Лёд и Снег • 2012 • № 1 (117)
Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.466.7+551.465.7
Выделение и поглощение СО2 при образовании и таянии морского льда
в высокоширотной Арктике
© 2012 г. А.П. Недашковский
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток
nealpa@mail.ru
Статья принята к печати 13 сентября 2011 г.
Арктический бассейн, диоксид углерода, морской лёд, обмен океан-атмосфера. Air-sea exchange, Arctic ocean, carbon dioxide, sea ice.
Рассмотрена карбонатная система арктического морского льда. Наблюдения выполнены в 2007-2008 гг. в котловине Нансена на дрейфующей станции «Северный Полюс-35». Установлено, что в толще исследуемого льда отношения общей щёлочности (ТА) и общего неорганического углерода (ТС) к солёности, а также отношение ТА/ТС равны соответствующим отношениям в подлёдной воде. В молодом и однолетнем льду в верхнем тонком слое, включая снег на поверхности, наблюдаются отклонения от этой закономерности. В снегу значение ТА/ТС приближается к двум, что свидетельствует о разложении гидрокарбоната кальция и удалении образующегося углекислого газа. Потеря СО2 вызвана его эмиссией в атмосферу. Плотность потока эмиссии -около 0,02 моль/м2 за сезон. В воде, образующейся при таянии однолетнего льда, содержание СО2 невелико. Возможный сток атмосферного углекислого газа при таянии льда составляет 0,05-0,07 моль/м2 за сезон.
Введение
Морской лёд влияет на углеродный цикл [2]. С одной стороны, ледяной покров препятствует обмену СО2 между океаном и атмосферой, с другой стороны — с образованием льда связывают перенос атмосферного СО2 в глубинные слои океана [13]. На цикл углерода могут влиять биологические процессы [5], протекающие в морском льду. Вместе с тем на углеродный цикл оказывают действие и физико-химические процессы, протекающие при формировании, росте и таянии морского льда. В первую очередь это связано с возможностью протекания в воде, захваченной льдом, реакции
Са2+ + 2НС03-+6Н20 = +СаС036Н20 + Н20 + С02. (1)
В лабораторных условиях икаит (СаСО36Н2О) был обнаружен методом ядерного магнитного резонанса при замораживании Копенгагенской «нормальной» морской воды [19]. В настоящее время икаит найден в природном льду Антарктики и Арктики [14, 15]. Предполагается, что в процессе опреснения морского льда СаСО3 остаётся во льду. СО2, согласно одной точке зрения, остаётся в рассоле, при стоке которого морская вода обогащается углекислым газом [16, 21]; по другой точке зрения [1, 4], при образовании морского льда углекислый газ выделяется в атмосферу.
Влияние физико-химических процессов, протекающих во льду, на углеродный цикл исследовано недостаточно. Имеется лишь ограниченное число наблюдений на отдельных участках акватории Северного Ледовитого океана. Количественных данных о содержании СаСО3 в арктическом морском льду нет. Сведения о щёлочности морского льда противоречивы [6, 7, 10, 11, 12, 20]. Для расширения знаний в этой области необходимо изучение карбонатной системы морского льда в разных районах Мирового океана. В этой работе рассматриваются результаты исследований, выполненных нами в морском льду в котловине Нансена.
Материалы и методы исследований
Наблюдения велись на дрейфующей станции «Северный Полюс-35» с ноября 2007 г. по июнь 2008 г. На рис. 1 показаны траектория дрейфа станции и изменение температуры воздуха во время дрейфа. Мы изучали: однолетний лёд; лёд, прошедший летнее таяние; лёд, образовавшийся на разводьях в районе станции.
В 18 кернах льда выполнен послойный анализ общей щёлочности (ТА), солёности (Sal), содержания фосфатов и силикатов; в 10 кернах исследовано распределение общего неорганического углерода (ГС), общей щёлочности и солёности. Большинство
Рис. 1. Траектория дрейфа станции «Северный Полюс-35» (а) и изменение температуры воздуха (б).
Кружки указывают местоположение станции в начале каждого месяца; цифры — номера месяцев с ноября 2007 по июнь 2008 г.
Fig. 1. The path of drifting station «North Pole-35» (a); air temperature variability during observation period (б).
Circles indicate the station location at the beginning of each month; ciphers mark is the month number from November, 2007 to June, 2008
наблюдений выполнено в наиболее холодный период. Заключительный этап исследований проводился в период устойчивого повышения температуры, которое приводило к началу опреснения льда, но активного таяния ещё не наступало.
Перед бурением с поверхности льда собирали снег, для него выполнялись те же анализы, что и во льду. Характеристики снега учитывались при рассмотрении данных. Поверхность молодого и однолетнего льда, как правило, была покрыта тонким слоем снега, солёность которого выше солёности льда. Это объясняется тем, что при формировании льда на его поверхности образуется тонкая плёнка концентрированного рассола [18]. Процедуры отбора и подготовки образцов льда и снега приводятся в работе [8]. Все измерения вели в полевой лаборатории. Таяние льда (снега) проводили в пластиковых контейнерах при температуре воздуха в помещении 18—25 °С. В тех случаях, когда определяли только щёлочность, биогенные элементы и солёность, таяние выполнялось в контейнерах при свободном газообмене талой воды с воздухом помещения, концентрация СО2 в котором составляла 1000-1500 ppm. Масса льда в контейнере - около 3 кг, время таяния — около суток. Содержание общего неорганического углерода определяли в талой воде, получаемой без газообмена с атмосферой. Образец льда массой 0,5—0,6 кг помещали в герметично закрываемый контейнер, который с помощью сифонной трубки заполняли водой. Использовалась законсервированная сулемой специально подготовленная подлёдная морская вода с известными значениями ТС, ТА и Sal, агрессивная
по отношению к возможной фазе CaCO3 в морском льду. Жидкая фаза, образующаяся в контейнере после таяния льда, как правило, имела солёность около 20 psu и степень насыщения кальцитом 15—20%. Концентрация ТС рассчитывалась по данным pH и TA в растворе, полученном в контейнере после таяния льда. Подробное описание методики определения ТС, измерения рН, ТА и солёности дано в работе [8]. Приведём средние характеристики подлёдной воды в области, где отбирались керны льда. Массив (число измерений) m = 69 Sal, psu 33,8±0,4
TA, мэкв/кг 2,25±0,02
ТС, ммоль/кг 2,10±0,02
Концентрация СО2, равновесная с морской водой, ppm Насыщение кальцитом, % ТА/ТС
Si, мкмоль/кг
PO43 , мкмоль/кг
280±20
263±13(234-287) 1,071±0,005 2,10±0,4 0,44±0,05
Видно, что в районе исследований подлёдная вода не насыщена углекислым газом, пересыщена по отношению к кальциту и характеризуется низкими концентрациями биогенных элементов.
Результаты исследований
Значения ТА в талой воде, полученной в условиях свободного обмена СО2 с атмосферой, и значения ТА, рассчитанные по результатам измерений в жидкой фазе в герметичных контейнерах, в пределах точности измерений хорошо согласуются. Исключение составляют данные по определению ТА в высокосо-
лёном снеге на поверхности льда. Здесь в некоторых случаях при прямых измерениях щёлочность ниже. Данное обстоятельство можно объяснить следующим. При таянии снега в открытых контейнерах при концентрации СО2 в лаборатории около 1000 ppm степень насыщения талой воды кальцитом, по нашим оценкам, иногда могла составлять более 100%. Таким образом, в ряде случаев карбонат кальция полностью не растворялся. Отметим, что при таянии образцов, полученных из ледяного керна, при тех же условиях средняя степень насыщения талой воды кальцитом была равна 1—22%.
Закономерности изменчивости общей щёлочности во льду, исследованном в настоящей экспедиции, хорошо согласуются с результатами, полученными нами ранее на станции СП-34, дрейф которой проходил, главным образом, в котловине Амундсена [7]. Для толщи льда точки, соответствующие значениям ТА, хорошо ложатся на прямую (рис. 2, а), описываемую уравнением
TA = к х Sal, (1)
где к — среднее значение отношения TA /Sal для подлёдной воды в районе дрейфа (0,0665±0,0004).
Отклонение от зависимости (1) АТА можно выразить следующим образом:
АТА = ТАк - к х Salic,
где TAic и Salic — соответственно щёлочность и солёность льда.
Положительные значения АТА соответствуют избытку щёлочности, отрицательные — её дефициту. Заметный избыток щёлочности наблюдается в снегу
на поверхности однолетнего льда. По мере опреснения снега избыток щёлочности возрастает, а в поверхностном слое льда толщиной 5—15 см возникает её дефицит. Наиболее чётко этот эффект проявляется в кернах 25 и 39 (см. рис. 2, а). На наш взгляд, это косвенно доказывает, что в снегу образуется твёрдая фаза карбоната кальция. В основной толще исследуемого льда значение АТА незначительно превышает ошибку измерения. На рис. 2, б показано изменение содержания общего неорганического углерода в исследуемом льду в зависимости от его солёности. Для толщи льда точки хорошо ложатся на прямую
ТС = к1 х Sal, (2)
где к1 — среднее значение отношения ТС/Sal для подлёдной воды в районе дрейфа (0,0621±0,0006).
Заметные отклонения от зависимости (2) наблюдаются в снегу на поверхности молодого и однолетнего льда. Как правило, отношения ТС/Sal в снегу меньше, чем в толще льда. Исключение составляет снег на поверхности кернов 25 и 39 (см. рис. 2, б). Средние значения солёности, щёлочности, общего неорганического углерода для толщи льда и отдельно для снега на поверхности льда приведены в табл. 1 и 2. На рис. 3 показана зависимость между содержанием общего неорганического углерода и общей щёлочностью. Большинство точек, относящихся к толще льда, хорошо ложится на прямую, проходящую через начало координат и группу точек, соответствующих ТС и ТА для подлёдной морской воды в исследуемом районе. Таким образом, отношение ТА/ТС
ТА, мэкв/кг ТС, ммоль/кг
20 40 60 80 20 40 60 80
Sal, psu
Рис. 2. Корреляции для исследованного морского льда:
а — между солёностью и щёлочностью; б — между солёностью и общим неорганическим углеродом. Щёлочность рассчитывалась по результатам измерений при таянии льда в герметичных контейнерах. Цифры — номера кернов, для которых наблюда
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.