Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 3, стр. 322-329
Динамика гипоксийных зон в Балтийском море на рубеже XX и XXI веков
Е. Н. Литина a, *, Е. А. Захарчук a, b, Н. А. Тихонова a, b
a Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова,
Санкт-Петербургское отделение
199397 Санкт-Петербург, Россия
b Санкт-Петербургский Государственный университет
199034 Санкт-Петербург, Россия
* E-mail: warzuga@yandex.ru
Поступила в редакцию 19.01.2019
После доработки 19.01.2019
Принята к публикации 12.11.2019
Аннотация
На основе анализа данных судовых измерений концентрации кислорода в Балтийском море на станциях международного мониторинга оценена межгодовая изменчивость кислородного режима в конце ХХ–начале ХХI вв. (1989–2017 гг.). Полученные результаты сравниваются с подобными исследованиями, сделанными в период 1951–1988 гг. Отмечено увеличение площади акваторий с гипоксийными условиями и усиление их вертикального развития. Особенно заметные ухудшения кислородного режима наблюдаются для Финского залива. Если в предыдущее тридцатилетие (1959–1988 гг.) гипоксийные условия наблюдались только в западной части залива, и не во все годы, то начиная с 1993 г. зоны гипоксии здесь отмечаются каждый год, распространяясь с течением времени дальше на восток, все чаще появляясь в его центральной и восточной частях. На основе анализа изменений температуры и солености выявлено увеличение разностей плотности морской воды в Балтийском море между поверхностным и придонным слоями. Сделано предположение, что одна из возможных причин ухудшения кислородного режима Балтики в последние десятилетия может быть связана с усилением стратификации ее водных масс.
ВВЕДЕНИЕ
Гипоксийные условия в природных водах выделяются, когда концентрация растворенного кислорода (О2) в них становится <2 мл/л, что приводит к гибели обитающих в водной среде живых организмов [2]. Такие условия формируются из-за эвтрофирования водного бассейна – антропогенного или естественного обогащения водной среды биогенными элементами, вследствие этого растет биологическая продуктивность акватории. Эвтрофирование водоема приводит к цветению водорослей, из-за чего затрудняется процесс фотосинтеза растений в водной толще, что в свою очередь влечет за собой их отмирание, опускание на дно и увеличение там количества органического вещества, на окисление которого расходуется O2. Это приводит к еще большему увеличению площади гипоксийных зон, денитрификации и высвобождению неорганического фосфора [12]. При критическом накоплении на дне органического вещества могут возникать анаэробные условия, при которых происходит образование сероводорода. Главное условие возникновения анаэробных зон в море, по оценкам О.А. Алекина и Ю.И. Ляхина [1], – превышение скорости потребления O2 на биохимическое окисление органических веществ над скоростью его поступления при слабой вертикальной циркуляции вод и высокой первичной продукции.
Особенности формирования режима O2 в Балтийском море связаны с комплексом физико-географических, гидродинамических и биохимических факторов, определяющих поступление, перенос и трансформацию субстанции в море. Наиболее значимые из них: ограниченный водообмен с Северным морем, материковый сток, высокий уровень антропогенной нагрузки, абсорбция кислорода из атмосферы, а также его адвекция и турбулентная диффузия в водной толще [2].
Результаты исследования кислородного режима вод Балтийского моря, выполненного на основе судовых измерений во второй половине ХХ в. (1958–1988 гг.), представлены в работах [2, 5–7]. Анализ этих результатов свидетельствует о том, что в рассматриваемое тридцатилетие наблюдались периоды, когда в Балтийском море совсем не отмечалось зон сероводородного заражения (1964–1965 гг.), или же такие условия наблюдались в сравнительно небольших по площади районах моря (1967, 1973, 1974, 1977 гг.). С 1968 по 1972 г. и с 1980 по 1984 г. в Балтике площади зоны сероводородного заражения наиболее увеличивались, а в 1969, 1970, 1972 и 1980 гг. они наблюдались даже в западной части Финского залива, чего не было в другие годы. Причины таких изменений авторы исследования связывали, преиму-щественно, с меняющимися условиями адвекции североморских вод и изменением интенсивности вертикального перемешивания [2].
В последние двадцать лет благодаря объединенным усилиям правительств прибалтийских государств и деятельности Хельсинской комиссии, удалось снизить биогенную нагрузку на воды Балтики от сельскохозяйственных, промышленных предприятий и хозяйственно-бытовых источников, однако концентрации биогенных веществ в ее водах остаются все еще высокими [4, 10], и в отмеченный период не наблюдается уменьшения уровня эвтрофирования вод Балтийского моря [11].
В работе [8] для выяснения причин ухудшения экологического состояния Балтики оценивалась корреляция между изменениями от года к году площади акватории, занятой сине-зелеными водорослями, и 29-ю предикторами, среди которых: изменение площади гипоксийных зон, различные характеристики температурного режима на поверхности моря, соленость приповерхностного слоя моря, прямое и рассеянное коротковолновое излучение в июле–августе, скорость ветра, концентрации основных биогенных веществ, продолжительность солнечного сияния в июле–августе. Ни с одним из перечисленных предикторов не выявлена значимая корреляция. Авторы исследования делают вывод, что в настоящее время нет правдоподобного объяснения сильным межгодовым колебаниям частоты появления поверхностных скоплений цианобактерий, наблюдаемых в Балтийском море, но по мнению авторов, эти колебания определяются, скорее всего, биологическими процессами [8]. Таким образом, причины вспышек цветения цианобактерий, а вместе с этим и увеличения гипоксийных зон остаются все еще недостаточно понятными.
Цель данной работы – оценить изменения гипоксийных условий в Балтийском море в конце XX и начале XXI вв., сравнить полученные результаты с оценками кислородного режима, сделанными ранее во второй половине XX в., и обсудить возможные причины современных изменений гипоксийных условий в Балтике.
ДАННЫЕ И МЕТОДЫ
В работе использовались данные судовых измерений содержания O2 с 1989 по 2017 г., а также температуры и солености вод в Балтийском море с 1979 по 2017 г., которые получены из международной базы данных DAS. Для исследования межгодовых изменений районов распространения гипоксийных условий вся выборка станций, на которых проводились измерения содержания O2 в водах Балтики, разделялась на годовые массивы. Если на какой-либо станции на одном или нескольких горизонтах в течение года отмечались гипоксийные условия (содержание О2 < 2 мл/л), это место помечалось черным кружком, а при содержании О2 ≥ 2 мл/л – серым кружком.
Для оценки вертикального распределения гипоксийных условий оценивалось за каждый год изменение с глубиной содержания О2 на разрезе, пересекающем Балтийское море с ЮЗ на СВ (рис. 1).
Для каждой станции на разрезе для стандартных горизонтов за каждый год проводилась выборка данных (с радиусом 5 км от положения станции) о концентрации О2. Для выбранных данных на стандартных горизонтах проводилось их осреднение за год. Далее для каждого года и всех станций разреза строились вертикальные распределения среднегодовых концентраций O2.
Для оценки вертикальных смещений верхней границы зоны гипоксии проводился квантильный анализ рядов исходных значений концентрации кислорода на станциях разреза, наиболее обеспеченных данными измерений. Рассчитывались 5 квантилей: xmin, x0.25, x0.5, x0.75, xmax (xmin, xmax – крайние члены ранжированного ряда xi, i = 1, n – количество членов ряда, x0.5 – медиана (Ме)):
Для исследования изменений во времени стратификации вод Балтийского моря на трех станциях, наиболее обеспеченных данными (BY2 , BY15, BY31), строились ряды среднемесячных значений температуры (Т, °С), солености (S, ‰) и плотности (ρ, кг/м3) на поверхности моря и в придонном слое. На основе полученных рядов оценивались вертикальные разности ∆Т, °С, ∆S, ‰ и ∆ρ, кг/м3, между придонным и поверхностным слоем.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2 показано местоположение океанологических станций в отдельные годы, на которых отмечались гипоксийные условия (черные кружки) в Балтийском море в 1989–2017 гг. Можно видеть, что в этот период наблюдается увеличение площади распространения гипоксийных зон по сравнению с предыдущим тридцатилетием [2, 5–7]. Например, если в 1959–1988 гг. гипоксийные условия в Слупском канале, соединяющем Борхольмский бассейн и Гданьскую впадину, наблюдались только в 1968 г., а на границе между Ботническим заливом и открытой Балтикой они вообще не наблюдались [2], то в рассматриваемый период в этих районах неблагоприятные кислородные условия отмечаются в большинстве случаев (рис. 2).
Особенно заметные ухудшения кислородного режима отмечены для Финского залива. Если в предыдущее тридцатилетие (1959–1988 гг.) гипоксийные условия наблюдались только в крайней западной части залива и не во все годы, то с 1993 г. – каждый год, распространяясь с течением времени дальше на восток залива, все чаще – в центральной и восточной частях (рис. 2).
Для Рижского залива характерна смена периодов наличия и отсутствия зон гипоксии. Самый долгий период отсутствия случаев гипоксийных условий здесь продолжался 4 года (с 1990 по 1993 г.); и, наоборот, наибольшие многолетние периоды, когда в Рижском заливе встречались гипоксийные условия, составили 7 лет (с 2002 по 2008 г.) и 5 лет (с 2012 по 2016 г.).
На рис. 3 показаны межгодовые изменения кислородных условий на разрезе, пересекающем Балтийское море.
С 1990 по 1997 г. отмечается улучшение кислородных условий на станциях разреза в открытой части моря, что проявляется в увеличении содержания кислорода в верхнем квазиоднородном слое до 9–11 мл/л и в заглублении верхней границы гипоксийной зоны в центральной Балтике, а также в исчезновении гипоксийных условий на большинстве станциий в южной и юго-западной части моря. Особенно благоприятные кислородные условия в этот период складывались в северной части открытой Балтики, где верхняя граница гипоксийного слоя в отдельные годы заглублялась до 140–150 м (станции BY28, BY29). После 1997 г. кислородные условия в открытой Балтике стали ухудшаться, и эта тенденция продолжается до настоящего времени. На это указывают заметное уменьшение содержания O2 в поверхностном слое и стабильное повышение верхней границы гипоксийного слоя, которая в последние годы стала достигать 80–70 м. Например, если в юго-западной части моря (ст. BY2) в середине 1990-х гг. среднегодовые концентрации O2 в поверхностном слое достигали 8.3–8.7, в центральной части открытой Балтики (BY15) – 8.4–8.8, на западе Финского залива (LL9) 8.5–10.1 мг/л, то в 2015–2017 гг. эти оценки понизились, соответственно, до значений 7.5–7.6, 7.6–7.7 и 7.4–7.5 мг/л.
Результаты квантильного анализа вертикальных смещений верхней границы гипоксийного слоя свидетельствуют, что в юго-западной части Балтики среднее медианное значение (Ме) этой границы наблюдается на глубине 45 м в Арконском бассейне и на глубинах 62–70 м в Борнхольском бассейне (рис. 4). В центральной Балтике Me колебаний верхней границы гипоксии отмечается на бóльших глубинах (78–89 м). В Финском заливе Me соответствует глубинам 59–70 м. Значения xmin во впадинах открытой Балтики соответствуют глубинам придонных горизонтов. Это связано с тем, что после случаев больших балтийских затоков происходит сравнительно кратковременная аэрация придонных вод, когда гипоксийные условия исчезают. Например, по оценкам М. Мейера с соавторами [9], в придонном слое Готландской впадины после трех последних затоков гипоксийные условия исчезали на период 1–6 мес. Оценки xmax показывают, что максимальные подъемы верхней границы гипоксийной зоны достигают глубин 40–50 м в Финском заливе, 40–60 м в юго-западной части Балтийского моря и 50–65 м в открытой Балтике.
На рис. 5 показаны изменения температуры и солености вод в поверхностном и придонном слоях на трех океанографических станциях в период с 1979 по 2017 г. в открытой Балтике, а на рис. 6 – вертикальные разности температуры, солености и плотности вод между поверхностным и придонным слоем на этих станциях. Температура воды и в поверхностном, и в придонном слоях растет, в то время как в трендах поверхностной и придонной солености отмечаются разнонаправленные тенденции: в поверхностном слое она уменьшается, а в придонном увеличивается (рис. 6). Хорошо видно, что в придонных слоях глубоководных впадин (станции ВY15 и BY31) увеличение солености происходит не монотонно, а имеет ступенчатый или волнообразный характер. До 1993 г. соленость у дна здесь уменьшалась быстрее, чем на поверхности, а далее она начала расти. По рис. 6 видно, что во всех трех районах открытой Балтики отмечается усиление стратификации водных масс, прежде всего за счет увеличения вертикального градиента солености. На это указывает увеличение разности плотности в линейных трендах с 1979 по 2017 г. между поверхностным и придонным слоями, которая составляет от 0.7 кг/м3 на станции ВY2, до 1.1 кг/м3 на станции ВY15.
Увеличение стратификации, по оценкам авторов статьи, отмечается в последние десятилетия и в различных районах Финского залива [3], где такие же трендовые оценки увеличения разности плотности с 1988 по 2014 г. составляли от 0.5 кг/м3 в западной до 1.1 кг/м3 в центральной частях залива. Понятно, что усиление стратификации приводит к ослаблению вертикальной турбулентной диффузии субстанции, что негативно сказывается на вертикальном обмене O2 между поверхностным, глубинным и придонным слоями вод Балтики. Не исключено, что эти изменения стратификации могут быть одной из причин ухудшения кислородного режима Балтийского моря.
ВЫВОДЫ
Выполненный анализ данных судовых измерений содержания растворенного O2 на станциях международного мониторинга в 1989– 2017 гг. свидетельствует о том, что по сравнению с предыдущим тридцатилетием в Балтийском море отмечается заметное ухудшение кислородного режима как всего Балтийского моря, так и отдельных его акваторий. На это указывает увеличение площади распространения гипоксийных зон, уменьшение содержания O2 в верхнем квазиоднородном слое и стабильное повышение верхней границы гипоксийного слоя в открытой Балтике с глубин 110–150 м в 1990–1997 гг. до 70–80 м в последние годы. Особенно выраженные негативные изменения кислородных условий отмечаются в Финском заливе. Если в предыдущее тридцатилетие (1959–1988 гг.) гипоксийные условия наблюдались только в некоторые годы в самой западной части залива, то с 1993 г. зоны гипоксии здесь отмечаются уже каждый год и с течением времени начинают появляться все чаще в центральной и восточной частях Финского залива. Отмеченное ухудшение кислородного режима Балтики происходит на фоне существенного изменения термохалинной структуры ее водных масс. Выполненный в данной работе анализ многолетних изменений температуры и солености вод в открытой части Балтийского моря свидетельствует об увеличении температуры в поверхностном и придонном слоях моря, уменьшении солености в поверхностном слое и ее увеличении у дна. С выявленными изменениями термохалинной структуры связано усиление стратификации водных масс Балтийского моря прежде всего за счет увеличения вертикального градиента солености. На это указывает увеличение разности плотности в линейных трендах с 1979 по 2017 г. между поверхностным и придонным слоями. Усиление стратификации может быть одной из причин ухудшения кислородного режима Балтийского моря в последние десятилетия.
Список литературы
Алекин О.А., Ляхин Ю.И. Химия океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 344 с.
Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 3. Балтийское море. Вып. 2. Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности / Под ред. Ф.С. Терзиева. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994.
Захарчук Е.А., Литина Е.Н., Клеванцов Ю.П., Сухачев В.Н., Тихонова Н.А. Нестационарность гидрометеорологических процессов Балтийского моря в условиях меняющегося климата // Тр. ГОИН. 2017. № 218. С. 6–62.
Литина Е.Н., Захарчук Е.А. Изменчивость термохалинных и гидрохимических характеристик на станциях международного мониторинга Балтийского моря во второй половине XX и начале XXI веков // Метеорология и гидрология. 2015. № 10. С. 54–64.
Assessment of the effects of pollution of the natural resources of the Baltic Sea / Eds T. Melvasalo et. all // Baltic Sea Environ. Proc. 1981. № 5B. P. 426.
Baltic Marine Environment Commission – Helsinki Commission – 1987. First Periodic Assessment of the State of the Marine Environment of the Baltic Sea Area. Background Document // Baltic Sea Environ. Proc. 1987. № 17B.
Baltic Marine Environment Commission – Helsinki Commission –1990. Second Periodic Assessment of the State of the Marine Environment of the Baltic Sea, 1984–1988. Background Document // Baltic Sea Environ. Proc. 1990. № 35B.
Kahru M., Elmgren R., Savchuk O.P. Changing seasonality of the Baltic Sea // Biogeosci. 2016. № 3. P. 1009–1018.
Meier H.E.M., Andersson H.C., Eilola K. et al. Hypoxia in future climates: A model ensemble study for the Baltic Sea // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. L24608. https://doi.org/10.1029/2011GL049929
Neumann T., Eilola K., Gustafsson B., Muller-Karulis B., Kuznetsov I., Meier H.E.M., Savchuk O.P. Extremes of temperature, oxygen and blooms in the Baltic Sea in a changing climate // AMBIO 41. 2012. № 6. P. 574–585.
Savchuk O.P. Large-scale dynamics of hypoxia in the Baltic Sea // Berlin: Springer Verlag, 2010. P. 137–160.
Savchuk O.P. Large-Scale Nutrient Dynamics in the Baltic Sea, 1970–2016 // Front. Mar. Sci. 2018. № 5. P. 1–20.
Дополнительные материалы отсутствуют.