ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 2, с. 69-75
= ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ =
УДК 556.531.4
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА В ГЛУБИННОЙ ЗОНЕ БАЙКАЛА ПО ДАННЫМ О ВОЗРАСТЕ И МИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОД1
© 2007 г. М. Н. Шимараев, Р. Ю. Гнатовский, В. В. Блинов, А. А. Жданов
Лимнологический институт СО РАИ Поступила в редакцию 02.09.2005 г.
На основе данных о гелий-тритиевом возрасте вод Байкала и высокоточных измерений электропроводности получена информация о направлении и величине переноса основных компонентов ионного состава в основной по объему глубинной зоне Байкала. В южной и средней котловине поток вещества (до 23-27 г/м2 в год) направлен сверху к нижней границе ядра; в северной - от нижней к верхней границе (до 23 г/м2 в год), что связано с постоянной подпиткой ее глубинных слоев более "минерализованными" водами из средней котловины. С использованием данных о потоках оценены средние значения водообмена между северной и средней котловинами, а также коэффициенты вертикального обмена в глубинных зонах в отдельных котловинах. Получен вывод о положительной тенденции в изменении суммарного содержания компонентов ионного состава в Байкале в современный период, что может вызываться в первую очередь повышением минерализации при испарении с поверхности озера.
Введение. В конце 1980-х - середине 1990-х годов был впервые определен возраст вод оз. Байкал на отдельных глубинах, под которым понимается время, прошедшее с момента их контакта с атмосферой. В качестве индикаторов возраста использованы данные о содержании фреонов [9, 21], а также соотношении гелий/тритий [17]. С глубиной возраст увеличивается от 0.5-4 лет в верхних 300-400 м до 10-18 лет в 300-500 м над дном, и затем несколько уменьшается ко дну. Причина "старения" вод с глубиной - ослабление процессов, интегральное действие которых определяет их взаимодействие с водами верхних слоев. Свободная температурная конвекция в начале лета и осенью [12] и сдвиговая неустойчивость течений [1] вызывают активное вертикальное перемешивание до глубин 300-400 м. В более глубоких слоях, куда не проникает свободная конвекция, а течения ослаблены, активность обмена с верхними слоями постепенно снижается. Она усиливается затем с приближением ко дну под действием глубинной вынужденной температурной конвекции [12, 21, 22], а также вертикальных циркуляций на фронте термобаров [9, 13, 20] и в поле прибрежных течений [1, 11]. Система обменных процессов ведет к замедленной реакции собственно глубинных вод на изменения в верхних слоях.
Данные о возрасте вод оказались полезными при определении среднего времени обновления
1 Работа выполняется при финансовой поддержке Россий-
ского фонда фундаментальных исследований (проекты
< 04-05-64839 и 04-05-64397), интеграционного проекта СО РАН < 131.
вод Байкала глубже 250 м (8-10 лет), скорости вертикального водообмена (59-77 м в год), установлении пространственной и временной изменчивости этих важных динамических показателей [17]. Еще одна возможность применения данных о возрасте заключается в оценке потоков вещества в водной толще. Так, по связи концентрации [21] или дефицита содержания кислорода [17] с возрастом найдена величина ежегодного потребления кислорода в слоях глубже 200-250 м, соответствующая его притоку из верхних слоев, и на этой основе определена величина "новой" продукции [21]. Цель работы - анализ совместного распределения возраста и "ионной минерализации" байкальской воды с целью получения информации о переносе вещества в Байкале.
Материалы и методика. Использованы данные о "ионной минерализации" - суммарном содержании основных компонентов ионного состава («с) и 3Н-3Не возрасте вод (возраст) в точках наибольших глубин южной, средней и северной котловин Байкала, полученные российско-швейцарской экспедицией в мае-июне 1995 г. [17, 18]. Содержание «с рассчитано по измеренной электропроводности воды с учетом поправок на температуру и давление по теоретическим и экспериментальным зависимостям из работ [5, 18]. Высокая разрешающая способность датчиков электропроводности в зондах типа SBE (0.01 мкСм/см [18]) дает возможность рассчитать «с с погрешностью <0.1 мг/кг. Содержание гелия и трития для расчета возраста определялось в пробах воды, отобранных одновременно с зондированием электропроводности в слое поверхность-дно [17].
Годы Годы Годы
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 4 6 8 10
95.0 95.2 95.4 95.6 95.8 95.0 95.5 96.0 96.5 97.0 97.5 94.2 94.4 94.6 94.8 95.0
5С, мг/кг Sc, мг/кг Sc, мг/кг
Рис. 1. Вертикальное распределение концентрации Sc (1) и возраста вод (2) в районах максимальных глубин южной (а), средней (•) и северной (в) котловин Байкала в мае-июне 1995 г.
Результаты. По результатам предшествующих исследований [2] воды Байкала считаются однородными по концентрации £С (95-96 мг/кг), хотя в водах питающих озеро рек она различна - в притоках южной и средней котловин ее средние значения превышают 120 мг/кг, а в притоках северной близки к 80 мг/кг [4]. Влияние этих различий на распределение <$. в водах озера не обнаруживалось обычными аналитическими методами гидрохимии, обеспечивающими определение компонентов ионного состава байкальской воды с точностью до 5-10% [7]. Такая точность позволяет выявлять неоднородности в районах контакта озерных и речных вод, но недостаточна при их изучении в пелагической части озера.
Систематические прецизионные измерения электропроводности, ведущиеся зондами типа SBE с начала 1990-х годов, позволили обнаружить хотя и небольшие (в диапазоне 94.395.5 мг/кг), но достоверные и сохраняющиеся в отдельные годы различия в распределении £С в пелагиали Байкала [5, 14, 17, 18]. Ее значения на всех глубинах в северной котловине постоянно ниже на 0.8-1 мг/кг, чем в южной и средней, для которых различия не превышают 0.1-0.2 мг/кг (рис. 1,а, б). Наблюдения в 1995 г. [18] и в другие годы [5, 14] свидетельствуют и о достоверных и постоянных различиях в вертикальном распределении <%., характер которого оказался неодинаков в разных котловинах озера.
В южной и средней котловине (рис. 1,а, б) четко прослеживается тенденция уменьшения £С с глубиной, причем по степени устойчивости такого распределения в водной толще можно выде-
лить три зоны. Неустойчивый характер имеет распределение <$. в водах верхней зоны до глубины 30-400 м, что связано с влиянием ряда факторов (течения, сезонные изменения минерализации воды рек, "осолонение" при испарении и намерзании льда и "распреснение" вод под действием атмосферных осадков и таяния льда [5, 17]). Повышена изменчивость £С и в придонной зоне (200-300 м над дном), куда эпизодически поступают воды из верхних слоев. В то же время в глубинной зоне, от 300-400 м ниже поверхности до 200-300 м над дном, заключающей основное "ядро" глубинных вод, £С плавно уменьшается с глубиной на 0.4-0.5 мг/кг. Причины такого распределения недостаточно ясны. Воды Байкала глубже 300 м имеют положительную устойчивость [12, 18], поэтому проникновение в них вод с пониженной минерализацией при поступлении в озеро паводочных вод исключается. Полагая, что основные компоненты ионного состава байкальской воды консервативны, можно допустить, что основной причиной уменьшения £С является замедленная реакция глубинных вод на медленный рост содержания основных компонентов ионного состава в верхних слоях озера.
Противоположный характер имеет распределение £С в северной котловине (рис. 1,в), далее значения возрастают с глубиной на 0.4-0.5 мг/кг. Причина - поступление в северную котловину более минерализованных и плотных вод из средней котловины в процессе водообмена между ними [18], величина которого близка к 240 км3 в год (8% от объема вод северной котловины глубже 400 м) [14]. В результате глубинные слои север-
Sc, мг/кг 95.35
Sc, мг/кг
Sc, мг/кг 95.65
94.7
94.6
94.5
94.4
10 12 14 16 18 Годы
6 8 10 12 14 16 18 Годы
94.3
6
Годы
10
Рис. 2. Концентрация « и возраст вод в глубинной зоне южной (а), средней (б) и северной (в) котловин Байкала в мае-июне 1995 г.
4
8
Sc, мг/кг 95.35
Sc, мг/кг 95.65
Sc, мг/кг
Sc = -4.73636Е-4 Z + 95.79627 Е2 = 0.953
400 600 800 1000 1200 Глубина, м
400 600 800100012001400 Глубина, м
94.7
94.6
94.5
94.4
94.3
Sc = 5.46429Е-4 2 + 94.28821 Е2 = 0.971
400 600 800 1000 1200 Глубина, м
Рис. 3. Связь концентрации и глубины в глубинной зоне южной (а), средней (•) и северной (в) котловин Байкала ] мае-июне 1995 г.
а
ной котловины систематически пополняются водами с относительно высокими значениями тогда как ее верхние слои находятся под влиянием вод притоков с низкой минерализацией. Такое распределение может нарушаться в верхних 100200 м и в 100 м над дном в результате эпизодической адвекции вод из средней котловины под действием течений.
Обсуждение. Проанализируем совместное распределение « и возраста вод. В южной и средней котловине (рис. 1,а,б) "старение" вод с глубиной 2
(примерно на 1 год на каждые 100 м) сопровождается уменьшением «(,. Как отмечено, в верхней и придонной зонах озера эта связь неустойчива из-за нарушений в распределении « под действием ряда факторов, поэтому в работе рассматривается собственно глубинная зона (400-1100 м в южной и 400-1400 м в средней котловине). В пределах зоны связь « с 2 и возрастом (рис. 2, 3) отрицательна и описывается линейной зависимостью с высокими значениями коэффициентов корреляции (0.96-0.99). Соответствующий профилю «
поток вещества направлен от лежащих сверху молодых к расположенным в нижней части зоны более старым водам. При стационарном характере процесса вертикальный профиль £С должен сохраняться во времени, а величина потока должна соответствовать скорости изменения £С в зависимости от возраста вод т (Л^С/Дт) при условии близости (Л^С/Дт) на всех глубинах.
Для определения Л5С/Дт рассмотрим уравнения связи между £С и т в глубинной зоне южной и средней котловин (рис. 2,а,б). В южной котловине в области глубин 400-1100 м связь описывается уравнением ¿С = -0.0359т + 95.55 (Я2 = 0.95, а = = ±0.03) мг/кг. Величина Л^С/т, равная коэффициенту регрессии в уравнении, практи
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.