Структура вертикальных профилей нитратов и кислорода в заливе Петра Великого в осенний период

Структура вертикальных профилей нитратов и кислорода в заливе Петра Великого в осенний период

, ,

(ТОИ ДВО РАН, [e-mail])

1. Введение

Изучение состояния морских экосистем, их динамики, в настоящее время требует проведения массовых экспрессных, высокоточных измерений, на основе которых может быть получена информация об эвтрофикации эстуариев рек и прибрежных акваторий, связанных с концентрациями биогенных элементов (нитратов, нитритов, фосфатов, СО2, кислорода и др.). Это позволяет оперативно оценить состояние вод и угрозу формирования гипоксии [3], развитие которой приводит к серьезным негативным последствиям для экосистемы.

Используемые в большинстве случаев методы отбора проб воды и последующего лабораторного определения ее химического состава весьма трудоемки, что затрудняет проведение массовых измерений. Кроме того, эти методы не могут быть использованы для измерений in situ. В связи с этим в последнее время началось промышленное производство приборов достаточно высокого качества для измерений ряда биогенных элементов среды in situ. К таким приборам относится подводный зондирующий УФ спектрофотометр, разработанный Научно-исследовательским институтом аквариума залива Монтерей, MBARI-ISUS V3 (Monterey Bay Aquarium Research Institute, Ultraviolet Spectrophotometer, ISUS, модификация 3) производимый компанией Satlanitic Inc.

В нашей работе анализируются результаты, полученные при вертикальном профилировании в Японском море в двух рейсах №54 НИС «Профессор Гагаринский» (29.09-08.10.2011 г., в дальнейшем по тексту Ga54) и №58 НИС «Академик » (29.10-07.11.2011, в дальнейшем – La58), выполненных осенью 2011 г.

Как известно, в этот период, благодаря изменениям в атмосферной циркуляции вдоль побережья Приморья формируется прибрежный апвеллинг (например, [4]). При этом в прибрежной зоне происходит сгон поверхностных вод и подъем на их место более холодных глубинных вод. В процессе развития апвеллинга отмечается адвекция морских вод на значительные расстояния. Как правило, проникновение морских вод охватывает весь шельф залива Петра Великого, включая вершины Амурского и Уссурийского заливов. Это приводит к резкому понижению температуры воды, повышению солености, концентраций кислорода и биогенных элементов в придонном слое, а также изменению плотностной стратификации и других параметров структуры вод. Помимо “классического” ветрового апвеллинга, существует несколько механизмов его формирования, которые обсуждались в работе [1]. Отделить один механизм от другого является непростой задачей.

Ветровой апвеллинг возникает при сильном и продолжительном ветре, направленном приблизительно параллельно берегу, находящемуся слева от воздушного потока или под небольшим углом к нему, то есть западного и северо-западного направлений для южного побережья Приморья и северо-западного и северного направления для восточной части залива Петра Великого. В начале экспедиции на НИС «Профессор Гагаринский» (рейс Ga54), как раз наблюдался сильный северный и северо-западный ветер, способствовавший возникновению необходимых условий для развития апвеллинга. В дальнейшем скорость ветра снизилась, что очевидно привело к прекращению и к стабилизации апвеллинга.

2. Методы измерений и данные для анализа

Выбор методов УФ–спектрофотометрии для выполнения наблюдений in situ за содержанием в морской среде растворенных неорганических компонентов обусловлен их способностью поглощать свет в УФ области спектра в диапазоне длин волн < 280 нм [5]. Спектр поглощения этих веществ приведен на рис. 1.

Рис.1.Спектры поглощения бромидов, бисульфидов, нитратов и нитритов в концентрациях, типичных для морской среды. Каждая из солей при измерении эталонного спектра растворялась в обессоленной воде. Левая ось соответствует спектру поглощения бромидов, правая – для всех остальных солей, согласно [7].

Устройство MBARI-ISUS V3 позволяет проводить измерения концентрации веществ, поглощающих световое излучение в диапазоне длин волн 200-400 нм [9]. Анализ стандартных спектров поглощения ряда неорганических веществ в морской воде (рис. 1) показывает, что разрешающая способность прибора позволяет проводить измерения концентраций не только нитратов, но и бромидов, бисульфидов, нитритов и др. при соответствующей настройке спектрального диапазона прибора. В нашем случае используется настройка, позволяющая измерять только концентрации нитратов (диапазон 200-240 нм).

При этом УФ спектрофотометр использовался для определения нитратов в пределах концентраций от 0.5 до 200 μM с точностью до ± 2 μM и воспроизводимостью до ± 0.05 μM на глубинах от 0 до 1000 метров, согласно [7]. Одной из технических особенностей прибора ISUS является низкая частота опроса датчика (0.5 Герц, при стандартной частоте опроса зондов SBE-911 и SBE 9plus, используемых совместно, в 24 Герц), что связано с необходимостью накопления УФ приемником необходимого количества опросов для статистически достоверных измерений по всему измеряемому спектру. Для того, чтобы данные измерений ISUS соответствовали задаваемому горизонту при совместном зондировании с имеющимся зондом, скорость вертикального зондирования не должна превышать 0.5 м/сек.

При обработке данных спектрофотометра выполнялось преобразование данных из временных отсчетов со значениями концентрации нитратов в вертикальные профили на основании данных датчика давления от зонда, опускаемого совместно с ISUS (сам прибор не имеет датчика давления).

За время экспедиций Ga54 и La58 в заливе Петра Великого, помимо стандартных океанологических данных, было получено 91 и 49 вертикальных профилей нитратов соответственно. Данные, полученные в ходе экспедиции Ga54, в-основном относятся к мористой части залива, в то время как La-58 лучше покрывают мелководную внутреннюю часть. Таким образом, данные экспедиций №54 НИС «Профессор Гагаринский» и №58 НИС «Академик » дополняют друг друга. Полная схема расположения профилей, полученных в двух экспедициях, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема станций рейсов №54 НИС «Профессор Гагаринский» (29.09-08.10.2011 г., Ga54) и №58 НИС «Академик » (29.10-07.11.2011, La58), использованных для анализа содержания нитратов лабораторными и in situ методами и точек измерений с примерами «ступенчатых» структур (Ga54_st74, La58_st16, Ga54_st107).

4. Обсуждение результатов

Одним из основных результатов, приводимых здесь, оказалось наличие в отдельных профилях нитратов «ступенчатой» структуры, которую невозможно наблюдать при анализе только дискретных данных лабораторных химических измерений воды, отобранных батометрами.

Образцы таких структур для вертикальных профилей нитратов и кислорода, соответствующих друг другу своими экстремумами в определенном диапазоне глубин, можно видеть на рис. 3. Здесь видно, что в слое водной толщи, лежащем под пикноклином, «ступенчатой структуре» профилей нитратов могут соответствовать обратные им профили кислорода (минимум кислорода – максимум нитратов и наоборот). В качестве примера на рис. 3 выделены участки А и В для станций st16 рейса La58 и st74 рейса Ga54 соответственно. Тот факт, что концентрация нитратов повышается с глубиной, а кислорода понижается, является общеизвестным и наблюдается во множестве различных глубоководных морских бассейнов, стратифицированных по глубине. Однако ранее не было отмечено наличия упомянутых «ступенчатых» структур (взаимных экстремумов), что, по-видимому, является результатом пока еще сравнительно недавнего использования оборудования, позволяющего собирать данные о вертикальных профилях нитратов и кислорода совместно в режиме реального времени. Также следует отметить, что принципы действия датчика кислорода, используемого в данном исследовании (SBE-43 компании SeaBird Electronics, Inc.) и спектрофотометра различны, а электрический контакт между ними отсутствует, что может говорить о реальном существовании зарегистрированных ступенчатых структур нитратов и кислорода. Как видно из рис. 2 и 3, наиболее характерным местом возникновения таких структур является склоновая область шельфа, где наиболее интенсивны процессы горизонтальной адвекции вод. Отметим, что масштабы данных «ступенек» могут быть от десятков (участок В вертикальных профилей на рис.3) до сотен (участок А для профилей кислорода и нитратов) метров.

Рис. 3. Пример распределения хлорофилла (Fluorescence, Seapoint), , нитратов (Nitrates_calibrated), кислорода (Oxygen, SBE 43), плотности морской воды (Density) температуры (Temperature), солености (Salinity), полученных в рейсах Ga54 и La58 осенью 2011 г. на глубинах до 300 м.

Концентрация нитратов в поверхностном слое моря падает до нуля, что обусловлено повышенной биологической активностью, и, следовательно, большим потреблением биогенных элементов в этом слое.

Рис. 4 и 5 демонстрируют распределения характеристик вод на разрезах из кутовой части Амурского и Уссурийского заливов до склона шельфа. Общей характерной особенностью разрезов является наличие подповерхностного максимума хлорофилла, расположенного на глубинах от 13 до 40 м. Он наиболее выражен в вершинах заливов и ослабляется в сторону увеличения глубин. Данному слою соответствует слой пониженного содержания нитратов и повышенного содержания кислорода. Этот слой также совпадает со слоем термоклина и очевидно отражает интенсивное развитие фитопланктона. В направлении открытого моря происходит рассеяние фитопланктона в слое подповерхностного максимума кислорода. При этом, содержание кислорода на подповерхностных горизонтах изменяется от малых значений в кутовых частях заливов до максимальных величин на склоне, где высокое содержание кислорода определяется горизонтальной адвекцией вод. В отличие от Уссурийского залива, в Амурском (рис. 4) в период проведения экспедиций хорошо заметно наличие слоя придонной воды с низкой концентрацией кислорода, который, разрушается вторжением относительно холодных и высокосоленых морских вод с повышенным содержанием нитратов. В кутовой части залива наблюдаются распресненные воды, под которыми находится область с самым низким содержанием кислорода. Эта область на момент исследования в наименьшей степени была затронута адвекцией морских вод.

Рис. 4. Вертикальное распределение содержания хлорофилла-а, нитратов, кислорода, температуры и солености на разрезе через Амурский залив на глубинах от 15 до 300 м по совмещенным данным рейсов Ga54 и La58 осенью 2011 г.

В Уссурийском заливе, в тот же период, не наблюдалось придонных вод с низким содержанием кислорода. Судя по рис. 5, можно отметить поступление в залив морских вод с промежуточных глубин порядка 150-400 м (например, [10]) исходя из соответствующих характеристик концентрации нитратов, кислорода, температуры и солености. При этом, следует отметить повышенное содержание нитратов в придонном слое кутовой части Уссурийского залива, над которым располагается слой с высоким содержанием хлорофилла и кислорода. Это можно объяснить развитием фитопланктона вследствие адвекции обогащенных биогенными элементами морских вод и последующего вертикального перемешивания в кутовой части залива, что привело к активному фотосинтезу. В дальнейшем содержание нитратов в поверхностном слое уменьшилось.

Рис. 5. Вертикальное распределение содержания хлорофилла-а (Fluorescence, Seapoint), нитратов (in situ) (Nitrates_calibrated), кислорода(Oxygen, SBE 43), температуры(Temperature), и солености(Salinity), на разрезе через Уссурийский залив на глубинах от 15 до 300 м. Построено по совмещенным данным рейсов Ga54 и La58 осенью 2011 г.

5. Заключение

В целом, результаты зондирования показали, что использование спектрофотометра ISUS позволяет получить детальную структуру поля нитратов при вертикальном профилировании, что было невозможным при использовании стандартных методов отбора проб батометрами. При этом анализ данных показывает, что данный прибор позволяет получать новую информацию о структуре водных масс, физических явлениях на глубинах до 1000 м, связанных с обменными процессами в водной толще и биогеохимических процессах протекающих на материковом склоне.

В результате выполненных работ в мористой части ЗПВ для отдельных профилей обнаруживались обратные «ступенчатые» структуры для профилей нитратов и кислорода размерами от десятков до сотен метров. Данные структуры также характерны для северо-западной части Японского моря [2]. Это может говорить о схожести динамических и биогеохимических процессов для выделенных регионов.

Вертикальные профили прибора ISUS позволяют исследовать процессы, связанные с формированием вертикальной структуры поля биогенных элементов, которые могут происходить в результате особенностей динамики вод в заливе Петра Великого в период развития осеннего апвеллинга.

Подобное применение прибора ISUS для изучения мезомасштабных интрузий при развитии апвеллинга уже имело место на арктическом шельфе [6] и в заливе Монтерей [8], однако в северо-западной части Японского моря [2] и заливе Петра Великого данное оборудование было использовано впервые, показав новые результаты.

6. ЛИТЕРАТУРА

Зуенко океанология Японского моря // Владивосток: ТИНРО-центр, 20с.

, , Тищенко применения IN SITU спектрофотометра для измерения концентрации нитратов в Японском море. // Четвертая всероссийская научно-техническая конференция "Технические проблемы освоения Мирового океана". 3-7 октября 2011 г. материалы конференции. 2011, Владивосток, ISBN 978-5—, С.238 – 242.

, , Швецова гипоксия Амурского Залива (Японское море) // Изв. ТИНРО, 2011. Т.165. С. 108-129.

, Вилянская апвеллинга в заливе Петра Великого в осенне-зимний сезон гг. // Метеорология и гидрология.- 2010. - №10. С. 54-63.

Buck R. P., Singhadeja S., Rogers L. B., 1954 Ultraviolet absorption spectra of some inorganic ions in aqueous solutions. // Analitycal Chemistry, 26, P. .

Christensen J. P., Melling H. (2009) Correcting Nitrate Profiles Measured by the In Situ Ultraviolet Spectrophotometer in Arctic Ocean Waters. The Open Oceanography Journal, 2009, 3, P. 59-66.

Johnson K. S. and L. J. Coletti (2002) In situ ultraviolet spectrophotometry for high resolution and long-term monitoring of nitrate, bromide and bisulfide in the ocean. Deep-Sea Research, P. I, 49. P. 1291–1305.

Johnson K. S., L. J. Coletti, F. P. Chavez (2006) Diel nitrate cycles observed with in situ sensors to predict monthly and annual new production. Deep-Sea Research, P. I, 53. P. 561–573.

Operation Manual for MBARI-ISUS V3 (2009) Document Number SAT-DN-425. Satlantic Incorporated.

Talley, L. D., P. Tishchenko, V. Luchin, A. Nedashkovskiy, S. Sagalaev, D.-J. Kang, M. Warner and D.-H. Min, 2004. Atlas of Japan (East) Sea hydrographic properties in summer, 1999. Progress in Oceanography,, 277-348, doi:10.1016/j. pocean.2004.06.011