Судно Академик Иоффе
Более двух третей поверхности нашей планеты покрыты океаном, при этом лишь около 2–3% акватории Мирового океана на сегодня можно считать в достаточной степени изученными. Он хранит еще очень много тайн, и неизвестно точно, к чему приведут антропогенные загрязнения, безответственная добыча биоресурсов и полезных ископаемых. Можно с уверенностью сказать лишь то, что от океана сегодня зависит жизнь миллиардов людей. Постараемся разобраться, почему это так, и что же сегодня известно об океане.
Воздействие на климат
Потепление в Арктике идет куда большими темпами, чем в других точках нашей планеты. С чем это связано? Вопрос, на который не очень просто ответить. Большое значение имеет то, что ледяной покров тает. Его площадь сокращается, и это подтверждается данными судовых и спутниковых наблюдений. В настоящее время принято считать, что это является следствием глобального потепления, обусловленного повышением содержания парниковых газов. Возникает положительная обратная связь между повышением температуры и площадью льда: лед может отражать до 80% падающей на него солнечной радиации, а поверхность безо льда — всего несколько процентов. Таким образом увеличивается количество проникающей в водную толщу солнечной радиации, что приводит к ее нагреванию. Это, в свою очередь, способствует дальнейшему таянию ледяного покрова.
Таяние ледников. Источник: auroraexpeditions.com.au
«В вопросе о том, как сокращение площади ледяного покрова количественно влияет на скорость потепления атмосферы, до сих пор не поставлена точка. Это одно из направлений, которым занимается наша лаборатория. У нас есть судовые приборы, которые в экспедициях измеряют поверхностную облученность, создаваемую солнечным излучением. Важную роль играют спутниковые данные. Еще один фактор, который сильно влияет на пропускание солнечной радиации, — это постоянная облачность в Арктике. Совокупность данных спутниковых и судовых измерений дает очень важную информацию для того, чтобы сделать соответствующие оценки. Сейчас мы планируем совместно с индийскими коллегами проект по оценке изменения теплосодержания в арктических водах», — говорит руководитель лаборатории оптики океана Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН Олег Копелевич.
Арктика — самое важное направление с точки зрения изменений климата. Здесь они происходят в шесть раз быстрее, чем на материке, а в арктических морях — в три раза быстрее. Но есть и другие факторы, которые влияют на климатические изменения.
Фитопланктон в Баренцевом море
Весной и осенью в Мировом океане происходят массовые кокколитофоридные цветения, которые суммарно покрывают сотни тысяч квадратных километров. Кокколитофориды — особый вид фитопланктона, клетки которого покрыты своего рода чешуйками из CaCO3 — кальцита, по сути, мела. В процессе своего развития фитопланктон поглощает углекислый газ. Это влияет на соотношение потоков CO2 между океаном и атмосферой. Потом фитопланктон отмирает и оседает на глубину, образуя, в частности, подводные меловые горы и известняковые пласты, изымая тем самым углекислый газ из атмосферы. Эти водоросли, клетки фитопланктона, покрыты своего рода чешуйками из CaCO3 — кальцита, по сути, мела. Когда популяция отмирает, она находится какое-то время в верхнем слое воды и лишь потом оседает. В это время она очень сильно рассеивают солнечный свет, что хорошо видно со спутников: поверхность воды становится молочного цвета. Из-за такого эффекта отражение солнечного света возрастает примерно до 8 % по сравнению с чистой водой, что влияет на баланс солнечного излучения в поверхностном слое.
Метан в океане
Порядка 70% территории России подверженно в той или иной мере влиянию мерзлоты. Это факт куда известнее, чем то, что более 90% всей подводной мерзлоты находится на шельфе морей восточной Арктики — самом широком мелководном шельфе Мирового океана: моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей. Здесь содержатся гигантские запасы гидратов метана (твердая фаза газообразного метана), стабильность которых определяется состоянием подводной мерзлоты. Предполагаемое количество гидратов, которые находятся в мерзлой толще или под ней, различные источники оценивают в сотни или даже тысячи гигатонн метана. Для сравнения: в атмосфере находится 5 гигатонн. Это значит, что выброс нескольких процентов предполагаемых запасов гидратов может привести к многократному увеличению содержания атмосферного метана.
Арктическая береговая мерзлота
Именно этим определяется повышенный интерес мирового научного сообщества. Метан является вторым по значимости парниковым газом после углекислого газа. Его концентрация в атмосфере примерно в двести раз меньше, чем у двуокиси углерода. Но эффективность поглощения собственного инфракрасного излучения нашей планеты — то, что и называется «парниковым эффектом», — для метана оценивается примерно в 20–40 раз выше, чем у CO2. За счет множества положительных и отрицательных обратных связей в климатической системе вклад метана в парниковый эффект оценивается примерно в 30% от вклада двуокиси углерода.
Арктический шельф
Но что случится, если малая доля восточносибирских гидратов метана попадет в атмосферу? Сценарий зависит от изменения состояния подводной мерзлоты. Если мерзлота стабильна, все хорошо. Но в случае, если мерзлота нестабильная, «дырявая», это приводит к дестабилизации гидратов. До начала 2000-х сохранялось единодушное мнение о том, что подводная мерзлота Восточно-Сибирского шельфа сплошная и стабильная. Там допускались небольшие протаивания в зонах высокой сейсмотектонической активности, но это были совсем небольшие площади, и экспериментально они не изучались. Все модели основывались на предположении о том, что температура придонной воды отрицательна, а это значит что подводная мерзлота остается в мерзлом состоянии, за исключением зон высокой тектонической активности, где наблюдается аномальный геотермальный поток.
Сколько требуется времени на то, чтобы система стабилизировалась, то есть мерзлота, которая была наземной, стала подводной? Для достижения термического равновесия требуется 5–10 тысяч лет. Система действительно пришла в равновесие, это доказано бурением. Но мерзлота перестает быть таковой при температуре –1℃, если находится в соленой воде, — тогда это уже так называемая «вялая мерзлота». Там же, где вода пресная, она остается мерзлотой.
«Мы имели свою пятилетнюю программу бурения и вместе с другими группами доказали, что средняя температура мерзлоты на несколько десятков, сотен метров вглубь составляет примерно –1℃. Местами мерзлота существует, но есть не везде. В районах, подверженных тепловому влиянию великих сибирских рек, идет сквозное протаивание. Мерзлота уже деградировала насквозь в сейсмотектонически активных зонах, в которых идет аномальный геотермальный поток тепла снизу. Это приводит к тому, что гидраты дестабилизируются, разрушаются. А что такое разрушение гидрата? Это взрыв. Один объем гидрата эквивалентен примерно 150 объемам газа. Происходят выбросы метана в пузырьковой форме, которые мы регистрируем на шельфе. Наша группа обнаружила, что воды Восточно-Сибирского шельфа перенасыщены метаном относительно атмосферы в разы, а иногда на порядки», — делится информацией заведующий лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН Игорь Семилетов.
Климатический цикл составляет 105 тысяч лет. Это и теплый, и холодный периоды, причем теплый короче и составляет примерно 20–25 тысяч лет. В Арктике концентрация метана в атмосфере на сегодня выше примерно на 10%, чем где-либо на нашей планете. Причем этот планетарный максимум существует именно в теплые геологические эпохи, как сейчас, и отсутствует в холодные ледниковые. Это стало основой и гипотезе о ведущей роли состояния подводной мерзлоты в масштабах эмиссии метана из Восточно-Сибирского шельфа, которая была опубликована группой Семилетов в 2010 году в журнале Science, и позднее в Nature Geoscience (2014) и Nature Communications (2017).
«Если мы идем из Архангельска или Мурманска на судне в моря восточной Арктики, эта концентрация значительно возрастает именно при входе в море Лаптевых. И в некоторых локализованных местах, где мы обнаружили мощные выбросы метана через каналы разгрузки “дырки” в мерзлоте, концентрация превышает среднепланетарную на десятки процентов или даже в разы», — сообщает Игорь Семилетов.
Раньше о таких выбросах было известно только в глубоких местах, например, в Охотском море, а также на срединно-океанических хребтах, где находятся геотермальные выходы, но для климата они не важны из-за больших глубин. В этом случае пузырьки метана не достигают поверхности, потому что они растворяются и окисляются до двуокиси углерода бактериями. Единственное место на планете, где этот эффект разрушения гидратов и массированной разгрузки метана в водную толщу и в атмосферу имеет возможные климатические последствия — это Восточно-Сибирский шельф, аномально широкий и мелководный. Пузырь метана не успевает раствориться на пути к поверхности и попадает в атмосферу, что ведет к потенциальному усилению парникового эффекта.
Игорь Семилетов, заведующий лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН:
— Мы единственная группа в мире, которая проводит исследования миграции метана в конкретном районе более 20 лет. В нашем случае это шельф морей восточной Арктики. Благодаря такой длительности наблюдений мы увидели, что там, где не было выделения метана, он начал выделяться. Люди узнали о том, что мерзлота не сплошная и не стабильная, после нашей первой крупной публикации в журнале Science в 2010 году. Мы зарегистрировали на сегодня около тысячи крупных и мегавыбросов пузырьков метана. Наша гипотеза заключается в том, что именно этот процесс прогрессирующей деградации подводной мерзлоты и дестабилизации гидратов является механизмом, отвечающим за формирование планетарного максимума в теплые геологические периоды.
На сегодня зафиксированы районы сквозного протаивания подводной мерзлоты, размером больше километра, из которых идут мощные струи, извергающие до 100 и более граммов метана с квадратного метра в сутки. Если 2–5% шельфа перейдут в такое состояние, это может привести к кратному увеличению современной концентрации метана и трудно предсказуемым климатическим последствиям. Масштабы этого процесса определяются прогрессирущей деградацией подводной мерзлоты, что и является одним из основных объектов исследований группы Семилетова-Шаховой.
Биология океана
Как взаимодействует океаническая биота с внешней средой? Как изменение климата, огромные межгодовые колебания или загрязнения воздействуют на компоненты биоты? И как при этом компоненты биоты взаимодействуют между собой, обеспечивая устойчивость жизни океанических экосистем или обеспечивая их изменчивость?
Много лет считалось, что биологическую продукцию в океане определяет активность океанической среды. Энергетика среды определяет биологический отклик в виде формирования разнообразия живых организмов. Полагалось, что масштабные крупные переносы в океане — течения Куросио, Гольфстрим — определяют все биологические процессы. Оказалось, что это не так. Если говорить о верхнем слое океана, биологическая активность сосредоточена в «процессах мезомасштаба», которые продолжаются от недели до месяца. А их пространственный масштаб — от нескольких миль до десятков миль.
Рыбный промысел
Удивительные явления связаны и с крупными арктическими реками. В областях, где континент взаимодействует с океаном, — дельтах и эстуариях рек — формируются мезомасштабные явления, из-за которых резко меняется среда. Их называют «фронтальными зонами», которые в океане имеют очень небольшой масштаб, всего в несколько километров. Но эти области играют гигантскую роль в жизни всей арктической системы, поскольку именно в них создается очень большой объем биологической продукции и происходит трансформация всех загрязнений. Своеобразная биогеохимическая кухня, сконцентрированная на небольшой площади.
Сбор данных
По спутниковым данным определяются многие биооптические характеристики, которые имеют значение для биологии и морской геологии. Можно наблюдать распространение речного стока и всевозможных примесей. Например, практически вся поверхность Карского моря покрыта опресненным слоем, из-за чего создается резко выраженная граница между поверхностным слоем и глубинной водой. В такой ситуации питательные вещества у поверхности быстро съедает фитопланктон, и они не попадают на глубину, что снижает биологическую продуктивность. Это можно наблюдать со спутника и даже делать количественные оценки, для чего нужны региональные алгоритмы, которые учитывают специфику исследуемых морей.
Существуют инфракрасные радиометры, которые измеряют температуру поверхностного слоя океана. На орбите находится около двух десятков спутниковых сканеров цвета поверхности воды, которые выдают информацию о том, что содержится в поверхностном слое океана. Важно понимать: видимый диапазон спектра — единственный, в котором излучение с малыми потерями проходит через поверхность на несколько метров.
«Мы набираем данные в своих экспедициях: сотрудники нашей лаборатории регулярно ходят в рейсы. Например, мы исследуем Балтийское море, где наблюдается очень важное с экологической точки зрения явление — цветение сине-зеленых водорослей. На самом деле это ядовитые цианобактерии. В определенный сезон, в основном в июле они покрывают огромные площади и представляют опасность: рыба травится, за ней — птицы и человек», — рассказывает Олег Копелевич.
В рамках одной из экспедиций судно пересекает весь Атлантический океан от широты Ла-Манша до самой оконечности Южной Америки. По дороге ведутся исследования: на судне установлены приборы, которые позволяют проводить измерения во время плавания. Среди них датчики для непрерывных измерений солнечной радиации, проточная система, которая на ходу всасывает воду примерно с 2–3 метров. Важное место занимает лазерный спектрометр, который позволяет оценивать концентрацию пигментов и фитопланктона разных видов, определять содержание окрашенной органики, которая показывает, как выносятся речные воды, которые содержат в себе следы заводских выбросов и городских тепловых аномалий.
Загрязнения
Отдельная тема — нахождение и идентификация нефтяных загрязнений и биологических пленок, связанных с цветениями. В этой области часто используются радиолокационные методы, обладающие одним существенным преимуществом перед сканерами цвета. Для видимого и инфракрасного излучения облачность — это непреодолимое препятствие. А для радиолокации облачность прозрачна, поэтому она позволяет работать и в темное время суток.
Прибрежное нефтяное загрязнение
В содружестве с организацией ScanEX группа Олега Копелевича собирает спутниковые данные и строит карты поверхностных загрязнений. Сейчас основные загрязнения связаны с судами. Хорошо видно связь: там, где проходят морские пути, наблюдается наибольшее количество загрязнений.
Однако радиолокация не позволяет увидеть саму нефтяную пленку, — лишь сглаживание поверхности, которое связано с ней. Но такой эффект может быть сопряжен и с другими факторами. Например, ветровая тень: фронт ветра разрезается островом, и волнение за островом становится сглаженным. Или выход внутренних волн на поверхность — они взаимодействуют с поверхностным волнением и тоже могут сглаживать его. Эта проблема решается использованием лидаров (от англ. LIDAR — Light Identification Detection and Ranging) — инструментов, позволяющих получать спектры, поэтому с его помощью можно не только выявить сам факт наличия нефтяного загрязнения, но и определить его тип.
Следы прохода судов
Океан — гигантская и весьма инертная система, которая может самостоятельно справиться с большим количеством факторов внешней изменчивости. Многие проблемы, связанные с ним, сегодня находятся на слуху, некоторые из них могут быть преувеличены СМИ. Но это отнюдь не отменяет того, что нужно относиться к океану как можно более внимательно. Разумное ограничение рыбного промысла, добычи углеводородов, переработка многих тонн мусора — все это будет способствовать стабильности состояния этой исполинской, но все-таки относительно хрупкой системы. Изучение океана сегодня — одно из важнейших направлений научных исследований, которое имеет непосредственное отношение к жизни всего человечества.
