Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Количественные оценки гидрохимических характеристик редокс-слоя Черного моря с помощью проблемно-ориентированной базы данных

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Количественные оценки гидрохимических характеристик редокс-слоя Черного моря с помощью проблемно-ориентированной базы данных"

УДК 551.464

Подымов Олег Игоревич

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕДОКС-СЛОЯ ЧЕРНОГО МОРЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

УДК 551.464

Подымов Олег Игоревич

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕДОКС-СЛОЯ ЧЕРНОГО МОРЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

25.00,28- Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте океанологии им. П.П.Ширшова Российской Академии Наук (ИО РАН).

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук

Якушев Е.В.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор кандидат химических наук

Сухинов А.И. Розанов АГ.

Ведущая организация: Московский Государственный Университет (географический факультет)

Защита состоится 24 мая 2005 года в 14 час. на заседении Диссертационного ученого Совета К.002.239.01 при Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН (117997, г.Москва, Нахимовский пр. 36)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

Автореферат разослан апреля 2005г.

Ученый секретарь Диссертационного Ученого Совета К.002.239.01

канд.геогр.наук ' Панфилова С.Г.

Введение

Актуальность проблемы. С точки зрения гидрохимической структуры Черное море представляет собой уникальный водоем, характерной чертой которого является сероводородное заражение нижнего слоя воды. Проблемы взаимодействия аэробной и анаэробной зон, положение верхней границы сероводорода, всегда вызывали неподдельный интерес и находились в центре внимания исследователей, занимающихся изучением Черного моря (Скопинцев, 1975, Виноградов, Налбандов, 1990, Безбородов, Еремеев, 1993, Murray et al., 1995, Розанов, 1995, Sorokin, 2002). Появление современной зондирующей аппаратуры и более совершенных методов отбора проб в последнее десятилетие позволили выйти на качественно новый уровень в комплексном изучении вопросов, связанных с гидрохимией Черного моря.

Актуальность работы связана с экологическим состоянием Черного моря, на которое оказывают влияние как антропогенные факторы (эвтрофикация, техногенное загрязнение, эмиссия СО2), так и климатические изменения (глобальное потепление, североатлантические колебания). Из этого вытекает необходимость получения количественных оценок пространственной и временной изменчивости всего комплекса природных параметров, в т.ч. и характеристики редокс-слоя Черного моря.

Цель и задачи исследования. Работа посвящена вопросам геохимии анаэробных бассейнов, связанным с изучением распределения и изменчивости гидрохимических параметров в зоне взаимодействия кислородных и сероводородных вод Черного моря.

Конкретной целью работы было построение проблемно-ориентированной базы данных, позволяющей эффективно получать количественные характеристики зоны взаимодействия кислородных и бескислородных вод (редокс-слоя), отображая статическое и динамическое состояние его гидрохимической структуры.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- организовать сортировку и выборку данных базы по указанным критериям (по сезону, глубинам, местоположению и т.п.);

- произвести расчет и вывод таблиц первичных данных наблюдений;

- реализовать построение вертикальных профилей распределения химических соединений (в поле глубины, плотности или любого другого параметра) в нескольких режимах;

- сделать возможность интерполяции и экстраполяции данных (линейную и сплайновую);

произвести расчет специфических гидрохимических характеристик, таких как элементы карбонатной системы, стехиометрические отношения и др.;

рассчитать глубины выклинивания (горизонты исчезновения сероводорода, глубинного аммония в поле глубины и плотности);

- произвести расчет вертикальных градиентов химических соединений, запасов веществ, статистических характеристик и др.

Научная новизна. Впервые создана проблемно-ориентированная база данных по гидрохимии Черного моря, которая вкупе с программой управления «Верта» позволяет получать количественные характеристики зоны взаимодействия кислородных и бескислородных вод (редокс-слоя), отображая статическое и динамическое состояние его гидрохимической структуры.

Практическая значимость. Полученные результаты отражают современное состояние гидрохимического режима Черного моря и представляют собой уникальный материал для понимания природы формирования и динамики анаэробных условий. Созданная проблемно-ориентированная база данных является удобным инструментом, который окажется полезным океанологам, гидрохимикам и экологам, занимающимся проблемой образования сероводородных условий и заморов в водных объектах и тенденциями их развития, а также преподавателям и студентам соответствующих специальностей.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработаны алгоритмы и написаны тексты программ проблемно-ориентированной базы данных редокс-слоя Черного Моря. Соискатель участвовал практически во всех морских экспедициях, проводимых ЮО ИО РАН в Черном море с 2001 года, в качестве члена отряда гидрохимии, начальника отряда. Соискателем лично выполнялась обработка и верификация полученных гидрохимических данных, были построены профили вертикального распределения гидрохимических параметров, и осуществлен их анализ.

Выполнены качественные и количественные оценки разномасштабной изменчивости и антропогенного влияния. Полученный материал использовался автором для подготовки статей и докладов на конференциях.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Международном научном семинаре «Современные информационные технологии в океанологии и биологии» (Ростов, 2-3 сентября 2003 г.), международной конференции Past and Present Water Column Anoxia (Севастополь 2003), второй международной конференции "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins" (Анкара, Турция, 2002), a также обсуждались на ученом совете ЮО ИО РАН, коллоквиумах Лаборатории химии ЮО ИО РАН, Лаборатории геохимии ИО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано и принято к печати 11 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора состояния вопроса (глава 1), описания математических методов анализа данных и их программной реализации (глава 2), описания программы управления проблемно-ориентированной базой данных (глава 3), полученных с ее помощью результатов (глава 4) общих выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, включая 3 таблицы и 39 рисунков.

Благодарности. Автор благодарит за внимание и помощь в работе научного руководителя - заведующего Лабораторией химии ЮО ИО РАН Якушева Е.В. Глубокую признательность автор выражает всем сотрудникам лабораторий Химии ЮОИО РАН и Геохимии ИО РАН -за оказанное содействие, а также организацию и участие в экспедиционных работах на Черном море.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ставятся задачи и цели исследования.

В первой главе на основе обзора литературы рассмотрены морфометрия современного Черного моря, его термохалинная структура и течения, основные черты распределения и изменчивости гидрохимических характеристик. В Черном море, благодаря поступлению мраморноморских вод через Босфор и речному стоку, поддерживается постоянный галоклин, ограничивающий ежегодное зимнее термическое перемешивание 60-80 метровом слоем. Поэтому, в отличие от других морских объектов, гидрофизическая структура Черного моря отличается уникальной стабильностью, что позволяет рассматривать результаты измерений в редокс-слое в поле условной плотности для получения количественных оценок о распределении параметров в разных районах моря и их временной изменчивости.

Особое внимание уделено описанию редокс-слоя, его структуре, распределению в нем гидрохимических параметров и происходящим в нем процессам. Начало редокс-зоны может быть выделено по уровню расположения максимума нитратов. На этих же глубинах происходит резкое падение концентраций растворенного кислорода в так называемом слое оксиклина, который затем переходит в слой кислород-дефицита (субоксильную зону) (рис.1). Собственно в редокс-зоне наблюдается чередование экстремумов вертикального распределения окисленных и восстановленных форм химических элементов (нитратов, нитритов, фосфатов, взвешенного марганца). В нижней части редокс-зоны после достижения отрицательных значений Eh в воде остаются только восстановленные формы химических элементов, такие, как сероводород, аммоний, метан и начинается собственно анаэробная зона. С редокс-зоной связан слой повышенной мутности, максимум которого расположен вблизи уровня выклинивания глубинного сероводорода (Волков и др., 1997). Толщина редокс-зоны, если принимать за ее верхнюю границу максимум нитратов, а за нижнюю - появление сероводорода, составляет около 50 -70 м (в поле плотности слой от 15.40 до 16.20 кг/м3).

1Э 75

Р/У "АколлачЛ й #1331, (-й 44*.516 1ап 77' р ..и у С2 2002

Т °С О? [Л N1), Л р04 и"

7 9 11 13 15 17 О 1М 3)0 300 0 1 2 3 4 5 0 2 4 8 8

5 МП И» НО; иМ 8 м«

17 10 19 20 21 22 0 2 4 6 9 10 О 0 05 01 VI} 02 025 О 2В 40 60 00 1 00

"2* Iм СН4н"

О 4 в 12 16 20 0 4 1 12 16 о ОЛ 09 12 16 2

ял/ "Д|<нпа||Г, Я т*Т, Ш: 44*,415 Ьои 37*^17, .Цтмгу?«, М«4

Рис.1. Распределение гидрохимических параметров в редокс-слое Черного моря. Температура(Т, "С), соленость(Б, промилле), кислород (ОгмкМ), марганец (Мп,

мкМ), сероводород (Н2Б, мкМ), нитраты (Ы02, мкМ), нитриты( N0у мкМ), аммиаку/ мкМ), метан (СН4,мкМ), фосфаты (Р04, мкМ), кремний (Б1, мкМ)

По данным исследований последних лет наблюдаются изменения в степени выраженности максимума нитратов, минимума фосфатов, величинах градиентов сероводорода, растворенного марганца и др. Установление причин таких изменений и выявление их связи с мезомасштабной, сезонной и климатической изменчивостью становится актуальной задачей, для решения которой необходим анализ большого массива данных наблюдений.

Завершается первая глава кратким обзором современных океанологических информационных систем и обоснованием необходимости создания специализированных проблемно-ориентированных баз данных.

Во второй главе описываются математические методы анализа данных, рассмотрены способы интерполяции и экстраполяции. Также уделено внимание Фортрану, как наиболее эффективному в настоящее время алгоритмическому языку в области математических вычислений, показано его развитие и применение в сфере современных компьютерных технологий.

Третья глава посвящена описанию программы «Верта», явившейся результатом разработки специализированной проблемно-ориентированной базы гидрохимических данных редокс-слоя Черного моря и объединившей возможность задания определенных критериев отбора и загрузки данных с решениями специфических расчетных задач. Пользовательский интерфейс «Верты» представляет собой характерную для Windows систему окон и диалогов. Массивы базы данных записаны в едином для всех файлов формате, представляющим собой стандартную электронную таблицу, совместимую с большинством стандартных редакторов, таких как Surfer, Grapher, Excel и т.п. На стадии эксплуатации модификация и ввод (набивка) новых данных производится с помощью вышеперечисленных программ, в то время как собственно обработка и анализ осуществляется с помощью разработанного нами программного обеспечения.

Блок-схема программы представлена на рис.2.

В программе имеется два режима загрузки данных: простой и расширенный.

Простой режим представляет собой, фактически, «быстрый запуск» программы - в нем доступны все функции отображения и обработки данных, однако отсутствует возможность применить к данным критерии отбора. Кроме того, простой режим работает только с одним файлом.

Рис.2. Блок-схема «Верты»

Расширенный режим обрабатывает несколько файлов и осуществляет выборку данных по временным критериям, координатам, принадлежности данных указанным интервалам и т.д.

После загрузки данных программа попадает в режим отображения вертикальных профилей, из которого доступны как обычные функции, присущие всем базам данных (подготовка данных к печати, статистическая информация, загрузка и экспорт данных и т.п.), так и специфические особенности проблемно-ориентированной системы (расчет глубин выклинивания, интерполяция и экстраполяция данных, расчет градиентов и

статистики градиентов, расчет характеристик карбонатной системы, расчет стехиометрических отношений и др )

Наша база данных представляет собой набор однотипных массивов с гидрохимическими данными измерений Используется структура «один рейс - один файл», где имя файла отражает имя НИС, дату и номер рейса Основная часть более чем 1400 станций содержит данные наблюдений в северо-восточной части Черного моря с 1989 года по текущий день (Рис 3 )

Рис.3. Расположение станций, на которых производился отбор проб Черный цвет — 1984-1990гг, светло-серый - 1991 - 2004

Порядок данных в таблице жестко фиксирован Стандартные данные (номер станции, широта и долгота точки отбора, дата и время отбора, номер батометра, глубина, температура, соленость, условная плотность, максимальная глубина в точке измерения, прозрачность, расстояние до берега, кислород, рН, щелочность, фосфаты, общий фосфор, кремний, нитраты, нитриты, аммиак, мочевина, сероводород, марганец, метан) занимают в таблице первые 26 колонок, затем следует резервная колонка, затем колонка с числом -88, которая является разделителем между стандартными и

дополнительными данными. Поскольку в практике химических исследований могут измеряться дополнительные параметры, возникает проблема - что делать с данными тех измерений, которые проводятся от случая к случаю и не являются общими для всей базы данных. Понятно, что отказаться от записи их в файл, равно как и от их обработки, нельзя. Расширение же формата файла до числа всех потенциально возможных параметров невозможно уже по той простой причине, что никто не может наверняка предсказать сегодня завтрашние потребности, не говоря уже о том, что размер таблиц увеличился бы (исходя из сегодняшних оценок) примерно втрое. Решение было следующим - дополнительные данные записываются в файл после стандартных, при этом ответственность за их содержание целиком лежит на пользователе. В стандартных (обрабатываемых и отображаемых) данных введена одна дополнительная резервная запись, в которую по запросу может быть загружен любой из дополнительных параметров.

В Верте присутствуют все обычные для баз данных свойства, такие как критерии отбора, импорт и экспорт данных, подготовка их к печати и т.п. Диалог выбора данных показан на рисунке 4.

Рис. 4. Окно диалога с критериями отбора данных

Выборка может быть организована по временному критерию (как жесткому - «от и до», так и гибкому, позволяющему отбирать данные по определенным сезонам и месяцам), по интервалам параметров, по изопикническим уровням и по пространственному критерию В последнем случае есть возможность просто указать координаты четырехугольника, так и использовать возможность выборки данных по карте Карта может быть задана вручную с помощью «мыши» (рис 5) или считана из заранее подготовленного файла

Рис. 5. Выбор области данных по карте Точки задаются напрямую с помощью «мыши», после выбора есть возможность проверить координаты граничных точек и сохранить карту для будущих обращений. На рисунке в качестве примера выделена зона открытого моря (далее 40миль от берега)

Визуальное представление данных (не считая подготовки рисунков для печати) реализовано в виде четырех режимов просмотра. В первом режиме строятся графики вертикального распределения трех или менее гидрохимических параметров общей вертикальной осью, второй режим представляет данные в виде шести маленьких графиков, для каждого из которых задаются собственные настройки, третий режим (он же используется в программе по умолчанию) строит графики всех основных данных с общей вертикальной осью (рис.6.). Четвертый режим является режимом просмотра вертикальных градиентов, иначе говоря, первых и вторых производных (рис.7.)

Пользователь может легко переключаться между режимами просмотра, не теряя при этом установленные им настройки параметров отображения.

Рис.6. Третий режим просмотра - отображаются все основные профили сразу.

Рис.7. Дискретные (сверху) и сглаженные (снизу) вертикальные профили и градиенты Графики первой производной (в центре рисунка) строятся по дискретным точкам (вверху) и по сплайновой интерполяции основных данных(снизу слева) График снизу справа представляет собой значения первой производной, рассчитанные по дискретным точкам, но сглаженные сплайном

Получение основных статистических характеристик того или иного параметра является одной из базовых функций любой базы данных. «Верта» предоставляет как данные общего характера (число станций в выборке, горизонтов отбора, время и т п ), так и дополнительные характеристики (средние значения, медиана, квартили, среднеквадратическое отклонение, рис. 8) Последние рассчитываются как по конкретным данным измерений, так и с помощью сплайновой интерполяции

Рис.8. Расчет средних значений, квартилей, медиан, минимума и максимума, как по конкретным данным измерений, так и с использованием сплайновой интерполяции.

Далее в главе следует описание специальных возможностей, характерных только для объектно-ориентированных баз данных.

Расчет вертикальных градиентов гидрохимических параметров осуществлялся двумя способами. Первый, наиболее простой - расчет непосредственно через первую производную, с использованием глубины (плотности) как аргумента функции, а результатов измерения в качестве значений. Недостаток такого метода очевиден -дискретность измерений, т.е. вертикальный шаг по глубине Ш, зачастую слишком велик, из-за чего точность расчета весьма условна. Однако этот метод наглядно демонстрирует скачки градиента, что удобно для визуализации на начальном этапе обработки данных.

Второй метод заключался в предварительном построении сплайна по точкам измерений. Поскольку одной из полезных особенностей сплайновой функции является непрерывность ее и ее производных на всей области определения, появляется возможность расчета градиентов по всему интервалу измерений, не говоря уже о повышенной точности.

На рис.7, показана работа «Верты» в режиме просмотра градиентов. Помимо этого режима просмотра, который строит градиенты только одного параметра,

реализована более удобная для печати функция, позволяющая задавать различные параметры для вывода, желаемые цвета изображения, а также сохранять результат в отдельный файл как в виде данных, так и в виде рисунка.

Одной из очень важных характеристик химической структуры редокс-слоя является постоянство вертикальных градиентов гидрохимических параметров в определенном уровне плотности. Поэтому помимо расчета вертикальных градиентов на отдельных станциях, в «Верте» реализован расчет статистики вертикальных градиентов.

Расчет глубин выклинивания.

Важнейшей характеристикой редокс-слоя являются глубины выклинивания параметров - прежде всего это глубина выклинивания сероводорода, по которой судят о границе анаэробной зоны. Подход к расчету этой характеристики должен различаться в зависимости от того, характеризуется ли исследуемый компонент после прохождения точки выклинивания некими фоновыми концентрациями или его содержание равно нулю (точнее меньше предела обнаружения используемым аналитическим методом). К первой группе относится аммоний. Фоновые значения аммония в кислородной зоне не равны нулю, а составляют около 0.1-0.5 мкМ. Для расчетов рассматривался слой воды с условной плотностью от 15.7 до 16.15 кг/м3. По имеющимся данным о вертикальном распределении аммония на каждой станции строилась в указанном промежутке сплайновая функция, и исследовалось поведение ее первой производной от глубины к поверхности (рис. 9). Если экстремумы функции были выражены слабо (отсутствовал переход через ноль у первой производной), анализировался переход через ноль второй производной. В случае, если переход через ноль отсутствовал и здесь, брали первое значение сплайна, зашедшее за заданный предел. В случае аммония было задано среднее значение его в кислородной зоне (-1.0 мкМ).

щинт ерподяшгон ный Мсплайн

(переход через 0 первой ¡нроиэводяой

точки измерений и

Рис.9. Расчет глубины выклинивания аммонийного азота.

Концентрации сероводорода выше горизонта его исчезновения составляют менее предела его обнаружения (около 0.3 мкМ) и условно принимаются равными 0. Для расчета глубины его выклинивания рассматривался верхний слой до 200 метров. На первом этапе обработки строился сплайн Акимы, используя 4 или более (но не менее четырех) верхних ненулевых значений сероводорода. На втором этапе обработки сплайновая функция была экстраполирована в вышележащие слои до тех пор, пока достигнутое значение сероводорода не становилось менее величины предела обнаружения (0.3 мкМ). Для экстраполяции и расчета следующей точки использовался адаптированный метод Рунге-Кутта. Рассчитанное значение добавлялось к текущим данным по обрабатываемой станции, и с его учетом сплайн рассчитывался заново. Процедура повторялась до тех пор, пока не достигалось значение предела обнаружения параметра. Полученное на каждой станции значение добавлялось в общий массив для последующего анализа.

Интерполяция и экстраполяция на уровни глубины и плотности

В «Верте» реализованы алгоритмы линейной и сплайновой интерполяции на горизонты глубины и плотности с возможностью как мгновенного получения результатов, так и сохранения их в файл. Нам пришлось отказаться от использования

сглаживающих функций из-за их практически непредсказуемого поведения в точках локального минимума и максимума, сводящего на «нет» любую автоматическую обработку данных. В качестве сплайновой интерполяции был взят сплайн Акимы Спецификой интерполяции кубическими многочленами методом Акимы является борьба с выбросами приближающей функции, которые появляются, если значения функции в точках заданы с некоторой погрешностью. Приближения производных функции разделенными разностями усредняются с весами, которые тем больше, чем меньше гладкость функции на соседнем отрезке, т.е. значения функции Р/ на отрезке [х/х1+/] зависят от значений функции/в точках х^ х[ Г х х .

(Богачев, 1998).

Расчет элементов карбонатной системы очень важен, так как одной из актуальнейших задач современной биогеохимии остается поиск связи между глобальным циклом углерода и глобальным изменением климата. Роль океанов и морей в этом круговороте первостепенна (Маккавеев, 1988). Чрезвычайно важно исследовать роль в этом процессе регионов Мирового океана с кислород-дефицитными и анаэробными условиями, Поэтому в список стандартных возможностей проблемно-ориентированной базы данных редокс-слоя Черного моря был внесен расчет концентраций элементов карбонатной системы (Раздел 3.3.4. Главы 3). В «Верте» реализован расчет следующих элементов карбонатной системы: валового содержания углерода(Т1С), бикарбонат иона(СО}2"), карбонат-иона(НС03'), свободной двуокиси углерода^^рциального давления углекислого газа и карбонатной щелочности

Для расчета использовалась система констант Эдмонта-Гискеса. Расчет карбонатной щелочности производился на основе зависимостей, рекомендованных для Черного моря с учетом влияния сульфидов, фосфатов и аммиака (Маккавеев, 2002). Помимо сохранения результатов расчета в файл, программа позволяет просматривать вертикальные кривые распределения элементов карбонатной системы непосредственно в режиме просмотра отобранных данных.

Расчет стехиометрических отношений.

При исследовании особенностей трансформации химических соединений важную информацию можно получить из величин стехиометрических отношений, т.е. массовых или атомарных отношений концентраций химических соединений в какой-

либо реакции. В «Верте»существует возможность расчетов таких соотношений для любых параметров. Это позволяет кроме обычно рассчитываемых отношений получать любые комбинации (например Т/Р), строго говоря, не являющиеся стехиометрическими.

Четвертая глава посвящена описанию результатов расчетов характеристик редокс-слоя, полученных с помощью проблемно-ориентированной базы данных и программы Verta.

Результаты расчета вертикальных градиентов.

Тот факт, что характеристики гидрохимической структуры редокс-слоя четко привязаны к плотности, позволяет полученные на разных станциях и в разных экспедициях данные анализировать совместно. Это дает возможность получать интегральные количественные оценки. Такие расчеты были сделаны нами для оценки основных закономерностей изменчивости вертикальных градиентов ряда гидрохимических параметров редокс-слоя.

Специфика выполненных нами расчетов описана в Главе 3. Собранные нами на 11 станциях данные о подробном (с шагом 2-5 м) распределении гидрохимических параметров в редокс-слое в 20022004 гг. позволили нам рассчитать вертикальные градиенты гидрохимических параметров на разных изопикнических уровнях редокс-зоны. Использовалась следующая процедура. К данным каждой станции была применена сплайн-функция, с помощью которой были вычислены градиенты по глубине. Результат был применен к соответствующим данным в поле плотности с шагом 0,01 кг/м3. Были рассчитаны минимальные, максимальные и средние значения градиентов для каждого шага, соответствующего значению плотности. Средние значения градиентов представлены

на Рис. 10.

Основным результатом расчетов можно считать то, что обнаружено постоянство вертикальных градиентов различных гидрохимических параметров на определенных уровнях плотности, причем значения вертикальных градиентов каждого конкретного параметра меняются по мере изменения плотностного уровня.

Так, вертикальные градиенты сероводорода характеризовались максимальными и постоянными значениями 0.5- 1.0 мкМ/м в слое <га = 16.2 - 16,6 кг/м3. Однако на

глубине появления сероводорода вертикальный градиент этого параметра падал до 0.07 - 0.15 мкМ/м. Вертикальные градиенты марганца характеризовались максимальными значениями 0.10 -0.12 мкМ/м в слое соответствующем горизонту выклинивания сероводорода сг0 = 16.0-16.2 кг/м3 (Рис. 1.). Ниже его значения падали. Вертикальный градиент аммония также характеризовался максимальными значениями 0.11-0.15 мкМ/м в слое = 16.016.2 кг/м3.

Рис. 10. Средние значения градиентов Мп, NN^ Н2Б, Оу ИО}

Вертикальный градиент кислорода максимален в оксиклине и достигает величин 7-10 мкМ/м. Глубже его значения убывают до 0.10.4 мкМ/м в слое сге = 15.8-16.0 кг/м3. Вертикальный градиент нитратов ниже изопикнической поверхности совпадает с

кислородным или несколько превосходит его. Выше поверхности сге = 15.6-15.7 кг/м3 вертикальный градиент нитратов снижается (от величин около 1 мкМ/м) и меняет знак выше расположения максимума нитратов (15.3-15.5 кг/м3) (Рис. 10.).

Результаты расчета элементов карбонатной системы.

Пример расчетов параметров карбонатной системы показан на Рис 11 Использованные данные наблюдений характеризовались четким максимумом рН в слое 15 80-15 90 (на 0 1 ед рН) снижением величин общей щелочности примерно на 0 030 мкМ Результатом расчетов явилось уменьшение содержания в этом плотностном слое TIC, С02, рС02, HCOj и увеличение С032 Это подтверждает высказанное ранее предположение (Yakushev et al, 2003) о том, что на этих горизонтах редокс-зоны происходит интенсивное потребление неорганических форм биогенных элементов на хемосинтез, в связи с чем здесь формируется минимум фосфатов (см также рис 1) и снижается суммарное содержания неорганических форм азота

Рис. И. Вертикальноераспределение элементов карбонатной системы (НИС «Акванавт», cm № 1331)

Оценка особенностей сезонной и межгодовой изменчивости фосфатов в прибрежных и открытых районах северо-восточной

части Черного моря По результатам полевых исследований в конкретных экспедициях (Часовников, 2002, Якушев и др , 2002, Часовников и др , 2005) обнаруживается различие в особенностях распределения гидрохимических параметров в прибрежных и открытых районах моря и сезонной изменчивости в этих районах

Для подтверждения выводов, полученных в результате исследований на полигонах и разрезах, а также для выявления сезонной изменчивости поведения фосфатов, был проведен анализ межсезонной изменчивости локального минимума фосфатов в северовосточной части Черного моря. Нами рассматривались отдельно береговая зона (примерно 40 миль от берега) и зона открытого моря (рис. 5). Выполненный анализ дополнительно подтвердил наблюдаемые закономерности (рис. 12).

Рис.12. Среднегодовое распределение фосфатов в слое плотности 15.8-15.95 кг/м

По результатам статистических расчетов величины концентрации фосфатов в слое минимума в северо-восточной части Черного моря у берега больше, чем в море, причем как зимой, так и летом. К сожалению, недостаточное количество измерений в зимний период в открытом море не позволяют обнаружить в минимуме фосфатов какую либо явную сезонную изменчивость. Что касается сезонной изменчивости у берега, то зимой концентрации фосфатов больше, чем летом на 0.2-0.5 мкМ (рис. 12), при этом в последние годы наблюдается увеличение концентраций как в зимний, так и в летний период (с 0.8 - 1 мкМ до 1.2-1.6 мкМ).

Если рассматривать вертикальную структуру распределения фосфатов, то в водах открытого моря экстремумы вертикального распределения выражены более

резко, а в прибрежной зоне мы наблюдаем более сглаженный профиль Р04. Эта тенденция усиливается в зимнее время года.

Расчет межгодовой изменчивости глубины выклинивания восстановителей в поле плотности и средней концентрации кислорода в слое ХПС.

Использование имеющейся у нас проблемно-ориентированной базы данных редокс-слоя Черного моря позволило произвести расчеты межгодовой динамики горизонтов выклинивания сероводорода, аммония, общего марганца и метана. Расчеты (их особенности описаны выше) выполнялись для каждой станции отдельно, их результаты усреднялись для месячных интервалов.

На рис. 13. приведены полученные результаты, условные обозначения для сезонов различны.

Наши результаты незначительно отличаются от оценок, полученных другими авторами, которые использовали визуальные или квазилинейные критерии регрессии для расчета глубины выклинивания сероводорода (Виноградов, Налбандов, 1990, Murray et al., 1995, Volkov et al., 1997, Якушев и др., 2001). Несмотря на это, данный метод должен быть лучше в силу нелинейности и объективного подхода для каждой станции, что является необходимым при анализе больших массивов данных.

Как видно из рис.13, для всех рассмотренных четырех восстановителей сезонная изменчивость не прослеживается, что может быть связано с недостаточностью и неоднородностью данных (разный шаг отбора проб в разных рейсах - от 2 до 10 м). Однако результаты расчетов позволяют выявить некоторые тенденции межгодовой изменчивости. Полученная изменчивость уровня выклинивания сероводорода сопоставима с динамикой этой характеристики, описываемой в литературе (Volkov et al., 1997, Якушев и др., 2000). По данным расчетов граница сероводорода располагалась в 1991 -1998 годах на уровне 16.15-16.25 кг/м3. В 19992000 гг. отмечен ее резкий подъем на величину около 0.05-0.10 кг/м3 (около 5-10 метров). После этого в 2000-2004 годах уровень сероводорода относительно стабилизировался. Аналогичные тенденции прослеживаются и для других восстановителей - аммония и общего марганца.

Рис. 13 .Межгодовая изменчивость горизонта выклинивания в

поле плотности (кг/м3) сероводорода, аммония, общего марганца, метана и средней концентрации кислорода в слое 14.45-14.60 кг/м3. Данные усреднены для месячных значений (при наличии наблюдений). Кружки соответствуют зимним месяцам, ромбы - летним.

Этот феномен может быть связан с двумя теплыми зимами в 1998 -1999 , что могло оказать влияние на формирование ХПС. В эти годы отмечалось возрастание средней температуры поверхности моря (рис 14), увеличение температуры в ядре ХПС (Кривошея и др., 2002, Oguz, Dippner, 2005, in press) и подъем ядра ХПС в поле плотности (Murray et al, 2003). Все это совпало по времени со снижением величины зимнего индекса NAO (NAO, North Atlantic Oscillations - североатлантические колебания) (Рис. 14) (Oguz, Dippner, 2005, in press).

Рис. 14. Средняя температура поверхности моря (вверху) и индекс NAO (North Atlantic Oscillations) (внизу) (Oguz, Dippner, 2005, in press)

Уменьшение интенсивности образования ХПС должно приводить как к росту в его ядре температуры, так и снижению содержания кислорода. Для того, чтобы проверить это, нами были проведены расчеты средней концентрации кислорода в слое плотности характерном для ХПС - от изопикны 1 5.45 до 1 5.60 кг/м3. Изменение концентраций в этом слое отражает как изменчивость концентраций кислорода в ядре

ХПС, так и происходящие вертикальные смещения этого ядра в поле плотности (Murray et al., 2003).

В течение периода исследования наблюдались значительные изменения средней концентрации кислорода в слое от изопикны 15.45 до 15.60 кг/м3- до 200 мкМ. Минимальные концентрации отмечены в 2001-2002 гг. В 1999 - 2000 гг., когда наблюдался подъем уровня выклинивания восстановителей, в изменчивости кислород также может быть выделена ступенька понижения концентраций. В 20032004 гг. может быть отмечен рост содержания кислорода до уровня начала девяностых годов.

Полученные результаты иллюстрируют механизм реакции природной системы Черного моря на глобальные колебания климата. Как показывает сравнение существующих оценок, изменение температуры поверхности моря и интенсивности обновления ХПС, происходящего зимой, приводит к изменениям содержания кислорода в ядре ХПС. Его запас здесь является своеобразным аккумулятором, обеспечивающим его в основном диффузионное поступление вниз в течение всего года. Межгодовые колебания этого поступления приводят и к колебаниям плотностной структуры редокс-слоя и положению верхней границы сероводорода. Таким образом, распределение химических параметров в поле плотности в редокс-слое представляет собой великолепный индикатор глобальных колебаний климата.

Прямым следствием изменений положения сероводородной границы (с величиной около 5-10 м) является и изменение объема кислородных вод моря примерно на 5-10%, в котором, собственно, и располагается Черноморская аэробная экосистема. Такие колебания для нее жизненно важны, поэтому необходима организация постоянных исследований процессов редокс-зоны.

В Заключении резюмируются результаты работы. Благодаря созданию проблемно-ориентированной базы данных редокс-слоя Черного моря впервые появилась возможность эффективно получать количественные характеристики этой зоны взаимодействия кислородных и бескислородных вод, отображая статическое и динамическое состояние его гидрохимической структуры. Созданный инструмент отличается гибкостью и оригинальным подходом к работе с данными, позволяя легко импортировать и экспортировать данные гидрохимических измерений При его

разработке были реализованы как стандартные функции баз данных (возможность поиска по временным и пространственным критериям, по наличию измерений и др.) так и проблемно специфические. С помощью ряда расчетов показано, что сплайн Акимы применим для расчетов глубин выклинивания и интерполирования гидрохимических данных. Также был получен ряд биогеохимических оценок, в том числе:

обнаружено постоянство вертикальных градиентов гидрохимических параметров на определенных уровнях плотности, что является фундаментальной чертой гидрохимической структуры редокс-зоны Черного моря;

расчет элементов карбонатной системы в редокс-зоне подтвердил наличие в нем слоя с интенсивным потреблением неорганических форм биогенных элементов на хемосинтез; рассчитана сезонная изменчивость степени выраженности минимума фосфатов в прибрежных и открытых районах моря, на основании чего выделена подверженная влиянию динамически активной зоны расположения ОЧТ и вихрей прибрежная область (примерно 40 миль) и находящийся вне ее более динамически спокойная центральная область моря; рассчитана межгодовая изменчивость уровня исчезновения сероводорода, аммония, общего марганца и метана, а также содержания кислорода в ядре ХПС и показана их связь с климатическими колебаниями.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1 Podymov O.I. Distribution of the hydrological, hydrochemical and hydrobiological parameters in the Gelendzhik bay during the winter period (1 February of2001) // Second International Conference "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins" Ankara, Turkey, Abstracts, 2002, С 438

2 Якушев Е.В., Часовников В.К., Дебольская Е.И., Подымов О.И. Редокс-зона Черного моря: наблюдаемое распределение гидрохимических параметров и оценка скоростей их изменчивости / Актуальные проблемы океанологии. М: Наука, 2003, С. 403-412

3 Yakushev E. V., Chasovnikov V. K., Debolskaya E. I., Gregoire M., Podymov O. I. and Yakubenko V. G. The northeastern Black Sea redox zone hydrochemical structure: observed concentrations and estimated fluxes. / Oceanography ofthe Eastern Mediterranean and Black Sea. A. Yilmaz, editor, Tubitak Publishers, Ankara, 2003, pp. 322-328.

4 Podymov 0.1., Yakushev E.V., Chasovnikov V.K., Lukashev Yu.F. Seasonal variability of hydrological and hydrochemical parameters in the Gelendzhik Bay (northeastern Black Sea) // Proceedings of the Second International Conference "Oceanography ofthe Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins" Ankara, Turkey, 2003, pp. 1039-1045.

5 Podymov O.I. Calculation of characteristics ofvertical distribution of hydrochemical parameters in the Black Sea redox-zone database // Proceedings of NATO Advanced Research Workshop on Past and Present Water Column Anoxia, Ukraine, Crimea, Sevastopol, 2003, pp.75-77

6 Подымов О.И. Расчет характеристик вертикального распределения параметров в проблемно-ориентированной базе данных по гидрохимической структуре редокс-зоны Черного моря. // Международный научный семинар «Современные информационные технологии в океанологии и биологии», Ростов, 2003, С. 8

7 Yakushev E.V., Podymov О.I., Chasovnikov V.K. Seasonal Changes in the Hydrochemical Structure ofthe Black Sea redox zone // Oceanography, 2005, Vol. 18, N 2, pp. 44-51.

8 Yakushev E.V., Chasovnikov V.K., Debolskaya E.I., Egorov A.V., Makkaveev P.N., Pakhomova S.V., Podymov O.I. and Yakubenko V.G. The northeastern Black Sea redox zone: hydrophysical and hydrochemical structure and variability // Deep Sea Research II, 2005, submitted

9 Якушев Е.В., Егоров А.В., Подымов О.И., Часовников В.К., Челышева М.В. О сезонной изменчивости гидрохимической структура редокс-зоны северо-восточной части Черного моря // Океанология, 2005.

10 Часовников В.К., Якушев Е.В., Подымов О.И. Об особенностях распределения фосфатов в редокс-слое Черного моря // Океанология, 2005.

11 Якушев Е.В., Егоров А.В., Подымов О.И., Часовников В.К., Челышева М.В. О сезонной изменчивости гидрохимической структура редокс-зоны северо-восточной части Черного моря // Океанология, 2005.

BOO

.N

\

^ »

19 M/S 2005

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Подымов, Олег Игоревич

Введение

1. Краткая физико-географическая, гидрофизическая и гидрохимическая характеристика Черного моря.

1.1. Морфометрия современного Черного моря.

1.2.0сновные гидрофизические характеристики Черного моря

1.2.1. Термохалинная структура.

1.2.2. Течения

13. Гидрохимия Черного моря:

1.3.1. История изучения редокс-слоя

1.3.2. Структура редокс-слоя

1.4. Обзор современных океанологических баз данных по Черному морю

2. Математические методы анализа данных и их программная реализация

2.1. Средние величины

2.1.1. Среднее арифметическое и его свойства

2.1.1.1. Взвешенное среднее арифметическое

2.1.1.2. Медиана и квартили

2.2. Интерполяция данных

2.2.1. Линейная интерполяция

2.2.2. Метод наименьших квадратов

2.2.2.1. Метод Гаусса для решения систем линейных уравнений

2.2.3. Интерполяция функций каноническим полиномом

2.2.4. Интерполяция сплайнами

2.2.4.2. Сплайн Акимы

2.3. Экстраполяция данных

2.3.1. Задача Коши

2.3.2. Простейшие методы решения задачи Коши. Метод Эйлера и его модификации.

2.3.3. Методы Рунге-Кутта

2.3.4. Метод Адамса

2.4. Фортран.

2.4.1. Фортран сегодня

2.4.2. Математические библиотеки подпрограмм

2.4.3. Компиляторы Digital Visual Fortran 5.0 +

2.4.4. Стандарт Fortran

3. Описание программы управления базой данных Verta

3.1. Общие сведения

3.1.1. Блок-схема

3.1.2. Описание массивов

3.2. Обычные возможности ^

3.2.1. Выбор данных

3.2.1.1. Повремени

3.2.1.2. По пространству

3.2.1.3. По интервалам параметров

3.2.1.4. По изопикническим уровням.

3.2.2. Визуальное представление данных

3.2.3. Статистика данных

3.3. Специальные возможности

3.3.1. Расчет вертикальных градиентов

3.3.2. Расчет глубин выклинивания

3.3.2.1. Аммонийный азот.

3.3.2.1. Сероводород.

3.3.3. Интерполяция и экстраполяция на уровни глубины и плотности

3.3.4. Расчет элементов карбонатной системы

3.3.5. Расчет стехиометрических отношений

4. Расчет характеристик гидрохимической структуры редокс-слоя

4.1. Результаты расчета вертикальных градиентов

4.2. Результаты расчета элементов карбонатной системы

4.3. Оценка особенностей сезонной и межгодовой изменчивости фосфатов в прибрежных и открытых районах северо-восточной части Черного моря.

4.4. Расчет межгодовой изменчивости глубины выклинивания восстановителей в поле плотности и средней концентрации кислорода в слое ХПС

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Количественные оценки гидрохимических характеристик редокс-слоя Черного моря с помощью проблемно-ориентированной базы данных"

Развитее современной океанологии невозможно без анализа больших массивов данных. Так как конечным результатом такого анализа являются определенные количественные оценки, то возникает необходимость в создании специализированных вычислительных систем, которыми являются в частности проблемно-ориентированные базы данных. По определению (Глоссарий.ги), проблемно-ориентированная база данных — это база данных, содержащая тематически связанные документы и/или данные, предназначенные для решения прикладных задач определенного вида. В общих чертах это и отличает ее от обычной базы данных. Потребность в создании подобного инструмента появилась в связи с рядом проблем, которые в принципе не решались в рамках обычных СУБД. Напомним, что в основном возможности баз данных исчерпываются способностями добавлять и модифицировать данные, отображать их в том или ином формате, выдавать статистическую информацию общего характера и осуществлять выборку по тому или иному критерию. Но полученная выборка, сама по себе, в основном не несет в себе никакой информации - ее необходимо проанализировать, зачастую используя серьезный математический аппарат. Тут и выходят на сцену проблемно-ориентированные базы данных. Жертвуя универсальностью и концентрируясь на конкретных прикладных задачах, можно объединить воедино специально отобранные данные и математический аппарат для их обработки и анализа. Такая задача и была поставлена для исследования редокс-слоя Черного моря.

Актуальность проблемы. С точки зрения гидрохимической структуры Черное море представляет собой уникальный водоем, характерной чертой которого является сероводородное заражение нижнего слоя воды. Проблемы взаимодействия аэробной и анаэробной зон, положение верхней границы сероводорода, всегда вызывали неподдельный интерес и находились в центре внимания исследователей, занимающихся изучением Черного моря (Скопинцев, 1975, Виноградов, Налбандов, 1990, Безбородое, Еремеев, 1993, Murray et al., 1995, Розанов, 1995, Sorokin, 2002). Появление современной зондирующей аппаратуры и более совершенных методов отбора проб в последнее десятилетие позволили выйти на качественно новый уровень в комплексном изучении вопросов, связанных с гидрохимией Черного моря.

Актуальность работы связана с экологическим состоянием Черного моря, на которое оказывают влияние как антропогенные факторы (эвтрофикация, техногенное загрязнение, эмиссия СОг), так и климатические изменения (глобальное потепление, североатлантические колебания). Из этого вытекает необходимость получения количественных оценок пространственной и временной изменчивости всего комплекса природных параметров, в т.ч. и характеристики редокс-слоя Черного моря.

Цель и задачи исследования. Работа посвящена вопросам геохимии анаэробных бассейнов, связанным с изучением распределения и изменчивости гидрохимических параметров в зоне взаимодействия кислородных и сероводородных вод Черного моря.

Конкретной целью работы было построение проблемно-ориентированной базы данных, позволяющей эффективно получать количественные характеристики зоны взаимодействия кислородных и бескислородных вод (редокс-слоя), отображая статическое и динамическое состояние его гидрохимической структуры.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: организовать сортировку и выборку данных базы по указанным критериям (по сезону, глубинам, местоположению и т.п.); произвести расчет и вывод таблиц первичных данных наблюдений; реализовать построение вертикальных профилей распределения химических соединений (в поле глубины, плотности или любого другого параметра) в нескольких режимах; сделать возможность экстраполяции и интерполяции данных (линейной и сплайновой); произвести расчет специфических гидрохимических характеристик, таких как элементы карбонатной системы, стехиометрические отношения и др.; рассчитать глубины выклинивания (горизонты исчезновения сероводорода, глубинного аммония в поле глубины и плотности); произвести расчет вертикальных градиентов химических соединений, запасов веществ, статистических характеристик и др.

Научная новизна. Проблемно-ориентированная база данных — это база данных, содержащая тематически связанные документы и/или данные, предназначенные для решения прикладных задач определенного вида. Впервые создана проблемно-ориентированная база данных по гидрохимии Черного моря, которая вкупе с программой управления Verta позволяет получать количественные характеристики зоны взаимодействия кислородных и бескислородных вод (редокс-слоя), отображая статическое и динамическое состояние его гидрохимической структуры.

Практическая значимость. Полученные результаты отражают современное состояние гидрохимического режима Черного моря и представляют собой уникальный материал для понимания природы формирования и динамики анаэробных условий. Созданная проблемно-ориентированная база данных является удобным инструментом, который окажется полезным океанологам, гидрохимикам и экологам, занимающимся проблемой образования сероводородных условий и заморов в водных объектах и тенденциями их развития, а также преподавателям и студентам соответствующих специальностей.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработаны алгоритмы и написаны тексты программ проблемно-ориентированной базы данных редокс-слоя Черного моря. Соискатель участвовал практически во всех морских экспедициях, проводимых ЮО ИО РАН в Черном море с 2001 года, в качестве члена отряда гидрохимии, начальника отряда. Соискателем лично выполнялась обработка и верификация полученных гидрохимических данных, были построены профили вертикального распределения гидрохимических параметров, и осуществлен их анализ. Выполнены качественные и количественные оценки разномасштабной изменчивости и антропогенного влияния. Полученный материал использовался автором для подготовки статей и докладов на конференциях.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Международном научном семинаре «Современные информационные технологии в океанологии и биологии» (Ростов, 2-3 сентября 2003 г.), международной конференции Past and Present Water Column Anoxia (Севастополь 2003), второй международной конференции "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins" (Анкара, Турция, 2002), а также обсуждались на ученом совете ЮО ИО РАН, коллоквиумах Лаборатории химии ЮО ИО РАН, Лаборатории геохимии ИО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано и принято к печати 11 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора состояния вопроса (глава 1), описания математических методов анализа данных и их программной реализации (глава 2), описания программы Verta, управляющей проблемно-ориентированной базой данных (глава 3), полученных с ее помощью результатов (глава 4), общих выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, включая 3 таблицы и 39 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Подымов, Олег Игоревич

Заключение

Получение количественных оценок о состоянии и изменчивости природных систем является необходимым для изучения воздействия на них естественных и антропогенных факторов. Это в полной степени относится и к изучению такого природного феномена как зона интерфейса аэробных и анаэробных вод Черного моря.

В рамках данной работы впервые была создана проблемно-ориентированная база данных по редокс-слою Черного моря, объединившая возможность задания определенных критериев отбора и загрузки данных (поиска по временным и пространственным критериям, по наличию измерений, определенным интервалам, координатам точек отбора и др.) с математическим аппаратом для решения специфических расчетных задач (интерполяции и экстраполяции данных, расчета глубин выклинивания, характеристик карбонатной системы, стехиометрических отношений, вертикальных градиентов, межгодовой изменчивости и др.).

Созданный инструмент, получивший название Verta, отличается гибкостью и оригинальным подходом к работе с данными, позволяя легко импортировать и экспортировать данные гидрохимических измерений.

Благодаря этому, впервые появилась возможность эффективно получать количественные характеристики зоны взаимодействия кислородных и бескислородных вод, отображая статическое и динамическое состояние ее гидрохимической структуры. Также был получен ряд биогеохимических оценок, в том числе:

• обнаружено постоянство вертикальных градиентов гидрохимических параметров на определенных уровнях плотности, что является фундаментальной чертой гидрохимической структуры редокс-зоны Черного моря;

• расчет элементов карбонатной системы в редокс-зоне подтвердил наличие в нем слоя с интенсивным потреблением неорганических форм биогенных элементов на хемосинтез;

• рассчитана сезонная изменчивость степени выраженности минимума фосфатов в прибрежных и открытых районах моря, на основании чего выделена подверженная влиянию динамически активной зоны расположения ОЧТ и вихрей прибрежная область (примерно 40 миль) и находящийся вне ее более динамически спокойная центральная область моря; • рассчитана межгодовая изменчивость уровня исчезновения сероводорода, аммония, общего марганца и метана, а также содержания кислорода в ядре ХПС и показана их связь с климатическими колебаниями.

Полученные результаты помогут выработать стратегию организации мониторинговых наблюдений за редокс-слоем Черного моря.

Полученные в рамках работы биогеохимические оценки являются только первыми результатами применения разработанной базы для анализа имеющихся данных. Планируется использовать программу Verta для расчетов данных планируемых в ближайшие годы регулярных наблюдений за редокс-слоем Черного моря. Кроме того, она будет использована для количественных оценок характеристик верхнего слоя моря и глубоководного анаэробного слоя.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Подымов, Олег Игоревич, Москва

1. Андрусов Н.И. Некоторые результаты экспедиции "Черноморца". К вопросу о происхождении сероводорода в водах Черного моря//Изв. Имп. Русск. Геогр. Об-ва. 1892, Т.28, вып.4, с. 398-409.

2. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ. Москва: Мир, 1982.

3. Бартеньев О.В. Фортран для профессионалов. Математическая библиотека IMSL. Ч. 1, 2,3. Москва: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001.

4. Баштюрк Озден, Волков И.И., Гёкмен Серап, ГунгорХасан, Романов А.С., Якушев Е.В. Международная экспедиция на нис «Билим» в июле 1997 в Черном море // Океанология, 1998,38,3, с. 1-4

5. Безбородое А.А. Гидрохимия зоны взаимодействия аэробных и анэробных вод в Черном море//Процессы формирования и внутригодовой изменчивости гидрофизических и гидрохимических полей Черного моря. Севастополь: МГИ АНУ, 1988, с.121-147.

6. Безбородое А.А., Еремеев В.Н. Черное море. Зона взаимодействия аэробных и анаэробных вод. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 1993,298 с.

7. Богачев КБ. Практикум на ЭВМ. Методы приближения функций. Москва: Издательство МГУ, 1998, с. 67-80

8. Ван дер Варден Б. JI. Математическая статистика. Москва: Издательство иностранной литературы, 1960.

9. Венецкий И. Г., Кильдищее Г. С. Основы математической статистики. Москва: Госстатиздат, 1963.

10. Виноградов М.Е., Налбандов Ю.Р. Влияние изменений плотности воды на распределение физических, химических и биологических характеристик экосистемы пелагиали Черного моря //Океанология. 1990, Т. 30, № 5, с. 769-777.

11. Волков И. И., Розанов А. Г., Демидова Т. П. Соединение неорганической восстановленной серы и растворенный марганец в воде Черного моря // Зимнее состояние экосистемы открытой части Черного моря. М.: ИО РАН, 1992, с. 38-50.

12. Волков И.И., Контаръ Е.А., Лукашев Ю.Ф., Неретин JJ.H., Ниффелер Ф., Розанов А.Г. Верхняя граница сероводорода и природа нефелоидного редокс-слоя в водах Кавказского склона Черного моря. Геохимия. № 6, 1997. с. 618-629.

13. Глоссарий.Ру — Служба тематических толковых словарей. Электронный ресурс.: -Режим доступа: http://www.glossary.ru/ Загл. с экрана.

14. Егоров А.В. Некоторые черты распределения метана в водной толще северовосточной части Черного моря Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря, 2002, Москва:Наука, с. 183-189

15. Иваненков В.Н. Общие закономерности распределения биогенных элементов в Мировом Океане // Океанология. Химия океана. Химия вод океана. М.: Наука, 1979, с. 188-228.

16. Колесов А., Поздняков С., Digital Visual Fortran 5.0 для пользователей ПК// Мир ПК, №7, Москва: Открытые системы, 1998, с. 78-86

17. Кривошея В.Г., Овчинников И.М., Скирта А.Ю. Межгодовая изменчивость обновления холодного промежуточного слоя. Комплексные исследования северовосточной части Черного моря, Москва:Наука, 2002, с. 27-39

18. Маккавеев П.Н. Расчет компонентов общей титруемой щелочности вод Черного моря// Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря/Под ред. А.Г.Зацепина, М.В.Флинта. М.:Наука, 2002, с. 447-450.

19. Налбандов Ю.Р. Черное море 2000 (BS -2000). Электронный атлас.

20. Овчинников И.М., Титов В.Б. Антициклоническая завихренность течений в прибрежной зоне Чёрного моря.//ДАН СССР. Т.314. №5, 1990, С. 1236-1239.

21. Океанология, Химия океана, Т.1. Химия вод океана/Отв.ред. Бордовский O.K., Иваненков В.Н., М.:Наука, 1979, с. 85-108

22. Рожков В. А. Теория вероятностей, случайных событий, величин и функций с гидрометеорологическими параметрами. Санкт-Петербург: Прогресс-Погода, 1996.

23. Рожков В. А. Теория и методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций с гидрометерологическими примерами. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001.

24. Розанов А.Г. Окислительно-восстановительная стратификация воды Черного моря // Океанология, 1995, Т. 35, № 4, с. 544-549.

25. А. Г. Розанов, Т. П. Демидова, А. В. Егоров, Ю. Ф. Лукашев, Н. М. Степанов, В. И. Часовников, Е. В. Якушев Гидрохимическая структура Черного Моря на стандартном разрезе от Геленджика к центру моря (ноябрь 1997 г.) // Океанология, 2000,40,1, с. 30-36.

26. Руководство по химическому анализу морских вод РД 52.10.243-92. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 1993.

27. Сапожников В.В. Аммонийный азот в Черном море // Океанология, Т. 30, № 1, 1990, с. 53-58

28. Сапожников В.В., Бибиков В.А., Фащук Д.Я., Финкельштейн М.С. Минимум фосфатов в слое сосуществования кислорода и сероводорода в Черном море //Океанология. 1985. Т. 25. №.6, с. 966-969

29. Скопинцев Б. А. Формирование современного химического состава вод Черного моря. — Ленинград, Гидрометеоиздат, 1975.

30. Скопинцев Б.А., Бордовский O.K., Иваненков В.Н. Углерод растворенного органического вещества // Океанология. Химия океана. Т.1. Химия вод океана., М.: Наука, 1979, с. 251-259.

31. Современные методы гидрохимических исследований океана / Отв. Ред. Бордовский O.K., Чернякова A.M. М.: ИО РАН, 1992. 200 с

32. Срочко В.А. Численные методы. Курс лекций. Иркутск, Иркутский ун-т, 2003, с. 130-146.

33. Стунжас П.А. Тонкая структура вертикального распределения кислорода в Черном море // Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря / Под ред. А.Г.Зацепина, М.В.Флинта. М.: Наука, 2002, с. 201-211

34. Титов В.Б. О роли вихрей в формировании режима течений на шельфе Черного моря и экологии прибрежной зоны // Океанология, Т.32, №1, 1992, С. 39-48.

35. Титов В.Б. Сезонная и многолетняя изменчивость климатических условий над акваторией Черного моря / Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря, Москва, Наука, 2002, с. 9-20

36. Часовников В.К. Особенности гидрохимической структуры северо-восточной части Черного моря/ Автореферат дисс. к.г.н., М., 2002. 24 с.

37. Часовников В.К, Якушев Е.В., Подымов О.И. Об особенностях распределения фосфатов в редокс-слое Черного моря // Океанология, в печати, 2005.

38. Якушев Е.В., Беседин Д.Е., Лукашев Ю.Ф., Часовников В.К О подъеме верхней границы анаэробной зоны Черного моря в поле плотности в 1999-2000 годах // Океанология, 2001, том 41, №5, с. 686-691.

39. Якушев Е.В., Есин Н.В. Лукашев Ю.Ф., Часовников В.К Влияние антропогенных факторов на гидрохимическую структуру прибрежных вод в районе геленджикской и голубой бухт.// Наука Кубани, 4 (11), 2000, с. 33-38.

40. Якушев Е.В., Часовников В.К Влияние динамики вод на гидрохимическую структуру в северо-восточной части Черного моря. // Водные ресурсы, Т.28. №2, 2001,с. 211-216.

41. Якушев Е.В., Часовников В.К, Дебольская Е.И., Подымов О.И. Редокс-зона Черного моря: наблюдаемое распределение гидрохимических параметров и оценка скоростей их изменчивости / Актуальные проблемы океанологии. М.: Наука, 2003, с. 403-412

42. Black Sea Ecosystem Progresses and Forecasting / Operational Database Management System (OceanBase), NATO SfP-971818 ODBMS Black Sea Project, 2002 Electronic Database.

43. Black Sea Geographic Information System / Black Sea Environmental Programme, 1997 Electronic geographic information system.

44. Brewer P.,Murray J.W. Carbon, nitrogen and phosphorus in the Black Sea// Deep-Sea Res. 1973/vol/20,N9. pp. 632-639.

45. Broenkow W. W., ClineJ. D. Colorimetric determination of dissolved oxygen at low concentrations.// Limnology and Oceanography, 1969, V. 14, N 3, pp. 450-454.

46. Buesseler K.O., Livingston H.D., Casso, S.A. Mixing between oxic and anoxic waters of the Black Sea as traced by Chernobyl cesium isotopes. Deep-Sea Research, 1991, V.38. Suppl. I. 2A, pp. S725-S745

47. CodispotiL.A., Friederich G.E., Murray J.W., Sakamoto C.M. Chemical variability in the Black Sea: implications of continuous vertical profiles that penetrated the oxic/anoxic interface//Deep-Sea Research, 1991, V.38. Suppl. 1.2A, pp. S691-S710.

48. Conkright M.E., Garcia H.E., O'Brien T.D., LocarniniR.A., Boyer T.P., Stephens C., Antonov J.I., World Ocean Atlas 2001, Volume 4: Nutrients/Ed. S. Levitus, NOAA Atlas NESD1S 52, U.S. Government Printing Office, Wash. D.C., 2002, 392 pp.

49. Fonselius S.H. Phosphorus in the Black Sea. // The Black Sea Geology, Chemistry and Biology. / Ed. E. J. Degens and D. A. Koss, Amer. Ass. of Petrol. Geologists, Tusla, 1974, pp. 144-150.

50. Gunnerson G.G. andOzturgut E., The Bosphorus. The Black Sea: geology, chemistry and biology, American Association of Petrolium Geologists, 1974, Tulsa, 20, pp. 99-114.

51. Jorgenson B.B., Richardson К (Eds.) Eutrophication in Coastal Marine Ecosystems. (Coastal and Estuarian Studies; 52). AGU, Washington D.C., 1998, 273 pp.

52. LatifM.A., Otzoy E., Oguz Т., Unluata U., Obsevations of the Mediterranean inflow into the Black Sea//Deep-Sea Research, Special Issue, 38.(2), 1991, pp.667-723

53. Lewis B.L., Landing W.M., The biogeochemistry of manganese and iron in the Black Sea// Deep-Sea Research 38 (Suppl. 2A), 1991, pp. S773-S804

54. Locarnini R.A., O'Brien T.D., Garcia H.E., Conkright M.E., Antonov J.I, Boyer T.P., Stephens C., World Ocean Atlas 2001, Volume 3: Oxygen/Ed. S. Levitus, NOAA Atlas NESDIS 51, U.S. Government Printing Office, Wash. D.C., 2002, 28 pp.

55. Lukashev Yu.F., Yakushev E. V. Dissolved oxygen content measurements on the border of the sulfide zone of the Black Sea/ PACON-99 Symposium. June 23-25, 1999. The Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia. Abstracts, p. 167.

56. Ivanov L.I., Samodurov A.S. The role of lateral fluxes in the ventilation of the Black Sea// Journal of Marine Sciences, 2001, 31, pp. 159-174.

57. Konovalov S.K., Murray J. W. Variations in the chemistry of the Black Sea on a time scale of decades//Journal of Marine Sciences, 2001, 31, pp. 217-243.

58. Mediterranean Hydrographic Atlas (Medatlas) 1997, Medar Group, MAS2-CT93-0074 Electronic Atlas.

59. Mediterranean Hydrographic Atlas (Medatlas) 2002, Medar Group, MAS3-CT98-0174, ERBIC20-CT98-0103 Electronic Atlas.

60. Murray J., Izdar E., The 1988 Black Sea oceanographic expedition: Overview and New Discoveries//Oceanography Magazine, 1989,2, pp. 15-21.

61. Murray J. W. The 1988 Black Sea Oceanographic Expedition: introduction and summary// Deep Sea Res. 1991, V.38, Suppl.I.2A, pp. S655-S661.

62. Murray J. W., Lee В., BullisterJ., Luther G. W. The Suboxic zone of the Black Sea// Environmental degradation of the Black Sea: Challenges and Remedies., V.2., 1999 Kluwer Academic Publishers, pp.75-93.

63. Murray, J. W., Jannasch H. W„ Honjo S et al. Unexpected changes in the oxic/anoxic interface in the Black Sea // Nature, 1989, 338, N6214. pp.411-413.

64. Murray J. W., Top Z, Ozsoy E. Hydrographic properties and ventilation of the Black Sea// Deep Sea Res. 1989, V.38, Suppl.I.2A, pp. S663-S691.

65. Murray, J. W., L.A. Codispoti, G.E. Friederich, The suboxic zone in the Black Sea // Aquatic chemistry: interfacial and interspecies processes, edited by C.P.Huang, R.O'Melia and J.J.Morgan, American Chemical Society, 1995, pp. 157-176.

66. Oguz Т., Dippner J. W. Regulation of the Black Sea physical and ecosystem structure by climate variability and anthropogenic forcing // Deep Sea Research II. 2005. (submitted).

67. Ozsoy E., Di Iorio D., Gregg M.C., Backhaus J.O. Mixing in the Bosphorus strait and the Black Sea continental shelf: observations and a model of a dense water outflow//Journal of Marine Sciences, 2001, 31, pp. 99-135.

68. Podymov O.I., Yakushev E.V., Chasovnikov V.K., Lukashev Yu.F. Seasonal variability of hydrological and hydrochemical parameters in the Gelendzhik Bay (northeastern Black

69. Sea) // Proceedings of the Second International Conference "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins" Ankara, Turkey, 2003, pp. 1039-1045.

70. Redfield A.C. On the proporion of organic derivatives in sea water and their relation to the composition of palnkton. James Johnstone Memorial Volume University Press, Liverpool, 1934, pp. 176-192.

71. Shaffer G. Phosphate pumps and shuttles in the Black Sea//Nature Vol.321 29, 1986, pp. 515-517

72. Sorokin Yu.l. The Black Sea Ecology and Oceanography, Leiden, Backhuys Publishers, 2002, pp. 1-2,10.

73. Stanev E. V., Peneva E.L., Regional sea level response to global climatic change: Black Sea examples//Global Planet. Change, 32,2002, pp.33-47

74. Stunzhas P. A., On the structure of the zone of interaction of aerobic and anaerobic waters of the Black Sea on the basis of measurements with a membrane-free sensor of oxygen// Oceanology 40,2000, pp. 503-509.

75. Tebo B.M., Manganese(II) oxidation in the suboxic zone of the Black Sea//Deep-Sea Research 38(Suppl. 2), 1991, pp. 883-905.

76. Turgul S„ O.Basturk, C. Saydam, A.Yilmaz (1992) Changes in the hydrochemistry of the Black Sea inferred from water density profiles//Nature, 359, pp. 137-139

77. Yakushev E. V. An approach to modelling anoxic conditions in the Black Sea //Environmental degradation of the Black Sea: Challenges and Remedies. Kluwer Academic Publishers, 1999, pp. 93-108.

78. Yakushev E. V., Podymov O.I., Chasovnikov V.K. Seasonal Changes in the Hydrochemical Structure of the Black Sea redox zone // Oceanography, 2005, Vol. 18, N 2, pp. 44-51.