Распределение параметров гидрохимического комплексав северной части Баренцева моря в летний и зимний сезоны

Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна. (проект подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" федеральной целевой программы "Мировой океан") / Отв. ред. Г. Г. Матишов. Вып. 2. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2007. 633 с.

Комплексные экспедиции в Баренцево и Гренландское моря на НИС "Дальние Зеленцы" / Д. В. Моисеев, Е. А. Гарбуль, О. Ю. Кудрявцева и др. // Экспедиционная деятельность в рамках Международного полярного года 2007. СПб., 2009. С. 25-30.

Макаревич П. Р., Моисеев Д. В. Комплексные экосистемные исследования ММБИ на НИС "Дальние Зеленцы" в весенний период 2016 года // Тр. Кольского науч. центра РАН. 2017. Сер. Океанология. Вып. 4. Т. 2(8). С. 5-9.

Макаревич П. Р., Моисеев Д. В. 40 лет научно-исследовательскому судну "Дальние Зеленцы" // Исследования арктических экосистем: Матер. XXXVI конф. молодых ученых ММБИ КНЦ РАН, посвященной 40-летию научно-исследовательского судна "Дальние Зеленцы". Мурманск: Изд. ММБИ КНЦ РАН, 2018. С. 5-12

Матишов Г. Г., Макаревич П. Р., Моисеев Д. В. Кольский разрез в полярную ночь // Российские полярные исследования. 2013. № 3(13). С. 23-25.

Труды Кольского научного центра РАН. 2014. Сер. Океанология. Вып. 2. Т. 4(23) / Отв. ред. Г. Г. Матишов. 301 с.

Труды Кольского научного центра РАН. 2017. Сер. Океанология. Вып. 4. Т. 2(8) / Отв. ред. Г. Г. Матишов. 113 с.

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018-9-4-14-21 УДК 551.464.32

Т. Г. Ишкулова, И. А. Пастухов

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН, г. Мурманск, Россия

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ БАРЕНЦЕВА МОРЯ В ЛЕТНИЙ И ЗИМНИЙ СЕЗОНЫ

Аннотация

По результатам двух рейсов в летний и осенне-зимний периоды описывается гидрохимическое состояние водных масс северной части Баренцева моря. Стандартными гидрохимическими методами выполнено определение растворенного в воде кислорода, водородного показателя и биогенных элементов (фосфора фосфатного, кремния, азота нитритного и нитратного). Приведены статистические характеристики гидрохимических параметров района исследований. Описан характер распределения биогенных элементов в разные сезоны. Проведен сравнительный анализ их распределения.

Ключевые слова:

Арктика, Баренцево море, гидрохимия, кислород, биогенные вещества.

T. G. Ishkulova, I. A. Pastukhov

Murmansk Marine Biological Institute KSC RAS, Murmansk, Russia

DISTRIBUTION OF HYDROCHEMICAL PARAMETERS IN NORTHERN PART OF BARENTS SEA IN SUMMER AND WINTER PERIOD

Abstract

In this paper, according to the results of two expeditions in the summer and autumn-winter periods describe the hydrochemical state of water masses in the northern part of the Barents Sea. Standart Hydrochemical methods have been used to determine the oxygen dissolved in water, the hydrogen index and biogenic elements (phosphates, silicon, nitrites and nitrates). The characteristics of the hydrochemical parameters of the study area is given. The nature of distribution of nutrient elements in different seasons is described. A comparison is made of their distribution.

Keywords:

Arctic, Barents Sea, hydrochemistry, oxygen, nutrients.

Введение. Северная часть Баренцева моря характеризуется низкими температурами водных масс и воздуха, плавучими льдами и айсбергами. Данные условия делают затруднительным исследования в этом районе, который, однако, представляет большой научный интерес для изучения процессов климатических изменений и водообмена в зонах расположения фронтальных зон. Биогенные элементы, находясь в непосредственной зависимости от гидрологических условий, в свою очередь, оказывают значительное влияние как на отдельные компоненты водных экосистем, так и на экосистемы в целом.

Цель данной работы - изучение и сравнительная характеристика содержания, распределения и сезонной динамики параметров гидрохимического комплекса в северной части Баренцева моря.

Материал и методы. В работе использованы данные, полученные в ходе двух экспедиций на НИС "Дальние Зеленцы" - 03.11-13.12.2015 г. и 13.07-01.08.2017 г. На 13 комплексных станциях (рис. 1) отобрано 56 проб морской воды. Отбор проб проводился на стандартных горизонтах (0, 10, 25, 50, 100 м и дно). Изучались следующие параметры гидрохимического комплекса: растворенный в воде кислород, рН и биогенные элементы -фосфор фосфатный, кремний, азот нитритный и нитратный. Анализы выполнялись стандартными методами (Руководство ..., 1993). Результаты статистической обработки данных приведены в таблице.

Результаты и обсуждение. По литературным данным (Гидрометеорология ..., 1992; Химические ..., 1997; Климат ..., 2011; Воды ..., 2016), на рассматриваемой нами акватории располагается устойчивый участок термохалинной фронтальной зоны Баренцева моря, возникающий из-за взаимодействия водных масс различного генезиса. С севера с холодным течением Персея поступают арктические воды, с запада - теплые и соленые атлантические водные массы. Также немаловажную роль играют местные баренцевоморские воды. Поэтому для фронтальных зон характерна сложная гидрофизическая обстановка и изменение параметров гидрохимического комплекса в широких пределах.

•Ноябрь-декабрь 2015 г. А 1Ьоль 2017 г

Рис. 1. Схема станций в северной части Баренцева моря Fig. 1. Schema of stations in the northern part of the Barents Sea

Характеристика гидрохимических параметров водных масс

северной части Баренцева моря Characteristic of the hydrochemical parameters of water bodies in the northern part of the Barents Sea

Гидрохимические параметры 2015 г. 2017 г.

O2, мл/л 6.73-8.82 5.65-9.75

7.38±0.12 7.40±3.33

о2,% 86-105 73-117

87±8 97±7

рН, ед. 7.74-8.08 7.95-8.60

7.50±0.61 8.42±0.82

N — NO2, мкг-ат/л 0.04-0.53 0.16±0.10 0.03-0.40 0.15±0.04

N — NO3 , мкг-ат/л 2.64-13.03 7.55±0.88 0.25-8.93 5.42±1.07

Si, мкг-ат/л 1.05-4.89 0.63-11.13

2.38±0.18 5.44±1.77

Р — РО4 , мкг-ат/л 0.82-1.56 1.07±0.12 0.11-1.30 1.01±0.14

ПРИМЕЧАНИЕ. Числитель - минимум-максимум, знаменатель - среднее по району средневзвешенного значения±стандартное отклонение.

Зима 2015 года. С третьей декады ноября в Баренцевом море наступает гидрологическая зима. В водных массах начинается характерное для данного сезона выхолаживание и активное конвективное перемешивание. Смещение повышенных концентраций биогенных веществ в более глубокие слои, в места наибольшего скопления органики и скачка плотности, характерно для осенне-зимнего периода. Особенно отчетливо эти явления прослеживаются во фронтальных зонах, расположенных над склонами желобов и впадин, а также в местах залегания глубинных атлантических вод (Норина, 1965; Гидрометеорология ..., 1992; Химические ..., 1997; Климат ..., 2011; Воды ..., 2016).

По данным, полученным в ходе экспедиции, арктические воды распространялись от поверхности до глубины 105 м. Ниже находились глубинные атлантические воды. Нами выявлены некоторые общие тенденции в распределении гидрохимических параметров в районе исследований в 2015 г. На всей акватории наблюдается увеличение количества кремния и нитратов от поверхности ко дну, а накопление кислорода происходит в противоположном направлении. Также отмечено уменьшение содержания водородного показателя и нитритов с юга на север (рис. 2). Данное распределение характерно для осенне-зимнего периода в Баренцевом море (Гидрометеорология ..., 1992; Химические ..., 1997).

Станции а Станции б

14 16 18 20 21 и 16 18 20 21

Рис. 2. Распределение азота нитритного (а, мкг-ат/л) и кислорода (б, мл/л) в северной части Баренцева моря в ноябре-декабре 2015 г.

Fig. 2. Distribution of nitrite nitrogen (a, ^g-at/l) and oxygen (b, ml/l) in the northern part of the Barents Sea in November-December 2015

Растворенный кислород - один из показательных гидрохимических параметров водных масс, который может служить индикатором распространения атлантических вод. В зимний период эти воды характеризуются наиболее низкими концентрациями кислорода (Норина, 1965; Адров, 1982; Химические ..., 1997). В придонном горизонте глубоководных станций 18-20 содержание кислорода снижается до

минимальной величины - 6.8 мл/л при 86 %-й насыщенности (рис. 2). Так же эти воды отличались высоким рН и довольно высоким содержанием биогенных элементов. Например, средняя концентрация кремния у дна на этих станциях составила примерно 3.70 мкг-ат/л, а средняя величина водородного показателя - 7.90 ед.

Между станциями 14 и 16 наблюдалась граница распространения арктических водных масс, отличающихся низким содержанием нитритов (до 0.04 мкг-ат/л) и кремния (до 1.05 мкг-ат/л), отрицательной температурой воды и, как следствие, высоким содержанием кислорода (в среднем 12.0 мл/л в водном слое 0-75 м). В придонном горизонте на этих станциях отмечены максимальные концентрации всех биогенных элементов. Подводная возвышенность и наличие границы смешения водных масс, как упоминалось выше, способствует скоплению в данном месте органического вещества, разложение которого повышает содержание биогенов в этом районе.

На самых северных, из исследованных нами, станциях 20 и 21 в поверхностном горизонте отмечено несколько предельных величин как гидрологических, так и гидрохимических. Так, на ст. 21 в продукционном слое зафиксированы минимальные концентрации нитритного и нитратного азота - 0.04 и 2.63 мкг-ат/л соответственно. Здесь же отмечена максимальная концентрация кислорода (8.82 мл/л), что является следствием довольно низкой температуры воды (-1.2 °С). Данные величины по нитратному азоту и кислороду несколько выше среднемноголетних осенне-зимних значений для севера Баренцева моря (Жизнь ..., 1985; Гидрометеорология ..., 1992).

Лето 2017 г. В летнее время, по литературным данным, вся северная часть Баренцева моря в поверхности заполнена арктическими водами (Жизнь ..., 1985; Гидрометеорология ..., 1992). На глубинах располагаются баренцевоморские воды. Устойчивость подобной структуры затрудняет ветровое перемешивание, которое способствует массовому развитию фитопланктона и, как следствие, истощению биогенных элементов в фотическом слое. Поэтому в распределении большинства параметров гидрохимического комплекса для летнего периода в Баренцевом море наблюдается характерное резкое увеличение их содержания от поверхности ко дну.

По нашим наблюдениям, содержание кислорода увеличивалось с юга на север. Низкая температура воды и летняя вегетационная деятельность фитопланктона стали причиной хорошей насыщенности кислородом водных масс. Граница этой насыщенности - 50 м (рис. 3). Наиболее высокие концентрации растворенного кислорода, как и зимой 2015 г., наблюдались на верхних горизонтах самых северных, из исследованных нами станций, в холодных арктических водах. Максимальное содержание кислорода зафиксировано на ст. 36 на горизонте 25 м - 9.75 мл/л. Содержание азота нитритного, в отличие от кислорода, увеличивается с севера на юг:

средневзвешенная концентрация на ст. 23 - 0.21 мкг-ат/л, а на ст. 34 - 0.12 мкг-ат/л. По вертикали его распределение характеризуется пятнистостью, как и у кислорода.

Станции а Станции б

23 25 27 31 34 23 25 27 31 34

Рис. 3. Распределение кислорода (а, %) и азота нитритного (б, мкг -ат/л) в северной части Баренцева моря в июле 2017 г.

Fig. 3. Distribution of oxygen (a, %) and nitrite nitrogen (b, ^g-at/l) in the northern part of the Barents Sea in July 2017

Для нитратов, фосфатов и кремния содержание в водной толще характеризуется слоистостью. Верхний 50-метровый слой наиболее обеднен этими биогенами. Минимальное количество кремния наблюдалось на глубине 25 м на ст. 31 - 0.63 мкг-ат/л. Примечательно, что здесь также зафиксированы минимальная концентрация азота нитритного (0.02 мкг-ат/л) и довольно высокое содержание кислорода (9.13 мл/л), что является следствием активности фитопланктона в данной локальной области. Ко дну количество нитратов, фосфатов и кремния значительно увеличивается. Так в придонном слое зафиксированы предельные концентрации фосфора фосфатного (1.30 мкг-ат/л - ст. 31) и кремния (11.13 мкг-ат/л - ст. 34), превышающие установленные ранее (Гидрометеорология ..., 1992; Химические ..., 1997).

В литературных источниках присутствуют данные вертикальных профилей различных биогенов. Наибольшее количество информации существует по кислороду. Однако в большинстве случаев приводится кривая распределения кислорода для типовой водной массы. Мы же приводим кривые распределения кислорода на исследованной акватории как для района расположения фронтальной зоны (рис. 4).

Распределение кислорода на ст. 14 соответствует таковой трансформированных атлантических вод в зимний период

(Гидрометеорология ..., 1992; Химические ..., 1997). На станциях 16 и 18 тип кривых несколько различается только до глубины 50 м в зависимости от температуры воды. На станциях 20 и 21 распределение кислорода следующее: высокие концентрации (чем севернее расположены станции, тем выше содержание кислорода) в поверхности, которые довольно резко уменьшаются до более теплого слоя. Количество кислорода, как мы уже указывали, увеличивается с понижением температуры, поэтому данный перепад - характерная черта кривой распределения кислорода в летний сезон в этом районе.

Рис. 4. Вертикальные профили содержания кислорода в северной части Баренцева моря

Fig. 4. Vertical profiles of oxygen content in the northern part of the Barents Sea

Летнее распределение кислорода на исследованной акватории характеризуется всего двумя типами кривых. Первый тип - практически одинаковое количество кислорода в водном слое - ст. 23. Второй тип распределения наблюдается на станциях 25-34. Кривая этого типа имеет максимум, который в зависимости от расположения станции смещается к

поверхностному горизонту - чем севернее располагается станция, тем ближе к поверхности. Этот максимум в летний период соответствует глубине залегания слоя максимума фотосинтеза в сочетании с низкой температурой.

Выводы. Смешение водных масс различного генезиса сложным образом отражается на параметрах гидрохимического комплекса. Это выражается в существенных отличиях их величин для близких станций, но расположенных по разные стороны фронта, и для разных горизонтов на одной станции. В зимний сезон преимущественно физико-гидрологические явления оказывают влияние на распределение гидрохимических параметров, поэтому по их содержанию хорошо определяются границы распространения водных масс, в отличие от летнего сезона, когда на концентрацию биогенов в первую очередь оказывают влияние биотические факторы.

Характер распределения параметров гидрохимического комплекса соответствует сезонному. Однако диапазон флуктуаций содержания биогенных элементов несколько шире, чем установлено ранее. Причиной этого может быть, например, череда теплых лет в Баренцевом море, из-за которых возможны небольшие сезонные сдвиги, приводящие к подобным изменениям.

Работа выполнена по теме 9-17-01 (51) в рамках государственного задания № 0228-2016-0001.

Литература

Адров Н. М. Формирование структуры вод Баренцева моря в осенне-зимний период // Комплексные исследования природы северных морей. Апатиты: Изд. КФ АН СССР, 1982. С. 20-22.

Воды Баренцева моря: структура, циркуляция, изменчивость / В. К. Ожигин,

B. А. Ившин, А. Г. Трофимов и др. Мурманск: Изд. ПИНРО, 2016. 260 с.

Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 1. Баренцево море. Вып. 2. Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 181 с.

Жизнь и условия ее существования в пелагиали Баренцева моря. Апатиты: Изд. КФ АН СССР, 1985. 218 а

Климат морей Западной Арктики в начале XXI века / Г. Г. Матишов, С. Л. Дженюк, А. П. Жичкин, Д. В. Моисеев // Изв. РАН. Сер. географ. 2011. № 3.

C.17-32.

Норина А. М. Гидрохимическая характеристика северной части Баренцева моря // Тр. ГОИН. 1965. Вып. 83. С. 243-272.

Руководство по химическому анализу морских вод. Руководящий документ. Л.: Гидрометеоиздат, 1993, 263 с.

Химические процессы в экосистемах северных морей (гидрохимия, геохимия, нефтяное загрязнение) / Г. Г. Матишов, Л. Г. Павлова, Г. В. Ильин и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1997. 404 с.