ОКЕАНОЛОГИЯ, 2012, том 52, № 6, с. 836-845
= ХИМИЯ МОРЯ -
УДК 551.464.621(261.243)
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ КЛИМАТА НА КИСЛОРОДНЫЙ РЕЖИМ ГЛУБИННЫХ ВОД ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА © 2012 г. Т. Р. Еремина1, А. А. Максимов2, Е. В. Волощук1
1Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург 2Зоологический институт РАН, Санкт-Петербург e-mail: tanya.er@gmail.com Дата поступления 10.01.2012 г., после доработки 28.05.2012 г.
На основе данных многолетних (1995—2010 гг.) наблюдений проанализировано влияние изменчивости зимнего климата на межгодовую динамику содержания растворенного кислорода в глубинных (40 м изобата) водах восточной части Финского залива. Содержание кислорода варьировало в широких пределах со слабовыраженной тенденцией к снижению ее величины в исследуемый период. Все гидрометеорологические процессы, влияющие на аэрацию глубинных вод (адвекция обедненных кислородом соленых вод из Балтийского моря, интенсивность осенне-зимнего перемешивания), коррелировали с индексом Северо-Атлантического колебания, что определило тесную положительную (r = +0.87) связь между этим индексом и содержанием кислорода. Гипоксийные явления в заливе наблюдаются в годы отрицательных аномалий Северо-Атлантического колебания. Сделан вывод, что ухудшение кислородного режима вершины Финского залива в конце XX — начале XXI столетия, главным образом, вызвано крупномасштабными изменениями атмосферных процессов.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема гипоксии (снижения концентрации кислорода до величины менее 2 мл/л) в последние 100 лет приобрела глобальный характер. Хотя ухудшение кислородного режима может быть вызвано природными факторами, в современных условиях наиболее частой причиной является антропогенное эвтрофирование [24, 43]. Балтийское море — один из крупнейших в мире водоемов, в которых систематически наблюдаются ги-поксийно-аноксийные явления в придонных слоях воды. Это связано с устойчивой соленост-ной стратификацией, препятствующей аэрации глубинных слоев ниже постоянного галоклина, пополнение запасов кислорода в которых происходит, главным образом, в результате обновления глубинных вод при эпизодических затоках североморских вод через Датские проливы [49]. Такая естественная особенность гидрологического режима была присуща Балтийскому морю со времени образования в его котловине солоноватовод-ного водоема примерно 8000 лет назад.
Как показывают результаты геологических исследований, анаэробные условия в глубоководных впадинах этого водоема на протяжении его истории возникали неоднократно [17, 18, 20, 22]. Однако ухудшение кислородного режима в середине ХХ столетия совпало с возрастанием антропогенной биогенной нагрузки с водосбора (см., например [22, 50]) и обычно рассматривается как
последствие деятельности человека (см., например [46, 53, 54]). Ряд авторов указывает на возможную связь гипоксии с потеплением климата, обращая внимание, что аналогичное ухудшение кислородного режима наблюдалось в Балтийском море и в период средневекового климатического оптимума в конце первого — начале второго тысячелетия нашей эры [17, 42]. По мнению других исследователей, гипоксия в прошлые времена может объясняться также усилением антропогенной нагрузки, поскольку потепление климата в средневековье сопровождалось ростом численности населения, развитием сельского хозяйства и сокращением площади лесов, а наступившее в XIV веке похолодание (так называемый малый ледниковый период) совпало с сокращением населения вследствие голода и эпидемий [53, 54].
Таким образом, проблема роли природных и антропогенных факторов в образовании гипоксии в Балтийском море до сих пор остается дискуссионной. Особенно остро вопрос о соотношении естественных климатических и антропогенных факторов стоит для сильно эвтрофированной вершины Финского залива, на состояние которой оказывают влияние процессы, происходящие не только в Балтийском море, но и на огромном развитом в хозяйственном отношении водосборе с расположенными на нем г. Санкт-Петербургом и Ленинградской областью с почти семимиллионным населением [29]. С одной стороны, гипоксия — это широко известная спутница эв-
трофирования, поскольку кислород интенсивно потребляется при разложении оседающего на дно фитопланктона, который обильно развивается в эвтрофных водоемах. С другой стороны, известно, что придонные биогеохимические процессы, определяющие содержание биогенных элементов в водах Балтийского моря, тесно связаны с кислородными условиями. При гипоксии происходит увеличение концентрации растворенного неорганического фосфора вследствие внутренней биогенной нагрузки. В отношении азота, как правило, наблюдается противоположная тенденция из-за денитрификации. Нарушение соотношения основных биогенных элементов вследствие гипоксии является главным фактором, вызывающим массовое развитие азотофиксирующих сине-зеленых водорослей в Балтийском море [22, 23, 49]. Подобная ситуация неоднократно наблюдалась в восточной части Финского залива, где гипоксий-ные явления середины 1990-х и 2000-х гг. сопровождались увеличением сначала концентрации фосфатов, вследствие их выхода из донных отложений [47, 48], а затем с лаг-периодом в один год и биомассы фитопланктона из-за "цветения" сине-зеленых водорослей [29, 4]. Таким образом, гипоксия может рассматриваться не только как следствие, но, в какой-то мере, и как причина эв-трофирования.
Цель данной работы — проанализировать роль изменчивости климата в формировании межгодовой динамики содержания кислорода в глубинных водах восточной части Финского залива в последние десятилетия. Кислородный режим этого водоема в значительной степени зависит от гидрометеорологических процессов, происходящих в зимний период [11]. Зимний климат Балтийского региона находится под контролем атмосферных макроциркуляционных процессов в Атлантическом секторе Северного полушария [19, 3], обычно характеризуемых индексом Северо-Атлантического колебания (NAO от английского North Atlantic Oscillation). Явление NAO характеризует разницу приземного атмосферного давления в двух центрах действия атмосферы — Исландском минимуме и Азорском максимуме. При положительных значениях индекса преобладают сильные западные ветры, несущие теплый и влажный атлантический воздух на север Европейского континента. В результате зимы становятся мягче, а количество осадков увеличивается. Наоборот, в периоды отрицательных значений индекса наблюдается похолодание, уменьшение количества осадков и повторяемости западных ветров [33, 34, 35, 15]. В последние годы количество публикаций, в которых использовался данный индекс, постоянно росло [28]. Установлено, что NAO через изменение гидрологических усло-
вий оказывает существенное воздействие на гидрохимический и гидробиологический режимы морских и континентальных водоемов региона, включая Балтийское море [19, 25, 26, 31, 32]. Особенно хорошо изучена связь этого индекса с ледовой обстановкой в Балтийском море [21, 36, 38, 40, 45 и др.]. NAO также влияет на затоки в Балтику североморских вод — мощнейшего фактора, регулирующего химические и биологические процессы в море [31].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Гидрохимические и гидрологические показатели, использованные в статье, основаны на данных натурных наблюдений, полученных в ходе летних (июль—август) экспедиций Российского государственного гидрометеорологического университета (РГГМУ) на акватории восточной части Финского залива (российские воды Финского залива между о-вами Котлин и Гогланд) в период с 1995 по 2010 гг.
Количество станций, на которых с 1995 по 2010 гг. проводились исследования, различалось. Так, в отдельные годы (2005—2007, 2010 гг.) количество станций отбора проб превышало 40, в то время как в более ранний период (1995—2001 гг.) их число, как правило, было меньше 25. В остальные годы сетка покрытия восточной части Финского залива составляла 21—39 станций.
Пробы для гидрохимического исследования отбирались батометром на стандартных горизонтах. Отбор проб воды осуществлялся одновременно с измерением температуры и электропроводности. Для вертикального зондирования в различные годы использовались CTD-зонды, такие как SBE 19-03, ОЛД-1, MARK III, SBE 19plus.
Гидрохимический анализ проб производился в оборудованной на исследовательском судне лаборатории. Гидрохимические определения (содержание растворенного кислорода, фосфаты и нитраты) выполнялись согласно "Руководству по химическому анализу морских вод", имеющему статус Руководящего документа для научно-исследовательских учреждений Росгидромета. Содержание кислорода определялось методом Вин-клера; для определения содержания фосфатов использовался модифицированный метод Морфи и Райли. Определения нитратов производилось методом, основанным на восстановлении нитратов до нитритов при прохождении через редукторы, заполненные омедненным кадмием, с последующим определением суммарной концентрации нитритов и нитратов по методу Грисса-Илосвая и вычислением концентрации нитратов. Для определения указанных биогенных элементов приме-
Матрица коэффициентов линейной корреляции между концентрацией растворенного кислорода (О2), соленостью (S) и температурой (Т) глубинных вод восточной части Финского залива (глубина 40 м), ледовитостью Балтийского моря и индексом NAO
Параметр О2, мл/л S, psu Т, °C Ледовитость NAO
О2, мл/л 1
S, psu -0.75* 1
Т, °С -0.04 -0.49 1
Ледовитость -0.65* +0.52* -0.14 1
NAO +0.87* -0.68* +0.05 -0.74* 1
* Статистически значимые коэффициенты (уровень значимости Р < 0.05).
нялись фотометрические методы. При этом использовался фотометр фотоколориметрический КФК-3.
Для характеристики глубинных вод были взяты данные с горизонта 40 м, лежащего ниже максимальной глубины распространения летних процессов прогрева и аэрации поверхностных вод. Поскольку сетка станций отбора проб и их количество в разные годы несколько различались, были рассчитаны средние показатели для указанного горизонта. В качестве показателя суровости зимних условий в регионе взяты опубликованные сведения по ледовитости (площадь ледяного покрова в период его максимального разв
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.