Арктические реки - индикаторы глобальных климатических изменений

Ученые ФИЦКИА УрО РАН (г. Архангельск) в рамках совместного с МАГАТЭ проекта занимались исследованием стабильных изотопов реки Северная Двина. Участие в программе мониторинга глобальных изменений климата - вклад в решение фундаментальной проблемы оценки наблюдаемых и будущих изменений состава и динамики вод в Северном Ледовитом океане.

В круговороте воды на Земле реки Арктической зоны представляют собой особые географические объекты, выполняющие разные природообразующие функции: объединение водосборов, формирование поверхностного рельефа и геоэкологического состояния побережий арктических морей. Кроме того, арктические реки используются для судоходства, строительства ледовых переправ, гидротехнического строительства. Поэтому всегда нужно учитывать как антропогенную нагрузку, так и различные сценарии изменения климата.

В суровых условиях вечной мерзлоты исследование изотопов, входящих в состав почвы, растительности, воды помогает ученым оценить влияние климата на их структуру, учитывая эволюционные изменения физико-химических параметров окружающей среды. В этой связи требуются дополнительные сведения о поведении изотопов, например, между водами арктических рек, подземными водами и атмосферными осадками.

Так, в рамках проекта с МАГАТЭ (Международным агентством по атомной энергии) в течение 4-х лет архангельские ученые на примере реки Северная Двина – одной из крупнейших рек арктического региона – провели анализ эволюции её изотопного состава, дали оценку формированию состава поверхностных вод реки и  составили новую базу данных изотопов речной воды. Собранные в ходе полевых экспедиций ценные данные специалисты представили в международном рецензируемом издании ENVIRONMENTAL MONITORING AND ASSESSMENT (2020. – Т. 192. – №. 7. – С. 1-12.)

Какое важное место занимают арктические реки в системе глобальных природных изменений, какова специфика изотопного состава вод реки Северная Двина и как это исследование помогает выявить связь с климатическими изменениями – об этом рассказал руководитель и участник проекта российской команды, доктор геолого-минералогических наук, директор Института геодинамики и геологии Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН (ФИЦКИА УрО РАН) (г. Архангельск) Александр Иванович Малов.

«Идея принять участие в проекте МАГАТЭ пришла в голову в 2013 году ведущему научному сотруднику ФИЦКИА УрО РАН кандидату геолого-минералогических наук Олегу Сергеевичу Покровскому. Он уже несколько лет до этого работал параллельно во французском НИИ, и для него это было обычным делом. Мы в России еще ориентировались по старинке в основном на отечественные проекты, – Александр Малов рассказал как команда российских ученых стала постоянным участником программы мониторинга глобальных изменений климата, организованной Международным агентством по атомной энергии, –

МАГАТЭ принял нас в совместный научно-исследовательский проект «F33021» под названием «Разработка и применение изотопных технологий при оценке антропогенного воздействия на водный баланс и динамику питательных веществ крупных речных бассейнов» и с 29 мая 2014 года по 28 мая 2018 года мы выполняли исследовательский контракт с МАГАТЭ «Стабильные и радиогенные изотопы растворенных и взвешенных веществ в российских арктических реках». В выполнении совместного проекта участвовали представители 20 стран Европы, Азии, Африки, Северной и Латинской Америки – от Аргентины до Канады и от Франции до Конго и Вьетнама. Третьим членом нашего российского коллектива был ведущий научный сотрудник ФИЦКИА РАН Артем Васильевич Чупаков. Мы работаем в ФИЦКИА УрО РАН уже более двадцати лет, и хотя находимся в различных институтах, но нас объединяет увлеченность водными проблемами Севера – геохимией стабильных и радиоактивных элементов, изотопной геохимией, эволюцией источников и состава поверхностных и подземных вод. Этим мы и занимались в ходе выполнения проекта».

Для проведения мониторинга и составления прогноза глобальных изменений климата в рамках данного проекта отечественные специалисты изучили изотопный состав вод арктического региона.

Александр Малов пояснил, чем вызван научный интерес: «Трудно переоценить роль воды в эволюции Земли и в жизни ее обитателей. Общая ее масса оценивается в ~3·10¹⁸ тонн, при этом половина находится в физически и химически связанном виде в земной коре и верхней мантии, а половина – в свободном виде в гидросфере и верхах земной коры. Наибольший объем свободной водной массы характерен для соленых вод океанов (95,4%) и глубокозалегающих подземных вод (1,5%). Остальные 3,1% – пресные источники, из них ледники и лед многолетнемерзлых пород – 1,7%; пресные подземные воды – 0,1%; реки – 1.3%. Это – так называемые статические запасы воды.  В то же время динамические характеристики пресных источников оставляют другое впечатление.  Так, суммарный речной сток на протяжении фанерозоя (последние 542 млн лет) оценивается в 2.5·10²² тонн, а подземный - 0.6·10²² тонн.  То есть размер речного стока за 30 тысяч лет равен объему воды в океане. Это свидетельствует о том, что реки, несмотря на крайне низкие статические запасы, играют ключевую роль в круговороте воды на земле как водосбор, объединяющий гидрологические каналы для возврата наземных осадков назад в мировой океан. Кроме того, реки, наряду с подземными водами, являются мощными агентами выветривания, ответственными за перенос растворенных веществ с континента в океан. В последнее время этот процесс активизировался в связи с антропогенным воздействием на водосборы на экономически развитых территориях.

Арктические реки играют значительную роль в процессах, воздействующих на окружающую среду в глобальном масштабе, и служат индикаторами глобальных природных изменений, в особенности изменения климата. Как видно из описанного выше общего баланса пресных источников, если лед многолетнемерзлых пород растает, речной сток на территории Арктики вырастет значительно. Повысится денудация континентов и вынос минеральных веществ в океан, океан будет переполняться».

Объектом исследования российских ученых в рамках проекта стали динамика и изотопный состав вод реки Северная Двина.

Как подчеркнул Александр Малов, «для арктических регионов (как видно на Рис. 1) характерен «облегченный» среднегодовой изотопный состав атмосферных осадков, который по нашим данным практически совпадает со среднегодовым изотопным составом реки Северная Двина – крупнейшей реки на северо-западе европейской части России. Ее расход составляет около 1/3 общего речного стока в Баренцево и Белое моря. Для арктических регионов наблюдается линейная зависимость между месячной температурой (t) и изотопным составом кислорода (δ¹⁸O). По данным станций в Северной Атлантике и Европе Юртсевер (1975) сообщил о соотношении: δ¹⁸O = (0,521 ± 0,014) t - (14,96 ± 0,21). Соответственно, в изменении δ¹⁸O наблюдается сезонный эффект. В холодный период года значения δ¹⁸O минимальны, а в теплый период – максимальны. Естественно, и потепление климата будет хорошо отражаться в наблюдаемых значениях изотопного состава речных и атмосферных вод».

Какая методика лежит в основе вашего исследования изотопного состава воды?

«Одним из наиболее эффективных методов оценки генетической структуры потоков воды и химических элементов с континента в Северный Ледовитый океан, а именно влияния климата, многолетней мерзлоты, минерального состава горных пород, почв, растительности и болот, является измерение распределения стабильных изотопов воды в компонентах окружающей среды и речных водах. Изотопные отношения водорода и кислорода – единственные характеристики водных молекул, которые позволяют непосредственно изучать миграцию воды.

В 2014 – 2017 гг. нами было отобрано 32 пробы воды из реки Северная Двина. Стабильные изотопы были измерены в Лаборатории изотопной гидрологии МАГАТЭ в Вене, Австрия. Изотопный анализ водорода и кислорода проводился с помощью внеосевой лазерной спектроскопии с выходным интегрированным резонатором (OAICOS, Los Gatos Research, Mountain View, CA, USA). Образцы были проанализированы в двух экземплярах, причем каждый анализ проводился в разный день и на другом приборе. Анализ отобранных образцов повторяли на масс-спектрометре (Thermo Finnegan Delta Plus, Бремен, Германия). Все анализы изотопов сопоставлялись с внутренними лабораторными стандартами, откалиброванными по первичным эталонным материалам (Венский стандарт средней океанской воды (V-SMOW), V-SMOW2 и Стандарт легких осадков в Антарктике 2 (SLAP2)). Были проанализированы три флакона со стандартами, два для калибровки и один для контроля. Контрольный стандарт имел промежуточный изотопный состав по сравнению с двумя калибровочными стандартами. Типичная точность выражалась как годовая дисперсия стандартов внутреннего контроля, которая была лучше, чем ± 0,08 и ± 0,45 ‰ для δ¹⁸O и δ²H, соответственно.

В этот же период было отобрано 20 проб пресной воды и 12 проб солоноватой воды из скважин, представляющих подземные воды из алевролитов и песчаников водоносных горизонтов Северо-Двинской впадины. Данные 45 проб атмосферных осадков были взяты из базы данных GNIP МАГАТЭ. Они были получены в период 1981-1990 гг. сотрудниками Института водных проблем Академии наук (Москва, Россия). Изотопный состав речных вод обусловлен смешением атмосферных осадков с грунтовыми водами. Их пропорции в речных водах оценивались по уравнениям смешения», – Александр Малов дал детальное пояснение ходу работ и комплексу проведенных действий.

Каковы эволюционные и сезонные значения содержания изотопов в реке и с чем это связано? Есть ли какие-то отклонения от нормы?

«Мы впервые анализируем эволюцию изотопного состава воды в бассейне реки Северная Двина от атмосферных осадков до подземных вод в водоносных горизонтах и речных вод. Сезонный мониторинг позволил количественно оценить роль подземных вод и атмосферного питания в формировании общего речного стока. Вода реки Северная Двина характеризуется относительно невысокой сезонной изотопной амплитудой δ¹⁸О (от -11,8 до -15,7 ‰). Минимальные значения δ¹⁸О в речных водах характерны для периода максимального таяния снегов в мае, а максимальные – с июля по октябрь. С декабря по апрель наблюдаются промежуточные значения.

Сброс подземных и талых вод в реку изменяет изотопный цикл осадков в январе и мае, соответственно. Средние значения δ¹⁸О воды реки Северная Двина и атмосферных осадков в Архангельске использовались для разделения водного потока на три составляющие: (1) базовый поток с δ¹⁸O от -13,2 ‰ до -14,4 ‰; (2) прямые осадки (δ¹⁸O колеблется от -21 ‰ зимой до -7 ‰ летом) и 3) талая вода, которая преобладает преимущественно в течение мая (δ¹⁸O -21 ‰). Относительные пропорции трех компонентов значительно меняются в течение года. Базовый сток, то есть питание в основном за счет подземных вод, составляет около 100% от общего стока в декабре-апреле с типичными значениями δ¹⁸O около -13,8 ‰. В течение июля-октября вклад базового потока падает примерно до 50%. Используя среднее значение δ¹⁸O для пресных и солоноватоводных подземных вод (-13,6 ± 0,3 ‰), мы получаем среднегодовое значение подземного притока в настоящее время как 25% от общего речного стока», – сообщил ученый.

Какая обнаружена взаимосвязь изотопного состава воды с климатическими изменениями?

«Исследования являются первым этапом изучения изотопного состава воды на водосборе реки Северная Двина, но (как показывает Рис. 2В) некоторые климатические отклонения уже можно отметить. В частности, обращает на себя внимание аномальное значение δ¹⁸O речных вод в декабре 2016 г. (-15,142 ‰, против -14-13 ‰ на рис. 2B) по сравнению с другими годами наблюдений. Для объяснения этого факта были построены графики изменения максимальных температур в декабре 2014, 2015 и 2016 гг. по данным метеостанции Архангельск (См. Рис. 3). На графиках показаны точки, соответствующие датам отбора проб речной воды для определения δ¹⁸O. Проба за 2016 год была отобрана 23 декабря, когда температура воздуха составила +2,1 ° C, при этом в течение трех дней, предшествующих отбору, наблюдались температуры +2… + 3 ° C. Следовательно, уменьшение δ¹⁸O в декабре 2016 г. может быть связано с поступлением в реку талой воды. Можно предположить, что будущий изотопный состав воды Северной Двины будет формироваться с учетом увеличения подземного и атмосферного питания зимой», – выразил мнение исследователь ФИЦКИА УрО РАН.

Полученные в ходе реализации проекта с МАГАТЭ результаты, по мнению Александра Малова, «послужат основой для постоянного мониторинга изотопного состава речных вод с оценкой гидрологических процессов и климатических воздействий. Установленные отклонения от нормы в зимний сезон, связанные с пока еще эпизодическими появлениями «облегченных» изотопов в составе речных вод, диктуют целесообразность более тщательного изучения вариаций изотопного состава в этот период совместно с температурным режимом атмосферы».

Кроме того, представленные российской командой сведения пополнили электронную базу изотопов МАГАТЭ. «Мы определяли изотопы кислорода-18 и водорода-2 (дейтерия). В дальнейшем предполагается расширить набор изотопов для мониторинга речных вод. В первую очередь – это изотопы азота, позволяющие идентифицировать антропогенное воздействие», – уточнил ученый.

Уже со следующего года специалистам предстоит продолжить исследовательские работы в этом направлении. Как заметил Малов, «информация о характеристиках изотопно-химического состава осадков, поверхностных и подземных вод будет отражать долговременные изменения в относительном соотношении этих составляющих водного баланса. На основании этих изменений можно будет оценивать интенсивность и направленность климатических и антропогенных изменений, которые вызывают обеспокоенность в последние годы в мировом сообществе».

Почему, на ваш взгляд, ваш проект по мониторингу глобальных изменений климата в очередной раз получил поддержку МАГАТЭ?

«Прежде всего надо сказать о том, что в советское время в СССР было 37 станций по мониторингу изотопов в осадках в России, на которых проводились исследования совместно с МАГАТЭ, а теперь не осталось ни одной. Поэтому сотрудники МАГАТЭ, с которыми я подружился в период выполнения контракта 2014-2018 годов, когда ежегодно ездил в Вену на координационные совещания с докладами, как и остальные участники совместного проекта, сами вышли на меня с предложением поучаствовать в восстановлении хотя бы одной станции прежней сети и продолжить также мониторинг изотопов в речных водах. Кроме того, полученные в ходе выполнения первого контракта результаты показали перспективность текущего мониторинга изотопного состава воды Северная Двина для оценки гидрологических процессов и наблюдением как краткосрочных, так и долгосрочных климатических и антропогенных воздействий.

В связи с этим, МАГАТЭ предложило нам начиная с 2021 года продолжить работы в этом направлении по контракту, предусматривающему выполнение исследовательского проекта «Сеть изотопных данных для осадков и рек в бассейне реки Северная Двина в Российской Федерации», который будет являться частью проекта координированных исследований МАГАТЭ F30056 под названием «Сети изотопных данных для осадков, рек и подземных вод», утвержденному на период с 6 декабря 2016 года по 31 декабря 2026 года. Проектом предусматривается сбор ежемесячных проб атмосферных осадков, речных и подземных вод для анализа стабильных изотопов воды и нитратов и гидрохимического анализа», – резюмирует директор Института геодинамики и геологии ФИЦКИА УрО РАН Александр Малов.

Отечественный опыт в рамках международного проекта демонстрирует развитие многообещающего направления для прогноза изменения динамики и состава рек и прилегающих подземных вод арктического региона в условиях потепления климата.