Период работ: 11 октября — 29 ноября 2022 г.
Начальник экспедиции: И.П. Семилетов 
Капитан судна: Ю.Н. Горбач
Район работ: Карском, Печерском и Баренцевом морях
Научный состав: 37 человек

Темы и проекты исследований:

- «Исследования климатических, геологических, биогеохимических и экологических последствий деградации реликтовой прибрежно-шельфовой криолитозоны морей Северной Евразии» (гос. рег. № 0211-2021-0010), госзадание ТОИ ДВО РАН,

- «Эколого-биогеохимические процессы в морских экосистемах: роль природных и антропогенных факторов» (гос. рег. № 0211-2021-0014), госзадание ТОИ ДВО РАН,

- «Разработка и внедрение перспективных методов исследования состояния окружающей среды и ее ресурсного потенциал в условиях активизации промышленного развития России в Дальневосточном и Арктическом регионах» (гос. рег. № 0211-2021-0011), госзадание ТОИ ДВО РАН,

- «Палеоокеанология и палеоклиматология окраинных морей Востока Азии и примыкающих районов Северного Ледовитого океана и Тихого океанов, современная и мезозойско-кайнозойское осадконакопление, геодинамика, магматизм и рудогенез (гос. рег. № 0211-2021-0005), госзадание ТОИ ДВО РАН,

- «Теоретические основы геокриологического прогноза и картирования криолитозоны России» (госзадание МГУ им. М.В. Ломоносова на 2021-23 гг., гос. рег. № АААА-А16-116033010094-4),

- «Исследование микроскопической анатомии, развития и таксономического разнообразия беспозвоночных животных» (гос. рег. № 121032300121-0), госзадание кафедры зоологии беспозвоночных МГУ им. М.В. Ломоносова,

- «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» (гос. рег. № 0128-2021-0001), госзадание ИО РАН,

- «Механизмы формирования циркуляционных структур Мирового океана: ключевые процессы в пограничных слоях и их роль в динамике океана на основе экспедиционных исследований, численного и лабораторного моделирования» (гос. рег. № 0128-2021-0002), госзадание  ИО РАН,

- «Геоморфология морского дна, геофизические и биогеохимические характеристики литосферы океанов и морей: геоморфологические особенности рельефа дна Арктического бассейна; геолого-геофизические и биогеохимические исследования осадочной толщи и литосферы Арктического шельфа, переходной зоны от Тихого океана к Евразии, отдельных районов Атлантики и Индийского океана, морей России» (гос. рег. № 0128-2021-0005), госзадание ИО РАН,

- «Осадочная геохимия подводных окраин континентов" (гос. рег. № 0137-2019-0007), госзадание ГЕОХИ РАН.

Проекты РНФ и РФФИ, задачи которых также выполнялись в экспедиции:

- РНФ: «Потоки и генезис органического вещества в системе суша-шельф в Российской Арктике: климатическая роль деградации мерзлоты» (№ 21-77-30001), ТОИ ДВО РАН;

- РНФ: «Динамика карбонатной системы и асидификация вод морей Восточной Арктики/Субарктики в условиях современного изменения климата» (№  21-17-00027), ТОИ ДВО РАН;

- РНФ (продолжающийся): «Морфология, развитие, таксономическое разнообразие и распространение Siboglinidae — индикаторов подводных месторождений углеводородов» (№ 18-14-00141-П), МГУ им. М.В. Ломоносова;

-РНФ: «Строение и развитие френулятных погонофор при становлении уникального симбиоза с бактериями» (№ 20-74-10011), МГУ им. М.В. Ломоносова;

РФФИ: «Генезис и динамика окрашенного растворенного органического вещества на шельфе морей Восточной Арктики» (№ 20-05-00545), ТОИ ДВО РАН;

- грант Президента РФ: «Геохимия редокс-чувствительных элементов в донных осадках областей разгрузки метана на шельфе морей Восточной Арктики» (№ МК-1774.2021.1.5), ТПУ;

- грант Президента РФ: «Закономерности накопления и преобразования органического углерода на шельфе Восточно-Сибирской Арктики» (№ МК-3476.2021.1.5), ТПУ.

Экспедиция проводится также для выполнения фундаментальных научных исследований по программам:

- Программа Президиума РАН: «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации», проект 1.1.13. «Разработка новых методов изучения и моделирования распределения и динамики состояния подводной мерзлоты и эмиссии метана из морей Восточной Арктики»;

- продолжение исследований международной лаборатории углерода арктических морей и лаборатории арктических исследований ТОИ ДВО РАН на научно-образовательной платформе Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) в рамках гранта Правительства РФ  «Сибирский арктический шельф как источник парниковых газов планетарной значимости: количественная оценка потоков и выявление возможных экологических и климатических последствий» (№ 14.Z50.31.0012),

- Программа РАН 1.49 «Взаимодействие физических, химических и биологических процессов в Мировом океане»: «Диагенетическая мобилизация газов и тяжелых металлов из верхнеплейстоцен-голоценовых осадков устьевых областей Оби, Енисея и Лены, а также примыкающих к ним шельфовых акваторий Карского моря и моря Лаптевых» (№ 0137-2018-0031).

Основные задачи экспедиции:

- выявление количественных пространственно-временных изменений потоков метана из донных отложений в водную толщу и атмосферу в зонах мегасипов пузырькового метана;

- уточнение масштабов и динамики возрастающей массированной эмиссии метана вследствие деградации подводной мерзлоты;

- выявление генезиса основных компонентов газожидкостного геологического флюида, разгружающегося в рифтовых зонах и за их пределами;

- изучение геологического строения верхней части осадочной толщи в районах массированных газопроявлений и развития подводной мерзлоты;

- изучение сейсмического режима шельфа в районах массированных газопроявлений и развития подводной мерзлоты;

- изучение механизмов вовлечения реликтового органического вещества в современные биогеохимические циклы;

- изучение вертикальной термохалинной структуры водной толщи и поверхностного слоя;

- выявление изменений во взаимодействии основных компонентов климатической системы в Арктике, таких как деградация мерзлоты и сопутствующего ей разложения органического вещества, выделения метана и двуокиси углерода;

- изучение судьбы терригенного углерода на арктическом шельфе для решения литологических, палеоклиматических и палеоокеанологических задач (реконструкция изменений палеопродуктивности и ледовитости вод арктических морей в послеледниковье позднечетвертичного времени);

- изучение состояния гидробиологических систем;

- исследование асидификации морской воды и влияние этого процесса на бентические сообщества и экологическое состояние арктических морей;

- изучение микробных сообществ и активности микробных процессов циклов углерода, метана и серы в донных осадках районов газопроявления;

- литологические исследования;

- акустическая регистрация форм морфоскульптур подводного рельефа;

- электроразведочное зондирование дна;

- подъем донных сейсмографов МПССР после экспозиции;

- новые постановки донных сейсмографов;

- изучение состава углеводородов, тяжелых металлов в водной толще и донных осадках;

- проведение 2 Школы молодых ученых (в рамках выполнения задач гранта РНФ № 27-77-30001) для углубления студентами и аспирантами теоретической подготовки и приобретения практических навыков проведения океанографических исследований на борту судна.

Каждая из задач соответствует конкретному планируемому результату планов госзаданий учреждений-участников морских научных исследований и планов их проектов и грантов (см. раздел выше).

Ввиду неблагоприятной ледовой обстановки, сложившейся в результате позднего выхода НИС «Академик Мстислав Келдыш» в рейс № 90, исследования были ограничены только морями западной Арктики -  Карским, Печерским и Баренцевым.
 

Предварительные научные результаты:

Результаты выполненных мультидисциплинарных работ по научным направлениям отражают следующие данные:

Гидрофизические исследования. За время работ на 48 станциях было выполнено 51 зондирование; на 31 станции производился отбор проб воды батометром с заданных горизонтов. В течение 29 суток осуществлялись непрерывные наблюдения за поверхностными температурой и соленостью производились. Выявлены особенности пространственных масштабов и вертикальной структуры водных масс на шельфе Карского моря в октябре 2021 г. Показано, что положение опресненной линзы в Енисейском заливе в значительной степени контролируется ветровым воздействием и такими образом, имеет выраженную синоптическую изменчивость. Так, соленость поверхностных вод на станции в северной части Енисейского залива только за сутки возросла на 6,2  епс. Оценена интенсивность перемешивания опресненного поверхностных вод моря в период начала льдообразования и снижения объемов материкового стока.

Биогидрохимия океана. Изучены особенности биогидрохимической структуры вод Карского и Печерского морей в период начала льдообразования и снижения объемов материкового стока. Особое внимание уделено эстуарным водам (рр. Обь, Енисей, Пясина, Печера) и водам вокруг пингообразных морфоскульптур. По маршруту переходов нейстонной сетью в поверхностном горизонте водной толщи отбирались пробы микропластика. Для лабораторного микрокомпонентного анализа отобраны пробы: микропластика -23, поверхностной и придонной воды – соответственно, 87 и 13, поровых вод донных осадков – 135. В донных осадках измерялись рН и Eh. В эстуарии р. Пясина температура и соленость вод изменялись от 1,1 до -0,7°С и от 9,5 до 32,3‰, соответственно, а значения общей щелочности — от 1440 до 2266 μM, концентрации растворенного кислорода — от 278 μM до 419 μM. Отмечен широкий диапазон изменения концентраций кремния 2,0-80,4 μM. Содержание фосфат-иона достигало 1,3 μM, нитрат-иона 0,27-2,9 μM; концентрации нитрит-ионов, как правило, находились ниже предела обнаружения. В эстуарии р. Енисей температура и соленость вод изменялись от 1,1 до -0,18°С и от 5,5 до 30,1‰, соответственно, общая щелочность от 1336 до 2182 μM, концентрация растворенного кислорода от 269 μM до 427 μM. Диапазон изменчивости концентрации кремния составлял 8,9-100,6 μM, а нитрат-иона изменяется 0,33-2,7 μM, содержание фосфат-иона не превышало 1,7 μM.

Газогеохимия системы «донные осадки – водная толща». Проанализированы 69 проб поверхностной воды на содержание метана. Для лабораторных исследований отобрано и законсервировано для лабораторного анализа 120 проб воды с горизонтов водной толщи и 59 вытяжек из донных осадков. На лазерном абсорбционном анализаторе LGR выполнены более 2000 тысяч маршрутных измерений СН4 и СО2, с частотой до 60 измерений в минуту. Концентрации растворенного метана в поверхностных водах Карского и Печорского морей варьировали от 5 до 128 nM, что свидетельствует о перенасыщении поверхностного слоя воды относительно атмосферы. Пространственное распределение концентраций свидетельствовало о наличии пространственных градиентов. Повышенные относительно фотона концентрации до 10-15 раз характерны для прибрежных районов, в том числе эстуарных зон рек Обь и Енисея. Максимальные (до 128 nM) концентрации выявлены у дна (отражение эмиссии этого газа из донных осадков) и в водах слоя скачка плотности (горизонты 20-30 м). Прослеживается тренд уменьшения концентраций метана в сторону побережья.

Газообмен в приводном слое атмосферы. В период съемки для районов работ не отмечены выраженные проявления повышенной разгрузки метана, характерные для Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых. Наблюдались достаточно большие мезомасштабные (с временным масштабом от нескольких часов до суток и более) вариации концентрации метана амплитудой до 50–100 ppb в Карском и Печорском море, связанные вероятно в большей степени с переносом воздушных масс с суши. В областях разгрузки метана из дна в мелководной части Карского моря тонкая структура сигнала концентрации метана в приводной атмосфере значительно меньше по амплитуде и практически не коррелирует с положением немногочисленных факелов, наблюдаемых на высокочастотном эхолоте. Отчасти это может быть связано с воздействием сильных ветров в период наблюдений. Предположительно, такой характер изменчивости концентрации метана в приводном слое может указывать на площадной характер разгрузки метана со дна Карского и Печорского морей. Множество мелких выходов или даже одиночных пузырьков распределены относительно равномерно на достаточно большой площади и не дают ярко выраженных больших кратковременных аномалий в концентрации метана в воздухе, как это прослеживалось ранее в морях Восточно-Сибирском море и Лаптевых.

Атмосферные аэрозоли. За 38 дней экспозиции фильтров выполнены более 5300 серий измерений счетной концентрации аэрозольных частиц и 5100 серий измерений концентрации черного углерода. Экспонировано следующее количество фильтров: по12 для первого, второго и третьего каналов большой воздуходувки и по 25 фильтров для первого и второго каналов малой воздуходувки. Наибольшие концентрации черного углерода еВС (в диапазоне более 1000 нг/м3) зарегистрированы на траверзе о. Колгуев Баренцева моря, предположительно объясняемые антропогенной нагрузкой. Высокие счетные концентрации частиц NA до 500 см-3 наблюдались согласованно с данными о значениях концентраций еВС, аналогично в местах активного судоходства и нефтегазодобычи. Среднее значение NA в период рейса составило 20 см-3, еВС — 260±3250 нг/м3, что сопоставимо с результатами ранее выполненных наблюдений.

Галоорганические загрязнители. Отобраны 20 проб воздуха (включая холостые пробы и сравнительные образцы загрязнения с самого судна) для полуколичественного анализа галоорганических поллютантов ометодом двумерной газовой хроматомасс-спектрометрии с термодесорбцией. На наличие хлор- и бромфенолов и полиароматических углеводородов в лабораториях САФУ будут проанализированы 20 проб морской воды.

Литология и донная криолитозона. Для всесторонних лабораторных исследований отобраны: 12 кернов донных осадков и придонная вода – мультикорером,  4 длинных керна — гравитационной трубой и 32 вырезки донных осадков — дночерпателем «Океан». Для оценки теплового потока со дна и в инженерно-геологических целях на борту судна определялись изучались температура приповерхностного слоя донных осадков и их теплофизические характеристики (теплопроводность и теплоемкость).

Водные гуминовые системы. Выполнены работы на 25 станциях. Отобраны 97 образцов окрашенного растворенного органического вещества (CDOM, для изучения оптических свойств растворенного органического вещества), 97 образцов для определения DOC (растворенного органического углерода) и 28 проб из окисленного и восстановленного горизонтов донных осадков (для изучения фракционирования органического вещества и установления молекулярного состава фракций в осадках методом пиролиза, МС ИЦР ПФ и ГХ МС). . Для твердофазной экстракции с каждого горизонта на каждой станции было отобрано по 4-5 л воды для выделения растворенного органического вещества (РОВ) с помощью картриджей Bond Elute PPL. Экстракцию РОВ с сорбентов планируется проводить в лаборатории природных гуминовых систем химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Выделенные препараты РОВ будут проанализированы физико-химическими методами структурно-группового и молекулярного анализа для выявления особенностей трансформации органического вещества в условиях климатических изменений. Предполагаются лабораторные аналитические исследования органического вещества методами спектроскопии ЯМР на ядрах 13С и 1Н, масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения (МС ИЦР ПФ) и оптической спектрометрии.

Гидробиология. Выполнены работы на 35 комплексных станциях, отобраны 52 образца из дночерпателя (из них 28 количественных и 24 качественных проб, 10 количественных проб зоопланктона). Для изучения бактериальных сообществ на 27 станциях отобраны образцы грунта (по 3 реплики), поверхностной (по 3 фильтра) и придонной (по 3 фильтра) воды и образцы пищеварительной системы беспозвоночных животных. На 18 станциях отобраны образцы бентосных животных. Посеяно и заморожено 15 образцов водорослей (5 видов по 3 реплики), посеяно 6 образцов воды (3 – придонная, 3 – поверхностная) и 13 образцов пищеварительной системы бентосных животных (5 видов животных по 2 реплики, 3 вида – по одной). Из всех образцов морской воды, профильтрованных через фильтры Sterivex, была выделена тотальная бактериальная ДНК (84 образца). Всего заморожено 162 образца пищеварительной системы различных беспозвоночных, от 1 до 15 животных со станции, по 1-5 реплик каждого вида животного. Вскрыты 68 животных, взяты 162 образца тканей пищеварительной системы. Дополнительно произведен посев образцов кишечника для 8 видов животных (по 1-2 реплики), а также образцов воды (2 горизонта по 3 реплики) и водорослей (5 видов по 3 реплики). Из 84 фильтров, через которые была профильтрована вода со станций, выделена тотальная бактериальная ДНК. Образцы водорослей (15 штук), с которых производился посев, заморожены. Все замороженные (животные ткани, грунт, водоросли, ДНК, выделенная из фильтров) и охлажденные образцы (чашки Петри с посевами) переданы для дальнейших исследований в лабораторию анализа метагеномов Сколковского института науки и технологий. Выполнено изучение биологических обрастателей твердых субстратов на примере образца годовой экспозиции со дна пролива Вилькицкого. Для будущих работ по изучению макрообрастаний к поверхности вновь поставленной донной станции закреплены пластинки их оргстекла, а для изучения микрообрастания на поддерживающий станцию придонный буй прикреплены пластиковые коробочки с предметными стёклами.

Радиолокационные и оптические наблюдения поверхности моря. Получен экспериментальный материал, позволяющий восстановить характеристики динамических процессов в верхнем слое океана (ветрового волнения, внутренних волн, неоднородных течений, ледовых полей, метановых выходов), развить модели формирования доплеровского сдвига частот радиоволн СВЧ диапазона и акустических волн при рассеянии на морской поверхности, расширить методы восстановления направленных пространственно-временных спектров ветрового волнения и скоростей течений в верхнем слое океана и на его поверхности по данным комплекса когерентных средств дистанционного зондирования.

Донная сейсмология. Выполнены кратковременные измерения донных сейсмических шумов в 5 пунктах, положение подводной мерзлоты в которых заверено бурением (один пункт в Карском море и четыре в Печорском море). С помощью полученных записей будет определена глубина залегания кровли подводной мерзлоты методом HVSR (Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio) и обоснована применимость этого метода для поставленной задачи в арктических морях. Запланированный подъем нескольких донных сейсмостанций на внешнем шельфе моря Лаптевых не был осуществлен ввиду неблагоприятной ледовой обстановки. Показаны преимущества метода HVSR для выявления кровли подводной мерзлоты по сравнению с бурением (оперативность, дешевизна и относительная простота).

Электромагнитное зондирование морского дна. Выполнены 169 геоэлектрических профилей общей длиной около 2700 погонных километров (в том числе в Печорском море пройдены 55 профилей длиной 824 погонных километра). Объем полученных данных 65372 точки зондирования. Получены уникальных данных о геокриологическом строении мелководного шельфа Печорского моря. В данном регионе были выполнены два основных региональных галса протяженностью более 500 морских миль, простирающихся с запада на восток. Получены уникальные данные, которые при последующей обработке позволят уточнить региональную схему распространения мерзлых толщ и выделить региональные таликовые области.

Акустические исследования. С регистрацией подводного рельефа и акустических аномалий водной толщи пройдены: с широкополосным эхолотом – 819 миль, узкополосным – 5820 миль. Профилированием локатором бокового обзора составлены 3D изображения некоторых участков дна в Печерском море.

Научно-образовательная активность в рамках Школы молодых ученых («Плавучий университет»). На борту судна в рамках гранта РНФ № 21-77-30001 в 1 этапе экспедиции работала 2 Школа молодых ученых (1 Школа проводилась в рейсе № 86, 2021 г.). Прочитаны 27 лекций, включая 10 – непосредственно молодыми учеными.
 

Список организаций, участвующих в экспедиции:

• ФГБУН Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН
• ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН)
• ФГОУ ВПО «Национальный исследовательс-кий Томский политехнический университет» (ТПУ).
• ФГОУ ВПО «Национальный исследовательс-кий Томский государственный универститет» (ТПУ).
• ФГОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» (МГУ), Центр морских исследований (ЦМИ)
• ФГОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», химический факультет
• ФГОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» , геологический факультет, ООО «МГУ-геофизика»
• ФГБУН Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
• ФГБУН Инстиryт оптики атмосферы СО РАН (ИОА)
• АО Радиевый институт им. В.Г. Хлопина (Росатом)
• ФГОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова» (САФУ)
• (этап 2)
• Сколковский центр науки и технологий (СИНТ)
• ФИЦ Институт прикладной физики РАН