Изменчивость растворенного органического вещества на шельфе морей Восточной Арктики Пугач Светлана Петровна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы 15

1.1 Район исследований 15

1.1.1 Море Лаптевых 18

1.1.2 Восточно-Сибирское море

1.2 Характеристика основных источников органического вещества на арктическом шельфе 25

1.3 Окрашенное растворенное органическое вещество в шельфовых водах морей Восточной Арктики 29

1.4 Спектральные характеристики окрашенного растворенного органического вещества 34

Глава 2. Материалы и методы исследований 38

2.1 Материалы исследований 38

2.2 Методы исследований

2.2.1 Методы определения содержания растворенного органического углерода 40

2.2.2 Методы определения содержания окрашенного растворенного органического вещества 42

2.2.3 Методы определения и расчета параметров карбонатной системы 44

Глава 3. Распределение растворенного органического углерода на шельфе морей Восточной Арктики в летне-осенний сезон (на примере 2008 г.) 48

3.1 Пространственное распределение растворенного органического углерода на шельфе морей Восточной Арктики и контролирующие его процессы 48

3.2 Региональные особенности распределения растворенного органического углерода на шельфе морей Восточной Арктики 54

3.2.1 Восточная часть моря Лаптевых 54

3.2.2 Западная часть Восточно-Сибирского моря 57

3.2.3 Восточная часть Восточно-Сибирского моря 61

3.2.4 Вертикальное распределение растворенного органического углерода на шельфе морей Восточной Арктики 63

3.3 Выводы 66

Глава 4. Изменчивость спектральных характеристик окрашенной фракции растворенного органического вещества на шельфе морей Восточной Арктики 68

4.1 Пространственная изменчивость спектральных характеристик окрашенной фракции растворенного органического вещества 68

4.2 Межгодовая изменчивость распределения окрашенного растворенного органического вещества 78

4.3 Выводы 84

Глава 5. Взаимосвязь окрашенного растворенного органического вещества с параметрами окружающей среды на шельфе морей Восточной Арктики 85

5.1 Использование оптических характеристик растворенного органического вещества для экспресс-метода оценки концентраций растворенного органического углерода 85

5.2 Роль окрашенного растворенного органического вещества в ослаблении проникновения фотосинтетически активной радиации в водную толщу 89

5.3 Корреляционная связь окрашенного растворенного органического вещества с основными гидрохимическими параметрами окружающей среды... 92

5.4 Выводы 96

Заключение 98

Список литературы

• Характеристика основных источников органического вещества на арктическом шельфе
• Методы определения содержания растворенного органического углерода
• Региональные особенности распределения растворенного органического углерода на шельфе морей Восточной Арктики
• Межгодовая изменчивость распределения окрашенного растворенного органического вещества

Введение к работе

Актуальность работы. Северный Ледовитый океан (СЛО) – важное звено в планетарной климатической системе. Он окружен многолетней мерзлотой, которая является природным хранилищем огромного количества древнего лабильного органического вещества. Занимая только 4% от площади Мирового океана, СЛО получает 11% общепланетарного речного стока, при этом воды арктических рек характеризуются очень высоким содержанием растворенного органического углерода (РОУ). Современные климатические изменения в высоких широтах Северного полушария проявляются в повышении среднегодовой температуры воздуха, усилении интенсивности атмосферной циркуляции, сокращении площади и толщины морских льдов, а также росте масштабов деградации мерзлоты и увеличении стока рек. Речной сток и продукты разрушения ледового комплекса являются основными поставщиками наземного органического вещества (ОВ) на шельф морей Восточной Арктики (МВА).

Наиболее надежным показателем количественного содержания

органического вещества в морских водах является органический углерод, составляющий примерно половину массы ОВ (Скопинцев, 1979). Основная его часть (и, соответственно, ОВ) в океане представлена растворенной формой, хромофорная фракция которой - окрашенное растворенное органическое вещество (ОРОВ) - в шельфовых водах может достигать 70%. Изменяя оптические свойства воды, ОРОВ играет важную роль в биогеохимии прибрежных вод.

Динамика переноса и распределения растворенного органического вещества (РОВ), роль его окрашенной фракции в функционировании экосистемы шельфовых морей Восточной Арктики - самом широком, мелководном и труднодоступном шельфе Мирового океана - еще малоизучена. Исследование этих процессов в условиях современных изменений климата представляет большой научный интерес, особенно на шельфе морей Лаптевых (МЛ) и Восточно-Сибирского (ВСМ), наиболее подверженных влиянию терригенного стока.

Цель работы - оценка пространственной и межгодовой изменчивости растворенного органического вещества и выявление определяющих ее процессов на шельфе морей Восточной Арктики. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

исследование пространственной изменчивости распределения растворенного органического вещества на шельфе морей Восточной Арктики;

районирование исследуемой акватории на основе оптических характеристик растворенного органического вещества;

адаптация экспресс-метода определения окрашенного растворенного органического вещества (ОРОВ_{in situ}) с применением оптического сенсора WET Star для расчета содержания растворенного органического углерода;

исследование межгодовой изменчивости распределения окрашенного растворенного органического вещества в зависимости от гидрометеорологических условий;

выявление связей содержания окрашенного растворенного органического вещества с другими параметрами окружающей среды.

Исходный материал и достоверность полученных результатов.

Диссертационная работа основана на фактическом материале, полученном при непосредственном участии автора в период 2003-2011 гг. в пяти международных экспедициях, организованных и выполненных лабораторией арктических исследований ТОИ ДВО РАН. Достоверность результатов определяется современным уровнем используемого аналитического оборудования и методов анализа, а также выбором репрезентативных алгоритмов расчета (Пугач и Пипко, 2012; Пугач и др., 2015; Alling et al., 2010; Pipko et al, 2011; Pugach et al., 2009, 2010; Semiletov et al, 2011, 2013). Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки многолетних данных, выполненной с использованием современных пакетов аналитических программ.

Научная новизна результатов. Предлагаемая работа является результатом исследований РОУ (и ОРОВ) в арктической системе «суша-шельф» с использованием современных методов измерений. Это большой массив репрезентативных данных, характеризующих пространственную и межгодовую изменчивость растворенных компонентов углеродного цикла. Стратегия системного подхода позволила проследить, каким образом изменения в атмосферной циркуляции, гидрологическом и ледовом режиме определяют изменчивость распределения РОУ (и ОРОВ) на шельфе МВА.

Впервые на основе методической работы, посвященной выявлению связи между значениями содержания РОУ и ОРОВ и реализованной в натурных условиях на шельфе МВА, показано, что экспресс-измерения ОРОВ_{in situ} могут

быть основой для расчета полей РОУ и изучения их пространственной и межгодовой изменчивости.

Научная новизна и соответствие стандартам мирового уровня
подтверждены публикациями автора в реферируемых научных изданиях, а
также представлением докладов в 2003-2015 гг. на десятках международных и
отечественных конференций. Научные проекты с участием автора

диссертационной работы получили положительные экспертные оценки на конкурсах Правительства РФ, Российского Фонда Фундаментальных Исследований, Российской академии наук и других научных организаций в России и за рубежом.

Защищаемые положения:

1. Содержание растворенного органического углерода является достоверным трассером распространения речных вод, а его пространственная изменчивость на шельфе морей Восточной Арктики определяется существованием двух биогеохимических провинций.

2. Спектральные характеристики окрашенного растворенного органического вещества служат индикатором генезиса вод на шельфе морей Восточной Арктики.

3) Межгодовая изменчивость распределения растворенного органического
вещества на мелководном шельфе морей Восточной Арктики определяется в
первую очередь типом атмосферной циркуляции, а также объемом речного
стока.

4) Содержание растворенного органического углерода в поверхностных
шельфовых водах рассчитывается с использованием экспресс-измерения
окрашенного растворенного органического вещества в условиях in situ с
помощью оптического сенсора WETStar.

Практическая значимость работы. Автором проведена адаптация
экспресс–метода оценки концентрации окрашенного растворенного

органического вещества в натурных условиях с использованием оптического сенсора WETStar, который обладает высоким быстродействием, что позволяет рассчитать профили РОУ с большой дискретностью. Впервые для исследуемого района выполнен расчет концентраций РОУ по измеренным оптическим характеристикам и построены карты его распределения в поверхностном слое шельфовых вод. Реализованный в работе подход к изучению пространственно-временной изменчивости концентрации РОУ может быть также использован для понимания закономерностей динамики тонкой структуры РОУ, что крайне важно для выявления характерных особенностей биогеохимического режима

МВА. Показана эффективность использования спектральных характеристик РОВ для оценки его состава в исследуемом регионе.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований,
обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на многих международных
и российских конференциях, важнейшими из которых являются:

Международная конференция Европейского Геофизического союза (EGU,
Австрия, 2008-2012 гг.); Международный симпозиум по Охотскому морю и
морскому льду (Япония, 2008-2010 гг.); 24^ая Международная конференция по
органической геохимии (IMOG, Germany, 2009); Международная научная
конференция «Морские исследования полярных областей Земли в

Международном полярном году 2007/08» (Россия, 2010); Международная
конференция Американского Геофизического союза (AGU, США, 2010-2013
гг.); Международная конференция по проблеме асидификации Северного
Ледовитого океана (Норвегия, 2013 г.); Международная конференция «Наука
будущего» (Россия, 2014 г.), VIII Всероссийская конференция с

международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод» (Россия, 2015).

Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов, финансируемых правительством Российской Федерации (№14.Z50.31.0012), Российским Фондом Фундаментальных Исследований (15 инициативных и экспедиционных проектов, начиная с 2003 г.), по Программе фундаментальных исследований Президиума ДВО РАН (2003-2011 гг.) и Президиума РАН (с 2014 г.), а также в рамках международных российско-шведско-американских проектов с участием Международного Арктического научного Центра Университета Аляска Фэрбанкс (2001-2011 гг.) и Стокгольмского Университета (2008-2011 гг.).

Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 36 печатных работах, из них 26 включены в перечень публикаций, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора в решение проблемы. Автор принимала участие в организации и проведении пяти арктических экспедиций, определяла оптические характеристики РОВ и параметры карбонатной системы на борту судна и в береговых лабораторных условиях, занималась статистической обработкой и анализом полученных результатов. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами в период с 2003 по 2011 гг. Автору принадлежит формулировка защищаемых положений и выводов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 120 страницах, включая список литературы из 216 наименований, 44 иллюстрации, 7 таблиц.

Характеристика основных источников органического вещества на арктическом шельфе

Северный Ледовитый океан является уникальной природной границей России, значительную часть которого занимают шельфовые моря (Атлас океанов, 1980). СЛО составляет только 4% от площади Мирового океана, но при этом получает около 11% от общепланетарного речного стока (Shiklomanov et al., 2000). Характерная особенность региона - наличие многолетней мерзлоты, которая является природным хранилищем огромного количества древнего лабильного органического вещества, активно вовлекающегося в современный биогеохимический цикл (Семилетов, 1999; Semiletov et al., 2005, 2007, 2011; Vonk et al., 2012). Высвобождение ОУ из арктической мерзлоты – один из наиболее действенных механизмов, определяющих перераспределение углерода между наземным, океаническим и атмосферным резервуарами (IPCC, 2007; Semiletov et al., 2012). В последние десятилетия скорость роста температуры воздуха в Арктике почти вдвое выше, чем в среднем по планете, что проявляется как в интенсификации таяния льда и увеличении речного стока, так и в активизации разрушения мерзлоты (IPCC, 2007).

Своеобразие изучаемых морей (моря Лаптевых и Восточно-Сибирское) определяется, в первую очередь, высокоширотным положением, с которым связано наличие ледового покрова в течение года и низкие среднегодовые значения температуры воды. Необходимо отметить, что в СЛО в условиях меняющегося планетарного климата в летний сезон резко увеличилась свободная ото льда площадь. В работе Иванова и др. (2013) показано, что после 2007 г. ледяной покров на большей части СЛО стал сезонным, т.е. площадь, ежегодно очищающаяся ото льда, устойчиво превысила 50%. По данным Национального центра исследования снега и льда (NSIDC) при Университете Колорадо (США) 16 сентября 2012 г. зафиксирован суточный и месячный минимум площади льда в океане (3,61 миллиона км2), что на 13% ниже среднего за период наблюдений с 1979 по 2000 гг. (http://nsidc.org).

Моря Арктики имеют одинаковое происхождение и, по сравнению с другими морями, они достаточно молоды в геологическом масштабе времени. Современный облик шельфа МВА формировался при быстрой трансгрессии моря с возможной скоростью до 1м/1000 лет, когда при выровненном рельефе происходило ускоренное перемещение береговой линии вглубь суши (Томирдиаро, 1974). Более 90% акваторий арктических морей лежит в области сравнительно небольших (до 100 м) глубин. Преобладающий тип рельефа на шельфе моря Лаптевых - морская аккумулятивная равнина вдоль побережий, а на отдельных банках - абразивно-аккумулятивные равнины. Этот же выровненный рельеф продолжается на дне Восточно-Сибирского моря (Добровольский, Залогин, 1982).

Географическое положение обусловливает недостаток солнечного света и соответственно слабый радиационный прогрев арктических морей. В годовом ходе наибольшее поступление солнечной радиации приходится на май – июнь (около 50 % годовой суммы) (Пивоваров, 2000). Однако в это время моря еще покрыты сплошным льдом и снегом с высокой отражательной способностью (альбедо), и основная часть приходящей радиации уходит в атмосферу.

Для российских арктических морей характерно движение поверхностных вод с запада на восток вдоль береговой линии материка (Рисунок 1.1). В северных районах наблюдается движение в обратном направлении, т.е. наблюдается циклонический характер перемещения вод (Никифоров и Шпайхер, 1980; Суховей, 1986). Скорости течений в морях, как правило, невелики. Однако при длительных и сильных ветрах они увеличиваются. Синоптические условия оказывают серьезное влияние на формирование гидрологической структуры вод, поля течений, ледовую обстановку, распределение по акватории речного стока. Для морей бассейна СЛО характерны два типа крупномасштабных атмосферных процессов и гидрологического режима вод (Никифоров, Шпайхер, 1980; Proshutinsky & Johnson, 1997). Первый тип формируется барическим полем высокого давления Арктического максимума (антициклонический режим). В это время мощное развитие получает антициклонический круговорот вод и льдов в Арктическом бассейне, а ось трансарктического течения смещается на юг к материковому склону Евразии (Proshutinsky & Johnson, 1997). Воздушные потоки переносятся на север. Соответственно, в этом же направлении интенсифицируется транспорт льдов и воды. Идет выклинивание речных вод в поверхностном слое (Рисунок 1.2а) и усиливается переток тихоокеанских вод через Берингов пролив. На востоке моря Лаптевых, в Восточно-Сибирском и Чукотском морях наблюдается сгон вод. Глубинные атлантические воды поднимаются ближе к поверхности, что приводит к увеличению солености. Рисунок 1.1 – Циркуляция вод на поверхности СЛО (Национальный атлас России, 2007)

Другой тип атмосферных процессов формируется под влиянием Исландского минимума (циклонический режим). Ось Трансарктического течения смещается на север, из-за чего усиливается поступление вод и льдов из Арктического бассейна. Ветры, направленные с моря на берег, могут приводить к нагонным деформациям уровня поверхности акваторий и даунвеллингу поверхностных вод. При доминировании переноса водных масс с запада на восток активизируется приток в МВА вод западно-арктического шельфа, а тихоокеанских вод в Чукотское море ослабевает. Шлейфы речных вод прижимаются к береговой линии, усиливая распреснение поверхностных вод (Рисунок 1.2б). Верхняя граница глубинных атлантических вод опускается ниже.

Речные воды также весьма существенный фактор формирования гидрохимических и гидрологических условий арктических морей. Соленость воды в арктических морях испытывает наибольшие сезонные колебания по сравнению с другими районами Мирового океана (более 6 psu при средних для океана величинах 0,2-0,3 psu). В местах наибольшего влияния речного стока они достигают 8 psu, а из-за таяния льда соленость поверхностного слоя арктических морей понижается на 1-3 psu (Добровольский, Залогин, 1982; Северный Ледовитый и Южный океаны, 1985). Благодаря речному стоку, ответственному за сильную стратификацию вод, и слабому ветровому перемешиванию, толщина летнего прогретого слоя составляет от 5 до 20 м, ниже располагается зона максимальной вертикальной устойчивости, глубже в районах с низкими скоростями течений могут сохраняться остаточные зимние воды (Савельева и др., 2010).

Методы определения содержания растворенного органического углерода

Полученные спектры аппроксимировались с помощью метода наименьших квадратов формулой: а(Х) =а (Х0) exp {S (X - Х0)}, где а(), а(0) - коэффициенты поглощения на конкретной длине волны в исследуемом диапазоне и на длине волны 0 = 254 нм, S - параметр, определяющий спектральную зависимость коэффициента поглощения, обусловленную концентрацией ОРОВ (Blough and Del Vecchio, 2002). Коэффициент поглощения рассчитывался по формуле: а (X) = 2.303A(2J/L, где А (к) - оптическая плотность на длине волны , L - длина оптического пути в метрах. Образцы для оптических измерений концентраций гуминовых веществ в экспедиции 2008 г. были отобраны без предварительной фильтрации в бутылки темного стекла, хранились в темных и холодных условиях и анализировались на борту судна. Концентрации гуминовых веществ (ГВ) в каждой пробе определялись троекратно методом флуоресцентной спектроскопии (Hitachi F-7000) с использованием пары длин волн 350/450 нм (возбуждение/эмиссия) со спектральной полосой пропускания 2,5 нм для возбуждения и 10 нм для фиксации эмиссии, что рекомендовано для анализа хромофорных фрагментов гуминовых веществ в водах, подверженных интенсивному влиянию речного стока (Skoog et al., 1996a,b; Gustafsson et al., 2001). Концентрацию ГВ в пробе рассчитывали на основе калибровочного графика, построенного для стандартных растворов (Рисунок 2.3), приготовленных с использованием основного раствора сульфата хинина (СХ) известной концентрации (20 мг СХ растворяется в 0,5 литра 0,05 М Н2SO4) (Alling et al., 2010). Полученная для образцов воды интенсивность флуоресценции выражалась в эквиваленте сульфата хинина (мкг СХ л-1).

Измерение концентрации ГВ в образцах воды в экспедиции 2011 г. проводили спектрофотометрическим методом на ЮНИКО 2804 в диапазоне длин волн 200-400 нм. Концентрацию ГВ в пробах воды (мг С/л) рассчитывали по величине оптической плотности А при длине волны 254 нм (Марьяш и др., 2015; Ходоренко и др., 2012):

Для определения рН исследуемой воды применялся потенциометрический метод с ячейкой безжидкостного соединения, разработанный П.Я. Тищенко с коллегами (Тищенко и др, 2001, 2002). Этот метод устраняет теоретическую и экспериментальную неопределенность, связанную с потенциалом жидкостного соединения. Измерения рН выполняли в термостатированной (при температуре 20 + 0,05оС) проточной ячейке объемом -80 см3 с использованием рН-метра ORION-720А Plus и двух высокоомных электродов ( -селективного и рН-электрода), а также электрода сравнения. Величины рН, вычисленные в условной шкале активностей Питцера, затем переводились в шкалу рНТ (Тищенко и др., 2002). Ячейка калибровалась в шкале Питцера с помощью буферного раствора TRISRISHCl-NaCl (mTRIS=mTRISHCl=0,04; mNaCl=0,44) (Тищенко и др., 2002). Значения рН, полученные в шкале Питцера, затем пересчитывались в концентрационную шкалу рНТ (total scale). Ошибка измерений рН не превышала ±0,002 ед. рН.

В 2003-2005 гг. пробы морской воды для определения общей щелочности (АТ), законсервированные насыщенным раствором сулемы (DOE, 1994), были привезены во Владивосток. Общую щелочность анализировали прямым титрованием в открытой ячейке соляной кислотой (0,02 N) со смешанным индикатором (метиловый красный + метиленовый голубой) (Бруевич, 1944) с использованием титратора Dosimat-665. В процессе титрования пробы воды продувались потоком воздуха, освобожденным от углекислого газа и аммиака. Точка эквивалентности (рН около 5,4-5,5) определялась визуально до перехода зеленоватого окрашивания в слаборозовое. Титр устанавливали по стандартному раствору соды, приготовленному весовым способом с учетом вакуумной поправки. Точность определения составила ± 0,2 %. В 2008 и 2011 гг. величина общей щелочности определялась сразу после отбора проб и термостатирования до 20С. Титр HСl устанавливался с использованием сертифицированных материалов сравнения (CRM, Batch#96), предоставленных А. Dickson, Scripps Oceanography Institute. Титрование осуществлялось дозирующим устройством Dosimat-765. Воспроизводимость титрования + 3 мкмоль кг"1 (Pipko et al., 2011).

В экспедициях 2003-2005 гг. парциальное давление углекислого газа в атмосфере измерялось при помощи инфракрасного анализатора LICOR-820. Ошибка метода составляла ±1 мкатм. Забортный воздух с высоты 10 м над уровнем моря непрерывно прокачивался через ИК-анализатор. Начиная с 2008 г. использовался высокоточный пульсационный СО2-анализатор LICOR-7500 с открытой 20 см ячейкой в комплексе с 3D акустическим анемометром для прямых измерений 3х мерного потока СО2 (www.licor.com). Для расчета из измеренных параметров карбонатной системы (рН - АТ) парциального давления СО2 в морской воде была использована программа, предложенная в (Lewis and Wallace, 1998). Ошибка расчета величины рСО2 не превышала 4-6%.

Кубическое уравнение (2), связывающее скорости ветра и газопереноса, было выбрано нами как наиболее достоверное, основанное на большем количестве данных. По сравнению с квадратичным уравнением (3) оно показывает более слабую зависимость газопереноса от скорости ветра при низких скоростях ветра и значительно более сильную при высоких, точнее учитывая ветровое влияние на процесс газообмена между океаном и атмосферой (Wanninkhof and McGillis, 1999). В работе (Bates and Mervilat, 2001) предлагается использовать в расчетах скорость ветра с часовым осреднением, т.к. применение суточной осредненной скорости ветра несколько занижает величину потока СО2 в системе океан-атмосфера благодаря эффекту сглаживания кратковременной ветровой изменчивости в процессе осреднения, не позволяя учесть нелинейную природу газообмена (Bates and Mervilat, 2001). Это подтверждается нашими результатами: при расчетах с использованием суточной осредненной скорости ветра величины суточного потока СО2 оказались ниже в среднем на 16% (Пипко и др., 2008).

Региональные особенности распределения растворенного органического углерода на шельфе морей Восточной Арктики

Рассмотрим более подробно оптические характеристики растворенного органического вещества, учитывая столь значительную роль его окрашенной фракции во множестве природных процессов.

Комплексное изучение оптических характеристик шельфовых вод МВА, типизация районов шельфа по их спектральным параметрам с оценкой средних для зон величин и определение процессов и механизмов, их формирующих, выполнены на основе совместного анализа литературных данных и полученных экспедиционных материалов.

На основе уникального массива данных для Восточно-Сибирского шельфа также было проведено сравнение спектрофотометрического и флуориметрического методов определения ОРОВ.

Исследования пространственной изменчивости спектральных характеристик ОРОВ (a, S, SR и a ) в шельфовых водах морей Восточной Арктики проводилось на основе материалов, полученных в летний сезон (август-сентябрь) 2004, 2005 и 2011 гг. на акватории Восточно-Сибирского моря и восточной части моря Лаптевых (Рисунок 4.1). Для детального анализа пространственной изменчивости коэффициента поглощения на длине волны 254 нм (a254) в поверхностных водах исследуемого района была выбрана съемка 2011 г. как наиболее обеспеченная оптическими и гидрохимическими данными для всего исследуемого шельфа МВА и отражающая характерную для исследуемого сезона и района работ ситуацию. Рисунок

В этом году распределение a254 в поверхностных водах на шельфе МВА демонстрировало значительную пространственную изменчивость: от 30 м-1 на акватории моря Лаптевых (устье реки Лена) до 1,5 м-1 на востоке ВСМ. (Рисунок 4.2).

На рисунке 4.3 представлена зависимость коэффициента поглощения от солености. Установленная линейная корреляция между этими параметрами (r = -0,85) указывает на то, что основным источником ОРОВ на шельфе исследуемых морей является материковый сток. 0

Это подтверждает и рисунок 4.4, на котором представлено пространственное распределение коэффициента поглощения на широтном и долготном разрезах. Максимальные значения обнаружены в поверхностных водах, а вблизи дельты и во всем водном столбе юго-восточной части моря Лаптевых и находились в диапазоне 20-30 м-1 (Рисунок 4.4). По мере удаления от зоны наибольшего влияния речного стока прослеживается основная тенденция снижения а254 в восточном и северном направлениях (Рисунок 4.4).

Распределение коэффициента поглощения (a254, м-1) на широтном (а) и долготном разрезах (б) в 2011 г. В то же время приведенные распределения a254 подтверждают тот факт, что значительные концентрации ОРОВ, типичные для прибрежных районов, не обязательно сосредоточены в непосредственной близости от береговой линии, а могут иметь место и на значительном удалении от нее вследствие адвекции течениями (Blough and R. Del Vecchio, 2002; Власенков и Макштас, 2008). На рисунке 4.5 представлено распределение коэффициента поглощения на среднем шельфе, удаленном от прямого влияния речного сигнала. Но и здесь четко виден сигнал вод р. Лена, который прослеживается до градиентной зоны в области 155 в.д., где он резко снижается от 11 до 3 м-1.

Спектры поглощения проб морской воды различных районов на шельфе МВА снимались в диапазоне длин волн 200 – 400 нм с разрешением 1 нм. Для детального анализа спектров нами был выбран интервал длин волн 275-295 нм, демонстрирующий наиболее широкую изменчивость оптических параметров в условиях смешения вод, имеющих контрастные оптические характеристики, в котором оптическая плотность может достоверно определяться даже в морской среде (Carder et al., 1989; Helms et al., 2008). В этом интервале методом наименьших квадратов нами был рассчитан угол наклона спектральной кривой (S275-295) для изучаемого региона. Значения данного параметра характеризуются большой изменчивостью: от 0,015 нм-1 для прибрежных вод с высокой концентрацией ОРОВ до 0,033 нм-1, характерных для районов, удаленных от прямого влияния речного стока. На Рисунке 4.6 приведены спектральные зависимости для трех станций, выполненных в различных зонах шельфа: станции 66, находящейся под мощным влиянием стока р. Лена (море Лаптевых) (соленость здесь снижена относительно морских величин до значений 13 psu), ст. 89, расположенной в ВСМ (умеренная зона смешения речных и морских вод, соленость – 22,12 psu) и ст. 7, находящейся севернее острова Врангеля, где влияние речного стока минимально (соленость возрастает до 28,71 psu). На рисунке 4.6б также приведены рассчитанные для этих станций величины S275-29o. Минимальные значения S275-29o (0,017 нм"1), обнаруженные в придельтовой зоне моря Лаптевых, являются характерными для вод с доминирующим влиянием аллохтонного РОВ (Пугач и др., 2015). Так, в реке Юкон в период пика паводка, когда концентрации растворенного ОВ (и, соответственно, его окрашенной фракции) максимальны, S275-29o достигают значения 0,012 нм"1 (Spencer et al., 2009). В западной части ВСМ, где влияние речного стока уже ослаблено, S275.29o возрастает до величины 0,020 нм"1. В восточной части ВСМ, где велика роль продукционных процессов и основная часть РОВ производится in situ, S275-290 увеличивается до 0,034 нм"1, что близко к значениям, полученным ранее в автохтонных водах (Helms et al., 2008). а)

Межгодовая изменчивость распределения окрашенного растворенного органического вещества

Таким образом, поступающее в большом количестве с речными водами ОРОВ ослабляет интенсивность ФАР, ингибируя процессы фотосинтеза в районах, находящихся под мощным влиянием речного стока. Это является одним из факторов, способствующих накоплению в водном столбе диоксида углерода, значительно повышая значение парциального давления углекислого газа (рСО2) в морской воде относительно его содержания в атмосфере (Пипко и др., 2005, 2008, 2009, 2010, 2011; Pipko et al., 2011; Semiletov et al., 2011, 2013). На вдольбереговом разрезе по данным экспедиционных исследований 2004 г. коэффициенты корреляции рСО2 с величинами ОРОВ, содержанием ВМ и ФАР были равны 0,61; 0,53 и -0,54, соответственно.

Для понимания возможностей практического применения данных о концентрации ОРОВ в водах на шельфе МВА важно знать, как связаны оптические характеристики РОВ с другими параметрами окружающей среды. В данной работе для рассмотрения этой связи были использованы экспедиционные исследования 2005 и 2011 гг., характеризующиеся наибольшим набором измеряемых параметров и проведенные в юго-восточной части моря Лаптевых – наиболее динамичной зоне шельфа МВА (Рисунок 5.8). В исследуемом районе существуют два основных источника терригенного углерода – речной сток и разрушающийся береговой ледовый комплекс (Semiletov et al., 2011, 2013). Они в значительной степени определяют гидрохимический режим вод, который также зависит и от динамики водных масс, обусловленной типом атмосферной циркуляции.

Из рассмотрения рисунка 5.9а, на котором представлено распределение солености, концентрации ОРОВ, парциального давления углекислого газа (рСО2) и концентрации нитратов (NO3-) в исследуемом районе в сентябре 2005 г., видно, что значения рСО2 в водном столбе изменяются в переделах от нескольких сот до 4000 мкатм (Рисунок 5.9а). Максимум пересыщения по СО2 почти в десять раз превышает равновесное с атмосферой значение. Наибольшие величины рСО2 наблюдаются в точках с высокими значениями солености. Этим точкам соответствуют также низкие величины ОРОВ, что характерно для вод, залегающих ниже пикноклина. В слое низких соленостей с высоким содержанием ОРОВ (достоверного трассера речных вод) значения рСО2 не превышают величину 500 мкатм (характерную для реки Лены (Пипко и др., 2010; Semiletov et al., 2011)), указывая на недоминирующий вклад фракции речных вод в формирование обнаруженных аномалий. Как уже отмечалось, гидрометеорологическая ситуация летом 2005 г. определялась циклоническим типом атмосферной циркуляции, ветры северных направлений препятствовали растеканию речных вод к северу от дельты реки, а также интенсифицировали процессы термоабразии и, как следствие, поступление эрозионного углерода в воду. У дна благодаря поступлению большого количества аллохтонного лабильного органического вещества, ресуспензии осадков из-за интенсивного ветрового влияния, наличию резкого заглубленного пикноклина (Рисунок 5.10а), ограничивающего обменные процессы, парциальное давление углекислого газа достигало аномально высоких величин – до 3858-3905 мкатм.

Обнаруженные в исследуемом регионе концентрации NO3- (0,15-8,14 мкмоль л-1) оказались значительно выше, чем средние значения в реке Лена (0,01-1,4 мкмоль л-1 (Lara et al., 1998)). При рассмотрении распределения этой величины на данном разрезе (Рисунок 5.9а) видно, что высокие значения NO3- также обнаружены в водах с повышенной соленостью и низкой концентрацией ОРОВ, что подтверждает подчиненную роль речных вод в формировании повышенных концентраций нитратов (и фосфатов) в губе Буор-Хая.

Летом 2011 года отношения между исследуемыми параметрами были схожи (Рисунок 5.9б), но водный столб характеризовался более низкими значениями рСО2 (Рисунок 5.9б). Наблюдаемое различие было вызвано сильными ветрами (скорости достигали 15 м с-1), которые наблюдались в течение двух недель до экспедиционных исследований 2011 г., а также во время работ, что в совокупности с минимальной годовой величиной речного стока (497 км3) определяло слабую стратификацию вод и интенсивные обменные процессы (Рисунок 5.10б).

В таблицах 5.2 и 5.3 приведены коэффициенты корреляции между различными гидрохимическими параметрами и концентрацией ОРОВ в водном столбе для сентября 2005 и 2011 гг. Для рассматриваемых годов была характерна различная гидрометеорологическая ситуация; в 2011 г. поверхностный и придонный слои по своим гидрохимическим параметрам не отличались столь значительно как в 2005 г. Тем не менее, использование величин ОРОВ для всего водного столба позволяет не только идентифицировать различные водные массы, но и объяснить экстремальные значения тех или иных параметров. На основании анализа рисунка 5.9, таблиц 5.2 и 5.3 можно сделать вывод о том, что доминирующую роль в формировании обнаруженных аномалий биогенных элементов и рСО2 играет разложение лабильного ОВ, а не увеличение в водной толще доли речных вод.