Approbation of a climate monitoring system based on moored platforms, observatories and shipboard studies in the 96th cruise of the research vessel “Akademik Mstislav Keldysh”

封面

如何引用文章

全文:

详细

In the tenth multidisciplinary expedition under the geosystems research program of the Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences “European Arctic: Geological Record of Environmental and Climate Change” to the Barents and Kara seas in July–August 2024, new data on atlantification and methane emission were obtained on the Eurasian Western Arctic Shelf. The research is aimed at developing a National system for monitoring climate change and climate-active substances based on the use of moored autonomous platforms, observatories, and vessel based observations.

全文:

96-й рейс научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш” (25.07–31.08.2024) стал десятой экспедицией по программе Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН) “Европейская Арктика: геологическая летопись изменений среды и климата”. Фундаментальная задача экспедиций, инициированных академиком А.П. Лисицыным в 2015 г., – исследование осадкообразования в Европейском секторе Арктики, что позволит понять изменения климата в северном полушарии за последние 15–20 тыс. лет и изучить наблюдаемые сегодня климатические перемены в Северном Ледовитом океане и Европе. Обоснование ведущей роли океана в изменениях климата Земли на декадном масштабе времени [5] дает возможность прогноза глобального и регионального климата в ближайшем будущем на основе исследования внутренней изменчивости океана в зависимости от синоптической и мезомасштабной динамики вод. Следовательно, для прогноза климатических изменений в Арктике необходима организация долговременного мониторинга термодинамических и биогеохимических характеристик океана [1], в первую очередь, в Европейской Арктике – ключевом регионе климатической системы северного полушария [7], включая северную часть Баренцева моря – горячую точку глобального потепления [8]. Моря Европейской Арктики имеют непосредственную связь с Северной Атлантикой и Арктическим (Полярным) бассейном, где взаимодействуют воды атлантического и арктического происхождения. Процессы водообмена в этом регионе определяют климат и условия окружающей среды не только в “арктическом средиземноморье”, но и в западной части Евразии.

Многодисциплинарное исследование системы “донные осадки–водная толща–приводный слой атмосферы” было главной задачей экспедиции и имело три направления работ: 1) апробация методики работы заякоренной автономной гидрометеорологической платформы (метеобуй) “Sea–Air–Wave Station” (SAWS), разработанной в ИО РАН [10]; 2) три постановки модернизированных автоматических глубоководных седиментационных обсерваторий (АГОС), разработанных в ИО РАН; 3) судовые наблюдения – 183 комплексные станции и 5377 морских миль непрерывных наблюдений по маршруту судна (рис. 1). В работах участвовали 67 специалистов, аспирантов и студентов из ИО РАН, Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, ФИЦ “Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского РАН”, Геологического института РАН, Географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии.

 

Рис. 1. Карта маршрута экспедиции и океанологических станций в июле–августе 2024 г.: 1 – комплексные станции, 2 – SAWS, 3 – АГОС, 4 – маршрут судна, 5 – векторы течений (длина вектора отражает скорость течения), 6 – ледяной покров 05 августа, 7 – ледяной покров 15 августа, 8 – границы Российской и Норвежкой экономических зон и рыбоохранной зоны вокруг Шпицбергена. Векторы течений построены по [6] на основе реанализа, http://bulletin.mercator-ocean.fr/en/PSY4#3/75.50/-51.33. Ледяной покров показан по данным Норвежского метеорологического института, https://cryo.met.no. Батиметрическая основа по GEBCO, https://www.gebco.net.

 

Исследования проводились в северной части Баренцева моря от 76°42′ с. ш. вплоть до 82°09′ с. ш. на южной периферии котловины Нансена, на шельфе Северного Шпицбергена, в Карском и Печорском морях. Для изучения климатически активных веществ (парниковые газы, атмосферный аэрозоль и черный углерод) на борту судна непрерывно работали аэрозольная станция и газоаналитический комплекс. Работы на разрезах, пересекающих краевые шельфовые желоба-троги Франц-Виктория, Квитойя, Святой Анны и Воронина, а также северный континентальный склон и Восточно-Баренцевоморскую впадину выполнялись для изучения сезонных особенностей распространения и характеристик воды атлантического происхождения (АВ), ее взаимодействия с арктической водой и трансформацию по пути распространения в восточном направлении. Температура фрамовской ветви АВ была на ~2°C выше летней среднеклиматической и соответствовала таковой для позднеосеннего сезона [6]. Проводится изучение влияния АВ на процессы седиментации и климатические события переходного периода от позднего плейстоцена к голоцену на севере Баренцева и Карского морей по данным анализа новых разрезов отложений, полученных в ключевых точках краевых шельфовых желобов-трогов.

Проведено испытание SAWS в северо-восточной части Баренцева моря в точке с координатами 78°32.8′ с. ш. и 57°41.0′ в. д. и глубиной постановки 164 м. SAWS проработала в автоматическом режиме мониторинга метеорологических и гидрологических параметров среды, а также концентраций метана и диоксида углерода в воздухе в течение 19 сут до запланированного подъема. Апробированная в рейсе конфигурация SAWS станет основой для развития системы подобных платформ в субполярной Северной Атлантике и морях России на втором этапе (2025–2030) реализации Важнейшего инновационного проекта государственного значения (ВИП ГЗ) “Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ” [3].

Выполнены постановки АГОС на период от 3.4 до 19 сут, на севере Баренцева моря для изучения сезонных потоков осадочного вещества и условий среды под влиянием фрамовской ветви АВ с помощью седиментационных ловушек, измерителей течений и регистраторов параметров водной толщи (температуры, солености, мутности и др.). АГОС, установленные в Восточно-Баренцевоморской впадине, позволили изучить условия седиментации под влиянием глубинного теплого течения желоба Святой Анны, поступающего из Полярного бассейна; АГОС в троге Квитойя – под влиянием подповерхностной АВ, поступающей на северо-западный шельф Баренцева моря. Годовые постановки АГОС станут важным компонентом национальной системы мониторинга на втором этапе реализации ВИП ГЗ.

Учитывая высокий нефтегазовый потенциал региона, шельф может быть источником естественной эмиссии метана в атмосферу. При этом холодные воды арктических морей являются мощным поглотителем диоксида углерода из атмосферы. Установлена положительная связь между концентрацией метана в приводном воздухе и температурным профилем воздушной массы, что позволило выявить поступление насыщенного метаном относительно теплого воздуха с материка. На банке Ушакова, в троге Хинлопен (шельф Северного Шпицбергена), Печорском море и Приямальской части Южно-Карского шельфа исследовались районы разгрузки метансодержащих флюидов.

Изучен район холодных метановых сипов на 80°30′ с. ш. на глубинах ~500 м в троге Хинлопен. С помощью видеомодуля [4] установлены бактериальные маты на поверхности дна, а в водной толще наблюдались “газовые факелы” до ~100 м высотой. Однако на границе вода–воздух признаки эмиссии метана не фиксировались. Повышение концентрации метана (более 2020 ppb) в приводном слое атмосферы региона связаны с поступлением воздушных масс со стороны Скандинавии.

Следствием деградации субаквальной мерзлоты и струйной дегазации углеводородов над нефтегазовыми залежами стали многочисленные бугры пучения (пинго-подобные формы рельефа) в Печорском море [2] – наименее изученные проявления дегазации в рельефе морей. Колонками вскрыты газонасыщенные осадки с тонкими шлирами льда бугра пучения диаметром 160–170 м.

На Приямальском шельфе на 71°51′ с. ш. впервые обнаружено поле холодных метановых сипов на глубине ~50 м с бактериальными матами на поверхности осадка. Потоки метана на границе вода–воздух превышали 200 мкг СН4 ‧ м–2 ‧ ч–1, что указывает на локальную эмиссию метана в атмосферу. Концентрация метана в приводном воздухе Приямальского шельфа на высоте 19 м над урезом воды достигала 2257 ppb. Причиной эмиссии являются малые глубины шельфа и деградация субаквальных многолетнемерзлых пород [9], начавшаяся ~19 тыс. лет назад и, вероятно, активизировавшаяся в настоящее время – в период беспрецедентной скорости глобального потепления.

Благодарности. Авторы благодарят капитана Ю.Н. Горбача и экипаж судна и всех членов экспедиции за помощь и активное участие в проведении исследований.

Источники финансирования. Рейс поддержан Минобрнауки РФ. Работа выполнена по госзаданию в рамках темы НИР № FMWE-2024-0020. Отдельные исследования поддержаны Российским научным фондом, гранты № 20-17-00157-П, https://rscf.ru/project/20-17-00157/ (изучение разгрузки метансодержащих флюидов); 23-77-30001, https://rscf.ru/project/23-77-30001/ (работы с помощью заякоренных автоматических платформ и обсерваторий); 24-17-00044, https://rscf.ru/project/24-17-00044/ (изучение изменений палеосреды).

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

作者简介

M. Kravchishina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Klyuvitkin

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Novigatsky

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

А. Gavrikov

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

D. Pestunov

V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics, Russian Academy of Science, Siberian Branch

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Tomsk

Yu. Shtabkin

A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

V. Ivanov

Lomonosov Moscow State University

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Schuka

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Ambrosimov

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

N. Politova

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

I. Anisimov

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

B. Baranov

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

E. Novichkova

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

N. Kozina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Matul

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

S. Gulev

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: kravchishina@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

  1. Гулев С.К. Глобальные изменения климата и Мировой океан // Проблемы прогнозирования. 2023. № 6. С. 25–36.
  2. Мельников В.П., Спесивцев В.И., Куликов В.Н. О струйной дегазации углеводородов как источнике новообразований льда на шельфе Печорского моря // Итоги фундаментальных исследований криосферы Земли / Е.С. Мельников (отв. ред.). Новосибирск: Наука. Сибирское Предприятие РАН, 1997. С. 259–269.
  3. Решетников М.Г. Климатическая политика в России: Наука, технологии, экономика // Проблемы прогнозирования. 2023. № 6. С. 6–10.
  4. Римский-Корсаков Н.А., Флинт М.В., Поярков С.Г. и др. Развитие технологии комплексных инструментальных подводных наблюдений применительно к экосистемам Российской Арктики // Океанология. 2019. Т. 59. № 4. С. 679–683.
  5. Gulev S., Latif M. The origins of a climate oscillation // Nature. 2015. V. 521. P. 428–430.
  6. Ivanov V.V., Tuzov F.K. Formation of dense water dome over the Central Bank under conditions of reduced ice cover in the Barents Sea // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2021. 103590. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2021.103590
  7. Koppers A.A.P., Coggon R. eds. Exploring Earth by Scientific Ocean Drilling: 2050 Science Framework. 2020. 124 p. https://doi.org/10.6075/J0W66J9H
  8. Lind S., Ingvaldsen R.B., Furevik T. Arctic warming hotspot in the northern Barents Sea linked to declining sea-ice import // Nature Climate Change. 2018. V. 8. № 7. P. 634–639.
  9. Semenov P., Portnov A., Krylov A. et al. Geochemical evidence for seabed fluid flow linked to the subsea permafrost outer border in the South Kara Sea // Geochemistry. Chemie Der Erde. 2020. V. 80. № 3. doi: 10.1016/j.chemer.2019.04.005.
  10. Sharmar V.D., Tereschenkov V.P., Gavrikov A.V. et al. Moored meteorological buoy as part of national green-house monitoring system in the Barents Sea // Oceanology. 2025. V. 65. № 1. P. 161–166.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Map of the expedition route and oceanographic stations in July–August 2024: 1 – integrated stations, 2 – SAWS, 3 – AGOS, 4 – vessel route, 5 – current vectors (vector length reflects current speed), 6 – ice cover on August 5, 7 – ice cover on August 15, 8 – boundaries of the Russian and Norwegian economic zones and the fishery protection zone around Spitsbergen. Current vectors are constructed according to [6] based on reanalysis, http://bulletin.mercator-ocean.fr/en/PSY4#3/75.50/-51.33. Ice cover is shown according to data from the Norwegian Meteorological Institute, https://cryo.met.no. Bathymetric basis according to GEBCO, https://www.gebco.net.

下载 (1MB)
索引源数据

版权所有 © Russian academy of sciences, 2025