Версия для печати
Вернуться к списку

Чем дышит шельф?

Черное море все еще полно загадок

Экосистема Черного моря устроена хитро: верхние 150 метров заселены сосуществующими здесь как простейшими, так и сложными многоклеточными организмами, представляющими разные ветви древа жизни. Речь идет о слое, в котором происходит фотосинтез, образуется и разлагается органика, наличествуют сложные пищевые цепочки и обитают многочисленные позвоночные, включая морских млекопитающих. Ниже - двухкилометровая толща воды, лишенная кислорода. Этот слой тоже не обойден жизнью, но его экосистема образована, в первую очередь, одноклеточными бактериями и археями, и обнаружить здесь многоклеточные довольно сложно. Однако ученым Института биологии южных морей им. А.О.Ковалевского РАН (ИнБЮМ) это удалось. Исследуя хемоклин, слой перехода кислородосодержащей воды в сероводородную, они нашли на глубине 220-250 метров в грунте и на поверхности верхней части континентального склона немало представителей мейозообентоса и микробентоса. Причем обнаружили не только бактерии и инфузории, но и нематоды, и другие многоклеточные организмы.

А это означает, что там присутствует свободный кислород, без него жизнедеятельность этой микроэкосистемы была бы невозможна. Каким образом он проникает на такие глубины в объеме, достаточном для поддержания ее существования?

В 2015-2016 годах специалисты Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН (ИО РАН) в рамках совместной работы с коллегами из ИнБЮМ устанавливали возможность проникновения кислорода в верхние слои сероводородной зоны на месте контакта хемоклина со склоном дна. В 2017-2019 годах ученые продолжили изыскания в этом направлении благодаря Российскому фонду фундаментальных исследований, поддержавшему проект ИО РАН по изучению придонного пограничного слоя (ППС), который назван экмановским в честь шведского океанолога Вагна Вальфрида Экмана. Он установил, что под влиянием вращения Земли вокруг своей оси и силы трения перенос вод как в приповерхностном, так и в придонном слое происходит перпендикулярно направлению действия приложенной силы - ветра на поверхности моря и течения на его дне. При этом придонный «экмановский перенос» направлен влево от вектора вдольберегового течения. Если доминирующее течение огибает море против часовой стрелки, то оно должно приводить к опусканию кислородосодержащих вод в придонном слое, что и происходит в Черном море. Ученые решили исследовать роль этого переноса в вентиляции аэробной зоны Черного моря и удержании границы сероводородных вод в толще переходного слоя воды с быстро увеличивающейся вглубь соленостью.

- Придонный пограничный слой - это труднодоступные воды, не так много проводилось экспериментов с длительным измерением сразу нескольких его параметров, - констатирует Андрей Зацепин, доктор физико-математических наук, завлаб экспериментальной физики океана ИО РАН, возглавлявший проектную группу. - Если поверхность океана сейчас изучают с помощью спутников, то для исследования придонных слоев в них надо размещать приборы и вести измерения конкретных процессов.

Решать эту задачу научная команда начала с уникального лабораторного эксперимента по моделированию придонного экмановского слоя. По словам А.Зацепина, неизвестно, чтобы раньше кто-то проводил такого рода исследования. Большой объем работы в этой части проекта выполнил молодой ученый, младший научный сотрудник ИО РАН Дмитрий Елкин, неожиданно пострадавший этой весной от карантина из-за пандемии, - предзащита его кандидатской диссертации была отложена.

Опыты ставились в бассейне, помещенном на вращающейся платформе, в котором сымитировали рельеф прибрежного дна и течение воды разной плотности. Эксперимент показал, что легкая кислородосодержащая вода способна опускаться в экмановском придонном слое под более тяжелую и согласно оценкам применительно к натурным условиям на несколько десятков метров.

Однако при испытаниях в Черном море результат получили не совсем тот, на который рассчитывали. Данные, полученные с помощью автоматических донных станций, установленных на траверсе Геленджикской бухты на глубинах от 82-243 метров (температура и соленость воды, давление и скорость течения), а также показатели концентрации растворенного кислорода на расстоянии 0,5-2,5 метра от дна подтвердили перемещение придонных вод по склону в перпендикулярном берегу направлении, а также их опускание или подъем в зависимости от направления и интенсивности вдольберегового течения. Однако роль «экмановского переноса» в динамике ППС проявилась весьма незначительно, а ниже 190 метров в придонном слое пульсаций кислорода вообще не наблюдалось. Измерение содержания кислорода в придонном слое воды и осадках в ходе эксперимента обеспечивал старший научный сотрудник лаборатории биогидрохимии ИО РАН Павел Стунжас, участник многих научных экспедиций, внесший значимый вклад в развитие исследований химии моря. Ключевую роль в организации испытаний сыграл Вячеслав Кременецкий, ставший в этом году заместителем директора ИО РАН по физическому направлению, большую работу проделали коллеги из Южного отделения ИО РАН.

Причина неполного совпадения результатов лабораторного и натурного экспериментов, как полагают ученые, кроется в жестком разделении по плотности черноморской воды, сдерживающем образование экмановского придонного слоя, а также в малой скорости течения у дна и в преимущественно слабом придонном трении. Возможно, именно сильная плотностная стратификация вод позволяет основному черноморскому течению разгоняться до 1 метра в секунду в приповерхностном слое моря и быстро затухать на глубинах более 200 метров, не оказывая значительного влияния на динамику придонного слоя.

- В лабораторном бассейне затягивание менее плотных вод в экмановский слой получалось замечательно - там он меньше сантиметра - но в природе, бывает, вырастает до десятка метров. Выраженный перемешанный слой образуется только при сильном вдольбереговом течении, проникающем до дна. Кроме того, вертикально стратифицированный морской поток - это не два показателя плотности, как в лабораторных опытах, а целый набор.

А.Зацепин пояснил, что на больших глубинах в условиях растущей стратификации энергии для перемешивания слоев разной плотности не хватает, поэтому экмановский придонный пограничный слой в Черном море не очень распространен. Но поскольку море, говорит Андрей Георгиевич, представляет собой своего рода лабораторный бассейн, полученные при осуществлении проекта научные результаты пригодятся для применения в любой точке Мирового океана. Например, для определения наличия пограничного слоя в тех районах, где есть плотностная стратификация и вдольбереговое течение, или прогнозирования подъема либо опускания воды по наклонному дну, которые влияют на развитие жизни морской фауны и ведение экономической деятельности на шельфе.

Исследования ученых ИО РАН должны внести коррективы и в математические модели динамики моря.

- При их построении задаются условия на дне, где нередко учитывается наличие турбулентного ППС, для которого характерны определенные закономерности. Но, как показали наши наблюдения, в Черном море в переходном слое он присутствует крайне редко, в среднем один раз в месяц, а модель должна работать постоянно, и без учета этого фактора расчеты будут неверны, - пояснил ученый.

- Интрига обитания кислородопотребляющих донных организмов в окружении сероводородной воды сохраняется, - размышляет А.Зацепин, - Возможно, поставщики кислорода - корпускулярные частицы, образующиеся в результате окислительно-восстановительных реакций в хемоклине и «дождем» выпадающие на грунт.

Ответ к этой загадке будет обязательно найден. Вполне вероятно, в рамках инициативного проекта, основанного на оригинальной научной идее.

- Реализация такого рода исследований сегодня возможна именно благодаря поддержке РФФИ. Кстати, своей работой на протяжении четверти века я также в значительной степени обязан ему, - констатирует руководитель проекта, автор более 250 научных трудов, значительно продвинувший в своем институте лабораторное моделирование физических процессов в океане и натурные исследования динамики вод Черного моря. - Гранты РФФИ очень помогают российской науке, давая возможность небольшим группам ученых реализовать их профессиональные интересы.