рейс № 98«э»,102110 и «Импульс»

7. Морские научные исследования в рейсf[
НИС «Малахит» № 98«э», 102, 110. НИС «Импульс» № 45«б»
(руководитель А.Ф. Сергеев)
7.1. Введение
Научные исследования, выполненные в 98-м и 102-м
рейсах НИС «Малахит»,
проводились в соответствии с программой «Физические процессы и биопродуктивность
Японского моря».
Общая продолжительность исследований составила 10 суток.
Финансировалась экспедиция из госбюджета, грантов ДВО РАН и РФФИ.
7.2. Цели экспедиции
Исследование изменчивости гидролого-гидрохимических и гидродинамических условий в
слабо или не изученных акваториях залива Петра Великого, возникающей под
действием антропогенных и природных факторов.
7.3. Задачи экспедиции
Выполнение гидролого-гидрохимических и батометрических станций в б. Воевода и в
проливах Старка и Токаревском.
Проведение длительных и кратковременных измерений течений и других
океанографических характеристик морской среды в б. Воевода и в проливах Старка и
Токаревском.
7.4. Методы измерений и обработки данных
Все работы выполнялись согласно известным стандартным методам по проведению
океанографических исследований в прибрежной зоне моря. СТД – зондирования
выполнялись от поверхности до дна с определением температуры, солености, глубины,
мутности, содержания растворенного кислорода и хлорофилла “а”.
Отбор проб воды проводился из поверхностного и придонного слоев. В пробах
определялись: соленость, щелочность, кислород, рН, фосфаты, силикаты, нитриты,
нитраты, аммоний, хлорофилл “а”.
Измерения течений выполнялись акустическими измерителями, установленными на дне
на притопленной буйковой станции и на платформах. Акустические измерители течений
были оснащены датчиками температуры, электропроводности, кислорода и мутности
(RDCP 600) или только температуры и электропроводности (Argonaut–XR), что позволило
получить относительно длинные временные ряды океанографических параметров.
Исследования течений проводилось в режиме долговременных измерений с
дискретностью 15 минут и со временем экспозиции измерителей 2-2.5 месяца, что
позволяет выявить временную изменчивость параметров течений в зависимости от
различных
факторов.
Кратковременные
измерения
течений
выполнялись
электромагнитными измерителями течений S4A (Inter Ocean Systems, Inc., США) с
дискретностью 2-5 минут и со временем экспозиции от 0.5 до 14 часов. Измерения
температуры и электропроводности с помощью автономных измерителей SBE- 37 и
«Поток» в придонном слое в проливе Старка проводились с дискретностью 30 мин в
течение 4-х месяцев. Для поиска методом траления и подъема установленных на дне
измерителей последние оснащались растяжками. На притопленной буйковой станции
кроме растяжки был установлен акустический размыкатель.
Гидрохимические анализы воды проводили в береговой лаборатории с использованием
следующих методов и оборудования. Соленость определяли на солемере Guildline
Portasal, модель 8410, калибровку которого проводили с помощью стандартной морской
воды IASPO. Для каждой пробы воды, как правило, проводились 2-3 параллельных
измерения. Максимальная разница между параллельными измерениями составила
0.002‰.Точность измерений в соответствии с паспортными данными прибора составляла
0,003‰.
Щелочность измеряли прямым титрованием в открытой ячейке соляной кислотой (0.02N)
со смешанным индикатором (метиловый красный + метиленовый голубой). Титр
устанавливали по стандартному раствору соды, приготовленному весовым способом с
учетом поправки на вес в вакууме. Титрование осуществляли бюреткой
Brinkman/Dosimate-665. Воспроизводимость титрования составила 0.15%.
Определение кислорода проводилось методом Винклера в модификации Карпентера.
Измерения рН выполняли в день отбора проб при температуре 200.05оС в проточном
сосуде объемом 80 см3. Для измерения рН использовалась ячейка безжидкостного
соединения. Термостатирование проводили с помощью термостата фирмы "VWR
Scientific", модель 1146. ЭДС измеряли с точностью 0.1 мВ рН-метром ЕА-720 фирмы
"Orion", который имеет два высокоомных входа. Ячейка калибровалась в шкале рН
Питцера с помощью буферного раствора TRIS-TRISHCl-NaCl (mTRIS = mTRISHCl = 0.04
моль/кг, mNaCl = 0.3 моль/кг), который был отравлен HgCl2. Калибровка ячейки
проводилась ежедневно. Дрейф стандартной ЭДС измерительной ячейки не превышал 0.2
мВ/сутки. Ошибка измерений составляла не более 0.004 ед. рН.
Определение фосфатов выполнялось по методу Морфи – Райли в модификации Королева
(восстановитель – аскорбиновая кислота). Оптическая плотность измерялась
фотоколориметром КФК – 3 при  = 870 нм относительно кюветы с дистиллированной
водой (Lкюв = 50мм). Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной
морской воды. Основной стандартный раствор готовился по точной навеске
дигидрофосфата калия. Концентрация фосфатов рассчитывалась по уравнению:
[PO43-] = K*(Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг)
(1),
где Dкюв - поправка на прозрачность кюветы, Dрефр - рефракционная поправка, Dреаг поправка на загрязнение реагентов. Относительная ошибка определения фосфатов
составляла 2% при содержании фосфатов ~ 2 мкМ.
Определение силикатов выполнялось "по голубому кремнемолибденовому комплексу" в
модификации Королева (восстановитель – аскорбиновая кислота). Анализ проводился в
полипропиленовых пробирках. Оптическая плотность измерялась фотоколориметром
КФК – 3 при  = 870 нм относительно кюветы с дистиллированной водой (Lкюв = 5мм).
Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной морской воды с низким
содержанием силикатов. Основной стандартный раствор готовился по точной навеске
гексафторосиликата натрия. Концентрация силикатов рассчитывалась по уравнению (2):
[Si] = K1*(Dпробы) +K2*(Dпробы)2
(2),
где Dпробы = (Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг), Dкюв- поправка на прозрачность кюветы,
Dрефр - рефракционная поправка, Dреаг - поправка на загрязнение реагентов.
Относительная ошибка определения силикатов составляла не более 2% при содержании
последних 100 мкМ.
Нитриты определялись по методу Грисса в модификации Бендшнейдера - Робинсона
(раскрашивающие реактивы – сульфаниламид и нафтилэтилендиамин). Оптическая
плотность измерялась фотоколориметром КФК – 2МП с использованием светофильтра с
max = 540 нм относительно кюветы с дистиллированной водой (Lкюв = 20мм).
Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной морской воды. Основной
стандартный раствор готовился по точной навеске нитрита натрия. Концентрация
нитритов рассчитывалась по уравнению (3):
[NO2-] = K*(Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг)
(3),
где Dкюв - поправка на прозрачность кюветы, Dрефр - рефракционная поправка, Dреаг поправка на загрязнение реагентов. Относительная ошибка определения нитритов
составляла 15% при содержании ~ 0.1 мкМ/кг.
Нитраты предварительно восстанавливались до нитритов на кадмиевом редукторе и далее
определялись по методу Грисса в модификации Бендшнейдера – Робинсона. Оптическая
плотность измерялась на фотоколориметре КФК – 2МП с использованием светофильтра с
max = 540 нм относительно кюветы с дистиллированной водой (Lкюв = 5мм).
Калибровочные растворы готовились на фоне поверхностной морской воды. Основной
стандартный раствор готовился по точной навеске нитрата калия. Концентрация нитратов
рассчитывалась по уравнению (4):
[NO3-] = K1*(Dпробы) +K2*(Dпробы)2
(4),
где Dпробы = (Dизм - Dкюв - Dрефр- Dреаг), Dкюв- поправка на прозрачность кюветы,
Dрефр - рефракционная поправка, Dреаг - поправка на загрязнение реагентов. При
восстановлении нитратов использовалась батарея из четырех редукторов. Коэффициенты
K1 и K2 определялись для каждого редуктора. Эффективность восстановления на
кадмиевом редукторе периодически контролировалась, и ее тренд учитывался при расчете
концентрации нитратов. Относительная ошибка определения нитратов составляла 2%
при содержании 20 мкМ.
Аммонийный азот определяли по методу Серджи-Солозано. Метод основан на реакции
аммиака с гипохлоритом и фенолом с образованием синего индофенола.
Хлорофилл “а” определяли следующим образом. Пробы морской воды фильтровались на
воронках с диаметром фильтров 35 мм, размер пор фильтров - 0.4 мкм. Фильтрование
производилось под давлением 1.3 м водного столба. После фильтрации фильтры
хранились в морозильной камере холодильника с последующей их обработкой в
лаборатории. Хлорофилл из фильтров экстрагировали 5 мл 90 % ацетона. В связи с
высокой мутностью морской воды ацетоновые экстракты перед измерением
центрифугировали 5 мин при 5000 об/мин для удаления взвеси. Концентрацию
хлорофилла “а” измеряли спектрофотометрическим методом на спектрофотометре
Shimadzu UV, модели UV-1650 PC. Оптическую плотность экстракта D664 измеряли при
длине волны 664 нм. Концентрацию хлорофилла а, CChl , рассчитывали по упрощенной
формуле:
CChl  11.3  D664  Va / Vsw
(4).
Здесь Va - объем ацетонового экстракта, Vsw - объем отфильтрованной пробы морской
воды. Ошибка метода около 10 %.
Построение пространственно-временных
распределений
океанологических
характеристик, полученных в результате проведенных работ, выполнено с помощью
графической программы Surfer.
7.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика
Для выполнения зондирований использовались СТД-профилографы RBR XR-620 и RBR
XRХ-620 (производитель – RBR, Ltd., Канада) с датчиками температуры,
электропроводности, давления, растворенного кислорода, флуоресценции хлорофилла,
мутности, подводной освещенности (рис. 1а). Данные приборы позволяли проводить
измерения гидрологических и гидрохимических характеристик с интервалом 10-20 см от
поверхности до дна. Параметры профилографа RBR XR-620 и RBR XRХ-620 : диапазон
измерений температуры - от –5 до +35 оС, электропроводности - от 0 до 70 mS/cm,
давления - от 0 до 740 дб, содержания кислорода - от 0 до 20 мл/л, хлорофилла «а» - от
0,02 до 150 мкг/л, мутности- от 0 до 2,000 FTU. Точность измерений температуры,
электропроводности, давления, содержания кислорода, хлорофилла «а» и мутности
составляет соответственно ±0.002оС, ±0.003 mS/cm, ±0.05%, ±1%, <±2% и <±2%.
Измерения течений выполнялись доплеровскими акустическими профилографами
течений RDCP 600 (AANDERAA Instruments, Норвегия) (рис. 1б), а также акустическими
профилографами
Argonaut -XR (SonTek/YSI Inc., США) и электромагнитными
измерителями S4A (Inter Ocean Systems, Inc., США) (рис. 2). RDCP 600 позволяет
измерять скорости течений в диапазоне 0-500 см/с с точностью ±0.5 см/с по горизонтали и
±1.0 см/с по вертикали, а направление с точностью ±4 град. Кроме того, на RDCP 600
установлены датчики давления, температуры, электропроводности, мутности, а также
оптический датчик кислорода.
Притопленная буйковая станция состояла из вертикально расположенного троса,
прикрепленного к донному якорю в нижней части и к притопленному бую в верхней. На
тросе закреплялся измеритель течений. К якорю буйковой станции (или платформе с
измерителями) крепилась растяжка длиной 30-70 м в зависимости от глубин постановок
измерителей течений. Поиск притопленной системы осуществлялся на моторной лодке
тралением «кошкой» или использовался акустический размыкатель. Акустический
размыкатель Benthos 875-A-PUB (Benthos, США) представляет собой пластиковую
цилиндрическую емкость, в которую укладывается фал и вставляется буй с гидрофоном
(рис. 1в). Система включает также пульт управления DS-8750 с излучателем (рис. 1г).
Вес размыкателя на воздухе 11.3 кг, в воде 4.5 кг, длина фала 75 м, рабочая частота 10
кГц, расстояние срабатывания размыкателя до 10 км. После подачи команды с
излучателя и приема сигнала гидрофоном буя, происходит отсоединение буя от цилиндра,
прикрепленного к донному якорю, и всплытие буя с фалом на поверхность, обеспечивая
возможность подъема измерителя течений. Местоположение станций определялось с
помощью спутникового навигатора Garmin GPS map 420s (Garmin International, Inc., USA).
При выполнении экспедиционных работ использовалось также следующее оборудование:
автономные измерители температуры и электропроводности «SBE- 37» (Sea-Berd
Electronics, Inc.), автономные измерители температуры «Поток» (измерительный блок с
датчиком температуры автономного измерителя течений «Поток», КБ ИОАН РАН).
Отбор проб воды проводился 5 л батометрами Нискина.
Рис. 1. Океанографическое оборудование, применявшееся в экспедициях в 2011 г.: а гидрологический СТД-профилограф RBR XRХ-620 (в центре), слева – измерители
температуры «Поток», в нижней части рисунка – измеритель температуры и
электропроводности SBE -37; б – акустический доплеровский измеритель течений RDCP
600; в - акустический размыкатель Benthos 875-A-PUB; г - пульт управления DS- 8750 с
излучателем; д - акустические доплеровские измерители течений Argonaut -XR,
электромагнитный измеритель течений S4A
7.6. Объемы выполненных работ
1. 56 СТД – станций в акватории Амурского и Уссурийского заливов.
2. 36 батометрические станции с отбором проб воды на гидрохимические анализы.
3. Выполнены: постановка и подъем притопленной буйковой гидролого-гидрохимической
измерительной системы, двух донных измерителей течений, донной системы для
регистрации температуры и электропроводности; кратковременные измерения течений на
10 станциях в б. Воевода.
7.7. Предварительные научные результаты
Экспедиционные исследования на НИС «Малахит» в 2011 г. были направлены на
изучение изменчивости гидролого-гидрохимических и гидродинамических условий в
мало изученных районах Амурского и Уссурийского заливов: в б. Воевода, проливах
Токаревском и Старка (рис. 2) для оценки характера и степени воздействия на экосистемы
и разработки подходов для сдерживания их негативного развития. В районе был
продолжен мониторинг состояния морской среды в рамках проблемы образования
крупномасштабной зоны гипоксии, выявленной и исследованной ТОИ ДВО РАН в 20052010 гг. на НИС «Малахит» и НИС «Импульс» [1-7]. Одной из основных причин
разрушения зоны гипоксии является прибрежный апвеллинг, мониторинг которого на
основе донных автономных измерителей и океанографических съемок ведется с 2003 г.
При региональном летне-осеннем апвеллинге
кислородосодержащие, холодные,
глубинные воды открытой части залива Петра Великого поступают в Амурский залив,
трансформируя и вытесняя
воды с аномально низким содержанием кислорода из
придонного слоя, разрушая зону гипоксии.
43.3°
43.2°
43.1°
43°
42.9°
42.8°
42.7°
42.6°
42.5°
130.6°
130.8°
131°
131.2°
131.4°
131.6°
131.8°
132°
132.2°
132.4°
Рис. 2. Расположение района экспедиционных работ на НИС «Малахит» и НИС
«Импульс» в 2011 г
На рис. 3 приведена схема станций в б. Воевода, на которых выполнялись измерения
течений. На рис.4 приведены средние значения солености на станциях, на которых
производились измерения течений. Выявленная изменчивость солености в акватории б.
Воевода в период исследований обусловлена горизонтальной и вертикальной
циркуляцией
вод
при
северных
ветрах
и
пресноводным
стоком.
132.6°
43.01
43.005
4
2
43
8
12
3
Arg 1
1(5)
10
11
9
7 Arg 2
6
42.995
42.99
131.775
131.78
131.785
131.79
131.795
131.8
Рис. 3. Расположение станций в б.Воевода, на которых проводились
измерения течений: кратковременные (ст. 1, 4-10), полусуточные (2, 3, 11, 12)
и многосуточные (ст. Arg1, Arg2)
43.01
43.005
31.8
31.7
43
32.6
32.6
32.5
32.9
32.6
32
31.9
31.9
31.9
42.995
42.99
131.77
131.775
131.78
131.785
131.79
131.795
131.8
Рис. 4. Средняя соленость в поверхностном слое в б. Воевода на
станциях измерений течений
7.8. Заключение
Получен представительный массив гидролого-гидрохимических данных в рамках
исследований сезонной изменчивости экологического состояния акваторий зал. Петра
Великого. Получены длительные (2 мес.) ряды измерения скорости и направления
течений, температуры, солености, кислорода и мутности на станции в Токаревском
проливе, на двух станциях в б. Воевода (2.5 мес) и на станции в проливе Старка (4 мес.).
Получены результаты кратковременных (продолжительностью 0.5 -14 час) измерений
течений на 10 станциях в б. Воевода.
Проводится дальнейшая обработка и анализ полученных материалов для публикаций.
Литература
1. Тищенко П.Я., Звалинский В.И., Лобанов В.Б., Сергеев A.Ф., Колтунов А.М., Михайлик
T.A., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Основные факторы ухудшения экологического
состояния Амурского залива (по результатам наблюдений ТОИ ДВО РАН 2005-2008 гг.) //
«Природа без границ»: Материалы III Международного экологического форума .
Владивосток, 12-13 ноября, 2008 г. – Владивосток: Изд. Дальневост. ун-та. 2009. С.126128. (477 с.)
2. Тищенко П.Я., Сергеев A.Ф., Лобанов В.Б., Звалинский В.И., Колтунов А.М.,
Михайлик T.A., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Гипоксия придонных вод Амурского залива
// Вестник ДВО РАН, 2008. №6. С. 115-125.
3. Лобанов В.Б., Тищенко П.Я., Сергеев A.Ф., Звалинский В.И., Горин И.А., Гуленко Т.А.,
Колтунов А.М., Михайлик T.A., Сагалаев С.Г., Тищенко П.П., Швецова М.Г. Сезонная
гипоксия и вентиляция вод Амурского залива //«Природа без границ»: Материалы IV
Международного экологического форума . Владивосток. 11- 77 октября 2009 г. 4 с.
электр.
4. Сергеев А.Ф., Тищенко П.Я., Лобанов В.Б., Звалинский В.И., Гуленко Т.А., Горин И.И.
О факторах гипоксии в Амурском заливе и о мерах по сдерживанию ее развития. //
Технические проблемы освоения Мирового океана. Материалы третьей Всероссийской
научно-технической конференции. Владивосток. 2009 г. С. 249.
5. Тищенко П.П, Тищенко, П.Я, Звалинский В.И, Сергеев А.Ф. Карбонатная система
Амурского залива. Океанология, 2011, т.51, № 2, с.246-257.
6. Тищенко П.Я, Лобанов В.Б., Звалинский В.И, Сергеев А.Ф., Волкова Т.И., Колтунов
А.М., Михайлик Т.А., Сагалаев С.Г., Тищенко, П.П, Швецова М.Г. Сезонная гипоксия
Амурского залива (Японское море). Известия ТИНРО, 2011, т.161, с.178.
7. Lobanov V.B., Ladychenko S.Y, Sergeev A.F., Tishchenko P.Y., Zvalinsky V.I. Mesoscale
Eddies and Streams Along Primorye Coast in the Northwestern Japan Sea and Their Ecological
Implications// International conference «Fluxes and Structures in Fluids: Physics of
Geospheres». Vladivostok, Russia. September 27-30, 2011. P.117-121.