Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря
Рассмотрены особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в верхней толще вод северо-западного шельфа Черного моря в весенний и осенний сезоны, а также взаимосвязь особенностей вертикального распределения гидрохимических и гидрологических характеристик. Показано, что по...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5438 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря / С.И. Кондратьев // Мор. гидрофиз. журн. — 2009. — № 2. — С. 37-51. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860130077260382208 |
|---|---|
| author | Кондратьев, С.И. |
| author_facet | Кондратьев, С.И. |
| citation_txt | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря / С.И. Кондратьев // Мор. гидрофиз. журн. — 2009. — № 2. — С. 37-51. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Рассмотрены особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в верхней толще вод северо-западного шельфа Черного моря в весенний и осенний сезоны, а также взаимосвязь особенностей вертикального распределения гидрохимических и гидрологических характеристик. Показано, что положение галоклина всегда определяет положение хемоклина, тогда как влияние термоклина на распределение гидрохимических характеристик неоднозначно. Вертикальное распределение гидрохимических параметров может быть однородным при наличии сезонного термоклина, тогда как в его отсутствие могут наблюдаться значительные вертикальные градиенты в распределении гидрохимических характеристик в пределах верхнего перемешанного слоя.
Considered are the features of vertical distribution of the elements of main biogenic cycle in the upper thickness of the northwestern shelf waters in the Black Sea in spring and autumn seasons, and also the interrelation of the peculiarities of vertical distribution of hydrochemical and hydrological characteristics. It is shown that position of halocline always stipulates that of chemocline; in that case the thermocline influence upon the distribution of hydrochemical characteristics is ambiguous. Vertical distribution of hydrochemical parameters can be uniform in the presence of seasonal thermocline, whereas in its absence significant vertical gradients in distribution of hydrochemical characteristics can be observed within the upper mixed layer.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:44:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 37
УДК 551.465
С.И. Кондратьев
Особенности вертикального распределения элементов
главного биогенного цикла в водах северо-западного
шельфа Черного моря
Рассмотрены особенности вертикального распределения элементов главного биогенно-
го цикла в верхней толще вод северо-западного шельфа Черного моря в весенний и осен-
ний сезоны, а также взаимосвязь особенностей вертикального распределения гидрохими-
ческих и гидрологических характеристик. Показано, что положение галоклина всегда оп-
ределяет положение хемоклина, тогда как влияние термоклина на распределение гидро-
химических характеристик неоднозначно. Вертикальное распределение гидрохимических
параметров может быть однородным при наличии сезонного термоклина, тогда как в его
отсутствие могут наблюдаться значительные вертикальные градиенты в распределении
гидрохимических характеристик в пределах верхнего перемешанного слоя.
При исследовании вертикального распределения элементов главного
биогенного цикла в водной толще Черного моря основное внимание тра-
диционно обращалось на изменения в концентрациях, происходящие по
мере превращения аэробной зоны в анаэробную. Подробное описание био-
химических процессов, происходящих при этом в интервале изопикниче-
ских поверхностей σt = 14,2 – 16,5, дано в работах [1 – 6].
Значительно меньшее внимание уделялось особенностям вертикально-
го распределения биогенных элементов в шельфовых водах, хотя вопрос о
том, каких изменений в концентрациях биогенных элементов следует
ожидать по мере перемещения от поверхности до холодного промежуточ-
ного слоя (ХПС), пожалуй, не менее сложен, чем особенности распределе-
ния гидрохимических характеристик в субкислородной и сероводородной
зонах. Экспедиционные исследования на шельфе, как правило, ограничи-
вались отбором проб на поверхностном и придонном горизонтах. Однако
при таком методическом подходе невозможно исследовать особенности
вертикальной структуры стратифицированных шельфовых вод, в которых
присутствуют: верхний квазиоднородный слой (ВКС); слой сезонного
термоклина; верхняя граница ХПС на σt = 14,1 – 14,3 и ядро ХПС на
σt = 14,5 – 14,6. Особенности вертикального распределения элементов
главного биогенного цикла на северо-западном шельфе (СЗШ) в мае 2004 и
2007 гг. ниже изопикнической поверхности σt = 15,0 рассмотрены в [7, 8].
Задача данной работы – исследование особенностей распределения
биогенных элементов в весенний и осенний сезоны в верхней
100-метровой толще вод с высоким вертикальным разрешением в районах
СЗШ, не подверженных влиянию стока рек, а также анализ взаимосвязей
между особенностями распределения химических и гидрологических ха-
рактеристик.
© С.И. Кондратьев, 2009
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 38
Материалы и методы
Для анализа вертикальных профилей концентраций биогенных элементов
использованы данные трех экспедиций Морского гидрофизического институ-
та НАН Украины за последние 12 лет, во время проведения которых расстоя-
ние между горизонтами отбора проб было менее 10 м. Это исследования на
НИС «Эксперимент» в сентябре 1995 г. и мае 2007 г., а также на НИС Бол-
гарской АН «Академик» в мае 2004 г.
Схема расположения гидрохимических станций в рейсах представлена на
рис. 1. Отбор проб для химического анализа производили с помощью кассет
зондирующих приборов ШИК-3 (1995 г.), «Seabird-Electronics» ( май 2004 г.)
и ШИК-1 (май 2007 г.).
100
200
Дельта
Дуная
Крым
Черное
море
30 31 32 33
45
44
o o o o
o
o
с.ш.
в.д.
Р и с. 1. Схема станций, выполненных в сентябре 1995 г. (♦), в мае 2004 г. (●) и в мае 2007 г.
(▲). Штриховой линией отмечена примерная граница проникновения на СЗШ речного стока
Экспедиции были проведены в разные сезоны в различных районах СЗШ
Черного моря, однако во всех случаях в соответствии с данными по районирова-
нию СЗШ исследования выполнялись в относительно чистых районах, не под-
верженных влиянию стоков Дуная, Днепра и Днестра [9, 10]. Примерная граница
зоны (отмеченная на рис. 1 штриховой линией), к северо-западу от которой за-
метно влияние речного стока, была определена по появлению на трех северо-
западных станциях значительных концентраций нитритов и нитратов во всей
толще шельфовых вод. Данные для этих станций не вошли в изученный массив.
Более подробно о гидрохимической обстановке на СЗШ в мае 2004 г. изложено в
работе [7].
Определение концентраций фосфатов, кремнекислоты, нитратов и нитритов
спектрофотометрическим методом проводили в соответствии с методикой [11].
Результаты химико-аналитических определений в мае 2004 г. показали сле-
дующие коэффициенты вариации вычисленных средних значений концентра-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 39
ций: 3,1% для фосфатов (среднее 1,07 мкM), 1% для кремнекислоты (среднее
52,5 мкМ), 2% для нитритов и нитратов.
Вертикальные профили градиентов температуры и биогенных элементов
рассчитаны с помощью программы «Гидролог» [12] до глубины 100 м, на кото-
рой располагалась изопикническая поверхность σt = 15,0.
При расчете погрешности определения вертикальных градиентов (ВГ) био-
генных элементов была принята во внимание точность использованных методик.
Для фосфатов это составит 0,03 мкМ от определяемой концентрации в 1 мкМ,
что для двух значений в 10-метровом слое дает ошибку в определении верти-
кального градиента в 0,006 мкМ/м. Ошибка определения концентрации кремне-
кислоты до 5 мкМ, согласно [11], составляет 1%, что соответствует 0,05 мкМ и
ошибке определения градиента 0,01 мкМ/м при расстоянии между горизонтами
5 м. При бóльших различиях в глубинах отбора проб ошибка определения гради-
ента концентрации кремнекислоты будет еще меньше. Обсуждаемые ниже вели-
чины вертикальных градиентов концентрации биогенных элементов на порядок
превышают эти значения, следовательно, рассчитанные значения ВГ не связаны
с погрешностями методики определения.
Краткая характеристика вертикального распределения
гидрологических параметров в исследованных районах
Формирование вод рассмотренных регионов СЗШ обусловливается главным
образом Основным Черноморским течением, ограждающим эти акватории от
прямого антропогенного загрязнения, поступающего с речным стоком основных
рек в северо-западной части Черного моря и распространяющегося на юг вдоль
западного побережья [13].
При рассмотрении гидрологических характеристик вод основное внимание
уделено вертикальному градиенту температуры, так как далее будет показано, что
на особенностях вертикальных профилей биогенных элементов определенным
образом отражаются особенности распределения именно этой характеристики.
Проанализированные массивы данных относятся к весеннему и позднелет-
нему гидрологическим сезонам, поэтому для всех случаев в верхней
100-метровой водной толще ожидалась трехслойная структура, в которую вхо-
дил верхний квазиоднородный слой, слой термоклина и холодный промежуточ-
ный слой.
Определение толщины ВКС, согласно классификации, изложенной в [14],
связано или с изменением температуры, которая на нижней границе ВКС ниже
поверхностной на 0,5°С, или с уменьшением σt на 0,125 в единицах плотности.
Согласно этим определениям, в мае 2004 г. ВКС со средней температурой на
шельфе 13,5°С распространялся примерно до глубины 5 – 7 м (рис. 2, а) или до
изопикнической поверхности σt = 13,2 – 13,3 в поле плотности (рис. 2, б). С учетом
примерно 5-метровой толщины ВКС величина ВГ температуры в этом слое долж-
на быть не более 0,1°С/м, что и наблюдалось на большинстве станций (рис. 2, в).
Слой термоклина, в котором температура постепенно уменьшалась от 13 до 8°С,
простирался до изопикны σt = 14,1, ниже которой располагался ХПС с ядром на
σt = 14,4. Значения ВГ температуры в верхней части термоклина в отдельных
случаях достигали –1,1°С/м и уменьшались до 0,1°С/м на верхней границе ХПС.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 40
Р
и
с
.
2.
В
ер
ти
к
ал
ьн
ы
е
п
р
о
ф
и
л
и
т
ем
п
ер
ат
у
р
ы
о
тн
о
си
те
л
ьн
о
г
л
у
б
и
н
ы
–
а
,
те
м
п
ер
ат
у
р
ы
и
с
о
л
ен
о
ст
и
о
тн
о
си
те
л
ьн
о
п
л
о
тн
о
ст
и
–
б
,
в
ер
ти
к
ал
ь
н
ы
е
гр
ад
и
ен
ты
т
ем
п
ер
ат
у
р
ы
о
тн
о
си
те
л
ьн
о
п
л
о
тн
о
ст
и
–
в
в
м
ае
2
00
4
г.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 41
Р
и
с
. 3
. Т
о
ж
е,
ч
то
н
а
р
и
с.
2
, в
м
ае
2
00
7
г.
б
в
а
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 42
Вертикальный профиль температуры в мае 2007 г. был несколько
сложнее, чем в мае 2004 г., так как за счет интенсивной инсоляции тонкий
(верхние 2 – 3 м) поверхностный слой вод прогрелся до 17 – 18°С
(рис. 3, а). Таким образом, согласно [14], толщина ВКС в мае 2007 г. была
2 – 3 м, нижняя граница этого слоя соответствовала изопикне σt = 12,2.
Увеличение температуры ВКС до 18°С привело к тому, что в слое термо-
клина, простиравшемся примерно до глубины 40 м, между глубинами
12 – 20 м располагался слой, в котором не наблюдалось резкого пониже-
ния температуры в поле глубины. Толщина этого слоя с температурой
12 – 13°С составляла 5 – 7 м, его нижняя граница располагалась на изо-
пикне σt = 13,3, где были отмечены нулевые значения ВГ, т.е. это был на-
блюдавшийся в мае 2004 г. ВКС, который переместился на большие глу-
бины вследствие интенсивного прогрева поверхностных вод.
В поле плотности (рис. 3, б) хорошо видно, как в интервале изопикн
σt = 13,2 – 13,3 происходит уменьшение угла наклона кривой вертикаль-
ного распределения температуры, что в свою очередь отражается на кри-
вой распределения ВГ температуры (рис. 3, в). Над изопикной
σt = 13,2 ВГ температуры принимают более высокие значения, достигая в
максимальном случае –1,2°С/м, ниже изопикнической поверхности
σt = 13,3 значения ВГ температуры не превышают –0,6°С/м. Верхняя гра-
ница ХПС в мае 2007 г. располагалась на σt = 13,9, а минимум темпера-
туры – на σt = 14,0, ниже увеличение плотности происходило за счет уве-
личения солености, что следует из профилей температуры и солености
(рис. 3, б).
Наиболее важной особенностью вертикальных профилей температу-
ры в мае 2004 и 2007 гг., на наш взгляд, являются относительно высокие
вертикальные градиенты температуры (рис. 2, в; 3, в), которые в поле
плотности наблюдаются практически от поверхности до верхней грани-
цы ХПС, расположенной на изопикнических поверхностях σt = 14,1 в
2004 г. и σt = 13,9 в 2007 г.
В трехслойной структуре вод в сентябре 1995 г. ВКС толщиной
20 – 30 м был прогрет до 18,0 – 18,5°С (рис. 4, а) и в поле плотности
нижней границей располагался на σt = 12,2 (рис. 4, б). Такие критерии
для определения нижней границы ВКС не соответствуют рекомендациям
[14]. В частности, толщина ВКС в сентябре составляет 0,5 единиц σt, а не
рекомендованные ∆σt = 0,125 для вод океана. Однако на рис. 4, в хорошо
видно, как ВГ температуры, близкие к нулевым значениям в поверхност-
ном слое, принимают значения более 0,1°С/м ниже изопикны σt = 12,2.
Таким образом, нижняя граница ВКС и в мае 2007 г., и в сентябре
1995 г. находилась на изопикнической поверхности σt = 12,2. В отличие
от вертикальной структуры вод в мае 2007 г. толщина ВКС в сентябре
1995 г. была гораздо больше и составляла в шкале σt 0,5 единиц. Слой
термоклина с постепенным понижением температуры от 18 до 8°С в поле
плотности в сентябре был более мощным, чем в мае, т.к. его нижняя гра-
ница (и верхняя граница ХПС) располагалась глубже, чем в мае, на изо-
пикне σt = 14,3.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 43
Р
и
с
. 4
. Т
о
ж
е,
ч
то
н
а
р
и
с.
2
, в
с
ен
тя
б
р
е
19
95
г
.
а
б
в
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 44
В отличие от майских профилей относительно высокие (более 0,1°С/м)
вертикальные градиенты температуры в сентябре наблюдались не сразу от
поверхности, а только между изопикнами σt = 12,2 и σt = 14,3. Таким образом,
по сравнению с майскими профилями в сентябре выявлены два отличия. Во-
первых, в ВКС в поле плотности от поверхности до изопикны σt = 12,2 гради-
ент температуры был практически нулевым. Во-вторых, нижняя граница вод,
где градиент становился менее 0,1°С/м (т.е. верхняя граница ХПС), в мае
располагалась на изопикне σt = 13,9 – 14,1, а в сентябре – несколько глубже,
на σt = 14,3.
Более подробно гидрологическая обстановка в районе работ в мае 2004 г.
и в мае 2007 г. дана в [7] и [8] соответственно.
Вертикальное распределение фосфатов
В вертикальном распределении фосфатов в мае 2004 и 2007 гг. (рис. 5, а, б)
следует отметить невысокие концентрации – не более 0,15 мкМ – в слое вод от
поверхности до изопикн σt = 14,0 – 14,1. То есть пока в толще вод существовал
градиент температуры выше 0,1°С/м (рис. 2, в; 3, в), распределение фосфатов по
вертикали было практически однородным, но как только градиент температуры
на верхней границе ХПС (σt = 13,9 – 14,1) становился близким к нулю, однород-
ность распределения нарушалась.
Эта же эмпирическая зависимость характерна для вертикальных профилей
фосфатов и градиентов фосфатов в сентябре 1995 г. (рис. 5, в, г), причем здесь
она подтверждается также особенностями распределения температуры и фосфа-
тов в ВКС. В это время в ВКС, от поверхности до σt = 12,2, наблюдались не-
большой (до 0,1°С/м) температурный градиент (рис. 4, в) и высокая изменчивость
концентраций фосфатов – от 0 до 1 мкМ (рис. 5, в). Последнее привело к тому, что
величина градиента концентрации фосфатов изменялась в относительно широких
пределах, от –0,04 до +0,08 мкМ/м (рис. 5, г). Ниже изопикны σt = 12,2 абсолютная
величина градиента температуры возрастала и находилась в пределах
0,2 – 1,3°С/м, а содержание фосфатов становилось однородным, с концентрация-
ми, не превышающими 0,2 мкМ. При этом пределы изменения вертикального гра-
диента уменьшились примерно вдвое, он не превышал ±0,02 мкМ/м. Когда темпе-
ратурный градиент становился близким к нулю ниже изопикны σt = 14,3, концен-
трации фосфатов сразу начинали возрастать с увеличением глубины.
Следует отметить также, что если в мае изопикническая поверхность, ниже
которой начиналось устойчивое возрастание концентрации фосфатов, распола-
галась на σt = 13,9 – 14,1, то в сентябре она углубилась до σt = 14,3. Возможно,
конечно, что причина такого заглубления связана только с биогеохимическими
процессами, обеспечившими образование большого количества взвешенного
органического вещества в летний период, оседание которого повлияло на верти-
кальное распределение фосфатов. Однако более логичным кажется предполо-
жить, что одни и те же процессы определили особенности вертикальных профи-
лей гидрологических и гидрохимических характеристик. В частности, как только
летний прогрев водных масс обеспечил относительно высокий градиент темпе-
ратуры до большей глубины, содержание фосфатов до этой же глубины стало
однородным.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 45
май 2004 г. май 2007 г.
а б
сентябрь 1995 г. сентябрь 1995 г.
в г
Р и с. 5. Вертикальные профили фосфатов (а – в) и вертикальный градиент концентрации фос-
фатов (г) относительно плотности
Вертикальное распределение кремнекислоты
На вертикальных профилях кремнекислоты в мае следует отметить
однородное (содержание кремнекислоты не превышало 5 мкМ) распре-
деление концентраций от поверхности до изопикн σt = 13,9 – 14,1
(рис. 6, а, б). Ниже этих изопикнических поверхностей концентрация
кремнекислоты начинала резко возрастать с увеличением глубины. Такая
же ситуация наблюдается и для сентябрьских профилей с тем отличием,
что возрастание концентраций кремнекислоты начинается с изопикны
σt = 14,3 (рис. 6, в).
Мощный ВКС в сентябре не приводит к каким-то заметным измене-
ниям на вертикальном распределении кремнекислоты, концентрации ко-
-0.05 0.00 0.05 0.10
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ/м0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
0 0.2 0.4 0.6 0.8
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3 ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 46
торой и в мае, и в сентябре от поверхности до изопикны σt = 14,3 нахо-
дятся в пределах 2 – 5 мкМ. Вертикальный градиент концентрации крем-
некислоты (рис. 6, г) в ВКС и в слое термоклина качественно очень по-
хож на ВГ температуры (рис. 4, в). В ВКС вертикальные градиенты тем-
пературы и кремнекислоты близки к нулю: пока ВГ температуры оста-
вался ниже 0,1°С/м от поверхности до изопикны σt = 12,2, ВГ кремнекис-
лоты не превышал 0,1 мкМ/м. При увеличении ВГ температуры в термо-
клине между изопикнами σt = 12,2 и σt = 14,3 наблюдалось возрастание
ВГ кремнекислоты. На верхней границе ХПС (изопикна σt = 14,3) ВГ
температуры приближается к нулю, точно так же ведет себя и ВГ крем-
некислоты.
май 2004 г. май 2007 г.
а б
сентябрь 1995 г. сентябрь 1995 г.
в г
Р и с. 6. Вертикальные профили кремнекислоты (а – в) и вертикальный градиент концентрации
кремнекислоты (г) относительно плотности
0 5 10 15 20
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
0 5 10 15 20 25
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ/м
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 47
Различие в поведении ВГ температуры и кремнекислоты наблюдает-
ся после изопикны σt = 14,3, т.е. с того момента, когда плотностную
стратификацию вод начинает определять не температура, а соленость
(рис. 4, б). Ниже верхней границы ХПС на фоне практически нулевого
ВГ температуры происходит резкое возрастание ВГ кремнекислоты, ко-
торый ниже изопикны σt = 14,3 принимает только положительные зна-
чения и достигает 1,0 мкМ/м на σt = 15,0.
Тенденция постепенного возрастания содержания кремнекислоты с
увеличением глубины (рис. 6, а – в) наглядно подтверждается распреде-
лением ВГ концентрации кремнекислоты (рис. 6, г): на фоне положи-
тельных значений 0 – 0,1 мкМ/м в ВКС, 0 – 0,5 мкМ/м в термоклине и
0,1 – 1,0 мкМ/м ниже σt = 14,3 лишь в редких случаях наблюдалось от-
рицательное значение ВГ, не превышающее –0,01 мкМ/м, что укладыва-
ется в погрешность определения.
Таким образом, от поверхности до изопикны σt = 14,3 ВГ кремне-
кислоты ведет себя точно так же, как ВГ температуры: малым значения
градиента температуры в ВКС и нижней части термоклина соответству-
ют небольшие, до 0,1 мкМ/м, значения ВГ кремнекислоты, тогда как
большие значения градиента температуры в слое термоклина приводят к
почти пятикратному увеличению ВГ кремнекислоты.
Вертикальное распределение нитритов и нитратов
В соответствии с опубликованными данными на вертикальном про-
филе нитратов должен наблюдаться пик концентраций на σt = 15,5, ок-
руженный сверху и снизу максимумами нитритов [15]. В данной работе
из этой структуры возможно рассмотреть только положение верхнего
максимума нитритов, а также оценить, с какой глубины начинается уве-
личение содержания нитратов.
В вертикальном распределении нитритов в мае 2004 г. (рис. 7, а)
следует отметить прежде всего их весьма низкое содержание (не пре-
вышающее 0,02 мкМ) от поверхности до нижней границы термоклина на
изопикне σt = 14,1, на которой располагался максимум концентраций,
достигший в 2004 г. 0,3 мкМ. В мае 2007 г. этот максимум (не такой
явный, как в 2004 г., вероятнее всего, вследствие небольшого массива
данных и практически их отсутствия для глубин ниже σt = 14,1) распо-
лагался на изопикне σt = 13,9 (рис. 7, б). Положение максимума нитри-
тов на верхней границе ХПС в мае 2004 г. (σt = 14,1) и в мае 2007 г.
(σt = 13,9) совпадает с началом увеличения концентраций нитратов, для
которых от поверхности до изопикн σt = 14,0 – 14,1 наблюдалось прак-
тически однородное вертикальное распределение с концентрациями
не более 0,5 мкМ в 2004 г. и до 0,3 мкМ в 2007 г. (рис. 7, в, г). Важно
отметить, что ни для нитритов, ни для нитратов не происходило сколь-
ко-нибудь значительного повышения концентраций в слое термоклина, а
заметные изменения в концентрациях начинались, когда ВГ температу-
ры приближался к нулю, т.е. когда термоклин переходил в ХПС.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 48
май 2004 г. май 2007 г.
а б
май 2004 г. май 2007 г.
в г
Р и с. 7. Вертикальные профили нитритов – а, б и нитратов – в, г относительно плотности
Обсуждение результатов
Верхний 100-метровый слой вод Черного моря представляет собой силь-
но стратифицированную по плотности структуру, в которой изменение ус-
ловной плотности достигает 5 кг/м3 – от σt = 11 на поверхности до σt = 16 на
100-метровой глубине [16]. В стратификации верхней части этого слоя от по-
верхности до верхней границы ХПС важное значение имеет градиент темпе-
ратуры, тогда как в более глубинных слоях температура изменяется незначи-
тельно и величина плотности зависит в основном от солености (см. измене-
ние наклона вертикального профиля солености на верхней границе ХПС на
рис. 2, б; 3, б; 4, б). Появление галоклина на верхней границе ХПС сопровож-
дается также появлением оксиклина и хемоклина, поскольку вертикальный
обмен одинаковым образом влияет на эти характеристики [17].
На основании ранее опубликованных данных принято считать, что над термо-
клином концентрации биогенных элементов в весенне-летний период должны
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3 ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
0 1 2 3 4
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
О
тн
о
с
и
те
л
ь
н
а
я
п
л
о
тн
о
с
ть
, к
г/
м
3
ВКС
Термоклин
ХПС
мкМ
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 49
быть относительно невелики вследствие их биохимического потребления, а под
термоклином они возрастают вследствие регенерации оседающей биомассы
[18, 19]. Таким образом, сезонный термоклин является плотностным барьером,
ограничивающим обмен между ВКС и нижележащим слоем вод. Следует, одна-
ко, отметить, что далеко не во всех случаях концентрации биогенных элементов
под сезонным термоклином в весенне-летний период выше, чем в ВКС.
Например, однородное распределение по вертикали в верхней 50-метровой
толще вод при сформированном 18 – 20-метровом ВКС было характерно для
многих шельфовых станций летом 1995 г. [19]. Более того, в летние месяцы
1990 – 1995 гг. (т.е. в условиях существования ВКС толщиной 20 м) на верхней
границе термоклина наблюдалось повышенное содержание фитопланктона и
хлорофилла «а», при этом в слое сезонного термоклина отсутствовали экстре-
мумы на вертикальных профилях фосфатов и нитратов [20]. Следовательно, воз-
никала ситуация, когда термоклин являлся плотностной ловушкой для фито-
планктона, но не для биогенных элементов.
Приведенные данные указывают на незначительное изменение в содержа-
нии биогенов по вертикали весной (рис. 4, а, б; 5, а – в; 6, а – г) или даже на по-
вышенное содержание фосфатов в прогретом до 18°С ВКС над термоклином в
конце лета (рис. 4, в). Резкое возрастание концентраций биогенных элементов
начинается значительно глубже, на верхней границе ХПС, где при практически
постоянной температуре наблюдается перегиб вертикального профиля солено-
сти, т.е. в ситуации, когда стратификацию вод начинает определять не темпера-
тура, а соленость, что следует из рис. 2, б; 3, б; 4, б.
Таким образом, общие особенности вертикального распределения исследо-
ванных в мае (2004, 2007 гг.) и в сентябре (1995 г.) в Каламитском заливе и на
СЗШ четырех компонентов главного биогенного цикла – фосфатов, кремнекис-
лоты, нитритов и нитратов – заключаются в отсутствии значительных изменений
концентраций в водных слоях, где вертикальный градиент температуры более
0,1°С/м. В весенний период вследствие небольшой толщины формирующегося
ВКС монотонное вертикальное распределение биогенных элементов наблюдает-
ся от поверхности до верхней границы ХПС, расположенного на изопикниче-
ской поверхности σt = 14,0 – 14,1. Осенью между ВКС и верхней границей ХПС,
заглубляющейся за летний период до σt = 14,3, концентрации биогенных элемен-
тов изменяются незначительно.
В тех же случаях, когда вертикальный градиент температуры в слое вод ме-
нее 0,1°С/м (а такая ситуация наблюдается в ВКС и ХПС), содержание биоген-
ных элементов изменяется в гораздо бόльших интервалах. Следовательно, тем-
пературный градиент не препятствует выравниванию концентраций, таким пре-
пятствием является градиент солености. Таким образом, причиной появления
хемоклина является прежде всего стратификация по плотности, обеспечиваемая
преимущественно соленостью, тогда как плотностная стратификация, обеспечи-
ваемая преимущественно температурой, не обязательно приводит к образованию
хемоклина.
Предположение о том, что температурный градиент не препятствует вырав-
ниванию концентраций по вертикали, кажется парадоксальным, поскольку об-
щепринято, что именно сезонный термоклин является одним из условий возник-
новения гипоксийных явлений или, в предельном случае, – появления сероводо-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 50
рода в придонном слое и заморов на СЗШ в летний период [2, 18]. Возможно,
что обсуждаемое выравнивание гидрохимических профилей при наличии темпе-
ратурного градиента характерно только для рассматриваемых в работе относи-
тельно чистых районов шельфа, в которых содержание биогенных элементов
относительно невелико, тогда как в районе устья Дуная картина в эти же гидро-
логические сезоны может быть совершенно другой [21].
Возможно также, что ослабление вертикального обмена и возникновение
гипоксийных условий связано не с термоклином, а с галоклином, возникающим
в прилегающих к устьям Дуная и Днепра районах, где соленость поверхностных
вод может на 3 – 4 ‰ отличаться от солености придонных вод. В частности, в
летний период в некоторых районах СЗШ наблюдалось ступенчатое изменение
солености с высокими градиентами плотности, результатом чего стало появле-
ние максимума флуоресценции (связанного с содержанием хлорофилла) на
верхней границе термоклина [19]. Здесь уместно заметить, что верхняя граница
хемоклина, появляющаяся в Черном море на глубинах с изопикнами
σt = 14,1 – 14,3, возникает именно в той ситуации, когда стратификацию вод по
плотности начинает определять не температура, а соленость.
Общее сходство вертикальных распределений гидрохимических характери-
стик в Черном море [17, 22, 23] состоит в том, что изопикническая поверхность
σt = 14,1 – 14,3 является «критической» для элементов главного биогенного цик-
ла. Ниже этой изопикны происходит уменьшение содержания растворенного
кислорода, что сопровождается увеличением содержания кремнекислоты, фос-
фатов, нитритов и нитратов, т.е. начинается формирование оксиклина и хемок-
лина. Можно предположить, что этот скачок связан с изменением приоритета
характеристик, определяющих плотность воды в Черном море. Пока плотность
определяется в основном температурой, наблюдаются относительно монотонные
вертикальные распределения, но как только градиент температуры становится
крайне мал и изменения солености начинают определять изменения в плотности,
на кривых вертикального распределения возникает перегиб.
Таким образом, если при наличии сезонного термоклина в незагрязненных
районах СЗШ наблюдаются относительно монотонные вертикальные профили
гидрохимических элементов, то появление постоянного галоклина резко изменя-
ет форму вертикального распределения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Godispoti L.A., Friederich G.E., Murray J.W. et al. Implications of continuous vertical profiles
that penetrated the oxic/anoxic interface // Deep-Sea Res. – 1991. – 38, №S2А. – Р.691 – 710.
2. Tuĝrul S., Basturk O., Saydam C. et al. Changes in the hydrochemistry of the Black Sea in-
ferred from water density profiles // Nature. – 1992. – 359, №6391. – P.137 – 139.
3. Buesseler K., Livingston H.D., Ivanov L., Romanov A. Stability of oxic/anoxic interface in the
Black Sea // Deep-Sea Res. – 1994. – 41, №2. – Р.283 – 296.
4. Murray J.W., Konovalov S.K., Romanov A.S. et al. 2001 R/V Knorr сruise: new observations
and variations in the structure of suboxic zone // Oceanography of Eastern Mediteranean and
Black Sea. – Turkey, Ankara: TUBITAK Publishers, 2003. – P.545 – 557.
5. Якушев Е.В., Лукашев Ю.Ф., Часовников В.К., Чжу В.П. Современное представление о
вертикальной гидрохимической структуре редокс-зоны Черного моря // Комплексные ис-
следования северо-восточной части Черного моря. – М.: Наука, 2002. – С.119 – 133.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 51
6. Часовников В.К., Якушев Е.В., Лукашев Ю.Ф. Влияние вихревой динамики на гидрохи-
мическую структуру вод северо-восточной части Черного моря // Там же. – С. 151 – 161.
7. Кондратьев С.И., Романов А.С., Внуков Ю.Л. Особенности распределения гидрохимиче-
ских характеристик в районе материкового склона северо-западной части Черного моря //
Морской гидрофизический журнал. – 2007. – №5. – С.69 – 79.
8. Отчет начальника океанографической экспедиции о работах во 2-м рейсе НИС «Экспе-
римент» в северо-западной части Черного моря в мае 2007 г. (15.05.07 – 20.05.07) // На-
учные фонды МГИ НАН Украины, инв. №4989. – Севастополь, 2007.
9. Гаркавая Г.П., Богатова Ю.И., Берлинский Н.А., Гончаров А.Ю. Районирование Украин-
ского сектора северо-западной части Черного моря (по гидрофизическим и гидрохимическим
характеристикам) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплекс-
ное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2000. – С.9 – 24.
10. Орлова И.Г., Павленко Н.Е., Коморин В.Н., Бондарь С.Б. Современное состояние химиче-
ского загрязнения северо-западного шельфа Черного моря // Там же. – 2001. – С.139 – 153.
11. Методы гидрохимических исследований океана. – М.: Наука, 1978. – 267 с.
12. Belokopytov V.N. «Oceanografer» applied software for oceanographic surveys // International
Simposium on Information Technology in Oceanography/ CITD-98, 12 – 16 October, 1998,
Abstracts. – Goa, India, 1998. – P.79.
13. Shapiro G.I., Mee L.D., Lemeshko E.M. et al. A comprehensive study of mesoscale dynamics
and horizontal transports in the north western part of the Black Sea // Geophys. Res. Abstr. –
2005. – 7. – EGU05-A-00620.
14. Levitus S. Climatological Atlas of the World Ocean // NOAA Professional Paper. 1982. – 13.
15. Еремеева Л.В., Романов А.С., Овсяный Е.И. и др. Гидрохимические исследования в 33-м
рейсе научно-исследовательского судна «Профессор Колесников». – Севастополь, 1995. –
42с. (Препринт / НАН Украины. МГИ).
16. Gregoire M., Stanev E. Ventilation of Black Sea anoxic waters. Preface // J. Mar. Syst. –
2001. – 31. – Р.1 – 2.
17. Ozsoy E., Unluata U. Oceanography of the Black Sea: a review of some recent results // Earth-
Sci. Rev. – 1997. – 42. – P.231 – 272.
18. Tolmazin D. Changing coastal oceanography of the Black Sea, I. Northwestern Shelf // Prog.
Oceanogr. – 1985. – 15. – Р.217 – 276.
19. Tankéré S.P.C., Muller F.L.L., Burton J.D. et al. Trace metal distributions in shelf waters of the
northwestern Black Sea // Cont. Shelf Res. – 2001. – 21. – Р.1501 – 1532.
20. Kideys A.E., Kovalev A.V., Shulman G. et al. A review of zooplankton investigations of the
Black Sea over the last decade // J. Mar. Syst. – 2000. – 24. – Р.355 – 371.
21. Kondratyev S.I., Lemeshko E.M. The extremely late bottom hypoxia on the north-western shelf
of the Black Sea at the end of November 2001 // Oceanography of Eastern Mediteranean and
Black Sea. – Turkey, Ankara: TUBITAK Publishers, 2003. – P.457 – 461.
22. Konovalov S.K., Murray J.W. Variations in the chemistry of the Black Sea on a time scale of
decades (1960 – 1995) // J. Mar. Syst. – 2001. – 31. – P.217 – 243.
23. Chasovnikov V.K., Lukashev Yu.F. Influence of eddy dynamics on the vertical distribution of
hydrochemical compounds of the Black Sea // Oceanography of Eastern Mediteranean and
Black Sea. – Turkey, Ankara: TUBITAK Publishers, 2003. – P.443 – 446.
Морской гидрофизический институт НАН Украины,
Севастополь
Материал поступил
в редакцию 21.11.07
После доработки 13.02.08
ABSTRACT Considered are the features of vertical distribution of the elements of main biogenic
cycle in the upper thickness of the northwestern shelf waters in the Black Sea in spring and autumn
seasons, and also the interrelation of the peculiarities of vertical distribution of hydrochemical and
hydrological characteristics. It is shown that position of halocline always stipulates that of chemo-
cline; in that case the thermocline influence upon the distribution of hydrochemical characteristics is
ambiguous. Vertical distribution of hydrochemical parameters can be uniform in the presence of sea-
sonal thermocline, whereas in its absence significant vertical gradients in distribution of hydrochemi-
cal characteristics can be observed within the upper mixed layer.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5438 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:44:02Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кондратьев, С.И. 2010-01-20T14:41:44Z 2010-01-20T14:41:44Z 2009 Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря / С.И. Кондратьев // Мор. гидрофиз. журн. — 2009. — № 2. — С. 37-51. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5438 551.465 Рассмотрены особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в верхней толще вод северо-западного шельфа Черного моря в весенний и осенний сезоны, а также взаимосвязь особенностей вертикального распределения гидрохимических и гидрологических характеристик. Показано, что положение галоклина всегда определяет положение хемоклина, тогда как влияние термоклина на распределение гидрохимических характеристик неоднозначно. Вертикальное распределение гидрохимических параметров может быть однородным при наличии сезонного термоклина, тогда как в его отсутствие могут наблюдаться значительные вертикальные градиенты в распределении гидрохимических характеристик в пределах верхнего перемешанного слоя. Considered are the features of vertical distribution of the elements of main biogenic cycle in the upper thickness of the northwestern shelf waters in the Black Sea in spring and autumn seasons, and also the interrelation of the peculiarities of vertical distribution of hydrochemical and hydrological characteristics. It is shown that position of halocline always stipulates that of chemocline; in that case the thermocline influence upon the distribution of hydrochemical characteristics is ambiguous. Vertical distribution of hydrochemical parameters can be uniform in the presence of seasonal thermocline, whereas in its absence significant vertical gradients in distribution of hydrochemical characteristics can be observed within the upper mixed layer. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря Кондратьев, С.И. Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана |
| title | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря |
| title_full | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря |
| title_fullStr | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря |
| title_full_unstemmed | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря |
| title_short | Особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа Черного моря |
| title_sort | особенности вертикального распределения элементов главного биогенного цикла в водах северо-западного шельфа черного моря |
| topic | Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана |
| topic_facet | Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5438 |
| work_keys_str_mv | AT kondratʹevsi osobennostivertikalʹnogoraspredeleniâélementovglavnogobiogennogociklavvodahseverozapadnogošelʹfačernogomorâ |