Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы 11
1.1 Район исследований 11
1.1.1 Система река Лена - море Лаптевых 13
1.1.2 Чукотское море 16
1.1.3 Восточно-Сибирское море 18
1.2 Карбонатная система природных вод 19
1.2.1. Теория карбонатной системы 19
1.2.2. Методы определения параметров карбонатной системы 21
1.2.3. Методы расчета элементов карбонатной системы 24
1.3 Изученность карбонатной системы вод арктических морей 31
Глава 2. Материалы и методы исследований 37
2.1 Материалы исследований 37
2.2 Методы исследований 41
2.3 Методы расчета 43
Глава 3. Изменчивость параметров карбонатной системы в реке Лене - море Лаптевых 49
3.1 Динамика параметров карбонатной системы и цикл углерода в речных водах 49
3.2 Карбонатная система вод юго-восточной части моря Лаптевых 55
3.3 Потоки СОг в системе океан-атмосфера 69
3.4 Выводы 70
Глава 4. Изменчивость параметров карбонатной системы на шельфе Чукотского моря 71
4.1 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря 71
4.1.1 Биологический фактор 71
4.1.2 Температурный фактор 74
4.2 Временная мезомасштабная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря 75
4.2.1 Берингов пролив 75
4.2.2 Южная часть меридионального разреза (66,00 - 68,33 с.ш.) 78
4.3 Потоки СОг между океаном и атмосферой в восточной части Чукотского моря 80
4.4 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в западной части Чукотского моря 83
4.5 Сравнение межгодовой и мезомасштабной изменчивости параметров карбонатной системы в южной части Чукотского моря 90
4.6 Межгодовая изменчивость потоков ССЬ в системе океан-атмосфера 94
4.7 Выводы 98
Глава 5. Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря ] 00
5.1 Пространственная динамика параметров карбонатной системы вод Восточно-Сибирского моря 100
5.1.1 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2000 г. 100
5.1.2 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2003 г. 102
5.1.3 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2004 г. 108
5.2 Потоки СОг в системе океан-атмосфера 113
5.2.1 Потоки СОг между океаном и атмосферой в сентябре 2003 г. 113
5.2.2 Потоки СОг между океаном и атмосферой в сентябре 2004 г. 113
5.3 Межгодовая изменчивость параметров карбонатной системы вод
Восточно-Сибирского моря и потоков СОг в системе океан-атмосфера 115
5.4 Выводы 124
Заключение 126
Литература
- Система река Лена - море Лаптевых
- Карбонатная система вод юго-восточной части моря Лаптевых
- Временная мезомасштабная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря
- Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2000 г.
Введение к работе
Актуальность работы
В последние десятилетия научная общественность активно ведет дискуссию о так называемом «парниковом эффекте» и связанных с ним климатических изменениях. Среди «парниковых газов» (двуокись углерода, водяной пар, метан, оксид азота, озон), поглощающих инфракрасную часть солнечной радиации и играющих определяющую роль в формировании климата Земли, углекислый газ является важнейшим. При отсутствии этих газов в атмосфере температура земной поверхности могла бы быть на 30С ниже (Graedel and Crutzen, 1993).
Изменения концентрации СОг в атмосфере определяются естественной природной цикличностью. Но в последние столетия наблюдается ее резкое увеличение (Keeling and Whorf, 2004), обусловленное деятельностью человека. Эмиссия антропогенного СОг, вызванная сжиганием ископаемого топлива и уничтожением лесов, увеличила «прединдустриальную» концентрацию СОг в атмосфере от 280 мкатм до 370 мкатм. Ежегодное поступление антропогенного СОг в атмосферу составляет 7 Рг (1 Рг = 1015 г) С; из них приблизительно 3 Рг С накапливается в атмосфере, а оставшиеся 4 Рг абсорбируются наземными экосистемами и океаном (Feely et al., 2001). Антропогенная составляющая роста СОг в атмосфере накладывается на естественную климатическую изменчивость в содержании этого газа, характерную для межледниковых эпох, что приводит к нарушению природного цикла углерода и проявляется в виде глобального потепления климата. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о механизме формирования планетарного максимума СОг в атмосфере, который находится не над средними широтами Северного полушария, где наблюдается максимальная антропогенная активность, а смещен в зону Арктики/Субарктики (Prinn, 1994). Наибольшие сезонные амплитуды концентраций углекислого газа обнаружены в атмосфере Арктики (Keeling and Whorf, 2004,), что показывает важную роль функционирования северных экосистем в региональном балансе углерода (рис. 1).
И если роль наземных экосистем высоких широт как значимых поставщиков СОг в атмосферу достоверно установлена (Zimov et al., 1993), то вклад арктических морей и Северного Ледовитого океана в целом остается неисследованным.
Как известно, существуют только три резервуара со скоростями обмена, достаточно высокими для обнаружения изменчивости в шкале от десятилетий до веков - атмосфера (730 Рг С), наземная биосфера (2000 Рг С) и океан (38000 Рг С) (Prentice et al. 2001). Приблизительно 93% углерода находится в океане, который способен содержать в себе
І і І і І і I ' Г T-
B8S m »es moo 20« m
M 1965 FB B
а) мыс Барроу, Аляска; б) мыс Кумукаши, Гавайи; в) Южный полюс
Рисунок 1 - Сезонные амплитуды концентраций атмосферного СОг (по данным Keeling and
Whorf, 2004)
значительно больше углерода, чем любой другой резервуар. Это связано с тем, что основная часть СОг, которая диффундирует в океан, реагирует с морской водой, образуя угольную кислоту и продукты ее диссоциации - карбонат- и бикарбонат- ионы, что составляет карбонатную систему морской воды. Принято считать, что Мировой океан - основной потенциальный резервуар для стока «избыточного» СОг (Бородовский и Маккавеев, 199І; Ляхин, 1982; Ляхин и Русанов, 1983; Feely et al., 2001). Средняя величина парциального давления СОг в поверхностных водах приблизительно на 7 мкатм ниже атмосферного, что является основной движущей силой поглощения океаном углекислого газа (Feely et al., 2001).
В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что арктический регион наиболее чувствителен к глобальным изменениям, но в то же время стоки и источники парниковых газов в морях Северного Ледовитого океана (СЛО) не изучены и обмен СОг между океаном и атмосферой в Арктике практически игнорируется (Takahashi et al., 1997, 2002; Feely et al., 2001). Выполненные до настоящего времени оценки потоков СОг в системе океан-атмосфера для Восточной Арктики основывались на расчетах, проведенных с большой степенью осреднения (Ляхин и Русанов, 1983; Takahashi et al., 1997), что внесло существенные погрешности в получаемые величины.
Шельфовые арктические моря, занимающие 70% акватории СЛО, в летний период благодаря сезонной продуктивности и низкой температуре воды являются потенциальными резервуарами для избыточного атмосферного СОг. В то же время результаты наших исследований показывают значительное пересыщение поверхностных вод углекислым газом относительно атмосферы в некоторых прибрежных районах СЛО.
Карбонатная система (растворенный в воде углекислый газ, находящийся в равновесии с угольной кислотой и продуктами ее диссоциации) является основной буферной системой океана. Отражая процессы, происходящие в живой и неживой части океана, она в то же время влияет на многие химические равновесия, формы нахождения и миграцию
элементов, протекание геохимических и биологических процессов, а также направление и величину потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера. Детальное исследование динамики параметров карбонатной системы морей Восточной Арктики и определяющих ее процессов позволит выявить особенности регионального цикла углерода и понять механизм формирования атмосферного максимума СОг и его сезонной изменчивости, а также оценить морские акватории с точки зрения возможных источников или стоков для атмосферного СОг.
Цель работы
Целью работы является исследование особенностей динамики карбонатной системы и оценка потоков СОг между океаном и атмосферой в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики в летне-осенний сезон.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
исследование методических основ карбонатной системы;
исследование региональных особенностей поведения карбонатной системы;
выявление процессов, контролирующих изменчивость карбонатных параметров в морях Восточной Арктики;
-исследование карбонатного равновесия в речных водах (на примере р. Лены);
- проведение количественной оценки потоков углекислого газа в системе океан-
атмосфера для исследуемых морей в летне-осенний сезон.
Изучались три района шельфа Северного Ледовитого океана: 1) юго-восточная часть моря Лаптевых, гидрологический и гидрохимический режим которого определяется в большой степени влиянием речного стока (главным образом, реки Лены), 2) шельф Чукотского моря, чей режим определяется притоком тихоокеанских вод и 3) прибрежная часть Восточно-Сибирского моря, занимающего «транзитное положение» между этими морями, гидрологический режим которого определяется, главным образом, взаимодействием вод морей Лаптевых и Чукотского.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность результатов определяется современным уровнем применявшегося аналитического оборудования и методов анализа, тщательным выбором используемых констант диссоциации угольной кислоты и алгоритмов расчета. Полученные выводы не противоречат результатам и выводам других авторов, сделанным на основе анализа экспериментальных данных.
Научная новизна результатов
Динамика параметров карбонатной системы в морях Восточной Арктики ранее не изучалась. Поэтому наши многолетние исследования динамики КС в морях Лаптевых (1997,
7 1999, 2000 гг.), Чукотском (1996, 2000, 2002 гг.) и Восточно-Сибирском (2000, 2003, 2004 гг.) и определяющих ее процессов дают первое представление о миграции неорганического углерода и обмене СОг с атмосферой в регионе Восточной Арктики. В процессе работы были внедрены новые модификации методов исследования КС: парофазный статический и динамический газохроматографический анализ с конверсией углекислого газа до метана в потоке водорода на Ni-катализаторе (Витенберг и др, 1991; Семилетов, 1992); измерение рН с использованием ячейки безжидкостного соединения (метод разработан в ТОЙ ДВО РАН П.Я. Тищенко с коллегами (Тищенко и др., 2001)); мембранный сенсор SAMI-СОг для определения величины рСОг in situ (со спектрофотометрическим аналитическим окончанием). Это позволило впервые на современном уровне исследовать динамику КС в этом наименее изученном регионе, где изменения природной среды под воздействием глобального потепления наиболее значимы. Также нами впервые в регионе проводились прямые измерения СОг в воздухе, что позволило более корректно оценивать обмен СОг между океаном и атмосферой. Нами впервые выполнены количественные оценки потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера в Восточной Арктике на основе измерений параметров карбонатной системы морской воды и содержания СОг в приводном слое атмосферы. Ранее расчеты потоков углекислого газа для арктических морей выполнялись только на основе оценки кислородного баланса (Иваненков, 1985; Ляхин, 1982) или исходя из математической обработки данных, накопленных для акваторий, смежных с арктическими морями (Takahashi et al., 1997).
Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях и представлением докладов на отечественных и международных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1999-2005 гг.).
Практическое значение работы
Результатом этой работы является выявление источников/стоков СОг в арктических морях, исследование влияния мезомасштабной и межгодовой изменчивости параметров КС на направление и интенсивность потоков углекислого газа между океаном и атмосферой, миграции неорганического углерода в системе суша-шельф, что необходимо для оценки роли морей Восточной Арктики в балансе атмосферного СОг и создания более достоверного сценария изменения климата.
Защищаемые положения
Воды реки Лены являются источником углекислого газа в атмосферу в летне-осенний сезон.
Юго-восточная часть моря Лаптевых, подверженная влиянию речного стока и термоабразии берегов, является источником СОг в атмосферу.
Шельфовые воды Чукотского моря, находящегося под влиянием трансформированных тихоокеанских вод, поглощают атмосферный СОг.
Западная часть прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря является источником СОг в атмосферу, а восточная - стоком для атмосферного ССЬ. Направление потока СОг через границу океан-атмосфера меняется в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой и трансформированной тихоокеанской водами.
Апробация работы
Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная арктическая конференция «Научные мосты между Северной Америкой и российским Дальним Востоком» (Владивосток, 1994); 21а51 генеральная Ассамблея IAPSO (США, 1995); конференции AGU (США, 1996; 1998; 2004); объединенная Ассамблея IAMAS/IAPSO (Австралия, 1997); международные конференции PICES (США, 1998; Владивосток, 1999; Канада, 2001); 5ое Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); 13а* Международная школа морской геологии (Москва, 1999); 2ое совещание «Экология пойм сибирских рек и Арктики» (Томск, 2000); 2ад конференция Wadati по изучению изменения полярного климата (Япония, 2001); международное Рабочее совещание по изучению Глобальных изменений на Дальнем Востоке (Владивосток, 2002); международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003); 46 международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Япония, 2003); 5ое рабочее совещание по проекту Arctic Coastal Dynamics (ACD, Канада, 2004). По материалам диссертационной работы в декабре 2003 г. проведен семинар в Международном научном арктическом центре Университета Аляска, Фэрбанкс.
Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 47 печатных работах.
Фактический материал
Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов РФФИ, ФЦП «Мировой океан» и «Интеграция», Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (программа № 13 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы»),
9 международных проектов Национального Научного Фонда США (NSF). В диссертации использованы результаты научных экспедиций по р. Лене (сентябрь 1995, 1998, 1999 гг.), в море Лаптевых (сентябрь 1997, 1999 и 2000 гг.); в Чукотское море (сентябрь 1996, 2000 гг.; конец августа - начало сентября 2002 г.), в Восточно-Сибирское море (сентябрь 2000, 2003 и 2004 гг.).
Содержание работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 142 страницах, включая список литературы из 192 наименований, 53 иллюстрации, 9 таблиц.
Во введении обоснована актуальность изучения карбонатного равновесия в морях Восточной Арктики, определены цель и основные задачи исследований, раскрыта научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе подробно рассмотрен район исследований, показаны общие характеристики и выявлены региональные особенности морей Восточной Арктики. Проведен анализ степени изученности карбонатной системы вод СЛО в целом, а также морей Лаптевых (МЛ, юго-восточная часть), Восточно-Сибирского (ВСМ) и Чукотского (ЧМ). Также была рассмотрена теория КС, приведены методы определения и расчета карбонатных параметров, показана значимость правильного выбора констант диссоциации угольной кислоты при расчетах.
Во второй главе приведено описание и обоснование используемых в работе материалов и методов исследования.
В третьей главе представлен анализ пространствелно-временной изменчивости параметров КС вод юго-восточной части моря Лаптевых. Показано, что основными факторами, определяющими динамику КС юго-восточной части МЛ, является речной сток и термоабразия берегов. Их комбинация определяла обнаруженное пересыщение поверхностных вод углекислым газом относительно его концентрации в атмосфере в летне-осенний сезон. На основе измеренных параметров КС были рассчитаны потоки ССЬ в системе океан-атмосфера для юго-восточной части МЛ.
В четвертой главе изложены результаты изучения региональных особенностей динамики КС на шельфе Чукотского моря и процессов, ее контролирующих. Выполнена оценка пространственно-временной и межгодовой изменчивости параметров КС и потоков СС<2 в системе океан-атмосфера для открытой акватории ЧМ на основе измерений
10 параметров карбонатной системы. Показано, что акватория ЧМ является значимым региональным стоком для атмосферного СОг.
В пятой главе исследовалась динамика КС вод прибрежной части Восточно-Сибирского моря, занимающего транзитное положение между морями Лаптевых и Чукотским. Показано, что характерной особенностью распределения парциального давления двуокиси углерода в поверхностных водах является снижение с запада на восток со значительными пространственными флуктуациями, связанными с прямым влиянием речных вод и эрозионным сигналом. Выявленная особенность распределения параметров КС определялась смешением распресненных речным стоком и обогащенных эрозионным материалом шельфовых вод западной части ВСМ и модифицированных вод тихоокеанского происхождения, поступающих с востока. Оценены величины потоков СОг в системе океан-атмосфера для прибрежной части ВСМ.
Система река Лена - море Лаптевых
Море Лаптевых - окраинное арктическое море Северного Ледовитого океана (рис. 1.1). Объем материкового стока в море Лаптевых составляет свыше 30% от общего речного стока во все российские арктические моря, причем на долю р. Лены приходится более 70% общего стока в море Лаптевых (Антонов, 1957). Все явления, происходящие в этом море, в той или иной степени связаны с колебаниями объема стока Лены, крупнейшей реки Восточной Сибири. Свыше 85% от его величины поступает в море через протоки восточной части ее дельты, поэтому юго-восточная часть моря в наибольшей степени подвержена речному влиянию.
Так как наши исследования были сфокусированы на изучении вод юго-восточной части моря Лаптевых, то уместно начать анализ с характеристики бассейна реки Лены.
Река Лена - одна из крупнейших арктических рек по величине годового стока (527 км ). Дельта р. Лены площадью 25 000 км является второй в мире по величине после дельты Миссисипи и самой большой в России. В дельте р. Лены находится около 30 000 озер: 90% с типичным размером -0,25 км2 и только 100 озер площадью более 10 км2.
Лена берет свое начало около озера Байкал и пересекает Восточную Сибирь с юга на север до моря Лаптевых (общая протяженность - 4400 км) (Антонов, 1967). Бассейн реки Лены площадью 2,5 10б км2 занимает значительную часть Восточной Сибири (53-71N; 105-141Е). Большая часть водосбора Лены находится в зоне сибирской тайги, а самая северная область (дельта реки) в зоне тундры. Почти весь бассейн реки расположен в зоне постоянной мерзлоты глубиной от 50 до 1500 м, а русло реки подстилается сквозным «таликом» - слоем протаявшей мерзлоты.
Верхний 100 м слой мерзлоты содержит не менее 9400 Гт органического углерода, который может быть расконсервирован в процессе термокарста и развития подозерных/речных таликов (Semiletov et al., 1996). Это в 12 раз больше количества углерода, содержащегося в атмосфере в форме СОг. Оттаивающее органическое вещество (ОВ) сезонно-талого слоя мерзлоты и таликов становится доступным для включения в современный биогеохимический цикл и трансформируется в форму СОг (аэробная биодеструкция) и/или СИ» (анаэробная биодеструкция).
Благодаря экстремальному климату сток реки Лены характеризуется высоким летним паводком и очень низким уровнем воды в зимнее время. Это связано с изменением питания речных вод: в низовьях Лены 50% воды образуется в результате таяния снега, 35% - за счет дождевых осадков и 15% - грунтовые подмерзлотные воды. От 75 до 95% общего стока приходится на теплый сезон. Водный баланс сибирских рек, расположенных в зоне мерзлоты, отличается от рек других регионов, так как поверхность мерзлоты под сезонно-талым слоем служит водоупором, что влияет на гидрологию (и гидрохимию) исследуемого района. Глубина залегания мерзлоты изменяется от 10 -10 см севернее полярного круга (и в гористой местности) до 103 - 104 см в южных областях прерывистой (островной) мерзлоты, что также влияет на режим подземного питания, определяющего зимний сток. В зимнее время водное питание реки Лены осуществляется через подрусловые талики. Анализ речных вод показывает, что зимние концентрации всех биогенных элементов увеличиваются в несколько раз в результате химического выветривания пород благодаря смене режима питания (Зубакина, 1979). Поэтому зимний транспорт растворенного материала с речным стоком в Арктический бассейн не так мал, как может показаться из соотношения величины зимнего стока к летнему.
Общий годовой вынос минеральных солей в море Лаптевых водами р. Лены равен -49,2 10б т, что составляет -1,3% от мирового речного стока, что оказывает существенное влияние на гидрохимию вод юго-восточной части моря Лаптевых (Gordeev and Sidorov, 1993; Gordeev et al., 1996). Вынос взвешенного вещества равен 17,6 106 т в год (Сидоров, 1992), но основная часть взвеси осаждается в дельте и на мелководном взморье.
Море Лаптевых (рис. 1.1) простирается от полуострова Таймыр на западе до Новосибирских островов на востоке и ограничивает Евразийский бассейн Арктического океана с юга. На западе море Лаптевых соединяется с Карским морем проливами Вилькитского, Шокальского и Красной Армии. На востоке оно сообщается с Восточно-Сибирским морем проливами Дмитрия Лаптева, Этерикон и Санникова. К северу от о. Котельного граница моря условная, и оно свободно сообщается с Восточно-Сибирским морем и Центральным Арктическим бассейном (Суховей, 1986). Море площадью 672 тыс. км расположено в основном на материковой отмели, в нем преобладают глубины 50-100 м. При средней глубине моря 540 м, 70% его площади занимают мелководные участки с глубинами менее 100 м и только 18% площади приходится на долю глубин, превышающих 1000 м (максимальная глубина - 2980 м).
Гидрохимическая и гидрологическая структуры моря Лаптевых формируются под влиянием трех основных факторов: речного стока, крайне неравномерного в течение года, ледяного покрова и водообмена с Арктическим бассейном. Кроме того, на биогидрохимический режим шельфа моря Лаптевых оказывает влияние эрозионное разрушение берегов (Семилетов, 1999; Киселев и др., 2000). По интенсивности воздействия этих факторов мелководная южная часть моря Лаптевых может быть разделена на две половины - юго-восточную и северо-западную, граница которых проходит от бухты Марии Прончищевой на п-ове Таймыр примерно по диагонали до границы моря Лаптевых с Восточно-Сибирским морем к северу от о-ва Котельный. Большой объем берегового стока оказывает существенное влияние на распределение солености в море Лаптевых. Поверхностная структурная зона в юго-восточной части моря очень тонкая (5-10 м), но горизонтальные градиенты солености весьма значительны. Только сильные шторма способны разрушить плотностную стратификацию и перемешать воду до больших глубин. Однако сразу же после штормов стратификация восстанавливается (Пивоваров, 2000). Более того, по результатам наших многолетних всесезонных исследований в губе Буор-Хая (средняя глубина Юм) даже осенне-зимняя конвекция не разрушает двухслойную структуру, а приводит только к заглублению пикноклина (Семилетов и др., 1996).
Ленские воды в море Лаптевых распространяются над более солеными и плотными морскими водами на север до острова Котельный и на восток до пролива Дм. Лаптева. По данным Антонова и Морозовой (1957), на акватории моря Лаптевых в августе пресные воды могут быть обнаружены в виде обширной области площадью 0,12-0,24 10б км2, содержащей от 50 до 100% речных вод. Ленские воды являются важным компонентом Трансарктического переноса (Semiletov et al., 2000). Выполненные для всей акватории моря Лаптевых оценки содержания растворенного органического углерода показали, что 60% от этой величины приходится на долю терригенного растворенного органического вещества (Kattner et al., 1999). Зимой пресные воды в незначительном количестве продолжают поступать в море подо льдом, хотя происхождение и состав этих вод (источник - подмерзлотные грунтовые воды) отличаются от летних (атмосферных по происхождению).
Карбонатная система вод юго-восточной части моря Лаптевых
В юго-восточной части моря Лаптевых исследования динамики КС были выполнены в сентябре 1997, 1999 и 2000 гг. (рис. 2.2).
Анализ данных показал, что поверхностные воды юго-восточной части моря Лаптевых в летне-осенний сезон (август-сентябрь) в целом были пересыщены двуокисью углерода относительно ее содержания в атмосфере. Во время съемок величина парциального давления СОг в поверхностном слое изменялась, как правило, в пределах 361-768 мкатм, что превышало, иногда значительно, равновесное содержание углекислого газа в воздухе (Keeling and Whorf, 2004) Исключение составляла съемка, выполненная на ГС «Николай Коломейцев» в августе 2000 г., когда средняя для района работ в море Лаптевых величина рСОг в поверхностном слое равнялась 357 мкатм при атмосферном значении 362 мкатм.
Возможной причиной полученных низких величин рСОг могла быть достаточно высокая погрешность определения Ст (Глава 2).
Для детального анализа была выбрана съемка 1999 г. как наиболее обеспеченная данными и отражающая характерную для исследуемого сезона и района работ ситуацию.
Во время экспедиционных работ в сентябре 1999 г. в юго-восточной части моря Лаптевых (губа Буорхая и Янский залив до пролива Дм. Лаптева) поверхностный слой воды был пересыщен углекислым газом относительно атмосферы по всей акватории (рис. 3.2). За исключением ст. 11, величины рСОг на верхнем горизонте превышали равновесные концентрации ССЬ в воздухе, а среднее значение составило 570 мкатм. Максимальные величины парциального давления СОг в поверхностном слое воды достигали 2600 мкатм.
Поверхностные воды исследуемого района находились под влиянием речных вод, что подтверждается распределением солености. В придельтовой зоне соленость на поверхности составила 0,79%о, увеличиваясь к проливу Дм. Лаптева до 20-24%о (рис. 3.3). Об интенсивности речного влияния свидетельствует и распределение нормализованной щелочности: от дельты р. Лены до пролива Дм. Лаптева ее величины изменялись от 34,309 мг-экв кг 1 до 2,631 мг-экв кг1 на выходе из пролива (рис. 3.4). Отметим, что даже в водах пролива Дмитрия Лаптева значение нормализованной щелочности превышало величину, характерную для поверхностных вод шельфовых арктических морей, в малой степени подверженных влиянию речного стока, и равную 2,420 мг-экв кг"1 (Murata and Takizawa, 2003). Концентрации силикатов в поверхностном слое воды также снижались по мере удаления от дельты р. Лены: в придельтовой части они достигали величин 89,7 мкмоль л"1, а в проливе уменьшались до 17,8 мкмоль л"1 (рис. 3.5).
Как отмечалось выше, в этом же сезоне проведились исследования по течению реки Лены от г. Якутска до входа из Быковской протоки. Речные воды были значительно пересыщены углекислым газом, максимальные величины рСОг достигали 1100 мкатм.
В придельтовой зоне поверхностные воды сохраняли высокие значения рСОг (до 500 -600 мкатм). Отметим, что по результатам наших исследований (Пипко и др., 2000; Pipko et al., 2001; Семилетов, 1999; Семилетов и др., 2003) в зоне наибольшего речного влияния (соленость до 2%о, Millero, 1981) величины парциального давления углекислого газа, как правило, не превышали значений 800-900 мкатм.
Значительная стратификация затрудняла вертикальный водообмен: перепад солености от поверхности до дна при глубине 15 м достигал 17-18%о (Юрасов, 2000). Это препятствовало перемешиванию и поступлению к поверхности еще более кислых придонных вод, обогащенных СОг.
По направлению к проливу Дм. Лаптева стратификация вод ослабевала (рис. 3.6), в самом проливе воды были хорошо перемешаны от поверхности до дна (Юрасов, 2000), и поступление к поверхности неорганического углерода (в том числе, в форме СОг) из придонного слоя в результате перемешивания являлось дополнительным фактором, определяющим динамику параметров карбонатной системы. В этой зоне влияние речных вод было уже сильно снижено по сравнению с придельтовой частью моря, что прослеживалось по значениям солености и распределению величин нормализованной щелочности и кремния (рис. 3.3,3.4, 3.5).
Чем же обуславливается влияние речных вод на динамику карбонатной системы в юго-восточной части моря Лаптевых? Известно, что река является круглогодичным поставщиком неорганического углерода в море Лаптевых, причем преимущественно в форме бикарбонат-ионов (Сидоров, 1992; Маккавеев, 1994; Cauwet and Sidorov, 1996; Olsson and Anderson, 1997; Gordeev et al., 1996; Пипко и др., 2000). При этом концентрация неорганического углерода в речных водах значительно ниже, чем в морской воде: 0,6-1,0 ммоль кг"1 и 2,0-2,1 ммоль кг"1, соответственно. Тем не менее, поверхностные воды придельтовой части моря Лаптевых (в зоне наибольшего речного влияния) характеризовались большими величинами рСОг по сравнению с остальной акваторией (за исключением области у м. Буорхая). Это хорошо согласуется с данными Келли (Kelley, 1970) и Маккавеева (Маккавеев, 1994), которые были получены в зоне влияния речных вод в Карском море в августе 1967 г. и осенью 1993 г., соответственно.
Высокие концентрации СОг и, соответственно, низкие величины рН в ленской воде (рис. 3.7, табл. 3.3) обусловлены, по-видимому, как протекающими непосредственно в них процессами бактериальной деструкции лабильной части органического вещества (на что указывала и низкая степень насыщения речных вод кислородом - 89.9-95.2% в сентябре 1999 г.), так и высокими концентрациями в ней вымываемого из почв СОг (конечного продукта аэробного бактериального разложения органического вещества). Вероятно, что пониженные значения рН могут быть связаны и с большим содержанием в речных водах гуминовых кислот, входящими в состав растворенного органического вещества. Известно, что река Лена несет так называемые «черные» воды, высокообогащенные по сравнению с другими реками органическим веществом (Cauwet and Sidorov, 1996).
Временная мезомасштабная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря
В начале сентября вода на западе американской части Берингова пролива представляла собой смесь прибрежной аляскинской и беринговоморской вод, а на востоке -аляскинскую прибрежную водную массу (Christensen et al., submitted).
После 7 сентября наблюдалась серия арктических штормов, сопровождаемых сильными и относительно постоянными северными ветрами (со средней скоростью 10 м сек 1). Они не только увеличили скорость обмена СОг между океаном и атмосферой, но и кардинально изменили гидрологическую ситуацию в проливе, вызвав движение воды с севера на юг. В результате воды Чукотского моря вклинились в Берингов пролив, и беринговоморская вода оказалась смещена в восточную часть пролива (Christensen et al., submitted).
Сравнение карт распределения рСОг на разрезе через Берингов пролив (L-1) в начале и конце сентября показало, что ситуация резко изменилась в течение 26 дней. В поверхностном слое среднее значение рСОг возросло от 307 до 364 мкатм, в то время как средняя температура уменьшилась от 7,9С до 3,7С и соленость выросла от 31,04 до 32,21%о (рис. 4.4; 4.5; 4.6). Во время обеих съемок концентрации хлорофилла-а были практически равны, а величины AOU были положительны (8,5 и 14,2 мкмоль л"1, соответственно), что, наряду с увеличением величин Ст и снижением рН, свидетельствовало об интенсификации деструкции органического вещества. Воды пролива были перемешаны от поверхности до дна в течение обеих съемок. Учитывая изменение распределения солености на разрезе, можно предположить, что наблюдаемое увеличение значений рСОг было обусловлено не столько биологическим или термическим процессами внутри одной и той же водной массы, сколько изменением общей гидрологической ситуации в проливе. Во время второй съемки прибрежные аляскинские воды на востоке исследуемой части пролива были замещены
Повторное исследование было проведено 27 сентября также в южной части разреза L-2 (66,00 - 68,33 с.ш., рис. 2.3) вдоль российско-американской границы. Понижение температуры сопровождалось ростом величин рССЬ в поверхностном слое, хотя перепады величин были ниже по сравнению с разрезом L-1: средняя температура изменилась от 5,9С до 5,0 С, соленость-от 31,8 до 31,2%о, рСОг-от 294 до 334 мкатм (рис. 4.7). Снижение солености в поверхностном слое могло также быть связано с направленным с севера на юг потоком распресненных поверхностных вод Чукотского моря, обусловленным сильными северными ветрами, доминировавшими в это время. Сильное ветровое перемешивание стало причиной увеличения толщины верхнего квазиоднородного слоя (рис. 4.7). Основываясь на полученных данных, можно предположить, что мезомасштабные изменения величин рСОг в поверхностном слое определялись, главным образом, динамическими факторами (изменением ареала распространения различных водных масс на разрезе), за исключением «пятна повышенной продуктивности» (67-68 с.ш., станции 6, 8), где было значимо влияние биологического фактора. Так, например, на станции 6 во время первой съемки (1 сентября) на поверхности наблюдались относительно высокие концентрации хлорофилла-а (5,3 мкг л"1) и величины AOU достигали -14,9 мкмоль л", т.е. поверхностные воды были пересыщены кислородом относительно атмосферы, а величины рСОг достигали 268 мкатм. В конце сентября на этой же станции концентрации хлорофилла-а были в три раза ниже (1,6 мкг л 1), поверхностные воды были слабо недосыщены кислородом (AOU = 1,1 мкмоль л"1), а парциальное давление двуокиси углерода возросло до 304 мкатм. Это свидетельствовало об интенсификации процессов разложения органического вещества в поверхностном слое, сопровождающихся повышением концентраций биогенных элементов.
Возрастание значений рСОг в поверхностном слое частично могло быть связано с увеличением толщины перемешанного слоя вследствие начала зимней конвекции, что привело к вовлечению в обменные процессы нижележащих вод, обогащенных СОг и биогенными элементами.
Анализ распределения рСОг в придонном слое на разрезе L-2 также показал значительный рост величин рСОг между двумя съемками, особенно в высокопродуктивной области 67-68 с.ш. (рис. 4.7). В начале сентября придонные воды были незначительно пересыщены двуокисью углерода (рСОг=439 мкатм), а в ісонце сентября эта величина достигла значений 943 мкатм. При этом соленость и температура практически не изменились: 32,53 и 32,51 %о; 3,2 и 3,5С, соответственно. Как было отмечено выше, в период весеннего цветения фитопланктона эта зона идентифицируется как область повышенной продуктивности. Springer с соавторами рассматривал эту зону как часть северной ветви «Зеленого пояса» (Green Belt) - высокопродуктивной полосы вдоль кромки континентального шельфа, где скорость изымания минерального углерода достигает 16 г С м" сутки" и средняя годовая продукция оценивается в 470 г С м год (Springer and McRoy, 1993; Springer et al., 1996). Максимальная продукция в этом «пятне» в Чукотском море может достигать величин 720-840 г С м"2 год"1. Высокая продуктивность поверхностных вод являлась причиной обогащения придонного слоя минеральным углеродом в результате
разложения органического материала, что привело к значительному увеличению рСОг. Кроме того, определенную роль играл характер циркуляции донных вод в южной части Чукотского моря. Повышенные значения рССЬ в придонном слое могли быть связаны с существованием на юге центральной части Чукотского моря донных вод местного происхождения, температурные и соленостные характеристики которых очень схожи с аналогичными характеристиками водной массы Берингова моря (Коучмен и др., 1979). Их образование происходит в зимнее время на большей части акватории Чукотского моря и часть из них, попадая в центр циклонической циркуляции, остается в море до конца лета. Отличительной особенностью местных донных вод является низкая концентрация в них кислорода, а также высокие значения кремния и фосфатов, что хорошо согласуется и с нашими данными.
Как показало наше исследование, мезомасштабная динамика вод приводит к изменению параметров карбонатной системы, а минерализация органического вещества может служить причиной резкого увеличения значений рСОг в придонном слое в течение нескольких недель.
Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2000 г.
При статистическом анализе полученных результатов была получена значимая корреляция между температурой поверхностного слоя и парциальным давлением двуокиси углерода (г = 0,73), уравнение линейной регрессии описывает их взаимосвязь с достоверностью аппроксимации R2 = 0,539, а отношение АрСОг/АТ, полученное из этого уравнения (у = 52 х + 301), равно 52,0 мкатм С"1. Сравнивая термодинамическое отношение АрСОг/АТ= 21 мкатм С"1 (Takahashi et al., 1993) с экспериментальным, можно сделать вывод о значимом влиянии на распределение рСОг ряда других факторов, снижающих величину парциального давления углекислого газа в поверхностном слое воды в восточном направлении. К ним можно отнести процесс смешения различных вод, отличающихся не только температурой, но и разной интенсивностью процессов продукции/деструкции органического вещества, а также соленостью и содержанием неорганического углерода.
Западная часть Восточно-Сибирского моря в исследуемый сезон находилась под влиянием распресненных речным стоком вод юго-восточной части моря Лаптевых, которые характеризовались низкими величинами рН и солености и высокими значениями рСОг (рис. 5.4). Важно отметить, что именно в западной части ВСМ поступление берегового лабильного органического вещества наиболее значимо, что приводит к аномалиям рСОг «эрозионного» генезиса (Жигарев, 1997; Семилетов, 1999). Следовательно, высокие значения рСОг в западной части ВСМ формировались под влиянием двух факторов - речного стока и береговой эрозии. Распределение содержания взвешенного материала (рис. 5.5) показало, что прозрачность вод в западной части Восточно-Сибирского моря была ниже примерно на порядок, чем в восточной, что было связано с выносом взвеси в результате эрозии и, в некоторой степени, с речным стоком. Это, наряду с поступающей с речными водами «окрашенной» фракцией растворенного органического вещества (рис. 5.5), могло способствовать ослаблению процессов фотосинтеза (Rochelle-Newall et al., 2003) в западном направлении. В тоже время бактериальная деструкция органического вещества, поступающего на шельф с речным стоком и в результате эрозии, поддерживала высокие величины рСОг в западной части моря. Отсутствие стратификации вод в мелководной западной части моря (Суховей, 1986; Юрасов, 2000; Savelieva and Nedashkovsky, 2004) также было дополнительным фактором, способствующим увеличению рСОг в поверхностном слое.
По нашим данным, воды в проливе Санникова были хорошо перемешаны от поверхности до дна на всех станциях. На северо-западе полигона, у острова Новая Сибирь, был обнаружен заток вод другого генезиса (более соленых и холодных с высоким
содержанием неорганического углерода и общей щелочности); они отделялись от водной массы моря Лаптевых выраженной градиентной зоной. С юга на север пролива в поверхностном слое наблюдалось увеличение концентрации общего неорганического углерода (от 1,464 ммоль кг 1 до 1,746 ммоль кг"1) и снижение парциального давления СОг (от 497 мкатм до 411 мкатм). При этом температура воды на севере пролива снизилась на 1С, что могло обусловить изменение рСОг не более, чем на 20 мкатм. Разница между термодинамическим (обусловленным уменьшением температуры) и наблюдаемым снижением величин рСОг связана с более высокими значениями рН и солености вод в северной части разреза. окрашенной фракции растворенного органического вещества (CDOM, мкг-л"1) в поверхностном слое вод на разрезе от пролива Дмитрия Лаптева до пролива Лонга (сентябрь 2003 г.)
При движении вод на восток происходило дальнейшее распреснение, обусловленное стоком рек Индигирка и Колыма. «Сигнал» этих рек прослеживается по «отепляющему эффекту», пониженной солености (до 13 %о), низким значениям рН, 5180 и общего неорганического углерода, а также высоким значениям рСОг; при этом наиболее выражен
106 вклад вод Колымы (им соответствуют максимальные для поверхностного слоя концентрации С02) (рис. 5.4).
Одним из наиболее информативных параметров, позволяющим оценить влияние речных вод, является нормализованная щелочность пАт (пАт = AT /S 35, где Ат - общая щелочность, S - соленость). Изменчивость величины пАт дает возможность дифференцировать распреснение, вызванное таянием морского льда и вкладом речного стока. Известно, что образование/таяние морского льда не вызывает существенного изменения щелочно-хлорных отношений поверхностных вод (Anderson and Jones, 1985; Olsson and Anderson, 1997; Недашковский и др., 2000). Напротив, в дельтах и приустьевых зонах эти величины возрастают в десятки раз.
Во время наших исследований речной сток оказывал значимое влияние не только на западную часть моря, но и на поверхностные воды всей исследуемой акватории, что проявилось в высоких средних значениях пАт (Пипко и др, 2005). Средние величины нормализованной щелочности и общего неорганического углерода, равные в среднем 2,788 ммоль кг 1 и 2,743 ммоль кг , оказались существенно выше значений, характерных для холодных поверхностных шельфовых вод: 2,420 ммоль кг"1 и 2,229 ммоль кг"1, соответственно (Murata and Takizawa, 2003). Близкие к «типичным» концентрации были обнаружены только вблизи пролива Лонга. На разрезе, выполненном через пролив, средняя величина пАт в поверхностном слое составила 2,450 ммоль кг".
Аномально высокие величины пАт в приустьевой зоне р. Колымы (3,260 ммоль кг"1) наряду с низкими значениями рН обуславливали максимальные флуктуации рСОг в поверхностном слое на разрезе, выполненном с запада на восток в прибрежной части Восточно-Сибирского моря (рис. 5.4). Отметим, что по распределению параметра пАр мы можем выделить как сигнал «индигирских», так и «колымских» вод, в то время как наибольшие для исследуемого региона величины рСОг обнаружены только вблизи устья р. Колымы. «Колымские» воды более кислые и содержат более высокие концентрации общего неорганического углерода в летне-осенний сезон (рис. 5.4) при близких среднегодовых величинах (Gordeev et al., 1996; Olsson and Anderson, 1997).
