(Из краткого отчета начальника экспедиции М.В. Флинта)
Период работ: 18 июня — 8 июля 2021 г.
Начальник экспедиции: М.В. Флинт
Капитан судна: Ю.Н. Горбач
Район работ: Карское море
Научный состав: 42 человека
Темы и проекты исследований:
Экспедиция проводилась в соответствии с Планом морских научных исследований во внутренних морских водах, в территориальном море, в исключительной экономической зоне и на континентальном шельфе Российской Федерации на 2021 г., утвержденным приказом Минобрнауки России № 1535 от 16 декабря 2020 г., Комплексные экспедиционные исследования в 81-ом рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» были направлены на выполнение следующих тем государственного задания:
№ 0128-2021-0007 Морские и океанские экосистемы в условиях меняющегося климата и антропогенного воздействия: структура и биологическая продуктивность экосистемы Арктического бассейна и морей России, экосистемы и потенциальные биологические ресурсы открытого океана;
№ 0128-2021-0008 Биологическое разнообразие и эволюция фауны океана: биоразнообразие морской фауны Арктики, морей России и открытых районов океана, происхождение и эволюция фауны крупных океанических регионов, фауна уникальных морских биотопов и ее сохранение;
№ 0128-2021-0001 Динамика внутренних и окраинных морей, взаимодействие океана и суши, прибрежные и шельфовые процессы: роль синоптических и мезомасштабных явлений в формировании гидрофизического и экологического состояния прибрежной зоны океана и внутренних морей России на основе специализированных натурных экспериментов, моделирования и дистанционного зондирования;
№ 0128-2021-0010 Технологии инструментальных океанологических наблюдений для исследования физических полей, подводных объектов и экологии в гидросфере: разработка методов и технических средств многопараметрического сканирования водной толщи, дна и подводных объектов автономными и привязными зондами и профилографами;
№ 0128-2021-0006 Современные и древние донные осадки и взвесь Мирового океана – геологическая летопись изменений среды и климата: рассеянное осадочное вещество и донные осадки морей России, Атлантического, Тихого и Северного Ледовитого океанов — литологические, геохимические и микропалеонтологические исследования; изучение загрязнений, палеообстановок и процессов в маргинальных фильтрах рек;
№ 0211-2021-0006 Газогеохимические поля Мирового океана, геодинамические процессы и потоки природных газов, влияющие на формирование геологических структур с залежами углеводородов и аутигенной минерализации;
№ ЕГИСУ НИОКТР: 121041500216-3 Геоэкологические проблемы атомной энергетики
Основные задачи экспедиции:
Основные цели экспедиции:
решение ключевых задач в области исследований арктических природных комплексов, которые поставлены перед фундаментальной наукой «Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации» (Указ Президента РФ от 01 декабря 2016 г.), «Стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», подписанной Президентом РФ 20 февраля 2013 г., «Основами государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», «Стратегией развития морской деятельности Российской Федерации до 2030 года»; «Основами государственной политики в Арктике на период до 2035 года», утвержденными Указом Президента Российской Федерации 5 марта 2020 г.
получение новых результатов, необходимых для прогноза изменений морских арктических природных комплексов и их важнейших для человека пользовательских свойств под воздействием современных климатических трендов и возрастающей антропогенной нагрузки, формирования адаптированной к современным условиям стратегии природопользования и принципов экологически безущербной деятельности человека в арктическом регионе.
Основные задачи экспедиции:
оценка состояния морской среды, структуры, продуктивности и функциональных параметров экосистемы Карского бассейна в период схода сезонного льда и максимального воздействия на бассейн крупнейшего в Арктике речного стока, что позволит восполнить самый существенный пробел в понимании механизмов функционирования морских природных комплексов Сибирской эпиконтинентальной Арктики и их отклика на современные климатические тренды;
оценка физических, химических, биологических и геохимических процессов в прикромочной области сезонного льда и их роли в сезонном цикле функционировании экосистем арктического шельфа;
оценка физических, химических и биологических процессов в эстуарных областях Оби и Енисея и на прилежащем Карском шельфе в период интенсивного сезонного стока, определяющих параметры взаимодействия в системе река – море и влияние речного стока на экосистему Карского бассейна;
характеристики оптической структуры вод в разных районах бассейна и ее связи с гидрологической структурой и характером структуры планктонных сообществ;
получение данных о гидрохимической структуре вод в разных районах Карского бассейна в период схода сезонного льда: (растворенном кислороде, величине рН, общей щелочности, общем и неорганическом растворенном фосфоре, растворенном кремнии, общем азоте и его формах);
оценка количества растворенного и взвешенного органического вещества и его химического состава;
оценка величин продукционных характеристик фитопланктона – уровня первичной продукции, концентрации хлорофилла в столбе воды, ассимиляционных чисел в ранневесенний сезон в районах с различными гидрофизическими и гидрохимическими условиями в разных районах бассейна; выделение основных абиотических факторов, влияющих на уровень первичной продуктивности;
оценка таксономического состава, численности и биомассы фитопланктона и выделение сообществ, характерных для районов Карского моря с различными абиотическими условиями в период схода сезонного льда;
оценка специфики состава, количественных параметров мезопланктона и выделение сообществ, характерных районов Арктического шельфа с разными условиями среды;
оценка функциональных параметров мезопланктона – интенсивности питания и уровня потребления новосинтезированного органического вещества, у популяций массовых видов в районах Карского бассейна с различными абиотическими и трофическими условиями в ранневесенний сезон;
оценка состава и количественных характеристик ихтиопланктона;
оценка состояния, пространственной структуры и динамики популяции вида-вселенца хищного краба Chionoecetes opilio в Карское море, его воздействия на нативные донные экосистемы, путей вселения и потенциального промыслового значения в разных районах бассейна;
оценка состояния карбонатной системы в разных районах Карского бассейна для определения их потенциала в региональных процессах эмиссии и стока углекислого газа;
оценка концентрации углекислого газа и метана в водной толще и приводной атмосфере и их потоков в системе море – атмосфера;
получение комплексных данных, необходимых для обоснования выбора параметров и пространственно-временных подходов для регионально адаптированного экологического мониторинга природного комплекса Карского бассейна;
выполнение Плана морских научных исследований во внутренних морских водах, в территориальном море, в исключительной экономической зоне и на континентальном шельфе Российской Федерации на 2021 г., утвержденного приказом Минобрнауки России № 1535 от 16 декабря 2020 г.
выполнение Государственных заданий организаций – участников экспедиции № 0128-2021-0007, № 0128-2021-0008, № 0128-2021-0001, № 0128-2021-0010, № 0128-2021-0006,
№ 0211-2021-0006, № ЕГИСУ НИОКТР: 121041500216-3, работ по проектам РФФИ «Фундаментальные проблемы изучения и освоения Российской Арктики: природная и социальная среда (Арктика)» — №18-05-60053, №18-05-60069, №18-05-60070, №18-05-60228, №18-05-60246, №18-05-60302, исследований по проектам РНФ №19-17-00196, №19-17-00234;
подготовка молодых специалистов-океанологов в области проведения полевых исследований по направлениям гидрофизика, гидрохимия, биоокеанология, геохимия, морское приборостроение, обработка полевых данных.
Основные научные результаты:
Основной задачей экспедиции была оценка структурных и продукционных параметров экосистемы Карского моря в период освобождения бассейна от сезонного ледового покрытия. Этот период сложного годового цикла арктических экосистем практически не исследован во всех эпиконтинентальных Сибирских морях, хотя критически важен для понимания процессов, ассоциированных с текущими климатическими процессами в высоких широтах и прогноза состояния региональных природных комплексов, их биологической и промысловой продуктивности в ближайшем будущем.
Анализ материалов по динамике ледового покрытия в последние годы позволил адекватно задаче спланировать экспедиционные исследования 2021 г. в акватории Карского моря, и они фактически были начаты 21 июня в условиях, когда вся центральная и южная части бассейна были покрыты сезонным льдом. Наши основные наблюдения были выполнены на Ледовом разрезе от юго-западной части бассейна к северо-земельскому ледовому массиву. Стации были выполнены у самой ледовой кромки, некоторые непосредственно в зоне прилежащего ледового крошева, что давало возможность получить «стартовые» оценки состояния ключевых компонентов экосистемы для дальнейших наблюдений на реперных полигонах по мере таяния ледового покрытия. Отклонения от основного маршрута экспедиции были связаны со следующими задачами: необходимостью получения материалов из северных глубоководных районов Карского моря (желоб Св. Анны), существенно ранее основной акватории бассейна освободившихся ото льда; выполнением разреза через порог Брусилова у северной оконечности Новой Земли для оценки интенсивности и направленности обмена бассейна с прилежащими районами Арктики; и исследованием состояния популяции вселенца краб-опилио в области континентального склона восточного отрога желоба Св. Анны в районе возможной активной инвазии популяции из прилежащих северо-западных районов.
В первых числах июля на судне был диагностикацированы больные Ковид-19, исследования по решению Потребнадзора были прекращены, и судно было вынуждено вернуться в порт Архангельск. Настоящий отчет представляет результаты, полученные на первом 10-дневном этапе экспедиции.
Проведены исследования пространственно-временной изменчивости термохалинной структуры вод в Карском море. На 28 станциях получены вертикальные профили от поверхности до дна по температуре, солености, плотности, кислороду, мутности и флуоресценции Хл «а».
На рис. 4 представлена спутниковая карта в видимом диапазоне на момент начала работ. Экспедиция начиналась в условиях освобождения поверхности моря ото льда. Данные мая-июня 2021 г. показали, что северная часть Новой Земли начала освобождаться ото льда (припая) уже 1 мая. По спутниковым данным диагносцировалось наличие относительно теплого восточного Новоземельского течения юго-западного направления вдоль Новой Земли, которое наблюдалось в 2011-2018 гг. и практически отсутствовало в 2019 и 2020 гг. К началу наших исследований 21 июня 2021 г., прибрежная зона Новой Земли и практически весь район Новоземельской впадины были свободны ото льда.
Распределение температуры и солености было типичным для Карского моря в весенне-летний сезон при отсутствии воздействия речного/материкового стока на центральный район бассейна. Наиболее заметным элементом термохалинной структуры вод был хорошо выраженный минимум солености в северной части разреза (ст. 7020-7023), имевший горизонтальный масштабом боле 200 км и вертикальный до 10 м. Наличие этой структуры может быть связано с присутствием в районе вод речного стока 2020 г.
На разрезе по температуре можно выделить две области: зону начала весенне-летнего прогрева в южной части разреза (ст. 7015-7017), которая формировалась в условиях безоблачной и безветренной погоды, а также проявление Ямальского течения в глубинных слоях ст. 7018-7020.
В распределении флуоресценции Хл «а» на разрезе выделяются две станции. Богатая ст. 7016 с наиболее высокими значениями флуоресценции Хл «а» (до 7 мг/м3 в максимуме) и бедные ст. 7015, 7021, где значения не превышали 0.6 мг/м3. Следует отметить, что в целом по району исследований, значения флуоресценции Хл «а» были наиболее высокими по значению и мощности слоя с максимальными значениями за всю историю наших наблюдений.
Для исследования направленности и скоростей водообмена между Карским морем и прилежащей глубоководной частью Северного Ледовитого океана, на перешейке между Новоземельской впадиной и западным отрогом желоба Св. Анны выполнен разрез Порог Брусилова. Разрез повторил наблюдения, выполненные нами ранее в начале сентября 2020 го. Он состоял из 16 станций (ст. 7027-7042) и был проложен по вершине порога, а станции были расположены в его глубоководных зонах. На рис. 8 представлены результаты исследований термохалинного режима и флуоресценции Хл «а» на разрезе. Наблюдался ряд фронтальных зон, что очень хорошо проявляется в распределении всех измеренных параметров, и особенно, в значениях флуоресценции Хл «а». Как и в 2020 г., выделяется район самой глубокой части порога – ст. 7034-7033. В придонном слое в области наибольших глубин вдоль разреза отсутствовали трансформированные атлантические воды с положительными значениями температуры, которые мы наблюдали в сентябре 2020 г. В целом, можно отметить, что выявленные структуры на разрезе по ряду параметров качественно повторяют структуру вод (фронтальных зон), наблюдаемую в сентябре 2020 г. Сходный характер переноса вод в области порога Брусилова в сентябре 2020 г. и в последней декаде июня 2021 г. хорошо виден при сравнении распределения геострофической скорости течения на разрезе (рис. 9). Полученные материалы позволяют говорить о том, что выявленные особенности динамики вод в этом районе, ключевом для обмена Карского бассейна с прилежащими глубоководными районами Арктики, являются характерными для безледного сезона.
Оптические работы выполнены на 11 дрейфовых станциях, расположение которых приведено на рис. 10. Диаметр красных кружков пропорционален концентрации Хл «а» в поверхностном слое, по данным лабораторных измерений. Регистрация падающей радиации палубными датчиками производилась непрерывно, в течении 14 суток.
Максимальные значения концентрации Хл «а» в подповерхностных размытых по глубине максимумах, по данным лабораторных измерений на станциях, составляли: ст. 7016 – 3.99 мкг/л (на 20 м), ст. 7019 – 3.97 (20 м) и ст. 7023 – 3.68 мкг/л (15 м). В 2019 г. в первой декаде июля в северо-восточной части Карского моря в зоне схода сезонно льда максимумы Хл «а» располагались в слое 5-7 м и по амплитуде почти на порядок превышали значения, полученные в 83 рейсе. Это позволяет говорить, что приледные измерения в последней декаде июня 2021 г. были проведены в начале фазы интенсивного сезонного цветения фитопланктона.
Вертикальные профили показателя ослабления, флуоресценции, температуры и солености на ст. 7015 и 7043 Ледового разреза различной ледовой ситуации, при этом конфигурация профилей в поверхностном слое моря похожа. На фоне отсутствия ветрового перемешивания и начала прогрева поверхностного слоя моря показатель ослабления демонстрировал минимальную изменчивость в слое толщиной 12-14 м, где значения составляли 0.46 м-1 на ст. 7015, и 0.73 м-1 на 7043. В этом слое флуоресценция монотонно возрастала от значений, близких к фоновым на поверхности, до максимальных на горизонте ~ 20 м. Это, вероятно, определялось формирование высоких концентраций биогенная взвеси. Ниже 50 м, на южной ст. 7015, флуоресценция падала до фоновых значений ~0.1 о.е. или 0.01 мкг/л. В северной части Ледового разреза на ст. 7043 формировалась иная картина. Начиная с 15 м и практически до дна, профили показателя ослабления и флуоресценции изменялись синхронно. Основные максимумы флуоресценции и показателя ослабления были локализованы на горизонте 50 м (3.9 мкг/л и 0.98 м-1, соответственно). Относительно высокие значения показателя ослабления в приповерхностном слое на ст. 7043, вероятно, связаны со следами прошлогодней опресненной линзы, которая была диагносцирована в близких координатах в летнее-осенний сезон.
Полученные результаты прямых измерений падающей на поверхность радиации в диапазоне ФАР сопоставлялись с функцией, пропорциональной солнечной постоянной в случае безоблачного неба.
Во многих случаях, измеренные значения ФАР превышали результат оценки для безоблачного неба, что связано с дополнительной «подсветкой» облаков. Расчетные данные показали, что в весеннее время для Карского моря максимальные значения облученности составляли ~ 1150 µmol/s*m2, а максимальные измеренные в рейсе ˃1700 µmol/s*m2. Получена скорректированна оценка среднесуточного уровня радиации. Максимальные значения составляли 600 µmol/s*m2 и были зафиксированы 22.07.
Измерения коэффициента яркости Ro(λ) получены плавающий спектрорадиометр ПРО — 1. Выполнено 10 измерений при благоприятных условиях: практически полный штиль и безоблачная или малооблачная погода. Предварительные результаты измерений приведены на рис. 15. Высокие значения Ro(λ) были получены в коротковолновой части спектра на ст. 7015, 7016, 7017, 7025 и 7043 в юго-западной части Карского моря и в районе желоба Святой Анны, где в поверхностном слое доминируют Баренцевоморские воды. Измеренные концентрации Хл «а» на поверхности на этих станциях <0.9 мкг/л.
Спектры коэффициентов яркости моря Ro(λ), измеренные на станциях в Карском море прибором ПРО-1.
Низкие Ro(λ) зарегистрированы на ст. 7018, 7019, 7020 и 7023, где значения концентрации Хл «а» были ˃2 мкг/л. Полученные данные, совместно со спутниковыми и результатами лабораторных измерений спектров показателя поглощения, будут использованы для совершенствования регионального биооптического алгоритма определения концентрации хлорофилла, растворенного органического вещества и взвеси для Карского моря, разработанного в ЛОО ИО РАН.
Практически на всех станциях подспутниковых измерений, погода была малооблачная или безоблачная, поверхность моря практически штилевая, что позволило принять усредненных карты спутниковых сканеров цвета MODIS-Aqua, MODIS-Terra, NPP и NOAA.
Распределения концентрации Хл «а» chl, взвеси tsm и желтого вещества ag рассчитывались по биооптическому алгоритму, разработанному в ЛОО ИО РАН. Как видно из карты tsm, основные источники поступления взвеси: пресноводный сток Оби, таяния ледников Новой Земли, особенно в южной части острова, и поступления талых и речных вод в южной части моря и в районе Байдарацкой губы. Подобие карт распределений взвеси, Хл «а» и желтого вещества говорит о том, что в составе взвеси доминирует биогенная компонента.
Получены оценки гидрофизических и биооптических характеристик поверхностного слоя Карского моря во время схода сезонного льда в период предшествующий масштабному влиянию речного стока 2021 г. на бассейн. Проточный измерительный комплекс функционировал практически на всем протяжении рейса, за исключением первой половины перехода между станциями 7018 и 7019, когда проведение измерений было невозможно из-за высокой плотности льдин на поверхности моря. На рис. 17-20 представлены пространственные распределения измеряемых характеристик: солености, температуры, интенсивности флуоресценции ОРОВ и интенсивности флуоресценции Хл «а».
На протяжении большей части Ледового разреза от ст. 7015 до ст. 7020 значения солености не опускались ниже 31.5 psu, а максимальное значение достигало 33.5 psu. При этом на этой области бассейна были представлены практически все стадии освобождения поверхности моря от ледового покрова. Это позволяет сделать предварительный вывод о том, что величина опреснения, вызванного таянием льда, в регионе исследований не превышает 2 psu. Интенсивность флуоресценции ОРОВ на протяжении этого участка разреза менялась незначительно, в то время как интенсивность флуоресценции Хл «а» имеет два выраженных локальных максимума: первый во второй половине перехода от ст. 7017 к ст. 7018, второй – во второй половине перехода от ст. 7018 к ст. 7019. Следует отметить, что положение этих экстремумов совпадает с положением локальных минимумов температуры.
Участок длиной ~150 км, проходящий через точку ст. 7015, на всем протяжении которого наблюдалась высокая корреляция температуры и солености с коэффициентом R>0.8. Вероятно, на этом участке разрушение и таяние сезонного льда происходило в однородных условиях без значительных ветровых подвижек ледовой кромки. Также следует отметить участок высокой корреляции перед ст. 7019, совпадающий с локальным максимумом флуоресценции Хл «а».
В северной части Ледового разреза вблизи ст. 7021 и ст. 7023 наблюдались участки небольшие по протяженности участки более опресненных вод с минимальной соленостью 30 psu, при этом максимальное значение солености на прилежащих участках акватории превышало 34 psu. Корреляционный анализ связи солености и флуоресценции ОРОВ показал, что на этой части разреза основным источником опреснения являлось влияние речного стока, вероятнее всего прошлогоднего.
На протяжении 770 км в южной части разреза во всем диапазоне ширины окна расчета непрерывные участки с положительным и отрицательным значением коэффициента корреляции R имели небольшую протяженность и чередовались. В северной области, охваченной разрезом, на горизонтальных масштабах более 20 км значения R были отрицательны и близки к -1 практически повсеместно за исключением короткого участка вблизи ст. 7021. Сочетание такого характера связи солености и флуоресценции ОРОВ и относительно высокого диапазона изменчивости этих характеристик позволяет предположить, что на этом участке разреза происходило смешение баренцевоморской теплой и соленой воды с холодной и более пресной водой Карского моря, слабо опресненной прошлогодним речным стоком. Необходимо специально отметить высокий градиент солености (более 1 psu на 10 км) во фронтальной зоне смешения в области верхней части континентального склона желоба Св. Анны и совпадение локального максимумома флуоресценции Хл «а», с этой фронтальной зоной. Это явление неоднократно наблюдалось в данном районе в предыдущие годы, что говорит о пространственно-временной устойчивости процессов взаимодействия вод карского шельфа и прилежащего глубокого бассейна.
Выполненные в экспедиции исследования аэрозолей были направлены на решении следующих задач: измерение прозрачности атмосферы в диапазоне спектра 0.34 –2.14 мкм с целью определения характеристик изменчивости спектральных АОТ и общего влагосодержания атмосферы на маршруте экспедиции; исследование вариаций дисперсного и химического состава приводного аэрозоля в различных районах по маршруту судна; оценка содержания в аэрозоле поглощающего вещества (сажи). За 14 измерительных дней работы аэрозольной станции было выполнео более 1.268 серий измерений счетной концентрации частиц и 21.428 серий измерений массовой концентрации сажевого аэрозоля.
С помощью портативного солнечного фотометра SPM были проведены определения спектральных АОТ и общего влагосодержания атмосферы с использованием метода “прозрачности атмосферы”, заключающийся в измерении прямой солнечной радиации прошедшей через всю атмосферу. Измерения АОТ атмосферы проводились в условиях отсутствия облачности на солнечном диске в период с 20.06 по 03.07.2020. Всего за время рейса фотометром SPM было проведено 671 единичных замеров, что составило 9 измерительных дней.
На большей части Ледового разреза в распределении солености прослеживается воздействие на поверхностный слой опреснения (32-33 ‰), вызванного таянием морского льда. На фоне этого отчетливо выделяется северная часть разреза, где на ст. 7021 и 7023 зафиксирована соленость 30-31 ‰ в поверхностном слое. Такое опреснение не может быть вызвано одним лишь таянием льда и мы предполагаем присутствие в этом районе «прошлогодних» вод материкового происхождения.
Предположение о присутствии материкового сигнала в районе достоверно подтверждается соотношением щелочность/соленость, в опресненном слое. По изолинии 70 видно, что влияние опресненных вод прослеживается до глубины 30 м на станциях 7043, 7021, 7023. В пользу гипотезы присутствии вод материкового стока в северо-восточной части Карского бассейна в период исследований говорит и распределение растворенного кремния на указанных станциях, где в поверхностном слое его содержание превышает 10 µМ. На остальных станциях разреза в верхнем 10 м слое его концентрация не превышает 1 µМ. В отобранной пробе льда (в районе станции 7025) содержание кремния составило 0.4 µМ. Очевидно, что высокое содержание кремния может быть вызвано только присутствием материкового стока в весенний период исследований в этом районе моря (76-77° с.ш.). О Обском или Енисеском происхождении стока можно будет судить только после получения данных портала Arctic Great Rivers Observatory о химическом составе стока зимой 2021 г.
Содержание фосфатов в верхнем деятельном слое моря на разрезе изменялось от 0.07 до 0.5 µМ. Максимум в поверхностном слое отмечен на станции 7021 и составляет 0.38 µМ. На большей части разреза в верхнем слое, подверженном опреснению тающим льдом, содержание фосфатов не превышает 0.15 µМ. С глубиной содержание фосфатов возрастает, достигая максимальных значений (0.73 µМ) в придонном слое станции 7019. Также выделяются две области (станции 7016 и 7043), где распределение фосфатов практически однородно во всей толще вод.
Содержание нитратов на разрезе изменялось от аналитического нуля до 7 µМ. В поверхностном слое станций 7015-7017 содержание NO3 было менее 0.1 µМ, на станциях 7018-7043 оно составляло 0.2 µМ, на северных станциях 7021 и 7023, где отмечено присутствие речного стока возрастало до 0.5-1 µМ. Таким образом, поверхностный слой моря на Ледовом разрезе был практичеи повсеместно обеднен нитратами. В слое 20-30 м, где чаще всего отмечался подповерхностный максимум флюоресценции хлорофилла «а», содержание нитратов возрастало от 2 до 5 µМ, и на этих горизонтах они, очевидно, не является лимитирующим развитие фитопланктона фактором.
Судя по распределению параметра кажущегося потребления кислорода (AOU), характеризующего продукционно-деструкционные процессы, а также парциальному давлению углекислого газа (pCO2), верхний 30-м слой моря является областью активного фотосинтеза, что сопровождается достаточно мощной продукцией кислорода при невысоком парциальном давлении СО2. Особенно активно продуцирование кислорода происходит в поверхностном слое на станциях 7015-7018, где продукция достигает 70 µМ.
Минимальные значения рСО2 в поверхностном море отмечаются на ст. 7018-7020, что связано с наиболее низкой температурой поверхностного слоя в этой части разреза (рис. 27). Ст. 7016 выделяется высоким значением рСО2 практически во всей толще вод, что скорее всего связано с активным окислением органического вещества, сформировавшемся при начавшемся весеннем цветении фитопланктона, и его разрушении после отхода кромки льда. Это подтверждают и данные по распределению растворенного органического вещества, практически отсутствующему в той части разреза. Полученные данные позволяют говорить о том, что активная продукция органического вещества в период исследования была сосредоточена в верхнем 20-30 м слое, ограниченном пикноклинон на большей части станций Ледового разреза.
Исходя из распределения температуры и солености на разрезе, можно выделить несколько структур в толще исследованной акватории. В первую очередь, выделяется относительной теплый 20-меровый слой с температурой до 1.8 °С на поверхности, который простирается на 100 км от Новой Земли и связан, скорее всего с ранним отходом льда в этой части моря и сезонным прогревом. В восточной части разреза наблюдается пониженная относительно остальных вод соленость (32.8 против 34 PSU), что объясняется опресняющим действием тающего льда, чья кромка находилась в нескольких сотнях метров от ст. 7027-7029. Здесь же наблюдалась отрицательная температура вод на поверхности. Ниже, выделялся промежуточный слой с температурой -0.2 – -0.4 °С. На ст. 7027 и 7028 температура в этом слое опускается до -1.2 °С, и, предположительно, данная вода представляет собой зимние воды Карского моря, формируемым на шельфе при становлении сезонного льда.
Концентрация фосфатов на ст. 7027-7029 (рис. 30) в верхнем 10 м слое составляла от 0.15 µМ до 0.2 µМ. По характеру вертикального распределения выделялись ст. 7028, 7029 и 7030, где содержание фосфатов практически не изменяется от 40 м до дна (180 м) и составло 0.3 µМ. В западной части разреза в слое 40-120 м отмечалась область высокого содержания фосфатов (до 0.65 µМ).
Распределение нитратов (как и кремния) на разрезе Порог Брусилова в общих чертах было схоже с распределением фосфатов. В поверхностном слое оно составляло 0.2–0.5 µМ на западных, близких к Новой Земле, станциях разреза, затем при движении на восток уменьшается вплоть до аналитического нуля. С глубиной содержание нитратов увеличивалось. По высокому содержанию нитратов 6-8 µМ выделялись зимние шельфовые воды на востоке разреза (глубина 80-100 м), а также промежуточный слой восточной и центральной частей разреза. Судя по данным рН (пониженные относительно других вод значения 8.16-8.18) и насыщения кислородом (85-90 %), эта область высоких концентраций биогенных элементов (содержание силикатов в этой же области достигает 5 µМ при фоновых значениях 1 µМ) связана с разложением органического вещества, сформировавшегося при начале весеннего цветения фитопланктона.
Оценить активность продукционно-деструкционных процессов на разрезе можно по параметрам AOU и pCO2 (рис. 31). Верхний 35-40 м слой моря является зоной продуцирования кислорода (до 60 µМ на станции 7032) при низких значения парциального давления углекислого газа (240-280 ppm). Область максимальных значений обоих рассматриваемых параметров приурочена к максимумам биогенных элементов, где деструкция преобладает над продукцией. Это видно как в промежуточном слое западной части разреза, так и на краю шельфа в его восточной части, где располагаются зимние воды Карского моря. Таким образом, в поверхностном слое отмечается преобладание активного продукционного процесса, а в промежуточном слое – деструкционный процесс окисления нового органического вещества.
Квазимеридиональный разрез от внешнего шельфа Карского моря к склону западного трога желоба Св. Анны имел протяженность 140 км и состоял из 4 станций. Гидрологическая структура представлена на рис. 32. Как и в предыдущих исследованиях этой части Карского моря, здесь была локализована фронтальная зона, расположенная над склоном желоба. Она выделяется по однородному вертикальному распределению температуре (-0.2 – -0.3 °С) и переходе поверхностной солености через значения 34–34.4 PSU.
Со склоновой фронтальной зоной была связана неоднородность в распределении биогенных элементов: аммонийного и нитратного азота, фосфатов. Содержание аммонийного азота варьирует от 0.2 до 1.1 µМ. Между ст. 7020 и 7043 распределение в поверхностном слое было однородным и значения не превышали 0.2 µМ. Ст. 7026 над бровкой шельфа выделялась по максимальному содержанию аммонийного азота от поверхности до дна и у дна достигало 1.1 µМ. Такая концентрация обычно сопровождает активное окисление органического азота до минерального над склоном желоба.
Содержание нитратного азота в верхнем 5-10 метровом слое не превышало 0.1–0.2 µМ, а в слое 20-25 м – 0.5 µМ. Неоднородность распределения на станции 7043 вызвана влиянием фронтальной зоны. Над нижней частью континентального склона (станция 7025) содержание нитратного азота ниже (1–3.5 µМ), чем над шельфом (4-7.5 µМ) при одинаковой глубине. Распределение нитратов на станции 7025 также характеризует наличие здесь фронтальной зоны с особой гидрологической структурой и динамикой вод.
Содержание фосфатов в толще вод на разрезе составляло 0.1–0.65 µМ, а распределение следовало особенностям гидрологической структуры. В верхнем деятельном слое (30 м) концентрация фосфатов составляла менее 0.2 µМ, а на крайних станциях разреза – менее 0.1 µМ. Над шельфом вертикальное распределение было более равномерным, а вблизи склона носило неоднородный характер, изменяясь от 0.25 до 0.5 µМ в слое 50-100 м.
Содержание силикатов над склоном шельфа, как и нитратов, заметно ниже, чем над шельфом. В первом случае оно варьирует от 0.1 до 1.5 µМ в толще вод, а во втором от 0.8 до 6.5 µМ.
На разрезе Желоб Св. Анны характеризующие продукцию кислорода отрицательные значения AOU над шельфом отмечены в слое 0-30 м, однако над склоном они находились гораздо глубже, достигая горизонта 90 м на самой глубокой станции 7025. Вероятнее всего такое распределение является отражением гидродинамических процессов, происходящих во фронтальной зоне. В придонном слое шельфовой части разреза потребление кислорода на окисление ОВ максимальное и составляет 60 µМ.
Парциальное давление углекислого газа во всей толще вод не достигает равновесного с атмосферой (400 ppm), таким образом косвенно можно судить, что поток СО2 над этой частью акватории моря направлен из атмосферы в воду, так как в атмосфере в среднем он превышает 412 ppm. Относительно невысокие значения (230-250 ppm) отмечены над склоном в толще от поверхности до 150 м. Ко дну глубоководной ст. 7025 парциальное давление возрастает до 370 ppm. Такое же значение pCO2 отмечается в ядре зимних шельфовых вод на станции 7043. Это указывает на то, что в районе склона желоба Св. Анны в верхнем деятельном слое моря активно происходит процесс продукции органического вещества.
В экспедиции выполнены исследовании направления и интенсивности обмена углекислым газом между Карским морем и атмосферой. В одних и тех же районах моря в зависимости от сезона, времени суток, гидрофизических и биологических процессов возможны разные по направлению потоки СО2 в системе между атмосферой и океаном. Полученные материалы по количественной оценке потоков СО2 в малоисследованном арктическом регионе необходимы для оценки глобальный баланс углекислотного обмена.
Результаты расчета потока углекислого газа, сделанные на основании экспедиционных измерений представлены в Таблице 3. Необходимо отметить несколько особенностей полученных оценок. pCO2 в воде варьировало от 222 до 338 ppm, что указывает на недонасыщенность поверхностного слоя моря углекислым газом. Вариация pCO2 в атмосфере составляет от 409 до 416 ppm, что является превышением относительно равновесного значения 400 ppm. Амплитуда рассчитанной интенсивности потока CO2 составила от -0.24 до -26 ммоль/м2*день (в среднем -3.9 ммоль/м2*сут). Наибольшие значения интенсивности потока CO2 отмечены на ст. 7018 и 7019 у кромки тающего сезонного льда, а также ст. 7026 и 7040. Последнее может быть связано с относительно сильным воздействием ветра в момент измерений (выше 5 м/с), что интенсифицировало поток. Полученные впервые для периода схода сезонного льда результаты свидетельствуют о том, что вся исследованная акватория Карского моря является областью стока для атмосферного CO2, среднее содержание которого в воздухе составляло 413 ppm.
В ходе экспедиции в период с 19 июня по 5 июля 2021 г. проведены непрерывные измерения концентрации CH4 и CO2 в приводной атмосфере с помощью лазерного анализатора Picarro G2132-I. Параллельно с измерениями малых газовых составляющих атмосферы велась запись метеорологических показаний – температура воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление и др., с использованием ультразвуковой метеостанции AIRMAR 150WX, входящей в состав сопутствующего оборудования лазерного анализатора.
Концентрация CH4 в приводном слое воздуха изменялась от 1.911 ppm до 2.145 ppm (максимальные концентрации были замечены в Баренцевом море, рядом с островом Колгуев), концентрации CO2 – от 397.27 до 437.85 ppm.
Максимум концентрации CH4 также наблюдался в центральной части Карского моря и предположительно был связан с процессами выноса воздушных масс с северных материковых районов Европейской территории России. В момент проведения измерений при движении судна на север, ветер преимущественно был юго-западный, а при движении вдоль берегов архипелага Новая Земля – юго-восточный. Аналогичная ситуация (с небольшим пространственным сдвигом) наблюдалась в распределении максимальных концентраций CO2.
Сравнение с данными, полученными в предшествующих экспедициях в Карское море позволяет предварительно говорить о следующих тенденциях:
- в 2019 г. (76-ой рейс АМК) концентрация CH4 изменялась в диапазоне 1.83 – 2.25 ppm, а CO2 в диапазоне 380 – 510 ppm;
- в 2020 г. (81-ый рейс АМК) концентрация CH4 изменялась в диапазоне от 1.92 ppm до 2.17 ppm, CO2 – от 389 до 445 ppm.
Наблюдения показывают, что за трехлетний период наблюдений максимальное значение концентрации, как CH4, так и CO2 уменьшилось, а минимальное, незначительно, но увеличилось.
Получены первые оценки состава, количественных параметров и особенностей вертикального распределения фитопланктона в Карском море в период схода сезонного льда. Основной материал получен на разрезе вдоль ледовой кромки, выполненном с 22 июня по 27 июня 2021 г. (станции 7015 – 7023). Характерным для Ледового разреза было повсеместное доминирование в фитоцене диатомовых водорослей, которые составляли >90% общей численности и биомассы фитопланктона.
В период наблюдений фитоценоз состоял из весенних видов и видов, присутствующих в фитопланктоне Карского моря в течение всего вегетационного периода. Основными весенними видами фитоценоза были: Chaetoceros socialis, C. furcellatus, C. karianus; пеннатные диатомеи образующие ленточные колонии: Fragilariopsis oceanica, F. cylindrus, Navicula рelagica, N. vanhoeffenii, комплекс видов рода Thalassiosira (cf. hyaline, antarctica, gravida, bioculata, nordenskioeldii), Porosira glacialis, Bacterosira bathyomphala. К массовым видам фитопланктона, присутствующим в сообществе в течение всего вегетационного сезона, относится Thalassiosira nordenskioeldii.
Средняя численность фитопланктона в столбе воды на Ледовом разрезе колебалась от 7.0х105 кл/л до 1.8х106 кл/л. Биомасса изменялась в пределах от 0.63 до 4.8 г/м3. Наиболее высокие показатели численности фитопланктона >1.0х106 кл/л наблюдались на станциях центральной части Ледового разреза – 7016, 7019, 7020 и 7023. Максимальные значения биомассы фитопланктона – 6-7 г/м3 зарегистрированы на горизонте 20 м на станциях 7018 и 7019. В области бассейна, охваченной Ледовым разрезом, численность определяли мелкоклеточные виды Chaetoceros socialis, C. furcellatus, Navicula рelagica, Fragilariopsis oceanica. Самые высокие значения биомассы связаны с развитием крупноклеточных видов рода Thalassiosira, Porosira glacialis, Bacterosira bathyomphala.
Фитопланктон в большинстве районов был сконцентрирован в верхних 30-35 м, при этом хорошо выраженный подповерхностный максимум формировался на глубинах от 10 до 25 м. Ниже 30 м численность и биомасса водорослей снижались на порядок и более. Исключением была ст. 7017, где в слое 30-40 м высокую численность формировали мелкоклеточные виды Navicula рelagica и Fragilariopsis oceanica, а высокую биомассу – несколько видов рода Thalassiosira.
Учет мертвых клеток в популяциях массовых видов показал, что деградация «цветений» происходит в верхнем слое 0-10 метровом слое, о чем говорит наибольший процент мертвых клеток, и вероятно связана со световым угнетением водорослей. На ст. 7018 на 12 м процент мертвых клеток в фитоцене составлял 8%, на 18 и 30 м мертвые клетки отсутствовали.
На фоне остальных станций основного Ледового разреза выделялась ст. 7043, сделанная в области верхней части континентального склона желоба Св. Анны. Фитопланктон в этой области был представлен тем же комплексом видов, что на других станциях, а отличие проявлялось в вертикальном распределении водорослей. Сравнительно высокие величины биомассы с максимумами на глубине 25 и 50 м наблюдались вплоть до 60 м, при этом ниже на горизонтах 110 и 130 м зарегистрированы величины 360 и 240 мг/м3.
По составу и количественными характеристикам фитоцена от станций Ледового разреза резко отличались станции 7025 и 7026, выполненные над континентальным склоном и в глубоководной части желоба Св. Анны в районе освободившемся ото льда примерно за две недели до начала наших работ. Диатомеи этой области составляли в среднем в столбе воды не более 60%, возросла численность динофлагеллят и их доля в сообществе. Резкое сокращение численности водорослей рода Thalassiosira, выпадение из фитопланктона крупноклеточных Porosira glacialis, Bacterosira bathyomphala выразилось в значительном снижении общей биомассы водорослей. В фитопланктоне появились мелкоразмерные Halosphaera viridis и Dinobryon sp.
Были получены оценки потенциальная фотосинтетической активности фитопланктона в Карском море в период таяния сезонного льда начала весеннего цветения с использованием методов импульсной флуориметрии. На Ледовом разрезе выполнены измерения относительной переменная флуоресценции хлорофилла планктонных микроводорослей (Fv/Fm). Помимо измерений, проведенных в нативных пробах воды, для получения характеристик активности разных фракций фитопланктона (микро-, нано- и пико) переменная флуоресценция была измерена на фильтрах 20 мкм, 3 мкм и GF/F, непосредственно сразу после последовательного фракционирования.
В эвфотическом слое, где освещенность составляла более 1% от падающей поверхностной радиации, величина Fv/Fm на разных горизонтах колебалась от 0.22, что свидетельствовало об отсутствии фотосинтетической активности фитопланктона, до 0.7, что было характеристикой максимально возможного фотосинтетического потенциала планктонных микроводорослей. Средний показатель Fv/Fm равный 0.54 свидетельствовал о фотосинтетически активном состоянии клеток в эуфоическом слое в целом на всем «ледовом» разрезе.
Наиболее фотосинтетически активный фитопланктон был встречен в основном на глубинах 15-35 м, в узком диапазоне крайне низкой освещенности (со средним значением 4.9 мкЕ, 0.5% от поверхностной освещенности, в сравнительно узком диапазоне отрицательных значений температуры. При этом концентрация нитратов в слоях с наиболее фотосинтетически активным фитопланктоном варьировала в широком диапазоне – от 0.5 до 3.4 мкМ, со средним значением 2 мкМ.
Анализ флуоресценции на фильтрах показал, что наиболее активной была микрофракция фитопланктона с линейным размером клеток более 20 мкм. При этом необходимо отметить, потенциальная активность крупного фитопланктона в большинстве случаев возрастала на нижней границе эуфотического слоя, в условиях низкой освещенности, и в области нутриклина. Здесь преобладали крупные диатомовые водоросли родов Thalassiosira, Bacterosira и Porosira, а также более мелкие формы родов Navicula, Fragillariopsis и Chaetoceros, которые формируют многоклеточные колонии.
Относительная переменная флуоресценция нанофракции фитопланктона (с линейными размерами клеток 3-20 мкм) была практически во всех случаях низкая Fv/Fm < 0.4, что свидетельствовало о низкой активности наноавтотрофов. В сообществе фитопланктона их доля была незначительна. Лишь на станциях 7017 в области нижней границы эуфотической зоны (на глубине 26 м) и 7043 глубже эуфотической зоны (на 50 м) потенциальная активность нанофитопланктона была выше 0.4. Относительная переменная флуоресценции пикофракции фитопланктона в эуфотическом слое на большинстве станций была крайне низкой — <0.2, при этом резко возрастала под нутриклином. Наибольшие значения Fv/Fm (0.4-042), наблюдались на ст. 7016 на глубине 50 м, ст. 7020 на глубине 35 м, ст. 7021 на 20 м, что свидетельствовало о возрастании активности автотрофного пикофитопланктона на этих глубинах.
Выполнено сопоставление данных о содержании хлорофилла «а», поступающих с флуорометрического зонда на розетте (Wet Labs ECO-AFL/FL Fluorometer), с результатами измерений флуоресценции хлорофилла в батометрических пробах воды (Smart VII) и с фактическим содержанием хлорофилла «а» на горизонтах. Калибровка флуорометра Smart VII – позволяет установить соответствие между приборными единицами максимальной флуоресценции хлорофилла (Fm) и фактическим содержанием хлорофилла «а», определенным в ацетоновых экстрактах пигментов в зоне активного природного фотосинтеза. Выявлено существенное (в 2-5 раз) занижение показаний флуорометра-зонда по концентрации хлорофилла, которое прослеживалось до глубины 20 м (рис. 40). По данным измерений флуоресценции хлорофилла in vivo после темновой адаптации, в пробах воды с поверхности фиксируются признаки фотоингибирования (рис. 41), которые в сочетании с другими формами нефотохимического тушения могут объяснять столь сильные искажения в показаниях датчика зонда в ясную погоду.
Были выполнены эксперименты по фотоингибированию фитопланктона поверхностного слоя и по восстановлению от фотоингибирования при действии искусственного облучения высокой интенсивности (ст. 7020). На пробе природного фитопланктона была подтвердена возможность 3-х кратного снижения интенсивности флуоресценции хлорофилла при высокой облученности (600 мкмоль·м-2·с-1). В районе работ в ясную погоду интенсивность ФАР достигала 1500 мкмоль·м-2·с-1, что в 2.5 раза больше облученности в описанном эксперименте. Полученные данные позволят утверждать, в Карском море в период схода сезонного льда в июне-начале июля следует ожидать еще большей интенсивности тушения флуоресценции хлорофилла in situ в верхних слоях водной толщи.
Выполнено определение параметров световой кривой скорости первичных реакций фотосинтеза естественных популяций фитопланктона на разной глубине и анализ их связи со средней величиной подводной облученности на горизонтах. На всех станциях получена четкая картина по адаптации фотосинтетического аппарата фитопланктона к различному уровню подводной облученности. От нижних горизонтов к поверхности мы наблюдали плавное (без выбросов) увеличение максимальной удельной скорости первичных процессов фотосинтеза rETRmax в 1.5…3 раза, и увеличение полунасыщающей интенсивности света PFD1/2 в 2…5 раз. Самые большие значения удельной скорости фотосинтеза на большинстве станций наблюдали у поверхности (0…2 м). По абсолютным значениям величины PFD1/2 можно с уверенностью говорить о насыщении процессов фотосинтеза в верхних 5-10 м в ясную погоду и при неплотном тумане днем. В верхнем горизонте световое лимитирование фотосинтеза было вероятным только в сильно туманную или облачную погоду, а также несколько часов после захода, когда интенсивность ФАР становятся меньше 80 мкмоль·м-2·с-1.
Выполнено исследование первичных реакций фотосинтеза и видового состава водорослей в пробах талого льда и их сравнение с параметрами микроводорослей, находящихся в поверхностном горизонте морской воды. Объем соленой воды, заключенной в порах и каналах морского льда, по нашим оценкам не превышал 3%. Видовой состав водорослей, живущих в канальцах, существенно отличался от фитопланктона окружающей открытой морской воды. Во фракциях талого льда (соленостью 11…14 PSU) была обнаружена практически монокультура зеленой жгутиковой водоросли рода Pyromimonas c небольшим присутствием диатомей. После адаптации к темноте эти водоросли показывали сравнительно невысокую активность реакционных центров фотосистемы 2 (Fv/Fm=0.28…0.44). Однако при измерениях в условиях постоянного освещения они демонстрировали самую высокую из всех значений полученных в настоящих исследованиях стойкость к интенсивному световому облучению и обладали самым высоким значением максимальной удельной скорости фотосинтеза. Эти показатели сохранялись и в более опресненных фракциях с соленостью 5-7 PSU.
В экспедиции получены первые за историю исследований оценки первичной продукции фитопланктона, включая оценки по экспериментам “in situ” для эпиконтинентальных Сибирских морей в период схода сезонного ледового покрытия.
В конце июня 2021 г. в Карском море было зарегистрировано «цветение» фитопланктона у отступающей кромки сезонного льда. Данный вывод основан на высоких (>500 мгС/м2 в день) величинах интегральной для столба воды первичной продукции (ИПП) на большинстве станций. ИПП на Ледовом разрезе изменялась от 282 до 1352 мгС/м2 в день, составив в среднем 740 мгС/м2 в день. Величины >1 мгС/м2 в день никогда не регистрировались в наших многолетних исследований в более поздние сезоны. Концентрация хлорофилла «а» в слое фотосинтеза (Хлфс) на разрезе изменялась от 16.2 до 149.93 мг/м2, составив в среднем 81.51 мг/м2. Величины ИПП и Хлфс в целом возрастали с юга на север до середины разреза – станций 7018 (по Хлфс) и 7019 (по ИПП). Далее на север эти величины имели тенденцию к снижению. Вне зоны «цветения» оказались крайняя южная точка разреза (ст. 7015), а также станции 7025 и 7026, расположенные в желобе Св. Анны.
Особенностями вертикального распределения хлорофилла на разрезе Ледовом разрезе были: высокие (от 0.51 до 4.17 мг/м3, в среднем 2.04 мг/м3) концентрации в верхнем перемешанном слое (ВПС) и подповерхностный максимум (ПХМ), который располагался, на большинстве станций сразу под ВПС, в слое максимальных градиентов пикноклина и повышенных концентраций биогенных элементов. За исключением ст. 7043, ПХМ располагался высоко (в среднем 12 м) в слое фотосинтеза. За исключением станций, лежащих вне зоны «цветения» (см. выше), а также станции 7043, границы ВПС, ПХМ, эвфотической зоны (1% фотосинтетически активной радиации, ФАР) и нитраклина располагались очень близко друг к другу. Концентрация Хл в ПХМ изменялась от 0.62 до 6.84 мг/м3, при средней величине равной 3.7 мг/м3.
Вертикальное распределение ПП в последней декаде июня 2021 г. характеризовалось максимумами на поверхности или в подповерхностном слое. Последние объясняются световым угнетением скорости фотосинтеза высокой инсоляцией на поверхности моря. Вторичные максимумы, которые могли быть связаны с ПХМ, не были обнаружены. По всей видимости, ПХМ в исследованный период не вносил незначительный вклад в ИПП.
Вывод о том, что фитопланктонное сообщество в период исследований в последней декаде июня 2021 г., находилось в весеннем состоянии, подтверждается его размерной структурой. На станциях в зоне «цветения» у границы отступающего ледового поля средний вклад микрофитопланктона (>20 µm) в суммарные величины ИПП и Хлфс составил 92% и 82%, соответственно.
На ст. 7015, где, по видимому, уже наблюдался спад «цветения», и в желобе Св. Анны (ст. 7025 и 7026) доля мелкоразмерных фракций возрастала, но микрофитопланктон, тем не менее, продолжал доминировать. Вклад нанофитопланктона (3 – 20 µm) в суммарные величины ИПП и Хлфс на этих станциях составила 18% и 33%, соответственно, а доля пикофитопланктона (< 3 µm) – 23% и 21%, соответственно (рис. 51, 52).
Вклад мелкоразмерных фракций фитопланктона в суммарные величины ПП возрастал с глубиной. Особенно такая тенденция заметна для пикофитопланктона. В среднем доля этой размерной группы возросла с поверхности до границы слоя фотосинтеза с 3 до 70%. При этом доля микрофитопланктона снизилась с 93 до 19%. Для вертикального распределения вклада различных фракций суммарные величины Хл такой тенденции не наблюдалось. Все размерные группы на разных горизонтах вносили приблизительно одинаковый вклад в суммарные величины Хл. Полученная картина свидетельствует, с одной стороны, об увеличении удельной ассимиляционной активности пикофитопланктона при уменьшении интенсивности света с глубиной и, с другой стороны, снижении этого адаптивного показателя к низкой освещенности у микрофитопланктона.
Впервые для сезона сезонного льда в Карском море были получены оценки параметров обилия пикофитопланктона. В последней декаде июня в поверхностном горизонте были отмечены значительная вариабельность численности и биомассы ПФ – минимальные значения составляи в среднем 0,42±0,03×109 кл/м3 и 0,36±0,14 мг С/м3,соответственно и были приурочены к самой южной (ст. 7015) и самым северным станциям (ст. 7021 и 7023) Ледового разреза. Максимальные величины параметров обилия ПФ были выявлены на ст. 7017 и составили 5,38×109 кл/м3 и 3,27 мг С/м3.
Концентрация хлорофилла «а» пикофракции автотрофного планктона в поверхностном слое была низкая и составила в среднем 0,11±0,08 мг/м3. Вклад ПФ в суммарный хлорофилл «а» в поверхностном горизонте колебался от 2% (ст. 7023) до 16% (ст. 7025).
На Ледовом разрезе средние значения численности и биомассы ПФ в фотическом слое колебались более, чем на порядок – от 0,25 до 4,91 ×109 кл/м3 и от 0,34 до 2,49 мг С/м3 соответственно (рис. 55). Наименьшие средние величины параметров обилия ПФ в фотическом слое отмечены на северных станциях разреза (ст. 7021, 7023).
Анализ вертикального распределения ПФ на Ледовом разрезе показал, что максимальные значения биомассы были реже приурочены к поверхностному горизонту (ст. 7017), чаще – к верхнему 20-ти метровому слою (ст. 7015, 7016, 7018, 7019 и проч.) и в основном располагались выше нижней границы фотического слоя (Zeu 1%).
Концентрация хлорофилла «а» ПФ на разрезе существенно колебалась по горизонтам – от 0,003 мг/м3 (ст. 7015 60 м) до 0,28 мг/м3 (ст. 7019 20 м). Вклад пикофракции фитопланктона в общий хлорофилл «а» на разрезе варьировала от 0,4% на горизонте 4 м ст. 2021 до 34% на горизонте 20 м ст. 2015. В среднем в фотическом слое доля хлорофилла «а» пикофракции составила 5%, исключение составила самая южная станция разреза 2015, где средний вклад этого параметра достигал 28%. Эти цифры более чем на порядок меньше вклада, выявленного в наших предыдущих исследованиях в позднелетний и осенний сезоны.
Анализ отобранного у края ледовой кромки на ст. 7023 льда показал, что обилие пикофракции криофлоры было низким: численность пиководорослей составила 0,05 млн. клеток на литр талой воды, биомасса 0,03 мкг С/л талой воды, концентрация хлорофилла «а» пикофракции 0,008 мкг/л талой воды, что составило всего 2% от общего содержания хлорофилла во льду.
Были получены первые оценки структурных и функциональных параметров бактериоплантона для периода схода сезонного льда в Карском море. На разрезе вдоль ледовой кромки обилие бактериопланктона на разных горизонтах варьировало от 103 до 1162 тыс.кл./мл. На большинстве станций этот показатель снижался с глубиной: величины, превышающие 300 тыс.кл/мл были приурочены к горизонтам до 12-40 м. Отдельно стоит выделить станцию 7043, на которой были отмечены заглубленные пики флуоресценции: численность бактерий по глубине варьировала в гораздо меньших масштабах (от 306 до 991 тыс.кл/мл), и не было отмечено тенденции ее снижения с глубиной. Средняя для столба воды величина обилия бактериопланктона на Ледовом разрезе варьировала от 186 до 622 тыс.кл/мл. Относительно низкие значения этого показателя (186-219 тыс.кл/мл) наблюдались на станциях 7015-7016 и 7018-7020. Наибольшие значения средней для столба воды величины обилия бактериопланктона были отмечены на отличающейся по вертикальному распеределению ст. 7043 (622 тыс.кл/мл), а также на крайней северной станции разреза (554 тыс.кл/мл).
На северных станциях разреза (ст. 7019-7021) в поверхностном слое на фоне относительно низких величин обилия бактерий наблюдался высокий вклад в общую численность прикрепленных клеток: их число могло превышать количество свободноживущих клеток до 3.5 раз.
На станциях квазимеридионального разреза через область континентального склона западного отрога желоба Св.Анны средние величины обилия бактериопланктона в столбе воды были в среднем выше, чем на разрезе вдоль кромки льда и варьировали от 594 до 708 тыс.кл/мл. Численность бактериопланктона на разных горизонтах изменялась от 306 тыс.кл/мл до 1.2 млн.кл/мл (рис. 58). При этом на глубинах <150 м в абсолютном большинстве случаев этот показатель превышал 500 тыс.кл/мл.
Были получены оценки скорости роста бактериопланктона в поверхностном слое моря, которые варьировали на разных станциях от 0 до 0.97 сут-1. Наибольшие величины были отмечены на ст. 7015 и 7018 (0.78 и 0.97 сут-1 соответственно). В слое максимума флуоресценции скорость роста варьировала от 0.11 до 0.96 сут-1. В целом, на разрезе вдоль кромки льда наблюдалась тенденция к снижению скорости роста бактериопланктона в северо-восточном направлении. Наибольшее влияние потребителей на продукцию бактериопланктона (более 70%) было отмечено на станции 7023, в поверхностном слое станций 7016 и 7026, а также в слое максимума флуоресценции ст. 7019.
В ходе экспедиции впервые получены характеристики структуры и функционирования зоопланктона Карского моря в ранневесенний период, непосредственно после освобождения акватории от сезонного льда. Данные о распределении суммарной биомассы зоопланктона в слое 0-дно на разрезе, выполненном вдоль кромки сезонного льда на шельфе Карского моря. На большей части станций разреза биомасса зоопланктона была низкой и не превышала 1 мл/м3. Заметное увеличение биомассы наблюдалось на ст. 7043, в относительно мелководной области шельфа на фоне повышения градиентов гидрофизических параметров.
На квазимеридиональном разрезе через континентальный склон западного отрога желоба Св. Анны биомасса зоопланктона была в 2.5 раза выше, чем в районах шельфа недавно освободившихся от льда. Максимальные значения Bzoo отмечены на кромке шельфа (ст. 7026), где по-видимому, происходит взаимодействие шельфовых карскоморских и трансформированных баренцевоморских вод, поступающих из желоба Св. Анны и формируется устойчивая фронтальная зона.
Доминирующими видами зоопланктона в период исследований были 3 вида крупных арктических копепод Calanus glacialis, C. hyperboreus, C. finmarchicus и мелкие копеподы рода Pseudocalanus. Суммарный вклад этих видов составляет на большинстве станций более 90% суммарной биомассы.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в области взаимодействия вод разного происхождения происходят процессы, способствующие формированию локальных областей повышенных концентраций зоопланктона.
. У кромки льда и в желобе Св. Анны прослеживается четкая приуроченность основной массы зоопланктона к поверхностному 50-100 м слою. В пределах этого слоя высокие концентрации зоопланктона совпадали с максимумом обилия фитопланктона. В области внешнего шельфа, в зоне влияния баренцевоморских вод (ст. 7043) более 40% биомассы было сосредоточено в 30-м придонном слое, где также отмечалось увеличение биомассы фитопланктона. Основу этого скоплений составляли активно питающиеся младшие возрастные стадии копепод рода Calanus. Эти данные показывают, что в период исследований характер вертикального распределения в разных биотопах заметно различается, что, по-видимому, обусловлено различиями локальных гидрофизических условий и доступностью пищевых ресурсов.
Получены данные о возрастной структуре популяций 3-х видов калянуса в период исследований. Видно, что демография массовых видов заметно различается. В районах, недавно освободившихся ото льда, популяция более тепловодного вида Calanus finmarchicus находилась на наиболее ранней стадия жизненного цикла с характерным доминированием половозрелых самок и отсутствием молоди. В популяциях арктических видов C. glacialis и C. hyperboreus более 90% популяции составляли младшие копеподитные стадии. В области внешнего шельфа, находящейся в зоне влияния баренцевоморских вод, популяции всех трех видов находились на более поздних стадиях жизненного цикла.
Данные, полученные в экспедиции, позволили впервые оценить роль зоопланктона в утилизации первичного органического вещества в ранневесенний период вскоре после освобождения акватории ото льда при развитии весеннего цветения фитопланктона. Оценки показали, что в весенний период роль зоопланктона в трансформации новосинтезированного органического вещества в районах, недавно освободившихся ото льда, была невысокой. Выедание биомассы фитопланктона не превышало 1%. Более интенсивно процесс утилизации биомассы автотрофов происходил у края внешнего шельфа, в зоне влияния баренцевоморских вод, где на фоне невысокой биомассы фитопланктона отмечалось заметное повышение обилия зоопланктона. В этом районе вся наличная биомасса фитопланктона размером >3 мкм может быть съедена сообществом зоопланктона за несколько суток. Это может быть одной из причин низкой биомассы фитопланктона, с одной стороны, и увеличения роли пикофитопланктона в этих районах — с другой стороны.
Были проведены исследования питания молоди сайки в весенний сезон. Все личинки питались. Спектр питания включал яйца и науплиусов Calanoida, единично встречен копеподит Oithona similis. Количество пищевых объектов в ЖКТ одной личинки варьировало от 1 до 24 экз. и в среднем составляло 7.6 экз. Основу питания составляли мелкие науплиусы Calanoida, один из наиболее многочисленных компонентов зоопланктонного сообщества в период исследований.
В отличии от предыдущих лет, основу численности ихтиопланктона в слое 40-0 м составляли личинки представителей сем. Stichaeidae (Anisarchus medius, Leptoclinus maculatus, Lumpenus fabricii). Их общая численность на некоторых станциях доходила до 2.6 – 7.6 экз/м2, что сравнимо с численностью сайки в отдельные годы. Наряду со стихеевыми, относительно многочисленными были личинки сайки (Boreogadus saida), их общая доля в уловах достигала 45%. Длина пойманных личинок изменялась в пределах 6.5 – 11 мм и в среднем составляла 7.3мм.
По результатам серий послойных горизонтальных ловов было установлено, что личинки сайки концентрировались в слое 3-10 м с максимальной численностью 4.2 – 7.7 экз/100 м3, ниже 10 м личинки сайки не обнаружены. Ранние стадии развития трех видов стихеевых напротив в основном находились на горизонтах ниже 10 м. Также в уловах представлены единичные экземпляры европейского керчака, арктического шлемоносного бычка и двух видов белобрюхих липарисов.
В уловах донного трала Сигсби отмечено 6 видов рыб, относящихся к 4 семействам (табл. 5). Наибольшая численность рыб обнаружена в таловых пробах, взятых в области континентального склона западного и восточного трогов желоба Св. Анны (станции 7022 и 7024).
Были исследованы состояния донных сообществ Карского моря с целью оценки их изменений в результате развития инвазии хищного краба-стригуна Chionoecenes opilio. Были выполнены станции в центральной части бассейна (глубина 130 м), а также в западном и восточном трогах желоба Св. Анны на глубинах 220-230 м. В наших долговременных нблюдения за развитием инвазии краба стригуна эти станции являлись реперными для данных частей моря, на них проводились проводились траловые сборы и видеонаблюдения в предыдущие годы.
По своей таксономической структуре донное сообщество западного трога желоба Св. Анны (ст. 7024) значительно отличается от сообществ Карского моря, что определяется влиянием на район баренцевоморской фауны, а также активной склоновой гидродинамикой, отночитрельно высокой продуктивность пелагической экосистемы и смешанными грунтами. В донной фауне доминируют офиуры, из которых наиболее массовые – Ophiopholis aculeata, ежи Strongylocentrotus droebachiensis, лилии Heliometra glacialis, двустворчатые моллюски Hiatella arctica, Chlamys islandica, Astarte crenata. В полученных траловых пробах и материалах видеонаблюдений крабы Chionoecetes opilio были хорошо представлены, но не принадлежали к числу доминирующих форм, достигая плотности около 18 экз/100 м2. Полученные данные свидетельствуют об относительной временной стабильности донного сообщества этого района моря. Вселение краба Chionoecetes opilio не привело к резким качественным и количественным изменениям регионального донного биоценоза. По сравнению с 2020 г. плотность популяций и соотношение ведущих таксонов осталось практически неизменным.
Сообщество континентального склона восточного трога желоба Святой Анны (ст. 7022) на глубинах 220 м на илистых грунтах при слабой гидродинамической активности представляет собой один из вариететов полиморфного биоценоза Ophiopleura borealis, широко распространенного на заглубленном шельфе Карского моря. По данным БНПА «Видеомодуль» наиболее массовая форма эпибентоса – крупные офиуры Ophiopleura borealis, плотность популяции которых по предварительной оценке составляла около 130 экз/100 м2 (рис. 69). Среди массовых форм также звезды Urasterias lincki и мягкие кораллы Gersemia sp. Крабы Chionoecetes opilio не были обильны, но встречались регулярно (около 3.5 экз/100 м2). Сравнение с данными 2011 г, полученными до нахождение в краба Chionoecetes opilio, показывают, что облик сообщества изменился не очень сильно, и вселение краба оказало существенно меньшее влияние на донные биоценозы этого района. Среди основных изменеий следует отметить отсутствие в пробах морского таракана Saduria sabini, который в 2011 г. был одним из доминантов. При этом наличие в районе крупных особей Chionoecetes opilio промыслового размера (карапакс ~10 см) говорит о том, что вселение краба произошло здесь достаточно давно.
Напротив, наши наблюдения в центральной части Карского моря (ст. 7018) по сравнению с 2014 г. показали существенные изменения облика донных сообществ. До вселения краба-стригуна здесь были найдены сообщества с выраженным доминированием офиур Ophiopleura borealis, Ophiocten sericeum и морского таракана Saduria sabini, то в 2021 г., как и в 2019 г, здесь численно доминировали двустворчатые моллюски Astarte crenata и Yoldiella spp., а также полихеты Aglaophamus malmgreni. Офиуры, в исторической «норме» составлявшие до 90 % биомассы и численности донных сообществ, практически исчезли из сообщества. При этом как общее обилие, так и разнообразие бентоса существенно уменьшилось, массово остались крупные морские звезды Icasterias sp., Ursterias sp., Ctenodiscus crispatus (рис. 70). Тем не менее, следует подчеркнуть, что по сравнению с наблюдениями, выполненными в этом районе в 2019 и 2020 гг., встреченное в 2021 г. донное сообщество оказалось несколько богаче и в количественном, и в качественном отношении.
Получены материалы, характеризующие состояние популяции краба – вселенца Chionoecetes opilio в Карское море в центральной части бассейна в точке многолетних наблюдений (ст. 7018). В данных координатах краб был впервые обнаружен в траловой пробе в 2014 г. В 2019 и 2020 гг. в этом районе были зарегистрированы в небольшой количестве только крупные половозрелые самки с икрой. По данным видеонаблюдений плотность поселения крабов в этом районе в 2019 – 2021 гг. не сильно изменялась – плотность поселения особей с шириной карапакса 50-60 мм составляла 0.1-0.2 крабов на м2. Весной 2019 г. (начало июля) в районе было отмечено большое количество личинок первой стадии развития, а осенью 2020 г. были пойманы мегалопа и небольшое количество личинок (0.2 экз. на м2). Весной 2021 г. нами были впервые пойманы недавно осевшие крабы (ширина карапакса ~5 мм) (рис. 71). Присутствие мегалопы в уловах Бонго 2020 г. и молоди краба-опилио в траловых пробах 2021 г. говорит об успешном оседании личинок осенью 2020 г., что впервые наблюдалось в центральной восточной части Карского моря и указывает на дальнейшее развитие инвазии Chionoecetes opilio в Карский бассейн.
Проведены первые исследования взвешенного и растворенного органического веществ водной толщи Карского моря в период освобождения бассейна от сезонного льда. Зафиксированы аномально низкие концентрации общего (TOC) и растворенного (DOC) органического углерода на южной станции Новоземельского разреза (ст. 7015). Среднее содержание TOC в столбе воды на ст. 7015 составило ~0,5 мг/л, что вдвое ниже среднемноголетних значений для данного района и сравнимо с содержанием органического углерода в океанских водах. Показано возрастание концентраций DOC и POC с юга на север по разрезу, при этом содержание углерода возрастало сначала в поверхностных горизонтах, а потом и в придонных. У северной оконечности Новой Земли по разности концентраций TOC и PC подтверждено существование постоянной фронтальной зоны между ст. 7026 и 7043.
Увеличение концентраций PC хорошо коррелирует с максимумами содержания фитопланктона и повышенными значениями хлорофилла-а. Средние концентрации взвешенного органического углерода в поверхностном (0-50 м.) слое практически вдвое превышают среднемноголетние значения для данного района, однако существенно ниже, чем зафиксированные на максимуме цветения в 2019 г. (Прим: Содержание общего углерода в Карском море практически всегда совпадают с содержанием органического из-за отсутствия во взвеси карбонатов.)
В целом проведенные исследования распределения органического вещества в растворенной и взвешенной формах в столбе воды в период схода сезонного льда и начала весеннего цветения фитопланктона позволили зафиксировать повышенные концентрации взвешенного органического углерода в поверхностном слое. Показано, что органический углерод взвеси в изученном районе имеет исключительно планктоногенный генезис, его концентрации коррелируют с содержанием фитопланктона и распределением хлорофилла-а. На ряде станций зафиксированы минимальные для района за весь период наблюдений концентрации растворенного органического углерода, что показывает полную деструкцию поступающего в экосистему углерода терригенного и планктоногенного генезиса за зимний период. Сравнение динамики изменения концентраций взвешенного и растворенного органического углерода позволяет предположить, что основную роль в повышении концентраций растворенного ОВ является деструкция взвешенного в процессе седиментации.
Были выполнены сейсмические исследования, результаты которых подтвердили ранее полученные ранее оценки малой мощности современных морских отложений на склонах Новоземельской впадины и в западном троге Св. Анны. На полученных сейсмических профилях видно, что современные морские осадки могут иметь мощность до 30-40 м и представлены слоистыми со множеством отражающих рефлекторов отложениями или акустически прозрачными горизонтами. В троге Св. Анны, например, они практически отсутствуют, в то время как в пределах Западно-Карской ступени достаточно широко распространены.
Западно-Карская ступень в отношении изучения строения осадочного чехла представляет наибольший интерес. Показано, что мощности современных морских отложений по профилю, пройденному параллельно ступени, меняются от нескольких метров на поднятиях до нескольких десятков метров в прогибах. Характерной особенностью рельефа ступени является наличие многочисленных каньонов различного размера и глубины. Каньоны могут рассекать как современные морские отложения, так и более древние отложения, кровля которых соответствует высоотражающему горизонту, подстилающему эти осадки. Как отмечалось выше эти каньоны, по всей видимости, являются тальвегами рек, которые образовались по разрывным нарушениям субмеридионального простирания.
В ходе экспедиции получен широкий спектр проб природных газов, которые извлекались из воды и донных осадков. В отобранных пробах будут определены: СН4, тяжелые углеводороды (С2Н6, С3Н8, С4Н10 и др.), СО2, О2, N2, Н2, Не. Эти компоненты природного газа являются индикаторами физико-химической среды в море. Они влияют на формирование аутигенных и рудных минералов, количественные характеристики их концентрации могут быть использованы при поиске газогидратов и месторождений углеводородов в Карском море.
В ходе экспедиции получен материал (пробы невозмущенных донных осадков бокс-корером) для выявление основных тенденций изменения во времени и в пространстве – по латерали и вертикали – распределения техногенных радионуклидов в толще донных отложений Карского моря. Отобраны пробы для оценки трансформации геохимического поля в донных отложениях Карского моря в участках метановой дегазации.
Был получен материал для оценки сезонной изменчивости в содержании и составе углеводородов (алифатических и полициклических ароматических) и их распределения в растворенной и взвешенной формах в Карском море. Анализ проведен в системе: ПМС (поверхностный микрослой, около 300 мкм) – разные формы льда–подледная вода. Полученные данные показали, что в зависимости от того, насколько был сформирован ПМС, то есть в зависимости от состояния морской поверхности (погодных условий, в основном силы ветра), происходит концентрирование в этот слое липидов (суммарная фракция) и УВ в 3–16 раз по сравнению с поверхностными водами. Степень концентрирования различных соединений в ПМС зависит от их гидрофобных свойств, что особенно это характерно для взвешенной формы УВ.
На ст. 7023 были отобраны разные формы льда: ведром с трапа – «шуга», тонкий лед («ледяная каша») между плавающими льдинами; небольшие куски льда. В большей степени аккумулирование липидов и УВ происходит в шуге – остаточной форме тонкого льда, которая находилась между большими тающими льдинами (рис. 78). Возможная причина – размягчение лда при волнении, что оказывает на его структуру двойное действие: увеличивает число каналов и капилляров во льду, а также расширяет их диаметр и интенсифицирует процессы обмена между водой и льдом. Концентрирование в шуге для УВ в составляет 11 раз, для липидов – в 17 раз. Содержание УВ в пробах льда были значительно ниже, чем в ПМС и шуге.
Для оценки закономерностей диагенетического преобразования органического вещества в арктических морских осадках, а также изучение процесса накопления и выделения углеводородных газов из морских осадков в водную толщу были отобраны вертикальные профили из колонок осадков для анализа изотопно-фракционных характеристик экстрагированного ОВ, разделенного с помощью полярных органических растворителей на фракции. На материале будут проведены исследование молекулярного газового состава и изотопного состава углерода УВ газов в поровых водах по вертикальному профилю колонки, что позволит получить дополнительную информацию о процессе деструкции ОВ, количестве и состав газов, которые поступают в водную толщу из осадка и затем в атмосферу.
В районе континентального склона Карского моря в западном и восточном отрогах желоба Св. Анны были выполнены исследования морского дна – видеоразрезы с помощью БНПА «Видеомодуль».
Список организаций, участвующих в экспедиции:
1. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук.
2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Северо-Западное отделение Института Океанологии им. П.П.Ширшова Российской академии наук
3. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южное отделение Института Океанологии им. П.П.Ширшова Российской академии наук (ЮО ИО РАН),
4. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук (ИГЕМ РАН).
5. ФГБУН Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского
Российской академии наук (ГЕОХИ РАН).
6. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский институт океанологии им.В.И.Ильичева ДВО РАН (ТОИ ДВО РАН)
7. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии РАН (ИГ РАН)
8. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН).
9. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (ИНМИ РАН).
10. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы Сибирского отделения РАН (ИО СО РАН).
11. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
12. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»
13. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ВНИРО, Росрыболовство).