Piombo di origine antropica nelle acque dolci dell`Antartico

Bollettino della Comunità Scientifica in Australasia
Ambasciata d’Italia
Dicembre 2002
CANBERRA
Piombo di origine antropica
nelle acque dolci
dell’Antartico
Anthropogenic lead in
Antarctic fresh waters
Massimo Gasparon
Massimo Gasparon
Le colline di Larsema nn (69°30'S,
76°20'E) comprendono i circa 50 km2
dell’oasi litoranea libera dai ghiacci,
situata lungo la zona costiera a sud
della baia di Prydz, nell’ Antartide
orientale e caratterizzata dalla presenza
di più di 150 laghi d'acqua dolce. Le
colline di Larsemann hanno una densità
demografica relativamente grande in
rapporto alla media dell’Antartide,
poichè quattro stazioni di ricerca sono
concentrate all'interno di una piccola
superficie di alcuni km2 . La presenza di
stazioni di ricerca sia occupate che
abbandonate, accanto ad una esigua
popolazione umana durante tutto
l’anno, ha contribuito ad alcune
immissioni
antropogeniche
nell’ecosistema lacustre (Burgess et al.
1992; Gasparon e Burgess 2000).
Questi laghi costituiscono quindi un
laboratorio naturale relativamente
semplice per studiare gli effetti del
recente e ben documentato impatto
umano su un ambiente incontaminato.
In generale, i laghi sono ultraoligotrofici
ed
hanno
livelli
estremamente bassi di salinita’ (in
genere <<1%0), turbidita’ (unità
nefelometriche di torbidita’ ≤1) e basse
(inferiori a 1 µg/l) concentrazioni di
metalli (Gasparon e Burgess 2000;
Gasparon et al. 2002). La composizione
generale delle acque del lago è dominata
da immissioni di acqua marina. Di
35
The Larsemann Hills (69°30'S,
76°20'E) comprise an approximately
50 km2 ice-free coastal “oasis” area
located on the southern shore of
Prydz Bay, East Antarctica, and
characterised by the presence of
more than 150 freshwater lakes. The
Larsemann Hills have a relative ly
large
population
density
for
Antarctic standards, as four research
stations are concentrated within a
small area of a few km2 . The
presence of both occupied and
abandoned research stations, as well
as a small year-round human
population, have contributed to some
anthropogenic input into the lake
systems (Burgess et al. 1992;
Gasparon and Burgess 2000). These
lakes therefore constitute a relatively
simple
natural
laboratory
to
investigate the effects of recent and
well-documented human impact on a
"pristine" environment.
Overall, the lakes are ultraoligotrophic, and have extremely low
salinity (typically «1‰), turbidity
(=1 nephelometric turbidity units),
and low (less than 1 µg/l) metal
concentrations
(Gasparon
and
Burgess 2000; Gasparon et al. 2002).
The overall composition of the lake
waters is dominated by sea-spray
input. Consequently, it is primarily a
function of geographic factors, such
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conseguenza, è soprattutto una
questione di fattori geografici, come ad
esempio la distanza dalla costa e
l'esposizione a costanti raffiche di vento.
Falde idriche poco profonde e l'acqua di
superficie contribuiscono anch’esse alla
composizione chimica del lago.
La benzina usata per il trasporto aereo e
stradale, per il riscaldamento e per la
produzione di energia sembra essere
l'unica fonte locale significativa di Pb
antropogenico
nelle
colline
di
Larsemann (Gasparon, in corso di
pubblicazione)
e
concentrazioni
relativamente alte di Pb (parecchie
centinaia di ng/l) dovrebbero trovarsi in
alcuni dei laghi. Tuttavia, le
concentrazioni di Pb misurate nella
maggior parte delle acque del lago e nei
sedimenti sono inferiori a 10 ng/l. Per
esempio, la quantità totale di Pb
(antropogenico e naturale) introdotto nel
lago Sarah Tarn durante il periodo 19861996 raggiungeva circa i 12 grammi.
Sarah Tarn è un piccolo laghetto
montano situato presso Law Base, la
stazione australiana estiva. Supponendo
che tutto questo Pb fosse rimasto in
soluzione, la concentrazione totale di Pb
misurata nel lago Sarah nel 1996
dovrebbe essere circa 600 ng/l.
Gasparon e Burgess (2000) hanno
tuttavia riscontrato che le concentrazioni
di Pb nella maggior parte delle acque dei
laghi nelle colline di Larsemann sono
inferiori a 100 ng/l e addirittura 7 ng/l
nel lago Tarn.
Durante i mesi invernali, (dalla fine di
Febbraio all'inizio di Dicembre) la
superficie dei laghi è completamente
ghiacciata e la temperatura dell'aria è
36
as distance from the shore and
exposure to constant strong winds.
Shallow-level groundwater and
surface water also contribute to the
lake chemistry.
Gasoline used for air and land
transportation, heating, and power
generation appears to be the only
significant
local
source
of
anthropogenic Pb in the Larsemann
Hills (Gasparon, submitted for
publication), and relatively high
concentrations of Pb (several
hundreds of ng/l) should be found in
some of the lakes. Yet, Pb
concentrations measured in most
lake waters and sediments are lower
than 10 ng/l. For example, the total
amount of Pb (anthropogenic and
natural) introduced into Sarah Tarn
during the period 1986-1996 was
calculated at approximately 12
grams. Sarah Tarn is a small tarn
located adjacent to Law Base, the
Australian
summer
station.
Assuming that all this Pb remained
in solution, the measured total Pb
concentration in Sarah tarn waters in
1996
should
have
been
approximately 600 ng/l. Gasparon
and Burgess (2000), however, found
that Pb concentrations in most of the
Larsemann Hills lake waters are
lower than 100 ng/l, and as low as 7
ng/l in Sarah Tarn.
During the winter months (late
February to early December) the
surface of the lakes is completely
frozen and the air temperature is
constantly below 0 ºC. There is no
flux of material into or out of the
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costantemente inferiore a 0 ºC. Non vi è
alcun flusso di materia in entrata od
uscita dal lago ed il sistema si comporta
come un sistema chiuso. Durante i mesi
estivi, la superficie dei laghi si scioglie e
le dinamiche del lago dipendono
fortemente
dalle
variazioni
di
temperatura durante il giorno e la notte.
Durante il giorno, la temperatura
dell'aria è solitamente superiore ai 0 ºC e
le falde acquifere di profondita’ o di
superficie possono entrare ed uscire dai
laghi. Durante la notte, la temperatura
dell'aria scende al di sotto dello 0 °C ed
il flusso d’acqua nei laghi si interrompe.
Il clima sulle colline di Larsemann
durante i mesi estivi è inoltre
caratterizzato da forti venti catabatici
provenienti da ENE o da NE (Bian et al.
1994). Questi venti persistenti
impediscono la stratificazione della
colonna d'acqua durante le notti estive.
A partire dal Lago Sarah, e’ stato
elaborato un modello di stato stazionario
di bilancio di massa (basato su Schnoor
1996) per descrivere l'abbondanza di Pb
nelle acque lacustri delle colline di
Larsemann. Questo modello permette il
calcolo della frazione di metallo
assorbito al particolato (fp) e la frazione
di metallo rimosso dalla colonna
dell'acqua
a
seguito
della
sedimentazione (R). Il valore di fp può
essere calcolato usando la seguente
equazione:
fp = KdM/(1 + KdM)
(equazione 1)
lake, and the system behaves as a
closed system. During the summer
months the surface of the lakes
thaws, and the lake dynamics is
strongly dependent on day/night
temperature variations. During the
day, the air temperature is usually
above 0 ºC, and surface and shallow
groundwater can flow into and out of
the lakes. During the night the air
temperature falls below 0 °C, and the
water flow into and out of the lakes
is interrupted. The climate of the
Larsemann Hills during the summer
months is also characterised by
strong katabatic winds originating
from ENE or NE (Bian et al. 1994).
These persistent winds prevent
stratification of the water column
during the summer nights.
A steady-state mass-balance model
(based on Schnoor 1996) to describe
the abundance of Pb in the
Larsemann Hills lake waters was
derived for Sarah Tarn. This model
allows the calculation of the fraction
of metal adsorbed to the particulate
(fp), and the fraction of metal
removed from the water column due
to sedimentation (R). The value of fp
can be calculated using the following
equation:
fp = KdM/(1 + KdM)
dove Kd= coefficente di distribuzione
di solidi/acqua, ed
M=concentrazione delle Polveri
Totali Sospese (PTS).
37
(equation 1)
where Kd = solids/water distribution
coefficient, and
M = concentration of Total
Suspended Solids (TSS).
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Similmente, il valore della R può
essere calcolato con la formula:
Similarly, the value of R can be
calculated with the formula:
R = ks τfp/(1+ ks τfp)
R = ks τfp/(1+ ks τfp)
(equazione 2)
(equation 2)
dove ks = particella che determina la
velocita’/profondita’ del lago, e
τ=
tempo idraulico medio di
detenzione del lago (=tasso di scarico
del lago volume/deflusso).
where ks = particle settling
velocity/depth of the lake, and
τ = mean hydraulic detention time of
the lake (=lake volume/outflow
discharge rate).
La quantità di metallo rimossa dovuta
alla sedimentazione dipende dalla
velocità di sedimentazione del
particolato e dal tasso di scarico in uscita
(vedi l'equazione 2). Entrambi i
parametri sono altamente variabili nel
lago
Sarah.
La
velocità
di
sedimentazione del particolato dipende
fortemente dalla velocità del vento, in
special modo nelle zone poco profonde
dei laghi. Il tasso di scarico in uscita
varia in gran parte a seconda della
temperatura.
La figura 1 mostra i valori della R per
una
gamma
di
velocità
di
sedimentazione del particolato e tassi di
scarico di uscita (zona punteggiata),
come sono stati osservati in estate a
Sarah Tarn durante il 1986-98. Questi
dati indicano che quantita’ variabili di
metalli possono essere rimosse a causa
della sedimentazione nei mesi estivi. In
particolar modo, indicano che qualsiasi
metallo che venga immesso nel sistema
del lago durante l'estate sarà rimosso a
causa della sedimentazione durante i
mesi invernali, indipendentemente dalla
velocità di sedimentazione del
particolato, semplicemente perché il
lago si comporta come un sistema
chiuso (tasso di scarico di uscita
tendente allo zero).
The amount of metal removed due to
sedimentation is dependent on the
particle settling velocity, and on the
outflow discharge rate (see equation
2). Both parameters are highly
variable in Sarah Tarn. Particle
settling
velocity
is
strongly
dependent on wind speed, especially
in the shallow parts of the lakes.
Outflow discharge rate is largely a
function of temperature.
Figure 1 shows the values of R for a
range of particle settling velocities
and outflow discharge rates (stippled
area), as have been observed in
summer at Sarah Tarn during 198698. These data indicate that variable
proportions of metals may be
removed due to sedimentation in
summer. Most importantly, they
indicate that any metal entering the
lake system in summer will be
removed due to sedimentation during
the winter months, irrespective of the
particle settling velocity, simply
because the lake behaves as a closed
system (outflow discharge rate
tending to zero).
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1
Vs = 1
WINTER
0.01
Vs = 0.1
SUMMER
Vs = 0.01
Vs = 0.001
0.0001
0.01
1
Q (m 3 /day)
Figura 1. Variazioni della R (come percentuale della
frazione; R = 1 significa che 100% dei metalli è
rimosso a causa della sedimentazione) in funzione al
tasso Q di scarico di uscita (in m3/al giorno) per
diverse velocità di sedimentazione del particolato
(che variano da 0,001 a 1 m/al giorno) a Sarah Tarn.
La zona punteggiata rappresenta la gamma di tassi di
scarico d’uscita e di velocità di sediment azione del
particolato, osservati durante l'estate. Durante
l'inverno, i tassi di scarico di uscita tendono allo zero,
poiche’ la superficie del lago e’ permanentemente
ghiacciata e la frazione di metalli rimossa a causa
della sedimentazione si avvicina al 100%,
indipendentemente dalla velocità di sedimentazione
del particolato.
Ricapitolando, i laghi d'acqua dolce delle
colline di Larsemann sono ultraoligotropici ed hanno in generale una
bassa salinita’ ed un basso contenuto di
TTS. L'impatto umano nella zona ha
provocato l’eutrofizzazione ed un
aumento di TTS in alcuni laghi,
specialmente quelli situati nelle vicinanze
delle quattro stazioni di ricerca. Basse
concentrazioni di oligometalli sono
introdotte nell’ecosistema del lago da
acque superficiali e da falde acquifere
poco profonde durante i mesi estivi e le
fonti antropogeniche (principalmente
combustibile usato per i voli con
elicotteri) hanno portato Pb ad alcuni
39
100
Figure 1. Variations of R (as fraction
percentage; R = 1 means that 100% of metals
are removed due to sedimentation) as a
function of outflow discharge rate Q (in
m3/day) for different particle settling velocities
(ranging from 0.001 to 1 m/day) in Sarah
Tarn. The stippled are shows the range of
observed outflow discharge rates and particle
settling velocities during the summer. In
winter, outflow discharge rates tend to zero, as
the surface of the lake of permanently frozen,
and the fraction of metals removed due to
sedimentation is near 100% irrespective of the
particle settling velocity.
In summary, freshwater lakes of the
Larsemann
Hills
are
ultraoligotrophic and have overall low
salinity and low TSS content.
Human impact in the area has
resulted in eutrophication and
increase in TSS in some of the lakes,
particularly those situated in the
vicinity of the four research stations.
Low concentrations of trace metals
are introduced into the lake systems
by surface water and shallow
groundwater during the summer
months, and anthropogenic sources
(mostly fuel used for helicopter
flights) have contributed Pb to some
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laghi dal 1986.
Quasi tutto il Pb introdotto nei laghi è
rimosso dalla colonna d'acqua in seguito
alla sedimentazione. In seguito a questo
processo, le concentrazioni di Pb
misurate nella colonna dell'acqua sono
decisamente basse. Di conseguenza,
l’impatto umano (eutrofizzazione e
produzione di sedimenti a grana fine)
sono paradossalmente molto efficaci nel
rimuovere metalli tossici dalla colonna
dell'acqua.
of the lakes since 1986.
Almost all the Pb introduced into the
lakes is removed from the water
column by sedimentation. As a result
of this process, Pb concentrations
measured in the water column are
remarkably low. Therefore, human
impacts
(eutrophication
and
production
of
fine-grained
sediments) are paradoxically very
effective in removing toxic metals
from the water column.
Questo studio dimostra che una
comprensione completa delle dinamiche
del lago e delle reazioni di interazione
sedimenti/acqua è necessaria per
un'interpretazione corretta dei risultati
analitici.
This study demonstrates that a
thorough understanding of the lake
dynamics and of the sediment/water
interaction reactions are needed for a
correct interpretation of analytical
results.
REFERENCES
Bian, L., Xue, Z., Lu, L., Lu, C., Jia, P. and Zhang, Y. 1994. Surface meteorological data at Zhong
Shan Station, Antarc -tica, 1989-1992. CHINARE Data Report 7 (Meteorology 6). Polar Research
Institute of China
Burgess, J.S., Spate, A.P. and Norman, F.I. 1992. Environmental impacts of station development in
the Larsemann Hills, Prin-cess Elizabeth Land, Antarctica. Journal of Environmental Management
36: 287-299
Gasparon, M. submitted for publication. Lead contamination in the fresh water lakes of the
Larsemann Hills, East Antarctica. Polar Record
Gasparon, M., Lanyon, R., Burgess, J.S., and Sigurdsson, I.A. 2002. The freshwater lakes of the
Larsemann Hills, East Antarctica: chemical characteristics of the water column. ANARE Report 147
Gasparon, M. and Burgess, J.S. 2000. Human impacts in Antarc -tica: trace-element geochemistry of
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Schnoor, J.L. 1996. Environmental modeling. Fate and trans-port of pollutants in water, air, and soil.
New York: John Wiley & Sons
Dr Massimo Gasparon
Department of Earth Sciences,
The University of Queensland,
St Lucia, Qld 4072 Australia
Email: [email protected]
Versione originale in inglese
Original version in English
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