Предварительные результаты комплексных океанографических и геофизических наблюдений на профиле залив Петра Великого - Цусимский пролив (Японское море, октябрь 2019 год)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предварительные результаты комплексных океанографических и геофизических наблюдений на профиле залив Петра Великого - Цусимский пролив (Японское море, октябрь 2019 год)

А.А. Легкодимов, М.А. Бовсун, Д.А. Швалов, Г.И. Мишукова, М.В. Иванов, Н.А. Липинская, М.В. Шаповалова, А.Г Шиянов

Наиболее оперативную информацию о состоянии океана дает проведение комплексных исследований (гравиметрические наблюдения, измерения интенсивности флуоресценции, концентрации метана и хлорофилла-а в приповерхностном слое воды, ртути и газов в атмосферном воздухе) непосредственно во время следования судна. Наши исследования проводились на переходе Владивосток--Нячанг в период с 27 по 29 октября 2019 г. в Японском море в рамках рейса LV88 на НИС «Академик МА. Лаврентьев». Полученные данные отличаются высокой сходимостью с результатами прошлых экспедиций (например, рейс LV84, 2018 г.). Нами выявлены зоны аномальных концентраций метана (8,3 нмоль/л), углекислого газа (2,3 ppm) и ртути (4 нг/м2), а также отмечены гравитационные аномалии в Корейском проливе.

The study of the ocean by complex methods using a flow system and atmospheric air is currently one of the universal methods of obtaining express results (such as gravimetric observations, fluorescence intensity measurements, methane and chlorophyll-a concentrations in near-surface water, mercury and various gases in open air) directly during the vessel 's sailing. The studies were conducted on the Vladivostok--Nha Trang traverse during October 27-29, 2019 in the Sea of Japan as a part of the LV88 voyage aboard the R/V "Academic M.A. Lavrent'yev”. According to the results of the study, abnormal zones of concentrations of methane (8.3 nM/l), carbon dioxide (2.3 ppm) and mercury (4 ng/m2) were identified. We have also noted gravitation anomalies in the Korean Strait.

Введение

В настоящее время в связи с ускоряющимися и увеличивающимися в пространственных масштабах процессами изменения окружающей среды особую привлекательность имеют результаты комплексных измерений различных ее параметров на длинных расстояниях через акватории окраинных морей. Такие наблюдения выполняются в ходе одной или нескольких научно-исследовательских экспедиций в режиме мониторинга, данные оперативно обрабатываются на борту научно-исследовательского судна. 27-29 октября 2019 г. в 88-м рейсе НИС «Академик М.А. Лаврентьев» (LV88) выполнен региональный комплексный профиль океанографических, геофизических и гидроакустических наблюдений в Японском море по маршруту зал. Петра Великого - Корейский пролив. Экспедиционные работы выполнены ТОИ ДВО РАН в ходе первого этапа экспедиции «Российско- вьетнамские комплексные океанологические исследования в Южно-Китайском море» в рамках государственного задания по программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. раздела VIII «Науки о Земле».

Целями исследований являлись предварительная оценка ряда индикаторных океанографических параметров в пограничном слое вода-атмосфера (распределение парниковых газов, флуоресценции, атомарной ртути), а также изучение особенностей гравитационного поля. Наблюдения выполнены на протяжении регионального профиля в западной части Японского моря с различной дискретностью для разных методов и сопровождались метео- и спутниковыми наблюдениями.

Методы и средства измерений

Температура и соленость морской воды

Для определения этих параметров в проточной системе использовался проточный термосалинограф SBE 45 SEACAT с отводом воды для опробования (диапазоны измерений: температуры воды - от -5 до +35 °С с точностью 0,002 °С, удельной электропроводности - 0-7 См/м с точностью 0,0003 См/м).

Метеоданные

Метеорологические датчики были установлены на палубе в носовой части корабля рядом с камерой забора воздуха газоанализатора. Для получения метеоданных (температура воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра) применялся метеокомплекс Davis Vantage Pro2 (США). Также был установлен портативный преобра- зователель метеоданных Vaisala Weather Transmitter WXT520 (Финляндия) на высоте 14 м.

Радиация

Фотосинтетическую радиацию определяли при помощи датчика Li-190 (Li-Cor, США), чистую - радиометром CNR4 Net Radiometer (Kipp & Zonen B.V., Нидерланды). Сбор и вывод метеорологических данных со всех датчиков осуществлялся измерительным и контрольным модулем DataLogger CR1000 (CampbellScientific, США).

Газогеохимические исследования

Концентрации метана в приповерхностном слое воды

Измерения проведены на профиле от Владивостока до Корейского пролива (рис. 1). Непрерывный забор воды осуществлялся насосом из носового кингстона (уровень забора воды 4 м от поверхности моря) во время движения судна. Отбор проб воды производился с временной дискретностью 2 ч в стеклянные флаконы объемом 68 мл без контакта с атмосферой, которые плотно закрывались резиновой пробкой, при этом фиксировались время отбора и навигационная привязка к маршруту движения судна, а также записывались метеоданные с метеостанции. Расчеты содержания метана во всех образцах воды проводили методом равновесных концентраций HeadSpace. Для анализа использовался газовый хроматограф «Кристаллюкс-4000М» (НПФ «Мета-хром», Россия), оснащенный пламенно-ионизационным детектором и двумя детекторами по теплопроводности. Минимальный объем вводимой в прибор газовой фазы составлял 5 мл. Точность качественного и количественного анализа метана и других углеводородов пламенно-ионизационного детектора - 10^-6 %. Неорганические газы (азот, кислород, углекислый газ), а также метан с концентрацией более 1 % анализировались на детекторе по теплопроводности с чувствительность 0,01 %. Проведено 22 газохроматографических определения содержания метана в морской воде, расчет концентраций производился по методике [11] в модификации [12]. Данные измерений интегрировались непосредственно в массив цифровых гидрологических и метеорологических данных в ходе наблюдений.

Расчет потоков метана с поверхности моря (рис. 1)

Рис. 1. Район исследований и поток метана на границе вода-атмосфера вдоль движения НИС «Академик М.А. Лаврентьев», рейс LV88 (октябрь 2019 г.)

Вычисления были проведены для каждой точки отбора проб, используя экспериментальные данные о концентрации растворенного метана в поверхностном слое морской воды, содержаниях метана в приводном слое атмосферы, температуре, солености и реальных скоростях ветра на момент отбора проб.

Расчет потоков метана (F) соответствовал методологии, описанной в работах [5, 8, 10]:

F = АС X К,

где: АС = (С_изм - С ) - разность концентраций метана, рассчитывается как разность между измеренной концентрацией метана в морской воде и равновесной концентрацией, которую имел бы атмосферный метан в морской воде при данной температуре, солености и при атмосферном давлении; К - коэффициент газообмена на границе вода-воздух.

Содержание ртути в атмосферном воздухе

Для определения этого параметра в экспедиционных условиях использовали анализатор РА-915М+ (Люмэкс, Россия), в основе работы которого - дифференциальный атомноабсорбционный способ определения ртути, который реализуется с помощью зееманов- ской модуляционной поляризационной спектроскопии с высокочастотной модуляцией. В минимальной комплектации прибор позволяет определение содержаний ртути в воздухе с нижним пределом обнаружения 2 нг/м³, что соответствует фоновому содержанию ртути в воздухе районов с низкой степенью антропогенного загрязнения. Для увеличения точности до 0,3 нг/м³ применяли компьютерную регистрацию результатов измерений в режиме «мониторинг». Это позволяло накапливать результаты первичных единичных измерений и обобщать их за длительный период. Обычно осреднение делалось для 5-минутных интервалов (250 измерений с интервалом 1 с). Измерения метеопараметров проводили с помощью метеокомплекса Davis Vantage Pro2 (США) на двух уровнях - 2 и 20 м от поверхности моря. Одновременно регистрировали скорость и направление движения судна и гидрометеорологические параметры (направление и скорость ветра, температуру воздуха, атмосферное давление, количество осадков). При проведении попутных измерений содержаний ртути в воздухе основное внимание уделяли оценке ее фоновых содержаний в различных морских бассейнах и степени антропогенного влияния на них за счет атмосферного переноса из районов антропогенной эмиссии Юго-Восточной Азии.

Содержание метана и углекислого газа в атмосферном воздухе

Сбор данных на участке от Владивостока до Корейского пролива проводился с 18:50 26.10.2019 по 00:00 29.10.2019 (UTC). На протяжении 1000 км маршрута за данный временной промежуток с помощью газоанализатора G14 было получено 638 5-минутных измерений.

Измерение концентраций СО₂, СН₄ и паров воды в приводной атмосфере на профиле от г. Владивосток до Корейского пролива производилось с помощью газоанализатора Picarro G2311-f (Picarro, США). Поступление воздуха к прибору осуществлялось камерами забора, соединенными с ним воздухозаборными трубками. Камеры размещались на высоте 14 м над ур. м. Данный газоанализатор предназначен для измерения концентраций диоксида углерода, метана и паров воды при скорости передачи данных 10 Гц для каждого газа (общая скорость передачи 30 Гц), что позволяет делать до 2000 измерений в минуту с погрешностью 200 ppb для СО₂, 3 ppb для СН₄ и 6 ppb + 0,3 % для водяного пара при небольшой подвижности прибора. Результаты обработаны в программе для статистической обработки Microsoft Excel при усреднении за 5-минутный промежуток времени и координатной привязке данных.

Флуоресценция хлорофилла-а

Для оперативной оценки концентрации хлорофилла-а использовали флуори- метр 10-AU Turner Designs Incorporated, для определения гидрологической структуры вод - проточный термосолинограф Seabird SBE-45. Автоматическая система была подключена к штатной водозаборной системе, отбирающей воду на горизонте 4 м, что позволило проводить непрерывные измерения на строго определенной глубине. Всего в Японском море по маршруту зал. Петра Великого - Корейский (Цусимский) пролив сделано 17 555 измерений флуориметром, 17 411 - термосолинографом, составлены графики хода для каждого регистрируемого параметра. Полученные данные позволят изучить пространственную структуру полей температуры, солености и концентрации хлорофилла-а, провести сравнительный анализ [3].

Результаты и обсуждение

Геофизические исследования

На профиле зал. Петра Великого - Корейский пролив во время перехода НИС «Академик М.А. Лаврентьев» среднее значение концентрации метана в поверхностном 4-метровом водном слое составило 168 нл/л, минимальное - 143, максимальное - 207 нл/л.

Распределение концентрации метана, солености и температуры в приповерхностном слое воды по профилю представлено на рис. 3. Повышенные концентрации метана 164 нл/л, выявленные в рейсе LV88 на континентальном склоне Приморья, переходящем в Центральную котловину, совпадают с результатами прошлых экспедиций (226 нл/л, LV84, 2018 г.). Аномалия метана (191 нл/л, LV84) в верхних слоях воды над вулканической постройкой (Евланова) обнаружена впервые и требует дополнительных исследований.

Рис. 3. Распределение концентраций метана, нмоль/л (С), температуры, ^оС (t) и солености, ПЕС (S) в поверхностном слое воды на профиле зал. Петра Великого - Цусимская котловина - Корейский пролив Японского моря, рейс LV88 (октябрь 2019 г.)

Минимальные значения концентраций метана наблюдаются на акватории Центральной котловины, устойчивой корреляции с температурой и соленостью в поверхностном слое воды не наблюдается. Участки с повышенными концентрациями метана в приповерхностном водном слое в рейсе LV88 выделяются в Цусимской котловине - 7,7 нмоль/л (бассейн Уллеунг) и на Прикорейском шельфе - 8,3 нмоль/л. В рейсе LV84 отмечены аномально высокие значения метана в приповерхностной воде Цусимской котловины - 9,9 нмоль/л. Известно, что в данном регионе были обнаружены газогидраты [7]. гравитационный море гидрологический японский

Полученные значения концентраций метана в воде в двух экспедициях (LV84 и LV88), проводимых в разные годы, имеют относительно высокое сходство, что, в свою очередь, указывает на предположительно незначительную изменчивость распределения метана в поверхностном слое акватории Японского моря в осенне-зимний сезон.

Распределение потока по профилю показано на рис. 1. На всей изучаемой акватории измеренные концентрации превышают равновесные с атмосферой значения, показатель пересыщения составил 161-315, в среднем 231 %, наблюдается эмиссия метана от 3 до 12, в среднем 5 моль/(км² сут). Максимальный поток - на акватории возвышенности Криш- тофовича.

Распределение ртути в поверхностном воздухе

Результаты измерений 27-29.10.2019 г. по маршруту перехода Владивосток - Корейский пролив показывают, что содержания ртути находятся в пределах регионального фона и составляют примерно 2 нг/м³. Этот фон был установлен нами в рейсе на НИС «Профессор Хромов» в 2004 г. Но в 2019 г. отмечено незначительное увеличение фонового значения, что, возможно, объясняется большим количеством измерений, проведенных в южной части Японского моря. Помимо в основном низких содержаний, выделяются, эпизодически или в достаточно длительной серии измерений, повышенные - 2-4 нг/м³ - значения на отдельных участках в Японском море (район о-ва Уллындо). Причиной может быть то, что о-в Уллындо, как известно, вулканического происхождения, и, возможно, на дне присутствуют гидротермальные источники.

Распределение парниковых газов и паров Н₂О в приводном слое атмосферы

Рис. 4. Пространственная изменчивость концентраций СН4 (а) и СО₂ (б) в атмосфере на участке от Владивостока до Корейского пролива (Японское море) по курсу следования НИС «Академик М.А. Лаврентьев», рейс LV88 (октябрь 2019 г.)

Более высокие, чем в северной части профиля, концентрации метана и СО₂ в атмосфере (рис. 4) наблюдались на участке при входе в Корейский пролив, а также - метана - на акватории возвышенности Кришто- фовича. Последняя аномалия была зафиксирована впервые и требует дополнительных исследований. Количество значений СН₄ 1,99 ppm на данном участке составило 52 %.

Гидрооптические и гидрологические параметры морской воды в акватории Японского моря

Использованный нами флуориметр обладал тем недостатком, что интенсивность флуоресценции в нем регистрируется в одном спектральном канале - на одной длине волны, соответствующей максимуму линии флуоресценции хлорофилла-а. Это приводит к тому, что иногда спектры испускания хлорофилла-а и растворенного органического вещества (РОВ) одновременно присутствуют в области регистрации флуоресценции. Помимо этого, на интенсивность флуоресценции хлорофилла-а влияет не только его концентрация, но также видовой состав и функциональное и физиологическое состояние фитопланктона [2]. В связи с этим для коррекции данных на протяжении всего рейса проводился регулярный отбор проб для определения концентрации хлорофилла-а стандартными спектрофотометрическими и флуориметрическими способами, а также делалась дополнительная оценка флуоресценции РОВ. При калибровке данных флуоресцентного метода учитывалась классификация районов с относительно одинаковыми гидробиологическими условиями [1], в том числе с привлечением измерений проточного термосолинографа и спутниковых данных по цвету моря и температуре поверхностного слоя [3].

Предварительно показано, что более низкие концентрации хлорофилла-а (рис. 5, а) приурочены к северной части Японского моря и имеется тенденция к их росту по направлению с севера на юг. Такое распределение может быть связано с начавшимся понижением температуры воды (рис. 5, б) и завершением осеннего цветения в северной части моря [6].

Рис. 5. График распределения интенсивности флуоресценции, мкг/л (а), температуры, °С (б) и солености, ПЕС (в) по данным, полученным от проточной системы», рейс LV88 (октябрь 2019 г.)

В целом пространственно-временное распределение концентрации хлорофилла-а соответствует известному представлению о развитии фитопланктона в Японском море в период осеннего цветения [9]. Также по предварительным результатам выявлено, что в некоторых районах низкие значения этого параметра коррелируют с низкими значениями солености (рис. 5, в), что может быть связано с гидрофизическими процессами и гидробиологическими особенностями регионов.

Выводы

1. По курсу следования НИС «Академик М.А. Лаврентьев» в ходе рейса LV88 (октябрь 2019 г.) на профиле зал. Петра Великого - Цусимская котловина - Корейский пролив были получены данные о распределении метана, углекислого газа, содержании ртути в атмосфере и концентрациях метана в поверхностных слоях воды.

2. По результатам газогеохимических исследований в Японском море выявлены участки с аномальными концентрациями метана (8,3 нмоль/л), углекислого газа (2,3 ppm) в поверхностной воде, ртути (4 нг/м3) в атмосферном воздухе, а также с повышенной эмиссией метана с акваторий Прикорейского шельфа, Цусимской котловины, Корейского пролива (в последнем районе зафиксировано впервые). Повышенными содержаниями ртути в атмосфере выделятся о-в Уллындо.

3. По результатам геофизических исследований была дана характеристика гравитационного поля в Японском море на всем пути следования.

4. По результатам гидрооптических и гидрологических исследований было установлено, что в основном пространственно-временное распределение концентрации хлорофилла-а соответствует известным данным о развитии фитопланктона в Японском море в осенний сезон. Также было выявлено, что в некоторых районах низкие концентрации хлорофилла-а соответствуют низким значениям солености, что, вероятнее всего, обусловлено гидрофизическими процессами и гидробиологическими особенностями этих районов.

Литература

1. Захарков С.П., Шамбарова Ю.В., Гордейчук Т.Н. и др. Возможность использования данных зонда SBE для калибровки спутниковых данных концентрации хлорофилла а в Японском море // Изв. ТИНРО. 2014. Т. 177. С. 209-218. DOI: 10.26428/1606-9919-2014-177-209-218.

2. Захарков С.П., Штрайхерт Е.А., Шамбарова Ю.В., Гордейчук Т.Н., Ши С. Определение концентрации хлорофилла «а» в Японском море с использованием зондирующего и проточного флуориметров // Океанология. 2016. Т 56, № 3. С. 482-490. DOI: 10.7868/S0030157416020210.

3. Клещёва Т.И., Пермяков М.С., Салюк П.А., Голик И.А. Пространственные спектры полей температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а» в окраинных морях северо-западной части Тихого океана // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 5. С. 209-220.

4. Кулинич Р.Г., Валитов М.Г Мощность и типы земной коры Японского моря по данным морской и спутниковой гравиметрии // Тихоокеан. геология. 2011. Т 30, № 6. С. 3-13.

5. Мишукова ГИ., Обжиров А.И., Мишуков В.Ф. Метан в пресных и морских водах и его потоки на границе вода-атмосфера в Дальневосточном регионе. Владивосток: Дальнаука, 2007. 159 с.

6. Моря СССР / А.Д. Добровольский, Б.С. Залогин. М.: Изд-во МГУ, 1982. 192 с.

7. Byong-Jae Ryu, Riedel M. Gas hydrates in the Ulleung Basin, East Sea of Korea // Terr. Atmos. Ocean. Sci. 2017. Vol. 28, N 6. P. 943-963. DOI: 10.3319/TAO.2017.10.21.01.

8. Mischoukov V, Mishukova G. White caps and bubble mechanisms of gas exchange between ocean and atmosphere // Proc. 2nd Intern. Symp. «CO2 in the Oceans» / ed. Y Nojiri. Tsukuba: Centre for Global Environmental Research, 1999. P. 517-520.

9. Sang-Woo Kim, Sei-Ichi Saiton, Joji Ishizaka et al. Temporal and spatial variability of phytoplankton pigment concentrations in the Japan Sea derived from CZCS images // J. Oceanogr. 2000. Vol. 56. P 527-538.

10. Vereshchagina O.F., Korovitskaya E.V., Mishukova G.I. Methane in water columns and sediments of the north western Sea of Japan // Deep Sea Research. Part II: Topical Studies in Oceanography. 2013. Vol. 86-87. P 25-33.

11. Wiesenburg D.A., Guinasso N.L. Equilibrium solubility of methane, carbon monoxide, and hydrogen in water and sea water // J. Chem. Eng. Data. 1979. Vol. 24, N 4. P. 356-360. DOI: 10.1021/je60083a006.

12. Yamamoto S., Alcauskas J.B., Crozier T.E. Solubility of methane in distilled water and sea water // J. Chem. Eng. Data. 1976. Vol. 21, N 1. P. 78-80.

Размещено на Allbest.ru