Отчет о работе за 2003 г.
Подпроект 5.6: «Исследование текущих проявлений изменений климата в природной среде арктических морей»

Подпрограммы ФЦП “Исследование природы Мирового океана” тема: «Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов арктических морей России и Северного Ледовитого океана».

1. Изучение изменений среднего уровня арктических морей.
В рамках работ данного направления в 2003 году было осуществлено формирование электронного архив уровенных данных по арктическим морям России.

Инструментальные измерения уровня в арктических морях России начались в 1920-ые и 1930-ые годы. Регулярные наблюдения за уровнем были начаты в Карском море на станции о. Диксон в 1933 г., в море Лаптевых в бухте Тикси в 1934 г., в Восточно-Сибирском море на станции бухта Амбарчик в 1939 г., в Чукотском море на станции Мыс Шмидта в 1935 г. В 1980-ые годы наблюдения за уровнем в арктических морях велись на более чем 65 станциях. Однако в 1990-ые годы произошло резкое сокращение сети полярных станций, в настоящее время наблюдения за уровнем моря в Арктике ведутся только на 21 станции.

До конца 1940-ых – начала 1950-ых годов наблюдения за уровнем моря не привязывались к постоянной высотной основе, что делает невозможным использование этих данных в многолетнем анализе изменчивости уровня. По данным наблюдений за уровнем арктических морей после перехода к постоянной высотной основе в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте были рассчитаны среднемесячные и среднегодовые уровни по каждой станции, а результаты этих вычислений сведены в электронный архив "Аномалии среднемесячных и среднегодовых уровней по станциям арктических морей России" (Таблица 1).

Электронный архив включает в себя числовые массивы, представленные на технических носителях в виде таблиц, записанных в текстовом формате MS-DOS и экспортированных в электронные таблицы Excel. В архиве представлены значения среднемесячных и среднегодовых уровней моря по 71 пункту арктических морей. Географический район, представленный базой данных, охватывает акватории морей Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского, от Шпицбергена до Берингова пролива. Временной интервал рядов данных составляет от 24 до 52 лет.

Числовые массивы данных получены в результате обработки четырехсрочных наблюдений за колебаниями уровня моря, выполняемых в стандартные синоптические сроки: 00, 06, 12, 18 СГВ. Для производства наблюдений используются уровнемерные посты, оборудованные уровенными рейками с ценой деления 1 см. Определение высотного положения нуля уровенной рейки относительно нуля поста и контроля неизменности высотного положения систематически осуществляется нивелирование реперов и измерительных устройств. Высота уровня измеряется относительно нуля поста, за который может быть принят «единый нуль поста», то есть горизонт, лежащий на 5,000 м ниже нуля Кронштадтского футштока (Балтийская система – БС), или условный нуль поста. На большинстве островных станций арктических морей измерения уровня осуществляются относительно условного нуля. При этом необходимо отметить, что при анализе временного хода колебаний уровня, сравнения скоростей и тенденций изменения положения уровня система отсчета высоты уровня существенного значения не имеет, в связи, с чем среднемесячный уровень в базе данных представлен в отклонениях от среднемноголетнего значения.
Таблица 1.

Характеристика электронного архива "Аномалии среднемесячных и среднегодовых уровней по станциям арктических морей России".

			Координаты			Система	Период охвата данными и их источник
Индекс	Станция	Море				отсчета	Полный	На основе	На основе
			Октант	Широта	Долгота	уровня	период	ЕДМ	оперативной БД
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
25042	Айон о.	Восточно-Сибирское	1	69 56	167 59	БС	1954–2000	1954–2000	–
25034	Амбарчик	Восточно-Сибирское	1	69 37	162 18	БС	1950–2000	1950–1999	2000
23022	Амдерма	Карское	1	69 45	61 42	БС	1950–2000	1950–1989	1990–2000
21608	Анабар	Лаптевых	1	73 13	113 30	БС	1991–2000	1991–96,98–00	–
21301	Андрея о.	Лаптевых	1	76 48	110 45	условная	1951–1999	1951–1990	1991–1999
23058	Антипаюта	Карское	1	69 05	76 51	БС	1965–1988	1965–1988	–
20107	Баренцбург	Гренландское	1	78 04	14 15	условная	1948–1993	1948–1993	–
23024	Белый Нос м.	Баренцево	1	69 36	60 13	условная	1957–1980	1957–1980	–
25062	Биллингса м.	Восточно-Сибирское	1	69 53	175 46	БС	1953–1995	1953–1995	–
20946	Болванский Нос (им.Федорова) м.	Карское	1	70 27	59 05	БС	1951–1993	1951–1989	1990–1993
21541	Земля Бунге	Восточно-Сибирское	1	74 53	142 07	БС	1951–1987	1951–1987	–
21826	Буорхая м.	Лаптевых	1	71 57	132 46	БС	1954–1993	1954–1993	–
21821	Быков Мыс	Лаптевых	1	72 00	129 07	БС	1991–1998	1991–96,98	–
21978	Валькаркай	Восточно-Сибирское	1	70 05	170 56	БС	1956–1993	1956–1993	–
25282	Ванкарем	Чукотское	7	67 50	175 50	БС	1950–2000	1950–2000	–
20069	Визе о.	Карское	1	79 30	76 59	условная	1953–2000	1953–1989	1990–2000
21982	Врангеля о.	Чукотское	7	70 59	178 29	условная	1950–2000	1950–2000	–
20294	Гейберга о.	Карское	1	77 36	101 31	условная	1951–1995	1951–1989	1990–1995
20087	Голомянный о.	Карское	1	79 33	90 37	условная	1954–2000	1954–1989	1990–2000
20674	Диксон о.	Карское	1	73 30	80 24	условная	1950–1997	1950–1989	1990–1997
21613	Дунай о.	Лаптевых	1	73 56	124 30	условная	1951–2000	1951–2000	–
20353	Мыс Желания	Карское	1	76 57	68 33	условная	1951–1996	1951–1989	1990–1996
21358	Жохова о.	Восточно-Сибирское	1	76 09	152 50	БС	1959–1993	1959–1993	–
20471	Известия ЦИК о–ва	Карское	1	75 57	82 57	условная	1954–2000	1954–1989	1990–2000
20277	Исаченко о.	Карское	1	77 09	89 12	условная	1954–1993	1954–1989	1990–1993
21636	Кигилях м.	Лаптевых	1	73 20	139 52	БС	1951–2000	1951–2000	–
25286	Колючин о.	Чукотское	7	67 29	174 39	условная	1950–1991	1950–1991	–
20696	Косистый м.	Лаптевых	1	73 39	109 44	условная	1954–1989	1954–1989	–
21432	Котельный о.	Лаптевых	1	76 00	137 52	БС	1951–2000	1951–2000	–
20186	Краснофлотские о–ва	Карское	1	78 36	98 50	условная	1954–1987	1954–1987	–
20046	им. Кренкеля (Хейса о.)	Баренцево	1	80 37	58 03	условная	1962–1991	1962–1991	–
20766	Лескина м.	Карское	1	72 19	79 34	условная	1951–1989	1951–1989	–
20744	Малые Кармакулы	Баренцево	1	72 22	52 42	БС	1950–2000	1950–1980	1981–2000

Продолжение таблицы 1.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
20199	Малый Таймыр о.	Лаптевых	1	78 05	106 49	условная	1950–1991	1950–1991	–
21728	Малышева о.	Лаптевых	1			условная	1954–1980	1954–1980	–
21405	Марии Прончищевой б.	Лаптевых	1	75 32	113 26	условная	1951–1970	1951–1970	–
20856	Моржовая (Харасавей м.)	Карское	1	71 25	67 35	БС	1954–1994	1954–1989	1990–1994
21825	Муостах о.	Лаптевых	1	71 33	130 02	условная	1951–1995	1951–1995	–
22113	Мурманск	Баренцево	1	68 58	33 03	БС	1952–2000	1952–2000	–
25173	Мыс Шмидта	Чукотское	7	68 54	179 22	БС	1950–1994	1950–1994	–
21923	Найба	Лаптевых	1	70 51	130 45	БС	1979–1995	1979–1995	–
21853	Немкова о.	Восточно-Сибирское	1	71 25	150 45	условная	1956–1980	1956–1980	–
25392	Неттен	Чукотское	7	66 58	171 56	БС	1950–1995	1950–1995	–
25051	Певек	Восточно-Сибирское	1	69 42	170 15	БС	1950–2000	1950–2000	–
20097	Песчаный м.	Лаптевых	1	79 26	102 29	условная	1962–1993	1962–1993	–
20667	им. Попова (Белый о.)	Карское	1	73 20	70 03	БС	1951–1989	1951–1989	–
20388	Правды о–ва	Карское	1	76 16	94 46	условная	1950–1994	1950–1989	1990–1994
21504	Преображения о.	Лаптевых	1	74 40	112 56	условная	1951–1991	1951–1991	–
25594	Провидения	Берингово	7	64 25	173 14	условная	1951–1983	1951–1983	–
25493	Ратманова о.	Чукотское	7	65 51	169 08	условная	1950–1992	1950–1992	–
25044	Рау–Чуа	Восточно-Сибирское	1	69 30	166 35	БС	1950–2000	1950–2000	–
20357	Русская Гавань	Баренцево	1	76 11	62 35	условная	1953–1993	1953–1993	–
20289	Русский о.	Карское	1	77 10	96 26	условная	1951–1989	1951–1989	–
21627	Сагыллах–Ары о.	Лаптевых	1			условная	1962–1980	1962–1980	–
21535	Санникова пр.	Лаптевых	1	74 40	138 54	БС	1950–2000	1950–2000	–
21733	Святой Нос м.	Лаптевых	1	72 50	140 44	БС	1951–1987	1951–1987	–
20967	Се–Яха	Карское	1	70 09	72 34	БС	1967–1992	1967–1989	1992
20291	Солнечная б.	Карское	1	78 12	103 16	условная	1951–1989	1951–1989	–
20871	Сопочная Карга	Карское	1	71 52	82 42	условная	1958–1998	1958–1989	1990–1998
20476	Стерлегова м.	Карское	1	75 25	88 54	условная	1950–1995	1950–1989	1990–1995
20964	Тадибе–Яха	Карское	1	70 22	72 34	БС	1955–1989	1955–1989	–
21611	Терпяй–Тумса м.	Лаптевых	1	73 33	118 40	БС	1956–1998	1956–1998	–
21824	Тикси	Лаптевых	1	71 35	128 55	БС	1949–2000	1949–2000	–
20274	Уединения о.	Карское	1	77 30	82 12	условная	1953–1995	1953–1989	1990–1995
23029	Усть–Кара	Карское	1	69 15	64 31	БС	1950–2000	1950–1989	1990–2000
21711	Усть–Оленек	Лаптевых	1	73 00	119 52	условная	1950–1998	1950–1980	1995–1998
20292	им. Федорова (Челюскина м.)	Карское	1	77 43	104 18	условная	1950–2000	1950–1989	1990–2000
21965	Четырехстолбовой о.	Восточно-Сибирское	1	70 38	162 29	условная	1951–1994	1951–1994	–
21647	Шалаурова м.	Восточно-Сибирское	1	73 11	143 14	БС	1950–2000	1950–1999	2000
23021	Югорский Шар пр.	Карское	1	69 49	60 45	БС	1950–1989	1950–1989	–
21834	Юэдей	Лаптевых	1	71 31	136 25	условная	1953–1994	1953–1980	1988–1994

2. Изучение изменений циркуляции вод арктических морей.
На начальном этапе работ данного направления была осуществлена подоборка натурной информации по течениям слабо освещенных наблюдениями сильноледовитых западных частей морей Лаптевых и Восточно-Сибирского , а также обособленной ранее зарубежной восточной части Чукотского моря. Информация эта использована при составлении, впервые построенных карт непериодических течений поверхностного слоя (0-10 м) всех морей Сибирского шельфа, от Новой Земли до Аляски, в теплый сезон (август–сентябрь). Все расчеты остаточных течений выполнены с использованием графо–аналитического метода расчета структуры остаточного течения (сокращенно метод ГРАМ), предложенного Г.А. Баскаковым. Метеорологической основой метода ГРАМ является типизация атмосферных процессов над морями Российской Арктики, разработанная в ОДМП ААНИИ А.А. Дмитриевым. В результате появилась возможность впервые составить карты течений не по одной карте, что в силу ряда соображений малосовершенно, а раздельно по выделенным нами двум группам типов атмосферных процессов – группе А и группе Б, что полнее отражает реальную картину течений в море. При атмосферных условиях, отражаемой типами группы А, в поверхностном слое морей Карского и Чукотского формируются или усиливаются выносные течения, идущие в генеральном направлении из южной половины горизонта в северную. В морях Лаптевых и Восточно-Сибирском в таких ситуациях преобладают переносы вод в генеральном направлении с запада на восток. При условиях, отражаемых атмосферными процессами групп Б – картина обратная: в поверхностном слое морей Карского и Чукотского преобладает перенос вод с севера на юг, а в море Лаптевых и Восточно-Сибирском – с востока на запад.

Создан электронный архив данных натурной информации по течениям, измеренным на многосуточных АБС у о-ва Белого в теплый сезон (август-октябрь), в период с 1957 по 1979 гг. Характеристики течений (направление и скорость) фиксировались на АБС самописцами системы Ю.К.Алексеева типов БПВ и ЭСТ.

Архив содержит информацию о метаданных (год, день и час постановки и снятия прибора с горизонта, географические координаты места постановки – широта и долгота, глубина моря, название судна, с которого производилась постановка АБС, шифр экспедиции и дискретность измерений), а также непосредственно измеренные значения суммарных течений. Всего по стандартной точке №1 занесено в банк данных 8077 отпечатков характеристик течений. Уникальный массив натурной информации дает возможность исследовать изменчивость динамики вод – течений и колебаний уровня моря, в районе о-ва Белый.
3. Исследование гидро- и биогеохимических характеристик морей восточного сектора Арктики.

В 2003 г. в рамках проекта проводилось изучение биогеохимического и седиментационного режима морей Восточной Арктики. С этой целью были выполнены три экспедиции: в Чукотское море (работы под припайным льдом, февраль-март 2003 г.); верховья реки Лены – дельта - море Лаптевых (июнь-август 2003 г.); Восточно-Сибирское море (сентябрь 2003 г.). Отобраны пробы воды, донных осадков и взвеси для анализа (биогены, биомаркеры, растворенное и взвешенное органическое вещество, размерный, изотопный и химический состав) с целью изучения роли терригенного вещества в биогеохимическом и седиментологическом режиме полярных шельфов. Дополнительно исследовалась гидробиологическая структура вод и бентосная фауна.

3.1. Российско-американская экспедиция в Восточно-Сибирское море

Работы проводились в прибрежно-шельфовой зоне Восточно-Сибирского моря от пролива Дмитрия Лаптева до пролива Лонга на борту ГС «Иван Киреев» 12-23 сентября 2003 г. (рисунок 1). Выполнено 44 океанологических станции.

Рисунок 1. Схема расположения станций (ГС «Иван Киреев»)

Для выполнения программы работ экспедиция была оснащена новейшим научным оборудованием. Так, например, выполнены прямые инструментальные измерения парциального давления СО₂ с использованием высокопрецизионного мембранного сенсора SAMI CO₂, что позволило получить распределение величины рСО₂ по трассе работы судна. Кроме того, проводились прямые измерения вертикального распределения мутности, флюоресценции, фотосинтетически активной проникающей солнечной радиации.

Предварительные результаты исследований позволяют районировать изученную акваторию моря на две различные биогеохимических провинции: восточную - высокопродуктивную и подверженную влиянию Тихоокеанских вод, и западную - низкопродуктивную и подверженную сильному влиянию речного стока Лены - Колымы – Индигирки и выносу взвешенного реликтового органического вещества.

3.2. Исследования цикла углерода в зимне-весенний период в Чукотском море

Впервые выполнены высокопрецизионные измерения рСО₂ под припайным льдом Чукотского моря при помощи автономного сенсора SAMI-CO₂. Сенсор помещался под лед на глубину 2.5 м и каждые 30 мин фиксировал температуру и рСО₂. Работа осуществлялась совместно с IARC/UAF и ААНИИ (ФЦП «Мировой океан»). В конце февраля продолжался рост парциального давления СО₂ в подледной воде, а в марте наблюдалось резкое снижение величин рСО₂ (от 410 до 288 μатм) (рисунок 2). Первые результаты подтверждают гипотезу о раннем начале фотосинтеза подо льдом в морях Арктики.

Рисунок 2. Распределение величин рСО₂ в подледной воде Чукотского моря:

- в дневное время, - в ночное время.
Совместно с Международным Арктическим научным центром Университета Аляска, Фэрбанкс начаты исследования по переносу СО₂ через толщу морские льдов в разные сезоны года.

Трехмерные потоки углекислого газа над припайным льдом вблизи м. Барроу определялись с помощью метеорологической установки и рСО₂-сенсора, а также камерно-динамическим методом. Предварительные результаты, полученные на припайном льду вблизи мыса Барроу в июне, показали значимый сток атмосферного СО₂ через толщу льда.

3.3. Исследование структуры потоков и седиментации осадочного материала в пределах арктического пролива с термоабразионными берегами

Для изучения осадочных и биогеохимических процессов в прибрежно-шельфовой криолитозоне арктических морей Северо-востока России, в проливе Дмитрия Лаптева Восточно-Сибирского моря в начале сентября 2000 и 2002 г.г. выполнен обширный комплекс океанографических наблюдений. Они включали седиментологические, биогеохимические, гидрофизические, гидрохимические и гидробиологические виды работ. Ниже представлены краткие результаты проведенных исследований.

3.3.1. Формирование пространственной структуры распределения осадочного материала

Пространственное распределение взвеси в безледный период отражает взаимодействие двух сопоставимых по значимости факторов - рельефа дна и характера циркуляции вод между смежными морями Лаптевых и Восточно-Сибирским. Особенности циркуляции вод определялись влиянием нестационарных потоков синоптического масштаба, мобилизующих осадочный материал из берегового источника и постоянным течением в Восточно-Сибирское море, генерирующим вдольбереговой перенос осадочного материала. По указанным причинам в проливе сформировалась циркумтерральная широтная структура (вдоль изобат, параллельно береговой линии) распределения взвеси с минимальными значениями в водах осевой фронтальной части пролива.

За исключением вод над термокарстовой западиной и реликтом субаэрального банкой Святого Диомида, различия в характере вертикального распределения взвеси во впадине пролива отсутствуют.

Взаимодействие донного рельефа и динамики вод обусловливает формирование мелкомасштабных барьерных зон (механических седиментационных, гидродинамических), контролирующих локализацию участков эрозии, транзита и аккумуляции осадочного материала.

3.3.2. Элементный и изотопный состав органического вещества взвеси

Для выявления генетической природы органического вещества осадочного материала, во взвеси пролива изучены несколько информативных аналитических параметров, характеризующих его состав на элементном (общий азот TN, органический углерод OC, молярное отношение C/N) и изотопном (¹³C) уровнях.

Основные черты распределения органического углерода заключаются в следующем:

- содержание варьировало в невысоких пределах и в среднем составляло 0.25%;

- максимальные значения (более 1%) отмечены вне пределов сгонных осушек - над склонами, впадиной пролива и реликтовыми формами субаэрального рельефа. Вертикальная изменчивость величин ОС здесь достигала 2-3 раз с максимумами величин как в поверхностных водах, так у дна;

- величины от 1 до 0.1% зафиксированы во взвеси только над осушками и прилегающими к ним надсклоновыми водами. Характер вертикального распределения ОС здесь стабилен и однороден по значениям.

Распределение общего азота в целом повторяет отмеченную схему, очевидно вследствие того, что азот участвует в совместных биогеохимических циклах.

Диапазон величин молярного C/N-отношения невелик. Крайние величины ряда были ограничены значениями 7.5-9.7 (8.1), что может указывать на терригенный источник.

Пространственные различия величин стабильного изотопа ¹³C выражены слабо и ограничены диапазоном -26.44 - -27.45 ‰ (-26.81 ‰). Исходя из этого, при изотопном различии всего 1.01 ‰, состав органического вещества взвеси определяется терригенным источником за счет вклада продуктов термоабразии. Наблюдаемая относительная пространственная однородность изотопного состава ¹³С_орг может объясняться:

- сходством генетической природы органического вещества;

- унаследованностью изотопного состава наземного органического вещества вследствие близости его источника;

- однородной пространственной и вертикальной гидрологической структурой вод;

- отстутствием или слабо проявляющимся влиянием органического вещества, поставляемого с речным стоком.
3.4. Анализ материалов экспедиций в Восточную Арктику 2000-2002 гг.
3.4.1. Трансарктическая экспедиция – 2000.

Детально рассмотрена гидрологическая и гидрохимическая структура вод Восточно-Сибирского моря, где по T-S характеристикам в Восточно-Сибирском море выделяются три группы вод различного происхождения.

Распресненные воды западной части моря имеют однородную по вертикали структуру. Двухслойная структура вод обнаружена на самой северной станции «индигирского» полигона, в зоне смешения во р.Колымы. а также в восточной части моря и проливе Лонга.

Распределение биогенных элементов главным образом, определяется двумя причинами. Продукционно-деструкционными процессами (главная причина для "соленых" вод, S> 26.5 psu) и влиянием речного стока (играет заметную роль для вод S< 26 psu). В придонных горизонтах играет роль взаимодействие в системе вода - донные осадки, а в непосредственной близости к береговой линии – разрушение берегов.

Изменчивость силикатов связана с процессами смешения в распресненных водах и позволяет использовать их в качестве трассера последних.

Концентрация фосфатов более 1,5мкМ также относятся к придонным водам высокой солености, от 1 до 1,5мкМ – к «колымским» водам, а меньше 1мкМ - к распресненным водам пролива Дм.Лаптева и поверхностным водам восточной части и пролива Лонга.

Содержание растворенного неорганического азота на большинстве станций составляет 0-2 мкМ, увеличиваясь до 5,5 мкМ в районах влияния речных вод и побережья и до 10-15 мкМ в придонных слоях полива Лонга.

Исследования соотношения между содержанием неорганического азота (суммы нитритов и нитратов) и фосфатов позволило выявить «дефицит» нитратов. Соотношение между этими формами биогенных элементов существенно ниже известных стехиометрических соотношений Ричардса–Редфильда и не превышает 4 в распресненных водах западной части моря, в то время как в восточной части моря достигает 6,6. Значительное увеличение N/P отношения в водах восточной части обусловлено "потерей" биогенного азота за счет денитрификации в осадках исследуемого района. Причем, в придонных горизонтах прибрежных вод пролива Лонга относительный прирост неорганического азота происходит в десятки, и даже сотни раз быстрее, чем фосфатов.

3.4.2. Зимняя санно-тракторная экспедиция - 2002

На примере изучения вод залива Неелова и губы Буорхая в зимний сезон показано, что даже при минимальном речном стоке в период зимней межени речные воды оказывают значимое влияние на гидрохимический режим прибрежных вод.

Динамика карбонатной системы вод и высокие значения парциального давления двуокиси углерода обусловлены как сменой режима речного питания, так и деструкцией органического вещества аллохтонного и автохтонного происхождения.
3.5. Изучение межгодовой изменчивости гидрохимических характеристик вод

Исследовано распределение гидрохимических характеристик Чукотского моря при разных фазах арктических осцилляций (АО). В качестве индикатора водных масс был выбран кремний. На основе данных гидрохимического атласа (Hydrochemical Atlas of the Arctic Ocean /AARI-IARC) и материалов, имеющихся в ТОИ ДВО РАН, выполнен предварительный анализ распределения растворенного кремния в водах Чукотского моря. С целью выяснения особенности распределения гидрохимических параметров при различных циркуляционных модах в отдельные годы были рассчитаны средние характерные для разных фаз АО поля гидрохимических параметров (кремния), построены карты распределения кремния на поверхности, на глубине 30 м и придонном горизонте, а также разрезы через пролив Лонга из Восточно-Сибирского моря в Чукотское.

11.12.2003

Научный руководитель подпроекта И.М. Ашик