Океанология, 2021, T. 61, № 5, стр. 716-723

ВВЕДЕНИЕ

Влияние двуокиси углерода на формирование климата Земли и на условия жизнедеятельности морских организмов вызывает повышенный интерес к изучению карбонатной системы вод океанов. Особое значение приобретают эти вопросы в связи с возрастающей эмиссией СО₂ в атмосферу в результате деятельности человека. Данные последних лет говорят о том, что рост содержания СО₂ в атмосфере начинает изменять карбонатное равновесие вод Мирового океана [17]. Большинство исследователей считает, что увеличение содержания атмосферной СО₂ в верхнем слое океана может привести и в некоторых районах уже приводит к изменениям химического состава вод, их закислению, что будет неблагоприятным или даже гибельным для некоторых видов морских животных. С другой стороны, океан может играть существенную роль в цикле углекислого газа, поглощая его из атмосферы снижая последствия антропогенной эмиссии.

Для прогноза глобальной реакции атмосферы и гидросферы на увеличение содержания СО₂ в воздухе большое значение имеет вопрос о направлении и интенсивности обмена углекислым газом между океаном и атмосферой. В одних и тех же районах океана в зависимости от сезона, времени суток, гидрофизических и биологических процессов возможны разные по направлению потоки СО₂ в системе атмосфера–океан [22]. В настоящее время считается доказанным, что в целом поглощение углекислого газа океаном преобладает над его эмиссией [12]. Однако существуют большие расхождения в количественной оценке потоков СО₂ и в оценке вкладов отдельных океанов и крупных океанических регионов в общий глобальный баланс углекислотного обмена.

Текущие климатические изменения в наибольшей степени выражены в Арктике, и в Северном Ледовитом океане (СЛО) можно ожидать наибольшую изменчивость карбонатной системы вод [10, 16, 21]. Чтобы понять сложное взаимодействие между основными факторами подкисления (асидификации) океана в СЛО и его окраинных морях (рост атмосферного СО₂, опреснение, терригенный сток) и их связь с текущими изменениями климата, необходимы представления о современном состоянии карбонатной системы вод арктических морей России и их различающихся по природным условиям акваторий.

Неорганические соединения углерода находятся в океане в виде угольной кислоты и ее производных. К ним относятся двуокись углерода СО₂, угольная кислота Н₂СО₃, гидрокарбонатные НС${\text{O}}_{3}^{ - }$ и карбонатные С${\text{O}}_{3}^{{2 - }}$ ионы. Эти соединения тесно взаимосвязаны друг с другом и образуют карбонатную систему [1]. Вышедший в сентябре 2019 г. отчет Межгосударственной экспертной комиссии по изменению климата (МГЭИК, IPCC) на основании 7000 научных публикаций показывает, какие последствия увеличения температуры воздуха и антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу ожидают полярные регионы и их население [15]. Изменение показателей баланса СО₂ в системе атмосфера–океан имеет принципиальное значение для морских экосистем, так как их функционирование и, в первую очередь, состав фитопланктона и первичная продукция органического вещества напрямую связаны с содержанием разных форм углерода в воде.

Для Карского моря с помощью модельных расчетов [23] и анализа натурных данных [20] показано, что изменчивость параметров карбонатной системы высокая, наблюдается понижение рН вод и их насыщение арагонитом, что является показателем процесса ацидификации. Установлено, что важным фактором этой изменчивости является динамика стока крупнейших Сибирских рек – Оби и Енисея [13, 20], однако направленность и интенсивность потока СО₂ на границе океан–атмосфера для разных по условиям районов Карского бассейна изучено недостаточно. Данное исследование представляется важным для понимания цикла неорганического углерода в арктических морях и его влияния на карбонатную систему вод и потоки на границе вода–атмосфера.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Данные о гидрофизических и гидрохимических характеристиках вод получены в 81-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” в Карское море по программе “Экосистемы морей Сибирской Арктики”. В районе внешнего шельфа и континентального склона западного отрога желоба Святой Анны был выполнен (2–4 сентября 2020 г.) квазимеридиональный разрез из 9 гидрологических станций, на 6 из которых отобраны пробы для гидрохимического анализа (рис. 1). Температура и соленость измерены с помощью CTD-зонда SBE19+. Параметры карбонатной системы морских вод (водородный показатель рН и общая щелочность, Ta) определялись в пробах, отобранных с помощью комплекса Rosette на горизонтах, выбранных в зависимости от гидрологической структуры.

Рис. 1.

Схема положения гидрологических станций (белые круги) и станций с отбором гидрохимических проб (кресты) в районе континентального склона в Карском море в ходе 81-го рейса “АМК”.

Показатели pH в пробах определялись потенциометрическим методом на приборе HANNA 2210 (США), Ta – на полуавтоматическом титраторе TitroLine easy (Италия) с визуальным определением точки конца титрования по принятым в ИОРАН методикам [6], в соответствии с международной практикой [11]. Расчет содержания растворенной двуокиси углерода и производных (карбонат и бикарбонат-ионы), парциального давления углекислого газа, насыщенности кальцитом и арагонитом проводилось pH-Alk методом по термодинамическим уравнениям карбонатного равновесия в программе CO2sys [14]. Данные по содержанию углекислого газа в приводном слое атмосферы получены с помощью газоанализатора Picarro G2132-i (США); методика измерений описана в [19]. Расчет потока углекислого газа проводился по разнице парциального давления CO₂ (pCO₂) в воде и атмосфере с использованием измеренной в точке отбора проб скорости ветра по методике, описанной в [24].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Выполненный разрез охватывал область внешнего шельфа и континентального склона с глубинами от 200 до 500 м. Особенностью данной области является наличие мощной струи контурного течения, жестко привязанного к топографии склоновой области, ядро которого составляют теплые воды атлантического и баренцевоморского происхождения [3, 7]. Наличие течения определяло формирование склоновой фронтальной области, четко выраженной в полях температуры и солености [3, 7–9]. Полученные нами данные еще раз подтвердили эти особенностей циркуляции и структуры вод в области континентального склона желоба Св. Анны. Струя течения и склоновая фронтальная зона хорошо идентифицировались в полях температуры и солености в верхнем 50–100-метровом слое и были локализованы над верхней частью континентального склона (рис. 2, ст. 6885).

Рис. 2.

Распределение температуры, °С (а), и солености, епс (б), на разрезе в желобе Св. Анны в сентябре 2020 г.

Показатель удельной щелочности (отношение общей щелочности к солености) является бесспорным маркером присутствия в водах Карского бассейна сигнала речного происхождения [5]. Изолиния показателя удельной щелочности 0.07, указывающая на влияние речного стока в слое 0–20 м, прослеживается в южной части разреза вплоть до северной периферии склоновой фронтальной зоны (ст. 6884, рис. 3).

Рис. 3.

Распределение удельной щелочности (а) и парциального давления СО2, ppm (б) на разрезе в желобе Св. Анны в сентябре 2020 г.

Регрессионный анализ, проведенный по данным щелочности и солeности в поверхностном слое разреза, показал следующую зависимость:

Y = 40.922350X + 854.79,

где Y – щелочность, X – соленость, свободный член в конце уравнения характеризует значение щелочности в начальной точке смешения, то есть в речной воде. Значение общей щелочности 854 µМ характерно для вод р. Енисей в летний период [5]. Эти цифры и значение свободного члена в приведенном выше уравнении с высокой долей вероятности позволяют заключить, что опреснение исследованной акватории в период наших работ было результатом воздействия енисейского стока. Это не уникальная ситуация для Карского моря, воды енисейского происхождения ранее неоднократно наблюдались далеко к северу от источника [5]. Данный факт обусловлен мощным выбросом вод р. Енисей в период весеннего половодья и вкладом енисейских вод в формирование поверхностной опресненной “линзы” Карского моря, которая перемещается под воздействием преобладающих ветров, в том числе и в северном направлении [2, 18].

Распределение парциального давления CO₂ на разрезе связано с региональной гидрофизической структурой (рис. 2, 3б). В опресненном поверхностном слое на внешнем шельфе между станциями 6879 и 6883 pCO₂ было выше 400 ppm, что характерно для областей Карского моря, находящихся под воздействием речного стока [20]. На мористых станциях разреза (6884–6887) в верхнем деятельном слое 0–60 м pCO₂ составляло 252–353 ppm. Ниже 100 м и в придонном слое pCO₂ во всех районах, которые пересекал разрез, значительно превышало равновесное значение 400 ppm и достигало 500–600 ppm (рис. 3б). Эти высокие величины связаны с окислением поступающего из верхнего слоя органического вещества. Исключение представляла северная периферия фронтальной зоны над верхней частью континентального склона (ст. 6884, рис. 3б), где отмечено отсутствие выраженной вертикальной стратификации в распределении pCO₂ и заглубление изолинии 400 ppm практически до дна (180 м). Такой характер распределения pCO₂ подтверждает специфику локальных процессов, ассоциированных со склоновой фронтальной зоной.

Сезонный минимум концентрации СО₂ в Арктике отмечается в конце июня–начале августа, таким образом, период измерений над Карским морем практически совпал с годовым минимумом. Измеренные значение концентрации СО₂ менялись от 389 до 430 ppm при среднем 396 ppm. Повышенные значения СО₂ определялись выносом загрязненного воздуха с материка (долгопериодные максимумы) или влиянием дымовой трубы судна (короткопериодные, скачущие значения). На рис. 4 представлена ряды концентрации СО₂ с отфильтроваными эпизодами влияния дымовой трубы судна (~5% от общего числа измерений). Полученные в июле 2019 г. данные (76-й рейс АМК) показывают, что изменения pCO₂ имели минимум 380 ppm, что объясняется сезонностью изменчивости данной характеристики и общим ростом содержания углекислого газа в атмосфере. Кроме того, 2020 г. стал рекордно жарким в Арктике, в сибирской части температура превысила средние показатели за период 1981–2010 гг. на 4.3°С, в летний период отмечалась возросшая активность природных пожаров и, как следствие, увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере.

Рис. 4.

Концентрация углекислого газа (ppm) в приводном слое атмосферы в исследованном районе Карского моря в сентябре 2020 г.

Для области континентального склона желоба Св. Анны, где наблюдался целый ряд специфических гидрофизических, гидрохимических и биологических явлений, и области внешнего шельфа были рассчитаны направление и скорость потока CO₂ на границе вода–атмосфера (рис. 5 ). Эти расчеты показали, что на 5 станциях разреза из 6 поток CO₂ был направлен из воздуха в воду, и его скорость составила 1 до 22 ммоль/м² сут. Наибольшие скорости поглощения CO₂ поверхностным слоем моря отмечены на северной периферии склоновой фронтальной зоны и над континентальным склоном (станции 6884, 6886 и 6887). В этой области отсутствовало влияние материкового стока и, как следствие, отсутствовала жесткая стратификация, ограничивающая вертикальное перемешивание. На фоне общей картины выделяется ст. 6883, где поток CO₂ (0.34 ммоль/м² сут) имел обратную направленность – из воды в атмосферу. Эта станция была выполнена у южной шельфовой периферии склоновой фронтальной зоны, ограничивающей распространение опресненных речным стоком вод на север (рис. 2, 3 ).

Рис. 5.

Рассчитанный поток углекислого газа (ммоль/м² сут) на станциях разреза (цифры слева). Стрелки иллюстрируют направление, цифры справа – скорость потока; отрицательные значения указывают на направленность потока газа из атмосферы в воду.

Рис. 6 иллюстрирует совместную пространственную изменчивость pCO₂ в атмосфере и верхнем слое моря на разрезе. В области внешнего шельфа, находящейся под воздействием речного опреснения (станции 6879–6883), при температуре поверхностного слоя моря 9–9.5°С, pCO₂ в воде изменялось от 340 до 415 ppm. Максимальные величины отмечены у южной периферии склоновой фронтальной зоны (ст. 6883), которая выделяется по относительно резкому снижению температуры верхнего слоя моря с 9 до 5–6°С (0.18°С/км). При этом pCO₂ в приводной атмосфере в этой части разреза незначительно варьировало около величины 395 ppm. В области фронтальной зоны (ст. 6884 и непосредственно прилежащая с юга акватория; рис. 2 ) наблюдалось увеличение pCO₂ в атмосфере до уровня 433 ppm. Севернее фронтальной зоны в области континентального склона при относительно низкой температуре поверхностного слоя моря pCO₂ в воде и в атмосфере понижается до величин 312–347 и 395 ppm соответственно.

Рис. 6.

Изменчивость температуры (°С), парциального давления CO₂ (ppm) в поверхностном слое моря и в приводном слое атмосферы на разрезе через желоб Св. Анны.

Полученные результаты позволяют судить о происходящих в районе континентального склона процессах обмена углекислым газом в системе море–атмосфера и их связи с гидрофизической и гидрохимической структурой. Фронтальная зона над континентальным склоном желоба Св. Анны формируется в результате взаимодействия поверхностных шельфовых вод с пониженной (28–29 епс), благодаря воздействию материкового стока, соленостью с зимними водами Карского моря с отрицательной температурой, лежащими под пикногалоклином, и поступающими с севера трансформированными атлантическими водами с более высокой, чем в Карском море, поверхностной соленостью и более высокой температурой в ядре. Склоновая фронтальная зона желоба Св. Анны хорошо маркируется по распределению гидрохимических характеристик, например, нитратного и аммонийного азота [4], хлорофилла, фито- и зоопланктона [8, 9]. В наших исследованиях она выделяется по парциальному давлению CO₂ в водной толще и приводной атмосфере. Невысокие значения pCO₂ (относительно принятой за равновесное 400 ppm) в верхнем слое моря над континентальным склоном (станции 6884, 6886 и 6887), вероятно, связаны с фотосинтетической активностью фитопланктона, на что указывают высокий уровень насыщения вод растворенным кислородом – выше 100% в слое 0–20 м. В этой области поток углекислого газа направлен из воздуха, где pCO₂ варьирует в пределах 395–430 ppm, в воду, где pCO₂ существенно ниже 311–346 ppm. В области внешнего шельфа, где поверхностный слой опреснен в результате действия речного стока (станции 6879 и 6881), pCO₂ в воде также ниже, чем в атмосфере: соответственно 378 и 344 и 394–396 ppm, что определяет поглощение углекислого газа поверхностным слоем моря. Ст. 6883 у южной периферии склоновой фронтальной выделяется по соотношению pCO₂ в поверхностном слое моря и приводной атмосфере. Соответствующие величины pCO₂ составляют 415 ppm в воде и 394 ppm в воздухе, что определяет направленность потока CO₂ из моря в атмосферу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процессы, происходящие в областях внешнего шельфа и континентального склона сибирских эпиконтинентальных морей, играют огромную роль в регулировании биогеохимического режима и потоков вещества, формировании биологической продукции. Эти процессы связаны с текущими климатическими трендами, поскольку именно в области арктического континентального склона в наибольшей степени проявляется современная тенденция уменьшения ледовитости и увеличения продолжительности безледного периода в Арктике.

Одной из важнейших характеристик потоков вещества в арктических природных системах является процессы обмена углекислым газом на границе атмосфера–море. В результате настоящих исследований стало очевидно, что на значительной по широтной протяженности акватории в области внешнего шельфа и континентального склона Карского моря в летний сезон происходит поступление CO₂ из атмосферы в поверхностный слой моря со скоростью от 0.2 до 22 ммоль/м² сут. Далее происходит его перераспределение в толще воды благодаря вертикальной динамике и химико-биологическим процессам. Проведенные исследования показали, что природные системы отдельных районов арктических морей могут функционировать как активные акцепторы СО₂ из атмосферы. Увеличение поступление CO₂ в морскую воду ведет к смещению карбонатного равновесия в сторону увеличения содержания ионов водорода, то есть к понижению рН морских вод с соответствующими последствиями для ряда компонентов морских экосистем, прежде всего фитопланктона [16]. Это медленный процесс, который в зависимости от комплекса внешних и внутренних факторов, может продолжаться десятки лет. Однако существенные климатические изменения в Арктическом регионе могут увеличить его скорость и обострить соответствующий отклик арктических экосистем. Совместные исследования содержания СО₂ в приводной атмосфере и карбонатной системы вод позволяют оценить потоки углекислого газа на границе атмосфера–море, роль арктических экосистем в поглощении СО₂ из атмосферы, пространственную и климатическую изменчивость этого процесса.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках Государственного задания ИОРАН (тема № 0128-2021-0007), при поддержке РФФИ (проект № 20-35-70039), РНФ (проект № 20-17-00200) и Гранта Президента РФ МК-860.2020.5.