Distribution, fluxes and balance of particulate organic carbon in the Arctic ocean

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Взвешенный органический углерод (ВОУ) в природных водоемах является транзитной формой потока углерода в системе “биосинтез (+ поступление углерода в водоем с суши) — деструкция (разложение, растворение) — захоронение на дне”. Содержание и распределение ВОУ отражают продукционно-деструкционные процессы, геохимические и биогеохимические потоки (перенос, осаждение, перераспределение, турбидизация, захоронение, биотурбация и др.), особенности углеродного цикла, определяют оптические свойства морской воды [9, 11, 23, 27]. Изучение водной взвеси, содержания и состава ее органического вещества (ОВ) необходимо для познания биогеохимии процессов всей системы, включая осадконакопление и накопление исходного для нефтегазообразования ОВ, экологической оценки акватории [4, 23]. Рассмотрение потоков углерода тесным образом связано с океанской термогалинной циркуляцией вод и влиянием Северного Ледовитого океана (СЛО) на ее формирование. Существует большое число работ, посвященных изучению распределения и потоков ВОУ в СЛО [16, 28, 29 и др.], однако отсутствует общая картина потоков углерода на различных глубинах.

В настоящей работе сделана попытка построить картину распределения и потоков ВОУ в Северном Ледовитом океане с учетом взаимообмена с прилегающими акваториями (Атлантический и Тихий океаны). Работа основана на данных о водообмене и накопленных данных по концентрациям ВОУ в различных водах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исходными данными для анализа распределения и потоков ВОУ в СЛО послужили 3360 определений ВОУ, включающие данные авторов и из банков данных CARBON (Институт океанологии им. П. П. Ширшова, РАН) и PANGAEA (Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research and the Center for Marine Environmental Sciences, University of Bremen).

Измерения ВОУ в СЛО распределены крайне неравномерно (рис. 1а). Экстраполяция содержания ВОУ на слабоизученные области, необходимая для построения карт, потребовала анализа гидрологической структуры водных масс СЛО. Она определяется водами, поступающими из Атлантического и Тихого океанов, которые образуют систему течений, частично смешиваясь с арктическими водами и передавая им тепло. Эти мощные водные массы создают стратификацию, которая варьирует от района к району, образуют новые водные массы. На стратификацию в значительной степени влияет поступление в СЛО речных вод, объем которых составляет примерно около 10% от их поступления в Мировой океан при соотношении водных масс 1:100. На мелководных шельфах Карского и Лаптевых морей наиболее сильно выражены сезонные изменения структуры вод. Наблюдается перемешивание верхних слоев при осеннем охлаждении поверхностных вод, опускание вод, обогащенных солями при льдообразовании. В результате формируются глубинные “зимние воды”, которые сохраняются в течение всего года.

 

Рис. 1. Карты, показывающие места отбора проб (а) и расположение разрезов (б). Затенение (б) показывает районирование СЛО с прилегающими акваториями согласно типу T–S-диаграмм [2]: 1 — Шпицбергенский, 2 — Североземельский, 3 — Новосибирский, 4 — Врангелевский, 5 — Канадский, 6 — Канадско-Гренландский, 7 — Северо-Гренландский, 8 — Восточно-Гренландский, 9 — Гренландский, 10 — Скандинавский. Разрезы: а — Берингов пролив, б — Пролив Фрама, в — Нордкап–Серкап, г — Баренцево море, д — Карское, е — Лаптевых, ж — Восточно-Сибирское, з — Чукотское, и — Канадский Арктический архипелаг, к — Бофорта круговорот, л — Карское и Лаптевых моря, м — к полюсу, н — Баренцево–Карское моря, о — Карские ворота, п — Карское–Лаптевых, р — Лаптевых–Восточно-Сибирское, с — Восточно-Сибирское–Чукотское.

 

В качестве основы для анализа гидрологической ситуации и организации массива данных ВОУ и его потоков мы приняли структуру базы данных ORA S4, Integrated Climate Data Center (http://icdc.cen.uni-hamburg.de/las), содержащей результаты модельных расчетов температуры, солености, меридиональной и зональной составляющих скоростей течений на каждый месяц с 1958 по 2018 г. на 38 горизонтах от 5 до 4156 м (СЛО), разрешение 1°×1°.

Результаты моделирования ORA S4 показали, что скорость и направление течений в СЛО подвержены большой сезонной и межгодовой изменчивости из-за изменений ледового покрова, речного стока и воздействия ветра. Учитывая, что все измерения ВОУ были выполнены в летний период, данные по температуре, солености и скоростям течений, полученные из банка данных ORA S4, для дальнейшего их использования были усреднены на июнь-октябрь 2014 г. (разрешение 1°×1°).

В качестве основы для картирования распределения ВОУ в Северном Ледовитом океане была принята техника множественной линейной регрессии (MLR), предсказывающей концентрацию ВОУ как функцию независимых переменных — температуры (T), солености (S), глубины (E), горизонта (H), широты (La), долготы (Lo) и расстояния до берега (D):

ВОУ = a · D + b · Lo + c · La + d · E + e ∙ H + f ∙ T + g ∙ S + h,

где a, b, c, d, e, f, g являются коэффициентами регрессии, h — свободный член. В случае отсутствия сопутствующих измерениям ВОУ данных по солености и температуре использовались T и S, рассчитанные ORA S4 для конкретного месяца и года. В ряде случаев предпочитался неполный состав независимых переменных, соответствующий наименьшим отклонениям предсказанных значений ВОУ от измеренных. Для разработки наших алгоритмов ВОУ использовали программу STATISTICA 8. Разработанные 38 уравнений регрессии были применены для картирования физиографических провинций (рис. 1б), выделенных [2] по типам T–S-диаграмм. Данные многих из этих провинций были подразделены в соответствии с вертикальной структурой водных масс и(или) их происхождением (полярная вода, галоклинная вода, атлантическая вода, тихоокеанская вода, глубинная вода и донная вода). При расчетах предсказываемых значений ВОУ и построения карт его распределения (рис. 2) были использованы данные ORA S4 по солености и температуре на 2014 г., усредненные нами на летние месяцы (июнь–октябрь).

 

Рис. 2. Пример распределений ВОУ (мг/м³), усредненных на вегетационный период (июнь–октябрь 2014 г.), построенных на горизонтах 5–4156 м.

 

Построения карт потоков ВОУ (рис. 3) в СЛО были выполнены с использованием среднемесячных меридиональной (М) и зональной (Z) составляющих скоростей течений 2014 г. (ORA S4, Integrated Climate Data Center). Их осреднение было проведено по той же схеме, что и при расчетах ВОУ (июнь-октябрь, разрешение 1°×1°). Поток ВОУ (F) определялся по формуле F = ВОУ ∙ R, где R = (M ² + Z ²) ^1/2 — скорость течения. Направление потоков (угол α) рассчитывалось по формуле α = arctg (Z/M), при этом за нулевой угол α принималось направление на север, а угол отсчитывался по часовой стрелке.

 

Рис. 3. Примеры построенных распределений латеральных потоков ВОУ (мг/м² с) на ряде горизонтов СЛО, осредненных на вегетационный период (июнь-октябрь 2014 г.). Стрелками показаны направления потоков, для наглядности на рисунке представлен каждый третий вектор.

 

Рассчитанные величины потоков ВОУ варьируют от 0 до 30 мг/м ²с. Карты отражают тенденцию снижения величины потоков ВОУ с увеличением глубины, так что наиболее высокие потоки наблюдаются в шельфовой области. Наиболее четко прослеживаются высокие потоки ВОУ в зонах смешения морских вод с водами крупных рек — Лены, Оби и Енисея, дальнее их распространение как по картам распределения (рис. 2), так и по картам потоков (рис. 3). Ярко выражены круговорот Бофорта и поток в области Восточно-Гренландского течения. Выделяются относительно высокие поступления ВОУ с Тихоокеанскими и Атлантическими водами. Особенно высокие потоки ВОУ обнаруживаются в прилежащей к СЛО акватории Атлантического океана. Таким образом, разработанный подход, выполненные расчеты и построенная модель хорошо подтверждаются натурными наблюдениями.

С целью оценки балансовых характеристик цикла углерода были рассмотрены потоки ВОУ через разрезы а–с (рис. 1б) и оценены их суммарные годовые величины. Потоки ВОУ (рис. 4) через разрезы считались положительными, если они направлены в СЛО или на восток на границах между морями. Учитывая, что все данные по ВОУ были получены в летний период, оценка годовых потоков ВОУ проведена по летним потокам.

 

Рис. 4. Вертикальные профили потоков ВОУ (мг/м² с) через разрезы: (а) — пролив Фрама, (б) — Нордкап–Серкап, (в) — Канадский архипелаг, (г) — Шпицберген–Земля Франца Иосифа, (д) — Берингов пролив, (е) — Бофортов круговорот. Профили дна изображены по данным IBCAO_ver2_23_GEO_ARC, разрешение 2 мин.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Оценка массы ВОУ в СЛО с использованием построенных карт (рис. 2) дала величину 190 Тг, что составляет 0.38% от массы ВОУ 50 000 Тг в Мировом океане [22]. Масса ВОУ в поверхностных водах (0–35 м) оценивается в 24, подповерхностных (35–175 м) — 26, промежуточных (175–750 м) — 25, глубинных (750–1200) — 10 и донных (1200–4300 м) — 100 Тг. Соответствующие средние концентрации ВОУ составили для поверхностных вод 84, подповерхностных — 31, промежуточных — 9, глубинных — 6 и донных — 12 мг/м ³ при средней концентрации в СЛО — 11 мг/м ³.

Оценки потоков воды кардинально не отличаются от оценок, опубликованных ранее (таблица). Расхождения не превышают 25%, за исключением потока через проливы Фрама и Канадского архипелага. Для морей в расчетах проявился дисбаланс прихода и расхода воды: для Баренцева моря +16%, Карского -13%, Лаптевых +22%, Восточно-Сибирского +9% и Чукотского +3%. Общий дисбаланс для потоков воды в СЛО и из СЛО составил -10%. Оценка баланса воды и ВОУ индивидуальных шельфовых морей может сопровождаться большими ошибками потоков через довольно узкие проливы между морями в сочетании с относительно низким разрешением (1°×1°). Наблюдаемый общий дисбаланс может быть связан с неизбежными допущениями (число измерений, пространственное и временное разрешение), а также с запаздыванием возврата атлантических вод на 4–6 лет с изменением циркуляции вод, зависящей от атмосферной циркуляции. В период антициклонической циркуляции накапливаются распресненные воды в Канадском бассейне, а при циклонической циркуляции эти воды устремляются в проливы Фрама и Канадского архипелага [3].

 

Таблица. Потоки воды (Sv) и ВОУ (Тг С/год) через разрезы

Разрез	Поток воды, 106 м3/с = 1 Sv					Поток ВОУ, Tг C/год = 1012 г С/год
	в СЛО	из СЛО	Σ	Лит.	Ист.	в СЛО	из СЛО	Σ	Лит.	Ист.
а – Берингов пролив	0.9	0.0	0.9	0.83	7	5.7	0	5.7±3.3	7.8	7,23
б – Пролив Фрама	1.8	-3.5	-1.7	-2.08	20	3.4	-8.1	-4.7±-2.5	-
0–700 м	1.8	-1.9	-0.1	-1.4	11	3.4	-4.5	-1.0±-0.53	-
>700 м	0.0	-1.6	-1.6	-2.2	11	0	-3.6	-3.6±-1.9	-
в – Нордкап–Серкап	3.8	0.0	3.8	3.27	11,16	13.9	0	13.9±5.5	14.8±15	16
г – Баренцево море	0.63	-0.12	0.5	0.36	16	0.3	-0.2	0.1±0.06	0.6±0.7	16
д – Карское море	3.1	-0.1	3.1	-		2.2	-0.1	2.1±1.2	-
е – Лаптевых море	3.9	-4.2	-0.3	-		3.6	-3.0	0.6±0.3	-
ж – Восточно-Сибирское	1.7	-0.11	1.6	-		2.5	-0.1	2.5±1.8	-
з – Чукотское море	0.6	-1.57	-1.0	-		0.5	-0.7	-0.2±-0.16	-
и – Канадский архипелаг	0.7	-5.0	-4.3	-1.3	17	0.1	-1.3	-1.2±-0.8	-
к – Водоворот	7.2	-6.9	0.3	-		1.6	-0.9	0.7±0.6	-
л – Карское и Лаптевых	7.2	-1.9	5.3	-		4.7	-1.1	3.6±1.7	-
0–600 м	3.9	-0.9	3.0	-		3.8	-0.7	3.1±1.7	-
м – к полюсу	9.0	-0.3	8.7	-		5.0	-0.3	4.8±3.4	-
0–600 м	5.0	0	5.0	-		4.0	0	4.0±2.2	-
Лед	0	-0.09	-0.09	-0.09	10	0	-0.13	-0.13±0.1	-0.13	10
Реки	0.14	0	0.14	0.14	25	5.8	0	5.8±0.6	5.8	18,21
Абразия	-	-	-	-		5.8	0	5.8±4.5	5.8	13
Аэрозоль	-	-	-	-		1.6	0	1.6±0.5	1.6	24
Импорт–экспорт*	7.35	-8.60	-1.31	-		36±8	-9.5±4.4	26.5±9	-
	на восток	на запад				на восток	на запад
н – Баренцево–Карское	3.3	-0.4	2.9	2.5	16	3.1	-0.4	2.6±1.6	6.7±5	16
о – Карские ворота	0.1	0.0	0.10	0.32	19	0.3	0	0.3±0.18	1.5±0.5	16
п – Карское–Лаптевых	0.37	-0.07	0.3	-		0.5	-0.8	-0.3±-0.15	-
р – Лаптевых–Восточно-Сибирское	0.01	-0.15	-0.1	-		0	-0.3	-0.3±-0.18	-
с – Восточно-Сибирское–Чукотское	0.0	-2.6	-2.6	-		0.3	-2.9	-2.6±-1.8	-

Примечание. * а + б + в + и + лед + реки + абразия + аэрозоль.

 

Поступление ВОУ в СЛО оценено в 36±8, а вынос — в -9.5±4.4 Tг С/год, что составляет 26% от поступившего. Импорт ВОУ в СЛО на 26.5±9 Tг С/год превышает экспорт в Атлантический океан.

Наряду с ВОУ, который поступает в СЛО, взвешенное ОВ генетически связано с фитопланктоном и ледовыми водорослями. Продукция фитопланктона в форме ВОУ оценивается в 182 Tг С/год [1], а ледовых водорослей — в 7–11 Tг С/год [1, 8], из них 2.8 Tг С/год приходятся на Центральный бассейн [8].

ОВ, продуцируемое фитопланктоном и ледовыми водорослями, трансформируется гетеротрофами и редуцентами, сорбируется на поверхности минеральных частиц и оседает относительно быстро на дно в виде агрегированных частиц, пеллет и остатков зоопланктона. Зависимость минерализации ВОВ с глубиной близка к гиперболической функции: глубины 100 м достигает 33% продукции фитопланктона, 200 м — около 16%, глубины 4000 м — немногим менее 1%. В арктических шельфовых морях дна достигает 83 Тг С_орг/год, а в Центральном бассейне — всего лишь 0.03 Тг С_орг/год. Морское взвешенное ОВ, поступившее на дно, подвергается дальнейшей минерализации, теряя от 85 до 90% своей массы [5].

Поступивший с суши ВОУ (речной сток, абразия, аэрозоли) оценивается в 13 Тг С_орг/год [12–14, 24]. Часть этого потока генерируется из растворенного ОВ в маргинальных фильтрах в результате флокуляции, которая оценивается от 5 до 40% в разных условиях, но в среднем можно принять 5–10%. При речном выносе РОУ 25 Тг С_орг/год [6] примерно образуется за счет флокуляции 1.3 Тг ВОУ/год. Доля лабильной составляющей ВОУ была ранее оценена в Арктике в ~35% [15], соответственно устойчивый к разложению ВОУ ориентировочно может составлять 16.3 · 0.65 = 10.6 Тг С_орг/год.

В донных осадках арктических морей Евразии накапливается 10 Тг С_орг/год. По данным [28], это примерно соответствует количеству углерода, накапливающемуся за пределами континентального подножья Мирового океана. Очень близкое значение приведено в [26], из них 7.4 Тг С_орг/год (67%) приходится на терригенное ОВ и 3.6 Тг С_орг/год (33%) на морское (аквагенное). Если допустить, что за год вся лабильная часть терригенного ВОУ биодеградирует, то латеральный поток терригенного ВОУ из СЛО в Атлантический океан составит 10.6–7.4 = 3.2 Тг С_орг/год. Вынос морского ВОУ составит около 9.5–3.2 = 6.3 Тг С_орг/год. Приход–уход (дисбаланс) морского ВОУ составляет +17±9 Тг С_орг/год, что на порядок меньше автохтонного потока, создаваемого фитопланктоном. Можно предположить, что в основном это ОВ утилизируется бактериями.

Дальнейшее улучшение балансовой модели и построенной картины потоков возможно после получения нового массива данных.

Благодарности. Авторы благодарят Integrated Climate Data Center (University Hamburg) за предоставленные данные.

Источник финансирования. Отбор проб и измерения ВОУ выполнены в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0149-2019-0006). Результаты обобщения накопленных данных, построения карт и балансовых расчетов получены за счет средств РФФИ (проект № 16-05-00032).

About the authors

A. A. Vetrov

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: aa.vetrov@mail.ru
Russian Federation, Moscow

E. A. Romankevich

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: aa.vetrov@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files