Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
С. В. ПИВОВАРОВ
ХИМИЧЕСКАЯ ОКЕАНОГРАФИЯ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ РОССИИ
(учебное пособие)
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
1999
4.2. Море Лаптевых
Гидрохимическая структура моря Лаптевых формируется под влиянием трех основных факторов: речного стока, крайне неравномерного в течение года, ледяного покрова и водообмена с Арктическим бассейном. По интенсивности воздействия этих факторов мелководная южная часть моря Лаптевых может быть разделена на две половины (Юго-Восточную и Северо-Западную), граница между которыми проходит от бухты Марии Прончищевой на полуострове Таймыр примерно по диагонали до границы моря Лаптевых с Восточно-Сибирским морем к северу от острова Котельный (Рис. 15 а). Критерием для проведения этой границы послужило распределение кремния на поверхности моря в летний период. Граница проведена вдоль среднего многолетнего положения изолинии 250 мкг/л. Естественно, что в отдельные годы положение этой границы может существенно меняться.
Гидрохимическая структура в Юго-Восточной части моря Лаптевых в летний период
Юго-Восточная часть моря Лаптевых находится под влиянием материкового стока рек Лена, Хатанга, Анабар, Оленек, Яна и многих других менее крупных рек. Основной сток пресной воды в море поступает с бассейна реки Лена, одной из крупнейших рек мира, по четырем главным протокам в ее обширной дельте: Трофимовской, Быковской, Оленекской и Туматской. Речная вода в летний период выносит миллионы тонн взвешенных и растворенных минеральных и органических веществ, содержит около 2000 мкг кремния в литре, хорошо насыщена кислородом, но фосфатов и нитратов в ней мало даже в зимний период, не говоря уже о летнем. В отличие от устьевых областей рек Оби и Енисея, устьевая область реки Лена относится к совершенно другому типу, так как р. Лена впадает не в губу или залив, а образует дельту. Гидрохимические барьеры, на которых происходит первый контакт пресной и соленой воды, осаждение взвесей, и интенсивное разложение и окисление органических и минеральных веществ, расположены, как правило, на приустьевом взморье, и лишь в редких случаях, при сильных нагонах, морская вода проникает в дельту по основным протокам.
Особенностью ледовых условий этой части моря является существование припая на огромной площади в течение всей зимы. Между припаем и дрейфующим льдом даже в суровые морозы сохраняется заприпайная полынья, протянувшаяся через все море, примерно, вдоль изобаты 25 м (Рис. 16). В летний период длительное время сохраняется большой ледовый массив к северу от Янского залива.
Поверхностная структурная зона в Юго-Восточной части моря Лаптевых в летний период
Поверхностная структурная зона в этой части моря очень тонкая всего 5¸10 м, только сильные шторма способны разрушить плотностную стратификацию и перемешать воду до больших глубин. Однако сразу же после шторма стратификация восстанавливается. Кроме того, шторм летом в море Лаптевых - очень редкое явление. Водные массы, представляющие собой смеси речной и морской воды, а также воды растаявшего морского и речного льда в разных пропорциях, составляют поверхностную структурную зону Юго-Восточной части моря. Они характеризуются высоким содержанием кремния (250¸1500 мкг/л). Максимальные значения кремния наблюдаются в районах впадения наиболее крупных проток реки Лена (Трофимовской и Быковской). Концентрация кремния на поверхности моря убывает в сторону границы с Северо-Западной частью моря в соответствии с увеличением солености морской воды. В целом эта связь близка к линейной, но внимательный анализ данных показал, что в каждом районе моря (например, в губе Буор-Хая, в Янском и Оленекском заливах и др.) существуют свои зависимости между концентрацией кремния и соленостью воды в поверхностной структурной зоне, и эти зависимости, как правило, нелинейные (Pivovarov and Smagin, 1995).
Поверхностные водные массы Юго-Восточной части моря обычно насыщены кислородом до 100 %. Небольшой дефицит кислорода в 3¸5 % характерен для районов, прилегающих к дельте реки Лена (Буйневич и др., 1980). Как и в Карском море, этот дефицит обусловлен повышенным расходом кислорода на окисление органических и минеральных веществ, поступающих в море с речным стоком, а также охлаждением поверхностного слоя воды, в результате которого создается дефицит кислорода. Концентрация кислорода изменяется в очень широких пределах в этой части моря (от 8,0 до 11,0 мл/л), в зависимости от температуры и солености воды. Особенно высокие значения наблюдаются в период цветения фитопланктона и при наличии остатков ледяных массивов, у кромки которых создаются особые условия для развития фитопланктона и насыщения воды кислородом в результате фотосинтеза.
Содержание фосфатов и нитратов в поверхностных водных массах летом очень небольшое (от 0 до 5 мкг/л), что связано с их почти полной утилизацией развивающимися водорослями. Только на гидрохимических барьерах на приустьевом взморье наблюдаются повышенные значения этих параметров (до 10¸20 мкг/л).
Значения рН и щелочности в поверхностной структурной зоне Юго-Восточной части моря значительно ниже, чем в Арктическом бассейне. Минимальные значения характерны для приустьевого взморья. В тоже время отношение щелочности к солености (щелочной коэффициент) на приустьевом взморье имеет максимальные значения и убывает в сторону границы с Арктическим бассейном.
Попытки установить корреляционные связи между гидрохимическими и гидробиологическими параметрами в поверхностной структурной зоне моря Лаптевых пока не принесли положительных результатов (Петряшев и др., 1996).
По совокупности физико-химических и биологических параметров в поверхностной структурной зоне можно выделить множество водных масс - это зависит от задач и от пространственных масштабов исследований, но все эти водные массы следует отнести к одному типу летних поверхностных водных масс зоны влияния речного стока моря Лаптевых. Объемы этих водных масс сравнительно небольшие, а время их «жизни», как правило, не превышает один месяц.
Вертикальная гидрохимическая структура в Юго-Восточной части моря Лаптевых в летний период
В хорошо стратифицированной мелкой части моря Лаптевых основным элементом промежуточной структурной зоны является галоклин. Иногда бывает очень сложно определить строение галоклина и границу между сезонным и главным галоклинами (пикноклинами). Для этих целей кроме температуры и солености часто используют гидрохимические параметры. Во многих районах этой части моря в сезонном галоклине можно выделить водные массы, сформированные из поверхностных водных масс Северо-Западной части моря Лаптевых, которые характеризуются низким содержанием кремния и достаточно хорошо насыщены растворенным кислородом. Эти водные массы обычно распространены во фронтальной зоне между Юго-Восточной и Северо-Западной частями моря, но часто их продвижение можно проследить в подводных долинах даже в губе Буор-Хая и в Янском заливе. Эти водные массы могут быть, как летней, так и зимней модификации. Летняя модификация хорошо выделяется температуре, особенно в конце летнего периода, когда поверхностные водные массы зоны влияния речного стока интенсивно охлаждаются, и в сезонном галоклине отчетливо проявляется максимум температуры (Dmitrenko et al., 1999).
В галоклине фронтальной зоны, а также в районе между о. Столбовым и проливом Санникова часто можно встретить, так называемые весенние водные массы, которые формируются в полынье в весенний период, до начала интенсивного таяния льда и экспансии речного стока. Они обладают низкой отрицательной температурой, почти полным отсутствием биогенных элементов, даже кремния, и очень хорошо насыщены кислородом. На вертикальных профилях кремния им соответствует промежуточный минимум концентрации, а на профилях кислорода - максимум концентрации, хотя и не всегда, потому что это зависит насыщения кислородом поверхностных водных масс.
Промежуточные водные массы, как сформированные в Северо-Западной части моря, так и в районе полыньи, занимают свое положение в водной толще в соответствии со своей плотностью и перемещаются согласно генеральной схеме циркуляции водных масс в море Лаптевых. В подводных долинах они располагаются у западного склона, продвигаясь на юг и юго-восток, что подтверждается распределением кислорода и кремния на разрезах поперек реликтовых долин (Рис. 17 и 18). Навстречу им, примерно на тех же глубинах, продвигаются на север вдоль восточного склона долин водные массы, сформированные в придонной структурной зоне Юго-Восточной части моря Лаптевых. Эти водные массы постепенно поднимаются к поверхности в соответствии со своей плотностью, занимая положение сначала в промежуточной структурной зоне, а затем и в поверхностной, где быстро трансформируются. Они характеризуются большим дефицитом кислорода и высоким содержанием минеральных биогенных элементов (фосфатов, нитратов и кремния). Таким образом, в тонкой промежуточной структурной зоне Юго-Восточной части моря происходит сложное взаимодействие разных водных масс с различными физико-химическими свойствами. В этом взаимодействии кроме перечисленных выше типов водных масс, участвуют: промежуточные водные массы, сформированные в зимний период на обширном мелководье в районе Васильевской и Семеновской банок, зимние водные массы, образовавшиеся в полыньях, а также водные массы, поступающие через проливы из Восточно-Сибирского моря. Все они характеризуются разным набором физико-химических и биологических параметров.
Яркой особенностью придонной структурной зоны Юго-Восточной части моря является наличие, так называемых, «застойных» водных масс, насыщенных кислородом всего на 30¸50 % и с относительно высоким содержанием кремния (750¸1000 мкг/л), фосфатов (40¸50 мкг/л) и нитратов (130¸150 мкг/л). Эти водные массы локализуются в неглубоких понижениях дна в зоне влияния речного стока, в тех районах, где глубокая зимняя конвекция не в состоянии разрушить галоклин за зиму. Поэтому застойные придонные водные массы изолированы от поверхности моря круглый год, а их вентиляция и обновление возможны только в результате адвекции более плотных водных масс из районов полыньи, или из Северо-Западной части моря. Из поверхностной структурной зоны ко дну постоянно направлен поток взвешенных веществ, как местного происхождения, так и принесенных речным стоком, на окисление которого расходуется растворенный кислород в придонной структурной зоне. Естественно, что разные условия формирования застойных придонных водных масс в губе Буор-Хая, в Янском и Оленекском заливах и в центральных районах моря, определяют различие их физико-химических свойств, но все они относятся к типу придонных водных масс зоны влияния речного стока моря Лаптевых. Тиксинскими учеными были выявлены участки в губе Буор-Хая, на которых все запасы растворенного кислорода были израсходованы, и были зафиксированы случаи появления сероводорода, что губительно сказывалось на бентосных организмах (Сидоров и Гуков, 1992).
Как уже отмечалось выше, периодически происходит вентиляция придонных горизонтов Юго-Восточной части моря Лаптевых за счет адвекции водных масс, поступающих с северо-запада. Большую роль в этом играют водные массы, образующиеся в полынье. Следует обратить внимание на то, что застойные водные массы слабо перемешиваются с более свежими водными массами, а вытесняются ими. Перевалив через подводные пороги, водные массы с большим дефицитом кислорода и богатые биогенными элементами устремляются на север в сторону Арктического бассейна. Их следы были обнаружены на материковом склоне, где они тонким слоем внедрялись в поверхностную структурную зону и исчезали, участвуя в формировании физико-химических свойств поверхностных водных масс этих районов Арктического бассейна (Рис. 19).
Гидрохимическая структура в Северо-Западной части моря Лаптевых в летний период
Считается, что Северо-Западная часть не испытывает влияния рек, впадающих в море Лаптевых, и ее гидрохимическая структура формируется под влиянием водных масс, поступающих из Арктического бассейна. Тем не менее, в научной литературе есть сведения, что иногда на эту часть моря распространяется влияние речного стока из Карского моря через пролив Вилькицкого (Русанов и др., 1979; Буйневич и др., 1980). Это вполне возможно, так как прибрежное течение действительно существует, хотя оно и слабо изучено, и приносит водные массы из Карского моря, но в последнее десятилетие признаков речных вод в этих водных массах обнаружено не было.
Эта часть моря Лаптевых существенно глубже Юго-Восточной. Формально в состав моря Лаптевых входят отдельные районы глубоководных котловин Нансена и Амундсена, но гидрохимическая структура этих районов Арктического бассейна в данной работе не будет рассматриваться, так как нас интересует гидрохимическая структура на шельфе. Результаты исследований гидрохимической структуры в Арктическом бассейне изложены в работах (Русанов и др., 1979 и список литературы в этой работе) и Лейфа Андерсона (Anderson, 1995).
Поверхностная структурная зона в Северо-Западной части моря Лаптевых в летний период
Летом поверхностная структурная зона в Северо-Западной части моря толщиной от 10 до 30 м состоит из водных масс, физико-химические свойства которых сформировались в результате таяния льда и опреснения в той или иной степени, либо поверхностных водных масс Арктического бассейна, либо весенних поверхностных водных масс местного формирования (в основном из районов полыньи). Эти поверхностные водные массы похожи по своим характеристикам. Они хорошо насыщены растворенным кислородом (105¸110 %), а у кромки льда насыщение кислородом нередко достигает 120¸125 %. Концентрации кремния, фосфатов и нитратов в этих водных массах очень низкие, часто около нуля. Отмечаются низкие значения щелочного коэффициента, и высокие величины рНВ (8,20¸8,30). По мере удаления от кромки льда эти водные массы достаточно хорошо прогреваются в результате теплообмена с атмосферой и за счет проникающей солнечной радиации.
Вертикальная гидрохимическая структура в Северо-Западной части моря Лаптевых в летний период
В сезонном пикноклине в Северо-Западной части моря Лаптевых на глубине от 20 до 30 м повсеместно распространены, так называемые, весенние промежуточные водные массы, которые характеризуются низкой температурой, очень высоким содержанием кислорода и почти полным отсутствием биогенных элементов (Рис. 20). На вертикальных профилях кислорода этим водным массам соответствует промежуточный максимум и концентрации кислорода, и его процентного насыщения. Насыщение кислородом этих водных масс достигает в отдельных районах 110¸120 %. Наиболее вероятные механизмы образования весенних промежуточных водных масс уже рассматривались при описании гидрохимической структуры Юго-Западной части Карского моря. Эти водные массы формируются в поверхностной структурной зоне в полыньях или под дрейфующим льдом до начала его интенсивного таяния в период цветения фитопланктона, чем и объясняется их высокое насыщение кислородом.
Под весенними водными массами на глубине 30¸60 м залегают зимние промежуточные водные массы с низкой отрицательной температурой (-1,75¸-1,85 °С). На гидрологических разрезах их легко выделить по минимальной температуре воды (Рис. 20). Эти водные массы могут формироваться, как под припаем, так и в полынье, которая растянута зимой на тысячу километров вдоль побережья и может открываться на десятки километров в ширину. Зимние промежуточные водные массы могут образовываться также из поверхностных водных масс Арктического бассейна. Различия в условия формирования водных масс этого типа определяют некоторые различия их физико-химических свойств. Они хорошо вентилированы, насыщение кислородом составляет от 92 до 96 %. Концентрации биогенных элементов в среднем небольшие: кремний - 100¸200 мкг/л, фосфаты - 20¸25 мкг/л, нитраты - 70¸100 мкг/л. Исключением являются зимние промежуточные водных масс, формирование которых происходило под припаем. В них концентрация кремния может быть 300¸500 мкг/л, содержание фосфатов и нитратов, как правило, выше обычного, а насыщение кислородом ниже на 5¸10 %.
На глубине более 80 м сказывается отепляющее влияние атлантических промежуточных водных масс Арктического бассейна. На материковом склоне со 140¸150 м и до глубины 580¸600 м температура воды положительная, причем максимальные значения температуры в последние годы достигали 2,0 °С, а на некотором удалении от материкового склона температура превышала 2,5 °С. Однако гидрохимические условия на материковом склоне Арктического бассейна из-за своей сложности и малой изученности должны быть предметом особого рассмотрения. В данной работе приведены лишь некоторые свойства теплых промежуточных атлантических водных масс в море Лаптевых. Содержание растворенного кислорода в них составляет 7,0¸7,2 мл/л, кремния - 150¸200 мкг/л, фосфатов - 150¸180 мкг/л. Характерные значения рНВ - 8,15¸8,20 ед., а щелочного коэффициента - 680¸700 ед.
Придонная структурная зона в Северо-Западной части моря Лаптевых представлена водными массами с самыми разнообразными физико-химическими свойствами. Как правило, это водные массы зимнего формирования, образовавшиеся либо под припаем, либо в полынье, либо в зоне дрейфующих льдов. В зависимости от глубины, в придонной структурной зоне могут оказаться водные массы галоклина Арктического бассейна и теплые атлантические водные массы. Особенно это заметно в подводных долинах, желобах и на материковом склоне. Все эти водный массы, попав в придонную структурную зону, подвергаются трансформации при взаимодействии с донными осадками и поровыми растворами. Содержание кислорода в них уменьшается, а концентрация биогенных элементов увеличивается.
Интересной особенностью придонной структурной зоны Северо-Западной части моря является низкая отрицательная температура (до -2,1 °С) верхнего слоя донных осадков в некоторых районах. Причем температура верхнего слоя донных осадков по данным летних наблюдений нередко ниже температуры придонных водных масс (Kassens et al., 1994). Эти данные могут быть косвенным подтверждением образования переохлажденных водных масс в этих районах в зимний период. Очень холодные и аномально соленые (более 38 ‰) водные массы были обнаружены только на мелководье на небольших участках моря Лаптевых в конце зимнего периода (Тимохов и Чурун, 1994). Тем не менее, можно предположить, что при определенных условиях такие очень холодные водные массы образуются в больших объемах. Стекая по подводным долинам, они могут оказывать влияние на формирование гидрохимической структуры Северо-Западной части моря Лаптевых.
