Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 1, стр. 86-91

Динамика карбонатных характеристик вод карского моря в позднеосенний сезон 2021 г.

И. И. Пипко 1*, С. П. Пугач 1, член-корреспондент РАН И. П. Семилетов 1

1 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук
Владивосток, Россия

* E-mail: Irina@poi.dvo.ru

Поступила в редакцию 26.04.2022
После доработки 11.05.2022
Принята к публикации 12.05.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены натурные данные, характеризующие динамику карбонатной системы, уровень коррозионности поверхностных вод по отношению к арагониту и потоки CO2 в системе океан–атмосфера в Карском море в позднеосенний сезон. Исследование карбонатных характеристик вод выполнено на нис “Академик Мстислав Келдыш” в октябре 2021 г. В это время воды основной части исследованной акватории Карского моря интенсивно поглощали углекислый газ из атмосферы, в зоне инвазии средняя величина потока CO2 составила 30.2 ± 35.5 ммоль м–2 сут–1. Показано, что среди арктических морей в исследуемый сезон открытая акватория Карского моря являлась одним из наиболее значимых стоков для атмосферного СО2. Изменение направления потока происходило в узкой прибрежной зоне; пересыщение вод СО2 было обнаружено в приустьевых районах, где вклад материковых вод превышал 50%. Установлено, что при небольшом вкладе речных вод (<10%) изменение температуры поверхностных вод определяло более 90% пространственной изменчивости рСО2. В позднеосенний сезон поверхностные воды Карского моря были главным образом пересыщены карбонатом кальция; экстремально низкий уровень насыщения вод арагонитом обнаружен лишь в приустьевых зонах, областях максимального влияния речных вод.

Ключевые слова: карбонатная химия морской воды, потоки СО2 в системе океан–атмосфера, асидификация, Арктика

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в арктическом регионе наиболее заметно проявляются климатические изменения, при этом хрупкие арктические экосистемы очень уязвимы к подобным воздействиям [1]. Карское море – одно из окраинных морей Северного Ледовитого океана, шельф которого относится к категории так называемого “внутреннего” шельфа [2]. На акватории моря пресные воды великих сибирских рек Оби и Енисея взаимодействуют с баренцевоморскими водами и водами арктического бассейна [3], формируя его уникальный океанографический режим. Как неоднократно отмечалось ранее, речной сток является важнейшим фактором, определяющим гидрологические и гидрохимические условия Карского моря [37]. Его объем достигает 1330 км3, что составляет 30% от общего речного стока в Северный Ледовитый океан и около 1.5% от объема моря; при этом сток великих сибирских рек в океан в последние декады возрастает [8]. Интенсивность распространения речных вод на шельфе Карского моря, как показано в [7, 9, 10], характеризуется значительной межгодовой динамикой и зависит как от объема поступающих пресных вод, так и ветрового воздействия.

В отличие от достаточно подробно изученной гидрологической структуры вод Карского моря, исследованию динамики параметров карбонатной системы, основной буферной системы океана и связанных с ней потоков СО2 в системе океан–атмосфера до настоящего времени уделялось недостаточно внимания. Известен ряд работ российских ученых из ИО РАН ([57, 11, 12] и приведенные в них ссылки), ТОИ ДВО РАН [1316], зарубежных авторов [17], но они имеют существенные как сезонные, так и пространственные ограничения. И лишь некоторые из перечисленных работ [11, 12, 14, 15] затрагивают вопросы обмена СО2 между водой и атмосферой, а также так называемую “другую проблему СО2” – асидификацию морских вод. Отметим, что растущее повышение кислотности морских вод многими исследователями рассматривается как современный экологический вызов, но воды Карского моря по-прежнему во многом остаются “белым пятном” [1, 18].

Целью выполненной работы являлось исследование динамики параметров карбонатной системы, оценка коррозионного статуса вод и потоков СО2 в системе океан–атмосфера на акватории Карского моря в позднеосенний сезон перед началом ледостава.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование карбонатных характеристик вод Карского моря выполнено на нис “Академик Мстислав Келдыш” в октябре 2021 г. (86 рейс). Работы были проведены на значительной акватории моря от Обской губы и Енисейского залива до северной оконечности желоба Св. Анны и от Байдарацкой губы до Пясинского залива (рис. 1). На основе измеренных параметров карбонатной системы вод (рН и общей щелочности, АТ) были рассчитаны парциальное давление СО2 (рСО2), а также степень насыщения вод кальцитом и арагонитом. Для расчета потока СО2 в системе океан–атмосфера были использованы квадратичная параметризация скорости газопереноса и среднечасовая скорость ветра. Определение содержания СО2 в атмосфере выполнялось по ходу судна с использованием газоанализатора Picarro G-2301. Подробно методы измерения и расчетов приведены в [15].

Рис. 1.

Район работ (нис “Академик Мстислав Келдыш”, октябрь 2021 г.). 1 – Байдарацкая губа, 2 – Обская губа, 3 – Енисейский залив, 4 – Пясинский залив.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ДИСКУССИЯ

В результате выполненного исследования обнаружено неоднородное распределение гидрологических и карбонатных характеристик в поверхностном слое вод (рис. 2). На разрезе от приустьевой зоны рек к глубоководной части моря выявлено почти двукратное снижение поверхностных величин рСО2, происходящее синхронно с уменьшением температуры (рис. 2), что свидетельствует о влиянии термического фактора на их пространственное распределение. Выполненные оценки показали, что при обнаруженном совокупном снижении pCO2, равном 214 мкатм, вклад термического фактора составлял около 50% (110 мкатм), оставшаяся часть определялась иными причинами, в частности, влиянием речных вод. Расчет с использованием величин солености и общей щелочности фракции вод, участвующих в смешении (речных, талых и морских) [14], показал, что содержание речных вод, ожидаемо максимальное в приустьевых зонах (до 72%), снижалось до нулевых значений на севере района исследований (рис. 3 а). В зоне влияния речных вод поверхностный слой был пересыщен СО2 относительно его среднего содержания в атмосфере (в среднем, 414 мкатм), величины рСО2 достигали на этом участке 500 мкатм. В позднеосенний сезон пересыщение поверхностных вод CO2 сохранялось при доле речных вод, превышающей 50%, при более низком их содержании воды были недосыщены CO2, и происходило изменение направления потока CO2 между морской водой и атмосферой. Следует отметить, что во время работ дисперсия на акватории моря вод с высоким вкладом речного стока была весьма ограниченной, что было связано как с сезонным сокращением объема поступающих на шельф материковых вод, так и характером атмосферной циркуляции. В предшествующий исследованиям период (июнь–сентябрь), а также во время работ над акваторией Карского моря доминировал циклон (рис. 4), что препятствовало интенсивному растеканию материковых вод в северном направлении и определяло их перенос на восток. Отметим, что важность термического фактора в пространственном распределении рСО2 в позднеосенний сезон хорошо иллюстрирует связь динамики рСО2 и температуры на разрезе от Байдарацкой губы к северной части желоба Святой Анны – при минимальном влиянии речных вод (на юге разреза их вклад не превышал 10%) термический фактор (падение поверхностной температуры на ~7°C в северном направлении) более, чем на 90% определял обнаруженное снижение рСО2 (~120 мкатм); при этом в прибрежной части Байдарацкой губы в отсутствие прямого влияния речных вод поверхностные величины рСО2 не достигали равновесных с атмосферой значений.

Рис. 2.

Распределение величин температуры, °С (а), солености, ‰ (б), общей щелочности, μмоль кг–1 (в), рН (г), парциального давления CO2, мкатм (д) и степени насыщения вод арагонитом (е) в поверхностных водах Карского моря.

Рис. 3.

Распределение величин фракций речных вод (а) и потоков СО2 между морской водой и атмосферой, ммоль м–2 сут–1 (б) на исследуемой акватории.

Рис. 4.

Поля приземного давления, мбар, в июне–сентябре (а) и во время работ 2021 г. (б).

Рассчитанные потоки СО2 между водой и атмосферой показали, что исследуемая акватория в среднем была стоком для атмосферного СО2 (рис. 3 б). Максимальная скорость инвазии СО2 была обнаружена на севере района исследований и составляла 129.7 ммоль м–2 сут–1 при средней для области поглощения величине 30.2 ± ± 35.2 ммоль м–2 сут–1. Направление потока изменялось в узкой прибрежной зоне, где он был направлен в атмосферу, и максимальная скорость дегазации была равна 29.7 ммоль м–2 сут–1. Сравнение рассчитанных в северной части желоба Св. Анны потоков CO2 с оценками, выполненными в сентябре 2009 г., показало существенные отличия полученных величин (табл. 1). Несмотря на уменьшение абсолютных значений разницы рСО2 между водой и атмосферой (ΔpCO2) в 2021 г. относительно 2009 г., определяемое интенсивным развитием осеннего конвективного и ветрового перемешивания в 2021 г., а также более значимым вкладом в поверхностные величины рСО2 талых вод и процессов первичного продуцирования в 2009 г. [14], скорость поглощения СО2 в 2021 г. была значительно выше (табл. 1).

Таблица 1.

Средние величины, стандартное отклонение и минимальные/максимальные значения поверхностной температуры (Т), солености (S), разницы парциального давления СО2 между морской водой и атмосферой (ΔpCO2), среднечасовой скорости ветра (U) и потока СО2 в системе океан–атмосфера (F$_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}$). Отрицательные величины соответствуют потоку CO2 в воду

Параметр, год T, °C S, ‰ ΔpCO2, μатм U, м сек–1 F$_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}$, ммоль м–2 сут–1
2009, n = 14 0.30 ± 1.28 32.73 ± 0.43 –171 ± 38 7.3 ± 2.0 –23.5 ± 17.5
(–1.55/2.22) (31.96/33.27) (–221/–109) (2.5/9.9) (–51.8/–1.1)
2021, n = 12 –0.95 ± 0.70 33.81 ± 0.20 –121 ± 18 16.1 ± 2.2 –86.9 ± 21.5
(–1.84/0.56) (33.55/34.14) (–149/–91) (11.4/18.5) (–129.7/–44.0)

Отметим, что термодинамический фактор обусловливал обратную зависимость и не был значим в межгодовой изменчивости величин ΔpCO2. Среди основных факторов, определяющих обнаруженную временную динамику потоков СО2 между океаном и атмосферой, можно выделить высокие скорости ветра, определяемые характером атмосферной циркуляции во время работ 2021 г., а также частичное блокирование ледовым покровом обменных процессов в 2009 г.

Важно отметить, что в исследуемый период, как показывает сравнение с выполненными ранее оценками скорости абсорбции СО2 водами арктических морей [15, 19, 20], открытая акватория Карского моря являлась одним из наиболее значимых стоков для атмосферного СО2, что в первую очередь определялось динамическим фактором – высокой скоростью ветра.

Выполненное исследование также показало, что в позднеосенний период перед началом ледостава поверхностные воды исследованной акватории были пересыщены карбонатом кальция – как кальцитом, так и более растворимой формой – арагонитом (рис. 2). Коррозионные по отношению к карбонату кальция воды (степень насыщения вод карбонатом кальция Ω < 1) были обнаружены лишь в прибрежной области – зоне максимального влияния материковых вод (рис. 2). Недосыщение вод арагонитом наблюдалось при вкладе речных вод выше 30%, а минимальные величины достигали 0.18 в зоне наибольшего влияния вод Оби (72%).

Сравнение данных по распределению величин рН и степени насыщения вод арагонитом, ΩAr, в поверхностных водах повторяющегося северного разреза показало снижение этих величин в 2021 г. по сравнению с 2009 г. – 8.26 и 8.15 для рН, 1.98 и 1.60 для ΩAr в 2009 и 2021 г. соответственно. Такая межгодовая динамика могла определяться как антропогенным фактором – увеличением содержания СО2 в атмосфере (385 и 414 мкатм во время работ 2009 и 2021 г. соответственно), так и высочайшей внутрисезонной, межсезонной и межгодовой динамикой гидрохимического и гидрологического режимов арктических морей, в значительной степени обусловленной сезонным присутствием и изменчивостью ледового покрова. Таким образом, на данном этапе исследований на основе имеющегося ограниченного набора данных мы можем лишь констатировать межгодовой рост кислотности и коррозионности вод в поверхностных водах глубокой части Карского моря в осенний сезон.

ВЫВОДЫ

В позднеосенний сезон 2021 г. воды основной части исследованной акватории Карского моря интенсивно поглощали углекислый газ из атмосферы. Изменение направления потока происходило в узкой прибрежной зоне; пересыщение вод СО2 было обнаружено в приустьевых районах, где вклад материковых вод превышал 50%. Установлено, что при низком вкладе речных вод изменение температуры поверхностных вод определяло более 90% пространственной изменчивости рСО2. Сравнение полученных осенью 2021 г. потоков СО2 на севере желоба Св. Анны с предшествующими оценками [14, 15] показало, что несмотря на обнаруженное уменьшение разницы pCO2 между океаном и атмосферой в 2021 г. относительно 2009 г., в позднеосенний сезон 2021 г. были рассчитаны наибольшие скорости поглощения СО2. В первую очередь это определялось высокими скоростями ветра в 2021 г., а также отсутствием на разрезе ледового покрова, ограничивающего обменные процессы. Установлено, что в позднеосенний сезон поверхностные воды Карского моря были главным образом пересыщены карбонатом кальция; экстремально низкий уровень насыщения вод арагонитом обнаружен лишь в приустьевых зонах. Представленные в работе материалы существенно дополнят имеющуюся информацию, характеризующую карбонатную химию вод Карского моря, однако ограниченность доступных данных указывает на острую необходимость продолжения комплексных всесезонных работ на всей акватории моря, имеющего сложный и очень динамичный океанографический режим.

Список литературы

  1. AMAP, 2018. AMAP Assessment 2018: Artctic Ocean Acidification. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), Tromsø, Norway. 187 p.

  2. Carmack E., Wassmann P. Food Webs and Physical-biological Coupling on Pan-Arctic Shelves: Unifying Concepts and Comprehensive Perspectives // Progress in Oceanography. 2006. V. 71. P. 446–477.

  3. Завьялов П.О., Ижицкий А.А., Осадчиев А.А. и др. Структура термохалинных и биооптических полей на поверхности Карского моря в сентябре 2011 г. // Океанология. 2015. Т. 55. № 4. С. 514–525.

  4. Зацепин А.Г., Завьялов П.О., Кременецкий В.В. Поверхностный опресненный слой вод в Карском море // Океанология. 2010. Т. 50. № 5. С. 730–739.

  5. Маккавеев П.Н., Мельникова З.Г., Полухин А.А. и др. Гидрохимическая характеристика вод западной части Карского моря (по материалам 59-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш”) // Океанология. 2015. Т. 55. № 4. С. 540–551.

  6. Маккавеев П.Н., Полухин А.А., Костылева А.В. и др. Гидрохимические особенности акватории Карского моря летом 2015 г. // Океанология. 2017. Т. 57. № 1. С. 57–66.

  7. Маккавеев П.Н., Полухин А.А., Щука С.А., Степанова С.В. Перенос материковых вод через пролив Вилькицкого в сентябре 2017 и 2018 гг. // Океанология. 2020. Т. 60. № 3. С. 355–363.

  8. Shiklomanov A.I., Holmes R.M., McClelland J.W., Tank S.E., Spencer R.G.M. Arctic Great Rivers Observatory. Discharge Dataset. 2021. Version 20211118. https://www.arcticrivers.org/data.

  9. Зацепин А.Г., Кременецкий В.В., Кубряков А.А. и др. Распространение и трансформация вод поверхностного опресненного слоя в Карском море // Океанология. 2015. Т. 55. № 4. С. 502–513.

  10. Osadchiev A.A., Frey D.I., Shchuka S.A., Tilinina N.D., Morozov E.G., Zavialov P.O. Structure of the Freshened Surface Layer in the Kara Sea during Ice-free Periods // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2021. T. 126. № 1. C. e2020JC016486.

  11. Polukhin A. The Role of River Runoff in the Kara Sea Surface Layer Acidification and Carbonate System Changes // Environmental Research Letters. 2019. V. 14. N 10. P. 105007.

  12. Полухин А.А., Флинт М.В., Беликов И.Б., Гусак Г.В. и др. Поток углекислого газа на границе вода–атмосфера в районе континентального склона в Карском море // Океанология. 2021. Т. 61. № 5. С. 716–723.

  13. Недашковский А.П., Бондарева Е.П. Аномалия концентрации СО2 на поверхностном горизонте в арктическом бассейне летом 2007 г. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2014. № 4 (102). С. 45–49.

  14. Пипко И.И., Пугач С.П., Семилетов И.П., Салюк А.Н. Карбонатные характеристики вод материкового склона Северного Ледовитого океана // ДАН. 2011. Т. 438. № 5. С. 699–704.

  15. Pipko I.I., Pugach S.P., Semiletov I.P., et al. The Dynamics of the Carbon Dioxide System in the Outer Shelf and Slope of the Eurasian Arctic Ocean // Ocean Sciences. 2017. V. 13. P. 997–1016.

  16. Semiletov I.P., Pipko I.I., Repina I., Shakhova N.E. Carbonate Chemistry Dynamics and Carbon Dioxide Fluxes Across the Atmosphere-ice-water Interfaces in the Arctic Ocean: Pacific Sector of the Arctic // Journal of Marine System. 2007. V. 66. P. 204–226.

  17. Fransson A., Chierici M., Anderson L.C., et al. The Importance of Shelf Processes for the Modification of Chemical Constituents in the Waters of the Eurasian Arctic Ocean: Implications for Carbon Fluxes // Continental Shelf Research. 2001. V. 21. P. 225–242.

  18. Green H.L., Findlay H.S., Shutler J.D., Land P.E., Bellerby R.G.J. Satellite Observations Are Needed to Understand Ocean Acidification and Multi-Stressor Impacts on Fish Stocks in a Changing Arctic Ocean // Frontiers in Marine Science. 2021. V. 8:635797.

  19. Pipko I.I., Pugach S.P., Repina I.A., Dudarev O.V., Charkin A.N., Semiletov I.P. Distribution and Air-Sea Fluxes of Carbon Dioxide on the Chukchi Sea Shelf // Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. 2015. V. 51. № 9. P. 1088–1102.

  20. Pipko I.I., Semiletov I.P., Pugach S.P., Wáhlström I., Anderson L.G. Interannual Variability of Air-sea CO2 Fluxes and Carbon System in the East Siberian Sea // Biogeosciences. 1987–2007, 2011. 8. https://doi.org/10.5194/bg-8-2987-2011

Дополнительные материалы отсутствуют.