Международный коллектив ученых, куда вошел и сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (Якутск), оценил средний годовой вынос органического углерода водами реки Енисей в Северный Ледовитый океан. Специалисты сделали это с помощью откалиброванной для вечной мерзлоты гидрологической модели. Статья об исследовании опубликована в журнале Water Research.
«Нашей задачей было оценить средний годовой вынос взвешенных наносов, растворенного и взвешенного органического углерода из бассейна Енисея в океан, — уточняет ведущий научный сотрудник ИМЗ СО РАН кандидат географических наук Никита Иванович Тананаев. — Для современного периода, скажем с начала XXI века, таких данных — по всем трем перечисленным параметрам — нет или очень мало». Ученый добавляет, что бассейн Енисея — самый неизученный из крупнейших водосборов Российской Арктики.
 Взвешенные наносы, если говорить по-простому, — это всё, что переносится рекой в толще потока. В основном — частички почвы разных размеров, смытые дождями или ручьями со склонов либо попавшие в поток при размыве берегов и русла.
«Такие наносы могут быть минеральными или органическими; углерод, содержащийся в органической части взвешенных наносов, — как раз взвешенный органический углерод. Растворенный углерод по определению содержится в речной воде, куда попадает с водосбора — площади поверхности, с которой влага стекает в один водоем, — например, при разложении растительного опада (листьев, хвои, коры и так далее),  либо же он вымывается из почвы», — объясняет Никита Тананаев.  
Глобальный круговорот углерода очень важен, так как влияет на климат планеты. К сожалению, реки — наименее изученная часть этого глобального круговорота. Для его исследования необходим продолжительный мониторинг вышеперечисленных параметров, но ни растворенный, ни взвешенный углерод не входят в число основных данных, которые фиксируются наблюдательной сетью Росгидромета.
«Ученым приходится организовывать такой мониторинг самим там, где это в принципе возможно, — говорит Никита Тананаев. — Что касается стока взвешенных наносов, то это показатель не только активности эрозионных процессов на водосборах, но и антропогенного влияния, в первую очередь — если добыча полезных ископаемых ведется при помощи драг, а также один из показателей общего качества воды. Наблюдения за стоком взвешенных наносов также спорадические и производятся нерегулярно и не на всех гидрологических постах».  
Для того чтобы получить необходимые результаты, исследователи использовали модель SWAT (Soil & Water Assessment Tool) — по словам Никиты Тананаева, она хорошо зарекомендовала себя в других регионах. Также эта модель уже была испытана на бассейне Енисея с добавлением необходимых параметров для адаптации к условиям криолитозоны — то есть к тому, что на водосборе реки имеются многолетнемерзлые породы.
«После того, как мы удостоверились в том, что гидрологические процессы модель воспроизводит достаточно точно, переключились на моделирование стока наносов и органического углерода», — отмечает Никита Тананаев.  
SWAT, так же, как и ей подобные, описывает уравнениями различные гидрологические процессы, происходящие на водосборе: снеготаяние, впитывание воды в почву и ее движение по поверхности и в толще земли.
«Для моделирования, если речь идет о большом водосборе, подготавливаются карты растительности, типов почвы, рельефа, а также гидрологической сети, — объясняет ученый. — Большой водосбор затем делится на множество более маленьких, в пределах которых ландшафтные условия (рельеф, растительность, почвы) однородны. Дальше в качестве входных данных в модели используются реальные, полученные в результате наблюдений, климатические переменные: температура воздуха и количество выпавших осадков. Эти метеоданные закладываются в модель, и затем происходит расчет расхода воды в заданном створе — в нашем случае это пост Игарка. Он был выбран, потому что для него есть исторические данные гидрологического мониторинга с суточным временным разрешением, то есть можно сравнить смоделированные значения с реально существовавшими и оценить качество модели. В нашем случае оно для разных лет было разным, но в среднем мы его объективно, с помощью нескольких критериев, оценили как очень хорошее».   
Полевые наблюдения ученые проводили в низовьях Енисея, в городе Игарка, в том числе с 2014 по 2016 год, исследовательской группой на базе Игарской геокриологической лаборатории ИМЗ СО РАН. 
 
Что касается полевых наблюдений, то они включали отбор образцов для определения мутности воды, то есть содержания в ней взвешенных наносов и растворенного органического углерода, количества органического углерода в составе взвеси.
«Чтобы определить мутность воды, мы берем из реки один литр и пропускаем через стекловолоконный фильтр с известным весом, предварительно прокаленный при температуре 450 °С и промытый кислотой, — рассказывает Никита Тананаев. — Высушиваем сутки при 45 °С и взвешиваем. Разница веса пустого фильтра и фильтра с наносами и есть мутность воды. Прошедшая через такое устройство жидкость используется как раз для определения содержания растворенного органического углерода — другие фильтры не годятся, они могут загрязнить образец. Дальше существуют специальные спектроскопические методы, основанные на высокотемпературном сжигании образца, которые позволяют определить содержание органического углерода как во взвеси, так и в жидкой фазе».
Ученый отмечает, что адаптировать модель для условий криолитозоны оказалось сложно, поскольку в ней нет модуля, отвечающего за теплофизические расчеты в почве. Иными словами, нельзя воспроизвести реальные процессы — в частности, промерзание зимой и оттаивание летом. Поэтому в качестве первого приближения мерзлота в SWAT была представлена как водонепроницаемый слой на некоторой неизменной глубине, которая зависит от того, сплошная криолитозона или нет, и ландшафтных условий. Никита Тананаев отмечает, что сейчас его коллеги из Тулузы заняты разработкой такого теплофизического модуля, но он пока не готов.
«В любом случае сначала мы опробовали наш подход, и качество модели оказалось достаточно хорошим, чтобы взяться за моделирование потока наносов и углерода. Для расчета стока наносов SWAT использует модифицированное универсальное уравнение эрозии почв, для расчета органического углерода — набор уравнений, разработанный специалистами из Франции и США», — добавляет исследователь.  
Основной результат, который получили ученые в ходе оценки параметров, а также верификации модели, — это именно цифры. Специалисты сравнили свои результаты с более ранними, опубликованными в литературе, и выяснили, что их оценка выноса растворенного органического углерода в 1,5—2 раза ниже, взвешенного органического углерода — примерно на том же уровне, стока взвешенных наносов — приблизительно на 20—40 % выше.  
«Что касается последнего, то увеличение стока взвешенных наносов в последние годы, по сравнению с периодом до 2000 года, показано нами в другой статье, которая готовится к выходу в журнале “Известия РАН. Серия географическая”, в № 6 за 2019 год. Там использовались иные методы, основанные на множественном регрессионном анализе, но результат получился схожим — в районе 8 млн тонн в год, тогда как по результатам моделирования — 7,54 ± 1,35 млн тонн, — комментирует Никита Тананаев. — Остается установить источники дополнительного поступления наносов в речные воды: более интенсивный размыв берегов, усиление сельскохозяйственной эрозии, деградация криолитозоны или активизация золотодобычи в Северо-Енисейском районе Красноярского края. Изменение такого показателя, как сток наносов, может быть в том числе индикатором целого пласта экологических проблем. Известно, что многие металлы-загрязнители адсорбируются на частицах наносов и в таком виде попадают в организмы водных обитателей и человека, оказывая негативное влияние».  
Кроме того, исследователи выяснили, что в среднем с водосборов, не подстилающихся мерзлотой, сток органического углерода больше, чем с тех, где она есть. Иными словами, при ее потенциальном таянии и отступании к северу южной границы криолитозоны вынос органического углерода может увеличиваться, что потенциально приведет к усилению парниковых эффектов в атмосфере.
 
Подготовила Екатерина Пустолякова

Источники

«Речной» углерод
Наука в Сибири (sbras.info), 05/11/2019
Якутский ученый принял участие в исследовании "речного" углерода
ИА Sakha Life (sakhalife.ru), 05/11/2019
Ученые оценили вынос углерода Енисеем
Индикатор (indicator.ru), 07/11/2019
Ученые оценили вынос углерода Енисеем
Seldon.News (news.myseldon.com), 07/11/2019

Похожие новости

  • 28/08/2019

    Ученые проанализировали возможные последствия таяния вечной мерзлоты

    ​Исследователи из России и США изучили состав глубоких слоев вечной мерзлоты в Восточной Сибири. Ее таяние приведет к высвобождению органического вещества, разложение которого бактериями приведет к усилению парникового эффекта, заключили специалисты.
    287
  • 25/06/2019

    «Группа компаний Синет» и Институт мерзлотоведения СО РАН помогут Якутску избавиться от пыли

    ​24 июня глава города Якутска Сардана Авксентьева, генеральный директор ООО «Группа Компаний Синет» Арсен Томский и директор Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН Михаил Железняк подписали соглашение о взаимодействии по вопросам изучения загрязнения воздуха в столице.
    446
  • 01/02/2018

    Эксперты решают, как спасти уникальные экологические системы Севера

    ​​Вечная мерзлота, которая занимает 65% территории России и порядка 30% территории мира, в XXI веке оказалась под угрозой деградации из-за глобального потепления климата и хозяйственной деятельности человека.
    951
  • 19/07/2019

    Эксперт: два НОЦ необходимо создать в Арктической зоне РФ по нацпроекту «Наука»

    ​НОЦ в Якутии может стать центром разработки новых материалов и технологий.  Большие различия между регионами Восточной и Западной Арктикой России требуют открытия двух отдельных научно-образовательных центров (НОЦ), создаваемых в рамках нацпроекта "Наука".
    518
  • 11/10/2019

    Якутия и СО РАН будут сотрудничать в научно-технической и инновационной сферах

    Республика Саха (Якутия) и Сибирское отделение Российской академии наук объединят усилия для взаимодействия по вопросам научной, научно-технической и инновационной деятельности на территории региона.   Соглашение о сотрудничестве сторон 10 октября подписали Глава Якутии Айсен Николаев и вице-президент Российской академии наук, председатель Сибирского отделения Российской академии наук, академик Валентин Пармон.
    345
  • 15/11/2016

    Климат в Арктике меняется быстрее, чем по всей планете

    Результаты исследования эмиссии углекислого газа в Арктической зоне представил главный научный сотрудник лаборатории Far Eastern Climate Smart lab ДВФУ Лука Белелли Маркезини (Италия) на IX международном симпозиуме «Баланс углерода, воды и энергии и климат бореальных и арктических регионов с акцентом на Восточную Евразию» в Якутске.
    2317
  • 22/03/2017

    Алтайский государственный университет – участник Сибирской сети по изучению изменений окружающей среды

    В начале 2017 года Алтайский государственный университет подписал Соглашение о создании консорциума – Сибирской сети по изучению изменений окружающей среды (SecNET), среди участников которого – 10 ведущих научных и образовательных центров Сибири: Национальный исследовательский Томский государственный университет, Югорский государственный университет, Институт водных и экологических систем СО РАН, Институт биологических систем криолитозоны СО РАН (Якутск), Северо-Восточный федеральный университета им.
    1892
  • 17/12/2019

    Консорциум ученых в Якутии будет создавать технологии прокладки дорог в вечной мерзлоте

    ​Якутские ученые и производственные компании создали консорциум для испытания и выработки новых технологий строительства дорог в зоне вечной мерзлоты. Якутия станет полигоном для введения новых регламентов, которые не обновлялись с начала 2000 годов, сообщил ТАСС директор Института мерзлотоведения Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) Михаил Железняк.
    210
  • 24/06/2019

    Всероссийская конференция «Теплофизика и энергетика Арктических и Субарктических территорий»

    ​С 24 по 27 июня 2019 года в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН проходит Всероссийская научно-практическая конференция «Теплофизика и энергетика Арктических и Субарктических территорий».
    1375
  • 13/03/2019

    Большая вода: как снизить риски половодья в Арктике

    В 2018 году теплая весна в Якутии привела к масштабным паводкам. В этом году власти предусмотрели финансовый резерв на ликвидацию последствий и готовятся к стихии за несколько месяцев. Власти Якутии уже начали подготовку к весеннему половодью, так как толщина льда на реках превышает норму.
    469