Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Повсеместное загрязнение вод, донных осадков, берегов Мирового океана остатками синтетических полимеров (пластика) оказалось для человечества неожиданностью. Присутствие в Мировом океане фрагментов пластиковых изделий, и, особенно, частиц микропластика (МП, <5 мм) на сегодняшний день документально подтверждено не только в населённых регионах, но и в осадках глубоководных впадин, во льдах Арктики, на безлюдных пляжах уединённых островов, водах циркумполярного течения в Южном океане. Столь масштабное распространение пластика по всей планете всего за полвека «пластиковой эры» удивительно. При этом понятно, что при временах «жизни» пластика в окружающей среде порядка нескольких сотен лет – весь произведённый пластик всё ещё с нами, его поступление в океан продолжает быстро расти, и многим поколениям предстоит жить бок о бок с этим загрязнителем. Чем чревато такое соседство ещё не очевидно, но его неизбежность требует хотя бы понимания масштаба потенциальной угрозы человеку, равновесию экосистем, качеству окружающей среды. Процессы переноса и накопления частиц МП в Мировом океане к настоящему времени математически описать и предсказать (в том числе, с помощью численного моделирования) пока не удаётся. Проблема оказалась комплексной, требующей как междисциплинарного подхода, так и новых сведений о «жизни» частиц синтетических полимеров в природных условиях. В морской среде, частицы МП с течением времени изменяют размер (разрушаются под действием ультрафиолета, механических воздействий) и интегральную плотность (из-за старения материала, обрастания, действия факторов химической и биологической природы, адгезии с органическими/минеральными частицами и т.д.), могут быть съедены, захвачены льдом или погребены донным осадком. Эти изменения тесно связаны с (физическими, химическими, биологическими) условиями окружающей среды, которые встречались конкретной частице по мере её переноса. Для таких объектов применяемые в настоящее время модели с использованием лагранжевых трассеров или консервативной примеси способны описать лишь небольшую часть процесса. Например, успешно предсказывается распространение плавающих на поверхности частиц пластика; но, по оценкам, таких частиц лишь 1% от общей массы пластика в океане. Проблема усугубляется отсутствием экспериментальной информации о физическом поведении частиц МП в природных процессах, ответственных за его перенос, накопление, изменение свойств. Очевидно, что «производства» пластика в водах Мирового океана нет, и его распределение и перенос зависят главным образом от условий на границах и свойств (стратификации, течений, биохимических условий) морской среды. Если последнее изучается давно и предсказывается численными моделями уже вполне успешно, то информации о генерации / трансформации / удержании частиц МП на границах морской среды практически нет. Именно этим вопросам и посвящены исследования в рамках данного проекта: целью является экспериментальное исследование и выработка вариантов параметризаций для численных моделей следующих процессов (а) фрагментации пластиковых объектов / генерации вторичного МП в прибойной зоне моря с различными видами естественного осадка, (б) взмучивания и удержания частиц МП различных форм, размеров и плотностей на дне, покрытом различными видами естественного осадка, и (в) взаимодействия частиц МП со льдом при его формировании / таянии на океанских, солоноватых и пресноводных акваториях. В 2019 году получены и опубликованы результаты по исследованию процесса и механизмов фрагментации пластиковых объектов / генерации вторичного МП в прибойной зоне моря с различными видами естественного осадка. Проведена серия лабораторных кспериментов по фрагментации наиболее распространённых видов пластика (полиэтиленовая плёнка, полистирен и полипропилен одноразовой посуды; вспененный пенополистирол) в условиях, имитирующих перемешивание с различными видами естественного донного осадка в прибойной зоне моря. Экспериментальные образцы (2 см х 2 см) были изготовлены из видов/объектов из пластика, наиболее часто встречающиеся на на морском побережье: полиэтиленовые пакеты, одноразовая посуда из полпропилена и полистирена, строительная изоляция из пенополистирола. Четыре вида материала пляжа для экспериментов - песок, гранулы, крупная и мелкая галька – были собраны на побережье Балтийского моря. Сравнение эффективности различных видов осадка во фрагментации пластика однозначно показывает, что чем грубее осадок – тем быстрее идёт разрушение; вывод справедлив для всех использовавшихся видов пластика и не зависит от плавучести частиц. Подобные эксперименты по износу/старению материалов проводятся в обязательном порядке их производителями и пользователями – но только для ожидаемых условий эксплуатации. Поскольку присутствие/разрушение бытового пластика в условиях (и при специфических нагрузках) морской среды заранее не предполагается – соответствующей информации нет, и такие эксперименты оказываются необходимы уже при изучении последствий. В результате статистического анализа полученных данных предложена единая зависимость интегральной массы частиц МП (от 0.5 до 5 мм) от их количества для четырёх наиболее распространённых видов пластика и четырёх видов пляжевого осадка. Полученная зависимость близка к аналогичной зависимости, найденной для частиц МП, собранных на поверхности Мирового океана. Это предполагает значительную роль механической фрагментации на берегах в генерации частиц МП в Мировом океане. Собственно получение зависимости M(N) важно с научно-практической точки зрения: данные мониторинга загрязнения МП обычно приводятся в количестве частиц МП (N штук на погонный, квадратный, кубический метр, на килограмм), что не является консервативной величиной; при этом численные модели, как правило, работают с консервативными параметрами (масса М, например), что не позволяет эффективно использовать данные мониторинга для калибрации и верификации. Для исследования процесса взмучивания частиц МП со дна, покрытого различными видами естественного осадка, дооборудована системой PIV и протестирована лабораторная установка, представляющая собой 10-метровый канал с однонаправленным потоком регулируемой скорости. Разработана и собрана установка для изучения процессов взаимодействия частиц МП и формирующегося океанского / солоноватого / пресноводного льда. Экспедиционные исследования были нацелены на сбор данных по выяснению роли прикреплённой донной растительности в удержании частиц МП. Отбор объёмных (20--100 л) проб воды из зарослей макрофитов с различными типами таллома и вне их позволил предварительно подтвердить гипотезу о повышенной концентрации частиц МП в зарослях макрофитов. Систематизирована имеющаяся информация о содержании частиц МП в донных осадках Балтийского моря. Проведена отработка методик идентификации частиц МП методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Для повышения интенсивности регистрируемых слабых сигналов материала частиц МП были созданы и использованы среды для реализации эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) и получения усиленного сигнала комбинационного рассеяния на основе коллоидных растворов серебра и золота, а также наноструктурированных шероховатых поверхностей золота и серебра.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Загрязнение Мирового океана отходами пластика вызывает опасение, прежде всего, из-за непредсказуемости последствий. Пластик в морской среде практически вечен, но оказался он там сравнительно недавно, успев, тем не менее, уже достичь обоих полюсов и океанского дна. Особо опасными признаны мелкие частицы пластика (микропластик, МП, <5 мм), поскольку они проникают в пищевые цепи и поднимаются по ним до человека. Свойства частиц МП в океане существенно отличаются от свойств и естественных частиц, и прочих загрязнителей антропогенного происхождения, поэтому ни пути переноса, ни места накопления частиц МП в морской среде пока неясны. Использование стандартных методик численного моделирования – лагранжевых трассеров, консервативной примеси, частиц с определёнными задаваемыми свойствами – дают только малую часть информации, поскольку свойства частиц МП (а) очень разнообразны и (б) изменяются со временем. Целью данного проекта является исследование процессов, происходящих с частицами МП на береговой линии, на дне и на поверхности океана и их формализация для применения в численном моделировании. В 2021 году проведены эксперименты по поведению частиц МП различных размеров, форм и плотностей в однонаправленном потоке над дном, покрытым осадком различной крупности. Размещён на сайте ИОРАН (http://lamp.ocean.ru/index.php/lab-video-archive/) архив видео-материалов по поведению частиц МР в различных режимах при лабораторных экспериментах. Предложено выделить в отдельные классы частицы МП с размерами значительно больше и значительно меньше размера зерна осадка. Проведенные лабораторные эксперименты показали, что в иных случаях деление частиц по форме на «одномерные», «двумерные», «трехмерные» может быть уточнено в зависимости от наблюдаемой интенсивности захвата грунтом частиц МП. В качестве варианта параметризации порога взмучивания частиц МП для численных моделей предложено считать критическое придонное сдвиговое напряжение для МП пропорциональным таковому для осадка. Коэффициент пропорциональности следует определять согласно предложенному делению частиц МП на классы. На основании натурных данных проанализировано распределение частиц МП в отложениях песчаных пляжей национального парка Куршская коса. Распределение мусора и микропластика (0.5–5 мм) крайне неоднородно, пятнисто – как вдоль, так и поперек пляжа. Однако удалось выявить важную закономерность: количество мелкого микропластика (0.5–2 мм) на урезе (в прибойной зоне) пляжа практически одинаково для всех станций и во всех повторностях. Более того, в прибойной зоне, характеризующейся самыми энергичными процессами перемешивания, фильтрации, сортировки осадка – происходит и естественная сортировка частиц МП, для которой наиболее важным фактором оказывается размер пор естественного осадка (а не размер зерна). В прибойной зоне наблюдается минимальное загрязнение осадка пластиком – и на пляже, и в донных осадках оно на порядки больше. Анализ содержания частиц МП (0.3–5 мм) в 53 пробах донных отложений Балтийского моря показал, что загрязнение МП увеличивается с глубиной, с максимумом в самой глубокой части моря, причём около 75% частиц составляют волокна. Впервые статистически подтверждено с помощью единого набора данных, что глубокое море действительно является конечной зоной накопления синтетических волокон. На основе проведения статистических анализов показано, что содержание МП напрямую не связано ни с типом наносов, ни со средним размером зерна, ни с сортированностью осадка. Скорее, распределение и накопление различных типов МП (волокон, пленок, фрагментов), так же, как и различных фракций естественных донных отложений связаны с интенсивностью гидродинамического воздействия. Сформулированы следующие утверждения о распределении МП в донных отложениях: (1) «МП в целом», по-видимому, следует разделить на ряд наборов частиц различных конкретных типов (так же, как это принято для естественных донных отложений); (2) частицы МП одного типа имеют сходное поведение взмучивания / накопления, которое, однако, может отличаться от такового для любого осадка или другого типа МП; (3) волокна являются одним из таких специфических типов МП; их распределение в донных отложениях можно описать в терминах зон эрозии / транзита / накопления (как это принято для мелких фракций донных отложений - ила, глины), но границы между этими зонами для волокон располагаются на бОльшей глубине. Для фрагментов и пленок статистический анализ не указывает на какие-либо корреляции - ни со свойствами естественного осадка, ни с распределением волокон. Это подтверждает необходимость дальнейших экспериментальных исследований для выявления особенностей именно этих типов «пластиковых отложений». Проведены серии лабораторных экспериментов по выявлению основных закономерностей распределения частиц МП различных типов в толще льда при различных комбинациях свойств воды, частиц МП и скорости замерзания. Начата обработка фильтров, полученных из растопленных сегментов кернов льда залива Петра Великого (Японское море). Среди полученных из фильтрата льда бухты Новик частиц, волокна были наиболее распространенной формой МП. Среди волокон самым распространенным цветом являлся синий (33%). Концентрация частиц МП во льду составила 0.25 шт/см3 или 254 шт/л. Программа отбора и последовательного анализа на содержание частиц МП в осадках, воде, песках пляжей, водорослях-макрофитах успешно выполняется. Завершены все этапы обработки и экстракции частиц МП из двух серий проб – водорослей-макрофитов и песков на урезе.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Ученые из лаборатории физики моря ИО РАН (Атлантическое отделение, г. Калининград) под руководством д. ф.-м. н. И.П. Чубаренко провели ряд оригинальных работ по изучению переноса и накопления частиц микропластика в морской среде. На основе натурных данных и лабораторных экспериментов исследовалось поведение частиц МП при льдообразовании/таянии морской, солоноватой, пресной воды, распределение частиц МП в толще льда, свойства захватываемых льдом частиц МП. Показано, что из-за гидрофобности материала частицы МП не являются центрами кристаллизации, а при образовании льда на поверхности пластика кристаллы стремятся расти в сторону от поверхности. На результатах лабораторных экспериментов показано, что в толще льда частицы МП обнаруживаются в ассоциации с пузырьками воздуха (в пресных льдах) или между пластинами (в солёных льдах). Значительное отличие тепловых свойств пластика (теплоёмкости, теплопроводности) от свойств льда в условиях циклов замерзания/таяния приводит к вытаиванию частиц МП изо льда. При температурах, характерных для высоких широт, многие пластики оказываются хрупкими, что может объяснить отмечаемое наблюдателями отсутствие крупного плавучего пластикового мусора в Арктике. Рассмотрены механизмы, определяющие распределение и перераспределение по вертикали частиц МП в толще льда. Хотя теоретически можно ожидать увеличения числа частиц МП в поверхностном и нижнем слоях льда, изменчивость природных условий при формировании морского льда и его проницаемость должны сглаживать особенности распределения. Проведена проверка гипотезы о корреляции распределения частиц МП и солёности в толще льда. Для частиц МП, размер которых меньше характерного диаметра солевых каналов, очевидно должна наблюдаться миграция в толще льда вместе с рассолом, поскольку они гидрофобны и, как и соль, вытесняются изо льда. Для более крупных частиц миграция с рассолом механически невозможна. Поэтому анализ распределения частиц МП в толще льда должен проводиться отдельно для разных размерных диапазонов. Проведённые к настоящему времени лабораторные эксперименты по формированию солёного льда и послойному анализу его солёности и содержания частиц МП пока не дали сколько-нибудь убедительных указаний на их связь. Анализ натурных данных также пока не позволяет уверенно говорить о корреляции количества частиц МП и солёности в кернах льда, поскольку ряд данных пока очень ограничен. Профили солёности однолетнего морского льда в кернах бухты Новик залива Петра Великого (полученные в зимний сезон 2019/2020 гг.) показывают, что солёность в нижних ~10 см кернов существенно выше (на ~3 епс), чем в центральной части. Однако обработка послойных фильтров этих кернов на содержание МП ещё далеко не закончена. По двум проанализированным кернам – в нижнем слое, действительно, содержание частиц МП выше, чем в центральной части (на 83% в размерном диапазоне 0.3-5 мм и на 60% - для частиц 25-300 µm). Проведен анализ 14 фильтров, полученных из двух кернов морского льда залива Петра Великого на содержание частиц МП (0.3-5 мм). Анализ показал, что концентрация частиц МП в диапазоне 0.3-5 мм имеет порядок 200-300 шт/л, с преобладанием волокон. Анализ распределения частиц по размерам показал, что наибольшее количество частиц имеет размеры 1-2 мм (37%). В зимний период 2020/2021 гг. проведён отбор кернов льда, шуги, снега, подлёдной воды в пресных (Нижнее озеро и р. Преголя) и солоноватых (Куршский и Вислинский заливы, Балтийское море) водах Калининградской области, и проведен анализ на содержание частиц МП (0.3-5 мм) полученных из них 76 фильтров. Установлено, что волокна являются преобладающим типом МП (95.4%). В среднем, число волокон для воды составило 53.7 шт/л, для шуги 116 шт/л, для снега - 118.5 шт/л, для льда - 138.9 шт/л. Образцы льда оказались наиболее загрязненными частицами МП, а наименее загрязнена вода. Самыми загрязнёнными оказались образцы из реки по сравнению с другими водоемами. При изучении процессов на дне для донных осадков собственно Балтийского моря установлено содержания частиц МП. Закончен анализ на содержание частиц МП (0.3-5 мм) серии проб донных осадков (53 пробы с глубин от 3 до 215 м), полученных в 8 рейсах в собственно Балтийском море в марте-октябре 2015-2016 гг. Установлено, что среднее значение содержания частиц МП составило 863±1371 шт./кг.сухого веса и что волокна являются преобладающим типом МП (74.5%). Распределения различных форм МП отличаются и друг от друга, и от распределений естественных донных осадков, что приводит к заключению, что различные типы частиц МП можно рассматривать как специфические виды осадков, распределение которых в донных отложениях не коррелирует ни с характеристиками природных осадков, ни с другими типами частиц МП. Одним из характерных типов «синтетического осадка» являются волокна, и их количество быстро растёт с глубиной. Для выявления других характерных типов осадков антропогенного происхождения данных пока недостаточно. На основе анализа океанологических / гидрофизических факторов и седиментологических процессов сформулированы предположения о движущих факторах взмучивания / переноса / накопления волокон в собственно Балтийском море. При исследовании процессов взмучивания, переноса и накопления частиц МП на основе лабораторных экспериментов проведен анализ процесса переноса гетерогенного пластикового мусора и МП, содержащего разнообразные по форме частицы с размерами, (i) превышающими размер зерна самого крупного (из используемых) осадка, (ii) порядка зерна осадка, и (iii) существенно меньше зерна осадка. Выявлена картина зон переноса, временного удержания и накопления частиц пластика, проанализированы возможные причины их формирования. Оказалось, что наиболее мобильными являются крупные (по сравнению с зернами осадка) частицы трёхмерных форм. Маленькие частицы (существенно меньше зерен осадка) проваливаются в подповерхностный слой осадка и с течением времени накапливаются там. Подвижность и манера движения (качением, скольжением, сальтацией) частиц промежуточных размеров в существенной мере обусловлены их формой. Самым важным и неожиданным результатом анализа картины переноса частиц однонаправленным потоком оказалось формирование довольно узких зон их накопления, где частицы пластика всех размеров и форм останавливаются наиболее часто. Таким образом, для разнообразных по форме несферических частиц пластика были найдены потенциальные зоны их накопления и экспериментально подтверждено влияние соотношения размеров зерна осадка и частиц МП на подвижность (порог начала движения) последних. Результаты экспериментов также указывают на влияние коэффициента трения (качения, скольжения) пластик-грунт на подвижность относительно крупных частиц. Проведён обзор подходов к теоретическому описанию начала движения частиц донных осадков и их применимости к проблеме переноса частиц МП. Уточнен вид параметризации придонного переноса МП в численных моделях. Поскольку зоны накопления имеют небольшую протяженность и удерживают частицы с разными свойствами (размер, форма), более предпочтительным для использования в численных моделях представляется вероятностный подход к параметризации придонного переноса МП (например, вероятность смещения частицы МП на более грубом грунте или вероятность прийти в движение при увеличении скорости течения). Таким образом, применение вероятностных подходов (как, например, метода Монте-Карло для скоростей оседания частиц МП) представляется более эффективным для описания процессов придонного переноса и накопления частиц МП, чем традиционные для донных осадков подходы на основе введения пороговых значений скоростей течения или придонных сдвиговых напряжений. Исследование роли укоренённой донной растительности в удержании частиц МП (на основе экспедиционных данных) показало, что укоренённая донная растительность активно удерживает частицы микропластика (0.2-5 мм), а территории, покрытые макроводорослями и макрофитами, более загрязнены микропластиком, чем вода и наносы в данном районе. Количество частиц МП в пробах воды, отобранных внутри зарослей, в среднем в 1.7 раза выше, чем в пробах воды, отобранных вне зарослей. Талломы растений опутаны волокнами, при этом нитчатые водоросли удерживают в 2-8 раз больше волокон, чем хрящеватые. Оказалось, что сухая масса водорослей содержит в себе на порядок больше МП, чем пески зоны уреза. Завершён анализ загрязнения частицами микропластика песков прибойной зоны. Оказалось, что уровень загрязнения частицами МП (0.3-2 мм) песков прибойной зоны практически одинаков вдоль побережья Южной Балтики на протяжении около 400 км, и сезонный ход загрязнения также невелик. Связи загрязнения микропластиком (0.3-2 мм) с гранулометрическим составом, сортированностью материала проб, пористостью и проницаемостью грунта пока не выявлено. Таким образом, при общей неоднородности и пятнистости загрязнения морской среды пластиком, обнаружен удобный для мониторинга и достаточно консервативный индикатор его общего уровня. При исследовании загрязнения пластиковыми отходами побережья, выяснено, что максимальное (и по количеству, и по массе) загрязнение пластиком наблюдается в пятнах природного морского мусора, выбрасываемых штормами на побережье. В 2021 году проведён анализ метеорологической и гидрофизической ситуации 240 случаев формирования таких бросов на побережье Самбийского п-ова, и предложена структура модели на основе искусственной нейронной сети для предсказания места и времени бросов. Наличие такой системы прогнозирования пиковых загрязнений позволит эффективнее организовывать уборку выбрасываемого морем антропогенного мусора. Таким образом, в результате исследований предложены научно обоснованные рекомендации для мониторинга МП и морского мусора в прибрежной зоне моря. В 2021 году коллективом издана монография на русском языке, в которую вошли результаты исследований. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (URL-адреса), посвященные проекту: http://lamp.ocean.ru/ http://lamp.ocean.ru/index.php/lab-video-archive/ https://www.researchgate.net/project/Boundary-conditions-for-problems-of-transport-and-fate-of-microplastics-particles-in-marine-environment-MARBLE-Boundaries