Юрий Бурлаков – Полярный альманах № 2 (страница 47)
Возвращаясь к судьбе речного стока – мы сделали работы около Таймыра, которые позволили проследить и окончательно понять, что происходит с Енисейским стоком. Мы нашли такую узенькую «речку» енисейской воды, которая вдоль побережья Таймыра двигается на восток, но это далеко не вся енисейская вода, конечно. Такая картина наблюдалась, когда осенью стало меняться направление ветра. Ветра северных румбов изменились на южные, изменилось действие ветра на поверхностный слой моря, что дало возможность енисейской воде двигаться на восток Карского моря.
Говоря о наших исследованиях пресноводного стока в Карское море, важно подчеркнуть следующее. Весь мощный сигнал, который приходит в Карское море с континента с речным стоком, далеко не сразу поступает в Арктику. Он концентрируется в верхнем слое моря, формируя огромную распересненную линзу, и в этой линзе он подвергается химической, биологической и геохимической переработке. Биологические процессы здесь очень важны: биогенные элементы потребляются водорослями, водоросли поедаются зоопланктоном, частично он переводит потребленную органику в фекальные пеллеты, которые быстро оседают на дно, потребляются бентосными организмами и бактериями.
М. Ф.: Этот вопрос меня тоже занимал. Наши исследования показали, что Карское море, находящееся под воздействием стока, под действием течений, которые поступают туда из Баренцева моря через Карские ворота, и как мы предполагали, могут приносить воду и с севера, характеризуется тем, что мы называем сильно выраженной биотопической неоднородностью. Разные районы Карского моря имеют принципиально разные свойства среды, физические в первую очередь. Это касается в полной мере и эстуарных районов, и районов континентального склона, и областей, занятых поверхностными распресненными водами. Эти биотопы разделены между собой пограничными зонами, называемыми в океанологии фронтальными, или барьерными зонами. Эти фронтальные зоны, образно говоря, действуют как целый ряд «заборов» на пути вещества, поступающего с речным стоком. Совершенно также они ограничивают поступление в Карское море вещества или биоты с течениями из Центральной Арктики и из Баренцева моря. И судьбу речного стока мы должны рассматривать не только в контексте того, что его значительная часть аккумулируется в западной и центральной части Карского бассейна. Следует иметь в виду, что компоненты стока последовательно проходят ряд барьерных и фронтальных зон, где все процессы в экосистеме чрезвычайно обострены, что коренным образом меняет свойства среды и биоты. Вообще фронтальные зоны – это совершенно фантастический феномен в океане, и с физической точки зрения ими занимались давно, потому что как правило это границы между водами разного происхождения, имеющими резко различающиеся свойства, зоны повышенной энергии морской среды. Но и те, кто занимается морским промыслом, о них знали очень давно. ещё в XVI в., определяя фронтальные зоны по изменению цвета воды, японцы успешно ловили там сайру. Однако биологическая подоплека того, что происходит во фронтальных зонах, до последнего времени не была ясна. Исследования, проведенные нами несколько лет назад в Беринговом море, позволили детально исследовать механизмы формирования биологической продукции и связи среда – биота во фронтальных зонах двух основных типов: приливном фронте, который формируется на шельфе, и фронте, который связан континентальным склоном. При том, что эти фронты занимают в общей площади бассейна 3,5 %, их вклад в общую годовую первичную продукцию региона составляет 25 %, а во вторичную продукцию – 34 %. Эти фронтальные зоны функционируют не только как границы, на которых меняются свойства среды и биоты, но и как своего рода естественные биологические культиваторы.
М. Ф.: Ширина этих фронтальных зон такова, что они выпадали из большинства океанологических исследований, построенных по классическому принципу. Мы считали, что если наши полевые наблюдения имеют пространственное разрешение, скажем, 1/3 градуса, а это 20 миль, то это великолепная работа. И она дает не только представление об океане, но даже позволяет использовать данные в моделях. А на самом деле вся ширина фронтов и областей, где проявляется их влияние на биологическую продуктивность, может быть существенно меньше 20 миль. И для того чтобы исследовать фронты, мы располагали станции на расстоянии 2,5 км, т. е. 1/50 градуса, и только тогда стали понимать, что там происходит, насколько они важны, и фиксировать те градиенты и то истинное влияние на биологическую продукцию, которые с ними связаны.
М. Ф.: По-разному. Фронт, ассоциированный с континентальным склоном, чаще всего распространяется до глубины 250–300 м, приливные фронты занимают всю водную толщу и формируются над глубинами 50–60 м. Влияние фронтов на биологическую продуктивность и распределение биоты, в основном прослеживается в верхнем продуцирующем слое океана, а это – 100–200 м.
М. Ф.: Приливные фронты формируются в результате совокупного действия приливного перемешивания и ветра. Они изменчивы сезонно – как только встает ледяной покров и ветер перестает действовать на морскую поверхность, приливные фронты разрушаются. Фронты, ассоциированные с континентальным склоном и порожденные специфической динамикой вод в этой области, мало меняются сезонно. Формирование эстуарных фронтов происходит при определенном сочетании глубины, скорости течения реки, действия приливных сил и ветрового воздействия. Меняется одна из составляющих – и сдвигается фронтальная зона, эти сдвиги имеют сезонную составляющую. Мы предполагаем, что весной в период сильного паводка и мощных течений в дельтах рек эстуарные фронты слабо выражены или почти не выражены, однако прямых измерений в это время не проводилось. Это очень неподходящее время для полевых работ.
Явления, ассоциированные с фронтами, приводят к локальному возрастанию первичной продукции в 2–3 раза по отношению к фоновым значениям, к увеличению биомассы фитопланктона в 3–7 раз, к возрастанию биомассы растительноядного зоопланктона – основных потребителей первичной продукции – в 5–10 раз. Этот феномен проявляется в течение всего вегетационного сезона. Думаю, что влияние фронтов на биологическую продуктивность сглаживается только во время бурного весеннего цветения, характерного для морских районов средних и высоких широт. Для начала цветения фитопланктона необходимо сочетание трех факторов – света, достаточного минерального питания и формирования сезонного пикноклина, т. е. сезонной стратификации. Как только эти факторы сходятся, тут же формируется высокие первичная продукция и биомасса фитопланктона. Продолжительность бурного весеннего цветения фитопланктона, как правило, около двух недель. В высоких широтах реализуется классическая схема – тает лед или кончаются зимние ветра, начинает греть Солнце, устанавливается вертикальная стратификация водной толщи, а значит, появляется сезонная температурная и плотностная «полочка» на глубинах 10–20 метров. Эта «полочка» поддерживает фитопланктон в зоне освещенности, достаточной для интенсивного фотосинтеза. Наличие солнечного света и новых биогенных элементов, которые зимой поднялись из нижних слоев океана, приводит к цветению и формированию высокой биомассы фитопланктона. Даже если есть свет и минеральное питание, но нет стратификации, маленькие планктонные водоросли не начнут интенсивно фотосентизировать, так как вертикальное перемешивание вод уносит их из зоны фотосинтеза, и вспышки не происходит. Классический пример – это перуанский апвеллинг. Вода поднимается с глубин 300 м, «голубая вода», как мы её называем, обогащенная биогенами так, как не каждый культиватор обогащает среду, светит тропическое солнце – а вспышки фитопланктона нет (поэтому вода и называется «голубой»). И только когда эта вода оттекает от зоны апвеллинга, когда она прогревается и образуются первые признаки стратификации – этой «полочки», которая удерживает фитопланктон в зоне солнечной экспозиции, только тогда первичная продукция поднимается до невиданных в Мировом океане величин. Секрет того, что происходит во фронтальных зонах, оказался довольно прост, но чтобы прийти к его пониманию, наша группа затратила 10 лет работы в Беринговом море. Вскрытый механизм оказался практически универсальным для фронтов всех типов. Во фронтальных зонах область, в которой благодаря специфическим условиям интенсивный фотосинтез и формирование высокой биомассы фитопланктона имеют место в течение всего вегетационного сезона (а не в течение двух недель, как это бывает в фоновых районах), и область, где аккумулируются высокие концентрации потребителей – растительноядного зоопланктона, совпадают. В фоновых условиях при короткой весенней вспышке развития фитопланктона медленно растущий растительноядный зоопланктон успевает утилизировать лишь небольшую часть создаваемой первичной продукции. Огромные объемы нового органического вещества, которые, казалось бы, должны кормить пелагическую экосистему, её не кормят, а большей частью (более 80 % а иногда и 90 %) уходят на дно, где потребляются донными организмами и захораниваются в осадках. То есть новосинтезированное органическое вещество из водной толщи выводится, и зоопланктон его существенно недополучает. А зоопланктон – это основной передатчик вещества, от первичной продукции к тем звеньям пелагической экосистемы, которые интересуют людей – это прежде всего промысловая рыба, млекопитающие и т. д. То есть развитие ключевых звеньев экосистемы разобщено во времени, a это приводит к тому, что экосистема работает, образно говоря, нерационально. А что происходит во фронтальных зонах? Там мощное развитие фитопланктона идет постоянно, пока хватает света. И растительноядный зоопланктон получает необходимые объемы первичной продукции в течение того времени, пока интенсивно растет. Начинается это примерно в мае, а заканчивается в октябре. То есть во фронтальных областях работает естественный культиватор – в зону фотосинтеза постоянно поступают биогенные элементы, формируется высокая первичная продукция, и она подпитывает растительноядных животных. Поэтому при протяженности в ширину, скажем, всего около 10 км, фронты играют огромную роль в функционировании морских экосистем. Кроме того, во фронтальных областях могут существенно меняются свойства среды, особенно в тех фронтах, которые приурочены к эстуарным районам крупных рек. Биогенные элементы поступают в море с речной водой. В реке существуют и свои потребители биогенных элементов, но много их выносится стоком. Один из важных компонентов биогенного режима, который в Карское море в большом количестве поступает со стоком Енисея – это кремний. Кремний не лимитирует развитие фитопланктона в Карском море, но тем не менее на его примере можно проследить, что происходит в эстуарной фронтальной зоне. Эстуарная фронтальная зона, разделяющая соленые морские и пресные речные воды, имеет довольно сложную структуру, её поперечная протяженность около 100 км. В Оби и Енисее она имеет несколько различающуюся внутреннюю структуру, что определяется конфигурацией устья, скоростями течений и рельефом дна. Фронты – это не только границы между акваториями с разными свойствами, это области, в которых происходят значимые, иногда очень сильные трансформации свойств среды. В енисейской эстуарной фронтальной зоне, например, на протяжении 100–120 км концентрация кремния существеннейшим образом меняется – от 90 мкг-атом/л в нижнем течении реки до 10–15 мкг-атом/л с мористой стороны эстуарного фронта. То же происходит и с другими биогенными элементами. То есть система эстуарного фронта работает как огромный фильтр, задерживающий в том числе и загрязнения, поступающие с речным стоком. Кроме того река выносит огромное количество органики и при резких фронтальных изменениях солености происходят процессы коагуляции и осаждения, при которых адсорбируются и выводятся из воды биогенные вещества. Во фронтальную зону попадает огромная масса чужеродного речного фитопланктона, и если на этом фронте с высокой пространственной частотой проводить наблюдения, то видно, что высокие концентрации водорослей как ножом обрезает. Огромная масса растительной органики оседает в области эстуарного фронта и не попадает на Карский шельф. Несмотря на то, что в области фронтальной зоны вода течет постоянно, со скоростями 15–30 см/с, что обеспечивает «промывку», в верхнем слое осадков из-за обилия оседающей органики иногда образуется сероводород. Населяют эту область специальные донные сообщества очень богатые, иногда состоящие всего из одного вида. (см. фото в главе "Цветные иллюстрации и фотографии").