Океанология, 2021, T. 61, № 1, стр. 141-146

Теория маргинального фильтра как глобального фильтра взвешенного и растворенного вещества, поступающего в океан с континентов, разработанная академиком А.П. Лисицыным, нашла свое подтверждение при исследованиях большого количества устьев рек в различных регионах нашей планеты [1, 5, 6, 16]. Однако почти все они относятся к так называемым большим рекам, под которыми, согласно ГОСТ 19 179-73 “Гидрология суши. Термины и определения”, принято понимать водотоки с площадью водосбора не менее 50 000 км². Практически во всех публикациях, посвященных этой проблеме, размеры рек не учитываются, что автоматически подразумевает распространение основных положений вышеупомянутой теории на морские устья любых водотоков. Кроме того, существуют неясности в функционировании маргинального фильтра в устьях арктических морей в холодный период при наличии припая на устьевом взморье реки и на прилегающем участке моря из-за крайне малого количества натурных комплексных наблюдений в зимний сезон.

Исследования, проведенные Северо-Западным отделением Института океанологии РАН в 2014–2020 гг. в Белом и Баренцевом морях, выявили заметные отклонения биогеохимических процессов в устьях малых рек от характеристик, присущих устьям крупных рек этих морей [9, 10]. Под малой рекой, согласно ГОСТ 19 179-73 “Гидрология суши. Термины и определения”, принято понимать реку, бассейн которой располагается в одной географической зоне, и гидрологический режим ее под влиянием местных факторов может быть не свойственен для рек этой зоны. При этом площадь водосбора малой реки не должна превышать 2000 км². Принимая во внимание разнообразие ландшафтов, по которым протекают эти реки [2], строение морских берегов [3] и источников питания данных водотоков, возникает вопрос о возможности специфических механизмов функционирования маргинального фильтра в устьях малых рек приливного моря. Для учета величины прилива мы будем использовать следующие понятия [13]: микроприливные условия – средняя величина прилива в сизигию на устьевом взморье реки не превышает 1.6 м; мезоприливные условия – средняя величина сизигийного прилива превышает 1.6 м, но меньше уровня в 2.8 м; макроприливные условия – средняя величина сизигийного прилива превышает 2.8 м.

К основным отличиям устьев малых рек от больших рек относится соизмеримость ширины русла водотока в малую воду приливного цикла с шириной приливных осушек. Это более характерно для микроприливных условий. Для мезоприливных и особенно для макроприливных условий на устьевых взморьях малых рек ширина русла водотока в малую воду обычно бывает заметно ниже размеров приливной осушки, часто на 1–2 порядка. В подобных условиях процессы смешения речных и морских вод в течение приливного цикла проходят преимущественно в пределах периодически заливаемых устьевыми водами и периодически осушаемых зон. Их донные отложения, как показывают наши наблюдения, как правило, формируются илистыми и глинистыми (илисто-глинистыми) осадками, тогда как неосыхаемое, даже в малую воду приливного цикла, ложе водотока имеет крупнозернистые осадки – пески, гравий и гальку.

Биогеохимические процессы в данной ситуации начинают полностью зависеть от природных условий таких приливных осушек, спецификой которых является наличие маршей с массовыми зарослями растений-галофитов и мощными отложениями иловых наносов. Здесь геохимические процессы, наблюдаемые при смешении речных и морских вод, которые происходят по сценарию классического маргинального фильтра, могут терять свою доминантную позицию при формировании транзита растворимых и нерастворимых веществ из реки в море. Это, в первую очередь, обусловлено влиянием гидробиологических факторов и изменением характера гидрофизических процессов (рис. 1). В рассматриваемой зоне из-за массовых зарослей макрофитов меняется режим теплообмена между атмосферой, водой и донным грунтом, резко ослабевают скорости течений, уменьшается турбулентный обмен, значительно снижается высота ветровых волн и меняется характер вертикальных движений ледяного покрова.

Рис. 1.

Суточная изменчивость солености (а), величины рН (б) и кислородонасыщения (в) в протоке в зарослях галофитов (правый столбец) и на открытой акватории (левый столбец) на устьевом взморье р. Мудьюги в Двинском заливе 27.08.2019 г.

Считается, что эстуарии являются ловушкой для биогенных веществ. При этом чем выше величина прилива, тем выше его продукционный потенциал [5]. Однако, как показывают наши исследования, данное утверждение справедливо лишь в микроприливном диапазоне возрастания величины прилива. При ее дальнейшем увеличении наблюдается нелинейное возрастание интенсивности размыва мелкодисперсных наносов, сопровождающееся значительным замутнением устьевых вод [10]. Если ориентироваться на кислородонасыщение воды как на индикатор интенсивности процессов фотосинтеза, то перенасыщение устьевых вод до 110–140% и более в вегетационный период характерно для микроприливных условий. Заметим, что вне рамок вышеуказанного периода перенасыщение устьевых вод, как правило, не превышает 100–103%. В эстуариях с макроприливными параметрами оно обычно не бывает больше 75–98% (рис. 2).

Рис. 2.

График связи кислородонасыщения вод с распределением солености вод эстуария р. Чеши в Чешской губе Баренцева моря 23.07.2018 г.

Другим фактором, показывающим регламентирующее влияние приливов на функционирование водной экосистемы, является возможность возникновения в северных (арктических) условиях эвтрофикации в микроприливных устьях рек с наличием массовых зарослей галофитов. С другой стороны, с возрастанием величины прилива в ее мезо-макроприливном диапазоне вероятность возникновения эвтрофикации резко снижается.

В вегетационный период заросли галофитов служат мощным источником появления в устьевых водах соединений углерода (органических веществ) за счет усвоения ими атмосферного углекислого газа. Они также способны генерировать поступление в водную среду органического азота за счет деятельности симбиотических микроорганизмов, образующих сообщества с высшими растениями галофитами [12, 19]. Данные микроорганизмы усваивают молекулярный азот из атмосферы, переводя его в соединения, доступные для водных растений. При этом потоки данных органических веществ из устьевых вод в море способны превышать поступление в устье малой реки органики и общего азота с речными водами.

Таким образом, приливные осушки с развитой галофитной растительностью в устьях малых рек могут заметно влиять на гидрологические, гидрохимические и гидробиологические условия. Массовые заросли макрофитов здесь могут формироваться как в начале зоны смешения речных и морских вод, так и в ее середине. Это зависит не только от солености, но и от таких факторов, как ширина приливной осушки и ее защищенность от ветрового волнения и ледовой эрозии.

Здесь необходимо также учитывать, что растительные сообщества галофитов очень разнообразны по морфометрическим параметрам, что накладывает соответствующий отпечаток на характер их влияния на устьевую экосистему, в частности на процессы заиливания приливных осушек [14]. При этом максимальные концентрации фитопланктона и зоопланктона в пространственном отношении за счет формирования благоприятных гидрологических условий для планктона в целом совпадают друг с другом, в отличие от модели маргинального фильтра, где они разнесены по пространству [6].

Необходимо отметить, что при интенсивном развитии эвтрофикации, в годы с жарким летом не исключается гибель донных беспозвоночных в малую воду приливного цикла, когда содержание кислорода может снижаться ниже уровня 2 мг/л. Для арктических морей подобная ситуация является маловероятной, исключением в этом отношении являются южные заливы Белого моря.

Таким образом, биологическая пробка в структуре маргинального фильтра в приливном устье малых рек не замыкает цепочку его активных геохимических фрагментов, а может локализоваться в зарослях водных макрофитов в начале или в середине зоны солоноватых вод.

Массовое развитие галофитов в устьевом водотоке может заметно замедлять процесс смешения речных и морских вод. Это обусловлено ограничением на развитие размеров вихрей и замедлением скоростей течений, определяющих процессы турбулентного перемешивания разнородных водных масс. В данной ситуации эстуарный геохимический барьер смещается к устьевому взморью малой реки, тогда как в устьях более крупных рек в меженных условиях он обычно локализуется на нижнем отрезке устьевого участка реки.

В условиях тундровых ландшафтов, особенно при интенсивном протаивании мерзлых грунтов с очень низкими величинами рН (3.8–5.8) [7], смена кислотных свойств на щелочные при ослаблении турбулентного перемешивания речных и морских вод также будет происходить на устьевом взморье малой реки. Это в значительной мере усиливает интенсивность геохимических процессов в вышеуказанной зоне устья реки, в первую очередь связанных с выпадением в осадок металлов, имеющих высокую миграционную способность при низких величинах рН. Данная ситуация наиболее характерна для железа [18], а также алюминия.

В итоге получаем, что в устьях малых рек приливного моря фрагменты маргинального фильтра (мутьевая, химическая и биологическая пробки) могут занимать различные пространственные позиции. Для устьев более крупных рек подобное нетипично.

Следует отметить, что распространять полученные выводы на устья рек неприливных морей, а также на водотоки с малой шириной приливной осушки (не более 1–2 м) на скалистых побережьях приливных морей, по нашему мнению, некорректно. Например, в некоторых устьях рек Кандалакшского залива Белого моря [8] и в устьях рек Северного острова архипелага Новая Земля с наличием очень узких зон приливных осушек на скалистых берегах в функционировании их экосистем наблюдается соблюдение классической модели маргинального фильтра.

Необходимо обратить внимание на еще один аспект рассматриваемой проблемы. В условиях арктических морей с микроприливными условиями значительное развитие получают опресняемые лагуны. Они, в частности, широко представлены на таких островах, как Колгуев, Вайгач, и на архипелаге Новая Земля [15]. В такие лагуны, поперечные размеры которых могут достигать нескольких километров, обычно впадает 1–3 малые реки, но значительная мелководность лагун, как правило, вызывает их заметное распреснение в безледоставный период. Этому также способствует ограниченный обмен устьевых лагун с морскими водами, который происходит через узкие проливы. Их расширению препятствует здесь накопление в виде продольных валов (кос) отложений, сформированных наносами большой гидравлической крупности (галька, гравий, крупнозернистый песок). На этот процесс на локальном участке около выхода лагунного пролива в море большое влияние оказывает взаимодействие приливов и ветра. При их разнонаправленности происходит существенное изменение параметров ветровых волн, в первую очередь крутизны [4], что влечет за собой возрастание вертикальной скорости воды, вовлеченной в движение по волновой орбите. При обрушении волн возникают разрывные течения с большими скоростями течений – до 1 м/с, вызывающие накопление крупнозернистого материала около лагунного пролива. Подобный материал начинает поддерживать его устойчивость при малом поперечном сечении к размыву при прохождении штормов и весенних паводков на реках. Лагуны в данной ситуации превращаются в ловушку для взвесей, выносимых малыми реками в море, и начинают постепенно заболачиваться, в том числе за счет разрастания водных макрофитов. Данный процесс растягивается на многие десятилетия из-за малых величин стока рассматриваемых рек, но из-за наблюдаемого потепления в европейской Арктике в последние годы он может усилиться. Отметим, что в условиях, когда источником питания малых рек являются ледники, лагунные устья рек могут накапливать редкоземельные металлы и другие, даже очень высокотоксичные вещества, депонированные в ледниках за счет аэрозольного переноса в течение продолжительного периода времени. В данной ситуации, например, не исключается возникновение геохимических аномалий в лагунах Северного острова архипелага Новая Земля, за счет повышенных потоков переноса ряда тяжелых металлов над акваторией Баренцева моря [17]. Таким образом, устья некоторых малых рек могут “замыкать” маргинальный фильтр, препятствуя при разрушении многолетнемерзлых грунтов переносу веществ с талыми водами с территории суши в арктические моря. Учитывая, что водотоки всех арктических архипелагов и островов в пределах Российской Федерации имеют статус малых рек, исследованиям данной проблемы необходимо уделить особое внимание.

Мелководность устьевых взморьев малых рек и наличие на них обширных приливных осушек обуславливает периодическое (на квадратуре) опускание и примерзание льда ко дну водотока практически на всей его площади. Это может кардинально менять пространственный масштаб функционирования маргинального фильтра. Подразумевается, что его протяженность в зоне влияния вод устьев малых рек составляет сотни метров [6]. Однако весной лед с примерзшим к нему верхним слоем донных отложений под действием ветра может выноситься из устья малой реки в море на большие расстояния (километры–десятки километров). В данной ситуации конфигурация и протяженность маргинального фильтра начинают определяться вероятностными характеристиками ветрового режима в весенний период. Он по протяженности может становиться сопоставимым с маргинальными фильтрами средних и больших рек, но интенсивность накопления в зоне его действия осадков должна быть относительно слабой. Исключение могут составлять те устья малых рек, на водосборах которых имеются месторождения полезных ископаемых и ведется их разработка. Отметим, что этот механизм переноса взвесей не работает в лагунных устьях рек из-за ограниченности ледообмена устьевых вод с морскими водами через узкие проливы.

Мелководность устьевых взморьев некоторых малых рек, где заросли галофитов не могут получить массового развития из-за высокой солености и влияния ветрового волнения, обуславливает формирование в их зонах повышенных концентраций взвешенных веществ из-за постоянного взмучивания илов за счет воздействия сильных приливных течений. В данной ситуации получаем возрастание содержания взвесей по мере увеличения солености устьевых вод, что противоречит схеме классического маргинального фильтра.

Можно сделать вывод, что в устьях малых рек приливного моря в зависимости от условий развития приливных осушек, галофитной растительности, их глубин и конфигурации береговой черты пространственная структура маргинального фильтра может кардинально отличаться от таковой в устьях больших и средних рек. С этой точки зрения, устье каждой малой реки следует рассматривать как уникальный водный объект со своим специфическим набором геохимических и других природных процессов, что необходимо учитывать при проведении их прикладных исследований [11]. Подобное утверждение, в первую очередь, справедливо для устьев рек западного сектора российской Арктики (Белое, Баренцево и Карское моря), располагающихся в регионе с ярко выраженными пространственными градиентами климатических и природных характеристик.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках темы госзадания № 0149-2019-0007 “Современные и древние донные осадки и взвесь Мирового океана – геологическая летопись изменений среды и климата: рассеянное осадочное вещество и донные осадки морей России, Атлантического, Тихого и Северного Ледовитого океанов – литологические, геохимические и микропалеонтологические исследования; изучение загрязнений, палеообстановок и процессов в маргинальных фильтрах рек”.