Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат географических наук Пипко, Ирина Ивановна

• Пипко, Ирина Ивановна
• кандидат географических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат географических наук Пипко, Ирина Ивановна

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы

1.1 Район исследований

1.1.1 Система река Лена - море Лаптевых

1.1.2 Чукотское море

1.1.3 Восточно-Сибирское море

1.2 Карбонатная система природных вод

1.2.1. Теория карбонатной системы

1.2.2. Методы определения параметров карбонатной системы

1.2.3. Методы расчета элементов карбонатной системы

1.3 Изученность карбонатной системы вод арктических морей

Глава 2. Материалы и методы исследований

2.1 Материалы исследований

2.2 Методы исследований

2.3 Методы расчета

Глава 3. Изменчивость параметров карбонатной системы в реке Лене - море

Лаптевых

3.1 Динамика параметров карбонатной системы и цикл углерода в речных водах

3.2 Карбонатная система вод юго-восточной части моря Лаптевых

3.3 Потоки СОг в системе океан-атмосфера

3.4 Выводы

Глава 4. Изменчивость параметров карбонатной системы на шельфе Чукотского моря

4.1 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря

4.1.1 Биологический фактор

4.1.2 Температурный фактор

4.2 Временная мезомасштабная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря

4.2.1 Берингов пролив

4.2.2 Южная часть меридионального разреза (66,00 - 68,33°ш.)

4.3 Потоки СОг между океаном и атмосферой в восточной части Чукотского моря

4.4 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в западной части Чукотского моря

4.5 Сравнение межгодовой и мезомасштабной изменчивости параметров карбонатной системы в южной части Чукотского моря

4.6 Межгодовая изменчивость потоков ССЬ в системе океан-атмосфера

4.7 Выводы

Глава 5. Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежной зоне

Восточно-Сибирского моря ]

5.1 Пространственная динамика параметров карбонатной системы вод Восточно-Сибирского моря

5.1.1 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2000 г.

5.1.2 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2003 г.

5.1.3 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2004 г.

5.2 Потоки СОг в системе океан-атмосфера

5.2.1 Потоки СО2 между океаном и атмосферой в сентябре 2003 г.

5.2.2 Потоки СО2 между океаном и атмосферой в сентябре 2004 г.

5.3 Межгодовая изменчивость параметров карбонатной системы вод Восточно-Сибирского моря и потоков СО2 в системе океан-атмосфера

5.4 Выводы 124 Заключение 126 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики»

Актуальность работы

В последние десятилетия научная общественность активно ведет дискуссию о так называемом «парниковом эффекте» и связанных с ним климатических изменениях. Среди «парниковых газов» (двуокись углерода, водяной пар, метан, оксид азота, озон), поглощающих инфракрасную часть солнечной радиации и играющих определяющую роль в формировании климата Земли, углекислый газ является важнейшим. При отсутствии этих газов в атмосфере температура земной поверхности могла бы быть на 30°С ниже (Graedel and Crutzen, 1993).

Изменения концентрации СОг в атмосфере определяются естественной природной цикличностью. Но в последние столетия наблюдается ее резкое увеличение (Keeling and Whorf, 2004), обусловленное деятельностью человека. Эмиссия антропогенного СОг, вызванная сжиганием ископаемого топлива и уничтожением лесов, увеличила «прединдустриальную» концентрацию СОг в атмосфере от 280 мкатм до 370 мкатм. Ежегодное поступление антропогенного СОг в атмосферу составляет 7 Рг (1 Рг= 1015 г) С ; из них приблизительно 3 Рг С накапливается в атмосфере, а оставшиеся 4 Рг абсорбируются наземными экосистемами и океаном (Feely et al., 2001). Антропогенная составляющая роста СОг в атмосфере накладывается на естественную климатическую изменчивость в содержании этого газа, характерную для межледниковых эпох, что приводит к нарушению природного цикла углерода и проявляется в виде глобального потепления климата. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о механизме формирования планетарного максимума СОг в атмосфере, который находится не над средними широтами Северного полушария, где наблюдается максимальная антропогенная активность, а смещен в зону Арктики/Субарктики (Prinn, 1994). Наибольшие сезонные амплитуды концентраций углекислого газа обнаружены в атмосфере Арктики (Keeling and Whorf, 2004,), что показывает важную роль функционирования северных экосистем в региональном балансе углерода (рис. 1).

И если роль наземных экосистем высоких широт как значимых поставщиков СОг в атмосферу достоверно установлена (Zimov et al., 1993), то вклад арктических морей и Северного Ледовитого океана в целом остается неисследованным.

Как известно, существуют только три резервуара со скоростями обмена, достаточно высокими для обнаружения изменчивости в шкале от десятилетий до веков - атмосфера (730 Рг С), наземная биосфера (2000 Рг С) и океан (38000 Рг С) (Prentice et al. 2001). Приблизительно 93% углерода находится в океане, который способен содержать в себе I i I i I i I i I i | i П В № м м и w а) мыс Барроу, Аляска; б) мыс Кумукаши, Гавайи; в) Южный полюс

Рисунок I - Сезонные амплитуды концентраций атмосферного С02 (по ланным Keeling and

Whorf, 2004) значительно больше углерода, чем любой другой резервуар. Это связано с тем, что основная часть СО:, которая диффундирует в океан, реагирует с морской водой, образуя угольную кислоту и продукты ее диссоциации - карбонат- и бикарбонат- ионы, что составляет карбонатную систему морской воды. Принято считать, что Мировой океан - основной потенциальный резервуар для стока «избыточного» С02 (Бородовский и Маккавеев, 1991; Ляхин, 1982; Ляхин и Русанов, 1983; Рее1у с1 а!., 2001). Средняя величина парциального давления СО; в поверхностных водах приблизительно на 7 мкатм ниже атмосферного, что является основной движущей силой поглощения океаном углекислого газа (Рее1у е1 аЦ 2001).

В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что арктический регион наиболее чувствителен к глобальным изменениям, но в то же время стоки и источники парниковых газов в морях Северного Ледовитого океана (СЛО) не изучены и обмен СОг между океаном и атмосферой в Арктике практически игнорируется (ТакаЬазЫ & а!., 1997, 2002; Рее1у е! а!., 2001). Выполненные до настоящего времени оценки потоков С02 в системе океан-атмосфера для Восточной Арктики основывались на расчетах, проведенных с большой степенью осреднения (Ляхин и Русанов, 1983; ТаЫшзЫ е! а1., 1997), что внесло существенные погрешности в получаемые величины.

Шельфовые арктические моря, занимающие 70% акватории СЛО, в летний период благодаря сезонной продуктивности и низкой температуре воды являются потенциальными резервуарами для избыточного атмосферного С02. В то же время результаты наших исследований показывают значительное пересыщение поверхностных вод углекислым газом относительно атмосферы в некоторых прибрежных районах СЛО,

Карбонатная система {растворенный в воде углекислый газ, находящийся в равновесии с угольной кислотой и продуктами ее диссоциации) является основной буферной системой океана. Отражая процессы, происходящие в живой и неживой части океана, она в то же время влияет на многие химические равновесия, формы нахождения и миграцию элементов, протекание геохимических и биологических процессов, а также направление и величину потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера. Детальное исследование динамики параметров карбонатной системы морей Восточной Арктики и определяющих ее процессов позволит выявить особенности регионального цикла углерода и понять механизм формирования атмосферного максимума СОг и его сезонной изменчивости, а также оценить морские акватории с точки зрения возможных источников или стоков для атмосферного СОг.

Цель работы

Целью работы является исследование особенностей динамики карбонатной системы и оценка потоков СОг между океаном и атмосферой в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики в летне-осенний сезон.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

- исследование методических основ карбонатной системы;

- исследование региональных особенностей поведения карбонатной системы;

- выявление процессов, контролирующих изменчивость карбонатных параметров в морях Восточной Арктики;

-исследование карбонатного равновесия в речных водах (на примере р. Лены);

- проведение количественной оценки потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера для исследуемых морей в летне-осенний сезон.

Изучались три района шельфа Северного Ледовитого океана: 1) юго-восточная часть моря Лаптевых, гидрологический и гидрохимический режим которого определяется в большой степени влиянием речного стока (главным образом, реки Лены), 2) шельф Чукотского моря, чей режим определяется притоком тихоокеанских вод и 3) прибрежная часть Восточно-Сибирского моря, занимающего «транзитное положение» между этими морями, гидрологический режим которого определяется, главным образом, взаимодействием вод морей Лаптевых и Чукотского.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность результатов определяется современным уровнем применявшегося аналитического оборудования и методов анализа, тщательным выбором используемых констант диссоциации угольной кислоты и алгоритмов расчета. Полученные выводы не противоречат результатам и выводам других авторов, сделанным на основе анализа экспериментальных данных.

Научная новизна результатов

Динамика параметров карбонатной системы в морях Восточной Арктики ранее не изучалась. Поэтому наши многолетние исследования динамики КС в морях Лаптевых (1997,

1999, 2000 гг.), Чукотском (1996, 2000, 2002 гг.) и Восточно-Сибирском (2000, 2003, 2004 гг.) и определяющих ее процессов дают первое представление о миграции неорганического углерода и обмене СОг с атмосферой в регионе Восточной Арктики. В процессе работы были внедрены новые модификации методов исследования КС: парофазный статический и 'ф динамический газохроматографический анализ с конверсией углекислого газа до метана в потоке водорода на Ni-катализаторе (Витенберг и др, 1991; Семилетов, 1992); измерение рН с использованием ячейки безжидкостного соединения (метод разработан в ТОЙ ДВО РАН П.Я. Тищенко с коллегами (Тищенко и др., 2001)); мембранный сенсор SAMI-CO2 для определения величины рСОг in situ (со спектрофотометрическим аналитическим окончанием). Это позволило впервые на современном уровне исследовать динамику КС в этом наименее изученном регионе, где изменения природной среды под воздействием глобального потепления наиболее значимы. Также нами впервые в регионе проводились прямые измерения СОг в воздухе, что позволило более корректно оценивать обмен СОг между океаном и атмосферой. Нами впервые выполнены количественные оценки потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера в Восточной Арктике на основе измерений параметров карбонатной системы морской воды и содержания СОг в приводном слое атмосферы. Ранее расчеты потоков углекислого газа для арктических морей выполнялись ** только на основе оценки кислородного баланса (Иваненков, 1985; Ляхин, 1982) или исходя из математической обработки данных, накопленных для акваторий, смежных с арктическими морями (Takahashi et al., 1997).

Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях и представлением докладов на отечественных и международных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1999-2005 гг.).

Практическое значение работы

Результатом этой работы является вьивление источников/стоков СОг в арктических морях, исследование влияния мезомасштабной и межгодовой изменчивости параметров КС на направление и интенсивность потоков углекислого газа между океаном и атмосферой, миграции неорганического углерода в системе суша-шельф, что необходимо для оценки to роли морей Восточной Арктики в балансе атмосферного СОг и создания более достоверного сценария изменения климата.

Защищаемые положения

Воды реки Лены являются источником углекислого газа в атмосферу в летне-осенний сезон.

- Юго-восточная часть моря Лаптевых, подверженная влиянию речного стока и термоабразии берегов, является источником СОг в атмосферу.

- Шельфовые воды Чукотского моря, находящегося под влиянием трансформированных тихоокеанских вод, поглощают атмосферный СОг

- Западная часть прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря является источником СОг в атмосферу, а восточная - стоком для атмосферного СОг. Направление потока СОг через границу океан-атмосфера меняется в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой и трансформированной тихоокеанской водами.

Апробация работы

Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная арктическая конференция «Научные мосты между Северной Америкой и российским Дальним Востоком» (Владивосток, 1994); 21я* генеральная Ассамблея IAPSO (США, 1995); конференции AGU (США, 1996; 1998; 2004); объединенная Ассамблея IAMAS/IAPSO (Австралия, 1997); международные конференции PICES (США, 1998; Владивосток, 1999; Канада, 2001); 5ое Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); 13м Международная школа морской геологии (Москва, 1999); 2ое совещание «Экология пойм сибирских рек и Арктики» (Томск, 2000); 2м конференция Wadati по изучению изменения полярного климата (Япония, 2001); международное Рабочее совещание по изучению Глобальных изменений на Дальнем Востоке (Владивосток, 2002); международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003); 4°® международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Япония, 2003); 5ое рабочее совещание по проекту Arctic Coastal Dynamics (ACD, Канада, 2004). По материалам диссертационной работы в декабре 2003 г. проведен семинар в Международном научном арктическом центре Университета Аляска, Фэрбанкс.

Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 47 печатных работах.

Фактический материал

Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов РФФИ, ФЦП «Мировой океан» и «Интеграция», Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (программа № 13 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы»), международных проектов Национального Научного Фонда США (Ы8Б). В диссертации использованы результаты научных экспедиций по р. Лене (сентябрь 1995, 1998, 1999 гг.), в море Лаптевых (сентябрь 1997, 1999 и 2000 гг.); в Чукотское море (сентябрь 1996, 2000 гг.; конец августа - начало сентября 2002 г.), в Восточно-Сибирское море (сентябрь 2000, 2003 и 2004 гг.).

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 142 страницах, включая список литературы из 192 наименований, 53 иллюстрации, 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Океанология», Пипко, Ирина Ивановна

5.4 Выводы

В результате анализа данных экспедиций на ГС «Иван Киреев» (сентябрь 2003 г. и

2004 г.) и ГС «Николай Коломейцев» (сентябрь 2000 г.) было установлено, что:

- характерной особенностью в распределении парциального давления двуокиси углерода в прибрежных поверхностных водах ВСМ является снижение величин рС02 с запада на восток со значительными пространственными флуктуациями, связанными с зонами максимального влияниея речных вод и эрозионным сигналом;

- динамика параметров карбонатной системы вод ВСМ определялась интенсивностью распространения на морской акватории вод различного генезиса, обусловленной изменчивостью атмосферной циркуляции, а также величиной речного стока и особенностями ледового режима;

- более значимое пересыщение поверхностных вод ВСМ углекислым газом в 2004 г. по сравнению с 2003 г. определялось увеличением расхода рек и высокими скоростями поступления эрозионного материала;

- в сентябре 2003 и 2004 гг. изменение направления потока С02 между океаном и атмосферой происходило в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров, характеризующих смешивающиеся воды (распреснеиную шельфовую воду западной части Восточно-Сибирского моря (источник СОг) и трансформированную тихоокеанскую (сток СОг)).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общие черты гидрологического и гидрохимического режима прибрежно-шельфовой зоны морей Восточной Арктики (юго-восточная часть моря Лаптевых, прибрежная зона Восточно-Сибирского моря и шельф Чукотского моря) обусловлены широтным положением, которое приводит к слабой инсоляции и существованию ледового покрова в большую часть года. Главные же различия связаны с преимущественным влиянием на их режим трансформированных тихоокеанских вод (Чукотское море/восточная часть ВосточноСибирского моря) или стока сибирских рек и термоабразии побережья (юго-восточная часть моря Лаптевых/западная часть Восточно-Сибирского моря).

Проведенное исследование позволило выявить характерные особенности распределения параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне этих морей в летне-осенний сезон, главной из которых является уменьшение величин парциального давления углекислого газа в поверхностных водах с запада на восток исследуемого региона и переход от пересыщения вод С02 относительно его содержания в атмосфере в море Лаптевых к недосыщению в Чукотском море.

В результате выполненного исследования получены следующие основные выводы:

1. Установлено, что воды реки Лены в летне-осенний сезон являются поставщиком СОг в атмосферу, а также важным источником углерода (в минеральной и органической формах) в море Лаптевых и в Северный Ледовитый океан в целом. Межгодовая динамика параметров карбонатной системы вод зависит от величины речного стока.

2. На основе совместного анализа динамики карбонатной системы и океанологических параметров исследуемая акватория морей Восточной Арктики разделена на два характерных района:

- юго-восточную часть моря Лаптевых/западную часть Восточно-Сибирского моря, находящиеся под влиянием речного стока и термоабразии побережья (высокие значения рС02 и низкие величины рН, Ст, Ат);

- Чукотское море/восточную часть Восточно-Сибирского моря, где доминируют трансформированные высокопродуктивные тихоокеанские воды (низкие значения рС02 и высокие величины рН, Ст и Ат).

3. Установлено, что прибрежно-шельфовая зона арктических морей в летне-осенний сезон может являться как источником, так и стоком для атмосферного С02. На основе измерений параметров карбонатной системы рассчитаны потоки С02 через границу океан-атмосфера. Показано, что:

- акватория юго-восточной части моря Лаптевых является поставщиком С02 в атмосферу, средняя величина эвазии углекислого газа составляет 4,8 ммоль м^сутки"1;

- акватория Чукотского моря является значимым региональным стоком для атмосферного СОг. Величина среднесуточного потока СОг в Чукотское море изменяется от 7,7 до 17,0 ммоль м'2 сутки"1, что более, чем на порядок превышает среднее значение инвазии СОг, характерное для вод Мирового океана;

- прибрежная акватория Восточно-Сибирского моря явлется как источником, так и стоком для атмосферного СОг. При этом осредненный поток углекислого газа направлен в атмосферу и изменяется от 1,0 до 10,9 ммоль м'2 сутки"1;

- изменение направления потока СО2 между океаном и атмосферой в ВосточноСибирском море происходит в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой и трансформированной тихоокеанской водами.

Настоящая работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН под научным руководством кандидата географических наук И.П. Семилетова, оказавшего основное влияние на постановку задачи и анализ полученных результатов.

Большое значение имело для автора обсуждение различных аспектов работы с кандидатом химических наук П.Я. Тищенко, научным сотрудником С. П. Пугач, кандидатом геолого-минералогических наук О.В. Дударевым, кандидатом географических наук Н.И. Савельевой, кандидатом географических наук В.А. Лучиным. Всем им автор приносит свою глубокую благодарность.

Автор признателен сотрудникам ТОЙ ДВО РАН Т.И. Волковой, H.A. Середе, кандидату географических наук А.Г. Андрееву, кандидату химических наук Е.Ф. Радаеву, кандидату биологических наук H.H. Бельчевой, выполнявшим измерения параметров карбонатной системы вод арктических морей на разных этапах совместных экспедиционных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Пипко, Ирина Ивановна, 2005 год

1. Алекин O.A., Ляхин Ю.И. Химия океана. - Л. : Гидрометеоиздат, 1984. - 343 с.

2. Антонов B.C. Распространение речных вод в арктических морях // Труды ААНИИ. 1957. Т. 208, №2. С. 25-52.

3. Антонов B.C., Морозова В.Я. Суммарный материковый сток в Арктические моря // Труды ААНИИ. 1957. Т. 208, № 2. С. 13-52.

4. Антонов B.C. Устьевая область реки Лены. Л. : Гидрометеоиздат, 1967. - 107 с.

5. Белышева Е.В. Щелочной резерв моря Лаптевых // Труды ААНИИ. 1966. Т. 269. С. 2837.

6. Бордовский O.K., Маккавеев П.Н. Обмен СОг с атмосферой и баланс углерода в Тихом океане //ДАН. 1991. Т. 320, № 6. С. 1470-1474.

7. Бордовский O.K., Маккавеев П.Н., Бубнов П.В. Проблема изменчивости карбонатного равновесия в океане // Химия морей и океанов / ред. O.K. Бордовский, А.Г. Розанов. М. : Наука, 1995. С. 92-111.

8. Бруевич C.B. Инструкция по производству химических исследований морской воды. -М. : Изд-во Главсевморпути, 1944. 83 с.

9. Ведерников В.И., Демидов А.Б., Судьбин А.И. Первичная продукция и хлорофилл в Карском море в сентябре 1993 г. // Океанология. 1994. Т. 34, № 5. С. 693-703.

10. Виноградов М.Е., Ведерников В.И., Романкевич Е.А., Ветров A.A. Компоненты цикла углерода в арктических морях России. Первичная продукция и поток СорГ из фотического слоя // Океанология. 2000. Т. 40, № 2. С. 221-233.

11. Витенберг А.Г., Поздняков Н.В., Маевский Г.А., Пипко И.И. Определение газов, растворенных в морской воде, методом статического парофазного газохроматографического анализа // Журнал аналитической химии. 1991. Т. 46, вып. 2. С. 361-369.

12. Григорьев М.Н. Криоморфогенез устьевой области р. Лены. Якутск : Институт мерзлотоведения, 1993. - 174 с.

13. Григорьев М.Н., Куницкий В.В. Ледовый комплекс Арктического побережья Якутии как источник наносов на шельфе // Гидрометеорологические и биогеохимические15.