Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Многодисциплинарные исследования по программе «Система Белого моря» под руководством академика А.П. Лисицына проводятся в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН) начиная с 2000 г. На примере Белого моря проведены системные четырехмерные исследования (три координаты и время) с применением нового источника информации, касающегося микро- и наночастиц во всех геосферах Земли – гидросфере (речном стоке), атмосфере (аэрозоли), криосфере (лед и снег), литосфере, биосфере, антропосфере [1, 2]. Важнейшее место в исследованиях занимали работы по изучению взвешенного вещества в речных и морских водах. Особый интерес представляют исследования в зонах смешения речных и морских вод – маргинальных фильтрах (МФ) по терминологии А.П. Лисицына [3]. Многолетние исследования показали, что маргинальные фильтры рек являются глобальными эффективными барьерами на пути речного осадочного материала с континента в море и океан, в этой зоне задерживается основная масса твёрдого и значительная масса растворённого материала [3–5]. В результате в открытую часть моря проникает далеко на весь речной материал, приносимый рекой к морской границе. Учёт объёмов задерживаемого зоной МФ осадочного вещества имеет важное для экологии моря значение при оценках реально поступающих в море веществ.

Рис. 1. Расположение станций отбора проб воды в маргинальнм фильтре р. Северная Двина: – разрез от 26.08.2015 (АМК-63), – разрез от 25.08.2016 (АМК-67), – разрез от 18.08.2017 (АМК-68)

Исследования взвешенного вещества (включая взвешенный органический углерод) в устьевой зоне крупнейшей реки бассейна Белого моря Северной Двины эпизодически проводились с конца 1960-х гг. [6–9]. Для получения детальных данных о сезонных и межгодовых вариациях количества, состава и особенностей геохимического поведения взвешенных частиц в стоке Северной Двины и зоне её МФ на базе Северо-Западного отделения ИО РАН весной 2015 г. была создана «Обсерватория – маргинальный фильтр Северной Двины». С мая 2015 г. по настоящее время в рамках этого проекта проводятся ежемесячные круглогодичные отборы проб воды и взвеси в нижнем течении реки и дважды в год (весной, сразу после схода льдов при высокой воде, и в конце лета, при низкой воде) в зоне МФ.

В данной статье представлены данные о поведении взвеси в зоне МФ Северной Двины в конце летнего периода.

Материалы и методы исследования

Пробы взвеси были получены в рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» 26 августа 2015 г. (63-й рейс), 25 августа 2016 г. (67-й рейс) и 18 августа 2017 г. (68-й рейс) на разрезе река – море в Двинском заливе (рис. 1). Отбор проводился по ходу движения судна пластиковым ведром на капроновом фале в носовой части палубы.

После подъёма пробы на борт измеряли солёность портативным солемером HI 8734N (HANNA, Германия) и Cond 330i (WISSENSCHAFTLICH – TECHNISCHE WERKSTATTEN GmbH, Германия), после чего вода фильтровалась на фильтровальной установке Sartorius (Германия) через предварительно взвешенные ядерные фильтры (диаметр пор 0,45 мкм) и стекловолокнистые фильтры GF/F (для определения взвешенного органического углерода – ВОУ). После высушивания до постоянного веса при t = +60–65 °С ядерные фильтры взвешивались на весах с точностью до 0,01 мг. Разница весов между фильтром с взвесью и его весом до фильтрации и объём профильтрованной воды использовались при подсчёте концентрации взвеси. Содержание ВОУ определяли на анализаторе углерода АН–7529М.

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные в трех рейсах данные о концентрациях взвеси и ВОУ в зоне смешения речных и морских вод (МФ Северной Двины) представлены в таблице и на рис. 2 и 3.

Хотя все три разреза были выполнены в одно и то же время года, между ними имеются определённые различия. Ближе к другим к «классическому» типу распределения взвеси в зонах МФ рек относится разрез 68-го рейса судна (рис. 2, в), когда происходит ускоренное снижение концентрации взвеси при низкой солёности с последующим более плавным уменьшением концентраций до точки нормальной для данного моря солёности [9]. По модели МФ [3] на начальном этапе смешения вод, когда заметно снижается скорость речных вод, происходит быстрое осаждение на дно более крупных и тяжёлых частиц взвеси. При дальнейшем увеличении солёности вод начинаются процессы флоккуляции, приводящие к переходу растворённых форм железа и растворённого органического углерода (главным образом их коллоидной формы) во взвешенное состояние. Ещё в 1976 г. английские морские геохимики Д. Бартон и П. Лисс [10] предложили простой способ определения потерь как растворённых элементов, так и взвеси и взвешенных форм элементов (при условии, что последние выражены в единицах мг/л). Способ заключается в том, что в случае «классического» типа зависимости концентрации от солёности проводится касательная к кривой зависимости в области высокой солёности до пересечения с осью концентраций. Точка пересечения даёт так называемую «эффективную» концентрацию (ту, которая была бы при консервативном поведении, т.е. при линейной зависимости). Отношение представляет собой количественное выражение потерь вещества или элемента в зоне МФ реки. Применение этого подхода к нашим результатам показывает, что в августе 2017 г. потери взвеси в зоне МФ Северной Двины составляли около 52 % от объёма, принесённого рекой к границе реки и моря.

Концентрация взвеси и взвешенного органического углерода (ВОУ), температура (T) и соленость (S) поверхностного слоя воды в зоне МФ Северной Двины

Примечание. *Отбор проб в рейсах АМК-63 и АМК-67 проводился при выходе судна из порта в море, в АМК-68 – при входе из открытого моря в порт.

Картина зависимости концентрации взвеси от солёности в августе 2016 г. (рис. 2, б) похожа на ту, что имела место в 2017 г. Однако из общей зависимости выбиваются две точки с повышенной по сравнению с ожидаемой концентрацией взвеси примерно в 2 раза (пробы 6706 и 6707 с солёностью 12,5 и 14,6 епс). Повышенные концентрации означают, что в области вод с данной солёностью имел место какой-то дополнительный источник поставки взвеси. Возможные причины будут рассмотрены при обсуждении разреза 2015 г. Сейчас допустим, что эти две «аномальные» пробы оказались ошибочными в результате, например, загрязнения их при отборе и фильтрации. В таком случае мы имеем право выполнить оценку потерь взвеси в зоне МФ (G ≈ 42 %).

Заметно отличается разрез 2015 г. (рис. 2, а). Кривая зависимости в диапазоне солёности от 2,9 до 18,5 епс проходит гораздо выше линии простого смешения вод, что указывает на существование дополнительного подтока взвеси. При этом выпадают из обычной зависимости уже 5 точек, что трудно связывать с ошибками методического характера.

а)

б)

в)

Рис. 2. Зависимость концентрации взвеси (мг/л) от солёности (епс): (а) – разрез от 6.08.2015; (б) – разрез от 25.08.2016; (в) – разрез от 18.08.2017

Выполненные ранее в рамках программы «Система Белого моря» разрезы за период с 2001 по 2008 гг. с разных судов («Профессор Штокман», «Иван Петров», «Акванавт-2») показали, что из семи разрезов похожими на разрез 2015 г. оказались три: в октябре 2001 г., марте 2005 г., августе 2006 г. [9]. Обращает на себя внимание, что такие аномальные зависимости наблюдались в разные сезоны года – и в марте, и в августе, и в октябре. Были рассмотрены наиболее вероятные причины повышенных концентраций взвеси, как природные (переход во взвесь растворённого Fe и растворенный органический углерод (РОУ), возможная вспышка биомассы фитопланктона, взмучивание донных осадков течениями), так и антропогенные (залповые сбросы жидкостей с высокой мутностью, взмучивание донных осадков при дноуглубительных работах или ледоколами при вскрытии льдов зимой). Рассмотрение возможных причин наблюдаемых зависимостей показало, что на данном этапе ни один из упомянутых возможных источников не может быть принят без серьёзных оговорок [9]. Таким образом, оценки потерь взвеси в зоне МФ, по крайней мере по двум разрезам (2016 и 2017 гг.), показывают, что выбывает из транзита через эту зону порядка 40–50 % от валового потока речной взвеси. Предыдущие оценки по семи экспедициям в 2001–2008 гг. показали, что потери в среднем за год составляют 23 % [9]. Это в несколько раз меньше, чем в эстуариях крупных рек мира – 80–95 % [4]. Более низкие потери в МФ Северной Двины связаны с особенностями водосборного бассейна Северной Двины (слабое физическое выветривание, высокая заболоченность, низкая мутность реки, богатая растительность и др.).

Рассмотрим кратко поведение взвешенного органического углерода, имеющего наряду с РОУ важнейшее значение для экологии как зоны МФ, так и всего моря. Данные таблицы показывают, что при низкой концентрации взвеси – от 5–8 мг/л в речной воде до 0,6–0,8 мг/л в морской воде – концентрация ВОУ, выраженная в мг/л, колеблется в довольно узких пределах – от 0,1 до 0,6 мг/л. Содержание ВОУ, выраженное в % на сухую взвесь, при этом довольно высокое от 6–7 % при почти нулевой солёности до 16–22 % на морской кромке разрезов.

Зависимости ВОУ от солёности показаны на рис. 3. Выраженные в мг/л, концентрации ВОУ демонстрируют сходное с концентрацией взвеси поведение в зоне МФ для всех трёх разрезов, хотя разброс фигуративных точек на графиках заметно больше, чем у взвеси. Делать оценки потерь ВОУ по таким зависимостям достаточно сложно. Однако можно предположить, что потери ВОУ мало отличаются от потерь взвешенного материала, т.е. находятся в пределах 40–50 % от валового содержания ВОУ в речной воде.

Совсем иная картина наблюдается для ВОУ, выраженного в % на сухую взвесь (рис. 4). Ясно видно, что с увеличением расстояния от берегов происходит обогащение взвеси органикой, причём в разной степени на разных разрезах. Выделяется разрез 2016 г., на котором диапазон колебаний ВОУ наименьший – от 10,6 до 17,1 % (рис. 5).

Рис. 3. Зависимость концентрации ВОУ (в мг/л) от солёности (епс)

Рис. 4. Зависимость содержания ВОУ (в %) от солёности (епс)

Рис. 5. Взаимосвязь между концентрацией взвеси и содержанием ВОУ ( %) на разрезах река – море (обозначение смотри рис. 1)

Возрастание содержаний Сорг во взвеси с ростом солёности, особенно при >10–15 епс, объясняется тем, что активизируется биотическая часть МФ, когда создаются наиболее благоприятные условия для активного развития фитопланктона – повышенная прозрачность воды, достаточная инсоляция, высокая концентрация биогенных элементов. В результате резко возрастает биомасса фитопланктона и автохтонной взвешенной органики, обогащающей взвешенное вещество. Менее выраженный рост ВОУ (в %) в августе 2016 г. связан, скорее всего, с менее благоприятными для фитопланктона условиями по сравнению с 2015 и 2017 гг.

Заключение

Представлены результаты изучения концентрации взвешенного вещества и органического углерода в его составе на трёх разрезах река – море (в зоне МФ Северной Двины), выполненных с борта НИС «Академик Мстислав Келдыш» в конце лета 2015 г. (63-й рейс), 2016 г. (67-й рейс) и 2017 г. (68-й рейс). Данные показывают, что на разрезах происходит снижение концентрации взвеси в сторону моря, однако у каждого разреза имеются свои особенности. Если в 2017 г. наблюдалась обычная для МФ крупных рек картина – быстрое осаждение крупной взвеси на начальном этапе смешения вод с последующим более медленным монотонным снижением мутности вод, то в 2015 г. характер зависимости мутности от солёности указывал на существование дополнительных источников взвеси в диапазоне солёности примерно от 3 до 18 епс. Возможные причины обсуждаются, но окончательно не установлены. Разрез 2016 г. занимает промежуточное положение между двумя другими. По имеющимся данным потери взвеси в зоне МФ близки к 40–50 % от исходной речной концентрации. Концентрации органического углерода во взвеси (в мг/л) ведут себя в зоне МФ аналогично концентрации самой взвеси [4], тогда как обогащаемость взвеси органикой (в %) возрастает в сторону моря.

Авторы выражают благодарность академику А.П. Лисицыну за поддержку, В.П. Шевченко за ценные советы, экипажу НИС «Академик Мстислав Келдыш» за помощь при отборе проб. Исследования проведены при финансовой поддержке Отделения наук о Земле РАН (Программа IV.8.5, тема № 0149-2015-0060).