii, D.A., Shibetskaia, Iu.G., Razina, V.A. and Bezhin, N.A., 2023. Distribution of 228Ra and 226Ra in the Surface Layer of the Black Sea Waters. Physical Oceanography, 30(6), pp. 792-810.

Список литературы

  1. Rutgers van der Loeff M. M., Geibert W. Chapter 7 U- and Th-series nuclides as tracers of particle dynamics, scavenging and biogeochemical cycles in the oceans // U-Th series nuclides in aquatic systems / Eds. S. Krishnaswami, J. K. Cochran (eds.). Elsevier, 2008. P. 227–268. (Radioactivity in the Environment ; vol. 13). https://doi.org/10.1016/S1569-4860(07)00007-1
  2. Broecker W. S., Goddard J., Sarmiento J. L. The distribution of 226Ra in the Atlantic Ocean // Earth and Planetary Science Letters. 1976. Vol. 32, iss. 2. P. 220–235. https://doi.org/10.1016/0012-821x(76)90063-7
  3. Trace element geochemistry of groundwater in a karst subterranean estuary (Yucatan Peninsula, Mexico) / M. E. Gonneea [et al.] // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014. Vol. 132. P. 31–49. https://doi.org/10.1016/j.gca.2014.01.037
  4. Using the radium quartet to quantify submarine groundwater discharge and porewater exchange / V. Rodellas [et al.] // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2017. Vol. 196. P. 58–73. https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.09.016
  5. Moore W. S., Sarmiento J. L., Key R. M. Submarine groundwater discharge revealed by 228Ra distribution in the upper Atlantic Ocean // Nature Geoscience. 2008. Vol. 1, iss. 5. P. 309–311. https://doi.org/10.1038/ngeo183
  6. Radium isotopes and their environmental implications in the Changjiang River system / N. Su [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2015. Vol. 156. P. 155–164. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2014.12.017
  7. The role of the Ganges-Brahmaputra mixing zone in supplying barium and 226Ra to the Bay of Bengal / J. Carroll [et al.] // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1993. Vol. 57, iss. 13. P. 2981–2990. https://doi.org/10.1016/0016-7037(93)90287-7
  8. Submarine groundwater discharge to Great South Bay, NY, estimated using Ra isotopes / A. J. Beck [et al.] // Marine Chemistry. 2008. Vol. 109, iss. 3–4. P. 279–291. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2007.07.011
  9. Charette M. A., Moore W. S., Burnett W. C. Chapter 5 Uranium- and thorium-series nuclides as tracers of submarine groundwater discharge // U-Th series nuclides in aquatic systems / Eds. S. Krishnaswami, J. K. Cochran (eds.). Elsevier, 2008. P. 155–191. (Radioactivity in the Environment ; vol. 13). https://doi.org/10.1016/s1569-4860(07)00005-8
  10. Radium isotopes as submarine groundwater discharge (SGD) tracers: Review and recommendations / J. Garcia-Orellana [et al.] // Earth-Science Reviews. 2021. Vol. 220. 103681. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103681
  11. 228Ra/226Ra and 226Ra/Ba ratios to track barite formation and transport in the water column / P. van Beek [et al.] // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2007. Vol. 71, iss. 1. P. 71–86. https://doi.org/10.1016/j.gca.2006.07.041
  12. 228Ra/226Ra and 226Ra/Ba ratios in the Western Mediterranean Sea: Barite formation and transport in the water column / P. van Beek [et al.] // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2009. Vol. 73, iss. 16. P. 4720–4737. https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.05.063
  13. Fractionation of 226Ra and Ba in the Upper North Pacific Ocean / P. van Beek [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2022. Vol. 9. 859117. https://doi.org/10.3389/fmars.2022.859117
  14. Closing the global marine 226Ra budget reveals the biological pump as a dominant removal flux in the upper ocean / B. Xu [et al.] // Geophysical Research Letters. 2022. Vol. 49, iss. 12. e2022GL098087. https://doi.org/10.1029/2022GL098087
  15. Moore W. S. Determining coastal mixing rates using radium isotopes // Continental Shelf Research. 2000. Vol. 20, iss. 15. P. 1993–2007. https://doi.org/10.1016/S0278-4343(00)00054-6
  16. Iyengar M. A. R., Kannan V., Rao K. N. 228Ra/226Ra ratios in coastal waters of Kalpakkam // Journal of Environmental Radioactivity. 1989. Vol. 9, iss. 2. P. 163–180. https://doi.org/10.1016/0265-931X(89)90022-2
  17. Using the radium quartet (228Ra, 226Ra, 224Ra, and 223Ra) to estimate water mixing and radium inputs in Loch Etive, Scotland / Y.-T. Hsieh [et al.] // Limnology and Oceanography. 2013. Vol. 58, iss. 3. P. 1089–1102. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.3.1089
  18. 228Ra-derived nutrient budgets in the upper equatorial Pacific and the role of “new” silicate in limiting productivity / T.-L. Ku [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 1995. Vol. 42, iss. 2–3. P. 479–497. https://doi.org/10.1016/0967-0645(95)00020-Q
  19. Plater A. J., Ivanovich M., Dugdale R. E. 226Ra contents and 228Ra226Ra activity ratios of the Fenland rivers and The Wash, eastern England: spatial and seasonal trends // Chemical Geology. 1995. Vol. 119, iss. 1–4. P. 275–292. https://doi.org/10.1016/0009-2541(94)00109-l
  20. Moore W. S. Radium isotopes as tracers of submarine groundwater discharge in Sicily // Continental Shelf Research. 2006. Vol. 26, iss. 7. P. 852–861. https://doi.org/10.1016/j.csr.2005.12.004
  21. Moore W. S. Sources and fluxes of submarine groundwater discharge delineated by radium isotopes // Biogeochemistry. 2003. Vol. 66, iss. 1–2. P. 75–93. https://doi.org/10.1023/B:BIOG.0000006065.77764.a0
  22. Quantifying submarine groundwater discharge in the coastal zone via multiple methods / W. C. Burnett [et al.] // Science of The Total Environment. 2006. Vol. 367, iss. 2–3. P. 498–543. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2006.05.009
  23. Estimating submarine groundwater discharge and associated nutrient inputs into Daya Bay during spring using radium isotopes / J.-Y. Gao [et al.] // Water Science and Engineering. 2018. Vol. 11, iss. 2. P. 120–130. https://doi.org/10.1016/j.wse.2018.06.002
  24. Liu J., Liu D., Du J. Radium-traced nutrient outwelling from the Subei Shoal to the Yellow Sea: Fluxes and environmental implication // Acta Oceanologica Sinica. 2022. Vol. 41, iss. 6. P. 12–21. https://doi.org/10.1007/s13131-021-1930-z
  25. Submarine karstic springs as a source of nutrients and bioactive trace metals for the oligotrophic Northwest Mediterranean Sea / J. Tamborski [et al.] // Science of The Total Environment. 2020. Vol. 732. 139106. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139106
  26. Submarine groundwater discharge of nutrients to the ocean along a coastal lagoon barrier, Southern Brazil / L. F. H. Niencheski [et al.] // Marine Chemistry. 2007. Vol. 106, iss. 3–4. P. 546–561. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2007.06.004
  27. Dissolved silica in the subterranean estuary and the impact of submarine groundwater discharge on the global marine silica budget / S. Rahman [et al.] // Marine Chemistry. 2019. Vol. 208. P. 29–42. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2018.11.006
  28. Distribution of 226Ra in the Arctic Ocean and the Bering Sea and its hydrologic implications / N. Xing [et al.] // Science in China Series D: Earth Sciences. 2003. Vol. 46, iss. 5. P. 516–528. https://doi.org/10.1360/03yd9045
  29. MnO2 fiber as a sorbent for radionuclides in oceanographic investigations / I. I. Dovhyi [et al.] // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2020. Vol. 323, iss. 1. P. 539–547. https://doi.org/10.1007/s10967-019-06940-9
  30. Изучение субмаринной разгрузки подземных вод у мыса Айя: мультитрассерный подход / И. И. Довгий [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, No 1. С. 57–72. EDN GCGCIH. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-57-72
  31. Estimation of 226Ra and 228Ra content using various types of sorbents and their distribution in the surface layer of the Black Sea / O. N. Kozlovskaia [et al.] // Materials. 2023. Vol. 16, iss. 5. 1935. https://doi.org/10.3390/ma16051935
  32. Practical Guidelines for the Analysis of Seawater / Ed. O. Wurl. Boca Raton : CRC Press, 2009. 408 p. https://doi.org/10.1201/9781420073072
  33. Depletion of barium and radium-226 in Black Sea surface waters over the past thirty years / K. K. Falkner [et al.] // Nature. 1991. Vol. 350. P. 491–494. https://doi.org/10.1038/350491a0
  34. Moore W. S., Falkner K. K. Cycling of radium and barium in the Black Sea // Journal of Environmental Radioactivity. 1999. Vol. 43, iss. 2. P. 247–254. https://doi.org/10.1016/s0265-931x(98)00095-2
  35. Moore W. S., Shaw T. J. Fluxes and behavior of radium isotopes, barium, and uranium in seven Southeastern US rivers and estuaries // Marine Chemistry. 2008. Vol. 108. iss. 3–4. P. 236–254. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2007.03.004
  36. 228Ra as a tracer for shelf water in the Arctic ocean / M. M. Rutgers Van Der Loeff [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 1995. Vol. 42, iss. 6. P. 1533–1553. https://doi.org/10.1016/0967-0645(95)00053-4
  37. Moore W. S., Feely H. W., Li Y.-H. Radium isotopes in sub-Arctic waters // Earth and Planetary Science Letters. 1980. Vol. 49, iss. 2. P. 329–340. https://doi.org/10.1016/0012-821x(80)90076-x
  38. Significance of submarine groundwater discharge in nutrient budgets in tropical Sanya Bay, China / G. Wang [et al.] // Sustainability. 2018. Vol. 10, iss. 2. 380. https://doi.org/10.3390/su10020380
  39. Moore W. S., Astwood H., Lindstrom C. Radium isotopes in coastal waters on the Amazon shelf // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. Vol. 59, iss. 20. P. 4285–4298. https://doi.org/10.1016/0016-7037(95)00242-r
  40. 226Ra and 228Ra in Croatian rivers / T. Bituh [et al.] // Collegium Antropologicum. 2008. Vol. 32. Suppl. 2. P. 105–108.
  41. 228Ra and 226Ra in the Kara and Laptev seas / M. Rutgers van der Loeff [et al.] // Continental Shelf Research. 2003. Vol. 23, iss. 1. P. 113–124. https://doi.org/10.1016/s0278-4343(02)00169-3
  42. Факторы формирования и отличительные особенности физико-химических характеристик донных отложений Балаклавской бухты (Черное море) / К. И. Гуров [и др.] // Морcкой гидрофизический журнал. 2015. No 4. С. 51–58.
  43. Кондратьев С. И., Прусов А. В., Юровский Ю. Г. Наблюдения субмаринной разгрузки подземных вод (Южный берег Крыма) // Морской гидрофизический журнал. 2010. No 1. С. 32–45.
  44. Юровский Ю. Г. Оценка величины субмаринной разгрузки карстовых вод в районе мыса Айя // Морской гидрофизический журнал. 1998. No 3. С. 78–80.
  45. Гидрохимические и гидрологические характеристики одного из источников субмаринной разгрузки пресных вод у мыса Айя / С. И. Кондратьев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 1997. No 3. С. 66–73.
  46. Субмаринные источники пресных вод в районе мыс Фиолент – мыс Сарыч / С. И. Кондратьев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 1998. No 3. С. 57–69.
  47. Characteristics of topographic submesoscale eddies off the Crimea coast from high-resolution satellite optical measurements / A. Aleskerova [et al.] // Ocean Dynamics. 2021. Vol. 71, iss. 6–7. P. 655–677. https://doi.org/10.1007/s10236-021-01458-9
  48. Пасынков A. A., Вахрушев Б. А. Cубмаринные источники пресных вод юго-восточного Крыма // Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского. География. Геология. 2017. Т. 3 (69), No 3. Ч. 2. С. 250–263.
  49. Каюкова Е. П., Юровский Ю. Г. Водные ресурсы Крыма // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2016. No 1. С. 25–32. EDN VSNYMV. URL: https://www.researchgate.net/project/Kaukova-EP-Urovskij-UG-Vodnye-resursy-Kryma-Geoekolgia-Inzenernaa-geologia-Gidrogeologia-Geokriologia-2016-No1-S-25-32 (дата обращения: 14.11.2023).
  50. Распространение вод из Керченского пролива в Черное море / А. А. Алескерова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. No 6. С. 53–64. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2017-6-53-64
  51. Геохимический баланс радиоактивных элементов в бассейнах Черного и Азовского морей. III. Баланс радия / В. М. Дрожжин [и др.] // Радиохимия. 1973. Т. 15, вып. 3. C. 415–421.
  52. Distribution and flux of 226Ra and 228Ra in the Amazon River estuary / R. M. Key [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1985. Vol. 90, iss. C4. P. 6995–7004. https://doi.org/10.1029/JC090iC04p06995

Скачать статью в PDF-формате