Карское море: мифы и реальность

В районе Западно-Арктического шельфа долгие годы проводились наземные, подводные и атмосферные ядерные испытания, эксплуатировались и топились суда с ядерными энергетическими установками, а их отходы (в том числе реакторные отсеки с не выгруженным ядерным топливом) сбрасывали на дно Карского и Баренцева морей. Состояние природной среды в этом районе стало предметом пристального внимания специалистов и мировой общественности после публикации в 1993 году доклада правительственной комиссии при Президенте РФ «Факты и проблемы, связанные с захоронением радиоактивных отходов в морях, омывающих территорию Российской Федерации» («Белой книги»).

Однако комплексные геоэкологические исследования состояния природной среды Баренцева и Карского морей показали низкие фоновые значения активностей радионуклидов (Иванов Г.И. Геоэкология Западно-арктического шельфа России: литолого-экогеохимические аспекты. СПб., 2006, с.303). В результате была предложена новая стратегия исследовательских работ – изучение локальных источников потенциального радиоактивного загрязнения. В качестве основных объектов исследований были выбраны места морских испытаний ядерного оружия и площадка захоронения твердых радиоактивных отходов в Карском море (рис. 1).

На участке дампинга твердых радиоактивных отходов (Центрально-Новоземельский желоб, Карское море) перед исследованиями с использованием гидролокатора бокового обзора (ГБО) стояла задача обнаружения и идентификации затопленных в разные годы судов, их отсеков и контейнеров с последующим изучением донных осадков, морской воды и бентоса для оценки радиационной обстановки в районах захоронения объектов. Исследования выполнялись в 1993 году, не раньше, не позднее подобные работы на шельфе Арктики не проводились.

Поиск затопленных объектов

На первом этапе исследований попытались обнаружить три различных объекта, координаты которых были взяты из «Белой книги», и создать их визуальный образ с помощью фототелевизионной съемки. Удалось зафиксировать и идентифицировать только третий объект – самоходную баржу 801265 («Белая книга», с.62) с указанной суммарной активностью 118 ККюри  (рис.1). Но и здесь лишь на профиле ГБО-93-7 был обнаружен объект в виде размытой, туманной неоднородности на самом краю полосы обзора. На последующих профилях (ГБО-93-8, ГБО-93-9 и ГБО-93-10) искомый объект (баржа) был распознан. Тем не менее, удаление от указанного местоположения составило более 2,5 миль.

Профили, ориентированные соответственно субпараллельно и под углом около 75⁰ к оси баржи, позволили детально оценить ее параметры и положение на морском дне. После специальной обработки объект был достаточно четко визуализирован (рис. 2).
Габариты баржи оценены следующим образом: длина – около 80 м, ширина – 20м, высота мачт, рассчитанная по длине акустической тени и расстоянии объекта от линии профиля, – около 12 м.

Баржа покоится на илистом грунте, уйдя в него, вероятно, не более чем на 2-2,5 м, с небольшим наклоном на правый борт. Глубина моря в точке затопления баржи по данным набортного профилографа составляет 340 м.

На изображении достаточно четко просматриваются детали объекта: труба, рулевая рубка, перед нею, возможно, ядерный реактор от подводной лодки и носовая мачта. Приблизительно в 25 м от носа баржи на дне выделяется еще один объект не установленной конфигурации, размерами, вероятно, не больше нескольких метров: он не идентифицирован ввиду недостаточно четкой выраженности в волновом поле.

Обследования затопленной баржи включали в себя три этапа. На первом этапе выполнялись детальные гидрофизические исследования зондом «Neil brown», на втором – изучение различных горизонтов водной толщи 100-литровым батометром, отдельно для определения искусственных радионуклидов (¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs, ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ⁹⁰Sr, ¹²⁹I) и нуклидов  уранового ряда. На третьем, заключительном, этапе опробовались донные осадки коробчатым пробоотборником сконструированным в ГП «Севморгео». Биота исследовалась с помощью дночерпателя  «Okean-0,25» с фотобоксами и тралом типа «Sigsbee».
С целью определения фона было проведен дополнительный отбор проб к северу и югу от обнаруженного объекта, а также вдоль побережья Новой Земли от залива Абросимова до залива Степового (рис. 1).

Результаты гидрофизических наблюдений

Такие наблюдения проводились на втором этапе исследований, на полигоне размером 2х3 мили, где были организованы 10 станций зондирования (рис. 2). В верхнем квазиоднородном подслое (КОПС) наблюдались пространственные неоднородности поля температуры, связанные с нестационарностью процессов обмена энергией через поверхность раздела океан–атмосфера. Так, в районе станции 131 (рис. 1) температурный максимум отмечался на глубинах 14-16 м, где температура повышалась до 7,352⁰С, тогда как в вышележащих слоях она понижалась до 4,655⁰С, а на горизонте 46 м уменьшалась до -2⁰С. Такое распределение температуры по вертикали обусловлено осенним выхолаживанием поверхности моря.
 

Рис. 2. Карта местоположения станций гидрофизического зондирования в районе объекта «Баржа» (НИС «Геолог Ферсман»)

Холодная поверхностная прослойка отмечалась только в центре и на востоке полигона. На остальной акватории поверхностный минимум температуры не выражен (то есть процессы осеннего выхолаживания не отображаются в структуре поля температуры).

Отсюда можно сделать вывод, что отрицательный поток тепла на границе океан–атмосфера не был установившимся. Пульсационный характер энергообмена определялся, видимо, своеобразием синоптической деятельности в атмосфере. Косвенным подтверждением этому выводу является и пространственная неоднородность морфометрических параметров КОПС, обусловленная неустойчивостью фрикционного турбулентного обмена. Толщина КОПС на востоке полигона не превышала 9 м, а на западе увеличивалась до 17-18 м. Температура в его пределах варьировала от 3,821-3,773⁰С на западе до 3,283-3,685⁰С в центре и на востоке.

Слой скачка температуры залегал на глубинах 8-23 м. Перепад температуры здесь изменялся от 3,874⁰С (ст. 154) до 4,781⁰С (ст. 158). На станции 131, организованной несколько раньше, перепад температуры в термоклине составил 5,717⁰С. В слое максимального температурного градиента, на глубинах 17-18 м, модуль градиента изменялся от 0,684⁰С/м (ст. 157) до 2,574⁰С/м (ст. 158). На станции 131 он равнялся 2,588⁰С/м.

На глубинах 20-180 м прослеживался остаточный «зимний» слой пониженной температуры, причем на востоке полигона он состоял из трех обособленных подслоев. Минимальные значения температуры соответствовали глубинам 41-45 м и изменялись от -2⁰С (ст. 131) до -1,567⁰С (ст. 161).

Слой относительно теплых промежуточных вод (с температурой от -0,926⁰С до -0,636⁰С) зафиксирован на глубинах 110-180 м.
В придонном слое температура с глубиной устойчиво понижалась.  У дна ее значение колебалось в диапазоне от -1,308⁰С (ст. 155) до -1.154⁰С (ст. 162). Максимального развития холодный придонный слой достигал на юго-западе полигона, где изотерма -1,2⁰С наблюдалась в 60-70 м от дна.

Тонкоструктурные неоднородности поля температуры (инверсии, ступенчатые формы температурного профиля) свойственны в основном верхнему деятельному слою и холодным «зимним» водам.

Структура полей солености и потенциальной плотности в приповерхностной части моря идентична структуре поля температуры: совпадают все характерные черты и морфологические параметры.

Соленость поверхности моря изменялась от 28,943‰ (ст. 131) до 29,929-29,996‰ (ст. 157, 162) и 30,859‰ (ст. 159). В слое скачка она повышалась с 30,615-31,163‰ до 31,554-33,405‰. Перепад солености в галоклине составил 1,567-2,828‰ при вертикальном градиенте 0,138-0,408‰/м. Ниже слоя скачка соленость с глубиной монотонно увеличивалась без значимых промежуточных экстремумов и при почти постоянном модуле градиента. Исключение составляет только район станции 131, где в слое 45-70 м наблюдались промежуточные положительные экстремумы поля солености. У дна солесодержание оценивалось в 34,259-34,223‰ (в западной части полигона) и 34,118-34,123‰ (в восточной части).

Плотность вод в поверхностном слое составила 1023,801-1024,532 кг/м³ (на ст. 131 плотность на поверхности равна 1022,959 кг/м³). На верхней границе пикноклина плотность изменялась от 1023,882 кг/м³ (ст. 157) до 1024,744 кг/м³ (ст. 155). Приращение в слое скачка (от 1,505 кг/м³ до 2,470 кг/м³) приводило к увеличению плотности на нижней границе пикноклина до 1025,231-1026,856 кг/м³.

Максимальная скорость увеличения плотности наблюдалась в районе ст. 154 (до 0,301 кг/м⁴), а минимальная – на ст. 160 (до 0.086 кг/м⁴), где КОПС практически отсутствовал. Ниже пикноклина плотность достигала своего промежуточного максимума на уровне остаточного «зимнего» слоя. Далее, с глубиной, плотность уменьшалась до 1027,15-1027,16 кг/м³ на горизонтах 60-90 м. Ниже промежуточного минимума плотность увеличивалась с глубиной до 1027,563-1027,443 кг/м³ у дна, причем, в придонном 50-метровом слое вертикальный градиент плотности был близок к нулю.

В поле растворенного кислорода исследователи обратили внимание на ряд структурных неоднородностей. Так, на глубинах 5-16 м зафиксирован подповерхностный слой минимума с понижением концентрации до 6,13-6,84 мл/л, в то время как на поверхности моря содержание растворенного кислорода достигало 6,36-8,20 мл/л (105-115% насыщения).  В горизонте 12-46 м обнаружен слой максимума с локальным экстремумом на глубинах 19-29 м, где концентрация кислорода увеличивалась до 8,32-9,10 мл/л. Под этим слоем концентрация кислорода преимущественно уменьшалась с глубиной с той или иной степенью мелкомасштабной изменчивости.
На фоне устойчивого по знаку вертикального градиента наблюдались участки с вариациями модуля градиента. Отмечены также промежуточные мелкомасштабные инверсии с характерными линейными размерами от нескольких метров до двух-трех десятков метров и амплитудой изменчивости поля до 0,1-0,4 мл/л.

Минимальные значение концентрации кислорода зафиксированы на глубинах 240-310 м (до 3,06-3,90 мл/л или 50-43% насыщения). Под слоем минимума находилась область повышенных концентраций, нижней границей которой являлось дно. Содержание кислорода здесь повышалось до 4,20-5,32 мл/л.

Фоновые значения коэффициента ослабления света были близки к значениям для чистой океанской воды. На всех станциях полигона встречались два слоя с повышенным содержанием взвеси: поверхностный и придонный. В верхнем аномальном слое коэффициент ослабления достигал 1,600-1,850 1/м, а в придонном – 0,490-0,57 1/м.

На всех станциях, кроме 131-й и 162-й, в толще вод наблюдались промежуточные экстремумы коэффициента ослабления, не имеющие видимой связи с неоднородностями поля плотности. Подавляющее большинство этих аномалий расположено в придонном 50-80-метровом слое. Они имели четко выраженные границы, маркируемые по максимуму второй производной, и по своей конфигурации и пространственному положению совпадали с аномалиями поля растворенного кислорода.

Это явление может быть использовано как трассер гидродинамического поля. Это тем более важно, что контрастность глубинных вод по таким параметрам, как температура, соленость и плотность, практически отсутствует. Зафиксированные же в придонном слое аномалии растворенного кислорода и прозрачности воды являются идеальным пассивным и консервативным маркером океанических течений.

Концентрации радионуклидов в воде и донных осадках

На рисунке 3 показано распределение радионуклидов в придонном слое воды в акватории, прилегающей к обнаруженной затопленной барже. Активность ¹³⁷Cs колеблется в пределах от 10,7 до 14,5 Бк/м³ при среднем значении 13,2 Бк/м³. Концентрация ¹³⁷Cs в поверхностных водах ниже (7,8 Бк/м³). Это можно объяснить тем фактом, что придонные воды более «старые», во время их формирования глобальные выпадения от деятельности завода в Селлафилде и чернобыльской аварии были значительными. Величины активности, близкие к фоновым значениям, зафиксированы и для ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu (0,018-0,068 Бк/м³, среднее значение – 0,037 Бк/м³).

Рис. 3. Распределение радионуклидов в придонном слое воды в акватории, прилегающей к затопленной барже

Подтока плутония из обнаруженной баржи или других объектов, затопленных в данном районе, не удалось уверенно зафиксировать. Уровень концентрации ¹²⁹I сопоставим с глобальными поступлениями, и составляет в среднем 134 at/lx10⁷ при разбросе 126-140at/lx10⁷.

Рис. 4. Распределение радиоэкогеохимических модулей 134Cs/137Cs, 238Pu/239,240Pu, 129I/137Cs в акватории, прилегающей к обнаруженной барже

На рисунке 4 показано распределение отношений ¹³⁴Cs/¹³⁷Cs, ²³⁸Pu/^239,240Pu, ¹²⁹I/¹³⁷Cs. Хорошим индикатором чернобыльской аварии является соотношение ¹³⁴Cs/¹³⁷Cs. Его значения указывают на исключительно «чернобыльское» происхождение цезия. Среднее отношение составило 0,016, при диапазоне колебаний от 0,014 до 0,019. Отношение  ²³⁸Pu/^239,240Pu меняется в интервале 0,037-0,05, среднее значение – 0,043, что также не показывает никаких дополнительных поступлений плутония.

Отношение ¹²⁹I/¹³⁷Cs показывает устойчивое соотношение в интервале 71,8-119 при среднем значении 89,8, что является типичным для Карского моря и характеризует уровень сбросов радионуклидов заводами по обогащению и переработке ОЯТ в Селлафилде и на мысе Ла Хааг, несколько измененный за счет выбросов чернобыльской аварии.

Рис. 5. Распределение активностей радионуклидов в поверхностном (0-1 см) слое донных осадков в районе затопленной баржи

На рисунке 5 приведено распределение активностей ¹³⁷Cs и ^239,240Pu. ¹³⁷Cs колеблется в интервале от 15 Бк/кг до 22,4 Бк/кг при среднем значении 18,7 Бк/кг. Изменение активностей ^239,240Pu в диапазоне от 0,63 Бк/кг до 2,02 Бк/кг при среднем значении 1,30 Бк/кг, так же, как и для цезия, не свидетельствует о подтоке радионуклидов из обнаруженной баржи и других затопленных в данном районе объектов. Активность ¹³⁷Cs и ^239,240Pu в верхнем 10-сантиметровом слое ближайшей станции составила 1000 Бк/м² и 100 Бк/м² соответственно.

Проведенный анализ различных искусственных радионуклидов не выявил каких-либо значимых превышений их концентрации над региональным фоном. Это убедительно доказывает отсутствие подтока радионуклидов от объектов, затопленных в Новоземельском желобе, – как обнаруженных, так и гипотетических.

***

Таким образом, поступления радиоизотопов из затопленных объектов не зафиксировано. Местоположение затопленных объектов с радиоактивными отходами в «Белой книге» указано весьма приблизительно, что предопределяет необходимость проведения дополнительных исследований по их поиску и маркировке.

Результаты проведенных работ являются основой долговременного радиологического мониторинга на Западно-Арктическом шельфе России, который окончательно развеет мифы о «ядерной свалке» в Карском море.