= ХИМИЯ МОРЯ
УДК 551.465
ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ КАРБОНАТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОД ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ
© 2015 г. И. И. Пипко1, 2, С. П. Пугач1, И. П. Семилетов1, 2
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток 2Томский политехнический университет, Томск e-mail: irina@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 09.08.2013 г., после доработки 04.02.2014 г.
В работе представлены результаты исследований карбонатной системы вод, выполненных в сентябре 2011 г. на внутреннем, среднем и внешнем шельфе восточной части моря Лаптевых. Показано, что основным фактором, контролирующим карбонатную химию шельфовых вод в теплый сезон, является значительный терригенный сток. Поверхностные воды внутреннего и среднего шельфа восточной части моря Лаптевых в осенний сезон являются поставщиком углекислого газа в атмосферу, а внешнего — стоком для атмосферного СО2. Установлено, что в настоящее время воды внутреннего шельфа восточной части моря Лаптевых во всей водной толще уже являются коррозионными по отношению к карбонату кальция. Поверхностные и придонные воды среднего шельфа также недосыщены по отношению к арагониту. Показано, что основными факторами, определяющими обнаруженное недосыщение, является существенный объем пресных вод, поступающих с речным стоком и в результате таяния льда, а также большое количество лабильного аллохтонного органического вещества, вовлекаемого на шельфе в современный биогеохимический цикл. Проведенные исследования показали, что шельфовые воды восточной части моря Лаптевых являются одной из самых коррозионных по отношению к карбонату кальция зон Мирового океана.
Б01: 10.7868/80030157415010141
ВВЕДЕНИЕ
Северный Ледовитый океан (СЛО) является одним из наиболее чувствительных к климатическим изменениям регионов. СЛО составляет только 4% от площади Мирового океана, но при этом получает около 10% от общепланетарного речного стока и окружен мерзлотой, которая является природным хранилищем огромного количества лабильного органического вещества (ОВ), активно вовлекающегося в современный биогеохимический цикл [9]. Высвобождение ОВ из арктической мерзлоты — один из наиболее действенных механизмов, определяющих перераспределение углерода между наземным, океаническим и атмосферным резервуарами [30, 42]. Известно, что в последние десятилетия скорость роста температуры воздуха в Арктике почти вдвое выше, чем в среднем в мире [30], что проявляется как в интенсификации таяния льда, увеличении речного стока, так и в активизации разрушения мерзлоты. Это вызывает особый интерес в контексте подкисления океана.
Арктические шельфовые моря являются одной из наиболее биогеохимически активных природных сред, и море Лаптевых — яркий тому пример. Море Лаптевых (а особенно его восточная часть) подвержено влиянию интенсивного притока
пресных вод, а также получает большое количество наземного ОВ, как с речным стоком, так и в результате береговой эрозии [6, 40, 42, 43, 47]. Вследствие изменения климата подобные условия способствуют прогрессирующему снижению насыщения вод карбонатом кальция, однако степень происходящих изменений и их последствия остаются неизвестными. Можно ожидать, что негативное влияние подкисления океана будет иметь самые тяжелые последствия для экосистем холодных морей высоких широт, где природные концентрации карбонат-ионов и буферная емкость вод низки. Так, например, исследования комбинированного воздействия подкисления и распреснения морской воды на доминирующий вид птероподовых в полярных областях показало, что уменьшение подвижности и смертность планктонных организмов особенно велики, когда рН и соленость снижаются одновременно [34]. Развитие подобных условий наиболее реалистично в морях Восточной Арктики, где так называемое "арктическое усиление" (Arctic amplification), система положительных обратных связей, определяет максимально выраженные изменения климата [44].
В работе представлены новые результаты детального исследования карбонатной системы вод
78° с.ш.
76°
74°
72°
120° 125° 130° 135° 140° в.д.
Рис. 1. Район исследований, сентябрь 2011 г.
восточной части моря Лаптевых, целью которого является оценка современного состояния морской буферной системы на внутреннем, среднем и внешнем шельфе в теплый сезон и идентификация основных факторов, определяющих ее изменчивость.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В рамках экспедиции на НИС "Академик М.А. Лаврентьев" проведены исследования на внутреннем, среднем и внешнем шельфе моря Лаптевых, а также выполнена глубоководная (650 м) станция над континентальным склоном восточной части моря Лаптевых (рис. 1).
В осенний сезон с 18 по 30 сентября 2011 г. в море Лаптевых было выполнено 65 комплексных океанографических станций. Пробы морской воды отбирались с использованием 12-ти позиционного пробоотборника ROSETTE 1015, осна-
щенного CTD-зондом SeabirdSBE 9plus и дополнительными датчиками, которые позволяли определять в водном столбе фотосинтетически-активную радиацию (PAR), мутность, флуоресценцию, характеризующую распределение хлорофилла, окрашенную фракцию растворенного органического вещества (CDOM), а также концентрацию растворенного кислорода. Растворенный кислород был измерен также модифицированным методом Винклера [8]; на отдельных станциях спектрофотометрическим методом были определены концентрации хлорофилла "а". Полученные данные были использованы для калибровки датчиков содержания хлорофилла и кислорода. На 58 станциях измерялись также параметры карбонатной системы (рН в шкале "total" и общая щелочность, Ат) и биогенные элементы (кремний, фосфаты, нитраты, нитриты, аммоний). Используемые методы определения
карбонатных параметров и биогенных элементов детально представлены в работах [13, 38, 40, 41].
Два других параметра карбонатной системы (общий неорганический углерод, С и парциальное давление углекислого газа, рСО2), а также степени насыщения вод кальцитом и арагонитом были рассчитаны из измеренных параметров (рН и Ат) с использованием программы С028У8 [33] и констант диссоциации угольной кислоты, предложенных Мирбахом [35] и переформулированных в 1987 г. [20].
В соответствии с предшествующими исследованиями, на акватории моря Лаптевых выделены основные смешивающиеся воды: речные, талые и морские атлантического происхождения [16, 29]. Для оценки вклада каждой из них были рассчитаны их фракции с использованием уравнений массового баланса и величин общей щелочности и солености как консервативных трассеров вод [12, 49]:
/мц++/лц=1,
Smeas,
/МЦ лг_му + /ЯЦЛТ_ЯЦ+/ЛЦЛТ_ ЛЦ ЛT_meas,
где /мц, /Ц, /ЛЦ — доли смешивающихся талых, речных и атлантических вод в выделенном фрагменте воды, а Sмv, SRW, SЛW, иЛT_MV, ЛT_RW, ЛТ_ЛЦ— соответственно, их соленость и общая щелочность. 8теа,, и ЛТтеа,, — соленость и общая щелочность измеряемых проб.
Эффективность любого трассера вод определяется как его консервативностью, так и соотношением "сигнал/шум". Для подтверждения достоверности параметра — общая щелочность как трассера разделяемых водных масс в исследуемом регионе был рассчитан так называемый градиент эффективности, представляющий собой отношение разницы общей щелочности к разнице солености смешивающихся вод [31]. Рассчитанные градиенты (66.2 и 40.6 мкмоль/г для смешения талых и речных вод с атлантическими водами, соответственно, и 150.9 мкмоль/г для пары речные-талые воды) значительно превосходили точность определения общей щелочности (3 мкмоль/кг).
Наибольшую неопределенность в расчеты фракций водных масс вносит определение конечного члена каждого из параметров, характеризующих смешивающиеся воды. Для характеристики талых вод были использованы величины, предложенные в работе [49] (соленость 4 ± 1%е, общая щелочность 263 ± 65 мкмоль/кг), для атлантических вод — параметры, измеренные в ядре теплых атлантических вод в экспедиции на НИС "Академик М.А. Лаврентьев" в сентябре 2011 г. (соленость 34.89 ± 0.01%, общая щелочность 2306 ± 2 мкмоль/кг), для речных вод — приведен-
ные в работах [25, 26] (соленость 0%, общая щелочность 913 мкмоль/кг).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Метеорологическая ситуация. В летние месяцы (июнь—август) 2011 г. над арктическим бассейном располагалась зона повышенного, а над материковой частью пониженного атмосферного давления. По данным реанализа (http://www.cdc.noaa.gov) осредненное значение меридиональной скорости ветра составляла 1.5 м/с, а зональной — 3.5 м/с, что определяло слабые сгонные восточные и юго-восточные ветры со средней скоростью 4 м/с и создавало оптимальные условия для таяния льда и выноса его в Северный Ледовитый океан. По данным ААНИИ (http://www.aari.nw.ru) кромка льда в середине сентября была смещена до 82° с.ш., и практически вся акватория моря Лаптевых была свободна ото льда, что также способствовало растеканию теплых распресненных вод реки Лены. В Восточно-Сибирском море ледовая обстановка, напротив, была сложная. Подавляющая часть моря была занята ледяными массивами: Новосибирским и отрогом Айонского океанического. Южная периферия кромки льда в течение лета не сместилась севернее 73° с.ш., а талые воды под действием восточных и юго-восточных ветров выносились в море Лаптевых.
В сентябре ситуация резко изменилась — над арктическим бассейном стал господствовать циклон. Ветер сменил направление на северное и северо-западное и усилился. Нашим исследованиям в море Лаптевых предшествовали два штормовых события, во время которых скорость ветра достигала 15 м/с. Сильный ветер и безледность создавали благоприятные условия для глубокого ветрового перемешивания.
Гидрологическая ситуация. Высокая изменчивость солености вод моря Лаптевых связана с влиянием материкового стока, образованием/таянием ледового покрова, а также инициируемыми ветром течениями, определяющим фактором для которого служит доминирующая атмосферная циркуляция [22, 39].
Осенний сезон в море Лаптевых характеризуется значительным снижением материкового стока. Так, водность реки Лены, основного поставщика пресных вод, уменьшается до 33% от паводковых величин, т.е. от 74034 м3/с в июне до 24265 м3/с в сентябре (http://rims.unh.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.