КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-17-00001

НазваниеГеохимия изотопов О, Н и С морских вод Атлантического и Тихоокеанского секторов Арктики

РуководительДубинина Елена Олеговна, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-206 - Изотопная геохимия

Ключевые словагеохимия изотопов кислорода, геохимия изотопов водорода, геохимия изотопов углерода; неорганический растворенный углерод, DIC, изотопное фракционирование, Арктика, морская вода

Код ГРНТИ38.33.21

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изотопно-геохимическое исследование вод, участвующих в формировании водной толщи Северного Ледовитого океана (СЛО): атлантических и тихоокеанских вод и опресняющих компонентов (талый морской лед, речной сток, атмосферные осадки). Планируется изучение изотопных параметров молекулы воды (δ18О, δD) и поведения изотопно-концентрационной системы растворенного неорганического углерода (δ13C(DIC), [DIC]) в ключевых акваториях Арктики – северных морях (Норвежское, Гренландское) и морях Российского сектора Арктики (Баренцево, Карское, Лаптевых). Первые две изотопные системы являются консервативными, и их можно отнести к атрибутам конкретных водных масс, циркулирующих в Мировом океане. Изотопно-концентрационная система DIC в определенных условиях также способна быть стабильной для глубинных океанских течений. На данный момент, изотопно-геохимические характеристики основных типов океанских вод, циркулирующих в Арктике, изучены слабо, хотя величины δ18О эпизодически применяются в современной океанографии. Острая нехватка изотопно-геохимических данных для Арктических акваторий определяет актуальность проекта. Высокая достоверность ожидаемых результатов будет обеспечена применением высокоточного масс-спектрометрического анализа к образцам морских вод, специально отобранным в пяти экспедициях (71-й, 72-й и 84-й рейсы НИС «Академик Мстислав Келдыш», 58-й рейс НИС «Академик Иоффе» и 82-й рейс НИС «Академик Лаврентьев»). В общей сложности планируется провести анализ более 1500 проб морской воды, осуществить математическое моделирование и провести количественные расчеты с привлечением изотопно-геохимических и гидрофизических данных. Основное внимание будет уделено водам, циркулирующим в проливе Фрама и Баренцевом море, поскольку они играют ключевую роль в процессах атлантификации - крупномасштабного переноса вещества и тепла в Арктику. Опресняющие компоненты и тихоокеанские воды Берингова моря, играющие важнейшую роль в формировании поверхностного слоя арктических морских бассейнов, также будут изучены в нашем проекте. Исследования будут сосредоточены в нескольких ключевых районах: 1) район циркуляции вод Северной Атлантики (Норвежское, Гренландское моря, пролив Фрама, котловина Нансена); 2) район распространения атлантических течений вдоль континентального склона СЛО (глубоководные желоба Баренцева и Карского морей и зона континентального склона моря Лаптевых); 3) район циркуляции вод Тихоокеанского происхождения (север Берингова моря). Основные задачи проекта: 1. Установление изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) характеристик атлантических вод, изучение устойчивости и эволюции этих характеристик по пути следования и циркуляции вдоль континентального склона, как в промежуточном, так и глубинном слое СЛО. 2. Установление изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) характеристик вод Тихого океана, поступающих в поверхностные воды СЛО из северной части Берингова моря. 3. Установление изотопных (δ18О, δD) параметров глобальных опресняющих компонентов акваторий бассейна СЛО и создание обобщенной модели формирования поверхностного опресненного слоя в условиях Арктики. Для решения этих задач будет проведен анализ изотопно-геохимических и гидрофизических параметров, установленных для: 1) крупных двумерных разрезов в интервале глубин – от 0 до 3700 м во всех указанных районах; 2) одномерных «срезов», выполненных методом отбора в поверхностном слое (2-3 м) с помощью специальной проточной системы в Северной Атлантике и Восточной Арктике; 3) детально отобранных проб на отдельно взятых глубоководных (более 3000 м) станциях в Гренландском море, проливе Фрама, котловине Нансена. Научная новизна проекта будет состоять в создании уникальной изотопно-геохимической систематики (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) арктических водных масс, и разработке новых моделей формирования изотопных характеристик, смешения и трансформации вод в условиях Арктики.

Ожидаемые результаты
1. Впервые будут установлены прецизионные, статистически обоснованные изотопно-геохимические (δ18О, δD, δ13С(DIC), [DIC]) характеристики атлантических водных масс на нескольких широтных уровнях в диапазоне 60-82 градусов с.ш. Будет проведена оценка устойчивости этих параметров на фоне трансформации гидрофизических характеристик глубинных атлантических вод по мере их следования в северном направлении. 2. Впервые будет проведена оценка изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13С(DIC), [DIC]) характеристик Фрамовской и Баренцевоморской ветвей атлантических вод, поступающих в СЛО. Будут установлены изотопно-геохимические критерии, позволяющие идентифицировать воды данных ветвей в пределах континентального склона СЛО. 3. Впервые будут установлены изотопно-геохимические (δ18О, δD, δ13С(DIC), [DIC]) характеристики атлантических водных масс, циркулирующих в пределах континентального склона юго-западной части СЛО. 4. Впервые будут установлены изотопно-геохимические (δ18О, δD, δ13С(DIC), [DIC]) характеристики тихоокеанских водных масс, поступающих в СЛО через Берингов пролив. 5. Будет изучен процесс глобального опреснения поверхностных вод Северной Атлантики (60-82о с.ш.) и морей Восточной Арктики, в которых активно протекают процессы формирования и таяния льда. Будет разработана модель формирования поверхностного опресненного слоя для условий Арктики. 6. Будут получены оценки скорости трансформации основных гидрофизических характеристик атлантических водных масс на их пути из Северной Атлантики до континентального склона в море Лаптевых. 7. Будут получены оценки интенсивности перемешивания и теплообмена между Фрамовской и Баренцевоморской ветвями атлантических водных масс в месте их конвергенции в желобе Св. Анны. Ожидаемые результаты имеют фундаментальное значение для понимания процессов формирования водной толщи СЛО и возможного предсказания тенденций, связанных с изменением климатических условий на Земле. Новые фундаментальные знания о глобальной трансформации изотопно-геохимических параметров атлантических вод по пути к СЛО, а также устойчивости и сохранности этих параметров при циркуляции в СЛО, имеют важнейшее значение для изучения процессов атлантификации Арктики. Ожидаемые результаты не имеют аналогов, находятся на высоком мировом уровне, и, несомненно, будут востребованы в геохимических, экологических и биологических исследованиях Арктики.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Завершен комплекс изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) исследований вод, отобранных на трансатлантических разрезах в интервале глубин 0-3000 м (субширотный разрез вдоль 60-го градуса с.ш. и секущий разрез на 60-65 градусах с.ш.). Изотопные характеристики промежуточных и глубинных вод в этом районе отражают присутствие средиземноморской водной массы, имеющей повышенную температуру и соленость, приобретенные за счет интенсивного испарения. Величины δ18О в ядре этой водной массы поднимаются выше +0.5‰, а величины δD – достигают +2‰. При этом средиземноморские воды обладают умеренными и немного пониженными концентрациями DIC (2000-2100 мкмоль/кг) с величинами δ13С=+0.6…+0.8‰. Эти величины понижены по сравнению со средними значениями, характерными для вод северной Атлантики (≈+1‰). Основная часть средиземноморских вод циркулирует вдоль европейского побережья. Ядра атлантических водных масс, не имеющих признаков смешения со средиземноморскими водами, отличаются стабильными изотопными характеристиками, которые воспроизводятся на обоих разрезах. Величины δ18О в них составляют +0.28…+0.29‰, величины δD варьируют от -0.5 до +1.3‰, концентрация DIC находится на уровне среднего значения для Мирового океана (≈2200 микромоль/кг), а величины δ13С(DIC) составляют +1±0.15‰. Таким образом, отличительной чертой средиземноморских вод от окружающих их атлантических водных масс можно считать не только повышенные величины δ18О и δD, но и изотопно-«облегченный» растворенный неорганический углерод. Поверхностные воды, циркулирующие вдоль побережья Гренландии, опреснены компонентом с изотопными параметрами, отвечающими талым водам ее ледникового льда (δ18О= -22.6‰, δD= -196.5‰). Впервые в мире проведены комплексные изотопно-геохимические (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) исследования вод западной части Берингова моря (район Корякского шельфа-Чукотского склона и район Командорских островов, интервал глубин 10-4100 м). На основе термохалинных характеристик и изотопного состава кислорода и водорода выделены основные типы водных масс, циркулирующих в этом районе и рассчитаны изотопные параметры вод, опресняющих акваторию Берингова моря на разной глубине. Установлено, что верхние горизонты вод (10-1000 м) опреснены атмосферными осадками региона, часть промежуточных и глубинных вод (1000-2500 м) также опреснены атмосферными осадками, но выпадающими южнее Алеутской дуги (≈ 40-45 с.ш.). Глубинные воды Берингова моря (2800-4300 м) сохраняют сигнал, приобретенный при опреснении талыми водами антарктического ледникового льда, что соответствует представлениям о глобальной термохалинной циркуляции в Мировом Океане. Показано, что глубинные воды западной части Берингова моря по термохалинным и изотопным характеристикам отвечают глубинным водам северной части Тихого океана (NPDW). Получена оценка изотопных параметров вод, поступающих в галоклин Северного Ледовитого океана (S= 33.1) из Берингова моря (δ18О=-0.61‰ и δD= -5.4‰). Данные об изотопном составе и концентрации растворенного неорганического углерода в водах западной части Берингова моря показывают, что процессы первичной продукции превалируют над окислением органического вещества и обменом с СО2 атмосферы только в верхнем (<20 м) слое субповерхностных летних вод. Глубина нахождения «углеродного» минимума, соответствующая максимальной интенсивности процессов окисления органики составляет 500 м. Наиболее яркой чертой промежуточных и глубинных вод Берингова моря является высокое содержание DIC (2432±32, иногда до 2500 микромоль/кг), которое превышает содержание DIC в глубинных водах Тихого океана (≈2300-2350 микромоль/кг). Поступление вод с таким высоким содержанием DIC в акваторию Северного Ледовитого Океана должно влиять на процесс подкисления (acidification) его вод, прежде всего, в Чукотском и Восточно-Сибирском морях. Разработана качественная модель «физического углеродного насоса», которая объясняет высокие концентрации DIC в глубинных водах Берингова моря. Получены первые данные по изотопному составу кислорода в водах высоких широт (73-82 с.ш.) северной Атлантики для 560 образцов, отобранных вдоль профилей в Гренландском море, котловине Нансена, проливе Фрама и других районах. Прослежены изотопные характеристики кислорода фрамовской ветви атлантических вод, которые в целом характеризуются более высокими величинами δ18О (выше +0.4‰), чем воды баренцевоморской ветви (ниже +0.3‰). Максимально опресненные воды встречены на поверхности у кромки льда в районе котловины Нансена, у берегов Шпицбергена и Гренландии. Глубинные воды отличаются существенными вариациями величин δ18О – от +0.2 до +0.6‰, что указывает на присутствие в них изотопной метки средиземноморской водной массы, достигающей в составе атлантических течений высоких арктических широт. Проведены первые исследования изотопного состава кислорода в водах, отобранных вдоль 6 разрезов, секущих желоб Св. Анны в разных направлениях. Величины δ18О глубинных неопресненных вод желоба варьируют в интервале +0.1…+0.48‰, характерном для глубинных вод Северной Атлантики, циркулирующих как в районе 60-65 градусов с.ш., так и в высоких широтах (73-82 с.ш.). Опресненные воды желоба характеризуются существенным вкладом талого льда. Проведена систематизация и обработка данных, полученных для поверхностных вод разных районов СЛО – шельфа Восточной Арктики, Тихоокеанского сектора, Северо-Атлантического сектора. Систематика является уникальной не только по охвату акваторий, но и потому, что она основана на изучении изотопных параметров как кислорода, так и водорода. Для акваторий Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Берингова морей получены уравнения глобальной связи величин δ18О и δD с соленостью. Для описания полученных зависимостей создана модель динамического баланса поверхностного опресненного слоя морской воды в отношении солености и изотопного состава кислорода и водорода, которая учитывает привнос-вынос компонентов при опреснении, замерзании, таянии льда и смешения с водой подстилающих горизонтов. Модель применима для арктических районов с низким уровнем испарения, для численных расчетов получены готовые аналитические решения дифференциальных уравнений. Проведены оценки устойчивости термохалинных параметров в водах двух ветвей атлантических течений, поступающих в Северный Ледовитый океан через пролив Фрама (ФВМ - фрамовская ветвь) и Баренцево море (БВМ - баренцевоморская ветвь), циркулирующих в желобе Св. Анны. Установлено, что наиболее резкое падение теплосодержания и, как следствие, наиболее интенсивная теплоотдача атлантических вод ФВМ происходит в месте ее разворота в южной оконечности желоба Св. Анны. Оценки межгодовой изменчивости термохалинных характеристик БВМ и ФВМ в придонном слое вод показали наличие значительных межгодовых изменений, которые связаны как с формированием более соленых и теплых донных вод в Баренцевом море, так и с возможной межгодовой изменчивостью свойств атлантических вод, движущихся вдоль материкового склона Северного Ледовитого Океана. По результатам, полученным за отчетный период, приняты к опубликованию две статьи, одна из них – в журнале второго квартиля.

 

Публикации

1. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Осадчиев А.А., Чижова Ю.Н., Авдеенко А.С. ИСТОЧНИКИ ОПРЕСНЕНИЯ ВОД ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ БЕРИНГОВА МОРЯ ПО ИЗОТОПНЫМ (δ 18 О, δD) ДАННЫМ Океанология, - (год публикации - 2024)

2. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Чижова Ю.Н. ВЫСОКОТОЧНЫЙ АНАЛИЗ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА И КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА (DIC) В МОРСКИХ ВОДАХ Геохимия, - (год публикации - 2024)