Введение к работе
Актуальность исследования. Исследование масштабов и причин природной изменчивости гидрохимических параметров в океане позволяет оценивать устойчивость гидрохимической структуры по отношению к различным внешним воздействиям и прогнозировать изменчивость химических условий как абиотического фактора среды. Накопленный к 1980-1990 гг. материал в значительной степени отражал усредненно-статичную картину распределения гидрохимических параметров в океане. К настоящему времени существенно увеличен массив данных по химическим параметрам морской воды. База океанографических данных (WOD05, 2005 г.) включает в себя 638888 измерений растворенного кислорода, 400399 -фосфатов, 287256 - растворенного кремния, 233125 - нитратов, 152911 - рН, 30419 -общей щелочности и 9093 - общего неорганического углерода. На основе имеющейся информации появилась возможность детального изучения межгодовых изменений в распределении химических параметров в водах Мирового океана. Сезонная изменчивость распределения химических характеристик изучалась более целенаправленно, чем межгодовая и по ней накоплено большое количество материала. Основная мотивация этих исследований - изучение влияния климатических изменений на химические параметры морской воды.
С середины 19-го столетия и по настоящее время наблюдается рост
содержания углекислого газа в атмосфере, обусловленный активной человеческой
деятельностью (сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов, производство
цемента). За данный период парциальное давление углекислого газа в воздухе
(рС02а) увеличилось от 268 ± 13 цатм до 388 цатм (северная часть Тихого океана,
2009 г.). Увеличение СОга за последние 150 лет обозначается как антропогенный
СС»2, хотя существуют предположения, что значительное повышение содержания
СС»2а может быть связано с дополнительной деструкцией органического вещества в
высоких широтах при разрушении покровных ледников вследствие потепления
климата. Углекислый газ поглощает инфракрасную часть солнечной радиации в
диапазоне длин волн 13-17 мкм. На основании прогнозов, сделанных Арреуниусом
(1896), увеличение С02 (и других «парниковых» газов) должно сопровождаться
возрастанием температуры в воздухе и изменением климата (Kellogg, 1983; Manabe,
Stouffer, 1993, 2000; Sarmiento et al., 1998; Мохов и др., 2005). Для вод
4 тихоокеанской субарктики, Берингова и Охотского морей прогнозируется понижение солености и увеличение стратификации вод за счет увеличения количества осадков, уменьшения ледяного покрова и снижения поступления вод с повышенной соленостью из низких широт (Manabe, Stouffer, 1993, 2000; Sarmiento et al., 1998). При сохранении (или увеличении) экспорта взвешенного органического вещества из поверхностного в глубинные слои морской воды, увеличение стратификации и, следовательно, замедление вентиляции подповерхностных вод должно приводить к увеличению концентраций неорганического углерода и биогенных элементов и понижению содержания растворенного кислорода в промежуточном слое вод.
По мнению ряда исследователей (Robinson et al., 1998; 2007; Сорохтин, 2001), рост содержания С02 в атмосфере не должен оказывать существенного влияния на климат Земли.
Рост рС02а увеличивает концентрацию общего неорганического углерода (антропогенный или избыточный С02) (Brewer, 1978; Chen, Millero, 1979) и понижает рН (-log[H+]) (антропогенное или избыточное изменение рН) (Andreev et al., 2001) морской воды. Изменения в рН влияют на биогеохимические процессы в океане, форму нахождения и миграцию микроэлементов (Huesemann, Skillman, 2002; Knutzen, 1981; Riebesell et al., 2000) и степень насыщения морской воды карбонатом кальция (Feely, Chen, 1982; Feely et al., 2004). «Избыточное» растворение карбонатов, вызванное снижением степени насыщения морской воды карбонатом кальция,- один из основных механизмов, способных нейтрализовать понижение рН при увеличении концентрации С02 в атмосфере.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы - оценка межгодовых изменений химических параметров в водах тихоокеанской субарктики, Берингова, Охотского и Японского морей и установление их связи с гидрологическим режимом и увеличением содержания С02 в атмосфере.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: провести анализ межгодовых вариаций химических параметров (растворенного кислорода, биогенных элементов, общей щелочности, общего неорганического углерода) и температуры/солености в промежуточных слоях вод тихоокеанской субарктики, Беринговом, Охотском и Японском морях;
исследовать пространственно-временную изменчивость общего неорганического углерода, общей щелочности и концентрации кальция в водах Берингова моря;
установить межгодовые изменения карбонатных параметров (неорганического углерода, общей щелочности и рН) в поверхностных и промежуточных водах северной части Тихого океана, обусловленные ростом содержания 0( в атмосфере; рассмотреть особенности распределения антропогенного (или избыточного) 0( в Охотском море и оценить его влияние на степень насыщения морской воды карбонатом кальция.
Научная новизна результатов. Впервые показано наличие значительной межгодовой изменчивости содержания растворенного кислорода и температуры/солености в промежуточных слоях вод тихоокеанской субарктики и Охотского моря.
Установлено, что основной вклад в межгодовые изменения химических параметров и температуры/солености в промежуточном слое вод западной субарктики и Охотского моря вносит перенос вод между восточной и западной частями тихоокеанской субарктики.
Определена связь между межгодовыми вариациями солености поверхностных вод в тихоокеанской субарктике, Беринговом и Охотском морях и интенсивностью алеутской депрессии.
Показано, что процессы на шельфе Берингова моря оказывают влияние на карбонатные параметры поверхностного слоя вод западной части тихоокеанской субарктики.
Предложен подход к оценке изменений рН морской воды, вызванных ростом содержания СОг в атмосфере (антропогенное изменение рН).
Установлена связь между межгодовой изменчивостью содержания кислорода в промежуточном и глубинном слоях Японского моря и переносом вод из Восточно-Китайского моря через Корейский (Цусимский) пролив. Показано, что увеличение антропогенной нагрузки на воды р. Янцзы (Восточно-Китайское море) и возрастание притока вод из Восточно-Китайского моря приводят к обогащению вод Японского моря неорганическим азотом по отношению к неорганическому фосфору.
Определена зависимость между межгодовыми вариациями концентраций растворенного кислорода в подповерхностном слое вод Восточно-Китайского моря и расходом вод течением Куросио.
Фактический материал и личный вклад автора. Основные положения
работы и выводы базируются на результатах многолетних исследований автора, проведенных в ТОЙ ДВО РАН им. В.И. Ильичева, Центре морских наук и технологий Японии (Япония) в 1998-2002 гг., университете им. Сунь-Ят-Сена (Тайвань) в 2006 г. и университете Нагоя (Япония) в 2006-2007 гг.
Автор принимал непосредственное участие в 19 морских экспедициях на НИС «Академик А. Несмеянов», «Академик А. Виноградов», «Академик М. Лаврентьев», «Прилив», «Павел Гордиенко», «Дмитрий Песков», «John P. Tully» и «Mirai», где проводил определения химических параметров морской воды.
В работе использованы материалы Центров океанографических данных Кореи, России, США, Японии и Института океанических наук Канады; Центра по диагностике климата США и Центра наблюдений за уровнем моря Великобритании.
Автор обобщил обширный фактический материал, нашел и сформулировал доказательства основных положений, изложенных в данной работе.
Исследования проводились в рамках ряда государственных программ - в основном, ФЦП «Мировой океан» и международных проектов INPOC (исследование изменений климата в северной части Тихого океана), WOCE (эксперимент по изучению циркуляции Мирового океана) и JGOFS (изучение потоков вещества в океане).
Практическая значимость. Представленные в работе количественные оценки изменчивости карбонатных параметров вод северной части Тихого океана, вызываемых ростом СОг в атмосфере, методы их анализа и расчета могут быть использованы для прогноза экологического состояния морской воды.
Данные по современному состоянию и временной изменчивости концентраций углерода, растворенного кислорода и биогенных элементов необходимы при оценке изменений вод Мирового океана, вызываемых природными и антропогенными факторами.
Выводы и представленный фактический материал могут быть рекомендованы в учебном процессе в ВУЗах при подготовке специалистов по химии морской воды.
Апробация работы. Основные научные результаты и отдельные положения диссертационной работы докладывались на международных конференций и совещаниях: PICES meetings (Хакодате (Япония), 2000 г.; Виктория (Канада), 2001; Циндао (Китай), 2002 г.; Гонолулу (США), 2004 г.; Владивосток, 2005 г.; Йокогама (Япония), 2006 г.; Далянь (Китай), 2008 г.), JGOFS conferences (Нагоя (Япония), 2000 г.; Берген (Норвегия), 2001 г.), Ocean Sciences Meeting (Гонолулу (США), 2002 г.), North Pacific С02 Data Synthesis (Тпукуба (Япония), 2000 г.; Сиэтл (США), 2004; Токио (Япония), 2005 г.), Japan Oceanography Ocean Science Meetings (Токио, Хакодате (Япония); 1999-2002 гг., 2007 г.), International Symposium "Low Carbon Society and Global Change" (Саппоро (Япония), 2009 г.).
Защищаемые положения. 1. Межгодовые вариации химических параметров в промежуточных водах западной части тихоокеанской субарктики и Охотском море определяются переносом вод между восточной и западной частями тихоокеанской субарктики, приливным перемешиванием в Алеутских и Курильских проливах и изменениями в химических параметрах вод восточной части тихоокеанской субарктики.
-
Межгодовая изменчивость растворенного кислорода и биогенных элементов в промежуточных и глубинных водах Японского моря определяется обменом вод через Корейский (Цусимский) пролив и химическими параметрами вод Восточно-Китайского моря.
-
Рост содержания С02 в атмосфере вызывает понижение рН и увеличение концентрации общего неорганического углерода в водах северной части Тихого океана.
-
Накопление антропогенного С02 (и понижение рН) в водах тихоокеанской субарктики происходит за счет уменьшения потока С02 между морской водой и атмосферой.
Достоверность полученных научных результатов исследования и публикации. Новые данные и результаты получены автором на основе обобщения большого фактического материала (более 17 тыс. океанографических станций с измерениями гидрохимических параметров). Выявленные межгодовые изменения химических параметров морской воды оцениваются методами математической статистики. Найденные тенденции в изменчивости карбонатных параметров морской
8 воды, вызванные ростом атмосферного СОг, подтверждаются термодинамическими расчетами. Результаты определения расходов вод в тихоокеанской субарктике и Охотском море согласуются с измерениями уровня моря на прибрежных станциях полуострова Камчатка, Курильских островов и острова Сахалин. Основные результаты работы опубликованы в ведущих зарубежных и отечественных рецензируемых журналах. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в том числе 16 работ опубликовано в журналах, рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций, 2- являются главами коллективных монографий.
Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 195 с. состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Она включает 57 рисунка, таблицу и список использованной литературы из 228 наименований. Приложение из 3-х страниц содержит 3 таблицы.
