Особенности распределения метана в эвфотическом слое северной части Черного моря в летний сезон 2018 года (по данным 102-го рейса НИС «Профессор Водяницкий»)

Т. В. Малахова1,✉, И. М. Мансурова1, Л. В. Малахова1, Н. В. Минина1, А. Д. Заговенкова2

1 Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН, Севастополь, Россия

2 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия

✉ e-mail: t.malakhova@imbr-ras.ru

Аннотация

Цель. Основная цель работы состояла в оценке горизонтальной и вертикальной структуры распределения метана (CH4), его эмиссии в атмосферу в эвфотической зоне северной части Черного моря летом 2018 г., а также в установлении его связи с концентрацией хлорофилла а.

Методы и результаты. Концентрацию CH4 в поверхностном слое воды определяли газохроматографическим методом на 104 станциях, на 45 из которых также были выполнены вертикальные профили содержания CH4 в слое 0–50 м. Для определения концентрации хлорофилла а использовали флуориметрический метод. Распределение CH4 в этом регионе показало выраженную пространственную неоднородность. Концентрация растворенного в поверхностной воде CH4 для всех станций изменялась в диапазоне 0–39,2 нмоль/л. Среднее значение рассчитанной величины потока CH4 из воды в атмосферу составило 2,3 мкмоль/м2/сут, среднее насыщение метаном поверхностной воды – 460%. Бόльшая часть исследованной акватории моря являлась источником поступления метана в приводные слои атмосферы, за исключением 15 станций, где концентрация СН4 в поверхностном слое была ниже равновесных значений. Рассчитанный интегральный поток СН4 с исследованной акватории, площадь которой равна 88•103 км2, составил 3,2 т СН4 в сутки. Вертикальное распределение CH4 в верхнем 50-метровом слое оказалось различным для прибрежных и глубоководных районов. В глубоководных районах отмечаются максимумы в подповерхностных слоях, а на вдольбереговом разрезе, где станции были расположены не глубже 100 м, высокие концентрации CH4, достигающие 86 нмоль/л, наблюдались в основном в придонных горизонтах.

Выводы. Средняя концентрация метана в глубоководных профилях была в 2 раза ниже по сравнению с мелководными. Расположение подповерхностных концентрационных максимумов CH4 и максимумов содержания хлорофилла а в целом совпадало. Также установлено, что повышенному содержанию хлорофилла а (0,58 мг/м3) в поверхностном слое Феодосийского залива соответствовала максимальная концентрация CH4. Аномально высокая концентрация метана, составляющая в придонном горизонте 269 нмоль/л и на порядок превышающая среднее содержание метана в прилегающих районах, обнаружена на станции в районе палеорусла Днепра. Вероятно, такое повышение связано с поступлением метана из газовых сипов, широко распространенных в этом районе.

Ключевые слова

метан, эмиссия, хлорофилл а, эвфотический слой, Черное море

Благодарности

Авторы благодарят экипаж НИС «Профессор Водяницкий» за помощь в проведении забортных работ во время 102-го рейса, И. Г. Сидорова, В. Ю. Проскурнина – за помощь в отборе и анализе проб, сотрудников Морского гидрофизического института РАН – за предоставление гидрологических данных, а также рецензента – за конструктивные замечания. Работа подготовлена по темам государственного задания ФИЦ ИнБЮМ «Молисмологические и биогеохимические основы гомеостаза морских экосистем» (номер государственной регистрации АААА-А18-118020890090-2) и «Функциональные, метаболические и токсикологические аспекты существования гидробионтов и их популяций в биотопах с различным физико-химическим режимом» (номер государственной регистрации АААА-А18-118021490093-4).

Для цитирования

Особенности распределения метана в эвфотическом слое северной части Черного моря в летний сезон 2018 года (по данным 102-го рейса НИС «Профессор Водяницкий») / Т. В. Малахова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 2. С. 186–201. EDN GXHJAT. doi:10.22449/0233-7584-2020-2-186-201

Malakhova, T.V., Mansurova, I.M., Malakhova, L.V., Minina, N.V. and Zagovenkova, A.D., 2020. Features of Methane Distribution in the Euphotic Layer of the Northern Black Sea in Summer, 2018 (Based on the Data of the 102nd Cruise of R/V "Professor Vodyanitsky"). Physical Oceanography, 27(2), pp. 171-185. doi:10.22449/1573-160X-2020-2-171-185

DOI

10.22449/0233-7584-2020-2-186-201

Список литературы

  1. Air-sea interactions of natural long-lived greenhouse gases (CO2, N2O, CH4) in a changing climate / D. C. Bakker [et al.] // Ocean-Atmosphere Interactions of Gases and Particles. Berlin, Heidelberg : Springer, 2014. P. 113-169. (Springer Earth System Sciences). https://doi.org/10.1007/978-3-642-25643-1_3
  2. Егоров В. Н., Артемов Ю. Г., Гулин С. Б. Метановые сипы в Черном море: средообра-зующая и экологическая роль. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 405 с.
  3. Леин А. Ю., Иванов М. В. Биогеохимический цикл метана в океане. Москва : Наука, 2009. 576 с.
  4. Совга Е. Е., Любарцева С. П., Любицкий А. А. Исследование биогеохимии и механизмов переноса метана в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 5. С. 40–56. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/images/files/2008/05/200805_03.pdf (дата обращения: 05.07.2019).
  5. Biogenic Gas (CH4, N2O, DMS) Emission to the Atmosphere from Near-shore and Shelf Waters of the North-western Black Sea / D. Amouroux [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. Vol. 54, iss. 3. P. 575–587. https://doi.org/10.1006/ecss.2000.0666
  6. The Biogeochemical Cycle of Methane on the Northwestern Shelf of the Black Sea / I. I. Rusanov [et al.] // Microbiology. 2002. Vol. 71, iss. 4. С. 479–487. https://doi.org/10.1023/A:1019862014508
  7. Егоров А. В. Некоторые черты распределения метана в водной толще северо-восточной части Черного моря // Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря. Москва : Наука, 2002. С. 183–190.
  8. Scranton M. I., Farrington J. W. Methane production in the waters off Walvis Bay // Journal of Geophysical Research: Oceans and Atmospheres. 1977. Vol. 82, iss. 31. P. 4947–4953. https://doi.org/10.1029/JC082i031p04947
  9. Oremland R. S. Methanogenic activity in plankton samples and fish intestines A mechanism for in situ methanogenesis in oceanic surface waters // Limnology and Oceanography. 1979. Vol. 24, iss. 6. P. 1136–1141. https://doi.org/10.4319/lo.1979.24.6.1136
  10. Sieburth J. M., Donaghay P. L. Planktonic methane production and oxidation within the algal maximum of the pycnocline: seasonal fine-scale observations in an anoxic estuarine basin // Marine Ecology Progress Series. 1993. Vol. 100. P. 3–15. doi: 10.3354/meps100003
  11. Marty D. G. Methanogenic bacteria in seawater // Limnology and Oceanography. 1993. Vol. 38, iss. 2. P. 452–456. https://doi.org/10.4319/lo.1993.38.2.0452
  12. Microbial processes at the aerobic-anaerobic interface in the deep-water zone of the black sea / N. V. Pimenov [et al.] // Microbiology. 2000. Vol. 69, iss. 4. С. 436–448. https://doi.org/10.1007/BF02756769
  13. Микробное образование метана в аэробной водной толще Черного моря / И. И. Русанов [и др.] // Доклады Академии наук. 2004. Т. 399, № 4. C. 571–573.
  14. Keller M. D., Belows W. K., Guillard R. R. L. Dimethyl sulfide production in marine phytoplankton // Biogenic sulfur in the environment. Washington, DC : American Chemical Society, 1989. Chapter 11. P 167–182. DOI:10.1021/bk-1989-0393.ch011
  15. Abiotic methanogenesis from organosulfur compounds under ambient conditions / F. Althoff [et al.] // Nature Communications. 2014. Vol. 5. 4205. https://doi.org/10.1038/ncomms5205
  16. Methane excess production in oxygen-rich polar water and a model of cellular conditions for this paradox / E. Damm [et al.] // Polar Science. 2015. Vol. 9, iss. 3. P. 327–334. https://doi.org/10.1016/j.polar.2015.05.001
  17. Evidence for methane production by marine algae (Emiliana huxleyi) / K. Lenhart [et al.] // Biogeosciences Discussions. 2016. Vol. 13, iss. 10. P. 20323–20360. https://doi.org/10.5194/bg-13-3163-2016
  18. Oxic water column methanogenesis as a major component of aquatic CH4 fluxes / M. J. Bogard [et al.] // Nature Communications. 2014. Vol. 5. 5350. https://doi.org/10.1038/ncomms6350
  19. Productivity and temperature as drivers of seasonal and spatial variations of dissolved methane in the southern bight of the North Sea / A. V. Borges [et al.] // Ecosystems. 2018. Vol. 21, iss. 4. P. 583–599. https://doi.org/10.1007/s10021-017-0171-7
  20. Большаков А. М., Егоров А. В. Об использовании методики фазово-равновесной дегазации при газометрических исследованиях // Океанология. 1987. Т. XXVII, № 5. С. 861–862.
  21. Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean revisited // Limnology and Oceanography: Methods. 2014. Vol. 12, iss. 6. P. 351–362. https://doi.org/10.4319/lom.2014.12.351
  22. Wiesenburg D. A., Guinasso Jr N. L. Equilibrium solubilities of methane, carbon monoxide, and hydrogen in water and sea water // Journal of Chemical & Engineering data. 1979. Vol. 24, iss. 4. P. 356-360. https://doi.org/10.1021/je60083a006
  23. Phytoplankton pigments in oceanography: Guidelines to modern methods // Eds. S. W. Jeffrey. Paris : UNESCO Publishing, 1997. 661 p.
  24. Витюк Д. М. Взвешенное вещество и его биогенные компоненты. Киев : Наукова думка, 1983. 210 с.
  25. Belokopytov V. N. "Oceanographer": applied software for oceanographic surveys // Abstracts of International Symposium on Information Technology in Oceanography (ITO-98, October, 1998). Goa, India, 1998. P. 79.
  26. Finenko Z. Z., Churilova T. Y., Lee R. I. Dynamics of the vertical distributions of chlorophyll and phytoplankton biomass in the Black Sea // Oceanology. 2005. Vol. 45, suppl. 1. P. S112–S126. URL: https://www.researchgate.net/publication/286014069. (дата обращения: 07.06.2019).
  27. Phytoplankton light absorption in the deep chlorophyll maximum layer of the Black Sea / T. Churilova [et al.] // European Journal of Remote Sensing. 2019. Vol. 52, iss. sup. 1. P. 123–136. https://doi.org/10.1080/22797254.2018.1533389
  28. Пространственно-временная изменчивость содержания метана в Севастопольской бухте и его эмиссии в атмосферу / Т. В. Малахова [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2020. № 3. С. 73–80.
  29. Sommer S., Schmidt M., Linke P. Continuous inline mapping of a dissolved methane plume at a blowout site in the Central North Sea UK using a membrane inlet mass spectrometer – Water column stratification impedes immediate methane release into the atmosphere // Marine and Petroleum Geology. 2015. V. 68, part B. P. 766–775. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2015.08.020
  30. Малахова Т. В., Мансурова И. М. Зависимость между метаном и хлорофиллом-а в воде эвфотической зоны шельфа Черного моря // ЭКОБИО–2018: Сборник материалов V научно-практической молодежной конференции «Экобиологические проблемы Азово-Черноморского региона и комплексное управление биологическими ресурсами» (8–11 октября 2018 г.). Севастополь : Филиал МГУ в г. Севастополе, 2018. C. 186–189. URL: http://иптс.рф/wp-content/uploads/2018/10/Сборник_ЭКОБИО.pdf (дата обращения: 05.07.2019).

Скачать статью в PDF-формате