Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор изученности антарктических вод 9
1.1. Физико-географическая характеристика 9
1.2. Океанологические особенности 10
1.2.1. Крупномасштабная циркуляция 10
1.2.2. Гидрологические фронты 13
1.2.3. Водные массы 16
1.3. Гидрохимические исследования 21
1.4. Биопродуктивности вод Антарктики 26
Глава 2. Материалы и методы 30
2.1. Экспертная проверка гидрохимических данных 39
2.2. Изучение распространения гидрохимических показателей на изопикнических поверхностях 40
2.3. Расчет преформ биогенных элементов 41
2.4. Расчет первичной продукции антарктических вод 41
Глава 3. Гидрохимические характеристики как индикаторы структуры антарктических вод 43
3.1. Гидрохимические характеристики как показатели положения основных фронтов Антарктики 43
3.2. Гидрохимические характеристики водных масс и их модификаций в Антарктике 49
3.2.1. Вертикальная гидрохимическая структура вод 52
3.2.2. Особенности пространственной изменчивости гидрохимических условий в поверхностном слое в разных секторах Антарктики 54
3.3. Анализ переноса и трансформации биогенных элементов с Циркумполярной Глубинной водной массой 56
Глава 4. Гидрохимическая структура вод шельфа и материкового склона (на примере вод шельфа и склона морей Амудсена и Содружества) 62
Глава 5. Влияние гидрохимических условий на биопродуктивностью 83
5.1. Гидрохимические условия создания первичной продукции 83
5.1.1. Оценка потенциальной первичной продукции 84
5.1.2. Оценка первичной продукции 90
5.2. Распределение аммонийного азота, органических форм азота и фосфора, мочевины и растворенного железа, как показателей жизнедеятельности организмов 96
5.3. Гидрохимические показатели распределения скоплений антарктического криля 113
Заключение 119
Список литературы 122
Приложение 137
- Водные массы
- Гидрохимические характеристики как показатели положения основных фронтов Антарктики
- Анализ переноса и трансформации биогенных элементов с Циркумполярной Глубинной водной массой
- Распределение аммонийного азота, органических форм азота и фосфора, мочевины и растворенного железа, как показателей жизнедеятельности организмов
Введение к работе
Антарктика - обширный регион Мирового океана, привлекающий к себе особое внимание океанологов, климатологов, биологов. Являясь одним из главных звеньев планетарной тепловой машины, Антарктика играет важную роль в формировании климата планеты. На фоне долговременного положительного тренда приземной температуры воздуха на планете в Антарктике наблюдается неоднозначная реакция. Большинство прибрежных участков Западной Антарктиды характеризуется незначительным положительным трендом, в районе Восточной Антарктиды наблюдаются даже отрицательные аномалии [Клепиков и др., 2002; Антипов и др., 1995].
Единственным исключением является район западного побережья Антарктического полуострова, где зафиксировано максимальная на планете Биологическая компонента экосистемы Антарктики исключительно чувствительный механизм по отношению к колебаниям климата. В связи с этим необходим постоянный мониторинг экосистемы.
Важную роль в вентиляции глубинных слоев Мирового океана играет Антарктическая Донная водная масса, формирующаяся в области материкового склона некоторых прибрежных морей Антарктиды.
Большую ценность представляют водные ресурсы Антарктики. Это, в первзпю очередь, огромные запасы пищевого белка, заключенные в скоплениях антарктического криля. Кроме того, здесь обитают такие ценные виды рыб, как клыкач, мраморная нототения, разные виды ледяной рыбы.
СССР вылавливал в Антарктике около 0,5 млн. т антарктического криля. В настоящее время общий вылов криля всеми другими странами не достигает 200 тыс. т. Недавно было принято постановление правительства РФ относительно расширения российского мирового промысла, в котором Антарктика названа в числе двух перспективных районов [Глубоков и др., Возврат России к промысловой активности в Антарктике потребует продолжения изучения первичной продуктивности антарктических вод и ее гидрохимической основы, как. одного из главных факторов развития фитопланктона, кормовой базы для криля, который, в свою очередь, является ключевым звеном трофической цепи всего животного мира Антарктики, Гидрохимические характеристики -хорошие показатели физических процессов, происходящих в океане^ и могут быть использованы для выделения» фронтальных зон.и для идентификации водных масс. С другой стороны, биогенные вещества служат основой формирования биологической продуктивности вод, их недостаток лимитирует развитие фитопланктона.
Работ по гидрохимии вод, как одной из важнейших компонент этой экосистемы, к сожалению, недостаточно;' кроме того, гидрохимические данные распространены крайне: неравномерно: Главным образом, они ОТНОСЯТСЯ; к наиболее изученным районам, та1сим как море Скоша и районАнтарктического полуострова. При этом в наибольшей степени они обеспечены данными по растворенному кислороду, растворенному кремнию и минеральному фосфору. Работ по органическим формам азота и фосфора, аммонийного азота, мочевины и растворенного железа очень мало. Эти: элементы до настоящего времени определялись по большей части эпизодически. Между тем они также тесно связаны с жизнедеятельностью морских организмов и служат прямыми показателями: непосредственно скоплений гидробионтов.
Цель работызаключалась в определении гидрохимических показателей структуры вод Антарктики и их влияния на'биологическую продуктивность этого района.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценка достоверности и качества гидрохимического массива; данных;
2. Определение гидрохимических . показателей^ служащих индикаторами положения основных фронтов, Антарктики.
• . ' • ' ' • - , ..•;•• 5,' ••
3. Анализ особенностей пространственного распределения гидрохимических характеристик в разных секторах Антарктики.
4. Определение путей распространения и трансформации биогенных элементов с глубинными водами.
5. Определение гидрохимических показателей, служащих индикаторами процесса формирования Антарктической Донной водной массы в районах шельфа и материкового склона.
6. Оценка величины первичной продукции по биогенным веществам.
7. Определение гидрохимических показателей мест скоплений антарктического криля.
Научная новизна работы.
Впервые для всех секторов Антарктики проведено обобщение современных гидрохимических данных и особенностей их распределения в зависимости от гидрологической структуры вод.
Впервые прослежены распространение и трансформация биогенных веществ (фосфатов, нитратов и растворенного кремния) с глубинными водами в системе Антарктического циркумполярного течения.
Впервые определена роль гидрохимических характеристик на шельфе и материковом склоне как индикаторов условий формирования Антарктической Донной водной массы (АДВ).
Впервые обобщены имеющиеся разрозненные представления о характере распределения аммонийного азота и органических форм азота и фосфора в водах Антарктики, что позволило замкнуть циклы азота и фосфора для этого района и проследить трансформацию этих элементов в продукционно-деструкционньгх процессах.
Впервые выявлена возможность выделения циркумполярной зоны смешения вод высокоширотной модификации и вод Антарктического циркумполярного течения (Южный фронт АЦТ) с помощью гидрохимических показателей.
Впервые проведена сравнительная оценка первичной продущии по гидрохимическим показателям в районах с различными гидродинамическими условиями.
Практическое значение. Полученные в работе результаты могут быть использованы в исследованиях экосистемы Антарктики, для построения ее экологических моделей, как для всего Южного океана, так и для отдельных его районов. Их можно применять для выявления районов промысловых скоплений антарктического криля, а также при изучении водных масс и процессов в сложных динамических районах, где знание только гидрологических параметров недостаточно.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ (две из которых по Перечню ВАК в рецензируемом журнале «Океанология»).
Материалы диссертации были представлены на юбилейной научной конференции «Россия в Антарктике» в 2006 г. (г. Санкт-Петербург), на международных научных конференциях «The 4th International Zooplankton Symposium» в 2007 г (г. Хиросима, Япония), и «SCAR/IASC IPY: Polar Research-Arctic and Antarctic perspectives in the IPY» в 2008 г. (г. СанктПетербург), на международном молодежном форуме по тематике III МПГ в 2008 г, (г. Санкт-Петербург), на конференции по Промысловой океанологии в 2008 г. (г. Калининград), на ежегодных отчетных сессиях ВНИРО (2006-2008 гг.). Работа обсуждалась в лабораториях морской экологии и климатических основ биопродуктивности ВНИРО. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения.
В главе 1 кратко описаны физико-географическая характеристика Антарктики, основные океанологические особенности антарктических вод, этапы исследований гидролого-гидрохимической структуры и биопродуктивности вод Антарктической зоны. Кроме того, в этой главе приводятся сведения о значении гидрохимических условий в морской экосистеме.
В главе 2 описаны данные, использованные в настоящей работе, изложены методы расчета преформных форм фосфатов, нитратов и силикатов, а также первичной продукции.
В главах 3, 4 и 5 рассмотрены гидрохимические показатели, которые служат индикаторами гидрологической структуры (фронтов, водных масс и их модификаций) и процессов, а также биологических процессов в антарктических водах.
В приложении приведен список сокращений, используемых в диссертации, а также карты и разрезы, демонстрирзоощие распределение гидролого-гидрохимических характеристик.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.г.н. В.В. Масленникову за общее руководство рапботы, поддержку и внимание в процессе написания работы, заведующему отделом экологических основ изучения биопродуктивности гидросферы ВНИРО профессору В.В. Сапожникову, сотрудникам отдела: к.б.н. Н.В. Аржановой, к.б.н. А.И. Агатовой и Г.П. Мурому, доценту кафедры океанологии географического факультета МГУ им. Ломоносова А.В. Поляковой и всем сотрудникам кафедры, а также сотруднику лаборатории океанологических и климатических исследований Антарктики ААНИИ Н.Н. Антипову за консультации и оказанную помощь в проведении исследований.
Водные массы
Антарктический тип вертикальной структуры водной толщи характеризуется наличием трех основных водных масс: Антарктической Поверхностной (АПВ); Циркумполярной Глубинной (ЦГВ); Антарктической Донной (АДВ) [Саруханян, Смирнов, 1987; Кошляков, Тараканов, 2004; Baker, 1975; Belkin, 1995; Hofman et al, 1995; Whithworth, Nowlin, 1987] (рис. 1.2).
Каждая из этих водных масс имеет свои особенности, некоторые могут быть разделены на два слоя, либо имеющих сезонное происхождение, либо выявляющихся по признаку наличия экстремумов характеристик. Кроме того, каждая из них имеет свои региональные отличия.
Антарктическая Поверхностная водная масса (АПВ) охватывает слой от поверхности до глубины порядка 200-400 м, причем наименьшие глубины ее залегания отмечаются в зоне антарктической дивергенции [Саруханян, 1986]. АПВ занимает всю рассматриваемую акваторию (присутствует и в шельфовом структурном типе). Ее распространение (наряду с донными водами) относится к расходной части водного баланса антарктических вод, поскольку эта водная масса покидает рассматриваемый пояс, погружаясь в районе Южной Полярной фронтальной зоны до глубин 300—800 м, и участвует в формировании Промежуточной Антарктической воды, распространяющейся на север. Формирование АПВ происходит под воздействием суровых климатических условий и несет соответствующие черты полярных вод, постепенно трансформируясь на пути к северу.
Характерным свойством АПВ является ее разделение на два слоя: слой летнего прогрева и зимний остаточный слой. Зимой в поясе интенсивного льдообразования и сопутствующих конвективных процессов происходит перемешивание АПВ, что приводит к гомотермии по вертикали. Весной-летом в результате таяния льда и радиационного прогрева формируется верхний слой, где температура воды повышается до 1—3 на поверхности. Это приводит к повышению вертикальной устойчивости этого слоя, которая поддерживается также пониженной (в связи с таянием льда) соленостью. Подстилающий его остаточный слой Антарктической зимней воды (АЗВ) сохраняет характеристики, близкие к зимним (температура в ядре этого слоя минимальна и в высоких широтах близка к температуре замерзания воды). Соленость в этом слое относительно высока. Все это приводит к формированию сезонного пикноклина.
Кроме того, можно выделить отдельно как тип Антарктических Поверхностных вод, поверхностные воды над материковым шельфом [Саруханян, 1986]. По существу, те участки шельфа, где не наблюдается проникновение и распространение теплых глубинных океанических вод, заняты одной водной массой (однослойная структура, летом — двухслойная), которую можно назвать Антарктической Шельфовой водной массой (АТТТВ) [Антипов и др., 2007, 2009; Hofman, Klinck, 1998; Delaca, Lipps, 1976; Whitworth et al, 1994]. Выделение этого особого типа антарктических вод может быть обосновано пусть не полной, но все же выраженной, динамической изоляцией от омывающих материковый склон и бровку шельфа океанических вод. Этому способствует и тот факт, что в большинстве случаев бровка шельфа приподнята по отношению к самому шельфу. АТТТВ формируется целиком в самостоятельной шельфовой динамической системе и в результате, прежде всего, мощной осенне-зимней конвекции, достигающей дна даже при довольно больших глубинах. Это приводит к гомотермии по всей толще с температурой, близкой к точке замерзания морской воды. Летом с началом таяния льда поверхностный распресняющийся слой прогревается до 1—2С, что способствует устойчивой его стратификации. Он весьма тонок в отличие от поверхностного слоя в океанических районах. Участки разных типов полыней и участки, освобождающиеся ото льда за счет стоковых ветров раньше, чем более мористые, могут прогреваться до 3—4С.
Циркумполярная Глубинная водная масса (ЦГВ) подстилает Антарктическую Поверхностную водную массу (АПВ). Транзитная зона между ними (основной пикноклин) не отличается высоким градиентом. ЦГВ — единственная водная масса Антарктической зоны (A3), которая не формируется, а вносится в Антарктику, тем самым являясь положительной составляющей водного баланса A3 [Whithworth, Nowlin, 1987; Callahan, 1972].
ЦГВ - наибольшая по объему водная масса Антарктики, охватывающая водную толщу от 150—200 до 3000—4000 м. Главной структурной особенностью ее можно считать наличие промежуточных экстремумов — максимума солености (Бмакс), максимума температуры (Тмакс), минимума содержания кислорода (Огмин), минимумов и максимумов некоторых солей.
ЦГВ можно подразделить на два слоя. Верхняя Циркумполярная Глубинная вода (ВЦГВ) характеризуется, кроме температурного максимума, еще наличием кислородного минимума и максимума биогенных солей, являющихся продуктом воздействия глубинных вод из Индийского и Тихого океанов [Callahan, 1972]. Тмакс не является привнесенной ядровой характеристикой, т.е. изначально глубинная вода (как источник ЦГВ) севернее ЮПФЗ не имеет такого экстремума. Он индуцируется в Антарктике вышележащей поверхностной холодной водой. Нижняя Циркумполярная Глубинная вода (НЦГВ) характеризуется прежде всего максимумом солености (ее источником является Северо-Атлантическая Глубинная вода — САГВ), а также минимумом питательных солей [Reid et at, 1977; Whitworth, Nowlin, 1987]. Таким образом, запасы ЦГВ пополняются за счет поступления глубинных вод с севера во всех трех секторах Антарктики — тихоокеанском, индоокеанском и атлантическом. Основным источником ЦГВ является САГВ. Ее вклад прослеживается по повышенной солености в ядре 8макс от атлантического сектора на восток по всему циркумполярному поясу [Reid et al., 1977; Whitworth and Nowlin, 1987].
Проникновение Циркумполярной Глубинной водной массы в пределы материкового шельфа наблюдается в большинстве антарктических морей. В некоторых из них этот процесс весьма затруднен и связан большей частью с ложбинами, прорезающими склон и имеющими продолжение на шельфе. В других местах доступ глубинных вод на шельф более открыт, что определяется в основном геоморфологическими причинами: пониженной глубиной порога, относящегося к системе шельф-склон, меньшей крутизной материкового склона, отсутствием превышения порога над шельфовой областью.
Одним из наиболее открытых участков для океанических вод является западный шельф Антарктического п-ова (особенно участок с юга до о-вов архипелага Палмера). Процесс проникновения глубинных вод на шельф связан прежде всего, конечно, с местными особенностями рельефа дна, с наличием поперечных ложбин [Hofmann et al., 1995]. В некоторых местах Тмакс превышает 1,5С (ближе к внешней части шельфа). Трансформируясь на шельфе (прежде всего, охлаждаясь), эта верхняя глубинная вода (ВЦГВ) представляет уже модифицированную (МЦГВ) глубинную воду западного шельфа Антарктического п-ова [Smith et al., 1999].
АДВ — весьма важный элемент антарктической структуры водной толщи как по объему, так и по значимости в глобальной океанической системе. Она охватывает придонные слои всех океанов как наиболее тяжелая водная масса.
Районами, где происходит образование основной массы АДВ, являются моря Уэдделла [Gill, 1973; Foldvik et el, 2004] и Росса [Jacobs et al., 1970], хотя подобные, но менее масштабные, процессы отмечены и в других районах вокруг Антарктиды. Для этого обязательны: достаточно широкий материковый шельф, наличие источника образования плотной воды (зимнее льдообразование с летним выносом льда за пределы шельфа, наличие шельфовых ледников), циркуляция, способствующая выносу плотной воды и сползанию ее по склону, формирование склоновой воды, состоящей из нескольких компонентов шельфовых, склоновых и океанических структур, физическая возможность достижения дна плотной склоновой водой. Антарктическая донная вода распространяется по всему Мировому океану. Главную роль при этом играет АДВ, сформированная в районе моря Уэдделла. Она максимальна по объему и имеет пути проникновения в Атлантику. Донная вода моря Росса блокирована с севера Южно-Тихоокеанским поднятием, и, по-видимому, ее роль в режиме Мирового океана невелика. Она описывает циклоническую циркуляцию в западной части глубоководной котловины Беллинсгаузена. Сюда возможен заток донной воды с северной стороны хребта через разломы Удинцева и Элтанин [Gordon, 1967]. К северу от хребта очевиден иной тип донной воды [Антипов и др., 1988].
Гидрохимические характеристики как показатели положения основных фронтов Антарктики
В разделе 1.2 были подробно описаны основные гидрологические фронты Антарктической зоны (A3): Субантарктический фронт (САФ) (северная граница Южной Полярной Фронтальной Зоны (ЮПФЗ)), Южный Полярный фронт (ЮПФ) (южная граница Южной Полярной Фронтальной Зоны (ЮПФЗ)), Южный фронт Антарктического Циркумполярного течения (ЮФ АЦТ), Антарктический Склоновый и Антарктический пришельфовый фронты.
Как было показано выше, ЮПФЗ - четко выраженный раздел между двумя разными структурами вод (антарктической и субантарктической). Зона раздела характеризуется резкими различиями как гидрологических, так и химических свойств соприкасающихся вод. Перечислю основные известные гидрологические признаки, используемые для определения положения границ Южной Полярной Фронтальной Зоны (таблица 3.1) [Антипов и др., 1987; Мсленников, 2003].
Для выделения Субантарктического фронта (северной границы ЮПФЗ) существуют следующие гидрологические критерии:
1) хорошо выраженный рост поверхностной температуры воды в северном направлении;
2) рост поверхностной солености в том же направлении;
3) резкий наклон изогалин, связанный со струей, соответствующей САФ;
4) характерное разбегание изогалин — показатель формирования почти гомохалинного слоя в субантарктических водах;
5) признаки образования слоя минимума солености, ядра Антарктической
Промежуточной водной массы (АпрВ).
Для определения положения Южного Полярного фронта (южной границы ЮПФЗ) используются следующие показатели:
1) сильное расширение холодного слоя, что особенно хорошо проявляется на фоне стабильного, спокойного распространения холодного слоя в антарктической зоне;
2) разделение ядра холодного слоя на отдельные слои (как правило, его раздвоение);
3) резкое заглубление ядра холодного слоя;
4) разрушение или сильное ослабление термоклина, разделяющего холодный слой и подстилающую его теплую глубинную водную массу;
5) относительно резкое (в направлении с юга на север) увеличение температуры воды на поверхности и на подповерхностных горизонтах;
6) обязательное опускание изогалин в направлении с юга на север.
Исследования, проведенные в работе, позволили определить гидрохимические показатели, которые также могут служить индикаторами положения границ ЮПФЗ (таблица 3.1).
Показатели Субантарктического фронта (САФ):
1) резкое уменьшение концентраций минерального фосфора (в пределах 0.7-1.4 мкг-ат/л) на поверхности в направлении с юга на север (рис. 3.2 а);
2) резкое уменьшение концентраций нитратного азота (в пределах 6-18 мкг-ат/л) на поверхности в том же направлении (рис. 3.2 б);
3) характерное разбегание изооксиген с признаком образования подповерхностного максимума кислорода, соответствующего сформировавшейся Антарктической промежуточной водной массе, которая распространяется далее на север (рис. 3.1).
Показатели Южного Полярного фронта (ЮПФ):
1) резкое уменьшение концентрации растворенного кремния на поверхности в направлении с юга на север (в пределах 5-20 мкг-ат/л);
2) резкий подъем изооксиген в слое кислородного минимума в направлении с севера на юг (с 1000-2000 м до 300-400 м) (рис. 3.1);
3) резкий подъем слоя с максимальными концентрациями минерального фосфора с севера на юг (с 1000-2000 м до 300-400 м) (рис.3.2 а);
4) резкий подъем слоя с максимальными концентрациями нитратного азота с севера на юг (с 1000-2000 м до 300-400 м) (рис. 3.2 б).
Некоторые из перечисленных признаков видны на рис. 3.1-3.2 (см. Приложение рис. 2-19). Все перечисленные показатели обычно проявляются в комплексе.
Как уже отмечалось выше, Южный фронт Антарктического Циркумполярного течения (ЮФ АЦТ) разделяет воды одного и того же антарктического структурного типа на две модификации: воды Антарктического Циркумполярного течения (воды АЦТ) и воды приматериковых циклонических круговоротов (высокоширотная модификация).
Как уже отмечалось выше, Южный фронт Антарктического Циркумполярного течения (ЮФ АЦТ) разделяет воды одного и того же антарктического структурного типа на две модификации: воды Антарктического Циркумполярного течения (воды АЦТ) и воды приматериковых циклонических круговоротов (высокоширотная модификация).
Как уже отмечалось выше, Южный фронт Антарктического Циркумполярного течения (ЮФ АЦТ) разделяет воды одного и того же антарктического структурного типа на две модификации: воды Антарктического Циркумполярного течения (воды АЦТ) и воды приматериковых циклонических круговоротов (высокоширотная модификация).
Нужно, однако, учитывать, что этим способом определяется глубинное положение фронта. На поверхности, как правило, ни по температуре, ни по солености нельзя уверенно индентифицировать ЮФ АЦТ. Однако, на поверхности существует хорошо выраженный гидрохимический фронт.
ЮФ АЦТ индентифицируется следующими гидрохимическими показателями.
1) Резкое увеличение содержания растворенного кремния (40 - 60 мкг-ат/л) в поверхностном слое (в АПВ) при движении с севера на юг (рис. 3.3 б).
2) Изменение величины отношения содержания растворенного кремния и минерального фосфора (Si/P) в диапазоне 20—35 в водах АЦТ и высокоширотных водах (рис. 3.3 а). Диатомовые водоросли потребляют указанные элементы в соотношении 33/1. До начала вегетации отношение Si/P в водах АЦТ, как правило, не превышает 20, а в водах высокоширотной модификации оно выше 35. Искомый фронт располагается в районе, для которого характерно отношение в диапазоне 20—35. С началом цветения водорослей в районе, где отношение Si/P
Анализ переноса и трансформации биогенных элементов с Циркумполярной Глубинной водной массой
ЦГВ - единственная водная масса, которая не формируется, а вносится в Антарктику, тем самым, являясь положительной компонентой водного баланса этого региона, поэтому она компенсирует потери солей, происходящие с выносом вод с Антарктической поверхностной водной массой (АПВ) и Антарктической Донной (АДВ) за пределы Антарктики [Clowes, 1938]. Циркумполярная Глубинная водная масса наиболее интересна с точки зрения исследования циркуляции вод в масштабе всего Южного океана. Она достаточно консервативна, не столь подвержена атмосферному воздействию, как АПВ, и в тоже время несет богатейшую информацию о природе глубинных вод. Запасы ЦІ В пополняются за счет поступления глубинных вод с севера во всех трех секторах Антарктики. В результате величины гидрохимических характеристик в ядрах ЦГВ заметно отличаются в разных секторах. В связи с этим, в работе была сделана попытка проследить за количеством поступающих биогенных веществ с глубинными водами в Антарктическую зону из каждого из океанов и дальнейшую их трансформаю в системе Антарктического Циркумполярного течения.
На рис. 3.8 представлены карты пространственного распределения биогенных элементов на изопикнической поверхности (а0=27,8), соответствующей глубинному максимуму солености, ядру НЦГВ [Callahan, 1972]. Распределение биогенных элементов на этой поверхности дает возможность проследить за их поступлением в Антарктику и дальнейшей их трансформацией.
На картах пространственного распределения растворенного кремния видно, что в восточной части Тихого океана на 45 ю.ш. концентрация растворенного кремния максимальна и составляет около 120-125 мкг-ат/л (рис. 3.8 а). В восточной части тихоокеанского сектора концентрация растворенногго кремния снижается до 110-115 мкг-ат/л, в атлантическом до 105-110 мкг-ат/л, в индоокеанском домкг-ат/л и, наконец, в западной части тихоокеанского сектора до 90-100 мкг-ат/л. Эти изменения относятся к водам Антарктического Циркумполярного течения (АЦТ). Включение глубинных вод в систему приматериковых циклонов (высокоширотные воды) сопровождаются локальными нарушениями этой закономерности, связанными с местными циркуляционными условиями и с изменениями вертикальной гидрохимической структуры. Вся глубинная вода, поступающая из Атлантического (концентрация растворенного кремния на 45 ю.ш составляет 75-80 мкг-ат/л) и основной части Индийского океана (80-90 мкг-ат/л), играет своего рода роль «разбавителя» и ведет к постепенному снижению содержания кремния, транспортируемого с запада. Из рисунка 3.8 а видно, что в районе 20-30 в.д. глубинная вода АЦТ с пониженными значениями растворенного кремния (95-100 мкг-ат/л.) достаточно резко устремляется на юг. Похожая картина наблюдается к востоку от круговорота Росса, где смещение вод АЦТ на юг также приводит к общему понижению величины растворенного кремния.
Основным источником поступления минерального фосфора в Антарктику также является Тихий океан (его восточная часть) (рис. 3.8 б). Атлантический и большая часть Индийского океана характеризуются пониженными значениями минерального фосфора. К востоку от Круговоротов Уэдделла и Росса глубинные воды с пониженными величинами фосфора, распространяющиеся на юг, связаны с соответствующим смещением вод АЦТ.
Крупномасштабные особенности распределения нитратного азота практически идентичны распределению растворенного кремния и минерального фосфора (рис. 3.8 в).
Распределение фосфатов и нитратов в слое их максимумов (ВЦГВ)
Карты распределения минерального фосфора и нитратного азота в слое их максимумов, характерных для ВЦГВ, также демонстрируют наличие двух основных источников поступления этих элементов с глубинными водами в Антарктику — восточная часть Тихого океана и район к западу от Австралии (см. Приложение рис. 26). На 45 ю. ш в восточной части Тихого океана концентрация минерального фосфора в слое Ртах достигают 2.45-2.5 мкг-ат/л, нитратного азота - 35.5-36 мкг-ат/л (рис. 3.9). Эта глубинная вода тихоокеанского происхождения, богатая фосфором и азотом распространяется в системе АЦТ на восток. Глубинная вода, поступающая из Атлантического океана, прослеживается на картах по самым низким значениям этих элементов в слое их максимумов. В Атлантическом океане в районе 45 ю. ш. концентрации минерального фосфора в слое Ртах составляют 2.25-2.3 мкг-ат/л, нитратного азота - 33-33.5 мкг-ат/л. Нужно отметить, что узкий диапазон изменения концентраций фосфатов и нитратов в глубинных, водах Антарктики приводит к заметной мозаичности в их пространственном распределении. Поэтому проследить за их трансформацией в Антарктическом Циркумполярном течении по этим картами оказалось практически невозможным. В связи с этим мы их вынесли в приложение, а наши выводы основываем на весьма информативных картах распределения растворенного кремния, фосфатов и нитратов на изопикнической поверхности о"о=27,8.
Пространственное распределение биогенных элементов в глубинных водах (на изопикнической поверхности, соответствующей ядру Нижней Циркумполярной Глубинной водной массе) дало возможность более подробно проследить за поступлением и трансформацией этих солей с глубинными водами в системе Антрктического Циркумполярного течения.
Анализ этих карт показал, что основными источниками пополнения этих солей с глубинными водами являются Тихий океан и восточная часть Индийского океана (Австралийский район). В глубинных водах, распространяющихся в системе АЦТ от тихоокеанского сектора на восток, происходит постепенная трансформация биогенных веществ, характеризующаяся уменьшением их содержания вплоть до минимума в западной части тихоокеанского сектора.
Распределение аммонийного азота, органических форм азота и фосфора, мочевины и растворенного железа, как показателей жизнедеятельности организмов
Работ по распределению органических форм азота и фосфора, аммонийного азота, мочевины и растворенного железа в Антарктике очень мало. Эти элементы до настоящего времени определялись по большей части эпизодически. Во многом это объясняется аналитическими трудностями определения этих гидрохимических характеристик (см. главу 2). Малое количество материала позволяет выявить лишь общие закономерности в распределении этих показателей.
Аммонийный азот в океане тесно связан с жизнедеятельностью морских организмов и является показателем биопродуктивности не только первого, но и последующих трофических уровней. Аммонийный азот вьщеляется в процессе метаболизма микро- и зоопланктона и других морских животных, а также при минерализации органического вещества. Он не накапливается в воде, так как происходит его дальнейшее окисление до нитритного и затем до нитратного азота. Активным потребителем аммонийного азота в океане является фитопланктон, для которого эта форма азота наиболее предпочтительна. На содержание аммонийного азота в океане влияют все перечисленные факторы и, в каждом отдельном случае, может доминировать любой из них. Этим объясняется далеко не простое распределение аммонийного азота [Сапожников, 1987; Зубаревич, Мордасова, 1993].
Основные закономерности распределения аммонийного азота в водах Антарктики были исследованы по данным съемок в море Скоша (январь-март 1985 г.) и в море Амундсена (февраль 2008 г.)
Аммонийный азот в море Скоша изменялся в толще воды в достаточно широких пределах: от аналитического нуля до 3,5 мкг-ат/л.
Рассмотрим вертикальное распределение аммонийного азота с глубиной. Верхний 150-200-метровый слой воды (АПВ) был наиболее богат аммонийным азотом, при этом мористая акватория характеризовалась величинами от 0.1 мкг-ат/л до 1.3 мкг-ат/л, а приостровные районы -0.8 -3.2 мкг-ат/л (рис. 5.1 - 5.3). Глубже 200 м наличие аммонийного азота отмечалось всюду в 1000-метровой толще воды, хотя и в незначительных количествах — в основном менее 0,1 мкг-ат/л.
Для вертикального распределения аммонийного азота было характерно наличие одного или нескольких промежуточных максимумов. На большей части акватории в верхнем 100-метровом слое отмечался максимум аммонийного азота, приуроченный к сезонному пикноклину (на глубине 50-100 м) (рис. 5.1-5.4). Он обусловлен скоплением в скачке плотности детрита, опустившегося из верхнего слоя. Причем, чем более интенсивна фотосинтетическая деятельность фитопланктона - основного поставщика органического детрита, тем более четко выражен "детритный" максимум аммонийного азота. На некоторых станциях в пределах этого слоя наблюдались несколько максимумов аммонийного азота (ст. 153, 184, 221, 224, 258, 261, рис. 5.2-5.4), что, вероятно, обусловлено неоднородностью фотосинтеза по вертикали. Формирование промежуточных максимумов аммонийного азота в верхнем слое связано с продукционно-деструкционными процессами.
На глубинах 400-700 м на некоторых мористых станциях (ст. 205, ст. 219) происходило увеличение аммонийного азота с максимумом, приуроченным к Верхней Циркумполярной Глубинной водной массе, сопровождающееся, как правило, уменьшением органического азота и минимумом кислорода. Подобные разнонаправленные синхронные изменения могут бьпъ результатом деструкции азотсодержащих органических соединений в момент исследований. Следовательно, существование "глубинного" максимума аммиака служит, вероятно, отражением жизнедеятельности организмов на соответствующих глубинах.
Рассматривая пространственное распределение аммонийного азота в море Скоша в целом, можно констатировать, что по сравнению с мористой акваторией его содержание увеличивается в районах островов Южная Георгия, Южных Оркнейских и Южных Шетландских, что может бьпъ связано с интенсификацией жизненных процессов в приостровных районах.
В районе о-ва Южная Георгия общий фон содержания аммонийного азота довольно высок. В феврале значительная часть района характеризовалась величинами, превышающими 0,5 мкг-ат/л в поверхностном слое (в отдельных случаях 2.0-2.3 мкг ат/л), что является следствием высокой биологической продуктивности.
Районы Южных Оркнейских островов и Южных Шетландских островов, как и район о-ва Южная Георгия, также характеризовались высокой концентрацией аммонийного азота на поверхности, в большинстве случаев превышающей 0,5 мкг-ат/л.
Районы Южных Оркнейских островов и Южных Шетландских островов, как и район о-ва Южная Георгия, характеризовались высокой концентрацией аммонийного азота на поверхности, в большинстве случаях превышающей 0.5 мкг-ат/л. Аммонийный азот в море Амундсена, как и в море Скоша, изменялся в толще воды в достаточно широких пределах: от аналитического нуля до 4 мкг-ат/л. При этом концентрации в поверхностном слое были в основном выше 0.5 мкг-ат/л.
В вертикальном распределении аммонийного азота можно выделить несколько промежуточных максимумов. "Детритный" максимум, который, также как и в море Скоша, был приурочен к сезонному пикноклину, залегал на глубине 50 м. Самые высокие концентрации аммонийного азота (4.1 мкг- ат/л) в "детритном" максимуме наблюдались на шельфе моря Амундсена (ст. 7) и могут быть обусловлены интенсивной фотосинтетической деятельностью фитопланктона в летний сезон. Также можно выделить глубинный максимум в распределении аммонийного азота (400-700 м), что может быть результатом деструкции органических соединений. Кроме того в районе проникновения на шельф глубинных вод (ст. 8, 12) наблюдались несколько глубинных максимумов, так называемое «пилообразное» распределение аммонийного азота в водной толще в результате смешения шельфовых и глубинных вод, характеризующихся разной степенью жизнедеятельности организмов. Глубинный максимум аммонийного азота (до 2 мкг-ат/л) на глубине 1000-1500 м , сопровождающийся увеличением органических форм азота и фосфора, служит, вероятно, отражением усиления жизнедеятельности организмов на соответствующих глубинах и может свидетельствовать о наличии скоплений зимоючного фонда зоопланктона или о возможном скоплении антарктического клыкача.
