Исследование Земли из Космоса, 2020, № 6, стр. 34-46

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Информационной базой для настоящей работы являлись спутниковые и судовые данные за период 2004–2011 гг. Материалы дистанционного зондирования были получены спектрорадиометром MODIS искусственного спутника Земли Aqua в районе, ограниченном координатами 135–163° с.ш. и 42–60° в.д., и предоставлены Ocean Color Processing Group (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov). Проецирование данных на координатную сетку с разрешением 1000 × 1022 точки (ок. 2 км) осуществлялось при помощи программы HDFLook (http://www-loa.univ-lille1.fr/Hdflook). Данные in situ были собраны в экспедициях на НИС “Профессор Кагановский” (рис. 1) при помощи флуориметра Seapoint (http://www.seapoint.com/scf.htm; Левашов, 2003), установленного на океанологическом зонде SBE-25 (http://seabird.com). Калибровка флуориметра проводилась в лабораторных условиях. Для этого использовались отобранные во время экспедиций батометром Нискина пробы воды, которые были отфильтрованы на мембранных фильтрах ФМАЦ-0.65 с диаметром пор 0.65 мкм и диаметром фильтра 35 мм. Их хранение осуществлялось при температуре –18°С. Измерения на концентрацию хлорофилла-а выполнялись на спектрофотометре Shimadzu UV-1650.

Рис. 1.

Примерная ежегодная схема станций, выполненных НИС “Профессор Кагановский” в 2004–2011 гг. в следующих районах Охотского моря: + – побережье Южных Курил; ◇ – Западное побережье Камчатки; △ – залив Шелихова; ◻ – северная часть Охотского моря; × – северо-восточноке побережье Сахалина; ⚪ – южная часть Охотсткого моря; ⚫ – трансохотоморский разрез. Линиями обозначены границы соответствующих районов по спутниковым данным.

Анализ вертикального распределения проводился отдельно по участкам, где ранее сравнивались спутниковые и судовые данные на поверхности Охотского моря (Цхай, Хен, 2016). В табл. 1 и 2 указаны районы и периоды исследований по сезонам. В заданных районах были рассчитаны средние значения концентрации хлорофилла-а по глубинам. На основании полученных вертикальных распределений была определена толщина слоя интенсивного фотосинтеза, ниже которой концентрация вещества становится меньше 0.3–0.5 мг/м³ в зависимости от района (можно принять ее значения за фоновые) и при этом с глубиной практически не изменяется. Кроме этого, были рассчитаны коэффициенты отношения средней концентрации хлорофилла-а в слое 0–100 м к величине на поверхности, т.е. слое 0–2 м (ближайшем к поверхности слое с репрезентативным набором данных, для которого проводилось сравнение со спутниковыми измерениями (Цхай, Хен, 2016), и была показана их хорошая сопоставимость). Для летнего периода у северо-восточного побережья Сахалина коэффициент был рассчитан по одной съемке 2004 г. На основе этих коэффициентов, используя результаты дистанционного зондирования, были получены оценки общего содержания вещества в верхнем 100-метровом слое. Для этого осредненные по спутниковым данным за 2004–2011 гг. концентрации хлорофилла-а в каждой точке выделенного района за период сбора данных in situ были пересчитаны с применением коэффициентов на средние концентрации пигмента в 100-метровом слое. Затем с помощью численного интегрирования полученной сетки значений методом трапеций и последующим пересчетом на 100-метровый слой была получена величина общего содержания хлорофилла-а. При этом 100 метров принималось за максимальную глубину слоя активного фотосинтеза в целом по Охотскому морю, полученную при анализе судовых данных, о чем будет сказано ниже.

Помимо указанных в табл. 1 и 2 районов, рассматривались также значения по трансохотоморскому разрезу (обозначен на карте черными точками). Съемка на разрезе проводилась в самом конце марта–начале апреля в течение двух-четырех суток на небольшом количестве станций (от 6 до 22). Этот разрез проходил через центральную часть Охотского моря, где интенсивность фотосинтетической деятельности слабее, чем в других районах (Цхай, 2007), но, тем не менее, в силу ограниченности информации по этому району, ее межгодовые вариации в весенний сезон также представляют интерес.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Рассмотрим среднюю многолетнюю динамику распределения концентрации хлорофилла-а в Охотском море, полученную по спутниковым данным за 2004–2011 гг. (рис. 2). В целом для районов Охотского моря характерно наличие двух фаз интенсивного развития фитопланктона – весной и осенью. (Вентцель и др., 2000; Шунтов, 2001; Цхай, 2017). Как видно из графика, повышенное содержание пигмента (более 0.5 мг/м³) наблюдалось в течение всего безледного периода – с апреля по ноябрь. Фаза активного “цветения” фитопланктона начиналась в апреле, прежде всего в зонах таяния льда, и в зависимости от района продолжалась до конца мая–первой половины июня. В летние месяцы происходило снижение концентрации вещества из-за убыли биогенных элементов, а в сентябре–октябре наступал второй сезонный пик развития микроводорослей за счет возобновления поступлений питательных веществ (Матвеев, 2006). В целом, в южных районах Охотского моря, включая южные Курильские острова, концентрация хлорофилла-а была ниже, чем на севере.

Рис. 2.

Сезонная динамика средней концентрации хлорофилла-а в районах Охотского моря по спутниковым данным за 2004–2011 гг.

На большей части Охотского моря максимальные концентрации пигмента отмечались в весенний период, что типично для морей субарктического типа [Киселев, 1980]. Однако в некоторых районах со значительным речным стоком, например в Амурском лимане или у северо-восточного побережья Сахалина, осеннее “цветение” фитопланктона по силе практически не уступало весеннему (Цхай, 2017).

На рис. 3 изображены пространственные распределения средней многолетней концентрации хлорофилла-а в различные сезоны, построенные по спутниковым данным за период с 2004 по 2011 гг. В весенний период средняя концентрация пигмента в целом по Охотскому морю составляла 2.3 мг/м³. При этом у западного побережья п-ова Камчатка она достигала 3.6 мг/м³, в северной части Охотского моря и у северо-восточного побережья Сахалина – около 3 мг/м³, у охотоморского побережья Южных Курил – более 1.5 мг/м³. Минимальные концентрации пигмента фиксировались в центральной части Охотского моря, но и здесь они превышали 0.5 мг/м³, тогда как в другие сезоны варьировались в пределах 0.2–0.5 мг/м³.

Рис. 3.

Пространственное распределение средней концентрации хлорофилла-а (мг/м³) в Охотском море по спутниковым данным за 2004–2011 гг.

В летние месяцы зоны обильного цветения фитопланктона в основном локализовались в районах интенсивного речного стока (рис. 3). В августе выделялись, прежде всего, приустьевые заливы северного и северо-западного побережья Охотского моря, в частности Тауйская и Удская губы, заливы Тугурский, Забияка и др. Максимальное по региону содержание вещества наблюдалось в районе стока крупнейшей дальневосточной реки Амур. В летний период модифицированные амурские годы достигали северо-восточного побережья Сахалина, где под воздействием ветров южных румбов проникали далее в северную часть Охотского моря по направлению к о. Ионы и банке Кашеварова (Цхай и др., 2016).

Осенью повышение концентрации хлорофилла-а происходит у восточного побережья Сахалина в зоне интенсификации Восточно-Сахалинского течения (Власова и др., 2008). Помимо этого, в некоторых районах Охотского моря, например в его северо-западной части, происходит увеличение содержания пигмента в сравнении с летними месяцами за счет возобновления запаса биогенных элементов (Матвеев, 2006).

Отметим также, что в ряде районов активные процессы фотосинтеза продолжаются в ноябре–декабре, что указывает на продолжительное существование благоприятных для развития микроводорослей термических условий и постоянного поступления питательных веществ с глубины за счет отсутствия вертикальной стратификации вод (Матвеев, 2006; Цхай, 2017).

Далее более детально проанализируем вертикальные распределения концентрации хлорофилла-а до глубины 150 м в районах Охотского моря (рис. 4 и 5). Кроме кривой со средними многолетними значениями, показаны графики как с интенсивным, так и слабым “цветением” фитопланктона за ряд наблюденных лет, что дает возможность оценить размах межгодовых вариаций.

Рис. 4.

Вертикальные распределения концентрации хлорофилла-а (мг/м³) в южной и восточной частях Охотского моря.

Рис. 5.

Вертикальные распределения концентрации хлорофилла-а (мг/м³) в южной и северной частях Охотского моря.

Следует учесть, что на акватории Охотского моря сезонные периоды сдвинуты как минимум на две недели. Поэтому данные, полученные в первой декаде июня, характеризуют весенний сезон, а в первой декаде декабря – позднюю осень.

Как видно из представленных рисунков, интенсивность развития микроводорослей в весенний период существенно отличается в зависимости от района. В целом весенние съемки выполнялись в период максимального продуцирования фитопланктона. На станциях, расположенных на Южных Курилах и в центральной части Охотского моря, отмечались низкие концентрации хлорофилла-а. В то же время в северной части Охотского моря и у северо-восточного Сахалина наблюдалось очень высокое содержание вещества. Рассмотрим более подробно структуру вертикального распределения в каждом районе.

Южные Курилы. По многолетним данным, в конце марта–начале апреля средняя концентрация хлорофилла-а до глубины 70 м составила около 1 мг/м³. При этом на поверхности она несколько ниже (приблизительно на 0.5 мг/м³), чем в слое 10–30 м. В этом районе процессы фотосинтеза выражены слабее в сравнении с другими районами Охотского моря. В 2009 г. концентрация пигмента не превышала 1 мг/м³ и была равномерно распределена до глубины 90 м. Однако в 2011 году в этом районе интенсивное цветение фитопланктона наблюдалось до глубины 110 м. Высокие концентрации вещества отмечались на поверхности (около 2 мг/м³), а на глубине 20–25 м они были максимальными и превышали 3 мг/м³. В целом толщина слоя активного фотосинтеза в этом районе можно оценить в 100–110 м.

Трансохотоморский разрез. Как отмечалось выше, в центральной части Охотского моря фиксировались незначительные концентрации хлорофилла-а. Структура вертикального распределения во все годы примерно одинаковая: до 30–40 м содержание вещества находится приблизительно на одном уровне (некоторое снижение наблюдается на глубине 5 м), затем идет постепенное уменьшение концентрации до фоновых значений на глубине 110 м. Межгодовые значения в приповерхностном слое колебались незначительно – от 0.5 до 1.5 мг/м³.

Западно-камчатский шельф. У западного побережья Камчатки съемка проходила в апреле. Средняя концентрация хлорофилла-а в этом районе выше, чем у Южных Курил. На поверхности отмечаются максимальные концентрации, затем идет снижение и незначительное увеличение в слое 10–30 м. Активность развития фитопланктона падает на глубине 90 м. В 2007 г. вертикальная структура имела отличия, и максимум “цветения” наблюдался не на поверхности, а на глубине 20 м, где концентрация пигмента составила более 3 мг/м³.

В летний период концентрация хлорофилла-а на поверхности ниже, чем весной (около 1 мг/м³), она возрастает с глубиной и достигает максимума в слое 10–20 м (более 2 мг/м³), а затем уменьшается до 0.5 мг/м³ на глубине 60 м. Иная картина вертикального распределения наблюдается в октябре. Содержание пигмента больше, чем летом, так как в это время пополняется запас биогенов за счет рециклинга (Матвеев, 2006). При этом в слое от 0 до 35 м концентрация вещества находится приблизительно на одном уровне (ок. 2 мг/м³), а затем падает до фоновых значений на глубине 70 м. В первой декаде декабря отмечается равномерное распределение пигмента в слое, при этом концентрация хлорофилла-а ниже 1 мг/м³. Таким образом, на западно-камчатском шельфе разрушение вертикальной стратификации происходит поздней осенью.

Залив Шелихова. Концентрация пигмента в заливе ниже, чем у западного побережья Камчатки. По большей части ее значения равномерно распределены в верхнем 30-метровом слое. В годы слабого “цветения” микроводорослей отмечается практически равномерное распределение, а в годы интенсивного развития высокое содержание хлорофилла-а наблюдается до глубины 40 м с максимумом на 10–15 м. Толщина слоя активного фотосинтеза меньше, чем у западного побережья Камчатки, на глубине 70 м концентрация хлорофилла-а становится ниже 0.5 мг/м³. Летом максимальные концентрации пигмента сосредоточены в узком приповерхностном слое 5–25 м. В конце ноября вследствие разрушения вертикальной стратификации хлорофилл-а равномерно распределяется во всем фотическом слое.

Северная часть Охотского моря. В этом районе экспедиционные исследования весной совпали с периодом сезонного пика развития фитопланктона на поверхности (Цхай, 2007). Концентрация хлорофилла-а в приповерхностном слое 5–30 м была значительно выше, чем на поверхности. Максимальные значения фиксировались на глубине 10–15 м. Следует отметить особенности 2011 г. В этот год отмечалась самая низкая интенсивность весеннего “цветения” на поверхности за период наблюдений с 2003 г., что было обусловлено рядом сложившихся гидрологических и синоптических факторов, в частности низкой ледовитостью акватории Охотского моря зимой и слабым прогревом поверхности вследствие аномального распределения поля давления весной (Цхай, 2017; Ложкин и др., 2018). Как видно по представленному графику, в это же время было самое обильное “цветение” в приповерхностном слое, где, вероятно, сформировались более благоприятные для развития условия, чем на поверхности. При этом наблюдалась существенная разница концентрации вещества на глубинах 1 и 3 м (0.5 и 4.3 мг/м³ соответственно). В сентябре–октябре содержание вещества было значительно ниже, чем весной. Однако слой интенсивного фотосинтеза в этот период залегал глубже, чем в заливе Шелихова, концентрация хлорофилла-а более 1 мг/м³ отмечалась до глубины 40 м. В конце ноября–начале декабря, как и в других рассмотренных выше районах, содержание пигмента упало ниже 1 мг/м³ и стало равномерным во всем приповерхностном слое.

Северо-Восточный шельф Сахалина. Как правило, этот район характеризуется наименьшим по глубине слоем активного фотосинтеза, связанным с минимальным заглублением компенсационной поверхности (Матвеев и др., 2015). Весной основная зона высокого продуцирования фитопланктона находится в слое 0–30 м с максимумом на глубине около 10 м. На глубине 50 м концентрация хлорофилла-а падает до 1 мг/м³, а на 70 м становится на уровне фоновых показателей (менее 0.5 мг/м³). В зависимости от времени сбора материала существенно меняется его вертикальное распределение. Если съемки проходили в последней декаде мая, то вертикальная изменчивость концентрации хлорофилла-а незначительна, как мы это видим на примере 2009 г. (рис. 2), и аналогичная ситуация наблюдалась в 2010 и 2011 гг. Если исследования проводились на декаду позже, когда северо-восточное побережье Сахалина освобождается ото льда и в этот район начинают поступать богатые биогенами опресненные амурские воды (Шевченко, Тамбовский, 2018), то мы наблюдаем вспышку фотосинтетической деятельности, как это было в 2005, 2006 и 2008 гг. При этом в приповерхностном слое достигаются максимальные по региону концентрации вещества.

Южная часть Охотского моря. В этом районе съемка выполнялась только в октябре–ноябре, в период осеннего “цветения” фитопланктона. Интенсивность продуцирования фитопланктона в южной части Охотского моря в течение года ниже, чем в северной. На поверхности средняя концентрация хлорофилла-а в разные годы колебалась от 1 до 1.5 мг/м³. В приповерхностном слое процессы фотосинтеза идут более активно. Максимальное содержание вещества наблюдается в слое 5–20 м. На глубине больше 60 м концентрация вещества падает ниже 0.5 мг/м³.

Поздней осенью хлорофилл-а равномерно распределяется во всем поверхностном слое. Ниже на рис. 6 приведены значения глубины активного фотосинтеза для каждого района в зависимости от сезона.

Рис. 6.

Глубина слоя с концентрацией хлорофилла-а выше 0.5 мг/м³ в районах Охотского моря в зависимости от периода года.

В весенний период слой, в котором идут активные процессы фотосинтеза, наиболее глубокий и составляет 70–100 м. Летом и осенью он уменьшается до 40–70 м. Наименьшая глубина 40 м отмечалась в сентябре у северо-восточного побережья Сахалина. Также следует отметить, что в конце ноября–начале декабря в заливе Шелихова четко выраженной нижней границы фотосинтеза нет, средняя концентрация хлорофилла-а в 100-метровом слое составляет 0.4 мг/м³.

В табл. 3 показаны коэффициенты отношения концентрации хлорофилла-а на поверхности (в слое 0–2 м) к ee среднему значению в 100-метровом слое. На Южных Курилах в весенний период концентрация вещества на поверхности практически равна ее среднему значению в 100-метровом слое. В северной части и шельфовых районах Охотского моря коэффициент превышает 1.5, что означает высокую интенсивность процессов фотосинтеза в приповерхностных водах и ее значительное уменьшение с глубиной. В таблице указаны минимальные и максимальные значения коэффициентов за многолетний период наблюдений. Обращают на себя внимание минимумы от 0.5 и ниже в северной части Охотского моря от залива Шелихова до северо-восточного побережья Сахалина. Во всех случаях это относилось к 2011 г., когда на поверхности концентрация хлорофилла-а была значительно меньше, чем на глубине 10–30 м, о чем уже отмечалось выше. В летний и осенний сезоны коэффициенты соотношения были ниже, чем весной. Наименьшая межгодовая изменчивость показателя фиксировалась в позднеосенний период.

Рассчитанные коэффициенты позволили использовать спутниковые данные о концентрации хлорофилла-а на поверхности для получения интегральных оценок содержания вещества в верхнем 100-метровом слое в целом по району и в пересчете на основание 1 м² (табл. 4). Как и следовало ожидать, в течение года максимальное содержание пигмента отмечалось в весенний сезон, а самое низкое – поздней осенью (разница в полтора-два раза). Обращает на себя внимание сезонная динамика у западного побережья Камчатки. В июле общее содержание хлорофилла-а выше, чем в апреле, что объясняется рядом причин. Во-первых, в апреле в этом районе пик весеннего развития фитопланктона еще не наступил, во-вторых, как отмечалось выше, весной максимальные показатели фиксируются на поверхности, а в июле – в приповерхностном слое. В других районах Охотского моря содержание хлорофилла-а осенью немногим меньше, чем весной, что говорит об активно идущих процессах фотосинтеза в течение всего вегетационного периода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в период весеннего “цветения” фитопланктона на акватории Охотского моря формируются два типа вертикальной структуры хлорофилла-а. В первом случае максимум концентрации вещества отмечается на поверхности, во втором – в приповерхностном слое 10–30 м. При этом глубина слоя активного фотосинтеза оценивается от 70 до 100 м в зависимости от района и степени становления вертикальной стратификации вод. Минимальная глубина (10 м) залегания максимума концентрации хлорофилла-а наблюдается на северо-восточном шельфе Сахалина.

В летний и осенний периоды глубина слоя активной фотосинтетической деятельности уменьшается до 40–70 м. Летом минимальная глубина этого слоя располагается у северо-восточного побережья Сахалина, осенью – в северной части Охотского моря. В большинстве районов ярко выраженный максимум летом в вертикальном профиле не выделяется, высокое содержание вещества фиксируется в верхнем 30-метровом слое. Поздней осенью, вследствие разрушения вертикальной стратификации вод, хлорофилл-а равномерно распределяется в поверхностном слое, его концентрация значительно уменьшается по сравнению с другими сезонами.

Несмотря на то, что в работе использовались средние многолетние данные, которые в полной мере не учитывают особенности того или иного года, полученные оценки концентрации хлорофилла-а выявили сезонные и межгодовые особенности распределения вещества в фотическом слое для районов Охотского моря, что делает возможным восстановление его осредненного вертикального профиля по спутниковым данным. Рассчитанные параметры соотношения средней концентрацией хлорофилла-а на поверхности к слою 0–100 м позволяют использовать результаты дистанционного зондирования для расчета общего содержания хлорофилла-а при решении практических задач оценки параметров биопродуктивности как в отдельных районах, так и в целом по акватории Охотского моря.

Таким образом, акватория Охотского моря является зоной интенсивной фотосинтетической деятельности с высокими концентрациями хлорофилла-а на поверхности. Биопродукционный потенциал акватории находится на стабильно высоком уровне.