Подьем вод над банкой Кашевароваи его влияние на вынос биогенных элементов в эфвотический слой
С открытием в 1970 г. синоптических вихрей в океане резко возрос интерес к исследованию влияния мезомасштабных форм рельефа дна на океанические течения как возможных источников генерации свободных вихрей в океане. Исследования последних 10-15 лет в этом направлении привели к выявлению таких образований, как цилиндрические и конические вихри Тейлора-Хогга, двойные и инверсные вихри, вихри-сателлиты (Зырянов, 1985). До 1980 г. не было ни одной работы, где были бы представлены наблюдения вихрей Тейлора в океане.
Пионером изучения вихревых структур в районах подводных гор для понимания биологической структуры сообществ в целях рыбного промысла был В.Б.Дарницкий (1980а, б). Исследуя особенности вертикального распределения гидрохимических характеристик, он в ряде случаев идентифицировал наличие викрей Тейлора, с которыми связывал наблюденные повышенные концентрации гидробионтов и даже возможность существования замкнутых популяций некоторых видов рыб в районах изолированных поднятий морского дна за тысячи километров отшельфовой зоны.
Подобного рода исследования вертикальной гидрохимической структуры были выполнены над банкой Кашеварова, в северо-западной части Охотского моря в рейсах НИС "Академик А. Несмеянов" в 1992 - 1993 гг., а также врейсе НИС "Академик М. Лаврентьев" в 1994 г. Исследования проводились не только с целью изучения влияния банки на пространственное распределение биогенных элементов, но и на общую биопродуктивность моря.
Материалы и методы
Для выявления особенностей структуры распределения биогенных элементов в районе банки Кашеварова были выполнены разрезы, захватывающие не только район банки, но и смежные с ней акватории. На гидрохимических станциях одновременно проводились измерения фитопигментов, первичной продукции, растворенного и взвешенного органического вещества, фито- и 300MHKTOH,
Вертикальное зондирование выполнялось CTA-зондом "Нил Браун" (США) с кассетой батометров "Co-Flo" объемом 6,0 и 1,8 л. Одновременно проводилось сканирование вертикального распределения растворенного кислорода и фитопигментов специальными датчиками, вмонтированными в СТД-зонд.
В пробах на проточном автоанализаторе RFA-300 "ALPKEM" (США) определяли фосфаты, нитраты, нитриты, аммонийный азот, мочевину, кремнекислоту и органический азот и фосфор. При этом использовались общепринятые методы (Справочник гидрохимика., 1991).
В течение трех рейсов в 1992 - 1994 гг. удалось 5 раз пересечь банку разрезами и выполнить микросъемкy в районе банки Кашеварова в 1994 г.
Результаты
Изолированная мезомасштабная подводная возвышенность, какой является банка Кашеварова, при обтекании ее потоком относительно стратифицированных вод приводит к образованию над ней возмущения, известного как конический викрь Тейлора-Хогга с антициклоническим движением вод. Помимо этого вихря и рядом с ним в восточных потоках, как правило, возникает еще циклонический вихрь-сателлит ниже по потоку. Подобная картина наблюдалась в специальных лабораторных экспериментах, когда поток воды обтекал препятствие. При этом возникалантициклонический вихрь малого радиуса и рядом с ним циклонический вихрь, как правило, большего размера (Зырянов, 1985). Эта теория подтверждается проведенными исследованиями над банкой Кашеварова, несмотря на сложную динамическую обстановку в этом районе (слияние Срединного и Восточно-Сахалинского течений, антициклон вокруг острова Ионы, приливно-отливные течения, вынос распресненных вод из Сахалинского залива и непериодические течения). На рисунке А, который представляет собой обобщенные карты за 3 года исследований, отчетливо виден квазистационарный вихрь-сателлит в виде обширного поднятия вод с высокими концентрациями биогенных элементов (фосфатов - до 2 мкг-ат/л, нитратов - до 22 мкг-ат/л, кремнекислоты - до 40 мкг-ат/л); в паре с вихрем Тейлора-Хогга он образует вихревой тор, который прослеживается по распределению кислорода и нитратов. Приведенная обобщенная картина не является случайной, что хорошо подтверждается результатами ежегодных съемок банки Кашеварова, например летом 1994 г. (см.рис. Б). Хотя на разрезах, пересекающих район банки, расстояния между станциями были достаточно велики, зто не являлось помехой для обнаружения вихря-сателлита (см. рис.,B), но не позволяло каждый раз фиксировать вихрь Тейлора-Хогга из-за его меньшего масштаба (см. рис.Г).
На разрезе (см. рис.Г) хорошо видны подъем вод над банкой Кашеварова в районе циклонического вихря-сателлита, а также опускание вод в непосредственной близости, где поверхностные воды захватываются антициклоническим вихрем Тейлора-Хогга. Особенно эффектно проявляется банка Кашеварована разрезах вертикального распределения фосфатов, нитратов, кремнекислоты и растворенного кислорода (%), где изолинии этих характеристик выглядят практически вертикальными вплоть до поверхности. На поверхность выносятся высокие концентрации нитратов, фосфатов и кремния из холодного промежуточного слоя (ХПС) соседних районов, что способствует формированию мощной градиентной зоны на периферии циклонического вихря.
В теории вихрей Тейлора существует явление инверсии вихря. В поверхностных слоях над банкой вихрь меняет знак, смыкается с вихрем-сателлитом и возникает ситуация накрытия конуса Тейлора-Хогга вихрем-сателлитом (Зырянов, 1985). На рис. В как раз прослеживается изменение завихренности на глубинах 30-40 м, что подтверждается распределением нитратов, мочевины и аммонийного азота на поверхности (см. рис. А). Концентрации биогенных элементов (нитриты - 0,18 мкг-ат/л, аммонийный азот- до 3,8 мкг-ат/л, мочевина - 3 мкг-ат/л), выносимых на поверхность, являются характерными для слоя скачка (40 - 50 м), где находится их MaKCMMyM. Вследствие изменения знака вихря во всем столбе, от поверхности до дна, наблюдается гомогенность в распределении гидрологических и гидрохимических параметров.
По оценкам, сделанным на основе карактерных значений топографических (площадь банки, перепад глубин) и гидрологических показателей (скорость и направление фонового потока, стратификация вод), вертикальную скорость в столбе над банкой можно принять 101 см/c. Большая вертикальная скорость позволяет обновляться водам над банкой в течение суток. Учитывая площадь вихря-сателлита, объем воды, проходящей через банку в год, соизмерим с объемом воды в верхнем 100-метровом слое Охотского моря. Поток биогенных элементов, выносимых на поверхность в районе банки, сравним со вкладом вертикальной зимней циркуляции в формирование биопродуктивности Охотского моря. Сам район вокруг банки Кашеварова является очень продуктивным не только вследствие постоянного выноса вод богатых биогенными злементами, но и благодаря наличию резко очерченных градиентных зон по краям банки (1 мкг-ат/л на 1 км по кремнию, 0,05 мкг-ат/л на 1 км по фосфору, 0,45 мкг-ат/л на 1 км по нитратам), которые разделяют две различные экосистемы: "молодую" экосистему вод над банкой, где происходит быстрое обновление вод и высока скорость продукционных процессов, и экосистему окружающих водоткрытой части Охотского моря, где поверхностный слой лишен биогенов в летний период (август). Экосистема банки Кашеварова создает избыток органического вещества и "кормит" сообщество зоопланктона открытого моря. Таким образом, "старая" экосистема открытого моря как бы паразитирует на "молодой" экосистеме банки. Взаимодействие этих двух экосистем создает наиболее благоприятные условия для развития промысловых видов высших трофических уровней (Виноградов, 1977; Frontier, 1978].
Интенсивный подъем вод в районе банки Кашеварова приводит к типично "весеннему" цветению "тяжелых" диатомей Thalassiosira, Rizosolenia, Fragillaгia, крупных видов рода Chaetoceros. Формирование этого цветения, сходного с весенним по видовому составу доминирующего фитопланктона и по его плотности, явилось, по-видимому, результатом своеобразной штатной ситуации в этом районе, где благодаря высоким скоростям и дивергенции в центре циклонического вихря зимой не успевает образоваться ледяной покров и полынья над банкой наблюдается доволь
HO) TITO.
В ряде случаев, при наличии указанного выше явления инверсии вихря в верхнем слое, на глубине 8 - 12 м образуется "ступенька" пикноклина, над которой развивается мощное цветение фитопланктона в богатых биогенами холодных водах. Большие градиенты плотности препятствуют оседанию "тяжелых" диатомей в глубину за пределы верхнего освещенного слоя, что и создает
благоприятные условия для накопления их высокой биомассы. Весной упомянутый пикноклин усиливается за счет прогрева и распреснения поверхностного слоя воды при таянии льда. Биомасса "тяжелых" диатомей в поверхностном слое составляла 3,5 г/м3 при общей биомассе фитопланктона 3,8 г/м". Тот факт, что около 10% его биомассы формировали жгутиковые нановодоросли, говорит о том, что мы наблюдали именно рецидив-иммитированное, но не оригинальное весеннее цветение "тяжелых" диатомей, когда мелкие жгутиковые в фитоцене практически отсутствуют. В расчете на 1 м" биомасса водорослей в толще воды составляла более 60 г, что близко к ее рекордным величинам, достигаемым в субантарктических морях в период весеннего максимума фитопланктона. В его составе преобладали хризомонады и другие нановодоросли размером менее 8 мкм (Сорокин, 1995).
Продолжительность таких повторяющихся цветений в районе банки, по-видимому, бывает относительно небольшой. При каждом усилении апвеллинга и вертикального перемешивания, вызываемом сменой синоптической обстановки, временный термоклин в толще воды исчезает. Сообщество доминирующих "тяжелых" диатомей, распределяясь равномерно во всей толще воды, оказывается в значительной своей части в малоосвещенных нижних слоях и постепенно исчезает за счет отмирания в условиях светового голодания, а также под влиянием выедания водорослей обильным в этот период зоопланктоном. Именно такую фазу мы наблюдали при повторных работах, когда доминировавшее в фитоцене сообщество "тяжелых" диатомей с преобладанием крупного представителя рода Соѕсіпоdiscus в разреженном состоянии распределялось равномерно от поверхности до дна в полностью перемешанной толще воды. Соответственно их концентрация была в среднем в 10 раз ниже, чем в период предшествовавшего рецидива весеннего цветения, о котором говорилось выше, хотя общая масса водорослей в толще воды под 1 м2 снизилась всего наполовину и составляла около 40 г/м". Конечная фаза этого процесса отмирания фитопланктона в результате снижения вертикальной устойчивости водной массы над банкой наблюдалась в августе 1992 г, когда в безградиентной толще воды концентрация фитопланктона снизилась до предельно малых величин, известных лишь для олиготрофных тропических вод Периодические рецидивы мощного весеннего цветения в районе банки в течение всего периода вегетации и являются, по-видимому, основной причиной, обуславливающей его высокую био- и рыбопродуктивностъ.
Анализ гидрохимических характеристик, полученных на автоматическом проточном анализаторе "ALPKEM", показал высокую степень воспроизводимости и точность, сравнимую с гидрологическими данными, что позволяет их использовать для индентификации вихревых структурлюбого масштаба. В некоторых случаях, особенно на малых глубинах, когда использование динамического метода затруднительно, распределение квазиконсервативных минеральных форм биогенных элементов наиболее ярко отражает динамику вод и позволяет оценить поток биогенов в эвфотический слой, а в конечном итоге, определить величины первичной продукции, образованной за счет выноса нитратов, фосфатов и кремнекислоты в поверхностный слой.
Впервые были получены репрезентативные данные по распределению мочевины над банкой Кашеварова. В целом, распределение мочевины хорошо согласуется с распределением аммонийного азота (рис.В, и, г). В обоих случаях есть два максимума. Подповерхностный максимум (аммонийный азот - 2,4 мкг-ат/л, мочевина - 3,2 мкг-ат/л) связан с задержкой оседающего фитопланктона над пикноклином на глубинах 20-40 м, где расположен скачок плотности, и задерживается на нем. Придонный максимум (аммонийный азот - 1,7 мкг-ат/л, мочевина - 3,8 мкг-ат/л), по-видимому, связан с деятельностью бентоса. Вынос столь больших концентраций аммонийного азота и мочевины в поверхностный слой, учитывая легкую усвояемость этих элементов (на порядок выше, чем нитратов), способствует более высокой скорости продукционно-деструкционных процессов, чем за счет основных биогенных элементов, и образованию первичной продукции прямо над банкой.
Работа выполнена при поддержке Миннауки по проекту "Гидрохимия прибрежных зон" и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты No 96-05-64575; 96-05-64576).
М.А. Карпушин, В.В. Сапожников, Д.О. Толмачев
Смотрите также
