Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 511, № 1, стр. 86-92

ВВЕДЕНИЕ

Зимние заприпайные полыньи Северного Ледовитого океана являются уникальным природным явлением и давно привлекают внимание исследователей. В связи с возникшей в последние годы возможностью круглогодичной навигации по Северному морскому пути необходимость их изучения становится еще боле актуальной. Зимние полыньи представляют пояс интенсивного ледообразования, могут продуцировать основную массу суммарного объема льдов, образующихся в отдельных морях за год [1, 2], обеспечивая постоянный трансполярный дрейф (ТД) арктических льдов. Помимо изменений ледовых условий зимние полыньи влияют на температурно-солевой режим водной толщи, ее межсезонную динамику, осолонение вод и развитие конвекции, а также из-за большой теплоотдачи в атмосферу, изменяют климат в прилегающих районах моря и побережья [1, 3, 4]. Площади заприпайных полыней подвержены значительным временным изменениям разного масштаба, в том числе межгодовым [2].

Для существования и развития зимней полыньи необходимы возникновение и поддержание барической ситуации, обеспечивающей интенсивный отжимной ветровой дрейф льдов в течение достаточно длительного времени [3‒5]. В море Лаптевых такие условия возникают при формировании в Арктике антициклонической барической системы, выделяемой Б.А. Крутских [6] как тип II. Позднее он был детализирован [7] и сопоставлен с отрицательной фазой арктической осцилляции (АО) [5, 8, 9]. Для этих условий характерны смещение к югу зоны западного атмосферного переноса [10, 11] и активизация межширотного атмосферного обмена [12]. При нахождении арктического минимума вблизи полюса или в море Бофорта, море Лаптевых оказывается в тылу антициклона. Соответственно, льды, образующиеся в полыньях, выносятся на северо-запад и вовлекаются в трансполярный дрейф [5, 8, 13]. При циклонической барической циркуляции арктического бассейна, характерной для положительной фазы АО, вдоль российского побережья преобладает атмосферный и океанический перенос в восточном направлении. При нем вынос льдов из моря Лаптевых затруднен, а основной поток ТД формируется ближе к американскому побережью [5, 9, 13].

Целью данной работы явилась опосредованная реконструкция развития зимней заприпайной полыньи моря Лаптевых в последние столетия через индекс зимней АО, как параметра, наиболее полно отражающего барическую ситуацию Арктики в этот сезон. Использовалась ранее разработанная методика палеоклиматических реконструкций на основе сопоставления временных рядов гидрометеорологических наблюдений и геохимических временных рядов донных осадков, накопившихся за период наблюдений [14‒16].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе были использованы данные по химическому составу донных осадков колонки LV83-16-3, отобранной в центральной части моря Лаптевых (76°15.2 с.ш., 132°11.0 в.д., глубина моря 41 м). Она была специально выбрана как находящаяся в зоне развития Ленской заприпайной полыньи (рис. 1). Ранее [15] методом рентгенофлюоресцентного сканирования с использованием синхротронного излучения (РФА СИ) в ней через каждые 0.5 мм были определены содержания 20 химических элементов [15]. Возраст осадков и средняя скорость осадконакопления (0.7 мм/год) были получены по изотопам ²¹⁰Pb и ¹³⁷Cs с учетом результатов радиоуглеродного датирования [15]. По этим данным был построен погодичный временной геохимический ряд – каждому году прямым измерением или интерполяций присвоены содержания 20 химических элементов.

Рис. 1.

Положение станции LV83-16 в сопоставлении с вариациями Сибирской полыньи в море Лаптевых и западной части Восточно-Сибирского в марте (черная заливка) в годы с низкими (1981‒1984) и высокими/положительными (1989‒1992) значениями индекса АО [18]. Цифрами в верхнем правом углу показаны год/значение индекса зимней АО.

Для дальнейших построений, согласно ранее разработанной методике [14, 16], содержания химических элементов были преобразованы в безразмерные величины путем нормирования по рубидию: определено отношение содержания каждого элемента к содержанию рубидия. Эти данные были ранее опубликованы [15] и частично приведены на рис. 2. Нормированные по рубидию содержания каждого элемента были преобразованы в величины от 0 до 1 (нормирование минимакс). Для каждого элемента определялись максимальное (1) и минимальное (0) значения Эл/Rb, исходя из которых пересчитывались значения по всей длине колонки. Нормирование минимакс было использовано для получения возможности применения полученной трансферной функции при реконструкциях на основе данных по химическому составу осадков, полученных различными методами [16].

Рис. 2.

Результаты реконструкции индекса арктической осцилляции для последних 300 лет по колонке LV83-16, вариации содержаний Br/Rb и химических элементов, использованных в трансферной функции. На диаграмме АО красной линией показаны измеренные значения индекса АО, штриховой – реконструированные, точечными линиями – границы 95%-ного доверительно интервала реконструкции.

В качестве временного ряда гидрометеорологических наблюдений использован погодичный ряд определенных значений индекса зимней (декабрь‒март) АО за 1898‒2018 гг. из базы климатических      данных открытого доступа (http://www.cpc.ncep.noaa.gov).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для построения трансферной функции АО методами многомерной регрессии [14, 17] была создана матрица, включающая погодичный ряд наблюденных значений индекса зимней (декабрь‒март) АО за 1898‒2018 гг. и погодичные геохимические ряды нормированных по рубидию и минимакс содержаний химических элементов для этого же периода. Для минимизации влияния возможных погрешностей измерений и аномальных кратковременных событий все эти временные ряды были осреднены по 10-летним интервалам методом скользящей средней. Математический анализ матрицы проводился с использованием регрессионного, корреляционного, кросскорреляционного методов с минимизацией признаков в процессе построения регрессионной модели (трансферной функции) с использованием ранее разработанных дополнительных программ [17]. В трансферную функцию (ТФ), связывающую нормализованные содержания химических элементов и величину зимней АО, включили только элементы, чей вклад в величину АО превышает один процент:

С использованием этой формулы значения АО были реконструированы для последних трех столетий на всю длину колонки (рис. 2). Для временного интервала 1898‒2018 гг. коэффициент корреляции между наблюденными и реконструированными значениями АО составил 0.88. Для оценки степени достоверности реконструкции рассчитывалась величина 95%-ной достоверности (0.35), показанная на диаграмме АО (рис. 2).

Так как для реконструкции АО была специально выбрана станция в зоне Ленской полыньи, полученная ТФ может быть интерпретирована с позиций влияния последней на осадконакопление. Известна зависимость между развитием заприпайных полыней и типом атмосферной/океанической циркуляции (циклонический – антициклонический) в Арктике, в том числе отражаемой индексом АО [3‒5, 7, 9]. К сожалению, специальные исследования распространенности (площадь, время существования) зимних полыней в зависимости от зимней АО, в том числе в море Лаптевых, ранее не проводились. Имеется точка зрения, что барическая ситуация, обеспечивающая отжимной ветровой дрейф льдов из моря Лаптевых, и, соответственно, развитие полыней, возникает преимущественно при низких значениях индекса АО [3, 5, 7, 9]. Проведенное нами сопоставление развития полыней для серий лет с низким (1981‒1984) и высокими (1989‒1992) значениями АО (рис. 1) подтверждает это мнение. Основываясь на указанном, при дальнейшем обсуждении результатов используется положение, что активизация Ленской полыньи, в районе которой находится изучаемая колонка, происходит в годы с низкими значениями индекса АО.

В формулу (1) с отрицательным знаком входят редокс-чувствительные элементы аноксидных обстановок (V, Ni) и литогенный элемент калий. С положительным знаком входят редокс-чувствительные элементы оксидных обстановок ‒ марганец и медь. Вхождение их в формулу можно рассматривать исходя из установленных ранее закономерностей формирования ТФ для реконструкции продолжительности безледного периода (IF) и аномалий среднегодовой температуры (ΔT) в этой точке [14, 15]. Набор элементов, входящих в формулу, свидетельствует, что основные различия в химическом составе накапливающихся донных осадков, связанные с вариациями АО, определяются изменениями редокс-условий придонных вод. Аноксидность их усиливается в периоды с низкими значениями АО и, соответственно, с большей площадью зимней полыньи. Такой механизм может реализоваться благодаря постоянному ледообразованию в зимних полыньях с формированием сильно осолоненных вод, опускающихся в придонные горизонты и определяющих стратификацию вод на шельфе [3, 18]. В летне-осенний период стратификация еще более усиливается из-за прогрева поверхностных вод и поступления распресненных и теплых речных вод. В этих условиях после зимы с интенсивным развитием полыньи вертикальное перемешивание вод шельфа длительное время затруднено и в придонных водах образуется дефицит кислорода, что способствует накоплению в осадках редокс-чувствительных элементов аноксидных обстановок (в данном случае V, Ni) и обеднению осадков элементами оксидных обстановок (Mn, Cu). Наличие аноксидных обстановок в зимний и летний сезоны на этом участке шельфа, с содержанием кислорода в придонных водах мене 5.5 мл/л, подтверждено инструментальными измерениями [19].

Ограниченное перемешивание вод шельфа в годы с низкими индексами зимней АО и после них способствует также накоплению в осадках тонкозернистого материала, обогащенного глинистыми минералами и, соответственно, калием. Это определило вхождение в формулу (1) калия с отрицательным знаком. Характерно, что биогенные элементы (Ca, Sr, Br), которые на этой станции (рис. 3) и в других районах [14, 16], входят в трансферные функции IF и ΔT, не вошли в формулу (1). Это указывает на незначительное влияние зимних полыней на годовую первичную биопродуктивность из-за отсутствия солнечной радиации в это время.

Рис. 3.

Сопоставление реконструированной площади зимней полыньи и АО с продолжительностью безледного периода (IF), среднегодовой температурой воздуха (ΔT) [15] и площадью ледяного покрова Арктики в сентябре (S) [20] за последние 300 лет. Показаны только значимые величины (>0.3 при n – 30, q – 0.95) коэффициента корреляции (К_кор) между площадью полыньи, IF и ΔT.

Полученная реконструкция АО сопоставлена с выполненными ранее [14, 15] для этой колонки реконструкциями продолжительности безледного периода и среднегодовой температуры воздуха (рис. 3). На рис. 3 в качестве индикатора распространенности полыньи принято обратное значение индекса АО. Для сопоставления изменчивости вариаций площади полыньи с другими климатическими параметрами был выполнен корреляционный анализ распространения полыньи (-АО) с IF и ΔТ по тридцатилетним периодам. На рис. 3 показаны только значимые (>±0.3) величины этих коэффициентов. Из него следует, что вариации площади полыньи и продолжительности безледного периода за реконструированный период не демонстрируют единую тенденцию. Существует мнение, что развитие полыней зимой приводит к уменьшению ледовитости в последующий летний сезон и, даже, в последующие сезоны [4]. Из рис. 3 следует, что возможна обратная корреляция, т.е. в годы с большей площадью зимней заприпайной полыньи в море Лаптевых возможен короткий безледный период, а площадь арктических льдов в летний сезон увеличивается. Некоторыми исследователями это объясняется большим количеством новых льдов, продуцируемых полыньями Арктики за зиму [1, 5].

Полынья и среднегодовая температура воздуха проявляют только положительную корреляцию в случае ее значимой величины (рис. 3). С одной стороны, это не противоречит существующему мнению о более высоких температурах в высокоширотных районах при отрицательной фазе АО из-за усиления субмеридионального переноса воздушных масс [8, 12]. Возможно, и наиболее вероятно следует из наших исследований, влияние полыньи на температуру воздуха окружающих районов из-за контакта его с открытой морской поверхностью зимой или выделения тепла при ледообразовании [3, 8]. Синхронные изменения значения ΔT и -АО, до, по крайней мере 1950‒1960 гг., хорошо демонстрируются рис. 3. В последние же 40‒70 лет среднегодовая температура воздуха и продолжительность безледного периода стабильно увеличиваются, площадь арктических льдов соответственно стабильно уменьшается, а зимняя АО изменяется разнонаправленно (рис. 3). Существует мнение, что на ледовые условия Арктики в эти годы в большей мере влияли процессы в атмосфере и океане, стимулированные деятельностью человека [2, 12, 13]. Выявленная рассинхронизация такого важного климатического параметра, как АО, регионального климата и ледовитости также, возможно, определяется глобальными климатическими изменениями. Нельзя исключать, однако, что ранее подобные события происходили и по природным причинам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что вариации химического состава накапливающихся донных осадков в центральной части моря Лаптевых зоне влияния Ленской полыньи в значительной мере определяются изменчивостью редокс-условий придонных вод. Это было использовано для реконструкции методом трансферных функций изменчивости зимней полыньи через значения индекса зимней арктической осцилляции, для которой имеется ряд непрерывных наблюдений в последние 120 лет. Реконструкция для последних 300 лет вариаций зимней полыньи с использованием трансферной функции, связывающей химический состав накопившихся в это время донных осадков и значения АО, выявило влияние полыньи на увеличение среднегодовой температуры воздуха. Отмечена различная направленность влияния полыньи на продолжительность безледного периода в последние десятилетия. Влияние антропогенной деятельности на развитие зимней полыньи и на индекс АО требует специального изучения.