Цикл углерода в системе "атмосфера-суша-шельф" в Восточной Арктике

Семилетов, Игорь Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Цикл углерода в системе "атмосфера-суша-шельф" в Восточной Арктике
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Цикл углерода в системе "атмосфера-суша-шельф" в Восточной Арктике"

На правах рукописи УДК 551.461.8:551.791: (26)

СЕМИЛЕТОВ Игорь Петрович

ЦИКЛ УГЛЕРОДА В СИСТЕМЕ «АТМОСФЕРА-СУША-ШЕЛЬФ» В ВОСТОЧНОЙ АРКТИКЕ

(потоки, формы существования, пространственно-временная изменчивость

компонентов)

Специальность 25.00.1)8 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Евгений Александрович Романкевич;

доктор геолого-минералогических наук, профессор Николай Никитович Романовский;

доктор географических наук, Владимир Викторович Плотников

Ведущая организация:

Институт физики атмосферы Российской Академии Наук

Защита состоится 23 ноября 2005 г в _ часов на заседании диссертационного

совета Д002.239.02 по присуждению ученой степени доктора наук при Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр. 36

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

Автореферат разослан «_» _ 2005 г.

Отзывы на диссертацию и автореферат (в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, Кандидат географических наук

С.Г. Панфилова

24Ш24

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастающий интерес к исследованию цикла углерода в Арктическом Регионе (АР) вызван, в первую очередь, климатическими изменениями, которые наиболее ярко проявляются в северных широтах и выражаются в повышении среднегодовой температуры воздуха и интенсивности атмосферной циркуляции, таянии мерзлоты и горных ледников, увеличении масштабов береговой эрозии и стока рек, что, в конечном итоге, приводит к увеличению эмиссии парниковых газов (двуокиси углерода (СОг) и метана (СН4)) из северных экосистем и усилению эффекта глобального потепления (ACIA, 2004; IPCC, 2001). Изучение динамики последствий глобальных изменений невозможно, во-первых, без всеобъемлющего охвата "ключевых" географических регионов, в которых происходящие климатические изменения проявляются наиболее отчетливо; во-вторых, без разработки методических основ и способов их практической реализации, направленных на качественную и количественную оценку основных компонентов углеродного цикла с целью выявления наиболее чувствительных индикаторов происходящих изменений.

В качестве наименее исследованного географического района до настоящего времени считался Восточный сектор Арктических Морей России (Море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море, далее по тексту - МВА). Основными недостатками ранее проведенных исследований и полученных данных являлись: не изученность газообразных компонентов углеродного цикла (СО? и СН4) в системе «водная поверхность-атмосфера», а также в системе «лед-водная поверхность»; несогласованность и противоречивость расчетных данных о структуре и количественном соотношении основных компонентов углеродного цикла; недостаток данных, необходимых для обоснования общей картины потоков и баланса масс углерода в Северном Ледовитом Океане (СЛО) (Романкевич и Ветров, 2001).

Предполагается, что потепление и таяние наземной и субаквальной мерзлоты в АР приведет к значительной мобилизации захороненного ранее наземного органического вещества (ОВ), увеличению его выноса в море и включению в современный биогеохимический цикл углерода. Конечным продуктом разложения ОВ являются С02 (в аэробных условиях) и CI-I4 (в анаэробных условиях). Согласно существующим оценкам только в верхнем 100 м слое наземной мерзлоты содержится около 10,000 Гт углерода ОВ (Гт-С, 1Гт=1015г (Семилетов, 1995; Semiletov, 1999). Увеличение толщины сезонно-тапого слоя приводит к увеличению респирации почв с выделением в атмосферу дополнительных количеств С02 и СН4 (при переувлажнении почв и развитии анаэробных условий). Другим крупнейшим резервуаром

органического углерода, потенциально доступным к вовлечению в современные геохимические процессы, являются метановые газгидраты, запасы которых на суше оцениваются в 32, ООО Гт-С, а на шельфе - приблизительно в 6,000 Гт-С (Макагон, 1982). Если учесть, что в современной атмосфере содержится около 750 Гт С-СОг и 4 Гт С-СН4 (ACIA, 2004; IPCC, 2001), то становится очевидным, что вовлечение в круговорот даже незначительной доли ОВ, аккумулированного в углеродном резервуаре мерзлоты и метановых газгидратов, может привести к существенному увеличению эмиссии в атмосферу основных парниковых газов, определяющих глобальные изменения климата. Количественная оценка положительной обратной связи «потепление - таяние мерзлоты и разрушение газгидратов - эмиссиия парниковых газов» должна стать неотъемлемой частью прогнозных сценариев климатических изменений в ближайшем и отдаленном будущем и оби/ей теории климата.

Настоящая работа основана на комплексном и междисциплинарном подходе, используя который автор рассматривает элементы механизма формирования основных компонентов углеродного цикла в МВА и их пространственно-временной динамики под воздействием изменений гидрометеорологического режима в системе «атмосфера-суша-шельф». В работе приводятся новые данные, основанные на фактическом материале, касающемся наименее изученных вопросов цикла углерода в Арктике: 1) латеральные потоки в системе «суша-шельф», 2) вертикальные потоки в системе «атмосфера-море», 3) качественные и количественные оценки пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла. Особое внимание уделено оценке обмена газообразным углеродом (СС>2 и СН4) в системе «атмосфера-водная поверхность». Вклад биопродуктивных процессов в цикл углерода рассматривается в данной работе на примере Чукотского моря, где, в отличие от моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, их вклад в цикл углерода является определяющим. Единство и целостность работы обеспечивались общностью предметной области (биогеохимия цикла углерода в системе «атмосфера-суша-шельф»), объекта (все частные задачи относятся к различным аспектам углеродного цикла в МВА), а также единым методическим подходом к получению, обработке и анализу полученных данных.

Цель работы. Целью настоящей работы является выявление основных процессов, определяющих формирование компонентов углеродного цикла в системе «атмосфера-суша-шельф» в МВА и их пространственно-временную изменчивость, а также разработка методических основ и практических методов количественной оценки компонентов углеродного цикла, интегрирующих происходящие глобальные изменения.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1) выявление и оценка основных процессов, ответственных за транспорт наземного углерода в системе «суша-шельф»: роль рек и термо-абразионного разрушения берегов;

2) исследование пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) в комплексе с изменчивостью.гидрометеорологических условий (температурой и соленостью воды, гидрохимическими параметрами, атмосферной циркуляцией, стоком рек, состоянием мерзлоты и ледовыми условиями);

3) выявление и оценка основных процессов, ответственных за вертикальный перенос газообразного углерода (С02 и СН.() в системе «атмосфера-океан» (с учетом морского льда), как наиболее подвижных компонентов углеродного цикла;

4) количественная оценка межгодовой изменчивости элементов углеродного цикла и отдельных характеристик водных масс на примере прибрежной зоны ВосточноСибирского моря;

5) разработка методического подхода к выявлению межгодовых и долговременных (в масштабе 102 лет) изменений в динамике элементов углеродного цикла в всистеме «суша - шельф» в связи с глобальными изменениями климата.

разделе Глава 3). Для оценки потоков С02 через морской лед использовались микрометеорологический и камерно-динамический методы, позволившие, наряду с прямым определением величин рС02 в рассолах льда и подледной воды, дать первые количественные оценки роли морского льда в балансе атмосферного СО2 (Semiletov et.al., 2004). Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки данных, выполненной с использованием современных пакетов аналитических программ, используемых в мировой научной практике (Statistika 5.1; Grapher 5; Surfer 8.0; ODV, Matlab 7.1 и др.).

Научная новизна результатов. Результаты наших многолетних исследований, проведенных в МВА, можно рассматривать как первые комплексные океанологические и биогеохимические исследования в системе «суша-шельф», выполненные в этом регионе с использованием современных методов, что позволило получить большой массив репрезентативных данных, характеризующих современные процессы и факторы, оказывающие влияние на формирование и изменчивость компонентов углеродного цикла. Стратегия системного подхода позволила проследить каким образом изменения в атмосферной циркуляции приводят к изменениям речного стока, циркуляции водных масс в море, и как это определяет пространственно-временную изменчивость элементов углеродного цикла в системе «атмосфера-суша-шельф». На основе полученных данных показана ведущая роль потоков эрозионного взвешенного углерода, как фактора, определяющего биогеохимический и седиментационный режимы в исследованных районах МВА. Показано, что вклад рек в поставку взвешенного вещества в море мало значим по сравнению с эрозией берегов. Особое внимание уделено выявлению связей между изменениями в состоянии мерзлоты и особенностями миграции углерода в различных формах. Впервые были проведены комплексные высокопрецизионные измерения потоков СО2 надо льдом и через морской лед, на основании которых было показано, что потоки через морской лед могут играть важную роль в балансе атмосферного С02. Впервые для МВА были выполнены площадные съемки, которые позволили рассчитать атмосферную эмиссию СН,( и С02 и выявить изменчивость пространственно-временного распределения РОУ и ВОУ, а также интегральное содержание элементов углеродного цикла и солесодержание, позволившие количественно оценить происходящие изменения. Использование одних и тех же методов исследования в море и на суше (реки и озера) позволило получить сопоставимые результаты по распределению и изменчивости элементов цикла углерода и их потоков в системе «суша-шельф».

Научная новизна подтверждена публикациями в реферируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах РФФИ,

Национального Научного Фонда (США), Международного Научного Фонда (Сороса), Фонда МакАртуров, Национального Агенства по Атмосфере и Океану (США) и других научных организаций в России и за рубежом .

Практическое значение работы. Выявленные эмпирические зависимости между различными элементами цикла углерода и отдельными характеристиками водных масс могут быть использованы для создания обшей модели потоков и баланса масс углерода в CJIO, уточнению роли положительной обратной связи между изменением климата, состоянием мерзлоты и эмиссией парниковых газов.

Данные по распределению и динамике элементов цикла углерода, полученные в рамках этой работы, могут стать основой для разработки стратегии дальнейших исследований миграции наземного органического вещества и его трансформации в системе «суша-шельф» с целью раннего обнаружения и количественной оценки изменений, происходящих в Арктике под воздействием Глобальных изменений. Полученный фактический материал и подходы, разработанные в рамках выполненной работы, могут быть полезны для разработки модели цикла углерода в региональном и глобальном масштабе.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами в период с 1990 по 2005 гг. Под руководством автора были организованы и выполнены все малые (1-3 участника) и большие (до 20 участников) экспедиции Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН в моря Российской Арктики и их бассейны (водосборы реки Лены и Колымы), всего 16 экспедиций, включая Российскую Трансарктическую Экспедицию-2000, Первую (2003) и Вторую (2004) Российско-Американские экспедиции. Автор лично занимался отбором проб, проводил измерения, занимался обработкой и анализом полученных материалов, написанием статей и глав в коллективных монографиях, три из которых опубликованы под редакцией автора. Изотопные исследования донных осадков и взвеси на содержание органического углерода и азота, а так же ряд других высокозатратных анализов, выполнены в сертифицированных международных лабораториях за счет средств, полученных автором по инициативным грантам ННФ. Автор имеет 4 авторских свидетельства СССР и 2 патента РФ, касающихся модификации газоаналитических методов. Результаты, представленные в разделе 5.4, частично основаны на результатах, полученных и опубликованных автором на равных правах с сотрудниками СевероВосточной Научной Станции (СВНС) Тихоокеанского института географии ДВО РАН (Колымо-Индигирская низменность, пос. Черский, 150 км от устья Колымы).

Апробация работы. В марте 2005г работа была заслушана, обсуждена и одобрена к защите на Ученом Совете ТОЙ ДВО РАН. В апреле 2005 г работа была

представлена, обсуждена и рекомендована к защите на Объединенном коллоквиуме ИО РАН и затем на Ученом Совете Геологического направления ИО РАН. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на многих международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная конференция по биогеохимическим изменениям в окружающей среде в Саламанке (ISEB 10lh, октябрь, 1993, Испания); 21ая генеральная Ассамблея /APSO (США, 1995); конференции Американского Геофизического Союза (AGU Fall Meetings, декабрь 1996; 1998; 2002, 2004, США); международные конференции PICES (Владивосток, 1999; Виктория, Канада, 2001); 5ог Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); международная конференция по атмосферной химии в Пекине (IGAC IASC, 1998); 2ая конференция по изучению изменения полярного климата (Цукуба); международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003); 4°° международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Нагоя, Япония, 2003); международная арктическая конференция в Кунминге (7"1 ASSW, апрель 2005, Китай); Российско-Американское совещание по сотрудничеству в Арктике (RAISE, июль 2005, США) и др.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 57 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, _ глав,

заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на_страницах,

включая список литературы из_наименований,_иллюстраций,_таблиц.

Благодарности, Автор выражает благодарность академикам В.И.Сергиенко, Г.С.Голицыну, В.А. Акуличеву, член-корреспонденту Б.В.Левину, доктору Ш.Акасофу за многолетнюю поддержку исследований; профессорам Е.А. Романкевичу, Н.Н.Романовскому, В.В. Плотникову за обсуждение и полезные замечания по работе; профессору Г. Веллеру, докторам Л. Гуо, В.Е.Романовскому, О. Густафсону, П. Маккрою, А. Макштасу, АЛО. Гукову, Г. Пантелееву за совместное решение научно-методических задач; сотрудникам лаборатории геохимии полярных регионов ТОЙ ДВО РАН за многолетнее сотрудничество в проведении экспедиционных исследований, обработку полученных материалов и помощь в техническом оформлении данной работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

1) Термо-абразионное разрушения берегов в MB А является основным процессом, ответственным за транспорт наземного взвешенного вещества, обогащенного

органическим биоактивным углеродом, в «системе суша-шельф». Эрозионный углерод играет определяющую роль в цикле углерода и режиме седиментации на шельфе,

2) Речной транспорт является определяющим в транспорте наземного РОУ в системе суша-шельф. Роль речного транспорта в латеральном потоке ВОУ в системе «суша-шельф» мала по сравнению с ролью транспорта эрозионного углерода, обусловленного разрушением берег, сложенных ледовым комплексом.

3) Мелководный шельф Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, подверженный сильному влиянию речного стока и эрозии берегов, является источником парниковых газов (С02 и СН|) в атмосферу, в то время как акватории морей, относительно удаленных от этого влияния (например, Чукотское море), являются стоками для атмосферного С02. В летний период морской лед играет важную роль в стоке атмосферного С02.

4) Изменчивость элементов углеродного цикла на мелководном шельфе МВА (растворенного органического и минерального углерода, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряжена с изменчивостью параметров водных масс (соленость, взвешенное вещество), которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов и состоянием мерзлоты.

5) Положение геохимической фронтальной зоны (ФЗ), выделенное по распределению отношения стабильных изотопов углерода и азота в органическом веществе поверхностного слоя донных осадков (возрастом примерно 500 лет), смещено примерно на 10° долготы на восток по сравнению с "климатическим" положением гидрологической ФЗ, (отражающей доминирование антициклонической моды циркуляции), выделеной по историческим данным (1932-2000), что может свидетельствовать о доминировании циклоничекой моды атмосферной и океанической циркуляции в масштабе столетий.

6) За период 2003-2004гг в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря накоплены значительные дополнительные запасы растворенного СО2, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и уменьшением интегральной солености и растворенного неорганического углерода (свидетельствующих об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении продуктов разрушения ОВ.

7) Основными наземными источниками газообразных элементов углеродного цикла в атмосферу АР являются: для С02 - респирация почв, для СН4 - северные озера и подстилающие их талики.

Фактический материал. В основу диссертации положены результаты научных экспедиций по р. Лене (сентябрь 1995, 1998, 1999, 2003 гг), в море Лаптевых

(сентябрь 1997, 1999, 2000, 2004 гг, апрель 2002); в Чукотское море (сентябрь 1996, 2000 гг; конец августа - начало сентября 2002 г), в Восточно-Сибирское море (сентябрь 2000, 2003 и 2004 гг), в различных районах Приморской низменности (1994-1999 гг.) и Колымо-Индигирской низменности (1990-1994 гг.). Более детальная информация по фактическому материалу приведена ниже в кратком описании Главы 3 и разделе Личный вклад автора. Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов, финансируемых Российским Фондом Фундаментальных Исследований (около 15 инициативных и экспедиционных проектов под научным руководством автора, начиная с 1993г), ФЦП «Мировой океан» и «Интеграция» (2000-2004 гг), по Программе фундаментальных исследований Президиума ДВО РАН (2003-2005 гг), по Программе Президиума РАН № 13 (направление 7), а также в рамках российско-американских инициативных проектов международного Научного Фонда Сороса (1994-95гг), Фонда Макартуров (2000-2001гг), Международного Арктического научного Центра Университа Аляска Фэрбанкс (2001-2005 гг.) и Национального Научного Фонда США (2003-2004 гг).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследований, раскрыта научная новизна, практическая ценность полученных результатов и их репрезентативность, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко приведена история изучения цикла углерода в Арктических морях России (AMP), рассмотрены основные достижения и сформулированы основные проблемы изучения потоков углерода в АР. Глава состоит из четырех частей. В разделе 1.1 выполнен анализ изученности цикла органического углерода в МВА и сформулированы основные задачи решаемые в данной работе. В разделе 1.2 показано особое место CJIO и МВА в балансе атмосферного С02. В разделе 1.3 обмен двуокиси углерода и метана рассмотрен как важный элемент баланса и круговорота углерода в Российском секторе Арктики.

Согласно оценкам, выполненным Романкевичем и Ветровым (2001) на основе данных, полученных во второй половине 20-го века, общий суммарный поток органического углерода (ОУ) в AMP, достигающий дна, составляет ~83 Тг-С в год, из которых ~74 Тг-С (или 89%) минерализуется. Остальные 9 Тг-С ежегодно аккумулируются в донных отложениях AMP, т.е. примерно столько же, сколько в пелагиали всего Мирового океана. Столь высокая песбапансировашюсть г/икла углерода в AMP является одной из наиболее ярких особенностей полярного литогенеза. Суммарная оценка баланса органического углерода в AMP, осредненная для Голоцена

Штейном и Макдональдом (Stein and Macdonald, 2003), составляет -7 Тг ОС в год. Несогласованность оценок может являться следствием различий в методических подходах, использованных авторами, а также недостатком репрезентативных данных. С другой стороны, различия могут быть обусловлены ростом аккумуляции ОУ в наше время относительно средних величин в масштабе Голоцена. Наименее сопоставимы существующие оценки по балансу ОУ в Восточно-Сибирском море, так как они основаны на крайне ограниченных данных по распределению и миграции РОУ и ВОУ и распределению ОУ в донных осадках (Романкевич и Ветров, 2001). Поэтому настоящая работа отчасти восполняет дефицит данных, основывая свои выводы на репрезентативном материале, полученном на 300 станциях, выполненных в ВосточноСибирском море в 1999,2000,2003,2004 годах.

Анализ литературных данных показывает, что в современных исследованиях роль Северного Ледовитого океана (СЛО) в балансе атмосферного С02 даже не рассматривается (Global Carbon Project, 2003). Однако, если исходить из факта, что примерно 89% выпавшего в осадок МВА органического углерода минерализуется на дне (Романкевич и Ветров, 2001), то становится очевидным, что динамика карбонатной системы играет важную роль в балансе углерода в подсистеме атмосфера-вода-дно. Существующие исторические данные по динамике карбонатной системы в морях СЛО весьма ограниченны и неоднородны. Методики и погрешности анализа pH и Алк различались в разных экспедициях, что не позволяет корректно оценить ошибки расчетов величины рС02 не только в отдельные годы но и даже в отдельных экспедициях. Известные оценки годового поглощения атмосферного С02 водами СЛО сделаны на основе эпизодических измерений, выполненных трудно сопоставимыми методами, и различаются почти на порядок: от 24 Тг С- С02 (1 Тг = 1012 г), (Anderson et. al., 1998) до 176 Тг С-С02, (Ляхин, Русанов, 1983).

Согласно данным, полученным Романкевичем и Ветровым (2001), размер анаэробных диагенетических потерь OB (восстановление идет в микрозонах скопления OB) составляет 5-7%, часть из которого может поступать в воду-атмосферу в форме CR». Локальным источником растворенного CR) в море являются речные воды, обогащенные за счет дренажа термокарстовых и аллювиальных озер. Этот сигнал в наиболее явном виде проявляется летом в море в приустьевых районах Колымы и Индигирки (Semiletov et al., 2004а; Шахова и др., 2005). Интересно, что в приустьевом районе Лены аномально высокие значения растворенного СН4 были обнаружены только в осенне-зимний период после начала льдообразования (Семилетов и др., 1996). Причем значения растворенного СН* в прибрежной зоне моря Лаптевых были близки к значениям, обнаруженным в близко лежащих термокарстовых озерах Быковского полуострова (Semiletov, 1999), который имеет одинаковую геологическую историю с

прибрежной зоной шельфа затопленного на последней стадии голоценовой трансгрессии (Romanovskii et al„ 2000; 2001; Григорьев, 1993). Значимость термокарста и развития озер и подозерных таликов для атмосферного бюджета СН4 рассмотрена в Разделе 5.4

Во второй главе рассмотрена взаимосвязь между климатическими изменениями и циклом углерода в Арктике. Глава состоит из трех частей. В разделе 2.1 анализируются связи между изменениями климата и циклом углерода в прошлом. В разделе 2.2 оцениваются потенциальные запасы ОУ в АР, вовлечение которых в современные биогеохимические циклы может привести к дисбалансу цикла углерода и увеличению содержания парниковых газов в атмосфере над АР. В разделе 2.3. рассматривается особая роль Восточной Арктики в региональном цикле углерода. В разделе 2.4 выполнен анализ современных гидрометеорологических и климатических изменений в МВА и водосборах рек Российской Арктики, которые в большей или меньшей степени влияют на потоки и баланс масс углерода.

По существующим оценкам, за последние сто лет средняя температура воздуха на Земле увеличилась на 0,5-1°С, концентрация двуокиси углерода возросла на 20-24 %, а метана - более, чем на 200%, До начала 1980-х годов основным источником увеличение эмиссии парниковых газов считалась антропогенная деятельность, главным образом сконцентрированная

Рис.1. Меж полюсные градиенты С02 и СН4: а) планетарный градиент С02 между Арктикой и Антарктикой возрос от 1 цатм в 1960-х до Зцатм в 1990-х; б) градиент СН4 мезду Арктикой и Антарктикой составляет примерно 10% от средней концентрации, что соответствуем 0.15-0.25цатм.

в умеренных широтах северного полушария (более 90% ископаемого топлива сжигается над зоной 60"с.ш.). Однако результаты сравнительного анализа изменчивости содержания С02 и СН4 в атмосфере полярных регионов в режиме глобального атмосферного мониторинга, полученные в конце 80-х - 90-х годах, показали, что планетарный максимум в распределении этих газов находится над

А) С02

В)

Аиторгшдаа Адоетша

Анггаркижп Аргтагз

Арктикой/Субарктикой (www.noaa.gov). Это означает, что в северных широтах существует мощный природный источник С02 и CHt, который обеспечивает существование межполюсного градиента (рис. 1). Известно, что арктический максимум (АМ) не характерен для ледниковых эпох, а проявляется исключительно в теплые межледниковые периоды. Это позволило сформулировать гипотезу об определяющей роли мерзлоты, как резервуара законсервированного углерода, который сохраняет способность к мобилизации и включению в биогеохимический цикл в случае деградации мерзлоты, оказывая влияние на региональный баланс атмосферного C0¡ и СН4 (Семилетов, 1995, 1996; Semiletov et al., 1996; 2004а).

Увеличение среднегодовой температуры воздуха над Восточной Сибирью происходит, в основном, за счет зимнего потепления (IPCC, 2001), что ведет к меньшему промерзанию активного слоя мерзлоты зимой и более значимому оттаиванию летом (Sazonova et al., 2004). Предполагается, что к концу 21 века максимальное потепление до 10-12°С произойдет в прибрежной зоне и водосборах рек Восточной Сибири, что может привести к катастрофической деградации мерзлоты, сокращению площади морского льда, изменению альбедо планеты и катастрофическим изменениям климата (ACIA, 2004). В случае развития этого сценария в Арктике ожидается потепление, какого не происходило в последние 1-1,5 млн. лет. Это также означает, что огромные запасы древнего органического вещества (ОВ), законсервированного в наземной мерзлоте, могут быть вовлечены в современный биогеохимический цикл в результате разрушения берегового ледового комплекса, что может привести к перенасыщению шельфовых вод двуокисью углерода и метаном и существенному увеличению атмосферной эмиссии этих газов. Известно, что только в поверхностном слое мерзлотных почв толщиной 1-2м аккумулировано ~455 Гт-С, что составляет -60% от ~750 Гт-С, содержащегося в современной атмосфере. Верхний 100 м слой мерзлоты содержит примерно 9600 Гт-С (Семилетов, 1995), то есть в 12 раз больше чем С-С02 в атмосфере и примерно в 2500 раз больше чем С- СН4 в атмосфере, исходя из чего можно предположить, что ожидаемые изменения в состоянии мерзлоты приведут к поступлению огромного количества парниковых газов в атмосферу дополнительно к антропогенным выбросам. Недоучет этого фактора ("мерзлотная парниковая бомба") и занижение экспертных оценок, касающихся эмиссии парниковых газов (www.acia.com), могут существенно исказить возможный реальный сценарий климатических изменений в будущем. Поэтому крайне важно выявить источники неучтенных газообразных элементов цикла углерода в атмосферу по схеме «потепление приземного слоя атмосферы - таяние мерзлоты - включение древнего органического вещества в современный биогеохимический цикл - продукция парниковых газов -усиление парникового эффекта - потепление...». Эта

положительная обратная связь должна быть оценена количественно и вкточена в разработку теории климата.

В третьей главе приведено описание и обоснование используемых в работе материалов и методов исследования. Исследования в MP А были начаты в 1994 г. Поскольку за прошедшие 10 лет произошли большие изменения в развитии аналитических методов и путей их реализации, целесообразно описать использованные методы с учетом специфики исследований в отдельные годы в отдельных экспедициях. Глава 3 разделена на 2 раздела. В разделе 3.1. описаны методы и материалы, которые использовались в экспедициях до 2003 года, а также приведено описание классических методов измерения и расчетов элементов карбонатной системы, которые использовались во всех рейсах. В разделе 3.2. рассмотрены новые методы исследования, основанные на использовании гидро-оптических сенсоров в рейсах 2003-2004 гг.

Для изучения динамики карбонатной системы в настоящей работе были реализованы новые модификации методов исследования растворенного и общего минерального углерода: парофазный статический и динамический

газохроматографический анализ с конверсией углекислого газа до метана в потоке водорода на Ni-катапизаторе (Семилетов, 1992,1996 Semiletov, 1993; 1999; Semiletov et al., 1996, 2004); измерение pH с использованием ячейки безжидкостного соединения (Тищенко и др., 2001); высокоточное определение величины рС02 in situ с использованием мембранного сенсора SAMI-СОг со спектрофотометрическим окончанием (www.sunburst.com). Для исследования процессов переноса наземного органического вещества в море использовались стандартные методы, принятые в международной практике: высокотемпературное каталитическое сжигание с аналитическим окончанием на Shimadzu ТОС-5000 для определения РОУ; фильтрационная техника с последующим TOC анализом для определения ВОУ; анализ содержания ОУ и азота; масс-спектрометрический анализ стабильных изотопов углерода и азота органического вещества во взвешенном материале и донных отложениях; содержание стабильных изотопов кислорода в воде (Ois).

В экспедициях 2003-2004гг пространственное распределение и динамика взвешенного вещества изучались с помощью датчика взвешенного вещества (OBS-3 particle monitor), позволяющего получить линейный отклик на содержание взвешенного вешества (ВВ) в диапазоне 0.1-5000мг/л, установленного на гидрологический зонд Seabird-19+, который был дополнительно оборудован датчиком CDOM (www.wetlab.com). Это позволило проводить синхронные высокопрецизионные измерения температуры, солености, концентрации взвеси и оптически активного растворенного вещества (CDOM) в условиях in situ. Данные прямых измерений

концентрации взвеси калибровались по абсолютным значением взвеси, полученным путем ультрафильтрации через ядерные фильтры Nucleopore НА с диаметром пор 0.45 Jim (Дударев и др., 2003). Данные CDOM также были пересчитаны в величины РОУ на основе выявленной тесной зависимости между РОУ и CDOM (рис.2).

В отдельных пробах донных отложений был выполнен радиоуглеродный анализ (на базе ускорительного масс-спектрометра), а также компонентный анализ органического молекулярного состава (методом пиролиза-хроматомасс-спектрометрии). Дополнительно были проведены исследования распределения субаквальной мерзлоты на основе использования высокочастотных акустических излучателей и прямых температурных измерений в верхнем слое донных отложений в МВА.

COOMvo. D0C_MG_L (Caccwloo MD dolotlon) DOC_M0_L= 1,1934 + ,05300 * CDOM Correlation: r= .9S980

ШевМ

Рис.2 Калибровочный график для пересчета значений CDOM измеренного с помощью WETStar CDOM fluorimiter в значения РОУ (на оси ординат обозначен как DOC )

Для анализа динамики карбонатной системы в речных водах определялись параметры рН и Ст, которые были выбраны с целью исключения погрешности, вносимой в расчет карбонатного равновесия органической и другой титруемой некарбонатной щелочностью; в морских водах определялись параметры рН и Ст или рН и Ат. В речных водах величины рН определялись в шкале NBS, в зоне смешения и

морских водах - в шкалах NBS, SWS и Total. В соответствии с используемой шкалой pH для расчета карбонатного равновесия выбирались алгоритмы для констант диссоциации угольной кислоты. Для расчета потоков С02 и СН4 были использованы квадратичная и кубическая параметризация (Wanninkhof and McGillis, 1999), связывающая скорость газопереноса со скоростью ветра.

Всесезонные наземные исследования выполнялись в период 1990-1994 гг в Колымо-Индигирской низменности (на базе СВНС), в последующем - в прибрежной зоне моря Лаптевых, Восточно-Сибирского моря и в водосборе реки Лены. Динамика растворенного С02 и СН4 изучалась с использованием тех же методов, которые были использованы в морских экспедициях (Семилетов, 1995; Semiletov, 1999). Эмиссия COj и СН4 из северных почв и озер в атмосферу, а также летнее поглощение С02 морским льдом изучались с использованием различных модификаций камерно-динамического и микрометеорологического методов (Semiletov et. al., 1993, 1996,2004).

В четвертой главе приведены сравнительные данные по транспорту наземного углерода в море реками и в результате термо-абразионного разрушения берегов, основанные на результатах экспедиций 1994-2005 гг. Глава разделена на две части; раздел 4.1. Речной транспорт в системе река Лена - море Лаптевых; раздел 4.2. Береговая эрозия. В разделе 4.1. приведены результаты исследований РОВ, выполненные в устьевой зоне р. Лены (1994 г), которые показали, что основным источником органического вещества в речных водах и, следовательно, в СЛО, являются надмерзлотные (почвенные) воды. С целью изучения углеродного цикла в среднем и нижнем течении р. Лены в конце августа-начале сентября 1995 г и 1998 г были организованы экспедиции вниз по течению от Якутска до Тикси. Сравнение летних/осенних концентраций общего минерального углерода в форме С02 (ТС02), растворенного кислорода, pH и общей минерализации в русловых поверхностных и придонных пробах показали их практически однородное распределение по глубине. Поэтому, в данной работе мы рассматриваем поверхностные пробы как репрезентативные для всей толщи речных вод в безледный период. Поверхностные пробы воды в 1995 г были отобраны в 41 точке (Рис.Заб).

Распределение концентраций общего неорганического углерода (ТС02) и общего органического углерода (TOC) вдоль 1700 км разреза Якутск-Тикси показало их высокую изменчивость. Величины ТС02 изменялись вниз по течению от Якутска до о. Столб в пределах 0,63-1,07 мМ (среднее значение 0,85 мМ); в дельте р. Лены возрастала до 0,84-1,14 мМ (среднее значение 0,98 мМ) в зоне смешения - б. Тикси до 0,96-1,38 мМ (среднее значение 1,20 мМ). Величина TOC изменялась от 0,39-0,93 мМ (среднее 0,59 мМ) на участке реки от г Якутск до о. Столб до 0,38-0,53 мМ (среднее 0,41 мМ) в дельте и увеличивалась до 0,38-1,30 мМ (среднее значение 0,57 мМ) в

зоне смешения. Значения рН^ практически не изменялись по всему течению реки и в системе «дельта - прибрежная зона».

Рис. 3. (а) Расположение станций от Якутска до дельты р. Лены (о-в Столб): ♦1-22 (сентябрь, 1995), .1-12 (сентябрь, 1998); (б) расположение станций от о. Столб до б.Тнкси: *22-41 (сентябрь, 1995 г), «13-16 (сентябрь 1998 г), X 1-4, станции мониторинга (1997/98 гг)

Величина парциального давления С02 (р С02) в поверхностном слое увеличивалась вниз по течению за счет увеличения Т С02. Значения ТС02 изменялись от 479-727 мкатм в реке до 739 мкатм в прибрежной части моря Лаптевых, это означает, что река Лена и придельтовая зона являются источником С02 в атмосферу (в 1995г среднее значение рС02 в воздухе составляло 353мкатм). В зимний сезон (ноябрь-май, 1997/98 гг) степень перенасыщения речных вод в протоках дельты по С02 относительно атмосферы возрастала до 5-6 раз и достигала максимума в мае (до 2800 Цатм).

Несмотря на высокую пространственную изменчивость ТС02 и ТОС, можно говорить о "квазиоднородности" распределения концентрации общего углерода (ТС) в речных водах: среднее значение ТС = 1,41 ± 0,2 мМ. Это означает, что трансформация

органического углерода в минеральный и обратно обеспечивает некую "квазисбалансированность " бюджета общего углерода в реке Лене с биологическими, химическими и физическими процессами в системе атмосфера-почва -грунтовые воды -река.

Известно, что биогенный фактор доминирует в изымании растворенного ССЬ (Семилетов и др., 1999; Маккавеев, 2001; Pipko et al„ 2002) и в цикле углерода в целом в морях Арктики, примыкающих к Северной Атлантике (Баренцево, Гренладское) и Тихому океану (Чукотское), (Vetrov and Romankevich, 2004). Однако в прибрежной зоне моря Лаптевых мощный латеральный поток углерода наземного происхождения определяет динамику карбонатной системы и цикла углерода в целом, так как относительно невысокая интенсивность продукционных процессов, обнаруженная в это же время года (сентябрь, максимум первичной продукции =432 мг-С/м"3/день'' и биомассы мезозоопланктона =890 мг/м"2) Сорокиным с соавторами (1993), не проявляется в явном виде в изымании растворенного COi, утилизируемого при фотосинтезе (Бордовский и Маккавеев, 1995). Основным фактором, лимитирующим фотосинтез представляется низкая прозрачность воды.

Таблица 1. Средние концентрации основных компонентов углеродного цикла в пробах воды и величина речного стока (Якутск-дельта р. Лены)

Период ТС02, мМ/л 1 ТОС, мМ/л" ТС, мМ/л'1 W, км3

Сентябрь 1995 0.95 0.53 1.42 50.35

Сентябрь 1998 0.65 0.58 1.24 56.51

Сентябрь 1991 (SPASIBA-2) 0.60 0.60 1.20 62.94

Для оценки межгодовой изменчивости речного переноса минерального и органического углерода в начале сентября 1998 г была проведена повторная экспедиция по тому же маршруту. Средние значения основных компонентов углеродного цикла по результатам двух экспедиций приведены в таб. 1, для сравнение даны результаты экспедиции SPASIBA-2 (1991). Сравнение наших результатов с данными экспедиции SPASIBA-2 (Cauwet and Sidorov, 1996) показало значительную межгодовую изменчивость содержания минерального, органического и общего углерода в речных водах и прибрежной части моря Лаптевых. Предположительно, такое различие может быть связано с изменением гидрологического режима в водосборе р. Лены за счет «эффекта разбавления». Так, величина стока Лены в августе 1998 г на 11% превысила таковую для в августа 1995 г (21100 м5/сек' и 18800 м'/сек"1

соответственно), что привело к уменьшению величины ТС также на llÇb. Интересно, что с увеличением речного стока растет величина TOC и падает значение TCOj.

Межгодовые различия в гидрологическом режиме проявились также в температурном градиенте поверхностных речных вод от Якутска до Тикси: в начале сентября 1998 г градиент поверхностных температур составил 12°С (18,6°С около Якутска и б,6°С в б. Тикси), в то время как в аналогичный период 1995 г он не превышал 7°С. В сентябре 1998 г речные воды также были перенасыщены по СОг относительно атмосферы, причем, несмотря на уменьшение средних величин ТСОг относительно 1995 г, среднее значение рС02 в сентябре 1998 г было выше, что связано с более кислой реакцией речных вод. Тенденция к понижению рНгз может быть обусловлена более эффективным ("залповым") вымыванием кислых компонентов почвенных вод в 1998 г, когда происходило катастрофически быстрое подтопление поймы реки Лены. Результаты наших исследований (1994-1998 гг) и литературные данные показывают, что придельтовые зоны других арктических морей также перенасыщены по С02 относительно атмосферы в 2-3 раза.

Распределение значений ТС02 (сентябрь 1997 г) в юго-восточной части прибрежных вод моря Лаптевых, нормализованных (NTC02) по отношению к "типичным" северо-атлантическим водам (теплый атлантический слой в арктическом океане с С1%е=19,37%о, S=35%о) по хлорности (in situ), также указывает на то, что р. Лена является важным источником минерального углерода в море. Простой расчет показывает, что воды р. Лены приносят в Северный Ледовитый океан (СЛО) ежегодно более 10 млн. тонн общего углерода (принимая среднее значение ТС02=1мМ, ТОС=0,7 мМ, W=525 км3/г), при средней концентрации общего растворенного углерода (ТС), поступающего в море, равной 20 мг/л С (или 1,7 мМ л"1).

Изотопный анализ (5,3С) органической фракции поверхностных донных отложений, отобранных в дельте р. Лены (залив Неелова) и юго-восточной части моря Лаптевых в сентябре 1997 г указывает на наземное происхождение захороненной в осадках органики (Семилетов, 1999а, Киселев и др., 1998,2000; Semiletov, 1999; 2000). Величины 8|3С этих пробах характерны для наземного ОВ и в среднем равны -27,70 °/00. Близкие значения (-27,16-*-27,54%о) получены и на разрезе между о. Большой Ляховский и м. Святой Нос, где влияние речного стока мапозначимо. Наши результаты по заливу Неелова хорошо согласуются с данными Rachold et al. (1996), которые демонстрируют почти постоянные, величины ôl3C органической фракции взвеси на протяжении реки от Якутска до дельты со средним значением -27,0±0,8%о.

Учитывая, что все предыдущие исследования, касающиеся миграции речной взвеси выполнялись в летнюю межень, летом 2003 г (в составе комплексной

экспедиции Института Геологии СО РАН и Университета Северной Каролины, США) было проведено комплексное исследование миграции взвеси во время половодья.

Рнс.4. Экспедиция на т/х МОСКОВСКИЙ (конец шоня-начало августа 2003) от верховьев до дельты р. Лены и моря Лаптевых . • - номера станций.

Отбор проб воды и фильтрация проб проводились в конце июня - начале августа по фарватеру от верхнего течения Лены (Усть-Кут) до моря Лаптевых примерно по 3700 км маршруту (рис.4). Распределение взвеси в реке Лене и ее притоках от верховьев до дельты, показало, что аномально высокие концентрации взвеси (почти до 200 мг/л) были обнаружены на створе Вилюя. Подобные высокие концентрации взвеси были обнаружены ранее в прибрежной зоне пролива Дмитрия Лаптева (Дударев и др., 2003) и вблизи дельты реки Меконг фис!агеу й а1., 2001).

Среднее содержание взвеси в реке Лене на время наблюдения составило 19.4 мг/л, что почти в 2 раза меньше, чем соответствующая величина (38.5 мг/л), приведенная в (Романкевич и Ветров, 2000) и в 1.5 раза ниже чем значение (34 мг/л), приведенное в (Оогс1ееу, 2000). Концентрация взвешенного вещества повышалась почти в 3 раза от 10-15 мг/л в нижнем течении Лены до 30 мг/л в центральных (Туматская протока) и восточных протоках дельты (Быковская и Трофимовская протоки) и уменьшалась до 5-10 (рис.5) мг/л на выходе из дельты. По нашему мнению, увеличение концентрации взвеси в протоках дельты может быть объяснено эрозией берегов в устьевой области Лены, а се последующее снижение - эффектом маргинального фильтра (Лисицын, 1994).

Значение концентрации ВОУ, осредненное по всему (около 3700 км) маршруту вдоль течения Лены за июнь-август 2003 г, составило 0.75 мг/л. Принимая эту величину за среднюю для годового стока, получим, что за год 0.38 Тг ВОУ может достичь дельты Лены, где основная часть ВОУ, вероятно, осаждается.

тд/1

74°

"73"-

72°-700-

122" 124° 126" 128° 1ЗО"

Рис. 5. Распределение концентрации взвеси (мг/л) в низовье и в протоках дельты р. Лены

Результаты измерений содержания РОУ в среднем и нижнем течении р.Лены показали высокую пространственную изменчивость (от 0,33 до 0,93 мМ). Однако средние величины РОУ были близки: 0,59 мМ в 1995 г и 0,58 мМ в 1998 г (таб.1). Эти значения также совпадают со средними величинами РОУ, измеренными в июле 1994 г (Lara et al., 1998). Если принять величину 0,59 мМ как "среднегодовую", то при годовом "среднем" и максимальном стоке равном 525 км3 и 700 км3, соответственно (Gordeev et al., 1996; Семилетов и др., 1998), общий транспорт РОУ с речным стоком составит от 3,7 до 5,0 Мт, что несколько ниже оценки, приведенной в работе Cauwet & Sidorov (1996), равном 5,1 Мт в год. Если принять среднюю величину годового РОУ стока Лены равную 3.7 Мт (Тг) и добавить к ней рассчитаную нами среднюю величину годового стока ВОУ равную 0.38 Мт, то суммарная величина годового стока (TOC) составит 4.1Мт, что совпадает с оценкой Гордеева (Gordeev, 2000), полученной на основе других данных.

! »5

Рис.ба.Схсма станций, где проводились комплексные океанографические исследования (сентябрь, 1999); • - номера станций.

В разделе 4.2. дана оценка вклада процессов береговой эрозии. Породы ледового комплекса, обогащенные органическим веществом (ОВ), широко распространены в Якутии. На севере Якутии протяженность морских берегов с такими породами составляет около 2000 км (Григорьев и Куницкий, 2000), поэтому процесс

Рис. 66. Величины рС02, обнаруженные на станциях выполненных в сентябре 1999, приведены в Цатм , сипим цветом выделены величины рС02 на поверхности, желтым - на дне.

разрушения ледового комплекса, содержащего огромные запасы иммобилизованного ОВ играет важную роль в региональном цикле углерода. Содержание органического углерода (ОУ) изменяется в пределах от 1-5% в древнейших отложениях у подошвы ледового комплекса до 50% в голоценовых торфяниках. Согласно полученным данным, наиболее высокие значения рС02 когда либо обнаруженные в Мировом океане

были зарегистрированы вблизи сильно эродирующих побережий, сложенных ледовым комплексом, напримекр к югу от мыса Буор-Хая (Semiletov, 2001). Как видно из рисунка 66, значения рС02 достигали 3000-4000 patm (станции 13-15).

С целью выявления относительной роли эрозии берегов по сравнению с речным стоком, мы сконцентрировали наше исследование на Восточно-Сибирском море (ВСМ) и прилегающей части моря Лаптевых. На основе данных по распределению стабильного изотопа углерода органического вещества поверхностного слоя осадков (513Сорг ) была рассчитана величина вклада наземного органического вещества (СТОМ). Величина СТОМ рассчитывается по формуле, предложенной Walsh et al. (1989):

СТОМ (%) = (6,3Со - S"Cmar) х 100 / (Ô,3C(CT - ôl3Cmar),

где 5|3С,сг является наземным ОУ, "о", "mar", и "ter" относятся к значениям 6'3С соответственно: "измеренным", "морским", и "наземным" осадкам. Значение ô'3Cler =-27%о., характерное для высших растений, и 513Cmar =—21%о., характерное для фитопланктона (Walsh et al., 1989; Naidu et al., 2000), рассматриваются как два типичных значения характеризующие соответственно вклад "наземного" или "морского" органического углерода. Среднее значение СТОМ в Восточно-Сибирском

г;l't >,•!_■•.> К»".

Рис,7а. Вклад наземного органического вещества (СТОМ) в формирование осадков Восточно-Сибирского моря (в %)

море составило 86% (Semiletov et. al., 2005)/ В море Лаптевых наземное вещество в осадках составляет примерно 79±9% (Boucsein and Stein, 2000; Guo, Semiletov et al., 2004) от их органической составляющей, а скорость осадконакопления на несколько порядков выше средних скоростей аккумуляции осадков в Мировом океане.

При сравнении карты СТОМ с картой распределения содержания ОУ в донных осадках Восточно-Сибирского моря (Рис.7аб) можно увидеть ряд совпадений и различий между экстремальными значениями того и другого параметра. Можно говорить о том, что самые высокие средние концентрации ОУ (1.5-2.0 %) в донных отложениях находятся в прибрежной зоне к востоку от пролива Дмитрия Лаптева до

Рис 7.6. Распределение содержания ОУ в поверхностных донных отложениях южной части Восточно-Сибирского моря, (по результатам экспедиций 1999, 2000, 2003,2004 гг, примерно 200 проб дойных поверхностных осадков)

устья Колымы, где скорости береговой эрозии максимальны и содержание органического вещества наземного происхождения (в терминах СТОМ) близки к 100%. В то же время, в проливе Дмитрия Лаптева, где эрозионный сигнал проявляется наиболее ярко и значения СТОМ приближаются к 100% (Рис.7а), содержание ОУ в осадках на превышает средних значений (около 1%), рассчитанных для всего района исследований. Данный факт, на наш взгляд, можно объяснить высокими скоростями течений, что приводит к выносу тонкой фракции осадков, обогащенных ОУ, в сопредельные районы.

Как было показано выше, береговая эрозия играет важную роль в поставке наземного взвешенного вещества, обогащенного углеродом, в море. Аномально высокие значения рС02 и экстремальные значения других гидрохимических параметров могут быть объяснены биодеградацией эрозионного органического вещества (Семилетов, 1999, 2000, Semiletov, 2001ab, Semiletov et al., 2005). На основании данных, полученных совестно с Дударевым и др. (2003), ыла разработана карта-схема донных осадков Восточно-Сибирского моря по их размерности, которая позволила выделить 9 литологических (размерных) типов осадков с различными модификациями ассоциаций гранулометрических фракций внутри каждого из них. Это псаммиты среднезернистые (Ps2) и мелкозернистые (Ps3),

псаммиты алевритовый (PsA) и пелитовый (PsPl), алеврит пелитовый (API), пелит алевритовый (PIA), пелит (PI), миктиты псаммитовый (MPs) и пелитовый (MPI) (Рис.8). Арктическая специфика акватории, относительно выровненный характер подводного рельефа, влияние мощных источников тонкозернистого терригенного материала (термоабразионное побережье, крупные Восточно-Сибирские реки) и

седиментогенная литодинамическая обстановка проявляются в накоплении здесь преимущественно дисперсных осадков (API, PIA, PI). Рост содержания фракций алеврита и псаммита в прибрежной зоне на фоне сокращения фракций пелита свидетельствует об усилении роли гидродинамического режима в выносе тонкодисперсного вещества, обогащенного ОУ, и его накоплении в понижениях морского дна, что приводит к развитию локальных бентосных сообществ и формированию аномально высоких значений рСОг в зонах аккумуляции (Гуков и др., 1999; Семилетов, 1999).

Рис.8. Карта-схема лнтологических типов донных осадков Восточно-Сибирского моря: 1- псамит срсднезернистый (Ps2); 2- псамит алевритовый (PsA); 3- нсамит пелитовый (PsPl); 4- алеврит пелитовый (API); 5- пелит алевритовый (Р1А); 6-пелит (Р1); 7- мектнт псамитовый (MPs); 8- мсктит пелитовый (MPI); 9- нсамит мелкозернистый (Ps3).

Мы полагаем, что древнее ОВ, захороненное в мерзлоте, биоактивно и способно вовлекаться в современный биогеохимический цикл в отличие от РОУ, который является биологически инертным (Dittmar and Kattne, 2003). Подтверждением этому служат данные, полученные на осушке у быстро эродирующего ледового комплекса в проливе Дмитрия Лаптева (Semiletov et. al., 2001; Dudarev et. al. 2001).

Молекулярный анализ органической фракции донных отложений показал, что с запада на восток возрастал (от 32 до 42%) вклад фурфуролов (Шгйдгак), которые характеризуют свежесть (малую степень декомпозиции) ОВ. В то же время с запада (приустьевоя зона Оби и Енисея) на восток (устье Индигирки) относительный вклад нитрилов (пкпкз) снижался, что в сочетании с увеличением относительного вклада фурфуролов (от 32% до 42%), свидетельствуют о том, что в Восточной Арктике древнее органическое вещество способно к дальнейшей деструкции в большей степени, чем в Западной Арктике (бассейн Карского моря). Другими геохимическими индикаторами, подтверждающими правильность нашей гипотезы о важной роли разрушения берегов арктических морей в биогеохимии арктических морей, являются: определяющий вклад наземного органического вещества (СТОМ) в формировании донных осадков (до 100%, рис.7а) и С/Ы отношение в составе органического вещества донных отложениях (Семилетов, 1999, БетИеЮу е! а1., 2005). Аномально высокие значения рС02 и биогенных элементов в прибрежных водах вблизи быстроэродирующих береговых ледовых комплексов и в придонных водах в районах аккумуляции наземного органического вещества также свидетельствуют об определяющей роли эрозионного ОУ в биогидрохимии исследуемого района.

а)

рСЗЗЗ

Г" ^ )

■ \

_____л

II:

тел 'V VI: )

V-, ■ ''1 г—*

л:

=^1

Нг

■Н"

г< и I»

б)

тяг тяг

ТГТ

II СП

1 V ^Ч 1

1 ^ ;

¡рм;

и: [ и

Я#| }И ]|»|

■Ч, 1

--, ;

9 V-

ч Г 1 ■-V

!И ЯМ 1М 1Ц VI

I '115

¡1'

В"

рШиЬ]

»' >

-1

у 1 и.

г*

1« гя ш 1Ш >и

Рисунок 9. Распределение величин: рС02 (цатм), нормализованной щелочности Ат(мг-экв кг'1), и рН 1„5),и (сд. рН) в поверхностном слое Восточно-Сибирского моря в сентябре 2003 (А) и 2004 (Б) года.

В конце главы 4 сопоставлены оценки транспорта наземного вещества (в форме РОУ и ВОУ) в море, обусловленные речным стоком и разрушением

(термоэрозией и термоденудацией) побережья МВА (от Таймыра до устья Колымы). Оценка общего количества ОУ, поступающего ежегодно на шельф исследуемого района вследствие разрушения берегов, варьирует в пределах 1.5-2.1 Тг-ОУ, что составляет около 10% от общего количества растворенного ОУ, выносимого ежегодно Сибирскими реками и равного 24 Тг-ОУ.

Со стоком Лены в протоки дельты попадает не более 0.4 Тг-ВОУ. После осаждения 85-95% взвешенного материала на маргинальном фильтре (Лисицын, 1994) в моря может попасть не более 0.03 Тг речного ВОУ, что составляет около 1% от выноса РОУ (-3.7 Тг). Поэтому, учитывая выявленные особенности в распределении ОУ донных отложений по изотопным и другим данным (рис,7аб), можно сделать вывод о том, что биогеахимический и седимеитациоиный режим в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море определяется в первую очередь потоком эрозионного материала, обогаи/енного биоактивным ОУ.

В пятой главе рассмотрена пространственно-временная изменчивость элементов углеродного цикла и основных океанологических параметров, исследованных в одних и тех же районах морей Восточной Арктики в разные годы. Основное внимание уделено сравнению комплексных данных, полученных в августе-сентябре 2003-2004 гг в экспедициях в Восточно-Сибирском море; в 1997, 1999 и 2000гг в море Лаптевых и экспедиций 1996, 2000 и 2002гг в Чукотском море. Глава состоит из 4 разделов. В разделе 5.1 рассмотрена изменчивость элементов карбонатной системы, потоков С02, показана значимая роль переноса С02 в системе «вода-атмосфера» и «морской лед-атмосфера», В разделе 5.2 рассмотрена изменчивость в распределении растворенного метана и его потоков. В разделе 5.3 на основе распределения стабильных изотопов 513С органического вещества поверхностного слоя осадков в Восточно-Сибирском море, выделена геохимическая фронтальная зона (ФЗ), которая характеризует границу распространения вод Тихоокеанского происхождения в западном направлении в масштабе сотен лет. Кроме того, проанализирована изменчивость полей РОУ, взвешенного вещества (ВВ) и основных f океанологических параметров в связи с изменчивостью положения водной ФЗ в

отдельные годы. В разделе 5.4 кратко рассмотрены основные наземные источники С02 и СН4.

Исследования, выполненные в Восточно-Сибирском море в сентябре 2003 и 2004 гг (рнс.9) показали, что картина распределения рССК в шельфовых водах носит изменчивый характер, причем значения рС02 в поверхностном слое в сентябре 2003г значительно ниже, чем в 2004 г. Интересно, что нормированная (по отношению к солености 35) щелочность (Alk-N), которая отражает вклад речной воды, неоднозначно связана с распределением рС02. В то же время, распределение рН и рС02 хорошо

согласуются между собой. Для оценки направления потока С02 между поверхностью моря и атмосферой для 2003г и 2004г (Рис.Юаб) были рассчитаны величины ДрС02 (цатм). Согласно полученным данным, в 2004 году практически вся акватория В СМ была источником в атмосферу, а в 2003 году западная часть ВСМ была источником, а

взаимодействия местных шельфовых вод (распресненных и находящихся в районах, подверженных влиянию эрозии берегов) с водами тихоокеанского происхождения (см. раздел 5.3).

Рис. 10. Профиль рС02 вдоль берегового разреза в 2003 и 2004 гг (горизонт 4 м).

Данные по распределению рС02 и ДрС02, основанные на традицонной технике расчета рН и щелочности, согласуются с результатами прямых измерений рС02 в поверхностной воде, полученные с помощью SAMI С02-сенсора. Концентрации С02 в в воздухе по тому же разрезу измерялись с помощью ИК-спектрометра Licor 820. Смена направления потока С02 в 2003 г происходила между 167 0 в.д.и 170 °в.д, в то время как в 2004 г все море являлось источником С02. Межгодовая изменчивость в распределении рС02 составила в среднем 70-100 цатм с максимальной разницей до 1000 цатм на траверзе Колымы (рис.10).

Карта потоков С02 показывает мозаичную картину пространственного распределения, хотя значения эвазии С02 в 2004 г существенно превосходят соответствующие величины в 2003 г, что объясняется более высокими значениями ДрС02 и скорости ветра в 2004 г. Средние значения потока С02 в 2004 г составили 10.369 мМ/м2/день и были на порядок выше, чем в 2003 г (0.981 мМ/м2/день). Если предположить, что мелководный шельф МВА и Карского моря (площадь ~3 млн км2) в течение 50 суток (безледный период) является источником С02 в атмосферу (эвазия

восточная

стоком. Эти различия могут быть объяснены особенностями

ДЖАННИ

COi = 1 мМ/м2/день), то минимальная оценка летней эмиссии С02 в атмосферу составит ~ 4.2 Тг С-С02.

Впервые была исследована пространственно-временная динамика элементов карбонатной системы в Чукотском море и обмена С02 в системе атмосфера-океан (Семилетов и др. 1999; Pipko et. al., 2002). Было показано, что акватория Чукотского моря является одним из самых значимых в масштабах СЛО регионом стока атмосферного С02; только за сентябрь в среднем поглощается ~2 Тг С-С02, что количественно согласуется с оценками Каптина и Андерсона (Kaltin and Anderson, 2005). В настоящей работе было показано, что в летний период в изымании атмосферного С02 доминирует биологический фактор, в то время как во время осенне-зимнего охлаждения доминирует термический фактор. Можно предположить, что за время безледного периода (не менее 2-х месяцев) только Чукотское море поглощает около 4-5 Тг С-С02, что достаточно для компенсирования эвазии С02 из прибрежной зоны МВА и Карского моря.

С целью выявления роли морского льда в балансе С02 в АР в июне 2002 г были проведены комплексные исследования в прибрежной зоне Чукоткого моря вблизи мыса Барроу (Semiletov et. al., 20046). Величина турбулентного потока С02 (FcOi) была направлена вниз и изменялась в пределах (0.01-0.02мг С02/м V). близких к величинам потоков, измеренным в северной части примыкающей тундры (Oechel et al., 1998). Прямые измерения рС02 в ледовых рассолах и в подледной воде, показали низкие значения, не более 130-150 ¡датм. Камерно-динамические измерения показали резкое уменьшение равновесной концентрации С02 над углубляющимися снежницами, особенно в последние 4 дня наблюдений, когда среднесуточная температура воздуха выросла до 0°С и глубина снежниц увеличилась до 20 см. Эти результаты согласуются с увеличением интенсивности проникающей солнечной радиацией в снежницах и подо-льдом. В масштабе СЛО летом через снежницы может поглощаться до 40 Тг- С-С02 (40 х1012 г С-С02)

В разделе 5.2 представлены результаты площадных измерений растворенного метана в шельфовых водах Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых. Из полученных данных (2003-2004 гг.) следует, что в поверхностном и в придонном слое выделяются районы аномально высоких концентраций растворенного CH.t (до 114 пМ в поверхностном слое и до 154 пМ - в придонном, рис.11). В поверхностном слое аномалии ассоциируются с речным стоком Индигирки и Колымы, с которыми соединены протоками многочисленные озера .обогащенные СИ.) (Семилетов, 1995, Семилетов и др., 1994, 1996). В придонном слое пятна аномально высоких концентраций СН4 обнаружены к северо-западу от Чаунской губы (между 165' Е - 170° Е и 70е N - 7Г N) и в районе пролива Дмитрия Лаптева (между 137° Е - 142° Е и 72.5° N

- 73.5° N). Районы характеризуются рядом геологических особенностей, допускающих возможность нарушения целостности морского дна и образования донных структур, поддерживающих разгрузку СН4 из суаквальных газ-гидратов, которые могут деградировать под сквозными таликами (Romanovskii and Hubberten, 2001)

На абсолютном большинстве станций придонный слой был перенасыщен СН4 относительно его содержания в атмосфере высоких широт северного полушария (1.85

а)

«¿ДГ —- - - - W—-

пМ

I3SE WOE М5Е

ISCE 1SSE I60E Longitude

I65E I7CE ШЕ

»0

1H0 so 00 40 20 10 о

йМ

МОЕ WE

1S0E 155£ tSOE IC5E ПС E 1/SE Longitude

no 100 ¡0 60 40

P11c.ll. Распределение концентраций растворенного СН4 в шельфовых водах Восточно-Сибирского моря и моря Лптевых в сентябре 2004 г, а) поверхность, б)

дно.

ррш по состоянию на 2003 г, http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/insitu.html) до 2200-3000%, а поверхностные воды - до 700-2700%, что свидетельствует о существенном вкладе шельфовых вод Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых в качестве источника

метана в атмосферу в летний период (БегшЫоу ей а1., 2004а; ЗЬакЬоуа е(. а1., 2005). Рассчитанные средне-летние величины потоков СН4 изменялись в пределах от 2.6 до 39.0 хЮ4 г- СН4/ км'2 •

В разделе 5.3 показано, что положение гидрофронта (ФЗ) между шельфовыми водами и Тихоокеанскими водами смещается от 162в.д. до 173в.д. в зависимости от доминирующей моды общей атмосферной и океанической циркуляциии (ЗетПеШу й а!., 2005; 2000).

С-13 сп Сф^ггИГор

Рис.12. Карта-схема распределения распределению стабильного изотопа углерода органического вещества поверхностного слоя осадков (б!Зс0рГ) н положения ФЗ и ГФЗ в зависимости от доминирования Кг или Хп моды циркуляции.

Положение геохимической фронтальной зоны (ГФЗ), выделенной по распределению 615С в ОВ осадков (верхний слой =5см, возраст ОВ> 500лет) соответствует положению водной ФЗ при доминировании циклонической (2п) моды циркуляции, в то время как в 20м веке доминировала антициклоническая (Аг) мода циркуляции (рис.12). Таким образом, долговременная изменчивость в цикле углерода (аккумуляции на дне ОВ наземного или морского происхождения) может проявляться в смещении ГФЗ и быть индикатором изменений в цикличности смены атмосферной и океанической циркуляции в вековом масштабе лет. Отметим, что нами был обнаружен сбой в цикличности смены мод атмосферной циркуляции над Сибирыо в начале 1970-х (ЗауеНеуа а1. 2000; ЗетПеЮу е1 а1., 2000, 2001), которая, со сдвигом в несколько лет, все же проявилась в Беринговоморском регионе (БетНеШу, 1998; ЬиеЫп е1 а!., 2002).

В разделе 5.4 на основе всесезонных исследований (1992-1997гг) типичных северных озер Восточной Арктики сделан вывод о том, что ежегодно только за период с октября по начало июня в атмосферу из всех озер Арктики попадает от 2.5 до 5.0 х106 т СН4. Если принять, что площадь метановых аномалий на арктическом шельфе составляет не менее 10% от общей площади шельфа морей СЛО (~7.бмлн км2), то можно говорить о соизмеримости вклада северных озер и шельфовых морей в региональный баланс атмосферного СН4 (ЗетНеКуу ей а!., 2004а).

74N 72N 70N

68N

ф jSmirty Laptev Strait

Indlglrka

Ч у

ч, у

I I ! ! : ¡<о|ута

13SE 140Е 145Е 1S0E 155Е 160Е 165Е 170Е 17SE

14000 12000 10000 Б000 6000 4000 2000 0

longitude

Рис.13. Интегральные значения солености (г) в шельфовых водах ВосточноСибирского моря, рассчитанные для сентября 2004 г.

На основе многолетних все сезонных исследований эмиссии С02 в атмосферу из северных почв (1990-1994гг., СВНС) было показано, что феномен бимодального зимнего распределения в уровнях атмосферного С02 над Арктикой может быть в первом приближении отнесен за счет изменения интенсивности зимней респирации почв (БетПеип' с( а!., 2003). На основе десятков тысяч камерно-динамических измерений потоков С02 из типичных ландшафтов Севера было показано, что только за зимний период (октябрь-май) из почв в атмосферу выделяется в среднем 100 г С-С02 м2, что при пересчете на площадь тундры и тайги (9 млн км2) дает величину общей зимней эмиссии около 1 Гт С-С02, что сопоставимо с годовым антропогенным вкладом США - мирового лидера по сжиганию ископаемого топлива (Семилетов, 1994, 1995; гтоу, 8епШе1оу е1. а1., 2003).

В шестой главе дана сравнительная оценка динамики основных элементов углеродного цикла, а также основных гидрологических и геохимических параметров в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря за период 2000-2004 гг. Предположительно, межгодовая изменчивость указанных параметров характеризует не только особенности функционирования прибрежной экосистемы Восточно-Сибирского

моря, но также интегрирует изменения, происходящие в береговой зоне (различные скорости термоабразии берегов, выноса эрозионного материала и другие морфодинамические процессы, которые проявляются в поставке ВВ в море), а также в водосборах рек, поставляющих в прибрежную зону пресную воду (изменения режима солености), обогащенную растворенным С02, DIC (растворенный неорганический углерод), и CII4 (рис.13, 14). Таким образом, перечисленные выше параметры могут рассматриваться в качестве индикаторов изменений, происходящих в системе река-море. При анализе количественной изменчивости использовался следующий подход.

Оценка общего количества (запасов) избранных индикаторов (А) рассчитывалась для области сравнения, составляющей зону перекрытия районов, исследованных в 2003 и 2004 гг. Интегральные значения рассчитывалась по формуле:

A (s, z) dzds

S,H (s)

где s=(x,y), z -горизонтальные и вертикальные координаты, соответственно, H(s)-глубина, A(s,z) - пространственное распределение выбранного индикатора, величина A(s,z) была рассчитана путем вертикальной и горизонтальной линейной интерполяции

74N

Jj 72N

Nnwff¡b!i"3kie ostrova

С -|

Dmitry laptev strait ' ~ S i к

70N

68N , , г " \iolyma

140E 145E 150E 155E 160E 165E 170E 175E

longitud©

Рис.14. Интегральные значения РОУ (DOC, г) в шельфовых водах Восточно Сибирского моря, рассчитанные для в сентября 2004 г.

95 85 75 ¡65 55 45 35 25 15

данных, полученных для отдельных станций. Впервые такая оценка для области сравнения была выполнена для оценки запасов метана, которая показала уменьшение от 5.12 х 109 г СН4 в 2003 до 0.99 х 109 г СН4 в 2004. Пространственное распределение запасов растворенного С02, DIC (ТСО2), взвешенного вещества (ВВ или РМ) и солености (S) свидетельствует о том, что в период между сентябрем 2003 и сентябрем 2004 гг произошли большие изменения в распределении всех изучаемых параметров

(таб.2). Оказалось, что интегральное содержание взвеси в области сравнения увеличилось от 2003 к 2004 году на ЗТг, что составляет примерно 5% от среднего общего поступления эрозионного материала в море Лаптевых и Восточно-Сибирское море (см. Раздел 4.2). Так же за год были накоплены значительные дополнительные запасы растворенного С02, что с сочетании с увеличением интегральной взвеси может свидетельствовать об интенсификации береговой эрозии и накоплении продуктов окисления эрозионного ОВ.

Таблица 2. Интегральные значения основных элементов углеродного цикла в Восточно-Сибирском море (в граммах).

Годы С02,г DIC, г S,r Взвесь, г

2003 1.44x10" 73.2x10" 8.3х1016 16x10"

2004 2.16x10" 66x10" 6.7х1016 19x10"

Синхронное уменьшение интегральной солености и DIC свидетельствует об увеличении доли речных вод в области сравнения в 2004 г о сравнению с 2003 г, что хорошо согласуется с материалами, представленными в Главе 5.

Таблица 3. Средние значения основных элементов углеродного цикла в морях Восточной Арктики (Восточно-Сибирское море и юго-восточная часть моря Лаптевых)

Годы С02, г DIC, мМ Т°С S, psu Взвесь

2003 0.032 1.60 1.35 21.75 4.41

2004 0.048 1.58 2.10 21.26 5.83

Для полноты картины межгодовой изменчивости в Таблице 3 приведены средние значения некоторых элементов углеродного цикла для 2003 и 200 гг, а также солености и температуры. Вода в районе исследований была значительно теплее в 2004 г, что определяется большим притоком речных вод (понижение средней солености и Б1С), оказывающих отепляющее воздействие (ЗетПеЮУ е1 а1., 2005), и более высокими температурами воздуха. Из этого следует, что процессы термического воздействия на мерзлоту (термокарст, термоабразия и др.) в 2004 г были более выражеными по сравнению с 2003 г. Последствия этих изменений были зарегистрированы с помощью интегральных индикаторов. Интегральные величины растворенного С02 и СН4, рассчитанные для 2003 и 2004 гг., значимо коррелировали с соленостью

и DIC (г=0.66). Корреляционная связь между растворенным С02 и DIC (ТС02)была намного сильнее в 2003 г (г=0.96), по сравнению с 2004 г (г=0.79).

Наиболее высокие значения корреляций были обнаружены между интегральными значениями показателей DIC и соленостью в 2003 и 2004 гг (г=0.92 и г=0.96 соответственно). Коэффициенты уравнения, описывающие линейную зависимость между этими параметрами, различались по годам в пределах не более I %.

120

SALvs DIC (Casewise MD deletion) DIC = 5 2768+ 00850 * SAL Correlation r = 99339

Rograeclon

2000 4000 B000 800D 10000 12000 14000 16000 06% COnfld

Рис.15. Корреляционная связь между величиной 01С (ТС02) и соленостью по

результатам 2-х лет.

Поэтому мы объединили данные, полученные для 2003 и 2004 гг. в один корреляционный график, получив г=0.99 (рис.13). Это позволило обосновать новый метод расчета Э1С по солености (Б) в Восточно-Сибирском море по следующей формуле:

ШС (ТС02)=5.2768 + 0.00650 ■ 8

На основании данного метода представляется возможным восстановить многолетнюю динамику растворенного неорганического углерода расчетным путем, используя исторические данные по солености, а также оценить тенденции происходящих изменений в масштабе последних десятилетий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов теоретического и методологического характера:

Вследствие эрозионного разрушения берегов на шельф МВА ежегодно транспортируется, как минимум, 2.0 Тг (Тг) ВОУ, что на два порядка превышает вынос ВОУ со стоком реки Лены 0.04 Тг), из чего следует, что в системе «суша - шельф» термо-абразионное разрушения берегов является основным процессом, ответственным за транспорт наземного взвешенного вещества, обогащенного органическим биологически активным углеродом. Эрозионный углерод играет определяющую роль в цикле углерода на мелководном шельфе. Речной транспорт играет ведущую роль в выносе на шельф BMA наземного РОУ (3.7 Тг ежегодно), которое является биологически инертным и не включается в современный биогеохимический цикл углерода.

Мелководный шельф Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, подверженный сильному влиянию речного стока и эрозии берегов, является источником парниковых газов (СО2 и СН4) в атмосферу, в то время как акватории морей, относительно удаленных от этого влияния (например, Чукотское море), являются стоками для атмосферного СОг Рассчитанные величины потоков С02 и СН4 в атмосферу количественно соизмеримы с аккумуляцией ОУ в донных отложениях на шельфе МВА. Это свидетельствует о важной роли газообразных элементов в региональном цикле углерода и необходимости учета этой роли при дальнейшей разработке теории юпшата и оценке последствий глобальных изменений. Межгодовая изменчивость элементов углеродного цикла в системе суша-атмосфера-мелководный шельф в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряжена с изменчивостью параметров водных масс, которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов. Анализ распределение стабильных изотопов углерода (АРСИУ) OB поверхностного слоя осадков Восточно-Сибирского моря (ВСМ) показал, что выделенная геохимическая фронтальная зона (ГФЗ) между водами Тихоокеанского происхождения и шельфовыми водами ВСМ смещена примерно на 10° долготы к востоку относительно среднего положения гидрофронта в 20 веке (162 ° в.д.). Данный факт может свидетельствовать о том, что, несмотря на доминирование в 20-м веке антициклонической моды, в масштабе последних столетий (-500 лет) доминировала циклоническая мода атмосферной и океанической циркуляции. Таким образом, использование АРСИУ совместно с анализом океанологических данных является перспективным методом изучения палео-океанологических аспектов цикла углерода.

6) Количественная оценка элементов углеродного цикла в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря, а также основных параметров, отражающих общую изменчивость гидрологического и геохимического режима шельфа за период 2003-2004 гг показала, что за этот период были накоплены значительные дополнительные запасы растворенного СО;, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и уменьшением интегральной солености и ТС02 (DIC) (свидетельствующих об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении в шельфовых водах продуктов разрушения ОВ. Предложенный методический подход может быть использован для индикации количественных изменений элементов углеродного цикла в системе «суша-шельф-атмосфера».

7) Основными наземными источниками газообразных элементов углеродного цикла в атмосферу АР являются: для С02 - респирация почв, для СН4 - арктические и субарктические озера и подстилающие их талики. Динамика потоков СО2 и СН4 из северных экосистем, а также изменение их концентраций в шельфовых водах могут служить индикаторами состояния наземной и субаквальной мерзлоты под влиянием глобальных изменений.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Semiletov, I. The East-Siberian Sea as a transition zone between the Pacific origin water and local shelf water / 0. Dudarev, V. Luchin, A. Charkin, K. Shin, N. Tanaka // Geophysical Research Letters. - 2005. - 32. - L10614. - doi: 10.1029/2005GL022490.

2. Шахова, II. Метан в морях Восточной Арктики / И. Семилетов, Н. Бельчева // Доклады Академии наук. - 2005. - Т. 402, № 4. - С. 529-533.

3. Пипко, И. И. О карбонатной системе вод Восточно-Сибирского моря / И. Семилетов, С. Пугач // Доклады Академии наук. - 2005. - Т. 402, № 3. - С. 398401.

4. Shakhova, N. The distribution of methane on the Siberian Arctic shelves: Implications for the marine methane cycle / I. Semiletov, G. Panteleev // Geophysical Research Letters. - 2005. - 32. - L09601. - doi:10 1029/2005GL022751.

5. Semiletov, I. Methane climate forcing and methane observations in the Siberian arctic land-shelf system / N. Shakhova, V. Romanovsky, I. Pipko // World Resource Review. -2004 a. - Vol.16, N 4. - P. 503-543.

6. Guo, L. Characterization of Siberian Arctic coastal sediments: implications for terrestrial organic carbon export /1. Semiletov, O. Gustafsson, J. Ingri, P. Andersson., O. Dudarev, D. White II Global Biogeochemical cycles. - 2004. - Vol. 18. - GB1036. -doi: 10.1029/2003GB002087.

7. Semiletov, I. P. Atmospheric C02 balance: The role of Arctic sea ice / A. P. Makshtas, S. Akasofu, E. Andreas // Geophysical Research Letters. - 2004 6. - Vol. 31, N 5. -L05121. 10.1029/2003GL017996.

S. Semiletov, I. Carbon cycle in the land-shelf system in the Arctic with a special eye for the importance of the East-Siberian Sea / O. Dudarev, K.-H. Shin, 1.1. Pipko, et al. // Proceedings of the 4th International Workshop on Global Change: Connection to the Arctic 2003 (GCCA4), (Japan, 6-7 November 2003 y.). - Toyokawa, 2003. - P. 53-58.

9. Семилетов, И. П. Исследования ТОЙ ДВО РАН на амеразийском шельфе Арктики / Н. Савельева, О. Дударев, И. И. Пипко, С. П. Пугач // Вестник ДВО РАН. - 2003. - № 2. - С. 73-81.

10. Дударев, О. В. Современное осадкообразование в прибрежно-шельфовой криолитозоне пролива Дмитрия Лаптева (Восточно-Сибирское море) / А. И. Боцул, И. П.Семилетов, А. Н. Чаркин II Тихоокеан. геология. - 2003. - Т. 22, № 1. - С. 51-60.

11. Luchin, V. A. Changes in the Bering Sea region: atmosphere - ice - water system in the second half of the twentieth century /1. P. Semiletov, G. E. Weller. // Progress in Oceanography. - 2002. -V. 55. - N l|/2. - P. 23-44.

12. Pipko, 1.1. Carbonate chemistry dynamics in Bering Strait and the Chukchi Sea /1. P. Semiletov, P. Ya. Tishchenko, S. P. Pugach, J. P. Christensen // Progress in Oceanography. - 2002. - V. 55. -N l|/2. - P. 77-94.

13. Semiletov, I. P. (Ed.) Changes in the Atmosphere-Land-Sea System in the Amerasian Arctic // Proc. of the Arctic Regional Centre: V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute. - Vladivostok: Dalnauka, 2001. - Vol. 3. - 272 p. Семилетов, И. П. (Ред.). Гидрометеорологические и биогеохимические исследования в Арктике // Тр. Арктич. Регион. Центра. - Владивосток: Дальнаука, 2000. - Т. 2/1. - 236 с.Семилетов, И. П. Парниковый эффект, цикл углерода в Арктике, Российская трансарктическая экспедиция - 2000 И Вестник РФФИ. - 2001.- № 2. - С. 59-63.

16. Semiletov, I. P. The Dispersion of Siberian River Flows into Coastal Waters: Hydrological and Hydrochemical Aspects / N. I. Savelieva, G. E. Weller, 1.1. Pipko, S. P. Pugach, A. Yu. Gukov, L. N. Vasilevskaya // The freshwater Budget of the Arctic Ocean, NATO Meeting/NATO ASI Series. - Kluwer Academic Publishers. -Dordrecht, 2000. - P. 323-366.

17. Киселев, В. И. Терригенное органическое вещество в отложениях шельфа Восточного сектора Арктики / А. В. Игнатьев, С. И. Кияшко, И. П. Семилетов, И. И. Пипко // Доклады Академии наук. - 2000. - Т. 371, № 2. - С. 220-222.

18. Naidu, A. S. Organic carbon isotope ratios (C-13) of Arctic Amerasian Continental shelf sediments / L. W. Cooper, B. P. Finey, R. W. Macdonald, C. Alexander, I. P. Semiletov // International Journal of Earth Sciences. - 2000. - V.89, N. 3. - P. 522-532.

19. Savelieva, N. I. Long-range variability and climate shift in seasonal values of meteorological and hydrological parameters in the Northern Asia /1. P. Semiletov, L. N. Vasilevskaya, S. P. Pugach. II Progress in Oceanography. - 2000. - V. 47. - P. 279297.

20. Семилетов, И. П. Разрушение мерзлых пород побережья как важный фактор биогеохимии шельфовых вод Арктики // Доклады Академии наук. - 1999. - Т. 368, № 5. - С. 679-682.

21. Гуков, А. 10. Особенности распределения биомассы макробентоса в верхней сублиторали юго-восточной части моря Лаптевых / П. Я. Тищенко, И. П.

Семнлетов, В. В. Попов, С. А. Шапкин If Океанология. - 1999. - Т. 39, № 3. - С. 406-411.

22. Лучин, В. А. О межгодовой изменчивости в системе атмосфера-океан: Берингово море / С. М. Варламов, И. П. Семилетов, И. И. Пипко, С. П. Пугач, А. Ю. Прошутинский, Г. Веллер // Доклады Академии наук. - 1999. - Т. 368, № 1. - С. 111-115.

23. Семилетов, И. П. О карбонатной системе Чукотского моря / П. Я. Тищенко, Дж. П. Христенсен, И. И. Пипко, С. П. Пугач // Доклады Академии наук. - 1999. - Т. 364, № 3. - С. 382-386.

24. Семилетов, И. П. Глобальное потепление и цикл уг лерода в Арктике // Вестник ДВО РАН. - 1997. - № 4. - С. 75-85.

25. Zimov, S. A. North Siberian Lakes: A Methane Source Fueled by Pleistocene Carbon / Yu. V. Voropaev, I. P. Semiletov, S. P. Davidov, S. F. Prosiannikov, F. S. Chapin, M. C. Chapin, S. Trumbore, S. Tyler// Science. - 1997. - V. 277. - P. 800-802.

26. Семилетов, И. П. О роли водных и наземных экосистем Арктики в формировании планетарных максимумов СН4 и С02 в атмосфере // Доклады Академии наук. - 1996. - Т. 348, № 6. - С. 945-949.

27. Zimov, S. A. Siberian СО, efflux in winter as a CO, source and cause of seasonality in atmospheric C02 / S. P. Daviodov, Yu.V. Voropaev, S. F. Prosyannikov, I. P. Semiletov, M. C. Chapin, F. S. Chapin // Climatic Change. - 1996. - V. 33. - P. 111120.

28. Семилетов, И. П. О динамике растворенных СН4 и СО, в дельте реки Лены и море Лаптевых / Н. Я. Пивоваров, И. И. Пипко, А. Ю. Гуков, Т. И. Волкова, Дж. X. Шарп, Ю. С. Щербаков, К. П. Федоров // Доклады Академии наук. -1996. - Т. 350, № 3. - С. 406-409.

29. Semiletov, I. P. Atmospheric carbon emission from North Asian Lakes: a factor of global significance /1.1. Pipko, N. Ya. Pivovarov, V. V. Popov, S. A. Zimov, Yu. V. Voropaev, S. P. Daviodov // Atmospheric Environment. - 1996. - V.30, N 10/11. - P. 1657-1671.

30. Семилетов, И, П. Углеродный цикл и глобальные изменения в прошлом и настоящем. // Химия морей и океанов (ред. O.K. Бордовский). - М.: Наука, 1995. -С. 130-154.

31. Семилетов, И. П. Атмосферный метан в прошлом и настоящем / С. А.Зимов, Ю. В. Воропаев, С. П. Давыдов, Н. И. Барков, А. М. Гусев, В. Я. Липенков // Доклады Академии наук. - 1994. - Т. 339, № 2. - С. 253-256.

32. Семилетов, И. П. О палеовариациях состава атмосферы в воздушных включениях древних льдов // Антарктика. - 1993. - Вып. 33. - С. 174-204.

33. Semiletov, I. P. Ancient Icc Air Content of the Vostok kc Core. In: S.Oremland (ed.) // Biogeochemistry of Trace Gases. - Chapman and Hall Inc., New York. - 1993. - P. 4659.

Игорь Петрович СЕМИЛЕТОВ

ЦИКЛ УГЛЕРОДА В СИСТЕМЕ «АТМОСФЕРА-СУША-ШЕЛЬФ» В ВОСТОЧНОЙ АРКТИКЕ

(потоки, формы существования, пространственно-временная изменчивость компонентов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Изд. лиц. ИД № 05497 от 01.08.2001 г. Подписано к печати 22.08.2005 г. Формат 60x90/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл. п. л. 2,5. Уч.-изд.л. 1,89. Тираж 100 экз. Заказ 134

Отпечатано в типографии ФГУГ1 Издательство «Дальнаука» ДВО РАН 690041. г. Владивосток, ул. Радио, 7

РНБ Русский фонд

2007-4 12547

2 5 ОНТ 2005

Содержание диссертации, доктора географических наук, Семилетов, Игорь Петрович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1.Краткая история изучения цикла углерода: достижения и научные проблемы

1.1. Цикл органического углерода в Арктических морях России

1.2. Роль Мирового и Северного Ледовитого океана в балансе атмосферного С02: общее состояние проблемы

1.3. Обмен двуокиси углерода и метана как недоучтенный элемент баланса и круговорота углерода в Российском секторе Арктики

1.4. Исторические данные: структура, количественное и качественное наполнение 27 Выводы

Глава 2. Взаимосвязь между климатическими изменениями и циклом углерода в Арктике

2.1. Цикл углерода и глобальные изменения

2.1.1. Палеоциркуляция океана и С02 в атмосфере

2.1.2. Карбонатные осадки и С02 в атмосфере

2.1.3. Биологический контроль содержания атмосферного С

2.2. Роль Арктики (система «суша-шельф») в глобальном цикле углерода

2.3. Особая роль Восточной Арктики (суша-море) в региональном цикле углерода

2.4. Современные климатические изменения в морях и в одосборах рек российской Арктики: взаимодействие в системе «атмосфера-суша-шельф»

Выводы

Глава 3. Методы и материалы исследований 73 3.1. Материалы и методы, использованные в экспедициях

1994-2002 гг.

3.1.1. Общая информация

3.1.2. Описание первичных данных, полученных по различным районам

3.1.3. Методы измерения в различных районах в различные годы

3.1.4. Методы расчетов

Глава 4. Транспорт наземного углерода в море реками и в результате термо-абразионного разрушения берегов

4.1. Речной транспорт

4.1.1. Развитие представлений о происхождении органического углерода на шельфе МВА

4.1.2. Система река Лена - море Лаптевых

4.1.3. Речной транспорт растворенного и взвешенного углерода в составе наземного вещества в море

Выводы

4.2. Береговая эрозия

4.2.1. Оценка скоростей эрозии берегового комплекса и концентрации ОУ в эрозионном материале

4.2.2. Оценка деструкции эрозионного материала терригенного происхождения

4.2.3. Основные геохимические индикаторы терригенного эрозионного углерода

Глава 5. Пространственно-временная изменчивость элементов углеродного цикла

5.1. Пространственно-временная изменчивость элементов карбонатной системы, потоков С02 в системе атмосфера-поверхность моря (с учетом морского льда), и основных океанологических параметров

5.1.1. Море Лаптевых и Восточно-Сибирское море

5.1.2. Чукотское море

5.1.3. О роли морского льда в балансе атмосферного

С02 над СЛО

5.2. Растворенный метан в шельфовых водах арктических морей 195 5.2.1. Оценка эмиссии метана в атмосферу.

5.3. Особенности взаимодействия Тихоокеанских вод с шельфовыми водами Восточно-Сибирского моря

3.1.5. Использование стабильных изотопов углерода и азота для понимания генезиса органического вещества 3.2. Исследования миграции взвешенного материала и растворенного органического вещества на основе гидрооптических характеристик измеренных в экспедициях 2003-2004 гг.

3.2.1. Измерение и расчет концентрации взвеси

3.2.2. Измерение величины СБОМ и РОВ (измеренный и расчетный)

5.4. Основные наземные источники С02 и СН

Выводы:

Глава 6. Количественная оценка межгодовых изменений элементов углеродного цикла в Восточно-Сибирском море и связей между ними

6.1. Методический подход к индикации межгодовой изменчивости элементов углеродного цикла

6.2. Интегральные запасы основных элементов углеродного цикла и гидрологических параметров

6.2.1. Интегральные запасы общего растворенного минерального углерода

6.2.2. Интегральные запасы растворенного С02 и СН

6.2.3. Интегральные запасы взвешенного вещества

6.2.4. Интегральные запасы соли

6.3. Корреляционные связи между элементами углеродного цикла и основными гидрогеохимическими характеристиками водных масс 225 Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Цикл углерода в системе "атмосфера-суша-шельф" в Восточной Арктике"

Российское могущество будет прирастать Сибирью и Ледовитым океаном i М.В. Ломоносов

Актуальность темы. Возрастающий интерес к исследованию цикла углерода в Арктическом Регионе (АР) вызван, в первую очередь, климатическими изменениями, которые наиболее ярко проявляются в северных широтах и выражаются в повышении среднегодовой температуры воздуха и интенсивности атмосферной циркуляции, таянии мерзлоты и горных ледников, увеличении масштабов береговой эрозии и стока рек, что, в конечном итоге, приводит к увеличению эмиссии парниковых газов (двуокиси углерода (С02) и метана (ОЦ) из северных экосистем и усилению эффекта глобального потепления (ACIA, 2004; IPCC, 2001). Изучение динамики последствий глобальных изменений невозможно, во-первых, без всеобъемлющего охвата "ключевых" i географических регионов, в которых происходящие климатические изменения проявляются наиболее отчетливо; во-вторых, без разработки методических основ и способов их практической реализации, направленных на качественную

Введение и количественную оценку основных компонентов углеродного цикла с целью выявления наиболее чувствительных индикаторов происходящих изменений.

В качестве наименее исследованного географического района до настоящего времени считался Восточный сектор Арктических Морей России (Море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море, далее по тексту - МВА). Основными недостатками ранее проведенных исследований и полученных данных являлись: не изученность газообразных компонентов углеродного цикла (С02 и СН^) в системе "водная поверхность-атмосфера", а также в системе "лед-водная поверхность"; несогласованность и противоречивость расчетных данных о структуре и количественном соотношении основных компонентов углеродного цикла; недостаток данных, необходимых для обоснования общей картины потоков и баланса масс углерода в Северном Ледовитом Океане (СЛО) (Романкевич и Ветров, 2001).

Предполагается, что потепление и таяние наземной, и субаквальной мерзлоты в АР приведет к значительной мобилизации захороненного ранее наземного органического вещества (ОВ), увеличению его выноса в море и включению в современный биогеохимический цикл углерода в форме СН4 и С02 Согласно существующим оценкам, только в верхнем 100 м слое наземной мерзлоты содержится около 10,000 Гт уптерода ОВ (Гт-С, 1Гт=1015г (Семилетов, 1995; Semiletov, 1999). Увеличение толщины сезонно-талого слоя приводит к увеличению респирации почв с выделением в атмосферу дополнительных количеств С02 и СН4 (при переувлажнении почв и развитии анаэробных условий). Другим крупнейшим резервуаром органического углерода, потенциально доступным к вовлечению в современные геохимические процессы, являются метановые газгидраты, запасы которых на суше оцениваются в 32 000 Гт-С, а на шельфе - приблизительно в 6000 Гт-С (Макагон, 1982). Если учесть, что в современной атмосфере содержится около 750 Гт С-С02 и 4 Гт С-СН4 (ACIA, 2004; IPCC, 2001), то становится очевидным, что

Введение вовлечение в круговорот даже незначительной доли ОВ, аккумулированного в углеродном резервуаре мерзлоты и метановых газгидратов, может привести к существенному увеличению эмиссии в атмосферу основных парниковых газов, определяющих глобальные изменения климата. Количественная oifeiiKa положительной обратной связи "потепление - таяние мерзлоты и разрушение газгидратов - эмиссиия парниковых газов" должна стать неотъемлемой частью прогнозных cifenapuee климатических изменений в ближайшем и отдаленном будущем и общей теории климата.

Настоящая работа основана на комплексном и междисциплинарном подходе, используя который автор рассматривает элементы механизма формирования основных компонентов углеродного цикла в МВА и их пространственно-временной изменчивости под воздействием изменений гидрометеорологического режима в системе "атмосфера-суша-шельф". В работе приводятся новые данные, основанные на фактическом материале, касающемся наименее изученных вопросов цикла углерода в Арктике: 1) латеральные потоки в системе "суша-шельф", 2) вертикальные потоки в системе "атмосфера-море", 3) качественные и количественные оценки пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла. Особое внимание уделено оценке обмена газообразным углеродом (С02 и СН4) в системе "атмосфера - водная поверхность" с учетом морского льда. Вклад биопродуктивных процессов в цикл углерода рассматривается в данной работе на примере Чукотского моря, где, в отличие от моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, их вклад в цикл углерода является определяющим. Единство и целостность работы обеспечивались общностью предметной области (биогеохимия цикла углерода в системе "атмосфера-суша-шельф"), объекта (все частные задачи относятся к различным аспектам углеродного цикла в МВА), а также единым методическим подходом к получению, обработке и анализу полученных данных.

Цель работы. Целью настоящей работы является выявление основных процессов, определяющих формирование компонентов углеродного цикла в системе "атмосфера-суша-шельф" в МВА и их пространственно-временную изменчивость, а также разработка методических основ и практических методов количественной оценки компонентов углеродного цикла, интегрирующих происходящие глобальные изменения.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Выявление и оценка основных процессов, ответственных за транспорт наземного углерода в системе "суша-шельф": роль рек и термоабразионного разрушения берегов;

2. Исследование пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) в комплексе с изменчивостью гидрометеорологических условий (температурой и соленостью воды, гидрохимическими параметрами, атмосферной циркуляцией, стоком рек, состоянием мерзлоты и ледовыми условиями);

3. Выявление и оценка основных процессов, ответственных за вертикальный перенос газообразного углерода (С02 и СН4) в системе "атмосфера-океан" (с учетом морского льда), как наиболее подвижных компонентов углеродного цикла;

4. Количественная оценка межгодовой изменчивости элементов углеродного цикла и отдельных характеристик водных масс на примере прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря;

5. Разработка методических подходов к выявлению межгодовых и

Введение долговременных (в масштабе 102 лет) изменений в динамике элементов углеродного цикла в системе "суша - шельф" в связи с глобальными изменениями климата.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность результатов определяется современным уровнем аналитического оборудования и методов анализа. Например, для исследования карбонатной системы (КС), наряду с традиционными методами исследований элементов КС, (путем высокоточного измерения рН, обшей щелочности, общего минерального углерода, с последующим расчетом, основанным на репрезентативной выборке констант ионизации борной и угольной кислоты), использовались прямые измерения величины парциального давления С02 в водз (рСОД с помощью нового сенсора SAMI-C02 (www.sunburstsensors.com). Комплекс этих измерений, наряду с прямыми непрерывными измерениями содержания С02 в воздухе по ходу судна с помощью ИК-спектрометра LiCor-820 (www.licor.com), позволил получить репрезентативные оценки по обмену С02 между поверхностью моря и атмосферой. Для определения растворенного метана, растворенного органическоо углерода (РОУ), взвешенного органического углерода (ВОУ), общего органического углерода (TOC) и хлорофилла в воде, стабильных изотопов углерода (С) и азота (N), органического вещества в донных осадках и взвешенном материале использовались традиционные методы, принятые в мировой практике (см. подробнее в разделе Глава 3). Для оценки потоков С02 через морской лед использовались микрометеорологический и камерно-динамический методы, позволившие, наряду с прямым определением величин рС02 в рассолах льда и подледной воды, дать первые количественные оценки роли морского льда в балансе атмосферного С02 (Semiletov et.al., 2004). Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки данных, выполненной с использованием современных пакетов аналитических программ, используемых в мировой научной практике (Statistika 5.1; Grapher 5; Surfer 8.0; ODV, Matlab 7.1

Введение и Др.).

Научная новизна результатов. Результаты наших многолетних исследований, проведенных в МВА можно рассматривать как первые комплексные океанологические и биогеохимические исследования в системе "суша-шельф", выполненные в этом регионе с использованием современных методов, что позволило получить большой массив репрезентативных данных, характеризующих современные процессы и факторы, оказывающие влияние на формирование и изменчивость компонентов углеродного цикла. Стратегия системного подхода позволила проследить каким образом изменения в атмосферной циркуляции приводят к изменениям речного стока, циркуляции водных масс в море, и как это определяет пространственно-временную изменчивость элементов углеродного цикла в системе "атмосфера-суша-шельф". На основе полученных данных показана ведущая роль потоков эрозионного взвешенного углерода, как фактора, определяющего биогеохимический и седиментационный режимы в исследованных районах МВА. Показано, что вклад рек в поставку взвешенного вещества в море мало значим по сравнению с эрозией берегов. Особое внимание уделено выявлению связей между изменениями в состоянии мерзлоты и особенностями миграции углерода в различных формах. Впервые для МВА были выполнены площадные съемки, которые позволили рассчитать атмосферную эмиссию СН4 и С02 и выявить изменчивость пространственно-временного распределения РОУ и ВОУ, а также интегральное содержание элементов углеродного цикла и солесодержание, позволившие количественно оценить происходящие изменения. Вклад газообразных компонентов в цикл углерода в МВА изучался впервые. Использование одних и тех же методов исследования в море и на суше (реки и озера) позволило получить сопоставимые результаты по распределению и изменчивости элементов цикла углерода и их потоков в системе "суша-шельф". Впервые были проведены комплексные высокопрецизионные измерения потоков С02 надо льдом и через морской лед, на основании которых было показано, что потоки через морской лед могут играть важную роль в балансе атмосферного С02. Научная новизна подтверждена публикациями в реферируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), Национального Научного Фонда США (ННФ), Международного Научного Фонда (Сороса), Фонда МакАртуров, НОАА США и других научных организаций в России и за рубежом .

Практическое значение работы. Выявленные эмпирические зависимости между различными элементами цикла углерода и отдельными характеристиками водных масс могут быть использованы для создания обшей модели потоков и баланса масс углерода в СЛО, уточнению роли положительной обратной связи между изменением климата, состоянием мерзлоты и эмиссией парниковых газов.

Данные по распределению и динамике элементов цикла углерода, полученные в рамках этой работы, могут стать основой для разработки стратегии дальнейших исследований миграции наземного органического вещества и его трансформации в системе "суша-шельф" с целью раннего обнаружения и количественной оценки изменений, происходящих в Арктике под воздействием Глобальных изменений. Полученный фактический материал и подходы, разработанные в рамках выполненной работы, могут быть полезны для разработки модели цикла углерода в региональном и глобальном масштабе.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами в период с 1990 по 2005 гг. Под руководством автора были организованы и выполнены все малые (1-3 участника) и большие (до 20 участников) экспедиции Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН в моря Российской Арктики и их бассейны (водосборы реки Лены и Колымы), всего 16 экспедиций, включая Российскую Трансарктическую Экспедицию-2000, Первую (2003) и Вторую (2004) Российско-Американские экспедиции. Автор лично занимался отбором проб, проводил измерения, занимался обработкой и анализом полученных материалов, написанием статей и глав в коллективных монографиях, три из которых опубликованы под редакцией автора. Изотопные исследования донных осадков и взвеси на содержание органического углерода и азота, а так же ряд других высоко затратных анализов, выполнены в сертифицированных международных лабораториях за счет средств, полученных автором по инициативным грантам ННФ. Автор имеет 4 авторских свидетельства СССР и 2 патента РФ, касающихся модификации газоаналитических методов. Результаты, представленные в разделе 5.4, частично основаны на результатах, полученных и опубликованных автором на равных правах с сотрудниками СевероВосточной Научной Станции (СВНС) Тихоокеанского института географии ДВО РАН (Колымо-Индигирская низменность, пос. Черский, 150 км от устья Колымы).

Апробация работы. В марте 2005г работа была заслушана, обсуждена и одобрена к защите на Ученом Совете ТОЙ ДВО РАН. В апреле 2005г работа была представлена, обсуждена и рекомендована к защите на Объединенном коллоквиуме ИО РАН и затем на Ученом Совете Геологического направления ИО РАН. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на многих международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная конференция по биогеохимическим изменениям

Введение в окружающей среде в Саламанке (ISEB 10th, октябрь, 1993, Испания); 21м генеральная Ассамблея IAPSO (США, 1995); конференции Американского Геофизического Союза (AGU Fall Meetings, декабрь 1996; 1998; 2002, 2004, США); международные конференции PICES (Владивосток, 1999; Виктория, Канада, 2001); 5ое Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); международная конференция по атмосферной химии в Пекине (IGACIASC, 1998); 2м конференция по изучению изменения полярного климата (Цукуба); международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003); 4ое международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Нагоя, Япония, 2003); международная арктическая конференция в Кунминге (7th ASSW, апрель 2005, Китай); Российско-Американское совещание по сотрудничеству в Арктике (RAISE, июль 2005, США) и др. Начиная с 1995 г материалы положенные в основу диссертации докладывались ежегодно в России или в США на Рабочей Российско-Американской группе RAISE (РАН-ННФ) и на конференциях американской Ассоциации Развития Науки (AAAS Meetings/Arctic Division) на Аляске. По материалам диссертационной работы в декабре 2003г и феврале 2005 г. проведены семинары в Международном Арктическом Научном центре (МАНЦ) и в Институте морских наук Университета Аляска, Фэрбанкс, в Университете Стокгольм в октябре 2004 г.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 57 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 262 страницах, включая список литературы из 360 наименований, 92 иллюстраций, 15 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Семилетов, Игорь Петрович

Выводы:

1. Количественная оценка элементов углеродного цикла в прибрежной ;зоне Восточно-Сибирского моря, а также основных параметров, отражающих общую изменчивость гидрологического и геохимического режима шельфа за период 2003-2004 гг показала, что за этот период были накоплены значительные дополнительные запасы растворенного Ç02, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и / уменьшением интегральной солености и TCO, (DIC) (свидетельствующих s • об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении в шельфовых водах продуктов разрушения ОВ. Предложенный методический подход может быть^использован для индикации количественных изменений элементов углеродного цикла в системе «суша-шелъф-атмосфера».

2. Межгодовая изменчивость элементов углеродного цикла в системе суша-атмосфера-мелководный шельф в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряжена с изменчивостью параметров водных масс, которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов.

3. Выявленные корреляции между интегральными значениями солености, концентрациями РОУ, взвешенного вещества, растворенного С02 и СН4, и ТС02 позволили исследовать динамику изменчивости важнейших параметров характеризующих структуру изменчивости углеродного цикла и водной толщи в целом. Из этого следует, что выявленные связи между интегральными значениями вышепоименованных характеристик шельфовых вод могут быть использованы в дальнейшем для параметризации пространственно-временной изменчивости элементов цикла углерода и отдельных характеристик водных масс МВА и CJIO в целом.

4. v На основании выявленных связей между концентрациями ТС02 и солености представляется возможным восстановить многолетнюю динамику растворенного неорганического углерода расчетным путем, используя исторические данные по солености, а также оценить тенденции происходящих изменений в масштабе последних десятилетий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов теоретического и методологического характера:

1) Вследствие эрозионного разрушения берегов на шельф МВА ежегодно транспортируется, как минимум, 2,0 Тг (Тг) ВОУ, что на два порядка превышает вынос ВОУ со стоком реки Лены 0,04 Тг), из чего следует, что в системе "суша - шельф" термо-абразионное разрушения берегов является основным процессом, ответственным за транспорт наземного взвешенного вещества, обогащенного органическим биологически активным углеродом. Эрозионный ВОУ играет определяющую роль в цикле углерода на мелководном шельфе.

2) Речной транспорт играет ведущую роль в выносе на шельф BMA наземного РОУ (3,7 Тг ежегодно). Однако, речной РОУ является биологически инертным и поэтому играет малую роль в современном биогеохимическом цикле углерода в МВА.

3) Мелководный шельф Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, подверженный сильному влиянию речного стока и эрозии берегов, является источником парниковых газов (С02 и СН4) в атмосферу, в то время как акватории морей, относительно удаленных от этого влияния (например, Чукотское море), являются стоками для атмосферного СОг Рассчитанные величины потоков С02 и СН4 в атмосферу количественно соизмеримы с аккумуляцией ОУ в донных отложениях на шельфе МВА. Это свидетельствует о важной роли газообразных элементов в региональном цикле углерода и необходимости учета этой роли при дальнейшей разработке теории климата и оценке последствий глобальных изменений.

4) На основе первых прямых измерений потоков С02 в системе атмосфера-лед-вода показано, что недоучет роли морского льда в балансе атмосферного С02 может принципиально изменить существующие оценки цикла углерода в GJIO.

5) Аномально высокие концентрации растворенного метана пространственно коррелируют: в придонном слое- с зонами разломов морского дна; в поверхностном слое - со стоком рек.

6) Меэюгодовая изменчивость элементов углеродного цикла в системе суша-атмосфера-мелководный шельф в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряэюена с изменчивостью параметров водных масс, которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов.

7) Анализ распределение стабильных изотопов углерода (АРСИУ) ОВ поверхностного слоя осадков Восточно-Сибирского моря (ВСМ) показал, что выделенная геохимическая фронтальная зона (ГФЗ) между водами Тихоокеанского происхождения и шельфовыми водами ВСМ смещена примерно на 10° долготы к востоку относительно среднего положения гидрофронта в 20 веке (162° в.д.). Данный факт может свидетельствовать о том, что, несмотря на доминирование в 20-м веке антициклонической моды циркуляции в высоких широтах северного полушария, в масштабе последних столетий (-500 лет) доминировала циклоническая мода атмосферной и океанической циркуляции. Таким образом, использование АРСИУ совместно с анализом океанологических данных является перспективным методом изучения палео-океанологических аспектов цикла углерода.

8) Количественная оценка элементов углеродного цикла в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря, а также основных параметров, отражающих общую изменчивость гидрологического и геохимического режима шельфа за период сентябрь 2003 г. - сентябрь 2004 г. показала, что за этот период были накоплены значительные дополнительные запасы растворенного С02, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и уменьшением интегральной солености и ТС02 (01С) (свидетельствующих об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении в шельфовых водах продуктов разрушения ОВ. Предложенный методический подход может быть использован для индикации количественных изменений элементов углеродного цикла в системе "суиш-шельф-атмосфера ".

9) Основными наземными источниками газообразных элементов углеродного цикла в атмосферу АР являются: для С02 - респирация почв, для СН4 - арктические и субарктические озера и подстилающие их талики. Динамика потоков СО2 и СН4 из северных экосистем, а также изменение их концентраций в шельфовых водах могут служить индикаторами состояния наземной и субаквалыюй мерзлоты под влиянием глобальных изменений.

10) Выявленные эмпирические зависимости между прямыми экспресс измерениями CDOM (colored dissolved organic carbon), мутности turbidity), солености, и концентрациями РОУ, взвешенного вещества, и

ТС02 позволили исследовать изменчивость важнейших элементов углеродного цикла и водной толщи. Полученные результаты могут быть использованы для параметризации и оценки пространственно-временной изменчивости элементов цикла углерода и отдельных характеристик водных масс. Так, например, на основании выявленных связей между концентрациями ТС02 и солености представляется возможным восстановить многолетнюю динамику растворенного неорганического углерода расчетным путем, используя исторические данные по солености, а также оценить тенденции происходящих изменений в масштабе последних десятилетий.

11) Обнаруженные корреляции между интегральными значениями солености, концентрациями РОУ, взвешенного вещества, растворенного С02 и СН4 , и ТС02 позволили исследовать структуру изменчивости углеродного цикла и свойств водной толщи. Этот методический подход моэ/сет быть использован для характеристики пространственно-временных изменений в цикле углерода и динамике водных масс CJIO и других районов Мирового океана.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Семилетов, Игорь Петрович, Владивосток

1. Аксенов A.A. Арктический Евро-азиатский шельф в позднем четвертичном периоде,1. М. : Наука, 1987, 277с.

2. Алекин O.A., Ляхин Ю.И. Химия океана. Л.:Гидрометеоизд., 1984, 343 с.

3. Александров Е.И., Брязгин H.H., Любарский А.Н. Атмосферные осадки и ихизменчивость в низовьях Оби и Енисея // Климатологические исследования в Арктике и Северной Атлантике: Тр. ААНИИ, 1995. Т. 434. С. 102-110.

4. Антонов B.C. Устьевая область реки Лены//1967, Л.: Гидрометеоиздат., 107 с.

5. Антонов В.С Аномалии повышенного стока рек Арктической и субарктической зоны

6. Сибири // Проблемы Арктики и Антарктики. 1964, С. 18-30.

7. Антонов B.C. Природа движения вод и льдов Северного Ледовитого океана //

8. Проблемы полярной географии: Тр. ААНИИ, 1968. Т. 285. С. 148-177.

9. Антонов B.C. Распространение речных вод в арктических морях //Тр. ААНИИ, 1957.1. Т. 208. С. 25-52.

10. Антонов B.C., Морозова В .Я. Суммарный материковый сток в Арктические моря //1. Там же. С. 13-24.

11. Аппель И.Л., Гудкович З.М. Исследование возможных изменений средней соленостиверхнего слоя Карского моря, вызванных устойчивыми аномалиями речного стока //Проблемы Арктики и Антарктики, 1984. Вып.58. С. 5-14.

12. Арктика на пороге третьего тысячелетия / Под ред. И.С.Грамберга и др. СПб.: Наука,2000, 247с.

13. Биогеохимия органического вещества арктических морей / Под ред. Е. А.Романкевич,

14. А.И.Данюшевская, А.Н.Беляева, В.П.Русанов. M.: Наука, 1982. 240с.

15. Богданов H.A., Хаин В.Е., Шипилов Э.В. Система кайнозойских рифтов Восточной

16. Арктики и ее возможной значение // Доклады РАН. 1995. Т. 345, №1, С.84-86.

17. Бордовский O.K., Маккавеев П.Н. и Бубнов П.В. Проблема изменчивостикарбонатного равновесия в океане / В кн.: O.K. Бордовский и А.Г. Розанов (ред.), Химия морей и океанов, М.: Наука, 1995. С.92-111.

18. Бордовский O.K., Маккавеев П.Н. Обмен С02 с атмосферой и баланс углерода в

19. Тихом океане//Доклады АН СССР, 1991, т.320, с.1470-1475.

20. Бордовский O.K., Семилетов И.П. Обмен углеродом между придонной водой идонными осадками Охотского моря // Доклады АН СССР, 1989, т.306, №3, с.697-700.16

Информация о работе

Семилетов, Игорь Петрович
доктора географических наук
Владивосток, 2005
ВАК 25.00.08

Диссертация

Цикл углерода в системе "атмосфера-суша-шельф" в Восточной Арктике - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы