«Речной» углерод

«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.

 

   Северный Ледовитый океан

 

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».

 

    Енисей

 

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

 

Фото c сайта pixabay.com