Мельников И.А.
Морская Арктика от П.П. Ширшова до наших дней
Морская Арктика от П.П. Ширшова до наших дней
Опубликовано: Природа. 2016. №8. С.15–25.
В данной статье изложение исследований морской Арктики, в которой дрейфующие льды играют ключевую роль (они поддерживают климатический баланс между океаном и атмосферой), поделено на два временных раздела: до потепления — время доминирования многолетних льдов (от П.П.Ширшова до конца ХХ в.), и с начала активного таяния льда — время доминирования сезонных льдов (XXI в.). Почему от Ширшова? С мая 1937-го по март 1938 г. он со своими товарищами по дрейфу, И.Д.Папаниным, Е.К.Федоровым и Э.Т.Кренкелем, совершил историческую миссию в Северном Ледовитом океане. Полярники выполнили первую в истории освоения Арктики комплексную научную программу по изучению метеорологии, физики, биологии и геологии этого труднодоступного района Мирового океана. Среди разнообразных научных задач, которые решались в период дрейфа станции «Северный полюс» («СП»), было изучение жизни, развивающейся в водно-ледовой среде в Центральном Арктическом бассейне — районе, постоянно покрытом мощными дрейфующими льдами. Эти исследования вел Ширшов — будущий основатель Института океанологии, носящего его имя.
Исследования до конца XX в.
Петр Петрович ко времени высадки экспедиции «СП-1» на лед уже имел богатый опыт работы в Арктике: на его счету были переходы по Северному морскому пути на пароходах «Сибиряков» и «Челюскин», несколько экспедиций в северные моря, где он собирал и обрабатывал пробы ледовой и планктонной флоры. Специалист в области планктонологии, он кроме своих основных гидробиологических задач на «СП-1» выполнил обширную программу по изучению закономерностей дрейфа льдов, подледных течений, гидрологического режима водных масс, рельефа дна. Так, удалось зарегистрировать целый ряд небольших петель дрейфа льда диаметром 1–2 км, а также противотечения, возникающие на небольшой глубине подо льдом после смены направления дрейфа. Подобное движение льда обеспечивает постоянное обновление подледного слоя воды и способствует обогащению его питательными веществами, необходимыми для жизнедеятельности водорослей. Во время дрейфа отбирались пробы воды и льда для изучения состава и распределения флоры и фауны. Обработка зоологической коллекции показала, что в высоких широтах Арктики, как и в других районах Мирового океана, в зоопланктоне преобладают копеподы. Кроме них в планктоне были обнаружены радиолярии, сифонофоры, остракоды, амфиподы и аппендикулярии. Установлено, что вегетация водорослей в центральной части Арктического бассейна начинается в июле, после того как стаивает снег и через лед проникает достаточное для фотосинтеза количество света. Продолжительность вегетации составляет около одного месяца. Среди водорослей преобладают диатомовые — как планктонные, так и бентосные формы. Полученные на «СП-1» результаты опровергли устойчиво существовавшее в то время мнение об исключительной бедности жизни в Арктическом бассейне [1]Ширшов П. П. Океанологические наблюдения // ДАН СССР. 1938. Т. 19. № 8. С. 569–580.[2]Богоров В. Г. Биологические сезоны Полярного моря // ДАН СССР. 1938. Т. 19. № 8. С. 639–642.[3]Усачев П. И. Биологический анализ льдов // ДАН СССР. 1938. Т. 19. № 8. С. 643–646.
Работу Ширшова на «СП-1» трудно переоценить. Его исследования в Центральном Арктическом бассейне и сегодня служат образцом для любого естествоиспытателя. Трудности быта, сложность ледовой обстановки и постоянные опасности, подстерегающие первопроходцев в Арктике, придали работе Петра Петровича и другую ценность, сделав ее образцом и примером мужества и самоотдачи ученого делу науки. Впоследствии Ширшов сделал чрезвычайно много для развития океанологии в нашей стране. Достаточно упомянуть только имя его детища — Института океанологии АН СССР и имя легендарного научно-исследовательского судна «Витязь». Многое, что успел Петр Петрович осуществить за свою короткую, но яркую и многостороннюю жизнь, навсегда сохранит ему почетное место среди российских океанологов.
Великая Отечественная война на целое десятилетие прервала научные исследования в Арктике. В послевоенные годы работы в Центральном Арктическом бассейне возобновились на дрейфующих станциях «Северный полюс». Научная тематика тех лет была связана в основном с решением гидрометеорологических задач: исследовались состав и структура водных масс глубоководного бассейна, толщина и направление дрейфа льда, взаимодействия в системе вода–лед–атмосфера и др. Проводились измерения глубин океана, в результате которых были открыты хребет Ломоносова и поднятие Менделеева. К сожалению, биологическая тематика на дрейфующих станциях «Северный полюс» отсутствовала вплоть до середины 70-х годов прошлого века, когда мне посчастливилось продолжить работу, начатую Ширшовым.
Исследования начались в мае 1975 г. на дрейфующей станции «СП-22» у Полюса относительной недоступности, а затем продолжились на дрейфующих станциях «СП-23 и -24» до 1981 г. Наблюдения охватывали три годовых цикла, включая и период полярного дня и ночи. Во всех случаях применялся экосистемный подход при изучении состава, структуры и функционирования биологических сообществ. Изучались биогидрохимические характеристики льда и тонкого контактного слоя вода–лед; состав и распределение ледовой флоры и фауны; процессы, определяющие их развитие в толще льда и на его поверхности; видовой и возрастной состав фито- и зоопланктона, их пространственно-временная изменчивость; органические и минеральные компоненты морской воды и льда; состав и количественное распределение бентоса, придонной и пелагической фауны рыб. Важно отметить единство подходов при организации полевых работ и при выборе методов отбора проб и лабораторной обработки собранных материалов, что в конечном счете позволило сравнивать качественные и количественные характеристики получаемых данных. Основные результаты исследований различных компонентов экосистемы пелагиали в Центральном Арктическом бассейне за тот период были обобщены и опубликованы в сборнике, посвященном памяти Петра Петровича [4]Биология Центрального Арктического бассейна / Ред. М. Е. Виноградов, И. А. Мельников. М., 1980.
Арктический дрейфующий лед представляет собой систему, которая реагирует на любые колебания температуры воздуха изменением толщины. Чем ниже температура, тем с большей скоростью идет нарастание, а следовательно, увеличение мощности льда; и наоборот: с повышением температуры скорость ледообразования уменьшается, и постепенно за счет таяния сверху уменьшается его толщина. Такая термодинамическая реакция способствует поддержанию средней равновесной толщины льда в бассейне [5]Зубов Н. Н. Льды Арктики. М., 1945. а также сохранению постоянной температуры поверхностных вод. Это одно из самых характерных свойств льда в Арктике, которое в определенном смысле можно сравнить с ролью кожи у теплокровных животных. Забегая вперед, отметим, что такая реакция льда на поддержание средней равновесной толщины была возможна только в условиях квазистационарного климата, когда потепление в Арктике еще не наблюдалось.
Как для самого льда, так и для пограничного слоя вода–лед характерен постоянный специфический состав флоры и фауны. Несмотря на подвижность и сезонную физико-химическую изменчивость, лед в масштабах бассейна сохраняет постоянство биотопически связанных с ним организмов. В их распределении наблюдается четкая вертикальная зональность. Для ледовой толщи и пограничных поверхностей характерен специфический состав флоры и фауны, развитие которых определяется действием факторов внешней среды. При переходе от снежно-ледяного покрова к нижней (морской) поверхности льда меняется качественный состав организмов. На верхней (снежной) поверхности в период летнего таяния развивается снежная флора, в которой доминирующую роль играют C. nivalis, придающие окраску снегу в зависимости от содержания пигмента, а в слоях, пограничных с морской водой, — диатомовые водоросли, простейшие и беспозвоночные животные.
В верхних частях толщи льда обитают пресноводные водоросли, главным образом рода Chlorella, а в слоях, пограничных с морской водой, — диатомовые. Морская поверхность льда — зона обитания криопелагической флоры и фауны, насчитывающих более 100 видов водорослей и около 50 видов беспозвоночных животных.
Таким образом, в пределах вертикальной структуры льда выявлено два развивающихся независимо друг от друга биологических сообщества: составленное из пресноводных водорослей и из морских, главным образом диатомовых. Стабильность такой системы поддерживается лишь в пределах Центрального Арктического бассейна. После выноса льда за его пределы (например, в Северную Атлантику, где лед тает) все организмы попадают в воду и там включаются в трофические сети локальных биоценозов. Принимая во внимание крупный масштаб этого явления (ежегодный вынос льда в Северную Атлантику составляет 1.25 млн км2), можно предполагать, что тающие льды оказывают большое влияние на биологическую продуктивность бореальных атлантических вод.
Исследования, выполненные в 1975–1981 гг., позволили описать морской лед как целостную экологическую систему Центрального Арктического бассейна, устойчивую в пространстве и во времени [6]Мельников И. А. Экосистема арктического морского льда. М., 1989.
Исследования с начала XXI в.
Так сложилось в моей жизни, что после завершения обработки результатов исследований в Арктике меня увлекла прелестная Антарктика, где я долгое время занимался аналогичной ледовой тематикой. Лишь спустя 15 лет мне удалось вновь вернуться к арктическим дрейфующим льдам. Это случилось в 1997–1998 гг., когда состоялась международная экспедиция SHEBA (Surface Heat Budged in the Arctic Ocean) в море Бофорта, где в течение года мы наблюдали за состоянием физико-химических и биологических компонентов морского дрейфующего льда. С того момента начинаются драматические события, связанные с изменением состава, структуры и функционирования биологических сообществ морского льда вследствие климатических факторов.
Прежде всего, были выявлены заметное сокращение доли многолетних льдов и уменьшение их толщины, распреснение поверхностных вод, контактирующих со льдом, и (вероятно, как следствие) изменения в видовом составе биологических сообществ, населяющих лед. Исчезли нематоды и турбеллярии, обитавшие в толще льда, а также амфиподы в зоне контакта вода–лед, сменился качественный и количественный состав водорослей, особенно пеннатных и центрических диатомей. Последующие наблюдения в экспедициях «Арктика–2000» и ICEX–2003 подтвердили эти факты. Закономерно возник вопрос, локальны ли наблюдаемые изменения в Канадском секторе Северного Ледовитого океана, или они распространяются на весь океан в целом? Несомненно, этот вопрос имел глобальный характер, поскольку данный район с его морским ледовым покровом играет ключевую роль в климатической природе Арктики, и ответ на него следовало искать в кооперации на международном уровне. Так естественно совпало время вопроса с временем проведения Международного полярного года, в рамках которого выполнялись исследования по проекту Панарктической ледовой дрейфующей экспедиции (ПАЛЭКС). В околополюсном районе проводились измерения физических, химических и биологических параметров водной среды и морского льда(*)http://www.paicex.ru/ Этот район выбрали по двум причинам. Во-первых, многолетние морские льды, формирующиеся на акваториях в восточных районах Северного Ледовитого океана (например, в Канадском секторе), попадают в Трансарктический дрейф и выносятся из Центрального Арктического бассейна, главным образом через Северный полюс в пролив Фрама. При организации здесь мезомасштабных наблюдений можно получать данные, характеризующие состояние водно-ледовой экологической системы, которая ранее сформировалась в восточных районах бассейна, откуда лед вынесен Трансарктическим дрейфом к полюсу. Толщина снежного и ледового покровов, их физико-химические характеристики, данные о видовом составе ледовой биоты в целом могут служить индикаторами изменений и рассказать о состоянии экосистемы морского льда и поверхностного слоя воды в условиях современного потепления. Во-вторых, для проведения крупномасштабной (например, гидрофизической) съемки необходимо иметь не одну, а несколько ледовых платформ, на которых можно выполнять многофункциональное океанологическое исследование. Именно использование нескольких платформ дает возможность получать статистически значимую информацию о мезомасштабных процессах в центральных районах Северного Ледовитого океана.
Платформой для исследований послужила дрейфующая ледовая база «Барнео». Ее ежегодно в апреле организовывает в околополюсном районе экспедиционный центр «Полюс» Российского географического общества(*)http://www.barneo.ru/ Полевые работы происходили в четырех ледовых лагерях, находящихся друг от друга на расстоянии 25–30 км. Каждому лагерю присвоили имя одного из выдающихся соотечественников — первопроходцев Арктики. Центральный лагерь назвали «Иваном» — в честь Папанина, восточный — «Евгением» — в честь Федорова, южный лагерь получил имя Ширшова — «Петр», а западному дали имя Кренкеля — «Эрнест». Мобильной группе, проводившей измерения толщины льда, присвоили имя выдающегося норвежского полярника Нансена — «Фритьоф». В каждом стационарном лагере работали научные отряды, выполнявшие синхронные полевые исследования по единой программе.
Что нового и важного удалось выявить в экспедиции ПАЛЭКС (2007–2011) в апреле 2007 года? Было установлено, что:
- средняя толщина льда составила 180 см. Из 147 выполненных измерений льды с толщиной более 2.5 м встречались только три раза. Это указывает на то, что в ледовом покрове Северного Ледовитого океана произошла смена преобладания многолетних льдов сезонными;
- средняя глубина залегания верхней границы атлантических вод стала на 30 м выше по сравнению с климатическими данными, что свидетельствует об увеличенном теплосодержании атлантических вод в приполюсном районе;
- произошло накопление органических хлорофилл-содержащих частиц на границе раздела водных слоев с различной плотностью;
- межвидовое соотношение доминирующих видов зоопланктона сохранилось, но общая численность животных значительно различалась, что может быть связано с пространственной неоднородностью в распределении планктона по глубине.
Исследования, выполненные по проекту ПАЛЭКС, показали, что получаемая информация о физических, химических и биологических характеристиках морского льда и контактирующих водных массах в околополюсном районе важна для оценки состояния системы вода–лед и динамики природных процессов в этом труднодоступном месте Арктики. Однако очевидно, что в условиях изменяющегося климата одного (пусть даже многофункционального) наблюдения для оценки динамики природных процессов недостаточно. Необходимо проводить регулярный мониторинг морского ледового покрова и водных масс в Центральном Арктическом бассейне по единой научной программе, с использованием единых методов полевых наблюдений, сбора и обработки материалов, стандартных синхронных измерений океанологических параметров. Именно такой подход к исследованиям в одном географическом районе и в одно и то же время года может дать надежную информацию о реальном состоянии морского льда и водной среды и быть основой для прогнозирования эволюции этой системы в условиях изменяющегося климата в Арктике.
Такой мониторинг в районе Северного полюса был продолжен. С 2007 по 2011 г. удалось проследить последовательное снижение разнообразия водорослей, обитающих в толще льда, с 63 до 27 видов. Сходство между растительными сообществами очень низкое: 0.17 по индексу Соренсена. Только два вида диатомовых, Fragillariopsis cylindrus и Nitzschia frigida, встречались во всех пробах льда, собранных в этот период.
Фауна беспозвоночных толщи льда исчезла. Самые характерные обитатели, нематоды, ни разу не были обнаружены. Аналогичная ситуация наблюдалась и с фауной, населяющей нижнюю (морскую) поверхность льда: из 12 видов амфипод, постоянных обитателей этой водно-ледовой среды (по наблюдениям в середине 70-х годов прошлого века), в 2007–2011 гг. отмечались только два — Apherusa glacialis и Eusirus holmi. А такой характерный вид, как Gammarus wilkitzkii, встретился только один раз.
В чем причины различий между биологическими сообществами прошлых и современных лет? В условиях стабильного климата многолетний лед представляет собой целостную и устойчивую во времени экологическую систему с постоянным видовым составом флоры и фауны. Устойчивость системы сохраняется за счет среднеравновесной толщины льда, которая поддерживается летним стаиванием сверху и зимним компенсационным нарастанием снизу. Это свойство можно определить как гомеостаз ледяного покрова (способность сохранять свою среднеравновесную толщину). Оно имеет важное экологическое значение и выражается в том, что вертикальная структура населяющих лед биологических сообществ сохраняется в результате действия двух разнонаправленных потоков: движения кристаллической структуры снизу вверх (вследствие термодинамических процессов ледотаяния и ледообразования) и встречного пассивного или активного движения самих организмов сверху вниз. Зимнее нарастание происходит снизу на уже существующий лед, толщина которого после летнего таяния сохраняется на уровне 2 м. Организмы, заселяющие эти растущие снизу слои, находятся в мягких температурных условиях, близких к температуре воды (около –2°С), что способствует их выживанию зимой. Сбалансированная связь районов продуцирования и выноса многолетнего льда из бассейна, особенности циркуляции последнего в совокупности с механизмами, поддерживающими постоянство видового состава организмов в пределах вертикальной кристаллической структуры, в целом определяют стабильность экосистемы многолетнего льда в океане.
Напротив, сезонные льды — зависимая и неустойчивая во времени экосистема, продолжительность существования которой определяется комплексом факторов. Наиболее важный из них — температура. Формирование сезонных льдов начинается на открытой воде при низкой температуре воздуха. Когда образуются первые слои, в ледовую матрицу нижнего растущего слоя механически захватываются планктонные организмы, которые в данный момент находятся в воде. Поскольку качественный и количественный состав водного планктона в осенне-зимний период беден, количество находящихся во льду организмов оказывается невелико. Те же организмы, которые включены в лед, попадают в условия сильного охлаждения. Большая их часть погибает. Вероятно, поэтому весной, в период максимального развития льда, в его толще встречаются единичные клетки водорослей, простейших, фрагменты тел беспозвоночных животных, механически включенные в структуру льда в период зимнего роста.
Таким образом, в современном морском арктическом ледовом покрове сосуществуют две различные по составу и функционированию экосистемы многолетнего и сезонного льда. Поскольку доля первой динамично уменьшается, а доля второй возрастает, то на данном этапе происходит постепенное перестроение в экосистеме пелагиали Северного Ледовитого океана. Если такая динамика сохранится, то можно предположить, что со временем морская Арктика будет приобретать черты морской Антарктики, где сезонные льды преобладают над многолетними [7]Мельников И. А. Современная экосистема арктического морского льда: динамика и прогноз // Докл. РАН. 2008. Т. 423. № 9. С. 1516–1519.
Мобильный полюс
Выполняемый ныне мониторинг у Северного полюса позволяет фиксировать изменения в составе и структуре биологических сообществ районов, где происходит формирование льда, например морей Бофорта, Чукотского и Восточно-Сибирского, откуда лед переносится Трансарктическим дрейфом через Северный полюс в район Северной Атлантики. Это своего рода реплика тех биологических процессов, которые проходили в предыдущий летне-осенний сезон в районах последующего ледообразования в зимний период. Вместе с тем следует отметить, что проведение мониторинга биоты морского льда в пределах одного поля (например, на ледовой базе «Барнео») недостаточно для достоверной оценки ее состояния. Необходимо расширять географию наблюдений для получения дополнительной информации о биоте в околополюсном районе. Так возникла идея проекта «Мобильный полюс», который должен был состояться в апреле 2016 г. [8]Мельников И. А. Проект «Мобильный полюс» // Журнал РГО «Кают-компания». 2016. № 5. С. 26–29.
Для понимания сути проекта можно привести следующую аналогию: вы стоите в метро в центре эскалатора; чтобы остаться в той же точке, нужно постоянно идти вперед навстречу движущейся ленте. Таким образом, чтобы оставаться у географического Северного полюса, нужно постоянно идти к нему навстречу по льду, дрейфующему в любом меридиональном направлении строго на юг. Научная идея проекта состоит в сочетании двух разных методологических подходов к изучению водно-ледовой экологической системы в районе Северного полюса. Первый — традиционный. Он связан с организацией наблюдений на дрейфующей платформе — стационарном ледовом лагере. Второй — мобильный, требующий проведения наблюдений при постоянном движении к одной и той же точке — географическому полюсу. Оба подхода можно сравнить с принципом изучения речной системы: в одном случае исследование водных характеристик можно проводить, сплавляясь на плоту от истока к устью, а во втором — стоять на мосту и изучать проходящую под мостом воду и ее биоту. В нашем случае роль плота должно играть ледовое поле, на котором располагается стационарный дрейфующий лагерь (аналог станций «Северный полюс»), а роль речного моста — виртуальный мост в географической точке полюса, к которому будет постоянно двигаться мобильный отряд. Дрейф стационарного лагеря позволит получать информацию о процессах, проходящих в пределах одного ледового поля. При движении же мобильной группы можно получать дополнительную информацию географического характера, поскольку водно-ледовая среда и ее биота будут постоянно обновляться.
Никогда в моей экспедиционной практике не было таких организационно-технических возможностей для проведения полевых работ, как в этом году по данному проекту. Все выполнялось на отлично: как по логистике (снегоходы, палатки, тепловые печи, питание, связь и др.), так и по научному снаряжению (гидрозонды, планктонные сети, ручные и механические ледобуры, батометры, лебедки и т.д.). Однако, как говорится, мы предполагаем, а Господь располагает. Вмешалась коварная природа Арктики, которая смешала нам все карты. Аэродром на ледовой базе «Барнео», куда мы должны были прилететь со всем своим снаряжением, четырежды ломало, да так, что нашей команде не удалось добраться до намеченной цели. Арктика не изменилась в своей непредсказуемости со временен экспедиции Папанина. Но в наше время есть более совершенные технические возможности для осуществления планируемого предприятия, и я не сомневаюсь, что начинания гидробиолога академика Ширшова будут обязательно продолжены.
Все фото предоставлены автором.
Литература
- Ширшов П. П. Океанологические наблюдения // ДАН СССР. 1938. Т. 19. № 8. С. 569–580.
- Богоров В. Г. Биологические сезоны Полярного моря // ДАН СССР. 1938. Т. 19. № 8. С. 639–642.
- Усачев П. И. Биологический анализ льдов // ДАН СССР. 1938. Т. 19. № 8. С. 643–646.
- Биология Центрального Арктического бассейна / Ред. М. Е. Виноградов, И. А. Мельников. М., 1980.
- Зубов Н. Н. Льды Арктики. М., 1945.
- Мельников И. А. Экосистема арктического морского льда. М., 1989.
- Мельников И. А. Современная экосистема арктического морского льда: динамика и прогноз // Докл. РАН. 2008. Т. 423. № 9. С. 1516–1519.
- Мельников И. А. Проект «Мобильный полюс» // Журнал РГО «Кают-компания». 2016. № 5. С. 26–29.