Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 1, стр. 83-90

ВВЕДЕНИЕ

В сентябре-октябре 2020 г. у побережья Камчатки, в том числе в Авачинском заливе в районе Халактырского пляжа, сложилась неординарная ситуация, связанная с массовой гибелью гидробионтов, неестественным цветом и запахом океанской воды. Фиксировались случаи отравления людей, взаимодействовавших с водной средой. Для выявления причин этого чрезвычайного экологического происшествия был организован и проведен космический мониторинг прибрежных акваторий у полуострова Камчатка.

Космические средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) обладают рядом достоинств, таких как большая обзорность; оперативность; возможность работы в любых труднодоступных районах морей и океанов; получение информации с различным пространственным и временным разрешением в различных участках спектра электромагнитных волн; широкий спектр регистрируемых параметров водной среды и высокая достоверность получаемых данных [1]. С использованием методов ДЗЗ могут регистрироваться вариации гидрооптических характеристик морской воды [2], происходящие за счет изменения рассеяния и поглощения света вследствие вариаций концентрации взвешенных и растворенных органических веществ [3], в том числе из-за наличия фитопланктона [4]; искажения пространственно-временной структуры волнения [1]; наличие пленок поверхностно-активных веществ [1]; поля течений [1]; внутренние волны [5]; приливные явления [6]; вариации температуры морской поверхности [1] и др. Дистанционная регистрация таких значимых параметров водной среды с привлечением результатов подспутниковых измерений [7] и результатов математического моделирования [8] позволяет осуществлять эффективный мониторинг морских акваторий, подверженных воздействию антропогенных [1, 9] и естественных факторов [3, 4].

В настоящей работе приведены результаты космического мониторинга чрезвычайной экологической ситуации, произошедшей у берегов Камчатки осенью 2020 г., на основании которых сделано заключение об основной причине ее возникновения.

ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Исследования проводились в акватории Авачинского залива в районе Халактырского пляжа, где в конце сентября–начале октября 2020 г. была впервые обнаружена массовая гибель гидробионтов, а также в прибрежных акваториях всего полуострова Камчатка.

В процессе космического мониторинга проводились сбор, обработка и анализ временных серий актуальных и архивных данных ДЗЗ, а также дополнительной информации. Было собрано и обработано более 15 тыс. архивных и актуальных космических изображений, полученных со спутников AQUA, TERRA, NOAA, SENTINEL-1/2 и др. При этом за счет применения геоинформационных технологий и согласованных интерфейсов обмена данными обеспечивалась возможность применения специализированных методов обработки космических изображений и дополнительной информации [10]. В настоящей работе использовались подходы, апробированные при дистанционных исследованиях в различных акваториях морей и океанов [1–3, 7, 9], а также опыт, накопленный при разработке и применении экспериментального образца наземно-космической системы мониторинга прибрежных акваторий [10].

В ходе проведения исследований регистрировались различные значимые параметры водной среды, имеющие важное значение для выявления негативных воздействий на прибрежные акватории, а именно [1, 2, 4, 10]:

а) спектральная отражательная способность морской поверхности в оптическом диапазоне электромагнитных волн;

б) удельная эффективная площадь рассеяния морской поверхности в С-диапазоне спектра радиоволн;

в) концентрация хлорофилла а в приповерхностном слое морской среды;

г) температура морской поверхности;

д) скорость и направление приповерхностного ветра и др.

Особое внимание в настоящей работе уделялось таким основным значимым параметрам водной среды, как концентрация хлорофилла а, свидетельствующего о содержании фитопланктона в приповерхностном слое акватории [10], а также температура морской поверхности. В табл. 1 приведены источники данных, временные интервалы проведения мониторинга и ключевые задачи, решаемые с использованием этих основных параметров.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Временной ряд суточных пространственных распределений концентрации хлорофилла а (в относительных единицах) в Авачинском заливе, построенных на основании данных много-спектральной аппаратуры VIIRS спутников NOAA (https://www.star.nesdis.noaa.gov/) в различные дни сентября-октября 2020 г., представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Временной ряд суточных пространственных распределений концентрации хлорофилла а (в относительных единицах) в сентябре–октябре 2020 г., измеренных в Авачинском заливе с помощью аппаратуры VIIRS спутников NOAA.

Анализ данных, представленных на рис. 1, позволил выявить резкое увеличение значений концентрации хлорофилла а (приблизительно в 5 раз) по сравнению с предыдущими днями, произошедшее 24 сентября 2020 г., практически по всей площади залива. Высокий уровень концентрации хлорофилла а в данной акватории наблюдался и в последующие дни. Наиболее высокий рост концентрации хлорофилла а (до ~7–8 раз) был выявлен 1 октября 2020 г. (см. рис. 1).

Для оценки отклонения от нормы уровня концентрации этого параметра в период чрезвычайной экологической ситуации, которая привела к массовой гибели гидробионтов, был проведен анализ временного ряда данных, полученных спектрорадиометрами MODIS спутников AQUA и TERRA [11] за период времени с 24 февраля 2000 г. по 31 октября 2020 г.

В результате предварительной обработки и обобщения более чем 10 тыс. архивных космических сцен построены распределения среднемесячных (с мая по октябрь) концентраций хлорофилла а (мг/м³) для акватории Авачинского залива с 2000 по 2020 г., которые представлены на рис. 2.

Рис. 2.

Распределения среднемесячных (с мая по октябрь) концентраций хлорофилла а (мг/м³) в акватории Авачинского залива (карта показана на врезке) за период времени с 2000 по 2020 г.

На основании результатов анализа данных, представленных на рис. 2, установлено, что, начиная с 2000 г., в акватории Авачинского залива не наблюдалось столь высоких среднемесячных концентраций хлорофилла а, как в конце сентября–начале октября 2020 г. Среднемесячное значение этого параметра в октябре 2020 г. составило ~14.9 мг/м³, при этом среднее значение за 2000–2019 гг. (для октября) составило ~3.8 мг/м³ при максимуме (~9.3 мг/м³), выявленном в октябре 2017 г. (см. рис. 2). Таким образом, в октябре 2020 г. концентрация хлорофилла а превысила климатическую норму почти в 4 раза, и для этого параметра был достигнут исторический максимум в рассматриваемый интервал времени с 2000 по 2020 г.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в конце сентября–начале октября 2020 г. в акватории Авачинского залива наблюдались аномально высокие концентрации хлорофилла а, следовательно, и фитопланктона. Это связано с интенсивным вредоносным цветением микроводорослей, так называемым явлением красного прилива [12], которое встречается в дальневосточных морях России [4, 13] и в других акваториях [12]. Одна из особенностей, сопровождающих красные приливы, заключается в насыщении водной среды токсинами, отравляющими некоторые виды организмов, существующих в экосистеме [12, 13], которые и привели к гибели гидробионтов в исследуемой акватории.

Для оценки пространственных масштабов вспышки фитопланктона исследовался временной ряд среднемесячных карт концентраций хлорофилла а, полученных по космическим данным, в прибрежных акваториях всего полуострова Камчатка. На рис. 3 для сравнения приведены пространственные распределения концентраций этого параметра для данного региона в сентябре 2019 и 2020 г. Анализ рис. 3 свидетельствует о том, что в сентябре 2020 г. значения концентраций хлорофилла а были значительно более высокими и наблюдались в прибрежных акваториях вокруг всего полуострова Камчатка. Это также приводило к интенсивному вредоносному цветению микроводорослей (красный прилив [12, 13]), вызвавшему гибель гидробионтов и в других малонаселенных районах вокруг полуострова Камчатка.

Рис. 3.

Пример сопоставления карт среднемесячных концентраций хлорофилла а (мг/м³) в прибрежных акваториях полуострова Камчатка в сентябре 2019 г. (слева) и в сентябре 2020 г. (справа).

Для выяснения возможных причин аномального роста концентрации хлорофилла а (развития фитопланктона), которое связано с красным приливом, были проанализированы данные о температуре морской поверхности в Авачинском заливе и в прибрежных акваториях всей Камчатки. Как известно, повышение температуры морской воды приводит к увеличению биомассы микроводорослей, а следовательно, и к повышению концентрации хлорофилла а (см., например, [14]).

Результаты исследования температуры морской поверхности в прибрежных акваториях Камчатки представлены на рис. 4. Пунктирной линией на рис. 4 показаны осредненные (с 1981 по 2020 г.) суточные значения температуры морской поверхности в Авачинском заливе, а сплошной линией – значения температур морской поверхности в этом заливе в различные дни 2020 г., сформированные на основе значений оптимальной интерполяционной температуры (NOAA OISST, версия v2.1), полученных с использованием спутниковых и подспутниковых данных, а также результатов их интерполяции [15].

Рис. 4.

Осредненные суточные значения температуры морской поверхности в Авачинском заливе за период времени с 1981 по 2020 г. (пунктирная линия) и температуры морской поверхности в этом заливе в различные дни 2020 г. (сплошная линия) (данные NOAA/OISST). Врезка справа –пространственное распределение температуры морской поверхности в заливе 27 июля 2020 г. (данные AQUA/MODIS). Врезка слева – отклонение температуры морской поверхности 29 июня 2020 г. от климатической нормы в прибрежных акваториях вокруг Камчатки (обработка данных NOAA/OISST).

На врезке, приведенной справа на рис. 4, показано пространственное распределение температуры морской поверхности в Авачинском заливе 27 июля 2020 г., полученное в результате обработки данных прибора MODIS (спутник AQUA). На врезке, представленной слева на рис. 4, продемонстрировано отклонение температуры морской поверхности 29 июня 2020 г. от климатической нормы в прибрежных акваториях вокруг всего полуострова Камчатка (результат обработки данных NOAA/OISST).

Из анализа данных, приведенных на рис. 4, следует, что в июне-сентябре 2020 г. фиксировались аномальные превышения (более чем на 3–6°C) температуры морской поверхности в Авачинском заливе по сравнению со средними многолетними значениями для этих месяцев. В частности, сильные температурные аномалии с высокой температурой у побережья Авачинского залива регистрировались по данным аппаратуры MODIS (спутник AQUA) 27 июля 2020 г. (показано на рис. 4 справа). Положительные аномалии температуры морской поверхности, превышающие на 3–6°C климатическую норму, регистрировались также на значительных площадях вдоль всего побережья полуострова Камчатка (см. врезку на рис. 4 слева).

Это свидетельствует о том, что чрезвычайная экологическая ситуация у полуострова Камчатка, которая привела с массовой гибели гидробионтов осенью 2020 г., имеет природное происхождение и связана с развитием вредоносного цветения водорослей, получившего имя “медвежий” красный прилив, вызванный существенными положительными температурными аномалиями (до 6°C), сформировавшимися в исследуемых акваториях летом 2020 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов космического мониторинга, проведенного в акватории Авачинского залива и в прибрежных акваториях всего полуострова Камчатка, где осенью 2020 г. произошла чрезвычайная экологическая ситуация, связанная с массовой гибелью гидробионтов, получены и проанализированы долговременные ряды спутниковых (более 15 тыс. сцен) и других данных о концентрации хлорофилла а (с 2000 по 2020 г.) и температуре морской поверхности (с 1981 по 2020 г.).

С использованием этих данных установлено, что в исследуемом районе в конце сентября–начале октября 2020 г. наблюдался аномальный (по сравнению с предыдущими 20 годами) рост концентрации хлорофилла a (в 5–8 раз выше фоновых значений), свидетельствующий о существенном изменении биогенного режима.

Установлено также, что в июле–сентябре 2020 г. в исследуемых акваториях наблюдались сильные положительные аномалии температуры (отклонения от климатической нормы до 6°C), которые способствовали вредоносному цветению водорослей (красный прилив), вызвавшему гибель гидробионтов в прибрежных зонах Авачинского залива и всего полуострова Камчатка.

Таким образом, результаты исследований, проведенных на основании космических данных, показали, что причиной чрезвычайной экологической ситуации, вызвавшей массовую гибель гидробионтов в Авачинском заливе и у побережья всего полуострова Камчатка осенью 2020 г., являлись природные факторы. Они связаны с вредоносным цветением водорослей (красным приливом), произошедшим из-за аномального повышения температуры водной среды по сравнению с климатической нормой.