Модификация опресненных вод на шельфе моря Лаптевых: связь изотопных параметров и солености

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена проблеме оценки вклада вод речного стока в морские воды Арктического шельфа, где на фоне опреснения интенсивно протекают процессы замерзания и таяния опресненных вод. Предложена модель смешения-модификации вод, которая учитывает формирование морского льда из опресненных вод на шельфе. Модель применена для интерпретации данных, полученных по материалам 63 и 69 рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш» (2015 и 2017 гг.).

Для вод шельфа моря Лаптевых в районе исследований установлено два источника водных масс — атлантических вод и вод реки Лены. Однако воды в данной зоне шельфа модифицированы, т.е. имеют более высокую соленость, чем ту, которая соответствует смешению двух установленных компонентов. Присутствие модифицированных вод, поступающих с шельфа моря Лаптевых, прослеживается в зоне континентального склона. Опреснение в зоне континентального склона достигает 15–27% и затрагивает глубины не более 20 м, на глубинах более 50 м оно практически исчезает.

Для расчета доли речного стока в модифицированных водах предложена модель смешения-модификации. Полученные данные были использованы для расчета доли речных вод по предложенной модели и по общепринятой модели трехкомпонентного смешения, опубликованной в работе Ostlund, Hut (1984). Сравнение результатов, полученных для шельфа моря Лаптевых при расчетах по обеим моделям, показало, что применение модели трехкомпонентного смешения к модифицированным водам приводит к завышению оценок вклада речных вод, которое может достигать 20%.

Предложен критерий, по которому каждый образец опресненных вод может быть отнесен к области применения либо модели смешения-модификации, либо модели трехкомпонентного смешения. При таком комплексном подходе расчеты будут освобождены от получения нереальных и отрицательных величин долей компонентов смеси, а также от завышенных оценок вклада речного компонента.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. О. Дубинина

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: elenadelta@gmail.com
Россия, 119017, г. Москва, Старомонетный пер., д.35

А. Ю. Мирошников

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Email: elenadelta@gmail.com
Россия, 119017, г. Москва, Старомонетный пер., д.35

С. А. Коссова

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Email: elenadelta@gmail.com
Россия, 119017, г. Москва, Старомонетный пер., д.35

С. А. Щука

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: elenadelta@gmail.com
Россия, 117997, г. Москва, Нахимовский пр-т, д.36

Список литературы

  1. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Мирошников А.Ю., Фяйзуллина Р.В. (2017а) Изотопные (δD, δ18O) параметры и источники опресненных вод Карского моря. Океанология 57(1), 38–48.
  2. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Мирошников А.Ю., Кокрятская Н.М. (2017b) Изотопная (δD, δ18O) систематика вод морей арктического сектора России. Геохимия (11), 1041–1052.
  3. Dubinina E. O., Kossova S. A., Miroshnikov A. Yu., Kokryatskaya N. M. (2017) Isotope (δD, δ18О) Systematics in Waters of the Russian Arctic Seas. Geochem. Int. 55(11), 1022–1032.
  4. Зацепин А.Г., Кременецкий В.В., Кубряков А.А., Станичный С.В., Соловьев Д.М. (2015) Распространение и трансформация вод поверхностного опресненного слоя в Карском море. Океанология 55(4), 502–513.
  5. Мамаев О.И. (1987) Термохалинный анализ вод Мирового океана. Л: Гидрометеоиздат, 296 с.
  6. Aagard K. (1989) The Role of Sea Ice and Other Fresh Water in the Arctic Circulation. J. Geophys. Res. 94(10), 14485–14498.
  7. Bauch D., Cherniavskaya E., Timokhov L. (2016) Shelf basin exchange along the Siberian continental margin: Modification of Atlantic Water and Lower Halocline Water. Deep-Sea Res. I. 115, 188–198.
  8. Bauch D., Groger M., Dmitrenko I., Holemann J. et al. (2011) Atmospheric controlled freshwater release at the Laptev Sea continental margin. Polar Res. 30, 5858.
  9. Bauch D., Hölemann J.A., Dmitrenko I.A. et al. (2012) Impact of Siberian coastal polynyas on shelf-derived Arctic Ocean halocline waters. J. Geophys. Res. 117.
  10. Bauch D., Torres-Valdes S., Polyakov I., Novikhin A., Dmitrenko I., McKay J., Mix. A. (2014) Halocline water modification and along-slope advection at the Laptev Sea continental margin. Ocean Sci. 10, 141–154.
  11. Bauch, D., & Cherniavskaia, E. (2018) Water mass classification on a highly variable arctic shelf region: Origin of Laptev sea water masses and implications for the nutrient budget. J. Geophys. Res.: Oceans. 123. https://doi.org/10.1002/ 2017JC013524
  12. Bauch, D., H. Erlenkeuser, and N. Andersen (2005), Water mass processes on Arctic shelves as revealed from 18O of H2O. Glob.Planet.Change. 48, 165–174.
  13. Bauch, D., Hölemann J., Nikitina A., Wegner C., Janout M., Timokhov L.A, Kassens H. (2013) Correlation of river water and local sea-ice melting on the Laptev Sea shelf (Siberian Arctic). J. Geophys. Res. 118, 550–561.
  14. Bauch, D., Hölemann J., Willmes S., Gröger M., Novikhin A., Nikulina A., Kassens H., Timokhov L. (2010) Changes in distribution of brine waters on the Laptev Sea shelf in 2007, J. Geophys. Res. 115, C11008.
  15. Bauch, D., Schlosser, P., Fairbanks, R.F. (1995) Freshwater balance and the sources of deep and bottom waters in the Arctic Ocean inferred from the distribution of H218O. Prog. Oceanogr. 35, 53–80.
  16. Cooper L.W., McClelland J.W., Holmes R.M., Raymond P.A., Gibson J.J., Guay C.K., Peterson B.J. (2008) Flow-weighted values of runoff tracers (d18O, DOC, Ba, alkalinity) from the six largest Arctic rivers, Geophys.Res.Lett. 35, L18606.
  17. Cox G.F.N., Weeks W.F. Salinity variations in sea ice (1974) J. Glac. 13(67), 109–120.
  18. Craig H., Gordon L. (1965) Deuterium and oxygen-18 variations in the ocean and the marine atmosphere. In: Stable Isotopes in Oceanographic Studies and Paleotemperatures, Spoletto, Italy. (Ed. Tongiogi E.V., Lishi E. F., Pisa.), 9-130.
  19. Craig H. (1961) Isotopic variations in meteoric waters. Science. 133, 1702–1703.
  20. Dickson R.R., Brown J. (1994) The production of North Atlantic Deep Water: Sources, rates, and pathways. J. Geophys. Res. 99(6), 12319–12341.
  21. Dittmar T., Kattener G. (2003) The biogeochemistry of the river and shelf ecosystem of the Arctic Ocean: a review. Marine Chem. 83, 103–120.
  22. Ekwurzel B., Schlosser P., Mortlock R., Fairbanks R. (2001) River runoff, sea ice meltwater, and Pacific water distribution and mean residence times in the Arctic Ocean. J. Geophys. Res. 106(C5), 9075–9092.
  23. Frew R.D., Dennis P.F., Heywood K.J. et al. (2000) The oxygen isotope composition of water masses in the northern North Atlantic. Deep-Sea Res. 47, 2265–2286.
  24. Gordeev V.V., Martin J.M., Sidorov I.S., Sidorova M.V. (1996) A reassessment of the Eurasian river input of water, sediment, major elements, and nutrients to the Arctic Ocean. Amer. J. Sci. 296, 664–691.
  25. Greiwank P.J., Notz D. A 1-D modelling study of Arctic sea-ice salinity (2015) The Cryosphere. 9, 305–329.
  26. Holmes, R.M., J.W. McClelland, S.E. Tank, R.G.M. Spencer, and A.I. Shiklomanov (2018) Arctic GRO. Water Quality Dataset. https://www.arcticgreatrivers.org/data
  27. Horita J., Wesolowski D.J., Cole D.R. (1993a) The activity-composition relationship of oxygen and hydrogen isotopes in aqueous salt solutions: I. Vapor-liquid water equilibration of single salt solutions from 50 to 100°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 57, 2797–2817.
  28. Horita, J., Cole D.R., Wesolowski D.J. (1993b) The activity-composition relationship of oxygen and hydrogen isotopes in aqueous salt solutions: II. Vapor-liquid water equilibration of mixed salt solutions from 50 to 100°C and geochemical implications. Geochim. Cosmochim. Acta. 57, 4703–4711.
  29. Johnson M.A., Polyakov I.V. (2001) The Laptev Sea as a source for recent Arctic Ocean salinity changes. Geophys. Res. Lett. 28(10), 2017–2020
  30. Jones E.P., Rudels B., Anderson L.G. (1995) Deep water of the Arctic ocean: origins and circulation. Deep-Sea Res. 42(5), 737–760.
  31. Laukert G., Frank M., E.C. Hathorne, T. Krumpen, Ben Rabe, D. Bauch, K. Werner, I. Peeken and H. Kassens. (2017) Pathways of Siberian Freshwater and Sea Ice in the Arctic Ocean Traced with Radiogenic Neodymium Isotopes and Rare Earth Elements. Polarforschung. 87(1), 3–13.
  32. Lehmann M., Siegenthaler U. (1991) Equilibrium oxygen- and hydrogen-isotope fractionation between ice and water. J.Glac. 37, 23–26.
  33. Létolle R., Martin J., Thomas A., Gordeev V., Gusarova S., Sidorov I. (1993) 18O abundance and dissolved silicate in the Lena delta and Laptev Sea (Russia). Marine Chem. 43, 47–64.
  34. Mueller-Lupp T., Erlenkeuser H., Bauch H.A. (2003) Seasonal and interannual variability of Siberian river discharge in the Laptev Sea inferred from stable isotopes in modern bivalves. Boreas. 32(2), 292–303.
  35. Mysak L.A., Stoker T.F., Huang F. (1993) Century-scale variability in a randomly forced, two-dimensional thermohaline ocean circulation model. Climate Dynamiccs. 8, 103–116.
  36. Ostlund H.G., Hut G. (1984) Arctic Ocean Water Mass Balance from Isotope Data. J. Geophys. Res. 89, 6373–6381.
  37. Peterson R.G. (1989) The Subantarctic and Polar Fronts in Reletion to Deep Water Masses Through the Southwestern Atlantic. J. Geophys. Res. 94(8), 10817–10838.
  38. Redfield A.C., Friedman I. (1969) The effect of meteoric water, melt water and brine on the composition of polar sea water and of the deep waters of the ocean. Deep-Sea Res. 16, 197–214.
  39. Shiklomanov, A.I., R.M. Holmes, J.W. McClelland, S.E. Tank, and R.G.M. Spencer (2018) Arctic GRO. Discharge Dataset. https://www.arcticrivers.org/data
  40. Schlosser P., Bauch D., Fairbanks R., Bonisch G. (1994) Arctic river-runoff: mean residence time on the shelves and in the halocline. Deep-Sea Res. 41(7), 1053–1068.
  41. Thibodeau, B., D. Bauch, H. Kassens, and L. A. Timokhov (2014) Interannual variations in river water content and distribution over the Laptev Sea between 2007 and 2011: The Arctic Dipole connection, Geophys. Res. Lett. 41, 7237–7244.
  42. Truesdell A. H. (1974) Oxygen isotope activities and concentrations in aqueous salt solutions at elevated temperatures: Consequences for isotope geochemistry. Earth Planet. Sci. Lett. 23, 387–396.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расположение станций на шельфе моря Лаптевых в 63-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш», 2015 г.

Скачать (127KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Расположение станций на шельфе моря Лаптевых в 69-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш», 2017 г.

Скачать (123KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Воды шельфа моря Лаптевых на δ18О-δD диаграмме. Пунктир (MWL) – линия метеорных вод Крейга (Craig, 1961), AW и «Лена» — параметры Атлантических вод и речного стока Лены (Дубинина и др., 2017).

Скачать (37KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Связь температуры и солености вод на шельфе моря Лаптевых: сплошные линии – данные рейса 2015 года (ст. 5215–5224), пунктир – данные рейса 2017 года (ст. 5592–5596).

Скачать (45KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Связь изотопного состава кислорода и солености вод на шельфе моря Лаптевых по материалам экспедиций 2015 и 2017 гг. Изотопные параметры Атлантических вод и речного стока Лены приведены согласно работе (Дубинина и др., 2017).

Скачать (56KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Расчет доли талого льда по модели трехкомпонентного смешения (TCM, Ostlund, Hut, 1984) для вод шельфа моря Лаптевых.

Скачать (57KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Доля сформированного и удаленного льда, рассчитанная по модели смешения-модификации (ММ) для вод шельфа моря Лаптевых (а), для верхних горизонтов вод континентального склона моря Лаптевых (б).

Скачать (98KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Оценка доли пресного компонента с изотопными параметрами стока реки Лены в области континентального склона по модели ММ. Стрелка – направление на север от шельфа.

Скачать (50KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Распределение доли речной воды в зависимости от глубины на шельфе моря Лаптевых: (а) – расчет по модели ММ, (б) – по модели ТСМ. Обозначения: 1 – образцы шельфовых вод, отобранные в 2015 г., 2 – образцы шельфовых вод, отобранные в 2017 г., 3 – образцы верхних горизонтов станций, расположенных в зоне континентального склона (5225–5227).

Скачать (123KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Сравнение оценок доли речного стока для вод шельфа моря Лаптевых, полученных по моделям: f(r) – трехкомпонентного смешения (TCM), х(r) – модели смешения-модификации (ММ). Обозначения: 1 – образцы шельфовых вод, отобранные в 2015 г., 2 – образцы шельфовых вод, отобранные в 2017 г., 3 – образцы верхних горизонтов станций, расположенных в зоне континентального склона (5225–5227).

Скачать (53KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость расхождения оценок вклада речного стока между моделями ТСМ и ММ от доли речного стока (а) и доли сформированного льда (б).

Скачать (96KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2019