Характеристики состояния и эволюции гидрохимической структуры вод Черного моря

А. В. Вареник✉, С. И. Кондратьев, Е. В. Медведев, Д. С. Хоружий, Н. А. Орехова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: alla.varenik@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Целью настоящей работы является анализ особенностей пространственно-временного и вертикального распределения кислорода, сероводорода и элементов главного биогенного цикла (фосфаты, нитраты, аммонийный азот и кремнекислота), а также характеристик карбонатной системы в Черном море в современный период.

Методы и результаты. Использованы данные экспедиционных исследований Морского гидрофизического института в Черном море в пределах экономической зоны России за 2013– 2021 гг. В экспедициях выполнены более 200 глубоководных станций, на которых с помощью кассеты из 12 батометров прибора Sea-Bird 911 plus CTD Seabird-Electronics INC проводили отбор проб на определенных изопикнических поверхностях. На прибрежных мелководных станциях отбор проводили с поверхностного и придонного горизонтов. Отбор проб атмосферных осадков осуществлялся с помощью автоматических осадкосборников на метеостанции, расположенной на Павловском мысу в г. Севастополь, и на Черноморском гидрофизическом подспутниковом полигоне (Южный берег Крыма).

Выводы. Положение верхней границы субкислородной зоны за исследуемый период изменялось в диапазоне 15,7–15,9 кг/м3, что в шкале глубин соответствует интервалу ~ 40 м. Вертикальное распределение сероводорода характеризуется в большей степени изопикническим характером, граница появления сероводорода располагается в интервале условной плотности 16,10–16,15 кг/м3. Максимум концентрации нитратов не превышает 4 мкМ и располагается в диапазоне 15,2–15,5 кг/м3. Показано, что содержание окисленных форм азота в водной толще практически вернулось к доэвтрофикационному уровню. Содержание ионов аммония в аэробной и субкислородной зонах преимущественно не превышает 0,5 мкМ, увеличение концентрации начинается с глубины изопикнической поверхности появления сероводорода σt = 16,10–16,15 кг/м3. Максимальные концентрации ионов аммония отмечены на глубинах 1800 м и ниже со значениями 96 ± 5 мкМ, что соответствует ранее полученным данным. Для вертикального распределения фосфатов характерны минимум (˂ 0,5 мкМ) содержания при σt = 15,8 кг/м3 и максимум (не > 8 мкМ) на изопикне σt =16,2 кг/м3. Содержание сероводорода на глубинах > 1750 м в Черном море в настоящий момент составляет 383 ± 2 мкМ. Значение рН поверхностного слоя вод составляло 8,29–8,38, ниже глубины ~ 50 м оно снижалось до 7,67. Общая щелочность менялась в пределах 3268–3335 мкМ, глубже условной плотности 16,0 кг/м3 резко увеличивалась, достигая максимального значения ~ 4360 мкМ в придонном слое вод. Полученные результаты подтверждают устойчивость положения выявленных ранее особенностей вертикального распределения гидрохимических компонентов и диапазонов изменения их концентрации. В пространственном распределении биогенных элементов прослеживается снижение концентраций по направлению от прибрежных к глубоководным районам. Одним из внешних источников поступления биогенных элементов в Черное море являются атмосферные осадки. На синоптических пространственно-временных масштабах они могут вносить максимальный вклад в поступление неорганического азота, фосфатов и кремнекислоты в поверхностный слой вод моря.

Ключевые слова

Черное море, сероводород, распределение биогенных элементов, атмосферные осадки, гидрохимический режим

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания FNNN-2021-0004 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».

Для цитирования

Характеристики состояния и эволюции гидрохимической структуры вод Черного моря / А. В. Вареник [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 6. С. 867–892. EDN NPXXNC.

Varenik, A.V., Kondratyev, S.I., Medvedev, E.V., Khoruzhiy, D.S. and Orekhova, N.A., 2023. Characteristics of State and Evolution of the Black Sea Hydrochemical Structure. Physical Oceanography, 30(6), pp. 826-850.

Список литературы

  1. Black Sea Oceanography: Results from the 1988 Black Sea Expedition / Ed. J. W. Murray. Amsterdam : Elsevier, 1991. P. S655–S1266. (Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers ; vol. 38, suppl. 2).
  2. Black Sea Oceanography, Harmful Algal Blooms / Eds. J. W. Murray, P. M. Gilbert, G. C. Pitcher. Rockville, Maryland, U. S. : TOS, 2005. (Oceanography ; vol. 18, no. 2). 262 p.
  3. Konovalov S. K., Murray J. W. Variations in the chemistry of the Black Sea on a time scale of decades (1960–1995) // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 217–243. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00054-9
  4. Региональные особенности, устойчивость и эволюция биогеохимической структуры вод Черного моря / Под ред. В. Н. Еремеева, С. К. Коновалова. Севастополь, 2012. С. 273– 300.
  5. Кривошея В. Г., Овчинников И. М., Скирта А. Ю. Межгодовая изменчивость обновления холодного промежуточного слоя Черного моря // Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря / Под ред. А. Г. Зацепина, М. В. Флинта. М. : Наука, 2002. С. 27–39.
  6. Белокопытов В. Н. Межгодовая изменчивость обновления вод холодного промежуточного слоя Черного моря в последние десятилетия // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 5. С. 33–41.
  7. Formation and changes of the Black Sea cold intermediate layer / S. Miladinova [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 11–23. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.07.002
  8. Stevens C. J., David T. I., Storkey J. Atmospheric nitrogen deposition in terrestrial ecosystems: Its impact on plant communities and consequences across trophic levels // Functional Ecology. 2018. Vol. 32, iss. 7. P. 1757–1769. https://doi.org/10.1111/1365-2435.13063
  9. Impacts of atmospheric anthropogenic nitrogen on the open ocean / R. A. Duce [et al.] // Science. 2008. Vol. 320, iss. 5878. P. 893–897. doi:10.1126/science.1150369
  10. Desert dust and anthropogenic aerosol interactions in the community climate system model coupled-carbon-climate model / N. Mahowald [et al.] // Biogeosciences. 2011. Vol. 8, iss. 2. P. 387–414. https://doi.org/10.5194/bg-8-387-2011
  11. Influence of atmospheric dry deposition of inorganic nutrients on phytoplankton biomass in the coastal Bay of Bengal / K. Yadav [et al.] // Marine Chemistry. 2016. Vol. 187. P. 25–34. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2016.10.004
  12. Impact of anthropogenic atmospheric nitrogen and sulfur deposition on ocean acidification and the inorganic carbon system / S. C. Doney [et al.] // PNAS. 2007. Vol. 104, no. 37. P. 14580– 14585. https://doi.org/10.1073/pnas.0702218104
  13. Acidification of the coastal Bay of Bengal by aerosols deposition / V. R. Kumari [et al.] // Journal of Earth System Science. 2021. Vol. 130. 223. https://doi.org/10.1007/s12040-02101723-x
  14. Boyd P. W., Mackie D. S., Hunter K. A. Aerosol iron deposition to the surface ocean – Modes of iron supply and biological responses // Marine Chemistry. 2010. Vol. 120, iss. 1–4. P. 128– 143. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2009.01.008
  15. Goyet C., Bradshaw A. L., Brewer P. G. The carbonate system in the Black Sea // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1991. Vol. 38, Suppl. 2. P. S1049–S1068. doi:10.1016/S0198-0149(10)80023-8
  16. Маккавеев П. Н. Растворенный неорганический углерод и общая щелочность в анаэробных водах Черного моря // Океанология. 1995. Т. 35, № 4. С. 537–543.
  17. Hiscock W. T., Millero F. J. Alkalinity of the anoxic waters in the Western Black Sea // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1787– 1801. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.05.020
  18. Кондратьев С. И., Медведев Е. В., Коновалов С. К. Величины общей щелочности и рН в водах Черного моря в 2010–2011 годах // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 4. С. 36–47. doi:10.22449/0233-7584-2017-4-36-47
  19. Кондратьев С. И., Видничук А. В. Особенности вертикального распределения кислорода и сероводорода в Черном море по экспедиционным данным Морского гидрофизического института в 1995–2015 годах // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 5. С. 422–433. doi:10.22449/0233-7584-2018-5-422-433
  20. Кондратьев С. И., Видничук А. В. Вертикальное распределение кислорода и сероводорода в Черном море в 2016 г. // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2020. № 3. С. 91–99.
  21. Кондратьев С. И., Хоружий Д. С. Вертикальное распределение форм фосфора в Черном море по экспедиционным данным 2016–2019 годов // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 5. С. 579–590. doi:10.22449/0233-7584-2021-5-579-590
  22. Кондратьев С. И., Вареник А. В., Орехова Н. А. Неорганические формы азота в глубоководной части Черного моря по экспедиционным данным 2016–2019 годов // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 2. С. 205–219. EDN FGONIQ. doi:10.29039/02337584-2023-2-205-219
  23. Carpenter J. H. The Chesapeake Bay Institute technique for the Winkler dissolved oxygen method // Limnology and Oceanography. 1965. Vol. 10, iss. 1. P. 141–143. doi:10.4319/lo.1965.10.1.0141
  24. Solórzano L. Determination of ammonia in natural waters by the phenolhypochlorite method // Limnology and Oceanography. 1969. Vol. 14, iss. 5. P. 799–801. https://doi.org/10.4319/lo.1969.14.5.0799
  25. Methods of seawater analysis / Eds. K. Grasshoff, M. Ehrhardt, K. Kremling. Weinheim : Verlag Chemie, 1983. 419 p.
  26. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 с.
  27. Циркуляция вод в северной части Черного моря летом – зимой 2018 года / Ю. В. Артамонов [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 1. С. 69–90. doi:10.22449/2413-5577-2020-1-69-90
  28. Nitrogen budget on the shelf and slope area of the Back Sea basin as inferred from modeling experiments / M. Gregoire [et al.] // Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea / Ed. A. Yilmaz. Ankara, Turkey : TUBITAK, 2003. P. 314–321.
  29. Джиганшин Г. Ф., Полонский А. Б., Музылева М. А. Апвеллинг в северо-западной части Черного моря в конце летнего сезона и его причины // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 4. С. 45–57.
  30. Millero F. J. The Marine inorganic carbon cycle // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107, iss. 2. P. 308–341. https://doi.org/10.1021/cr0503557
  31. Zeebe R. E., Wolf-Gladrow D. CO2 in seawater: equilibrium, kinetics, isotopes. Amsterdam : Elsevier, 2001. 360 p. (Elsevier Oceanography Series ; vol. 65).
  32. Capet A., Vandenbulcke L., Grégoire M. A new intermittent regime of convective ventilation threatens the Black Sea oxygenation status // Biogeosciences. 2020. Vol. 17, iss. 24. P. 6507– 6525. https://doi.org/10.5194/bg-17-6507-2020
  33. Видничук А. В., Коновалов С. К. Изменение кислородного режима глубоководной части Черного моря за период 1980–2019 годы // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 2. С. 195–206. doi:10.22449/0233-7584-2021-2-195-206
  34. Spatial and temporal variability in the chemical properties of the oxic and suboxic layers of the Black Sea / S. Tuğrul [et al.] // Journal of Marine Systems. 2014. Vol. 135. P. 29–43. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.09.008
  35. Nitrogen cycling in the offshore waters of the Black Sea / J. J. McCarthy [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2007. Vol. 74, iss. 3. P. 493–514. doi:10.1016/j.ecss.2007.05.005
  36. Detection of Transient Denitrification During a High Organic Matter Event in the Black Sea / C. A. Fuchsman [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2019. Vol. 33, iss 2. P. 143–162. https://doi.org/10.1029/2018GB006032
  37. Murray J. W., Konovalov S. K., Callahan A. Nitrogen reactions in the suboxic zone of the Black Sea: new data and models // Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea / Ed. A. Yilmaz. Ankara, Turkey : TUBITAK, 2003. P. 591–602.
  38. Гидрохимические исследования в 33-м рейсе научно-исследовательского судна «Профессор Колесников» / Л. В. Еремеева [и др.]. Севастополь, 1995. 42 с. (Препринт / МГИ).
  39. Nutrients in the western Black Sea area. Spatial and vertical distribution / A. Krastev [et al.] // Proceedings of the 1st Biannual Scientific Conference: Black Sea Ecosystem 2005 and Beyond. Istanbul, Turkey, 2006. P. 93–105.

Скачать статью в PDF-формате