Поток СО₂ на границе с атмосферой в северо-восточной части Черного моря

Полный текст

Введение

Глобальный цикл природных веществ включает их перенос между различными биогеохимическими резервуарами, регулирующий баланс и бюджет веществ в атмо-, лито-, гидросфере. Одним из таких природных циклов является цикл углерода, важнейшим компонентом которого является углекислый газ (СО₂) ¹ [1–5].

СО₂ относится к климатообразующим веществам [1–6], его поступление в атмосферу и дальнейшее перераспределение в водах Мирового океана не только играет значительную роль в формировании климата на Земле [1], но и влияет на характеристики вод [1, 6, 7].

Воды Мирового океана, несмотря на непрерывный рост уровня атмосферного СО₂ (около 0.4 % в год) и достигнутое к настоящему времени содержание – более 420 мкатм (URL: https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/mlo.html), все еще являются его естественным стоком. Они поглощают до 25 % атмосферного СО₂ антропогенного происхождения, тем самым способствуя снижению концентрации СО₂ в атмосфере [7]. Однако его накопление в водной толще ведет к негативным последствиям для экосистем всего Мирового океана, что проявляется в нарушении природных равновесий, в частности карбонатных, уменьшении рН, снижении концентрации кислорода и появлении зон его дефицита. Со временем снижается способность океана поглощать углекислый газ из атмосферы [8–10], а в крайних случаях воды могут стать источником СО₂ для атмосферы [7].

Первичным фактором, определяющим влияние СО₂ на состояние морских систем, является его поток из атмосферы, который зависит при прочих равных условиях от соотношения парциального давления СО₂ в приводном слое атмосферы и равновесного парциального давления СО₂ в поверхностном слое вод. Это соотношение определяет направление и величину потока СО₂.

Важным аспектом исследований потока СО₂ на границе с атмосферой и величины рСО₂ в поверхностном слое вод является изучение характера изменений на масштабах времени от сезонного до межгодового, что связано со значительной пространственно-временной изменчивостью биологических и физических процессов, влияющих на эти характеристики.

Внутренние моря, по сравнению с открытыми районами Мирового океана, характеризуются более интенсивным протеканием физических и биогеохимических процессов. Вследствие этого их экосистема более динамична на временно́м и пространственном масштабах и любое внешнее воздействие проявляется быстрее. К таким проявлениям относится прежде всего изменение характеристик системы: концентрации кислорода и СО₂, величины рН, а также скорости и направления продукционно-деструкционных процессов [10]. Кроме того, эти экосистемы характеризуются более выраженным откликом на изменение концентрации СО₂ в атмосфере, что проявляется в первую очередь в смещении равновесий карбонатной системы, а также изменении окислительно-восстановительных условий ¹⁾ [5–7, 10].

Исследование внутренних морей позволяет не только изучить влияние атмосферного СО₂ на характеристики вод, но и оценить вклад региональных экосистем в общий бюджет потока СО₂ вод Мирового океана.

Одним из таких внутренних морей является Черное море. Характеристики шельфовых вод северной части моря в значительной степени определяются пресноводным речным стоком и атмосферным вкладом, северо-восточной части – азовоморскими водами, глубоководной части – Основным Черноморским течением [11]. Для этого моря отмечается широкий диапазон изменения солености и температуры [11], высокая интенсивность и сезонные изменения первично-продукционных процессов [12], высокие значения щелочности, содержания общего неорганического углерода [13–15]. Все это в значительной мере определяет состояние карбонатной системы вод моря, содержание СО₂ в поверхностном слое вод моря и формирование потока СО₂ на границе с атмосферой. Перечисленные выше факторы подвержены сезонной изменчивости; соответственно, и концентрация СО₂ и поток СО₂ также проявляют внутригодовую изменчивость.

Можно предположить, что в холодный период концентрация СО₂ должна определяться прежде всего абиотическим фактором – температурой и вертикальным переносом СО₂ глубинными водами, а также обменными процессами на границе с атмосферой. В летний период преобладающим фактором должен быть биотический вследствие протекания биогеохимических процессов с участием органического вещества.

Целью данной работы было получить количественные оценки потока СО₂ на границе с атмосферой и выявить его направленность, а также выделить факторы, определяющие величину потока СО₂ в районе Крымского побережья Черного моря в холодный период, когда преобладает вклад абиотического фактора.

Ранее оценки потока СО₂ для данной экосистемы Черного моря выполнялись по расчетным данным [13] или для локального района [14].

Материалы и методы

В работе использованы данные, полученные в ходе экспедиционных исследований на НИС «Профессор Водяницкий» в декабре 2022 г. (125-й рейс, 02–27 декабря 2022 г.). В соответствии с [11] этот период относится к позднеосеннему.

Район исследований и схема станций отбора проб представлены на рис. 1. Исследованный полигон включает 12-мильную зону Крымского побережья в северной части Черного моря.

 

Рис. 1. Схема станций отбора проб

Fig. 1. Sampling map

 

Пробы из приводного слоя атмосферы отбирались на высоте 10 м над уровнем моря. Трубка для забора воздуха была расположена таким образом, чтобы по возможности избежать поступления СО₂ от рабочих механизмов судна. Для прямого определения объемной концентрации и парциального давления CO₂ использовался инфракрасный анализатор LI-7000 с рабочим диапазоном концентрации CO₂ 0–3000 млн^–1 и паров воды 0–60 ммоль/моль, погрешность измерений составляет менее 1 % от измеряемого значения [15].

Пробы воды отбирались из поверхностного слоя (1–3 м) с помощью системы непрерывной подачи морской воды. Далее вода с постоянной скоростью направлялась в эквилибратор, с помощью которого устанавливалось равновесие с определенным объемом атмосферного воздуха при температуре забортной воды по методике, описанной в работе [15]. Воздух из эквилибратора прокачивался с постоянной скоростью через ячейку инфракрасного анализатора LI-7000, в которой определялась концентрация СО₂ и паров воды при температуре ячейки. Температура ячейки определялась термодатчиком, установленным в ней, и была уравновешена с температурой атмосферы, окружающей эквилибратор. Далее концентрация углекислого газа переводилась в парциальное давление углекислого газа:

pCO₂ = x(CO₂) ∙ p_ATM,

где pCO₂ – парциальное давление углекислого газа, мкатм; x(CO₂) – концентрация углекислого газа, мкмоль/моль; p_ATM – атмосферное давление, атм.

Температура и соленость поверхностного слоя вод измерялись зондирующим комплексом IDRONAUT OCEAN SEVEN 320PlusM, а на мелководных станциях (менее 50 м) – гидрологическим CTD-зондом «ГАП‑АК-16».

Метеорологические параметры измерялись с помощью регистрирующей аппаратуры комплекса сбора гидрометеорологических данных [16]. Датчик измерения скорости и направления ветра устанавливался на боковом выстреле длиной 1.5 м в направлении левого борта на фок-мачте, направлением на север по курсу судна. Высота установки датчика от уровня моря составляла около 8 м. Данные прошли контроль качества с отбраковкой ненадежных фрагментов и приведены к стандартной высоте наблюдения (10 м) [17]. Согласно рекомендациям Всемирной метеорологической организации, измеренные параметры усреднялись за 10 мин, и дальнейший анализ производился уже для осредненных значений. Порывы ветра приводились как мгновенные значения скорости ветра за 5 с [17].

Значение потока углекислого газа на границе вода – атмосфера рассчитывалось по уравнениям и с допущениями, описанными в работе [18], с учетом скорости ветра и градиента рСО₂ между поверхностью моря и приводным слоем атмосферы:

 $F_{{\text{CO}}_2}$= k · K₀ · ΔpCO₂,  (1)

где $F_{{\text{CO}}_2}$ – поток углекислого газа на границе с атмосферой, ммоль·м^‒2·сут^‒1; K₀ – растворимость СО₂, моль·м^–3·атм^–1; ΔpCO₂ – градиент между парциальным давлением углекислого газа в поверхностном слое вод и в приводном слое атмосферы, атм; k – скорость газопереноса, м·сут^–1, параметризованная как функция скорости ветра:

k = 0.251·U ²·(Sc/660)^–0.5,

где U – скорость ветра, м·с^–1; Sc – число Шмидта; коэффициент 0.251 – эмпирически выведенный параметр, см·ч^–1, или·(м·с^–1)^–2 [19].

Установлено [18], что при скорости ветра более 15 м·с^‒1 интенсивность потока углекислого газа определяется состоянием поверхности моря (пузырьки, шероховатость). Скорость ветра более 15 м·с^‒1 в 125-м рейсе зафиксирована не была, таким образом, при оценке потоков учитывались только скорость ветра и градиент рСО₂.

Результаты

В декабре 2022 г. средняя скорость ветра составила 4.2 ± 3.8 м·с^‒1 при минимальной скорости 0.7 м·с^‒1, максимальной – 8.2 м·с^‒1. Температура поверхностного слоя вод изменялась в пределах 9.6–14.1 ℃ при среднем значении 13.04 ± 1.06 ℃.

Среднее значение рСО₂ поверхностного слоя вод составило 388 ± 9 мкатм, в то время как рСО₂ приводного слоя атмосферы изменялось в более узком интервале и среднее значение было 434 ± 4 мкатм. Градиент рСО₂ между поверхностным слоем вод и приводным слоем атмосферы (ΔрСО₂), таким образом, преимущественно определялся изменчивостью рСО₂ поверхностного слоя вод. Значения ΔрСО₂ изменялись в пределах от ‒32.70 до ‒70.90 мкатм, среднее значение составило ‒45.64 ± 8.56 мкатм. Можно отметить, что поверхностный слой вод в период исследований был недонасыщен углекислым газом по отношению к атмосфере.

На основе полученных данных по уравнению (1) были рассчитаны значения потока СО₂. Интенсивность потока CO₂ изменялась в широком диапазоне от ‒0.04 до ‒8.74 ммоль·м^‒2·сут^‒1 при среднем значении 2.11 ± 1.79 ммоль·м^‒2·сут^‒1. Отрицательные значения потока указывают, что в исследуемый период воды Черного моря поглощают СО₂ из атмосферы, являясь его стоком. Рассчитанные значения потока согласуются с полученными ранее данными для вод прибрежных районов Крымского побережья [14] и северо-западной части европейского шельфа [5].

Пространственная изменчивость значений потока СО₂ характеризовалась неоднородностью (рис. 2, а). Локальные минимумы значений и максимальная интенсивность потока отмечены в районе восточного побережья Крыма, а также в южной его части (рис. 2, а).

Качественно пространственная изменчивость величины потока СО₂ совпадает с распределением температуры, скорости ветра и ΔрСО₂ в поверхностном слое вод (рис. 2). Минимумы температуры и ΔрСО₂ поверхностного слоя вод, а также максимальная скорость ветра наблюдались в зонах максимальной интенсивности и минимальной величины потока (рис. 2).

 

Рис. 2. Пространственная изменчивость величины потока СО₂ (а), температуры (b), скорости ветра (c) и градиента рСО₂ (d) по данным 125-го рейса НИС «Профессор Водяницкий»

Fig. 2. Spatial variability of the sea–air CO₂ flux (а), temperature (b), wind speed (c) and gradient of pCO₂ (d) by data of 125 cruise of R/V Professor Vodyanitsky

 

Обсуждение результатов

Известно, что величина потока СО₂ в наибольшей степени зависит от скорости ветра и ΔрСО₂ [18, 19].

Анализ наших данных показал, что в декабре 2022 г. поток СО₂ определялся преимущественно скоростью ветра (рис. 3), коэффициент корреляции (‒0.93, является статистически значимым при доверительной вероятности р = 0.99) указывает на сильную линейную связь. Характер связи имеет обратную зависимость. Направление потока определяет ΔрСО₂ между поверхностным слоем вод и приводным слоем атмосферы. В свою очередь, ΔрСО₂ определяется соотношением парциального давления СО₂ в атмосфере и равновесного парциального давления СО₂ в поверхностном слое вод.

Величина рСО₂ поверхностного слоя вод пропорциональна концентрации СО₂ в воде. Концентрация СО₂ зависит от биогеохимического фактора, когда вследствие трансформации органического вещества и образования карбонатов происходит продукция или изъятие СО₂, протекающие по следующим уравнениям:

6СО₂ + 6Н₂О ↔ 6H⁺ + 6HCO₃^‒ ↔ С₆Н₁₂О₆ + 6О₂,

Са²⁺ + 2НСО₃^‒ ↔ СаСО₃ + СО₂ + Н₂О .

Кроме того, содержание СО₂ в поверхностном слое вод зависит от температуры, которая влияет не только на растворимость СО₂, но и на интенсивность биологических процессов, а также на смещение химических равновесий в карбонатной системе [19]:

CO_2(g) ↔ CO_2(aq) ↔ CO_2(aq) + H₂O ↔ H⁺ + HCO₃^– ↔ 2H⁺ + CO₃^2–.

Изменение концентрации СО₂ может быть также вызвано динамикой вод, в частности поступлением СО₂ с водами из нижележащих слоев [20].

При этом неожиданным результатом оказался слабый характер связи величины потока СО₂ и ΔрСО₂ (коэффициент корреляции 0.22, является статистически значимым при доверительной вероятности р = 0.95). Снижение ΔрСО₂ сопровождается снижением потока (рис. 3). В свою очередь, снижение ΔрСО₂ свидетельствует о снижении разницы между рСО₂ поверхностного слоя вод и приводного слоя атмосферы. Так как рСО₂ приводного слоя атмосферы в исследуемый период почти не изменялось (диапазон колебаний ±1 % при среднем значении рСО₂, равном 434 мкатм), снижение разницы обусловлено увеличением рСО₂ и, соответственно, концентрации СО₂ в поверхностном слое вод.

 

Рис. 3. Зависимость потока СО₂ ($F_{{\text{CO}}_2}$) от температуры, ΔрСО₂ и скорости ветра

Fig. 3. Dependence of CO₂ flux ($F_{{\text{CO}}_2}$) on temperature, ΔрСО₂ and wind speed

 

Увеличение концентрации СО₂ в поверхностном слое вод при низких температурах этого слоя (около 13 ℃) может быть обусловлено либо увеличением растворимости СО₂ при снижении температуры, либо динамикой вод, обеспечивающей поступление СО₂ из нижележащих слоев вод, а также разложением органического вещества, образовавшегося в период осеннего цветения [12, 21].

Связь величины потока СО₂ с температурой поверхностного слоя вод носила умеренный характер (коэффициент корреляции 0.47, является статистически значимым при доверительной вероятности р = 0.99). С ростом температуры интенсивность потока СО₂ на границе с атмосферой снижалась (рис. 3). Однако так как на интенсивность потока, кроме скорости ветра, влияет и ΔрСО₂, то в данном случае целесообразно рассматривать абсолютные значения (по модулю) потока, которые определяют его интенсивность. Таким образом, нужно отметить, что в холодный период года увеличение температуры приводит к снижению ΔрСО₂ и, соответственно, уменьшению потока СО₂.

Следовательно, можно заключить, что в декабре 2022 г. преобладающий вклад в интенсивность потока вносит скорость ветра, при этом направление потока СО₂ определяется разницей рСО₂ между поверхностным слоем вод и приводным слоем атмосферы.

Выводы

В холодный период года воды северо-восточной части Черного моря служат стоком атмосферного СО₂.

По данным прямого определения рСО₂ в поверхностном слое вод и приводном слое атмосферы, поток СО₂ в декабре 2022 г. изменялся в широких пределах от ‒0.048 до ‒8.74 ммоль·м^‒2·сут^‒1 при среднем значении ‒2.11 ± 1.79 ммоль·м^‒2·сут^‒1. При этом выраженных особенностей пространственной изменчивости не выявлено. Локальные минимумы потока наблюдались в восточном и южном районах Крымского полуострова.

Качественно пространственная изменчивость потока СО₂ совпадала с распределением температуры, скорости ветра и ΔрСО₂.

При анализе корреляционной связи потока СО₂ с температурой, скоростью ветра и ΔрСО₂ наиболее сильная связь выявлена со скоростью ветра (‒0.93), слабая – с ΔрСО₂ (0.22). При увеличении скорости ветра наблюдается увеличение интенсивности потока СО₂, при этом направленность потока СО₂ определяется ΔрСО₂ и, соответственно, величиной рСО₂ и концентрацией СО₂ в поверхностном слое вод.

Измерения проведены в Центре коллективного пользования «НИС Профессор Водяницкий» Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН».

 

¹ Ocean acidification due to increasing atmospheric carbon dioxide / J. Raven [et al.].
London, UK : The Royal Society, 2005. 57 p. URL: https://royalsociety.org/-/media/policy/publications/2005/9634.pdf (дата обращения: 20.06.2023).

Об авторах

Наталья Александровна Орехова

Морской гидрофизический институт РАН

Email: natalia.orekhova@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-1387-970X
SPIN-код: 9050-4772
Scopus Author ID: 35784884700
ResearcherId: I-1755-2017

ведущий научный сотрудник, зав. отделом биогеохимии моря, кандидат географических наук

Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2

Евгений Витальевич Медведев

Морской гидрофизический институт РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: eugenemedvedev@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0003-0624-5319
SPIN-код: 6332-4572

младший научный сотрудник, отдел биогеохимии моря

Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2

Игорь Николаевич Мукосеев

Морской гидрофизический институт РАН

Email: natalia.orekhova@mhi-ras.ru

старший инженер, отдел биогеохимии моря, лаборатория мониторинга и исследования потоков парниковых газов и кислорода в морской среде

Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2

Антон Викторович Гармашов

Морской гидрофизический институт РАН

Email: ant.gar@mail.ru
SPIN-код: 8941-9305
Scopus Author ID: 54924806400
ResearcherId: P-4155-2017

старший научный сотрудник, кандидат географических наук

Россия, 299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2

Список литературы

Дополнительные файлы