Куда исчезают воды сибирских рек

На основе данных, собранных учеными и студентами «Плавучего университета», объяснено исчезновение пресного стока Оби и Енисея в Арктике в зимний период, сообщает пресс-служба МФТИ. Оказалось, что две крупнейшие реки России после попадания в океан «растворяются» в водах Карского моря и далекого моря Лаптевых.

В Карское море поступает большое количество пресной воды из крупнейших сибирских рек Оби и Енисея. На долю этих двух рек приходится четверть общего речного стока в Северный Ледовитый океан. Эти воды образуют так называемый речной плюм.

«Плюм — это опресненная водная масса, образующаяся в море в результате перемешивания речного стока и соленых морских вод. Когда река впадает в море, легкие речные воды растекаются по поверхности моря тонким слоем. Крупные реки Обь и Енисей приносят в Арктику значительное количество пресных вод: толщина формируемого плюма достигает 10–15 метров, а площадь — 200–250 тысяч квадратных километров. Это один из крупнейших речных плюмов в Мировом океане», — объясняет Александр Осадчиев, главный автор исследования, ведущий научный сотрудник Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и научный руководитель экспедиции «Плавучий университет ИО РАН — МФТИ».

Формирование и распространение этого плюма в Северном Ледовитом океане влияет на многие процессы, в том числе на ледообразование и ледотаяние, на биологическую продуктивность, на распространение загрязнений. Поэтому исследователям важно понимать, что происходит с плюмом: как он перемешивается с морской водой, с какой скоростью и куда движется.

За последние два десятилетия в теплый и безледный период года в Карском море было проведено множество океанографических съемок, которые обеспечили общее понимание структуры и динамики плюма Оби-Енисея с июля по октябрь. Однако данных, собранных в холодный период с ноября по июнь, когда море покрыто льдом, крайне мало из-за суровых погодных и ледовых условий. При этом те немногочисленные работы, которые были проведены, говорят об отсутствии плюма в Карском море в этот сезон, то есть в течение нескольких месяцев после образования льда весь этот огромный плюм куда-то исчезает.

«Мы предположили, что воды плюма могут либо перемешиваться с нижележащими водами (то есть уходить "вниз"), либо перемещаться подо льдом всем пластом из Карского моря в какое-то другое место (то есть уходить "вбок"). Но тогда возникает вопрос: почему летом с этим плюмом ничего подобного не происходит? Многочисленные предыдущие наблюдения показали, что в теплый сезон плюм Оби-Енисея из года в год находится примерно в одной и той же акватории. Ни такого активного перемешивания, ни интенсивной адвекции всего плюма летом и осенью не происходит», — комментирует руководитель проекта Роман Седаков, старший научный сотрудник Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН.

В этом исследовании команда проанализировала измерения, проведенные в Карском море в конце октября в 2020, 2021 и 2022 годах. Измерения проводились в самом конце безледного сезона. Во всех случаях лед образовался менее чем через неделю после окончания измерений, а в одной из экспедиций — на следующий день после окончания работ. Это позволило впервые изучить структуру плюма Оби-Енисея незадолго до образования льда.

«Экспедиции, чьи данные мы анализировали в этой работе, проводилась на разных научно-исследовательских судах: "Академик Мстислав Келдыш", "Профессор Логачев", "Алексей Марышев". Для измерений в морской воде мы использовали гидрологический зонд. Этот прибор выводится на тросе за борт, опускается в воду и измеряет температуру и соленость воды с частотой до 20 раз в секунду. Опуская прибор от поверхности моря до дна, мы детально фиксируем вертикальную структуру моря с высокой точностью», — рассказывает Дмитрий Фрей, ключевой участник арктических экспедиций, ведущий научный сотрудник Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН.

Карта района исследований в Карском море и расположение гидрографических станций в 2020–2022 годах. Штриховой черной линией показано положение границы плюма Оби-Енисея в периоды экспедиционных исследований. Источник: Frontiers in Marine Science

Анализ полученных данных показал, что в плюме Оби-Енисея перед началом ледообразования происходит интенсивная потеря тепла поверхностным слоем моря, который охлаждается морозным воздухом с суши. Континент к этому моменту уже сильно охладился, на Ямале и Таймыре лежит снег, и воздух с континента начинает резко охлаждать всё еще относительно теплую воду в центральной части Карского моря. Данный процесс приводит к формированию вертикальной конвекции и образованию чрезвычайно резкого скачка солености между плюмом Оби-Енисея и нижележащей морской водой. Таким образом, взаимодействие моря с атмосферой быстро и значительно изменяет вертикальную структуру плюма Оби-Енисея непосредственно перед началом ледообразования, что влияет на его дальнейшее распространение под морским льдом в зимний сезон.

«Главное достижение нашей работы — мы установили механизм, из-за которого так быстро (всего за несколько недель) полностью перестраивается вертикальная структура плюма Оби-Енисея. Этот процесс изначально был зафиксирован прямыми измерениями, после чего нами была создана численная модель, подтвердившая нашу гипотезу и позволившая более детально разобраться в происходящем. Из-за формирования резкого скачка солености между плюмом и морем значительно снижается трение между этими слоями. После этого плюм фактически ничего не удерживает на месте и отправляется в "свободное плавание", уходит из Карского моря», — поясняет Зинаида Забудкина, студентка МФТИ, ключевой участник исследования, которое легло в основу ее выпускной работы в магистратуре.

Научная группа также смогла установить и направление ухода плюма Оби-Енисея. Как оказалось, этот огромный объем пресной воды в течение 2–3 месяцев перемещается подо льдом более чем на 1000 км на восток, в соседнее море Лаптевых. Такое быстрое и далекое перемещение речного плюма должно сильно влиять на экосистему моря: многие живые организмы обитают преимущественно в верхнем слое моря, и для их жизнедеятельности принципиально важна стабильность солености среды обитания. Этому процессу посвящена еще одна статья коллектива авторов, которая продолжает это исследование и в настоящее время проходит рецензирование в одном из ведущих научных журналов.

Данные для работы были собраны во время серии научно-исследовательских экспедиций в Карском море, организованных в 2020–2022 годах Институтом океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Тихоокеанским океанографическим институтом им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Центром морских исследований МГУ им. М. В. Ломоносова, а также Московским физико-техническим институтом в рамках программы «Плавучий университет».

Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Marine Science.