CC BY
0
Научная статья
УДК 547.211 Б01: 10.29039/0233-7584-2023-2-249-265
ЕБ№ РОБРТ1
Исследование суточной динамики вертикального распределения метана в аэробной зоне Черного моря в комплексе с акустическими исследованиями звукорассеивающих слоев
Т. В. Малахова 1 Ю. Г. Артёмов 1, А. И. Хурчак 1, Л. В. Решетник 1, А. В. Федирко 2, В. Н. Егоров 1
1 ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южныхморей имениА. О. КовалевскогоРАН»,
Севастополь, Россия 2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия н t.malakhova@imbr-ras.ru
Поступила в редакцию 06.07.2022; одобрена после рецензирования 25.12.2022; принята к публикации 16.01.2023.
Аннотация
Цель. Оценка суточной динамики вертикального распределения СШ в кислородной зоне Черного моря на различных по глубине станциях в комплексе с акустическими исследованиями звукорассеивающих слоев (ЗРС) - цель данной работы.
Методы и результаты. Исследования проводили в 113-м рейсе НИС «Профессор Водяниц-кий» (июнь 2020 г.) в верхнем 100-метровом слое на глубоководной станции (1570 м) в северовосточной части Черного моря и на мелководной станции (39 м) в Ялтинском заливе. Обнаружены отличия в вертикальном распределении концентрации СНд в воде этих районов. Суточный диапазон концентраций СНд в поверхностном слое воды (0-1 м) составил 0,8-16 нмоль/л и 0,2-7 нмоль/л в мелководном и глубоководном районе соответственно. Показана высокая изменчивость потоков на границе вода - атмосфера в течение суток: от стока СШ из атмосферы в воду до эмиссии, достигающей 3 мкмоль/м2 сут СШ, в атмосферу.
Выводы. Максимальные потоки СШ в атмосферу на обеих станциях наблюдали в ночные часы. Показано, что атмосферная эмиссия СШ не является значимым фактором в его перераспределении в воде, так как рассчитанные величины суточного удельного потока СШ на границе атмосфера - вода составляют доли процента от его запасов в столбе воды. Установлен сходный характер суточной динамики вертикального распределения СШ и ЗРС в аэробном слое глубоководной станции. На фоне общей высокой вариабельности данных для отдельных временных диапазонов получены значимые коэффициенты детерминации между концентрацией СШ и коэффициентом звукорассеяния слоя т1' как характеристикой количества биомассы.
Ключевые слова: метан, «метановый парадокс», эмиссия, аэробный слой, звукорассеивающие слои, Черное море
Благодарности: авторы благодарят экипаж 113-го рейса НИС «Профессор Водяницкий» и Е. О. Сахоня за помощь в проведении забортных работ. Работа подготовлена по теме государственного задания ФИЦ ИнБЮМ «Молисмологические и биогеохимические основы гомео-стаза морских экосистем» (121031500515-8).
Для цитирования: Исследование суточной динамики вертикального распределения метана в аэробной зоне Черного моря в комплексе с акустическими исследованиями звукорассеивающих слоев / Т. В. Малахова [и др.] II Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 2. С. 249-265. ЕБЫ РОБРТ1. ао1:10.29039/0233-7584-2023-2-249-265
© Малахова Т. В., Артёмов Ю. Г., Хурчак А. И., Решетник Л. В., Федирко А. В., Егоров В. Н., 2023 МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 39 №2 2023 249
Original Article
Studying Diurnal Dynamics of Vertical Methane Distribution in the Black Sea Aerobic Zone Combined with Acoustic Research of the Sound-Scattering Layers
T. V. Malakhova 1 Yu. G. Artemov 1, A. I. Khurchak 1, L. V. Reshetnik 1, A. V. Fedirko 2, V. N. Egorov 1
1 A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russian Academy of Sciences,
Sevastopol, Russia
2 Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences, Sevastopol, Russia H t.malakhova@imbr-ras.ru
Abstract
Purpose. The purpose of the study is to assess the diurnal dynamics of CH4 vertical distribution in the aerobic zone of the Black Sea at the stations of different depths joint with surveying the sound scattering layers (SSL).
Methods and Results. The surveys were performed in the 113th cruise of the R/V "Professor Vod-yanitsky" (June, 2020) in the upper 100-m layer at the deep-water station (1570 m) in the northeastern Black Sea, and at the shallow-water station (39 m) in the Yalta Bay. The differences in vertical distribution of the CH4 concentration in the seawater in these areas were found. Diurnal range of the CH4 concentrations in the surface water layer (0-1 m) was 0.8-16 nmol/l and 0.2-7 nmol/l for the shallow and deep-water areas, respectively. Shown was the fluxes' high variability at the water - atmosphere boundary in course of a day, namely, from the atmospheric CH4 inflow to the seawater up to the CH4 emission (up to 3 ^mol/m2day) to the atmosphere.
Conclusions. The maximum CH4 fluxes to the atmosphere recorded at both stations were observed at night. It was shown that the atmospheric CH4 emission to seawater was not a significant factor in the CH4 redistribution in a water column since the calculated values of the atmosphere - seawater specific daily CH4 flux constituted the fractions of a percent of its store in the water column. Diurnal dynamics of the vertical CH4 distribution and SSL in the aerobic layer of the deep-water station was revealed to be of a similar pattern. Against high variability of the data for the individual time ranges, obtained were significant determination coefficients between the CH4 concentration and the sound-scattering coefficient of ml' layer as a characteristic of the biomass amount.
Keywords: methane, "methane paradox", emission, aerobic layer, sound-scattering layers, Black Sea
Acknowledgements: The authors are grateful to the crew of the 113th cruise of the R/V "Professor Vodyanitsky" and to E. O. Sakhon for their assistance in the outboard operations. The study was carried out within the framework of the state assignment of IBSS of RAS "Molismological and biogeo-chemical foundations of homeostasis of marine ecosystems" (121031500515-8).
For citation: Malakhova, T.V., Artemov, Yu.G., Khurchak, A.I., Reshetnik, L.V., Fedirko, A.V. and Egorov, V.N., 2023. Studying Diurnal Dynamics of Vertical Methane Distribution in the Black Sea Aerobic Zone Combined with Acoustic Research of the Sound-Scattering Layers. Physical Oceanography, 30(2), pp. 229-244. doi:10.29039/1573-160X-2023-2-229-244
Введение
Метан (CH4) является одним из ключевых, климатически значимых газов, который содержится в водах Мирового океана [1]. В прибрежных и шельфо-вых районах придонные слои воды, как правило, обогащены CH4 и на несколько порядков превышают равновесные уровни концентраций. Это обусловлено в первую очередь широким распространением метановых сипов
и интенсивными диффузионными потоками из донных отложений в продуктивных шельфовых районах Мирового океана [2].
Кроме придонного максимума СН4 показано наличие его концентрационного пика в подповерхностных слоях воды как в солоноватоводных, так и в пресноводных бассейнах (так называемый «метановый парадокс»), в том числе в аэробном слое Черного моря [3, 4]. Первые детальные профили вертикального распределения метана в аэробных водах шельфа Черного моря были получены в середине 90-х гг. прошлого века [5, 6], а также в 2002 г. в северо-восточной части моря [7]. Было показано наличие концентрационного максимума СН4 в слое, который соответствовал значению условной плотности 14 кг/м3. Ниже располагался минимум содержания СН4, разделяющий метан аэробной и анаэробной толщи Черного моря. Концентрации СН4 в слое максимума превышали значения поверхностных концентраций в среднем в 1,5 раза [5].
Несмотря на то что за последние десятилетия явление «метанового парадокса» в различных бассейнах было многократно описано в литературе, до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, какой процесс ответственен за повышенные концентрации растворенного СН4 в верхних слоях воды [8-12]. Устоявшаяся парадигма о микробном образовании СН4 метаногенными архе-ями в анаэробных нишах 1 [13-15] в последнее время расширяется новыми данными о том, что СН4 в кислородсодержащих водах может продуцироваться цианобактериями [4], водорослями [16, 17], грибами [18], пурпурными бактериями [19, 20] и др. Доминирующий механизм образования СН4 в различных водных системах может зависеть от сезона, трофического статуса, морфологии и биоценоза каждого отдельно взятого водоема [21, 22].
В работах конца XX в. описана «зоопланктонная» теория образования СН4 метаногенными археями, ассоциированными с флорой кишечника ко-пепод и их фекальными пеллетами [23, 24]. Метаногенные археи производят СН4 путем деструкции метилированных продуктов, таких как метиламин, диметилсульфид и метанол, которые непосредственно или опосредованно производятся в результате метаболизма фитопланктона - пищи зоопланктона. В радиоизотопных экспериментах с зоопланктоном было показано, что интенсивность метаногенеза была пропорциональна количеству копепод [15]. Позднее в специальных инкубационных экспериментах были рассчитаны удельные скорости суточной продукции СН4 для отдельных видов зоо- и фитопланктона 2 [24, 25].
В естественных условиях многие виды живых организмов в течение суток активно мигрируют в толще воды, что должно осложнять образование устойчивых концентрационных максимумов СН4. Также глубина залегания максимума СН4 может быть связана с периодическими изменениями глубины градиентных по плотности слоев, с которыми ассоциировано концентрирование терригенных взвесей и детрита [26]. Отследить миграцию живых орга-
1 Русанов И. И. Микробная биогеохимия цикла метана глубоководной зоны Черного моря : автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2007. 24 с.
2 Ковалев А. В., Шмелева А. А., Петран А. Зоопланктон западной части моря от Босфора до устья Дуная в мае 1982 г. М. : Типография Министерства угольной промышленности, 1989. С. 356-367.
МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 39 №2 2023 251
низмов и градиентных полей в толще воды возможно при помощи гидроакустических исследований звукорассеивающего слоя (ЗРС), обусловленного наличием минеральной взвеси, детрита, фито-, зоо-, ихтиопланктона и взрослых рыб. Основная тенденция суточного изменения ЗРС связана с его подъемом и сгущением в подповерхностных слоях моря ночью и заглублением до 120 м днем с более равномерным распределением звукорассеивателей в толще вод [27].
Исследования временных трендов изменения концентрации СЩ в морских акваториях чаще посвящены многолетней и сезонной динамике [8, 28], значительно реже мониторинг проводится на синоптическом или суточном масштабе времени. Наши собственные данные сезонных исследований вертикального распределения СЩ в верхнем фотическом слое воды Черного моря, проведенные в 102, 103, 105, 106 и 110-м рейсах на НИС «Профессор Во-дяницкий», не выявили четкой сезонной и пространственной зависимости в распределении подповерхностных максимумов CH4. Это распределение, вероятно, связано с процессами меньшего временного и пространственного масштаба [29]. В связи с этим была поставлена цель исследовать суточную динамику вертикального распределения СН4 в кислородной зоне Черного моря в комплексе с акустическими исследованиями ЗРС.
Методика исследований
Районы исследований и отбор проб. Исследования проводили на двух станциях в северной части Черного моря в 113-м рейсе НИС «Профессор Во-дяницкий». На прибрежной ст. 123 (44°28,970' с. ш.; 34°10,940' в. д.) работы были выполнены 8-9 июня 2020 г. в период с 07:00 до 07:00, на глубоководной ст. 220 (44°17,260' с. ш.; 36°08,963' в. д.) - 13-14 июня 2020 г. в период с 11:00 до 14:00.
Вода для определения концентрации растворенного СН4 с соответствующих горизонтов была отобрана с использованием 10-литровых батометров Niskin зондирующего комплекса типа Rosette. На мелководной ст. 123 (39 м) пробы воды отбирали на якорной станции от поверхности до придонного слоя с шагом 5 м через каждые 2 ч. На глубоководной ст. 220 (1570 м) пробы воды отбирались в дрейфе от поверхности до глубины 100 м с шагом 10 м через каждые 4 ч. В начале каждой серии отбора проб судно позиционировалось на исходные координаты. На всех горизонтах пробы отбирали в двух повторностях.
Гидрофизические параметры измеряли во время погружения зондирующего комплекса Rosette, оснащенного зондом фирмы Seabird-Electronics, Inc. (США) с датчиками температуры, солености и давления, кислорода и хлорофилла а.
Газохроматографическое определение концентрации СН4. Концентрацию СН4 в водных пробах определяли «headspacew-методом фазово-равновесной дегазации [30]. Для создания «headspacew-объема использовали гелий повышенной чистоты (ООО «Аргон», марка 5.0) [31]. В качестве ингибитора микробных процессов использовали таблетированный гидроксид калия. Газохроматографическое измерение растворенного СЩ проводили на га-252 МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 39 №2 2023
зовом хроматографе Hewlett Packard 5890 с ПИД при следующих условиях: газ-носитель - азот, объемная скорость - 30 мл/мин, температура детектора -225°С, инжектора - 120°С, колонка стальная набивная, длина колонки - 1м, внутренний диаметр - 2 мм, сорбент - Porapack Q 80/100 меш (Serva). Калибровку прибора проводили ежедневно с использованием газовых поверочных смесей 0,01 и 99,9% СШ в азоте (ООО «Мониторинг»), Ошибка измерений не превышала 10%, предел обнаружения СШ в газовых пробах 0,lppm.
Расчет эмиссии СШ на границе вода - атмосфера. Расчет эмиссии ДСН4) (мкмоль/м2-сут) на границе вода - атмосфера проводили по описанной методике [32] согласно уравнению
F = k(CCH4 " Cq ), Ш
где k - скорость обмена (м/сут); CCH- концентрация растворенного метана
в поверхностной воде; Ceq - равновесная концентрация СН4 в поверхностном слое морской воды с атмосферным воздухом (нмоль/л).
Для расчета равновесной концентрации СН4 в воде использовалось уравнение из работы [33]
lnC = lnCH4 + A + A(100/T) + Aln(T /100) + A.(T /100)+
q (2) +S[B1 +B2(T /100) + B3(T /100)2],
где CH4- атмосферная концентрация метана ippm); T - абсолютная температура (К); S - соленость (%о); An и Bn - константы (нмоль/л). Гидрологические данные (Т., S) получены с помощью CTD-зонда SBE 911plus. Для каждой станции значение равновесной концентрации рассчитывалось с учетом данных температуры и солености, измеренных in situ. Концентрация СН4 в атмосфере для всех станций принималась равной 2 ppm.
Запас СН4 под квадратным метром V (CH4, мкмоль/м2) рассчитывали как сумму объемов для каждого отдельного слоя с допущением, что между слоями концентрация СН4 равна величине, измеренной для верхней границы слоя. Суточный оборот оценивался как отношение удельного потока СН4 на границе вода - атмосфера к запасу СН4 в исследованном слое.
Гидроакустические исследования ЗРС. Исследования пространственных характеристик ЗРС проводили с использованием мобильного эхолота Lowrance Hook Reveal 5 с рабочими частотами 50 и 200 кГц, оборудованного встроенным приемником GPS. Наличие в эхолоте устройства записи профилей рассеянного обратного звукового сигнала обеспечивало возможность детектирования эхо-откликов морских организмов, образующих ЗРС в водном столбе, как было показано в работах [34-38].
Акустические наблюдения ЗРС проводили на станциях в дрейфе или на якоре при слабом волнении моря. Антенна эхолота устанавливалась в штатное положение, и в течение 15-20 мин каждый час выполнялась запись профиля обратного рассеяния на частоте 200 кГц в деятельном слое моря. Пред-
варительный анализ отсутствия артефактов в акустических данных выполнялся с помощью программы Wavelens [39].
Для обработки и анализа данных была создана программа, работающая в среде научного пакета МЛТЬЛВ. Записанные на микро-Ж-карту отчеты огибающей эхо-сигнала преобразовывались из 8-разрядных целых чисел в логарифмический формат и корректировались с учетом потерь при расширении фронта волны и потерь при затухании звука в водной среде согласно уравнению
8У=В1ог+ 20^ (Я) + аЯ /1000, (3)
где ЗУ' (дБ) - аналог силы обратного объемного рассеяния; - логарифмический формат эхо-сигнала; Я (м) - расстояние до антенны эхолота; а - коэффициент затухания звука (дБ/м).
Значения ЗУ', связанные линейной зависимостью с истинной силой обратного объемного рассеяния, были использованы для графического отображения и цифровой обработки акустических данных в автономном режиме.
Для сравнения интенсивности рассеяния звука в различных слоях водного столба был использован аналог коэффициента звукорассеяния слоя тГ:
К
т1' = | 10^'/10 с/Ъ, (4)
К
где К и к2 - глубины нижней и верхней границы ЗРС. В контексте данной работы в качестве меры обилия организмов и звукоотражающих частиц рассматривался аналог силы слояМЬ' (дБ):
МТ = 10^ т ), (5)
поскольку для ЗРС в морской среде этот параметр проще сопоставлять с биопродуктивностью водных масс [39].
Результаты исследований Гидрологические параметры на ст. 123 и 220. Сравнение полученных вертикальных профилей распределения основных гидрологических параметров с результатами предшествующих исследований показало, что их среднесуточные значения не выходили за пределы естественной изменчивости. Глубоководная ст. 220 находилась в северо-восточной части Черного моря, где по климатическим данным геострофических расчетов проходит стрежень Основного Черноморского течения. Толщина верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) в этом районе в период исследования была относительно небольшой (до 5 м), вертикальная мощность сезонных термоклина, галоклина и пикно-клина составляла 25-30 м. В поле температуры ядро ХПС наблюдалось на глубине 59 м, температура в нем составила 8,56°С.
Мелководная ст. 123 расположена в Ялтинском заливе. В период с 07:00 до 19:00 на профилях термохалинных параметров наблюдался ярко выраженный ВКС толщиной 10-14 м. Под ВКС располагался слой скачка (термоклин,
галоклин и пикноклин) толщиной 5-7 м (рис. 1, а). Позднее, в период с 21:00 до 07:00 следующего дня, ВКС был менее однородным, температура на поверхности повышалась, соленость и плотность вод несколько понижались (рис. 1, а - с). Толщина слоя скачка увеличивалась до 10-15 м. Основная суточная изменчивость наблюдалась на глубинах слоя скачка по всем термоха-линным характеристикам (рис. -/).
Рис. 1. Суточная динамика вертикального распределения гидрологических параметров и их аномалий - температуры (a, d), солености (b, e), условной плотности (c, f на ст. 123 (шаг зондирований 2 ч, на горизонтальной шкале указано время)
F i g. 1. Diurnal dynamics of vertical distribution of the hydrological parameters and their anomalies - temperature (a, d) salinity (b, e) and conditional density (c, f)) at station 123 (sounding step is 2 hours, time is indicated on the horizontal scale)
Гидроакустические исследования динамики ЗРС. Полученные по результатам наблюдений эхограммы и соответствующие им профили вертикального распределения силы обратного объемного рассеяния БУ' показаны на рис. 2. Для мелководной ст. 123 представлены записи в течение 59 с, для ст. 220 - в течение 2 мин 28 с (рис. 2, Ь, с1,/). Для обеих станций шаг значений силы обратного объемного рассеяния БУ' по глубине составил 3 см. На эхо-граммах видно, что на фоне общего фонового сигнала, соответствующего приблизительно -80 дБ, наблюдались более интенсивные сигналы до -20 дБ (рис. 2). Предполагается, что фоновый сигнал составляет немигрирующий компонент, который может быть представлен минеральной и органической взвесью, бактерио- и фитопланктоном. Мигрирующий компонент состоит из эхосигналов от рыб и зоопланктона.
Рис. 2. Эхограммы ЗРС и соответствующие им профили силы обратного объемного рассеяния SV' на ст. 123 и 220 в различное время суток
F i g. 2. SSL echograms and the corresponding profiles of the volume backscattering coefficient SV' at different time at stations 123 and 220
Вертикальное распределение ЗРС в толще воды было непостоянным и изменялось в зависимости от района исследований и от времени суток. Суточная динамика ЗРС для мелководной ст. 123 и глубоководной ст. 220 показана на рис. 3 и 4 соответственно. В приповерхностном слое в дневное время на обеих станциях наблюдали разреженные ЗРС, образованные одиночными
объектами (рыбами), которые отображаются протяженными, чаще всего горизонтальными, эхо-откликами (рис. 2, а, Ь). В то же время более плотные ЗРС, образованные, вероятно, смешанными скоплениями рыб и зоопланктона, отчетливо наблюдались за пределами ВКС. В ночное время в соответствии с суточным ритмом миграции рыб и зоопланктона интенсивность эхо-сигналов от множества поднявшихся к поверхности моря морских организмов существенно повышалась, тогда как в утренние часы начиналась обратная миграция, направленная в нижележащие слои (рис. 3,4).
Рис. 3. Вертикальное распределение силы слоя ML' (акустический индекс суммарной биомассы рыб и планктона) в зависимости от времени суток на ст. 123 Fig. 3. Vertical distribution of the sound-scattering coefficient of ML' layer (acoustic index of the fish and plankton total biomass) depending on time at station 123
Рис. 4. Вертикальное распределение силы слоя ML' (акустический индекс суммарной биомассы рыб и планктона) в зависимости от времени суток на ст. 220 F i g. 4. Vertical distribution of the sound-scattering coefficient of ML' layer (acoustic index of the fish and plankton total biomass) depending on time at station 220
Суточная динамика содержания СШ в толще воды. На прибрежной ст. 123 было выполнено 13 зондирований (табл. 1). Распределение СШ в толще воды в течение 24-часового периода имело неоднородный характер, диапазон значений концентрации СШ составил 0,8-44 нмоль/л. Концентрационные максимумы СШ в течение суток меняли свое расположение, при этом находясь в средних по глубине слоях в диапазоне 20-30 м. Исключение составляли ночные часы между 21:00 и 03:00, когда максимумы содержания СШ находились в придонном слое. Для нескольких зондирований в слое 510 м под поверхностью моря были обнаружены повышенные концентрации СШ (31 нмоль/л), меньшие по сравнению с основными залегающими ниже максимумами (44 нмоль/л). Поверхностный горизонт для всех зондирований характеризовался сравнительно невысокими значениями концентрации СШ, которые находились в диапазоне 0,8-16 нмоль/л. Также низкие концентрации метана (0,6-17 нмоль/л), без выраженных максимумов, были обнаружены во всей толще воды в утренние часы с 09:00 до 11:00.
Таблица 1 Table 1
Концентрация СШ на различных горизонтах, запас V(CH4), эмиссия на границе атмосфера - вода .Р*(СШ) и суточный оборот на прибрежной ст. 123
CH4 concentration at different horizons, stock V(CH4), emission at the atmosphere - water boundary F(CH4) and diurnal turnover at the coastal station 123
Время /Time
И, m 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 | 19:00 | 21:00 23:00 01:00 03:00 05:00 07:00
0 3 1 0,8 7 5 5 2 6 8 IA 0,9 3 4
5 1 15 0.8 31 1 11 3 4 2 13 2 II 5
10 9 4 0,8 30 27 9 3 1) 8 21 4 7 1
15 14 5 0,9 20 21 18 4 6 9 14 5 12 19
20 39 ] 0,8 8 27 15 9 2 8 12 15 21 15
25 14 0.8 0,8 12 30 25 14 5 13 15 17 20 21
30 20 0,3 17 37 14 10 ,1 21) 13 11 31 18
35 17 0,6 1 19 28 10 11 6 20 21 if) 25 15
39 5 5 2 15 22 15 6 22 32 22 23 19 S
iTCHA мкмо ii м fl(' 11.1 | iik> 1:
0-39 5S0 154 106 930 993 600 303 320 606 732 456 740 518
ЛСН,), UKkUL'iK'V i-VT / ЯСНА |ПГ|'111 lv
0 0,25 -0,15 -0,24 1.32 0,93 1,87 0,61 2,39 1.64 3.40 -0,24 0,52 0,62
Cvio'iiiuii оборот. ' 1 Daily lurnovor, %
0-39 0,04 -0,10 -0,23 0,14 0,09 0,31 0,20 0,75 0,27 0,46 -0,05 0,07 0,12
Примечание. Здесь и в табл. 2 цветом показаны различные концентрации СШ. N o t e. Here and in Table 2, different concentrations of CH4 are shown in color.
Таблица 2 Table 2
Концентрация СШ на различных горизонтах, запас К(СШ), эмиссия на границе атмосфера - вода F(CH4) и суточный оборот в верхнем 100-метровом слое воды на глубоководной ст. 220 CH4 concentration at different horizons, stock V(CH4), emission at the atmosphere - water interface F(CH4) and diurnal turnover in the upper 100-m layer at the deep-water station 220
H, м / Преыя /Time
H, m 13:00 17:00 21:00 01:00 05:00 09:00 13:00
CH„, ннопь/л/CHi, niTioLI
0 0,2 0,2 7 5 0.2 0,2 0,1
10 0,2 0,2 9 4 3 0,2 0,2
20 11 43 24 16 0,2 0,1 0,2
30 13 14 41 4 0,2 0,3 2
40 2 35 84 3 0.2 1 1
50 0,2 3 43 8 0.2 0,2 0,2
60 0.1 2 9 49 3 0,2 0,2
70 0,2 0.1 4 14 0,2 0,1 0,2
80 0,1 1 6 0,1 0,2 0,1 2
90 0.1 ! 0,1 4 1 0,2 0,1
100 11 2 0,1 5 0.2 0,1 3
{'(CHt), мкмоль/м1 / ЩСН.Ц, (JmolW
0- 100 384 1016 2273 1122 87 30 04
мкмоль/м""сут / F{CK+>. |>'г.о -rciiv
0 -0,24 -0,24 1,31 0,79 -0,24 -0,24 -0,24
Суточный оборот, %.' Daily turnover, %
0- 100 -0,06 -0,02 0,06 0,07 -0,27 -0,79 -0,25
На глубоководной ст. 220 было выполнено 7 зондирований (табл. 2). Распределение СН4 в толще воды в течение указанного промежутка времени так же, как и на прибрежной станции, было неравномерным. Профиль распределения СН4 во время первого зондирования в 13:00 13 июня характеризовался наличием максимума (13 нмоль/л) на глубине 30 м, который к 21:00 заглу-бился до40 м и увеличился до 84 моль/л. В утренние и дневные часы 14 июня концентрации СН4 были близки или ниже равновесных значений (2,5 нмоль/л) во всем исследованном слое от поверхности до 100 м.
Потоки СН4 на границе вода - атмосфера. На ст. 123 в период с 13:00 до 01:00 потоки СН4 были направлены из воды в атмосферу, максимум (3,4 мкмоль/м2,сут) зафиксирован в 01:00 (рис. 5, а). В утренние часы потоки были значительно ниже (0,5 мкмоль/м2,сут) по сравнению с дневными и вечерними (05:00 - 07:00, 9 июня) или даже направлены из атмосферы в воду (09:00 - 11:00, 8 июня).
На глубоководной ст. 220 наблюдалась в целом похожая тенденция: потоки СН4 из воды в атмосферу в вечерние и ночные часы (0,81,3 мкмоль/м2 сут) и сток СН4 из атмосферы в воду в утренний и дневной периоды (13:00 - 17:00, 13 июня, и 5:00 - 13:00, 14 июня). Однако величина потока СН4 и промежуток времени эмиссии СН4 в атмосферу на глубоководной станции были значительно меньше по сравнению с мелководной станцией (рис. 5, Ь).
Рис. 5. Диаграмма суточной динамики потоков СШ в атмосферу для прибрежной 123 (a) и глубоководной 220 (Ь) станций
F i g. 5. Diagram of the diurnal dynamics of CH4 fluxes to the atmosphere for the coastal 123 (a) and deep-water 220 (b) stations
Обсуждение
Сравнение суточной динамики вертикального распределения СН4 на двух станциях показало высокую изменчивость концентрации СН4 в толще воды на каждой из них. Максимум концентрации СН4 (84 нмоль/л) был отмечен на глубоководной станции в слое 40 м в 21:00, при этом он не был устойчивым во времени и мигрировал в глубь водной толщи. Через 8 ч после обнаружения максимальной концентрации СН4 во всем исследованном столбе воды (0100 м от поверхности моря) значения снизились до уровня ниже равновесия с атмосферой (2,5 нмоль/л). Это свидетельствует о высокой мозаичности пространственного распределения продукционных процессов, на которые могут
влиять как распространение в толще воды микробного звена, ответственного за генерацию СЩ, так и гидрофизические процессы перемешивания за счет горизонтальных течений. Устойчивая термохалинная стратификация, наблюдаемая для обеих станций, свидетельствует об отсутствии интенсивного вертикального перемешивания во время мониторинга (рис. 1).
Глубоководные районы, значительно удаленные от шельфовой зоны, особенно интересны с точки зрения процессов метанового цикла в его аэробной толще. Согласно актуальной парадигме, метан анаэробной зоны Черного моря практически не проникает в вышележащий аэробный слой. На это указывают скорости его анаэробного окисления, которые значительно выше скоростей продукции, а также изотопный состав углерода CH4 аэробной толщи 513С (-40,0 ... -66,6%о), который в среднем на 20%о отличается от значений, полученных в зоне хемоклина (-19,0 ... -48,5%о) [40]. Влияние пузырьковых газовыделений на верхний аэробный слой воды в глубоководных районах в условиях нормальной геологической обстановки исключается [26]. В связи с этим предполагается, что именно процессы «аэробной продукции» СЩ формируют наблюдаемые концентрационные максимумы СЩ и определяют его поток в атмосферу из глубоководной акватории Черного моря.
Суточная динамика вертикального распределения силы слоя ML', который отражает суммарную биомассу различных гидробионтов и неживой взвеси в толще воды, характеризуется сгущением звукорассеивателей в верхних слоях воды в ночные часы и рассеянием - в дневные (рис. 4, 5). Это в целом соответствует показанной ранее тенденции суточного изменения ЗРС в толще вод [26]. Для глубоководной ст. 220 высокие концентрации СЩ также были получены в вечерние и ночные часы (табл. 1). Важно отметить, что при этом концентрационный максимум СЩ находился глубже ВКС и к 01:00 разделился на два максимума (16 и49 нмоль/л) в слоях 20и60 м.
На мелководной ст. 123 в течение 24 ч за исключением зондирований в 09:00 и 11:00 вся толща воды характеризовалась значениями СЩ, превышающими равновесные концентрации. Суточная динамика на мелководной и глубоководной станциях различалась. Концентрационные максимумы СЩ, обнаруженные на различных глубинах в течение исследованного периода, меняли свое расположение достаточно хаотично. Известно, что на мелководных шельфовых станциях на структуру вертикального распределения СН4 значительное влияние оказывают его диффузионные и пузырьковые потоки из донных осадков [41].
Не исключено также, что образование СЩ происходит непосредственно в толще воды, как и в глубоководных районах. На рис. 6 для отдельных зондирований на мелководной ст. 123 показана зависимость концентрации СЩ в воде от коэффициента звукорассеяния слоя ml', который является относительной характеристикой суммарного количества биомассы и взвешенного вещества.
"3
5 'о
I
и
у =165378*^««
Rz = 0,91
* ai
1СГ 101'
10л
ml'
03:00
5
г. т. ■=10 х' и
V - 3864,8*" ""
0,30
¡10 х
I
О
10J
10,т
10л тГ
10' 10'
ю* ю-5
ml'
05:00
•
. - - *
R! = 0,50
bj
V ^ 3134,2*0'"' •
Ft' = 0,47 •
i
c)
ioJ ш*
••
« - - •
*
• у = 128,3&х°1и
К1 - 0,12
e)
10" 10' тГ
10f7
ю'
тГ
iff*
Рис. 6. Зависимость концентрации СНд в воде от коэффициента звукорассеяния слоя ml' в различное время суток на мелководной ст. 123
F i g. 6. Dependence of the seawater CH4 concentration on the sound-scattering coefficient of ml' layer at different time at the shallow water station 123
В целом невысокие коэффициенты детерминации и периодический характер зависимости параметров не указывают на наличие связи между ЗРС и концентрацией СН4 на мелководной станции. Неопределенность могут вносить дополнительные неучтенные факторы: наличие дополнительных донных источников СН4 за пределами исследованного района [41-43], а также временной лаг между исследуемыми показателями в результате вертикальной и горизонтальной миграции живых организмов в толще воды.
Эмиссия СН4 в атмосферу. Поверхностный слой воды (0-1 м) на обеих станциях характеризовался более низкими концентрациями СН4 по сравнению с нижележащими слоями, что определяется, вероятно, перераспределением метана на границе вода - атмосфера. Суточный диапазон концентраций СН4 в поверхностном слое составил 0,8-16 и 0,2-7 нмоль/л в мелководном и глубоководном районе соответственно. Рассчитанные величины суточного удельного потока СН4 на границе атмосфера - вода для обеих исследованных станций составляют доли процента от запасов СН4 в столбе воды (табл. 1,2). Это свидетельствует о том, что атмосферная эмиссия СН4 не является значимым фактором в его перераспределении в воде.
В суточной динамике потоков метана в атмосферу на обеих станциях отмечаются повышенные значения эмиссии в ночные часы и более низкие -в дневные, вплоть до стока СН4 из атмосферы в воду в глубоководном районе (рис. 5).
Заключение
Исследована суточная динамика вертикального распределения растворенного в воде СН4 на глубоководной станции в северо-восточной части Чер-
ного моря и на мелководной - в Ялтинском заливе. Для обеих станций вертикальные профили концентрации CH4 характеризовались высокой вариабельностью значений. В толще воды (0-39 м) на мелководной станции на протяжении всего мониторинга наблюдались концентрации CH4, значительно превышающие равновесные значения с атмосферой (2,5 нмоль/л). В подповерхностных слоях обнаружены концентрационные максимумы (< 44 нмоль/л), которые в течение суток несколько раз меняли глубину и располагались преимущественно под термоклином. На глубоководной станции в вертикальном распределении СН4 в слое 0-100 м профили с наличием концентрационного максимума СН4 (< 84 нмоль/л) наблюдались только в промежуток с 17:00 до 01:00. В остальное время концентрации СН4 в толще воды на глубоководной станции не превышали равновесных значений с атмосферой.
Суточный диапазон концентраций СН4 в поверхностном слое составил
0.8.16 и 0,2-7 нмоль/л для мелководного и глубоководного района соответственно. Рассчитанные величины потоков СН4 на границе вода - атмосфера в течение суток изменялись в диапазоне -0,1 ... 3 мкмоль/м2,сут. На обеих станциях максимальные потоки СН4 в атмосферу были зафиксированы в ночные часы. Показано, что атмосферная эмиссия СН4 не является значимым фактором в его перераспределении в воде, так как рассчитанные величины суточного удельного потока СН4 на границе атмосфера - вода составляют доли процента от его запасов в столбе воды.
Установлен сходный характер распределения концентрационных полей СН4 и ЗРС в аэробном слое глубоководной станции. Для отдельных временных диапазонов получены значимые коэффициенты детерминации между концентрацией СН4 и коэффициентом звукорассеяния слоя ml' как характеристикой количества биомассы. Определение детального механизма связи между звукорассеивающими слоями и концентрационными полями СЩ требует дополнительных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Reeburgh W. S. Oceanic Methane Biogeochemistry // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107, iss. 2. P. 486-513. https://doi:10.1021/cr050362v
2. Brough T., Rayment W., Dawson S. Using a recreational grade echosounder to quantify the potential prey field of coastal predators // PLoS ONE. 2019. Vol. 14, iss. 5. e0217013. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0217013
3. Karl D. M., Tilbrook B. D. Production and transport of methane in oceanic particulate organic matter // Nature. 1994. Vol. 368. P. 732-734. https://doi.org/10.1038/368732a0
4. Bizic M., Grossart H.-P., Ionescu D. Methane Paradox // eLS. Chichester : John Wiley & Sons, Ltd., 2020. P. 1-11. https://doi.org/10.1002/9780470015902.a0028892
5. Биогеохимический цикл метана на северо-западном шельфе Черного моря / И. И. Русанов [и др.] II Микробиология. 2002. Т. 71, № 4. С. 558-566.
6. Biogenic Gas (CH4, N20, DMS) Emission to the Atmosphere from Near-shore and Shelf Waters of the North-western Black Sea / D. Amouroux [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. Vol. 54. iss. 3. P. 575-587. https://doi.org/10.1006/ecss.2000.0666
7. Егоров А. В. Некоторые черты распределения метана в водной толще северо-восточной части Черного моря II Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря. М. : Наука, 2002. С. 183-190.
8. Aerobic production of methane in the sea / D. M. Karl [et al.] // Nature Geoscience. 2008. Vol. 1, iss. 7. P. 473-478. doi:10.1038/ngeo234
9. Methane production in aerobic oligotrophic surface water in the central Arctic Ocean / E. Damm [et al.] // Biogeoscience. 2010. Vol. 7, iss. 3. P. 1099-1108. https://doi.org/10.5194/bg-7-1099-2010
10. Microbial methane production in oxygenated water column of an oligotrophic lake / H.-P. Grossart [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2011. Vol. 108, iss. 49. P. 19657-19661. doi:10.1073/pnas.1110716108
11. Methane Production in Oxic Lake Waters Potentially Increases Aquatic Methane Flux to Air / K. W. Tang [et al.] // Environmental Science & Technology Letters. 2016. Vol. 3, iss. 6. P. 227-233. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.6b00150
12. Lilley M. D., Baross J. A., Gordon L. I. Dissolved hydrogen and methane in Saanich Inlet, British Columbia // Deep-Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1982. Vol. 29, iss. 12. P. 1471-1484. https://doi.org/10.1016/0198-0149(82)90037-1
13. Oremland R.S. Methanogenic activity in plankton samples and fish intestines. A mechanism for in situ methanogenesis in oceanic surface waters // Limnology and Oceanography. 1979. Vol. 24, iss. 6. P. 1136-1141. doi: 10.4319/lo.1979.24.6.1136
14. Sieburth J. M. Contrary habitats for redox-specific processes: Methanogenesis in oxic waters and oxidation in anoxic // Microbes in the sea / Ed. M. A. Sleight. Chichester, U. K. : Ellis-Horwood, 1987. P. 11-38.
15. Methane production by three widespread marine phytoplankton species: release rates, precursor compounds, and potential relevance for the environment / T. Klintzsch [et al.] // Biogeo-sciences. 2019. Vol. 16, iss. 20. P. 4129-4144. https://doi.org/10.5194/bg-16-4129-2019
16. Evidence for methane production by the marine algae emiliania huxleyi / K. Lenhart [et al.] // Biogeosciences. 2016. Vol. 13, iss. 10. P. 3163-3174. https://doi.org/10.5194/bg-13-3163-2016
17. Evidence for methane production by saprotrophic fungi / K. Lenhart [et al.] // Nature Communications. 2012. Vol. 3. 1046. doi:10.1038/ncomms2049
18. Light-driven carbon dioxide reduction to methane by nitrogenase in a photosynthetic bacterium / K. R. Fixen [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006. Vol. 113, iss. 36. P. 10163-10167. https://doi.org/10.1073/pnas.1611043113
19. A pathway for biological methane production using bacterial iron-only nitrogenase / Y. Zheng [et al.] // Nature Microbiology. 2018. Vol. 3, iss. 3. P. 281-286. doi:10.1038/s41564-017-0091-5
20. DelSontro T., del Giorgio P. A., Prairie Y. T. No Longer a Paradox: The Interaction Between Physical Transport and Biological Processes Explains the Spatial Distribution of Surface Water Methane Within and Across Lakes // Ecosystems. 2018. Vol. 21, iss. 6. P. 1073-1087. doi:10.1007/s10021-017-0205-1
21. Contribution of oxic methane production to surface methane emission in lakes and its global importance / M. Gunthel [et al.] // Nature Communications. 2019. Vol. 10, iss. 1. 5497. doi:10.1038/s41467-019-13320-0
22. Marty D. G. Methanogenic bacteria in seawater // Limnology and Oceanography. 1993. Vol. 38. P. 452-456.
23. de Angelis M. A., Lee C. Methane production during zooplankton grazing on marine phytoplankton // Limnology and Oceanography.1994. Vol. 39, iss. 6. P. 1298-1308. doi:10.4319/lo.1994.39.6.1298
24. The contribution of zooplankton to methane supersaturation in the oxygenated upper waters of the central Baltic Sea / O. Schmale [et al.] // Limnology and Oceanography. 2018. Vol. 63, iss. 1. P. 412-430. https://doi.org/10.1002/lno.10640
25. Effects of temperature and light on methane production of widespread marine phytoplankton / T. Klintzsch [et al.] // Biogeosciences. 2020. Vol. 125, iss. 9. e2020JG005793. https://doi.org/10.1029/2020JG005793
26. Егоров В. H., Артемов Ю. Г., Гулин С. Б. Метановые сипы в Черном море: средообра-зующая и экологическая роль. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 405 с.
27. Dissolved methane during hypoxic events at the Boknis Eck time series station (Eckernforde Bay, SW Baltic Sea) / H. W. Bange [et al.] // Biogeosciences. 2010. Vol. 7, iss. 4. P. 12791284. https://doi.org/10.5194/bg-7-1279-2010
28. Sudheesh V., Gupta G. V. M., Naqvi S. W. A. Massive Methane Loss During Seasonal Hypox-ia/Anoxia in the Nearshore Waters of Southeastern Arabian Sea // Frontiers in Marine Science. 2020. Vol. 7. 324. doi:10.3389/fmars.2020.00324
29. Особенности распределения метана в эвфотическом слое северной части Черного моря в летний сезон 2018 года (по данным 102-го рейса НИС «Профессор Водяницкий») / Т. В. Малахова [идр.] //Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, №2. С. 186-201.
30. Kolb B., Ettre L. S. Static Headspace-Gas Chromatography. Theory and Practice. New Jersey, Hoboken : John Wiley & Sons, 2006. 349 p.
31. Распределение метана в воде и донных осадках на восточном сахалинском побережье, шельфе и склоне Охотского моря / А. И. Обжиров [и др.] // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2012. № 6 (166). С. 32-41.
32. Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean revisited // Limnology and Oceanography. 2014. Vol. 12, iss. 6. P. 351-362. https://doi.org/10.4319/lom.2014.12.351
33. Wiesenburg D. A., Guinasso Jr. N. L. Equilibrium solubilities of methane, carbon monoxide, and hydrogen in water and sea water // Journal of Chemical and Engineering Data. 1979. Vol. 24. iss. 4. P. 356-360. https://doi.org/10.1021/je60083a006
34. Андреева И. Б. Звукорассеивающие слои - акустические неоднородности толщи вод океана II Акустический журнал. 1999. Т. 45, № 4. С. 437-444.
35. Recreational Fish-Finders—An Inexpensive Alternative to Scientific Echo-Sounders for Unravelling the Links between Marine Top Predators and Their Prey / A. M. Mclnnes [et al.] // PLoS ONE. 2015. Vol. 10, iss. 11. e0140936. https://doi:10.1371/journal.pone.0140936
36. Brough T., Rayment W., Dawson S. Using a recreational grade echosounder to quantify the potential prey field of coastal predators // PLoS ONE. 2019. Vol. 14, iss. 5. e0217013. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0217013
37. Makarov M. M., Kucher K. M., Naumova E. Yu. Vertical distribution of zooplankton after rapid change in temperature and chlorophyll concentration // Limnology and Freshwater Biology. 2019. Vol. 1. P. 177-180. https://doi.org/10.31951/2658-3518-2019-A-1-177
38. Буланов В. А. К вопросу об оценке распределения биомассы в деятельном слое океана по данным о рассеянии звука II Подводные исследования и робототехника. 2008. № 1 (5). С. 58-65.
39. Artemov Yu. G. Software support for investigation of natural methane seeps by hydroacoustic method // Marine Ecological Journal. 2006. Vol. 5, iss. 1. P. 57 - 71.
40. Леин А. Ю., Иванов M. В. Биогеохимический цикл метана в океане. Москва : Наука, 2009. 576 с.
41. Dissolved Methane in Coastal Waters of the Northeastern Black Sea / E. S. Izhitskaya [et al.] // Water. 2022. Vol. 14, iss. 5. 732. https://doi.org/10.3390/w14050732
42. Inter-Comparison of the Spatial Distribution of Methane in the Water Column From Seafloor Emissions at Two Sites in the Western Black Sea Using a Multi-Technique Approach / R. Grilli [et al.] // Frontiers in Earth Science. 2021. Vol. 9. 626372. doi:10.3389/feart.2021.62
43. Sommer S., SchmidtM., Linke P. Continuous inline mapping of a dissolved methane plume at a blowout site in the Central North Sea UK using a membrane inlet mass spectrometer - Water column stratification impedes immediate methane release into the atmosphere // Marine and Petroleum Geology. 2015. Vol. 68, Part B. P. 766-775. https://doi.org/10.1016/j .marpetgeo.2015.08.020
Об авторах.
Малахова Татьяна Владимировна, старший научный сотрудник, отдел радиационной и химической биологии, ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН» (299011, Россия, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), кандидат биологических наук, SPIN-кoд: 4625-9702, t.malakhova@imbr-ras.ru
Артёмов Юрий Георгиевич, старший научный сотрудник, отдел радиационной и химической биологии, ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН» (299011, Россия, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), кандидат географических наук, SPIN-кoд: 3880-5421, yu.g.artemov@gmail.com
Хурчак Алена Игоревна, ведущий инженер, отдел радиационной и химической биологии, ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН» (299011, Россия, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), ORCID ГО: 0000-0001-9769-0279, SPIN-кoд: 48267330, alenamyra@mail.ru
Решетник Лев Владимирович, ведущий инженер, отдел радиационной и химической биологии, ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН» (299011, Россия, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), SPIN-кoд: 2515-3599, lev3012@gmail.ru
Федирко Александр Викторович, младший научный сотрудник, отдел океанографии, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), ORCID ГО: 00000002-8399-3743, SPIN-кoд: 2496-1715, vault102@gmail.com
Егоров Виктор Николаевич, главный научный сотрудник, отдел радиационной и химической биологии, ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН» (299011, Россия, г. Севастополь, пр. Нахимова, д. 2), доктор биологических наук, академик РАН, ORCID ГО: 0000-0002-4233-3212, SPIN-кoд: 6595-6759, egorov.ibss@yandex.ru
