Проекты

ПАЛЕКС 2009

Начало проекта - апрель 2009

Проект «Панарктической ледовой дрейфующей экспедиции» (ПАЛЭКС), реализованный в 2007-2008 гг. (Мельников, 2007; 2008). Выполненные исследования показали, что получаемая информация о физических, химических и биологических характеристиках морского льда и контактирующих водных массах в околополюсном районе Северного Ледовитого океана (СЛО) важна для оценки состояния системы вода-лед-атмосфера и динамики природных процессов в этом труднодоступном районе Арктики. Вместе с тем, стало очевидным, что для прогнозирования эволюции этой системы в условиях изменяющегося климата необходимо проведение регулярного мониторинга морского ледового покрова и водных масс в центральном Арктическом бассейне по единой научной программе с использованием единых методов полевых наблюдений, а также сбора и обработки собранных материалов. Именно такой регулярный мониторинг в одном географическом районе и в одно и тоже время года может дать надежную информацию о реальном состоянии морского льда и водной среды СЛО и быть основой для оценки эволюции этой системы в условиях изменяющегося климата. Такая инициатива нашла понимание и поддержку в руководящих структурах Росгидромета и Российской Академии наук, и было принято решение о продолжении научных исследований в околополюсном районе Северного Ледовитого океана в 2009 г.

Основная цель мониторинга весной 2009 г. состояла в проведении стандартных измерений физических, химических и биологических параметров водной среды и морского льда в околополюсном районе СЛО. Как и в предыдущих экспедициях, ледовая база «Барнео» на 89° с.ш. была использована как платформа для выполнения научных исследований (http://www.paicex.ru). Важной особенностью выполнения исследований в 2009 г. было расширение акватории сбора ледовых и снежных проб.

Кроме того, были реализованы фоновые измерения качественного и количественного состава аэрозолей в нижнем слое атмосферы, а также морфометрические измерения торосистых образований в районе дрейфа ледовой базы. Эти наблюдения выполнялись силами сотрудников Государственного института океанографии и Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

Куратором проекта является Почетный полярник, член-корреспондент РАН, доктор географических наук А.Н. Чилингаров, а научным руководителем экспедиции - главный научный сотрудник ИО РАН, доктор биологических наук, Почетный полярник И.А. Мельников. Основная финансовая поддержка проекта осуществлялась Росгидрометом РФ при участии Российской Академией наук, Российского фонда фундаментальных исследований, а также НО "Полярный фонд". Логистическая поддержка осуществлялась Экспедиционным центром Арктики и Антарктики "Полюс", Агентством ВИКААР, Ассоциацией полярников России и АК "Таймыр". Помимо сотрудников ИО РАН в экспедиции принимали участие сотрудники Государственного института океанографии и Арктического и Антарктического научно-исследовательского института Росгидромета


Участники ПАЛЭКС-2009 на ледовой базе «Барнео». Слева направо: Безгрешнов А. (ААНИИ), Чичаев А. (ГОИН), Поляков С. (ААНИИ), Чичаева М. (ГОИН), Поляков С. (ИО РАН), Харитонов В. (ААНИИ), Тюряков А. (ААНИИ) и Мельников И. (ИО РАН). На снимке отсутствует Евдокимов Ю. (ИО РАН), прилетевший позже основного состава экспедиции.

Наблюдения были организованы на ледовом массиве, где располагалась ледовая станция «Барнео», и охватывают период с 2 по 22 апреля. За это время дрейф проходил на юг от 89° 51’ с.ш. и 71° 52’ в.д. до 88°34’ с.ш. и 02° 07’ в.д.


Дрейф ледовой станции «Барнео» за период с 2 по 22 апреля 2009 г.

1. Ледоисследовательские работы (отв. исполнители И.А.Мельников и А.Б.Тюряков).

Измерения толщины снега и льда проводили через каждые 100 м в направлениях на север, юг, восток, запад от базового лагеря. Для бурения применялся мотобур фирмы «Tanaka» со шнеками фирмы «Kovaks». Всего выполнено 40 измерений.

Средняя толщина льда составила 183 см, а снега 11 см, что приблизительно соответствует данным наблюдений в 2007 и 2008 гг. - 178 и 182 см для льда и 25 и 5 см для снега, соответственно. Ледовый массив, где проводились наблюдения в 2009 г., состоял, в основном, изо льдов толщиной 140-180 см (51%), 180-240 см (39%) и 240-300 см (10%). Отмечено заметное увеличение встречаемости размерной группы льдов толщиной 140-160 см (39%), что втрое выше встречаемости этой размерной группы по сравнению с наблюдениями в 2007 и 2008 гг. Полученные данные подтверждают предположение о возрастающей роли сезонных льдов в современном арктическом ледовом покрове в последнее десятилетие.

2. Гидрофизические исследования (отв. исполнитель Писарев С.В.).

Основными задачами гидрофизических исследований в ПАЛЭКС-2009 являлись:
1. Выполнение вертикальных зондирований температуры и солености верхних водных масс Арктического бассейна.
2. Запись характеристик слоя галоклина для определения его мезомасштабной изменчивости.
3. Сбор, в фоновом режиме, информации о синоптических характеристиках атмосферы во время дрейфа ледового лагеря.

2.1. Технические средства. Для измерения вертикальных профилей температуры и солености в экспедиции ПАЛЭКС использовались современные высокоточные CTD измерители производства компании Sea-Bird Electronics (CША). Использовались два зонда: первый - модели SBE 25 SEALOGGER CTD. Кроме того, использовались три самописца - SBE 37-SM MicroCAT.

2.2. Полевые работы и обработка данных. Для опускания SBE 25 применялась хорошо известная и опробованная лебедка модели «Северный Полюс» (разработка ААНИИ) с ручным приводом. Зонд использовался в автономном режиме с записью информации на внутреннюю память. Начало и конец измерений осуществлялись сдвигом магнитного ключа. Частота опроса датчиков при всех измерениях выставлялась максимально возможной – 8 Гц. Считывание информации из внутренней памяти зондов на персональные компьютеры проходило с помощью программы SeaTerm. Перевод измеренных зондами кодов в физические величины осуществлялось программой SBE Data Processing. Во всех случаях использовались последние версии рекомендованных компанией Sea-Bird Electronics программ SeaTerm и SBE Data Processing – 5.30a (2003 г) и новее.

Перед зондированием SBE-25 быстро (за 10-15 секунд) переносился из теплой жилой палатки к рабочей лунке, предварительно очищенной от вновь образовавшегося льда. Немедленно после этого зонд крепился к тросу лебедки и погружался в поверхностный слой воды. Здесь он выдерживался около пяти минут для принятия температуры воды и гарантированного «замачивания» ячейки электропроводности. Затем зонд равномерно погружался вплоть до запланированного горизонта. Скорость опускания примерно соответствовала рекомендованным 1 м/с и не превышала 1.5 м/с. Периоды редких остановок зонда во время зондирований, из-за “запиливания” троса в край лунки при сильном дрейфе, например, исключались из рассмотрения при дальнейшей обработке. После выполнения зондирования и подъема зонда на поверхность, он быстро доставлялся в теплую жилую палатку. Такая быстрая доставка исключала, по нашему мнению, возможность порчи или даже разрушения ячейки электропроводности зондов вследствие замерзания воды при низких, до -300С, температурах окружающего воздуха.

Процедуры обработки данных, пред экспедиционные калибровки и натурные поверки двух типов зондов позволили гарантировать на настоящий момент точность измеренных CTD профилей в пределах 0.0030С по температуре и 0.005‰ по солености, а также точности определения глубины 3.5 м.

Для измерений показаний температуры – электропроводности – давления на отдельных горизонтах, как было сказано выше, применялись три самописца - SBE 37-SM MicroCAT

Основная цель проведенных измерений с помощью самописцев – получить характеристики пространственно-временной изменчивости верхней и нижней границ галоклина приполюсного района Арктического бассейна, а также получение оценок частотных характеристик внутренних волн в этом районе. Для этого самописцы SBE37 были закреплены на одном капроновом фале диаметром 8 мм. Верхний самописец без датчика давления был закреплен вблизи верхней границы галоклина и нижней границы верхнего перемешанного слоя на горизонте 55 м. Следующий самописец, с датчиком давления до 350 м был закреплен примерно в середине галоклина на горизонте 80 м. Третий самописец SBE37 был расположен на горизонте 105 м – вблизи нижней границы галоклина. Поскольку вертикальное положение фала с самописцами обеспечивалось только весом самих приборов, то, как показал предварительный анализ полученных данных, самописцы, под действием дрейфа, смещались периодически от своего начального положения на несколько метров вверх. Анализ вертикальных смещений приборов снабженных датчиками давления показал, что их движения синхронны и прямо пропорциональны. Таким образом, определение вертикальных смещений самописца, не снабженного датчиком давления, было произведено исходя из предположения о линейном смещении всех самописцев закрепленных на одном фале. Период опроса датчиков самописцев был выбран 3 мин, что соответствует половине максимальной частоты плавучести в данном районе океана

При гидрофизических измерениях экспедиции ПАЛЭКС 2009 использовалось не только собственное оборудование института океанологии РАН, но и, отчасти, оборудование других научных групп. В результате дополнительных усилий в рамках международной научной кооперации, экспедиции ПАЛЭКС к сентябрю 2009 года предполагается получить результаты гидрофизических измерения, выполненных несколькими моделями автономных буев за время дрейфа ледовой базы «Барнео».

2.3 Характеристика выполненных гидрофизических измерений. Основными гидрофизическими измерениями являлись вертикальные CTD зондирования и записи температуры и солености на трех горизонтах в слое галоклина. Измерения параметров дрейфа льда, температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра, температуры в толще льда - являлись дополнительными, служащими для последующей интерпретации основных измерений.

Измерения параметров дрейфа были начаты в 8 ч 30 мин GMT 2 апреля и закончены в 10 час 00 мин 23 апреля. Для измерений использовались три измерителя GPS различных моделей. Измерения проходили в ручном режиме, нерегулярно, но, как правило, несколько раз в день. Всего координаты льдины измерены 80 раз.

За время работ экспедиции ПАЛЭКС 2009 было получено 20 вертикальных профилей температуры и солености. 8 из этих профилей выполнены до горизонта 1000 м, остальные – до горизонтов 150-160 м. С 19 час 30 мин 6 апреля по 08 час 36 мин 22 апреля была произведена запись температуры и солености на горизонтах 55 м, 80 м и 105 м. Дискретность измерений составляла 3 мин. Получено 7400 одновременных измерений на трех горизонтах вдоль трассы дрейфа. Полученные данные прилагаются в виде цифрового файла к настоящему отчету.

2.4 Предварительные результаты анализа характеристик водных масс. Сравнение вертикальных профилей, измеренных в 2009 году, с климатическими данными массива EWG, показывает, что температура атлантических вод продолжает оставаться на приблизительно 0.50С теплее климата. Верхняя граница атлантических вод в 2009 году была на 60 м выше, а нижняя граница на 70 м глубже по сравнению с климатом . Таким образом, и температуры и объем теплых атлантических вод в приполюсном районе Арктики продолжает оставаться аномально высоким, а гидрофизические характеристики атлантических вод в 2009 году не претерпели существенных изменений в сравнение с прошлыми экспедициями ПАЛЭКС 2007 и 2008 гг.

Что же касается верхних арктических вод, то здесь характеристики 2009 года близки к климатической норме, хотя по сравнению с 2007 и 2008 годами соленость верхних 50-70 метров преснее на 2‰. Такое относительное распреснение поверхностного слоя создает, в отличие от 2007 и 2008 годов, большой градиент плотности в верхнем слое океана. Как следствие этого большого градиента, условия для передачи тепла от перегретых атлантических вод ко льду становятся неблагоприятными.

Причины, по которым весной 2009 года в приполюсном районе наблюдается возврат солености верхнего слоя к климатической норме, предстоит еще рассмотреть с привлечением результатов измерений других экспедиций.

2.5. Факультативные гидрофизические работы. С 10 по 13 апреля 2009 на ледовой базе «Барнео» работала научная группа проекта NPEO (North Pole Environmental Observatory) по наблюдениям за состоянием окружающей среды в районе Северного Полюса, состоящая из трех зарубежных специалистов. В состав группы входили – Sigrid Salo (NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory – Тихоокеанская морская лаборатория по изучению состояния окружающей среды Национальной администрации по изучению океана и атмосферы, США), Bill Shaw (Navy Postgraduate School - аспирантура военно-морского флота США) и Takashi Kikuchi (Japan Agency for Marine-earth Science and Technology – японское агенство по морским и сухопутным наукам и технологиям). Задачей группы являлась установка в приполюсном районе Арктического бассейна пяти автономных измерительных устройств для измерения характеристик атмосферы, ледового покрова и верхнего слоя океана. Измерительные устройства таких моделей применяются в Арктическом бассейне уже порядка 4-7 лет. Сходный набор устройств устанавливался, при активном участии участников экспедиции ПАЛЭКС, на ледовой базе «Барнео» в 2007-2008 гг. Все устройства снабжены автономными источниками питания, системой определения географических координат GPS и спутниковыми каналами передачи измеряемой информации в режиме реального времени. Расчетная продолжительность автономной работы таких устройств – год и более. Из-за тяжелых погодных условий за период постановки измерительных устройств, группа зарубежных специалистов была вынуждена проявить незаурядные усилия для успешного завершения работ. При этом группа российских ученых (ИО РАН – 1 человек, ААНИИ – 3 человека), работавших на «Барнео» в тоже время, проявляя научную солидарность, взяла на себя большую часть работ по механическому монтажу устройств.

В состав парка автономных приборов, установленных на льдине, входили:
1. Веб-камера, служащая для визуального наблюдения за состоянием снежного и ледового покрова, а также за состоянием других автономных измерителей, установленных в пределах видимости камеры.
2. Автономная метеорологическая станция, служащая для определения температуры, давления, скорости и направления ветра на высоте порядка 1.5 -2 м над ледовой поверхностью.
3. IMBB – Ice Mass Balance Buoy – буй для изучения “баланса” льда, служащий для измерения высоты снежного и толщины и температуры ледового покровов Часть данных получаемых этими измерителями доступна через сеть Интернет.
4. AOFB – Autonomous Ocean Flux Bouy – автономный буй для измерения тепловых потоков от океана ко льду (еще одно название – буй Тима Стэнтона), имеющий доплеровский измеритель течений в верхнем слое океана подо льдом (3-50 м), точечный измеритель трех компонент течения и точечный измеритель температуры и солености на горизонте порядка 3-4 м.
5. POPS – Polar Ocean Profiler System– СTD профилограф, служащий для измерения вертикальных профилей температуры и электропроводности в верхнем слое океана (5-700 м). Часть измеряемых данных находится в открытом доступе через сеть Интернет.

3. Биологические исследования (отв. исполнитель Мельников И.А.).

3.1. Планктонные исследования. В период проведения полевых работ выполнены три планктонные станции 3, 7 и 13 апреля. Вертикальные ловы планктона проводили сетью Джеди с входным отверстием 37 см и диаметром фильтрующего конуса 50 см и размером ячеи 150 мкм; скорость подъема сети в момент лова 20 см/с. Горизонты и последовательность ловов: 50-0, 150-0 и 300-0 м. Пробы фиксировали 4% формалином.

Микроскопический анализ видового состава планктона будет выполняться в лабораториях Института океанологии, Зоологического и Ботанического институтов РАН. Поскольку микроскопирование – это длительное процедура, то на данный момент обработана только одна планктонная проба (горизонт лова 50-0 со станции №1, взятой 03.04.2009.

Из общего списка 46 видов, присутствующих в водном слое 0-1000 м в центральном Арктическом бассейне, только 5 видов копепод Calanus glacialis, Metridia longa, Paraeuchaeta glacialis, Microcalanus pygmaeus и Oithona similes были отмечены в слое 0-50 в это время года, что говорит о пребывании основной массы зоопланктона на глубине, т.е. сезонная миграция планктона из глубины к поверхности еще не началась.

3.2. Гидрохимические исследования. В период проведения полевых работ выполнены три батометрические станции 3, 7 и 13 апреля. Пробы отбирали по горизонтам 5, 15, 50, 100, 200 и 300 м с помощью 10-л пластмассового батометра Нискина.

Работы были организованы в той же гидрологической палатке, где выполнялись планктонные ловы, с использованием лебедки «северный Полюс» (конструкции ААНИИ). Все подъемы батометра проводили вручную, поскольку электромеханический привод лебедки не работал, вследствие низкой температуры.

В настоящее время в лаборатории ИО РАН выполнены измерения концентраций кремний и фосфора на трех батометрических станциях (03, 07 и 13 апреля).

Полученные значения гидрохимических характеристик минерального кремния и фосфора незначительно отличаются от аналогичных значений, полученных в этом же районе и на тех же горизонтах в предыдущие наблюдения в ПАЛЭКС 2007-2008.

3.3. Подледные водолазные работы. 7 апреля выполнено водолазное погружение под лед толщиной 180 см для сбора проб планктона и воды с нижней поверхности льда. Лов планктона проводили сачком с входным отверстием 20х40 см и планктонной сетью с размером ячеи 150 мкм; длина лова по поверхности льда 20 м. Водная проба отобрана 300 мл пластиковым шприцем непосредственно с кристаллической поверхности льда на предмет измерения солености, а также концентраций хлорофилла и биогенных форм кремния и фосфора. В момент погружения удалось наблюдать и сфотографировать внутриводный лед, образовавшийся под нижней поверхностью однолетнего льда толщиной 180 см. Пластинчатые кристаллы льда сформировали компактное конусообразное образование, между кристаллами которого можно было наблюдать скопление мелких амфипод, предположительно, молодь Apherusa glacialis (по аналогичному наблюдению в период работ ПАЛЭКС-2007).

3.4. Криобиологические исследования. Ледовые керны отбирались кольцевым буром с внутренним диаметром кольца 180 мм на удалении 3-4 км от базового лагеря. Всего отобрано 4 керна толщиной 158, 200, 199 и 198 см, соответственно, которые были поделены на кратные слои по 20 см каждый на предмет измерения солености, концентраций минеральных форм кремния и фосфора, интенсивности флуоресценции и видового состава криофлоры и криофауны. В период наблюдений температура воздуха изменялась в пределах минус 35-41°С, вследствие чего лед был еще сильно охлажден: температура на вертикальном профиле льда толщиной 200 см изменялась от -1.9°С на нижней (морской) поверхности до -24.3°С на границе лед-снег. Температура воздуха на верхней поверхности снежного покрова толщиной 20 см в момент измерения составляла -30°С, а на границе снег-лед, соответственно, -23.8°С.

На данный момент выполнены измерения величин солености, которые соответствуют соленостям однолетнего льда и изменяются в пределах 3-5‰. Предварительный таксономический анализ показал, что ледовая флора представлена в основном диатомовыми водорослями и крайне бедна по численности.

На фото: Положение диатомового слоя в центре ледового керна на расстоянии 30-40 см от снежной поверхности (ПАЛЭКС-2009, проба№3, 05.04.2009).

В двух из четырех взятых ледовых кернов в их толще были выявлены бурые слои . Предварительный микроскопический анализ показал, что это скопления диатомовых водорослей и, главным образом, видами двух родов Nitzschia и Navicula. Скопления такого рода встречались и ранее в ледовых пробах в СЛО, но, как правило, они были приурочены только к нижнему (морскому) слою. Положение выявленных нами слоев в выбуренных ледовых кернах говорит о том, что они могли появится осенью прошлого 2008 года на нижней поверхности тонкого 30-40 см льда (остаточного льда, пережившего летнее таяние), как результат развития диатомовых водорослей на осенней стадии развития фитопланктона. С наступлением похолодания и дальнейшим зимним нарастанием нового льда на нижнюю поверхность старого, этот диатомовый слой оказался внедренным в кристаллическую структуру, что мы наблюдали в толще ледового керна, общая толщина которого составляла 198 см. Выявленные слои диатомовых во льду в постзимний период, когда еще не начался фотосинтез, подтверждает нашу точку зрения о структурных и функциональных изменениях в экосистеме арктического морского льда, вследствие климатических изменений в СЛО.

Заключение

Выполненные наблюдения в ПАЛЭКС-2009, начатые в период проведения МПГ в 2007-2008 гг. с использованием единых методов полевых работ в одно и тоже время года, единого оборудования и методов обработки материалов, показали, что экологический мониторинг у географического Северного полюса позволяет отслеживать динамику изменений в снежно-ледовом покрове и водном слое СЛО, а также изменения в биологической структуре экосистемы морского льда и контактирующих с ним водных масс. Основные предварительные выводы по результатам работы в ПАЛЭКС-2009 следующие:
1. Хотя средняя толщина морского льда в районе исследований за три года сохраняется (около 180 см), вместе с тем в составе льда происходят заметные преобразования: уменьшается встречаемость толстых многолетних льдов и возрастает роль сезонных (однолетних) льдов толщиной 140-160 см;
2. Продолжается подъем верхней границы теплой атлантической водной массы к границе галоклина, что способствует более интенсивной передаче тепла к поверхности и, как следствие, ко льду;
3. Биологическая структура экосистемы морского льда изменяется вследствие летних процессов интенсивного таяния, что способствует развитию новых (недиатомовых) видов водорослей.