научная статья по теме МЕЖГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ И ТРЕНД ПРОДУКЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА КОККОЛИТОФОРНОГО ПРОИХОЖДЕНИЯ В АРКТИКЕ ЗА ПЕРИОД 2002–2010 ГГ. ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «МЕЖГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ И ТРЕНД ПРОДУКЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА КОККОЛИТОФОРНОГО ПРОИХОЖДЕНИЯ В АРКТИКЕ ЗА ПЕРИОД 2002–2010 ГГ. ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

МЕЖГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ И ТРЕНД ПРОДУКЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА КОККОЛИТОФОРНОГО ПРОИХОЖДЕНИЯ В АРКТИКЕ ЗА ПЕРИОД 2002-2010 гг. ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

© 2013 г. Д. А. Петренко1, 3*, Е. В. Заболотских1, 3, Д. В. Поздняков1, 2,

Ф. Кунийон3, Л. Н. Карлин3

Научный фонд "Международный Центр по дистанционному зондированию и окружающей среде им. Нансена",

Санкт-Петербург

2Центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Берген, Норвегия 3Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург

*Е-таИ: dmitry.petrenko@niersc.spb.ru Поступила в редакцию 12.05.2013 г.

Применительно к акватории Северного Ледовитого океана (СЛО) реализован предложенный ранее алгоритм, обеспечивающий: а) — распознавание по данным сканера цвета океана МОБ^-Адиа областей цветения микроводоросли ЕтШата Них1еуг, б) — количественное определение неорганического углерода, продуцируемого ею в виде углекислого кальция. Построенный временной ход изменчивости интенсивности и пространственной протяженности цветения Е. huxleyi, а также поступления в СЛО углекислого кальция указанного происхождения за период с 2002 по 2010 гг. выявил, что протяженность областей цветения Е. huxleyi и общая масса продуцируемого неорганического углерода сократились соответственно на ~62% и 63%. Основной причиной указанных сокращений, по-видимому, является ослабление за исследованный период предварительного засеивания клетками Е. huxleyi областей, в которых в последующем формируются цветения этого вида водорослей, что в свою очередь было обусловлено общей тенденцией снижения летнего индекса северо-атлантического колебания в указанные годы.

Ключевые слова: МОБК-Адиа, Северный Ледовитый океан, цветение ЕтШата huxleyi, продуцирование неорганического углерода, многолетние тренды

DOI: 10.7868/S0205961413020085

ВВЕДЕНИЕ

Происходящие изменения климата Арктики обусловлены широким спектром причинно-следственных связей (Hasselman et al., 2003). Динамика углеродного цикла в системе океан-атмосфера играет чрезвычайно важную роль в возникновении и функционировании таких связей.

Так, изменения в обмене двуокиси углерода между воздушной и водной средой приводит к асидификации морских акваторий, что в комбинации с воздействием внешних физических факторов приводит к разнообразным нарушениям в гидробиологических процессах, в частности, когда речь идет о доступности биогенов, скоростях внутриклеточного метаболизма и первичного продуцирования, а также сдвигах в составе фито-планктонных сообществ (Bates et al., 2009).

Поступая из атмосферы, двуокись углерода взаимодействует с содержащимся в морской воде

углекислым кальцием с образованием НСО3 и Са+. С увеличением глобально наблюдаемого парциального давления СО2 в атмосфере происходят сдвиг между морским взвешенным органическим и неорганическим углеродом (Ба1сИ, и1§оГ£ 2009) и, как следствие, изменение абсорбционной способности Мирового океана в отношении СО2. Это в свою очередь влечет усиление планетарного парникового эффекта и потепление климата (Иа88е1шап й а1., 2003).

Взвешенный неорганический углерод продуцируется в Мировом океане повсеместно в процессе жизненных циклов рифовых биосистем, макрофитов или планктонных сообществ: кокко-литов, фораминифер и птеропод (М1Шшап, 1993). Имеются лишь весьма приблизительные оценки годичных объемов продуцирования фитопланктоном неорганического углерода в Мировом океане, что обусловлено сложностью получения гло-

бальных оценок концентрации соответствующих планктонных организмов и их пространственно-временной динамики.

Основным продуцентом взвешенного неорганического углерода в морских биосистемах являются кокколитофоры. В этой планктонной группе выделяется Emiliania huxleyi — микроводоросль, отличающаяся чрезвычайно высокой способностью продуцировать углекислый кальций.

Относительно недавно, с применением спутниковых наблюдений цвета океана, было установлено, что цветения E. huxleyi происходят практически ежегодно и в Арктическом бассейне (Smyth et al., 2004; Буренков и др., 2011).

Огромные пространства Арктического океана, пространственная межгодовая изменчивость локализации областей цветения E. huxleyi, моментов возникновения и продолжительности этого явления обусловливают предпочтительность применения спутниковых средств получения искомой информации.

Имеющиеся к настоящему времени соответствующие спутниковые исследования в Арктике (Smyth et al., 2004; Буренков и др., 2011) ограничиваются в основном оценкой площади цветений E. huxleyi и ее сезонной и межгодовой динамики.

В настоящей работе в этих целях нами использовались данные MODIS-Aqua за период 2002— 2010 гг. и применялся разработанный нами алгоритм, позволяющий не только идентифицировать/картировать цветение E. huxleyi, но и определять на количественном уровне продуцирование этой водорослью взвешенного углерода.

Цель исследования — выяснение для всей свободной ото льда акватории Арктики современных тенденций в динамике вегетирования водоросли E. huxleyi и высвобождения ею в водную среду неорганического углерода в условиях наблюдающегося потепления климата в этом регионе.

КОККОЛИТОФОРЫ: КРАТКАЯ МОРФО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Кокколитофоры — одноклеточные растительные организмы, синтезирующие углекислый кальций в виде твердых пластин, кокколитов. По форме напоминающие микроскопические пластины/крышки/диски или сферы, кокколиты имеют размеры в диапазоне 0.2—2 мкм. К каждой клетке этой планктонной водоросли прикреплено не менее 30 (в среднем 32—38) кокколитов. Процесс кальцификации сопровождается высвобождением СО2 по реакции: 2НСО3 + Са2+ ^ СаСО3 + + СО2 + Н2О. Поскольку радикал НСО3 всегда в избытке наличествует в морской воде, также как и ионы кальция, кокколитофоры могут наращивать биомассу и продуцировать углекислый кальций и

в условиях пониженного поступления СО2 извне. Кроме того, кокколитофоры могут развиваться в условиях пониженных концентраций биологически доступного кремния и железа и таким образом оказываются в более предпочтительных условиях в планктонном сообществе.

Типично бурное развитие кокколитофоров приводит к возникновению явления цветения воды, когда концентрация этой водоросли начинает превышать 106 кл л-1. При этом концентрация хлорофилла в зонах цветения кокколитофоров оказывается относительно невысокой (~0.5-3.0 мкг л-1). Поэтому, хотя в процессе фотосинтеза кокколи-тофоры потребляют растворенный СО2, однако, с учетом реакции кальцификации, эти водоросли являются все-таки продуцентами неорганического углерода в морской среде.

На поздней стадии своего жизненного цикла кокколитофоры сбрасывают кокколиты, концентрация которых в ареалах массового развития кок-колитофоров достигает нескольких десятков (и даже сотен) миллионов на литр (Balch et al., 2005).

Среднее содержание взвешенного неорганического углерода в кокколите составляет 0.2 х 10-12 г, хотя по некоторым сообщениям эта цифра может достигать 1.05 х 10-12 г. По имеющимся оценкам, ежегодно в Мировом океане осаждается не менее 1. 5 млн т кальцита в составе кокколитов.

Оптимальные условия развития кокколитофо-ров - высокие уровни солнечного освещения (для Emiliania huxleyi не обнаружено эффекта фо-тоингибирования), устойчивая стратификация в эвфотическом слое (глубина слоя перемешивания не более 30 м (Iglesias-Rodrigues et al., 2002)), достаточная биогенная база и низкие концентрации зоопланктона (Te. низкая скорость выедания), отсутствие конкуренции с диатомовыми (т.е. сохранение достаточных для развития уровней кремния).

Для E. huxleyi было показано, что массовое развитие этой водоросли может начинаться при высоких значениях отношения N : P, т.е. низких Р (на уровне 10% от концентраций, необходимых для массового развития других групп фитопланктона), хотя сами концентрации нитратов и аммония могут быть и невысокими (Tyrrell, Merico, 2004).

Известно также, что для развития кокколитофоров требуется тиамин (витамин В1), поступающий в водную среду в результате активности водной биоты. Поэтому цветения кокколитофоров происходят вслед за соответствующей "подготовкой" водной среды, например, после цветения диатомовых.

Для начала массового развития кокколитофо-ров важен и так называемый фактор засеивания (seeding): адвекции клеток этой водоросли из других морских провинций в будущую зону цветения.

Хотя цветения кокколитофоров, как правило, не являются монокультурными и происходят в сочетании с другими планктонными группами, эти водоросли чаще всего оказываются доминантами, составляя до 90% от общей численности фитопланктонного сообщества.

МЕТОДОЛОГИЯ

В работе использовался разработанный нами био-оптический алгоритм, в основу которого заложены процедура многомерной оптимизации Левенберга—Марквардта (Л—М) и гидрооптическая модель, учитывающая оптическое влияние клеток водорослей Е. huxleyi и диатомовых, а также кокколитов, на яркость восходящего света под поверхностью зондируемого водного столба. Алгоритм и использовавшаяся гидрооптическая модель подробно описаны в работе (Коросов и др., 2009). Здесь же приводим лишь краткое их изложение.

В процедуре Л—М ищется минимум функции невязки, g между измеренными и смоделированными спектральными значениями подповерхностного коэффициента отражения для дистанционного зондирования, В.гш(—0, А), определяемого как

^ (-0, X) = ЦЩ,

rawV ' Ed (-0, X)

где Lu(—0, X) и Ed(—0, X) — соответственно спектральная яркость восходящего света под поверхностью воды в надирном направлении и освещенность снизу водной поверхности. Rrsw(—0, X) является функцией парциальных концентраций Cj оптически активных компонентов (ОАК), присутствующих в воде, и спектральных удельных коэффициентов поглощения а* и обратного рассеяния b* ОАК. Применялась модель Rrsw(—0, X), предложенная Джеромом и др. (Jerome et al. 1996) для оптически сложных вод — вод типа 2 по классификации Мореля (Morel, Prieur, 1997). Модель справедлива для широкого диапазона солнечных зенитных углов и визирования, близкого к надир-ному.

В качестве ОАК рассматривались вода per s

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.

Показать целиком