Малахит» рейс № 75,80,82,89 и «Импульс»

10.Морские научные исследования в рейсах
НИС «Малахит» №№ 75, 80, 82, 89, 95 и НИС «Импульс» № 29
(А.Ф. Сергеев)
10.1. Введение.
Научные исследования, выполненные в 75, 80, 82, 89, 95 рейсах НИС «Малахит» и
29 рейсе НИС «Импульс» проводились в соответствии с программой «Физические
процессы и биопродуктивность Японского моря».
Общая продолжительность
исследований составила 30 суток. Соруководителем работ являлся А.Ф. Сергеев.
Финансировалась экспедиция из госбюджета, грантов ДВО РАН и РФФИ.
10.2. Цели экспедиции.
Изучение изменчивости гидролого-гидрохимических и гидродинамических условий
в акваториях залива Петра Великого 1) для оценки изменений в морской среде
прибрежной зоны, возникающих под действием антропогенных и природных факторов, и
2)
для разработки подходов по сдерживанию
негативного развития природноантропогенных аномалий, возникающих в акваториях залива.
10.3. Задачи экспедиции.
1. Получение гидрологических и гидрохимических данных с СТД и батометрических
станций, выполняемых в различных районах залива Петра Великого.
2. Проведение длительных измерений течений и других океанографических
характеристик в придонном слое в прибрежной зоне залива.
10.4. Методы измерений и обработки данных.
Все работы выполнялись согласно известных стандартных методов по проведению
океанографических исследований в прибрежной зоне моря. СТД – зондирования
выполнялись от поверхности до дна с определением температуры, солености, глубины,
мутности, содержания растворенного кислорода и хлорофилла “а”.
Отбор проб воды проводился из поверхностного и придонного слоев. В пробах
определялись: соленость, щелочность, кислород, рН, фосфаты, силикаты, нитриты,
нитраты, аммоний, гумины, хлорофилл “а”.
Измерения течений выполнялись акустическими измерителями, установленными
на притопленных буйковых станциях. Акустические измерители течений были оснащены
датчиками температуры, кислорода и мутности, что позволило получить относительно
длинные временные ряды гидрологических параметров. Исследования течений
проводилось в режиме долговременных измерений с дискретностью 15 минут и со
временем экспозиции измерителя до месяца и более, что позволяет выявить временную
изменчивость параметров течений в зависимости от различных факторов.
Длительные измерения температуры на станции в придонном слое прибрежной
зоны проводились автономными измерителями. Интервал осреднения составлял 30 минут.
Оборудование устанавливалось на дне. От измерительного прибора над дном тянулся до
притопленного буйка сигнальный фал. Координаты постановки определялись с помощью
GPS-навигатора. Поиск и подъем измерителя температуры осуществлялся методом
траления. В случае долговременных измерений течений после постановки измерителя на
дно к свободному концу постановочного фала крепился акустический размыкатель с
отстреливающимся и всплывающим буем с фалом, который также устанавливался на дне.
Гидрохимические анализы воды проводили в береговой лаборатории с
использованием следующих методов и оборудования. Соленость определяли на солемере
Guildline Portasal, модель 8410, калибровку которого проводили с помощью стандартной
морской воды IASPO. Для каждой пробы воды, как правило, проводились 2-3
параллельных измерения. Максимальная разница между параллельными измерениями
составила 0.002‰.Точность измерений в соответствии с паспортными данными прибора
составляла 0,003‰.
Щелочность измеряли прямым титрованием в открытой ячейке соляной кислотой
(0.02N) со смешанным индикатором (метиловый красный + метиленовый голубой). Титр
устанавливали по стандартному раствору соды, приготовленному весовым способом с
учетом поправки на вес в вакууме. Титрование осуществляли бюреткой
Brinkman/Dosimate-665. Воспроизводимость титрования составила 0.15%.
Определение кислорода проводилось методом Винклера в модификации
Карпентера.
Измерения рН выполняли в день отбора проб при температуре 200.05оС в
проточном сосуде объемом 80 см3. Для измерения рН использовалась ячейка
безжидкостного соединения. Термостатирование проводили с помощью термостата
фирмы "VWR Scientific", модель 1146. ЭДС измеряли с точностью 0.1 мВ рН-метром
ЕА-720 фирмы "Orion", который имеет два высокоомных входа. Ячейка калибровалась в
шкале рН Питцера с помощью буферного раствора TRIS-TRISHCl-NaCl (mTRIS = mTRISHCl =
0.04 моль/кг, mNaCl = 0.3 моль/кг), который был отравлен HgCl2. Калибровка ячейки
проводилась ежедневно. Дрейф стандартной ЭДС измерительной ячейки не превышал 0.2
мВ/сутки. Ошибка измерений составляла не более 0.004 ед. рН.
Определение фосфатов выполнялось по методу Морфи – Райли в модификации
Королева (восстановитель – аскорбиновая кислота). Оптическая плотность измерялась
фотоколориметром КФК – 3 при  = 870 нм относительно кюветы с дистиллированной
водой (Lкюв = 50мм). Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной
морской воды. Основной стандартный раствор готовился по точной навеске
дигидрофосфата калия. Концентрация фосфатов рассчитывалась по уравнению:
[PO43-] = K*(Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг)
(1),
где Dкюв - поправка на прозрачность кюветы, Dрефр - рефракционная поправка,
Dреаг - поправка на загрязнение реагентов. Относительная ошибка определения фосфатов
составляла 2% при содержании фосфатов ~ 2 мкМ.
Определение силикатов выполнялось "по голубому кремнемолибденовому
комплексу" в модификации Королева (восстановитель – аскорбиновая кислота). Анализ
проводился в полипропиленовых пробирках. Оптическая плотность измерялась
фотоколориметром КФК – 3 при  = 870 нм относительно кюветы с дистиллированной
водой (Lкюв = 5мм). Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной морской
воды с низким содержанием силикатов. Основной стандартный раствор готовился по
точной навеске гексафторосиликата натрия. Концентрация силикатов рассчитывалась по
уравнению (2):
[Si] = K1*(Dпробы) +K2*(Dпробы)2
(2),
где Dпробы = (Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг), Dкюв- поправка на прозрачность
кюветы, Dрефр - рефракционная поправка, Dреаг - поправка на загрязнение реагентов.
Относительная ошибка определения силикатов составляла не более 2% при содержании
последних 100 мкМ.
Нитриты определялись по методу Грисса в модификации Бендшнейдера Робинсона (раскрашивающие реактивы – сульфаниламид и нафтилэтилендиамин).
Оптическая плотность измерялась фотоколориметром КФК – 2МП с использованием
светофильтра с max = 540 нм относительно кюветы с дистиллированной водой (Lкюв =
20мм). Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной морской воды.
Основной стандартный раствор готовился по точной навеске нитрита натрия.
Концентрация нитритов рассчитывалась по уравнению (3):
[NO2-] = K*(Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг)
(3),
где Dкюв - поправка на прозрачность кюветы, Dрефр - рефракционная поправка,
Dреаг - поправка на загрязнение реагентов. Относительная ошибка определения нитритов
составляла 15% при содержании ~ 0.1 мкМ/кг.
Нитраты предварительно восстанавливались до нитритов на кадмиевом редукторе
и далее определялись по методу Грисса в модификации Бендшнейдера – Робинсона.
Оптическая плотность измерялась на фотоколориметре КФК – 2МП с использованием
светофильтра с max = 540 нм относительно кюветы с дистиллированной водой (Lкюв =
5мм). Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной морской воды.
Основной стандартный раствор готовился по точной навеске нитрата калия.
Концентрация нитратов рассчитывалась по уравнению (4):
[NO3-] = K1*(Dпробы) +K2*(Dпробы)2
(4),
где Dпробы = (Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг), Dкюв- поправка на прозрачность
кюветы, Dрефр - рефракционная поправка, Dреаг - поправка на загрязнение реагентов.
При восстановлении нитратов использовалась батарея из четырех редукторов.
Коэффициенты K1 и K2 определялись для каждого редуктора. Эффективность
восстановления на кадмиевом редукторе периодически контролировалась, и ее тренд
учитывался при расчете концентрации нитратов. Относительная ошибка определения
нитратов составляла 2% при содержании 20 мкМ.
Аммонийный азот определяли по методу Серджи-Солозано. Метод основан на
реакции аммиака с гипохлоритом и фенолом с образованием синего индофенола.
Гумусовые вещества определяли спектрофотометрическим методом на
спектрофотометре Shimadzu UV, модели UV-1650PC. В пробах воды измерялась
оптическая плотность при длине волны 254 нм. Для калибровки были приготовлены
растворы гуминовых кислот, выделенных из осадков Амурского залива (Японское море).
Калибровочные растворы готовили путем разбавления исходного раствора, с
концентрацией 1 г/л на фоне 0.06 М раствора Na2CO3 уравновешенного с воздухом. В
диапазоне концентраций 0 – 50 мг/л зависимость оптической плотности от концентрации
была линейной. Воспроизводимость данного метода оценивалась нами в 2%.
Хлорофилл “а” определяли следующим образом. Пробы морской воды
фильтровались на воронках с диаметром фильтров 35 мм, размер пор фильтров - 0.4 мкм.
Фильтрование производилось под давлением 1.3 м водного столба. После фильтрации
фильтры хранились в морозильной камере холодильника с последующей их обработкой в
лаборатории. Хлорофилл из фильтров экстрагировали 5 мл 90 % ацетона. В связи с
высокой мутностью морской воды ацетоновые экстракты перед измерением
центрифугировали 5 мин при 5000 об/мин для удаления взвеси. Концентрацию
хлорофилла “а” измеряли спектрофотометрическим методом на спектрофотометре
Shimadzu UV, модели UV-1650 PC. Оптическую плотность экстракта D664 измеряли при
длине волны 664 нм. Концентрацию хлорофилла а, CChl , рассчитывали по упрощенной
формуле:
CChl  11.3  D664  Va / Vsw
(4).
Здесь Va - объем ацетонового экстракта, Vsw - объем отфильтрованной пробы
морской воды. Ошибка метода около 10 %.
Построение пространственно-временных
распределений
океанологических
характеристик, полученных в результате проведенных работ, выполнено с помощью
графической программы Surfer.
10.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика.
Для выполнения зондирований использовались СТД-профилографы RBR XR-620 и
RBR XRХ-620 (производитель – RBR, Ltd., Канада) с датчиками температуры,
электропроводности, давления, растворенного кислорода, флуоресценции хлорофилла,
мутности, подводной освещенности (рис. 1а). Данные приборы позволяли проводить
измерения гидрологических и гидрохимических характеристик с интервалом 10-20 см от
поверхности до дна. Параметры профилографа RBR XR-620 и RBR XRХ-620 : диапазон
измерений температуры - от –5 до +35 оС, электропроводности - от 0 до 70 mS/cm,
давления - от 0 до 740 дб, содержания кислорода - от 0 до 20 мл/л, хлорофилла «а» - от
0,02 до 150 мкг/л, мутности- от 0 до 2,000 FTU. Точность измерений температуры,
электропроводности, давления, содержания кислорода, хлорофилла «а» и мутности
составляет соответственно ±0.002оС, ±0.003 mS/cm, ±0.05%, ±1%, <±2% и <±2%.
Измерения течений выполнялись доплеровскими акустическими профилографам
течений RDCP 600 (AANDERAA Instruments, Норвегия) (рис. 1б). RDCP 600 позволяет
измерять скорости течений в диапазоне 0-500 см/с с точностью ±0.5 см/с по горизонтали и
±1.0 см/с по вертикали, а направление с точностью ±4 град. Кроме того, на RDCP 600
установлены датчики давления, температуры, мутности, а также оптический датчик
кислорода.
Приборы подвешивались к тросу на притопленных буйковых станциях или
устанавливались в специальном держателе кольцеобразной формы, который опускался
на дно. Притопленная буйковая станция состояла из вертикально расположенного троса,
прикрепленного к донному якорю в нижней части и к притопленному бую в верхней. На
тросе закреплялся измеритель течений или измеритель температуры и солености. От
притопленного буя горизонтально на расстоянии 6–10 м от дна тянулся сигнальный фал
ко второму притопленному бую с якорем. Поиск притопленной системы осуществлялся на
моторной лодке тралением «кошкой», или использовался акустический размыкатель.
Для выполнения измерений с помощью RDCP 600, установленном в специальном
держателе кольцеобразной формы (рис. 1б), в случае долговременных измерений после
постановки измерителя на дно к свободному концу постановочного фала крепился
акустический размыкатель с отстреливающимся и всплывающим буем с фалом, который
также
устанавливался на дне. Акустический размыкатель Benthos 875-A-PUB (Benthos, США)
представляет собой пластиковую цилиндрическую емкость, в которую укладывается фал
и вставляется буй с гидрофоном (рис. 1в). Система включает также пульт управления DS8750 с излучателем (рис. 1г). Вес размыкателя на воздухе 11.3 кг, в воде 4.5 кг, длина
фала 75 м, рабочая частота 10 кГц, расстояние срабатывания размыкателя до 10 км.
После подачи команды с излучателя и приема сигнала гидрофоном буя, происходит
отсоединение буя от цилиндра, прикрепленного к донному якорю, и всплытие буя с
фалом на поверхность, обеспечивая возможность подъема измерителя течений.
Местоположение станций определялось с помощью спутникового навигатора Garmin GPS
map 420s (Garmin International, Inc., USA).
При выполнении экспедиционных работ использовалось также следующее
оборудование: автономные измерители температуры «Поток» (КБ ИОАН РАН);
автономные измерители температуры и электропроводности «SBE- 37» (Sea-Berd
Electronics, Inc.).
Отбор проб воды проводился 5 л батометрами Нискина.
а
в
б
г
Рис. 1.
Океанографическое оборудование, применявшиеся при исследованиях течений
в 2010 г.: а - гидрологический СТД-зонд (профилограф) RBR XR-620; б – акустический
доплеровский измеритель течений RDCP 600; в - акустический размыкатель Benthos 875A-PUB; г - пульт управления DS- 8750 с излучателем.
10.6. Объемы выполненных работ.
1. 96 СТД – станции в Амурском и Уссурийском заливах.
2. 74 батометрические станции с отбором проб воды на гидрохимические анализы в
Амурском и Уссурийском заливах.
3. Длительные измерения скорости и направления течений, температуры, кислорода и
мутности на станции в проливе Босфор Восточный..
4. Длительные измерения придонной температуры в проливе Старка.
5. Постановка системы с акустическим измерителем течений RDCP 600 и 2-х SBE-37 в
Токаревском проливе для выполнения длительных измерений.
10.7. Предварительные научные результаты.
Экспедиционные исследования на НИС «Малахит» в 2010 г. были направлены на
изучение изменчивости гидролого-гидрохимических и гидродинамических условий в
заливе Петра Великого для оценки характера и степени воздействия на экосистемы и
43.3°
43.2°
43.1°
43°
42.9°
42.8°
42.7°
42.6°
42.5°
42.4°
130.6°
130.8°
131°
131.2°
131.4°
131.6°
131.8°
132°
132.2°
132.4°
132.6°
Рис. 2. Расположение района экспедиционных работ на НИС «Малахит» и НИС
«Импульс» в 2010 г.
разработки подходов для сдерживания их негативного развития. Работы проводились с
мая по ноябрь. На рис. 2 представлено расположение района работ. В районе был
продолжен мониторинг крупномасштабной зоны гипоксии, выявленной и исследованной
ТОИ ДВО РАН в 2005-2009 гг. [1-4].
Изучались гидролого-гидрохимические,
гидродинамические и гидрометеорологические условия формирования, развития и
разрушения зоны гипоксии в акваториях залива. В результате анализа данных
океанографических измерений
установлено, что существенными
факторами
формирования обширной области гипоксии в Амурском заливе, наряду с эвтрофикацией
и мутностью вод, являются характер рельефа дна, циркуляция вод, термохалинные и
гидрометеорологические условия. Одной из основных причин разрушения зоны гипоксии
является прибрежный апвеллинг, мониторинг которого на основе донных автономных
измерителей и океанографических съемок ведется с 2003 г . При региональном летнеосеннем апвеллинге
в заливе Петра Великого кислородосодержащие, холодные,
глубинные воды поступают в пролив Босфор Восточный из Уссурийского залива и далее в
Амурский залив, трансформируя и вытесняя гипоксийные воды из придонного слоя,
разрушая зону гипоксии. На рис. 3 представлены распределения океанографических
характеристик: температуры, солености, содержания хлорофилла а и мутности на
продольном разрезе,
выполненном
в проливе Босфор Восточный, которые
свидетельствуют о имеющем место поступлении холодных и более соленых вод из
Уссурийского залива. Эти холодные и
st 10
st 12
st 19
st 21 st 12
-10
-10
-20
-20
-30
-30
-40
Temp.
h (m)0
2
4
6
8
10
0
-10
-20
-20
-30
-30
-40
-40
Fluor.
0
2
4
6
distance (km)
8
10
st 10
st 11
st 19
st 21
Salt.
-40
-10
h (m)
Рис. 3.
st 11
2
4
6
8
10
4
6
8
10
Turb.
0
2
distance (km)
Распределение океанографических характеристик на продольном
разрезе в проливе Босфор Восточный 8 сентября 2010 г.
относительно соленые воды заполнили почти всю акваторию Уссурийского залива в
нижней ее толще. На рис. 4, где представлены распределения океанографических
характеристик на широтном
разрезе в северной части Уссурийского
залива,
выполненном 14 сентября 2010 г., воды с температурой меньше 5 градусов и соленостью
выше 36.6 0/00 наблюдаются уже на горизонте 20 м.
st 62
st 63
st 65 st 62
st 64
st 63
st 64
st 65
10
20
30
Temp
40
Salt
z(m)
0
5
10
15
0
5
10
15
10
20
30
Fluor
40
Turb
z(m)
0
5
10
15
0
5
10
15
10
20
30
O2 ml/l
40
O2 %
z(m)
0
Рис. 4.
5
10
15
km
0
5
10
15
km
Распределение океанографических характеристик на широтном
разрезе в северной части Уссурийского залива 14 сентября 2010 г.
Заключение.
В результате анализа данных океанографических измерений, полученных в проведенных
экспедициях, установлено, что существенными факторами формирования обширной
области гипоксии в Амурском заливе, наряду с эвтрофикацией и мутностью вод,
являются характер
рельефа дна,
циркуляция вод, термохалинные и
гидрометеорологические условия. Одной из основных причин разрушения зоны гипоксии
является прибрежный апвеллинг, мониторинг которого на основе донных автономных
измерителей и океанографических съемок ведется с 1997 г . Выполненные в течение
теплого периода 2010 г. океанографические измерения показали, что выход холодных в
вод в прибрежную зону и поступление в Амурский залив началось несколько раньше, чем
в прошлом году. Это привело к ранней трансформации структуры зоны гипоксии и
началу ее разрушения.
10.8. Литература
1. Тищенко П.Я., Звалинский В.И., Лобанов В.Б., Сергеев A.Ф., Колтунов А.М., Михайлик
T.A., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Основные факторы ухудшения экологического
состояния Амурского залива (по результатам наблюдений ТОИ ДВО РАН 2005-2008 гг.) //
«Природа без границ»: Материалы III Международного экологического форума .
Владивосток, 12-13 ноября, 2008 г. – Владивосток: Изд. Дальневост. ун-та. 2009. С.126128. (477 с.)
2. Тищенко П.Я., Сергеев A.Ф., Лобанов В.Б., Звалинский В.И., Колтунов А.М.,
Михайлик T.A., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Гипоксия придонных вод Амурского залива
// Вестник ДВО РАН, 2008. №6. С. 115-125.
3. Лобанов В.Б., Тищенко П.Я., Сергеев A.Ф., Звалинский В.И., Горин И.А., Гуленко Т.А.,
Колтунов А.М., Михайлик T.A., Сагалаев С.Г., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Сезонная
гипоксия и вентиляция вод Амурского залива //«Природа без границ»: Материалы IV
Международного экологического форума . Владивосток. 11- 77 октября 2009 г. 4 с.
электр.
4. Сергеев А.Ф., Тищенко П.Я., Лобанов В.Б., Звалинский В.И., Гуленко Т.А., Горин И.И.
О факторах гипоксии в Амурском заливе и о мерах по сдерживанию ее развития. //
Технические проблемы освоения Мирового океана. Материалы третьей Всероссийской
научно-технической конференции. Владивосток. 2009 г. С. 249.