Прибор учета латерального потока осадочного вещества

Аннотация

Разработан и апробирован новый седиментационный прибор — «прибор учета латерального потока осадочного вещества», предназначенный для отбора проб вещества, перемещающегося в водной толще в латеральных направлениях. Прибор можно с успехом использовать для решения седиментологических, биологических, экологических задач, в том числе мониторинга переноса твердых загрязняющих веществ.

Полный текст

Исследования потоков рассеянного осадочного вещества в глубинах Мирового океана в последние десятилетия становятся приоритетной задачей, которая напрямую связана с проблемой глобальных климатических изменений. Вертикальные потоки вещества изучаются седиментационными ловушками различных моделей [5, 8–10, 17, 18]. Латеральные потоки рассеянного вещества в толще воды исследуются методами, основанными на скоростях течений воды и концентраций взвеси на заданных горизонтах [4, 6]. Прибор учета латерального потока осадочного вещества (ПУЛПОВ [7]) позволяет во времени изучать процессы прохождения и преобразования взвешенных частиц в водной толще, измерять количество и состав вещества, поступающего в бассейны седиментации. Учет латерального перемещения тонкого осадочного вещества важен еще и потому, что это определяющий процесс, поддерживающий энергетический баланс как в водной толще, так и на морском дне. Латеральные потоки вещества (в том числе поллютантов) являются важной частью мониторинга антропогенных загрязнений морской среды.

Изучение потоков рассеянного осадочного вещества в морях (мг через м ² в сутки (год, приливо-отливный цикл или др. временной интервал) — это новое направление в науках о процессах в океане, возможность получения прямых in situ количественных и качественных характеристик этих процессов во времени. Таким образом реализуется возможность развития четырехмерной седиментологии. Прибор найдет применение не только в море, но также и при исследовании озер, водохранилищ и крупных речных систем.

СХЕМА ПРИБОРА, МЕТОД ПОСТАНОВКИ И ИЗМЕРЕНИЯ

ПУЛПОВ представляет собой два сквозных цилиндра с диаметром входного отверстия 4 см и внутренней приемной камерой диаметром 6 см (рисунок). На входе в цилиндр устанавливалось мельничное сито с диаметром ячеи 500 мкм (для исключения заплыва живых организмов, способных исказить результаты). На выходе из цилиндра устанавливалось мельничное сито с диаметром ячеи 26 мкм. Прибор уравновешивался грузом весом 2.6 кг вдоль нижней плоскости и пенопластовым поплавком (подъемной силы 2.2 кг) вдоль верхней плоскости прибора. ПУЛПОВ устанавливается на растяжке. Растяжка представляет собой два вертикальных линя с якорями в 30 кг и двумя буями (рисунок). Первый буй подъемной силы 13 кг для поддержания вертикальности линя, второй буй подъемной силы 0.2 кг маркерный. ПУЛПОВ на веревках с тяжелыми такелажными скобами вдоль маркерных линей опускается до подъемных буев с закрытыми крышками. После установки такелажных скоб на подъемные буи прибор за маркерный фал поднимается на судно, где заполняется дистиллированной водой и с закрытыми крышками погружается на глубину 0.5 м. В подводных условиях крышки снимаются, и прибор опускается на исследуемый горизонт. Подъем прибора осуществляется за маркерный фал до глубины 0.5 м, где устанавливаются крышки. В лабораторных условиях вода из цилиндров сливается через сливные отверстия, а прибор промывается дистиллированной водой.

Рис. Схема прибора учета латерального потока вещества и способа его установки. Цифры на схеме: 1 — якорь; 2 — маркерный фал; 3 — линь; 4 — подъ-емный буй; 5 — маркерный буй; 6 — прибор ПУЛПОВ; 7 — крышки; 8 — концевой груз; 9 — пенопластовый поплавок; 10 — мельничное сито Ø ячеи 500 мкм; 11 — мельничное сито Ø ячеи 26 мкм; 12 — приемная камера; 13 — сливное отверстие.

Пробы воды из ПУЛПОВ лучше фильтровать через фильтры (лавсановые, стекловолокнистые и т. п.) и обрабатывать в зависимости от задач исследований, так как количество осадочного вещества в цилиндрах не превышает первых миллиграмм.

Вещество, накопившееся в приборе, служило основой для оценки латерального потока вещества. Латеральный поток вначале оценивался через один квадратный метр вертикальной плоскости в конкретной точке бухты за единицу времени (час), а затем пересчитывался на вертикальное сечение шириной в один метр от поверхности до дна (далее 1 м сечения бухты) в той же конкретной точке бухты за сутки. При этом мы вносим допущение, что при небольшой глубине моря с однородной толщей воды существенных различий в движении воды внутри водного столба нет, за исключением самого верхнего (пленочного) и нижнего (илового) слоев воды.

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПРИБОР

Экспериментальные исследования были выполнены 4–5 июля 2016 г. в южном борту бухты Оскара. Станция располагалась на 69°07.141’ с. ш., 36°04.084’ в. д., глубина моря 12 м, прибор устанавливался в 5 м от дна, температура воды на горизонте 8.8°С, соленость 30.2‰. Эксперимент проводился на гипсовых шарах. Использование гипсовых структур для регистрации движения водной массы были впервые предложены Моусом [16] и апробированы в 70–80-х гг. прошлого века отечественными и зарубежными исследователями [1–3, 11–15].

Гипсовые шары диаметром 3.5 см и весом 35–38 г изготовлялись из строительного алебастра. Пригодность использования гипсовых шаров диаметром 3–4 см и весом 30–40 г для регистрации «фоновой» подвижности воды в масштабе десятков метров были обоснованы многими исследователями [2, 3, 11, 15]. В работе Хайлова с соавторами [12] было показано, что внутри пластиковых труб скорость вымывания-растворения гипсовых структур достоверно не отличается от скорости вымывания-растворения этих же структур за пределами пластиковых труб, даже при условии искусственного уменьшения внутреннего диаметра труб.

Всего было изготовлено 4 шара, два помещались в цилиндры и подвешивались в приемной камере на капроновой нити, один шар помещался в чистую закрытую емкость с морской водой (для определения растворимости гипса в морской воде), которая закреплялась над прибором. Последний шар закреплялся в 15 см от боковой поверхности прибора. Эксперимент длился 24 часа, после подъема прибора все шары извлекались и помещались в термостат при температуре 26–28°С, где высушивались до постоянного веса.

Контрольный шарик № 4, помещенный в закрытую емкость с морской водой, потерял в весе около 1.5% (таблица), растворение составило 14 мг/сут с 1 г гипса. Контрольный шарик № 3, расположенный рядом с прибором, в целом потерял в весе около 12.5%, с учетом растворения гипса вымывание составило около 11% (таблица). Потеря веса у двух гипсовых шариков, помещенных внутрь прибора, не имеет достоверных отличий, несмотря на то, что шарик № 1 помещался в цилиндр, где ток воды осуществлялся с востока на запад, а шарик № 2 — с запада на восток. Оба шарика потеряли в весе около 4%, с учетом растворения гипса вымывание составило чуть более 2.5% (таблица).

Таблица. Изменение веса гипсовых шаров за 24 часа

№	Вес, грамм		Потеря веса
	Начальный	Конечный	Общая		Растворение		Вымывание
			мг	%	мг	%	мг	%
1	37.73	36.21	1520	4.1	535	1.4	985	2.7
2	36.90	35.46	1440	4.0	520		920	2.6
3	38.57	33.73	4840	12.5	550		4290	11.1
4	34.92	34.43	490	1.4	490		0	0

Таким образом, в приборе ПУЛПОВ движение воды происходит медленней, чем в толще воды. При этом изначально и предполагалось, что в приемной камере движение воды замедлится и частицы ВВ осядут, а тонкое мельничное сито не позволит увеличиться скорости течения воды при уменьшении диаметра выходного отверстия. При этом приемные камеры имеют разное направление входного отверстия: первая ориентировалась с запада на восток, вторая — с востока на запад. Следовательно, можно предположить, что в одну приемную камеру вода заходит только с приливным течением, а в другую с отливным, так как тонкое мельничное сито является препятствием для вхождения воды снаружи и не препятствует выходу из приемной камеры в результате дополнительного давления за счет сужения выходного отверстия. Тогда, вероятно, скорость прохождения воды через прибор не более чем в два раза медленнее, чем за пределами прибора.

НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ПРИБОРА

Исследования латерального потока вещества в толще воды проводили в июле–сентябре 2016 г. в южном (69°07.114’ с. ш., 36°04.202’ в. д., глубина моря 12 м) и северном (69°07.152’ с. ш., 36°04.753’ в. д., глубина моря 12 м) борту бухты Оскара губы Дальнезеленецкая Баренцева моря. В губе Чупа в июне 2016 г. в бухте Круглая (66°20.193’ с. ш., 33°38.313’ в. д., глубина моря 20 м) и в октябре 2016 г. в проливе о-ва Феттах (66°20.126’ с. ш., 33°38.940’ в. д., глубина моря 12 м). Приборы устанавливали в 5 м от морского дна и ориентировали вдоль береговой линии в бухте Оскара и проливе о-ва Феттах, а в бухте Круглая — вдоль длинной оси. Всего получено 12 проб из ПУЛПОВ.

При объеме приемной камеры прибора 0.7 л и площади входного отверстия прибора 0.00126 м ² получены следующие фактические данные.

В бухте Круглая за 4 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 1.9–2.7 мг взвешенного вещества (ВВ) при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.5 мг/л. Если пересчитать латеральный поток через 1 м ², то он составит 99–140 мг ВВ в час. За 5 ч отливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 2.1–3.5 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.62 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составит 99–186 мг ВВ в час. Таким образом, через 1 м сечения бухты в сутки в латеральном направлении перемещается около 32 г вещества, а это в 60 раз больше, чем масштаб вертикального потока в данной точке [6].

В проливе о-ва Феттах за 7 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 1.6 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.64 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 55 мг ВВ в час. За 6 ч отливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 3.0 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.78 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 99 мг ВВ в час. Через 1 м сечения пролива в сутки в латеральном направлении перемещается 22 г ВВ, а это в 50 раз больше, чем масштаб вертикального потока [6].

В северном борту бухты Оскара за 12 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 5.5 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.70 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 163 мг ВВ в час. За 11 ч отливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 6.8 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.83 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 205 мг ВВ в час. Таким образом, через 1 м сечения вдоль северного борта губы в сутки в латеральном направлении перемещается 53 г ВВ, а это в 100 раз больше, чем масштаб вертикального потока в данной точке [6].

В 3 экспериментах в южном борту бухты Оскара за 10–13 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задерживалось от 3.1 до 8.3 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.83–0.87 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 113–222 мг ВВ в час. За 11–12 ч отливной стадии задерживалось от 3.7 до 6.7 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.86–1.0 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 93–275 мг ВВ в час. За сутки вдоль южного борта бухты через метр сечения в латеральном направлении перемещалось от 24 до 70.5 г ВВ, а это в 60–210 раз больше, чем масштаб вертикального потока в данной точке [6].

Таким образом, прибор работает при разных периодах экспозиции и при разных содержаниях ВВ в толще воды, а первые рекогносцировочные данные позволяют уверенно говорить о том, что масштаб латерального потока вещества в десятки раз больше (50–210), чем вертикальный поток ВВ.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках темы НИР ММБИ КНЦ РАН: 9-18-03 (№ госрегистрации АААА-А18-118030690060-6).