Геохимические работы Института океанологии в Антарктиде

Инна Немировская
«Природа» №6, 2020

Об авторе Инна Абрамовна Немировская — доктор геолого-минералогических наук, заведующая аналитической лабораторией Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН. Область научных интересов — природные и антропогенные углеводороды в океане. Неоднократно участвовала в экспедициях в Арктику и Антарктику. Постоянный автор «Природы».

Текущий год — юбилейный. 200 лет назад российские мореплаватели впервые ступили на берег Антарктиды. За 50 лет до этого Дж. Кук заявил: «Люди никогда не смогут пробиться на юг и узнать, что скрывает Южный океан». Однако русская экспедиция прошла южнее полярного круга, и 28 января (по новому стилю) 1820 г. моряки увидели берег Антарктического континента. Это было самое серьезное открытие XIX в.

В Советском Союзе исследования в Антарктиде возобновились во время Международного геофизического года (1955). В результате в центральной части Восточной Антарктиды была создана обсерватория «Мирный» и наметилось открытие еще двух внутриконтинентальных станций: «Восток» (в районе Южного геомагнитного полюса) и «Советская» (в районе Полюса относительной недоступности). Сотрудники Института океанологии имени П. П. Ширшова АН СССР принимали активное участие в первых рейсах дизель-электрохода «Обь» в Антарктиду.

В 1998 г., когда я участвовала в рейсе научно-экспедиционного судна (НЭС) «Академик Федоров» в Арктику (север Баренцева моря), мне в библиотеке попалась книга о Роберте Скотте — человеке, отдавшем свою жизнь на изучение Антарктиды. Всего 11 миль он с остатками отряда не дошел до лагеря с продовольствием, и вся группа погибла. Скотт со своими соратниками оказались вторыми (после Р. Амундсена), кто побывал на Южном полюсе. Тяжелейшие условия Антарктиды и ошибки, которые они допустили при формировании экспедиции, не позволили им первыми покорить Южный полюс. Жизнь Скотта и его подвиг потрясли меня, и, когда появилась возможность побывать на Шестом континенте, я собрала команду и мы стали членами сезонного отряда Российской антарктической экспедиции (РАЭ) от Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН (ИО РАН).

В 2000-х годах под руководством академика А. П. Лисицына в Антарктиду были организованы экспедиции ИО РАН совместно с Институтом Арктики и Антарктики — сначала на НЭС «Академик Федоров», а потом на НЭС «Академик Трешников».

В первый раз я оказалась в Антарктиде в апреле 2001 г., когда в Южном полушарии стояла осень. Антарктида показалась мне страшным местом, где господствует холод с сильными ветрами. Не спасали и забавные пингвины, и то, что мы находились не на самом материке, а на НЭС «Академик Федоров» — судне финской постройки с множеством удобств и с хорошим питанием. Но через год после возвращения в Москву меня снова потянуло в Антарктиду, и с тех пор почти каждые два года мы принимали участие в геохимических работах, расширяя и углубляя их.

Геохимические исследования на Шестом континенте

С 50-х годов прошлого века внимание океанологов привлекло изучение взвешенных в морской воде частиц органического и неорганического происхождения [1]. Идеи о тесном взаимодействии в природе живого и неживого вещества еще в начале ХХ в. высказывал В. И. Вернадский, который считал, что «живые организмы... являются огромной геологической силой» [2]. Исследования по биогеохимии океана показали, что процессы седиментации действительно определяются работой биоса, прежде всего биофильтраторами (планктонными и донными). В верхнем деятельном слое Мирового океана ежегодно возникает около 110 млрд т взвеси, что во много раз превышает ее поступление с континентов. Концепция «живого океана» — одно из важнейших открытий в океанологии ХХ в. [1]. В 1 л океанской воды содержится примерно 5–6 млн биогенных и терригенных частиц. Все они объединяются понятием «морская взвесь». В океанологии взвесью принято считать частицы различного происхождения размером от 0,5 мкм до 1 мм, пассивно взвешенные в морской воде. В Южном океане они практически не изучались.

Большое значение для понимания процессов современного осадконакопления имеет изучение рассеянного осадочного биоминерального вещества. Основная цель наших геохимических работ в Южном океане состоит в изучении взвеси (микро- и наночастиц в водной толще), а в ее составе — органических соединений (взвешенного органического углерода, хлорофилла а, углеводородов, липидов и др.). Такие исследования традиционно проводятся по маршруту судна [3], поскольку в поверхностных водах эоловый материал смешивается с водной взвесью и включается в вертикальные и горизонтальные потоки. Другими словами, по пути движения судна происходит взаимодействие четырех сфер: атмосферы, гидросферы, биосферы и криосферы. Геохимическая барьерная зона атмосфера — вода — одна из важнейших областей океанической седиментационной системы.

Кроме того, в Антарктиде мы проводили исследования припайных льдов и снежно-ледяного покрова, а также почв, мхов и лишайников. Их изучение помогает определить влияние деятельности антарктических станций на экологическую обстановку примыкающих к ним районов (рис. 1).

Ранее считалась, что удаленность Антарктиды от промышленных центров позволяет изучать фоновые характеристики различных соединений [4]. Однако сейчас прибрежные районы Антарктического континента уже не могут считаться экологически чистыми. Деятельность научных станций, развитие туризма и активное использование транспорта приводят к их загрязнению, в том числе органическими соединениями (в основном нефтепродуктами) [5, 6]. Перегрузка и потребление топлива стали штатными ситуациями в Антарктиде. С ними связана вся жизнь на континенте.

Ныне там действуют около 60 полярных станций и баз различных стран; российских из них восемь: пять круглогодичных и три сезонных. Численность временного населения в Антарктиде колеблется от 1 тыс. человек зимой до 4 тыс. летом. Так, на станции «Мак-Мёрдо» сейчас постоянно проживает 1300 чел. [7]. Этот крупнейший порт, транспортный узел и исследовательский центр принадлежит США, но обслуживает он и станции других государств. На «Мак-Мёрдо» находятся три аэродрома, место для посадки вертолетов и более 100 строений. При смене состава и оборудования антарктических станций здесь уже не раз происходили аварийные разливы нефтепродуктов, попадающих на припайные льды и в прибрежные воды [5]. В связи с гидрофобными свойствами углеводородов они легко сорбируются взвесями и переходят в осадки и почвы.

Наши исследования по маршруту судна

В Южном океане гидрологическая структура поверхностных вод имеет ярко выраженный фронтальный характер [8]. Фронты представляют собой сложную систему взаимодействующих друг с другом вихревых образований, областей конвергенций и дивергенций. Из-за этого при распределении в поверхностных водах различных органических соединений и взвеси наблюдались их минимумы и максимумы (рис. 2). В частности, в 2014 г. в Южном океане было выполнено два субмеридиональных разреза: в марте — от Кейптауна до ледового барьера моря Лазарева и в апреле-мае — от залива Прюдс до Кейптауна. Близкое распределение основных изучаемых компонентов стало причиной того, что рис. 2, б оказался практически зеркальным отражением рис. 2, а. Однако при изменении сезона работ концентрации всех соединений уменьшились. В основном это связано с переходом весеннего фитопланктонного сообщества к летнему.

Вблизи залива Прюдс наблюдались скачкообразное увеличение солености и рост концентрации взвеси и хлорофилла а (см. рис. 1, 2). Здесь сформирована область циклонического круговорота с сильно трансформированной глубинной водной массой. Проникновению этих вод в залив способствует профиль дна: при средней глубине шельфового склона 500 м в центре проходит глубоководный (700–800 м) желоб. По нему глубинные воды поднимаются к поверхности, что приводит к уменьшению толщины льда или вовсе препятствует замерзанию полыней. Под действием солнечного света бурно развивается криофильный фитопланктон — различные виды диатомовых водорослей. Это, в свою очередь, приводит к образованию высоких концентраций хлорофилла а. Залив Прюдс — наиболее богатая жизнью акватория. Здесь в бухтах много пингвинов, китов и других животных.

В 2019 г. мы работали к югу от 60° ю. ш. (64-я РАЭ), на разрезе вдоль побережья (рис. 3, 4). Антарктида закрыта ледовым щитом и собственных аэрозолей практически не дает [1]. В ледовой зоне там зафиксировано низкое количество аэрозольных частиц. Однако в прибрежных водах, где на холмах отсутствует снег, количество частиц в атмосфере возрастает. В частности, при приближении к станции «Беллинсгаузен» количество частиц размером 0,3–1 мкм увеличивалось более чем в 27 раз (до 21 519 частиц/л). Кроме того, при сильном ветре происходит выдувание пены и частиц с морской поверхности, что увеличивает их общее количество в атмосфере (см. рис. 4, а).

Концентрации взвеси и хлорофилла а в поверхностных водах резко меняются, что связано не только со сменой гидрологических условий. При подходе к берегам Антарктиды, как правило, наблюдается понижение температуры воды, вызванное стоковыми ветрами, которые дуют почти с постоянной скоростью с материка в сторону океана, поставляя аэрозоли.

Ветровое воздействие приводит к сгону поверхностной воды от кромки припайного льда в открытое море и к подъему глубинных вод, обогащенных биогенными элементами. Но из-за быстрого обмена вод фитопланктонное сообщество не успевает развиться, что обусловливает низкие концентрации изучаемых органических соединений (см. рис. 4, б).

При появлении полей битого льда содержание органических соединений во взвеси поверхностных вод возрастало, поскольку с подошвы разрушившихся льдин смывались колонии криофильных микроводорослей.

Припайный снежно-ледяной покров

Строение снежно-ледяного покрова Антарктики отличается от покрова Арктического бассейна, так как его формирование происходит в других гидрометеорологических условиях. В прибрежных районах Антарктиды снег обычно загрязняется морскими солями, поступающими из океанических вод [9], и в меньшей степени — специфической антарктической флорой и микроорганизмами. В снеге, собранном на припайном льду залива Прюдс, содержание углеводородов было ниже чувствительности метода их определения (3 мкг/л в растворенной и 1 мкг/л во взвешенной формах) и ниже, чем в Северном Ледовитом океане на поднятии Менделеева — полюсе недоступности Северного полушария [3]. В связи с этим углеводороды, несмотря на их малую растворимость, находились в снеге в основном в растворенной форме. Однако после сильного снегопада на припайном льду в районе обсерватории «Мирный» содержание углеводородов в снеге возросло и превысило концентрации в поверхностных водах. Количество переносимого снега при скорости ветра 12–15 м/с здесь может составлять около 800 кг на погонный метр в час [9].

Основная часть морских антарктических льдов, в отличие от паковых (многолетних) арктических, формируется сезонно. Снос в океан большого количества снега, который при низких температурах воздуха не тает, приводит к образованию на поверхности моря слоя снежуры (кашеобразной массы, возникающей при выпадении снега на холодную поверхность воды) толщиной до нескольких десятков сантиметров. Снежура, накапливаясь на поверхности моря, смерзается и превращается в молодой лед — скопление равноосных кристаллов с каплями и карманами рассола между ними. Первые кристаллы льда образуются на открытой поверхности воды при температуре до −1,8°С. Они придают воде маслянистый вид, из-за чего такой лед называется «сало». Затем формируется блинчатый лед, потом шуга (пористые кристаллы) либо нилас (тонкая, эластичная корка льда) — в зависимости от того, есть волнение на поверхности моря или его нет.

По сравнению с многолетними арктическими льдами сезонные морские припайные льды более тонкие. Когда на их поверхность выпадает мощный снежный покров, лед под тяжестью снега погружается в воду. Верхний, снежный слой пропитывается морской водой (соленость снега 28–30 епс) и заселяется морскими планктонными организмами — диатомеями. Образование верхнего слоя с повышенной биомассой водорослей — характерное явление для Антарктиды. Такой лед называется инфильтрационным [10]. При потеплении диатомеи начинают активно размножаться, создавая скопления, по численности и биомассе в десятки раз превышающие их скопления в воде подо льдом. В результате во льду наблюдался резкий рост концентрации хлорофилла а и количества взвеси (6,65 мкг/л и 3,12 мг/л соответственно во льду бухты Нелла залива Прюдс), чему, скорее всего, способствовал и захват фитопланктона льдом.

При низких температурах воздуха и воды таяние припайного льда не происходит, он смерзается и превращается в молодой лед, который в период ветрового затишья покрывает всю прибрежную часть моря (рис. 5, а). На границе лед — вода образуются диатомовые водоросли, которые обычно придают подошве льда бурый цвет (рис. 5, б). Данный процесс происходит как за счет механического их концентрирования, так и за счет фотосинтеза водорослей внутри льда [3, 10]. Во время работ мы смогли отобрать все формы льда — от снежуры до кернов длиной 30–320 см.

К началу осеннего замерзания невзломанный припай представляет собой рыхлую губчатую массу старого льда, степень разрушения которого уменьшается к нижней поверхности. Все пустоты и ячейки льда заполняются водой. Толщина льда, топография и морфологические особенности рельефа подледной поверхности, а также подледные течения служат основными факторами, регулирующими поведение, питание и распространение организмов во льду [10], что в итоге обусловливает и распределение органических соединений.

В 2012 г. в бухте Ленинградской моря Лазарева мы отобрали уникальный керн, длина которого достигала 3,2 м. Команда НЭС «Академик Федоров» скептически отнеслась к нашей высадке на припай, считая, что мы не сможем даже добуриться до льда, покрытого примерно полутораметровым слоем плотного фирна. Перед бурением нам пришлось снять фирн и вырыть шурф размером 1,5×1,5 м и глубиной около 1,2 м (рис. 6, 7). С подветренной стороны были сделаны ступени для спуска на площадку для бурения. Сразу после расчистки площадки поверхность льда начала заполняться водой. Верхний (0–30 см) слой керна оказался чрезвычайно хрупким, и он сам откололся при бурении. Соленость воды в нем была высокой — 23,28 епс (рис. 8). Припайные антарктические льды отличаются неоднородным строением, и, как следствие, в их толще концентрации различных соединений изменяются от слоя к слою. В поверхностном слое льда наблюдалось минимальное (0,32 мг/л) содержание взвеси. Полупрозрачный, местами матовый лед горизонтов 30–80, 80–130 и 130–180 см имел слоистую структуру с включениями сферических пузырьков воздуха размером 0,5–1,0 мм. В этих слоях содержание взвеси оказалось в 4,5 раза выше. Это обусловлено резким возрастанием взвеси биогенного происхождения, о чем свидетельствует практически десятикратное увеличение содержания хлорофилла а — от 0,19 в слое 0–30 см до 1,87 мкг/л (среднее) в слое 30–180 см.

Структура горизонтов 180–230 и 230–280 см визуально не отличалась от структур верхних слоев льда. Однако в этих горизонтах явно ощущался запах сероводорода. К слою 230–280 см концентрации взвеси и органических соединений в ней повысились. Наличие сильного запаха сероводорода свидетельствовало о разложении органического вещества (ОВ) льда, которое происходило в бескислородной среде, в восстановленных условиях. Этот феномен был установлен нами, можно сказать, впервые и только в этом льду [11]. При этом в осадке, образовавшемся после растапливания слоя льда 230–280 см, концентрация хлорофилла а достигала 168 мкг/л, а доля феофитина а (первичного продукта разложения хлорофилла а) — 38%. В восстановленных условиях под толщей фирна и льда активные процессы фотосинтеза практически невозможны. Сероводородное заражение развивалось настолько быстро, что не успело произойти разложение хлорофилла а. Очевидно, в восстановительной среде и при низких температурах он способен сохраняться сравнительно длительное время. Бескислородная среда стала критическим фактором, влияющим на его сохранность.

Видимо, в дальнейшем лед нарастал снизу, так как на горизонте 280–320 см концентрации всех изучаемых соединений снизились. Здесь также отмечался запах сероводорода. Содержание хлорофилла а в этом слое уменьшилось до 1,4 мкг/л, но содержание феофитина а возросло до 47%, что указывает на значительное преобразование хлорофилла а. Визуально здесь наблюдалось значительно меньшее количество микроводорослей. После растапливания льда в воде были обнаружены желетелые организмы (скорее всего, медузы) диаметром 8–12 мм, которые, по всей вероятности, заполняли промежутки между пластинами и солевыми каналами в нижней части керна. В этом районе в толще льда отсутствовала корреляция между распределением взвеси и хлорофилла а (коэффициент корреляции r = 0,14). Значения r между взвесью, хлорофиллом а и органическим углеродом (С_орг) во взвеси изменялись в интервале 0,51–0,60 и были ниже, чем в кернах льда, имеющих меньшую длину и отобранных в других районах [11]. Например, в заливе Прюдс при длине керна 1,5 м содержания взвеси, хлорофилла а и С_орг в нижнем слое льда составили 16,7, 33,284 и 874,4 мкг/л соответственно, т.е. они были довольно высокими, и при этом r = 0,75–0,88.

Материковые снег, лед, почвы, мхи и лишайники

На материке Антарктиды в снеге концентрации органических соединений и взвеси в районах, удаленных от станций, сохранялись низкими. Метеорологические условия на Антарктическом ледовом щите таковы, что внутренние районы хорошо защищены от морских аэрозолей и континентальной пыли, образующейся при разрушении горных пород [12]. Однако их концентрации увеличивались по мере приближения к станциям, особенно при отсутствии снежного покрова на окружающих холмах. Полученные данные показали, что содержание углеводородов в снежном покрове морских акваторий, прилегающих к районам действующих и законсервированных станций (в частности, к сезонной станции «Молодежная»), не превышало 22 мкг/л, а количество взвеси составляло 0,09–0,32 мкг/л. При отсутствии же на почвах снега концентрации углеводородов повышались до 56 мкг/л, а максимальная в 2019 г. была установлена на станции «Беллинсгаузен» — 195 мкг/л [3].

В районе ледового барьера (склон материкового ледникового щита) моря Лазарева в рыхлом фирнизированном мелкозернистом снеге содержание органических соединений оказалось еще ниже. Концентрации углеводородов в 2008 г. составили всего 3–4 мкг/л [13]. Эти значения можно использовать в качестве фоновых. В 2001 г. в районе ледового барьера концентрация углеводородов в фирне (во взвеси) достигала 84 мкг/л, что было обусловлено интенсивной хозяйственной деятельностью и поступлением углеводородов при перегрузке топлива с НЭС «Академик Федоров» на материк с помощью грузового наземного и воздушного транспорта.

В озерах близ станции «Новолазаревская» рост концентраций углеводородов во взвеси из снега определялся их близостью к дизельной электростанции, а также к оазису Ширмахера. В 2001 г. в снеге оз. Верхнего также отмечались высокие концентрации углеводородов в растворенной и взвешенной формах (102 и 222 мкг/л соответственно). При этом увеличилась доля углеводородов в составе липидов, что характерно для районов, загрязненных нефтью [13]. Мы предположили, что высокие концентрации углеводородов (до 2000 мкг/л при фоновых концентрациях 10–20 мкг/л) обусловлены деятельностью станции: загрязнение нефтепродуктами обнаруживалось и в отдельных пробах почвы. Кроме того, снег на льду этого озера имел более низкие значения pH (4,95–4,97) по сравнению со снегом других озер, где значения pH изменялись в пределах 5,03–8,04. На ионы водорода приходится 38% ионного состава антарктического снега, и снеговая вода Антарктиды может рассматриваться как очень слабый раствор естественных кислот (в основном H₂SO₄ и HNO₃), содержащий малые количества нейтральных солей [9]. Уменьшение значений pH в населенных районах может служить показателем их загрязненности («кислые дожди» имеют pH = 4,0–4,5). Однако в составе алканов снега оз. Верхнего доминировали природные биогенные соединения, а роль терригенных гомологов сводилась к минимуму, что подтверждало их природное образование.

Континентальные озера, несмотря на свою низкую биологическую продуктивность, представляют собой очаги жизни [12]. Так, в оз. Верхнем обнаружены водоросли, наличие которых вместе со взвесью способствовало образованию органических соединений, в том числе и углеводородов. Тем не менее количество углеводородов зависело не только от концентрации взвеси (синфазного изменения их концентраций не происходило). Например, в 2012 г. максимальная (360 мкг/л) концентрация углеводородов установлена в снеге оз. Верхнего при содержании взвеси всего 0,78 мг/л. Напротив, в снеге оз. Станционного при содержании взвеси 4,15 мг/л концентрация углеводородов составила лишь 22 мкг/л.

Между станцией «Прогресс» и китайской станцией «Зонгшан» расположено оз. Степпед, где мы проводили многолетние исследования. От года к году здесь наблюдалась значительная межгодовая изменчивость в концентрациях всех изучаемых соединений. В 2008 г. лед озера имел характерный желтый цвет (рис. 9) и в нем отмечались довольно высокие (35–82 мкг/л) концентрации алифатических углеводородов. Подледная вода, насыщенная микроводорослями, была похожа на суп и обладала характерным запахом сероводорда. Все это косвенно указывало на эвтрофикацию вод — как мы решили, из-за поступления бытовых стоков с окружающих станций. Видимо, с этим связаны и дефицит растворенного в воде кислорода, и появление сероводородного заражения. Состав полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в верхнем слое льда указывал на влияние пирогенных поступлений.

Однако в 2010 г. концентрация всех изучаемых органических соединений во льду и в воде оз. Степпед резко снизилась. В подледной воде содержание углеводородов (4–7 мкг/л) оказалось на грани чувствительности метода определения, что совпадало с данными 2001 и 2003 гг. В тот период отсутствовал запах сероводорода в воде, и в ней отмечались лишь единичные микроводоросли. Таким образом, к 2010 г., несмотря на низкие температуры, экосистема озера восстановилась.

В марте 2012 г. лед оз. Степпед имел бело-серый цвет и содержал большое количество пузырьков воздуха, что косвенно указывало на рост льда как сверху, так и снизу. Содержание хлорофилла а во льду (1,22 мкг/л) и в подледной воде (0,60 мкг/л) озера оказалось довольно высоким, что свидетельствовало о значительной первичной продукции водоема. Концентрации взвеси во льду и в снеге составляли 0,67 и 0,72 мкг/л соответственно. В ледовой взвеси и в подледной воде преобладали биогенные (фитопланктоногенные) частицы. При этом концентрация хлорофилла а в подледной воде была низкой.

В 2012 и 2014 гг. удалось отобрать пробы донных осадков из оз. Степпед, которые представляли собой органогенный ил, состоящий из детрита (с включениями фрагментов водорослей) черного цвета с характерным запахом сероводорода. Несмотря на высокие концентрации органических соединений в осадках, доля алифатических углеводородов в составе С_орг оставалась низкой, что указывало на их природный источник.

Озеро Степпед образовано благодаря таянию ледников и заплеску соленых вод во время шторма. Это так называемое эпишельфовое озеро. Поступление морских вод способствовало восстановлению его экосистемы. Подобное явление характерно для многих озер, имеющих временную связь с морем. (Например, влияние морских вод на состояние экосистемы прослеживается для отделяющихся озер Белого моря в районе Кандалакшского залива.) При отсутствии морских вод в водоеме образуется двухслойная структура: верхний слой — распресненный, нижний — более соленый и с пониженным содержанием кислорода. При незначительной глубине водоем превращается в пресное озеро со следами осолонения воды в ямках, где накапливается сероводород. По данным 2014 г., соленость воды в оз. Степпед не превышала 1,5 епс. Согласно гидрохимическим исследованиям, здесь наблюдалась очень высокая (28,7 мкМ) концентрация аммонийного азота — восстановленной формы азота, которая образуется при разложении ОВ в морских водах^*. Поэтому эвтрофикация вод озера обусловлена как антропогенной нагрузкой, так и интенсивностью затоков морской воды.

Необычное распределение взвеси и органических соединений установлено в снежно-ледяном покрове оз. Китеж на станции «Беллинсгаузен». Снег там содержал много взвеси минерального происхождения (благодаря выветриванию почв, не защищенных снегом), из-за этого и содержание хлорофилла а оставалось низким. Максимальное количество взвеси установлено в шуге, которая аккумулировала ее частицы при замерзании. Подледная вода отличалась значительными концентрациями всех изучаемых органических соединений, что указывало на высокую интенсивность биологических процессов, протекающих в озере в период открытой воды.

Почвы Антарктиды представляют собой выветренные породы. На станции «Новолазаревская» наиболее высокие концентрации (2336–2463 мкг/г) углеводородов были установлены вблизи дизельной электростанции, и по сравнению с фоновыми значениями они увеличились в 250 раз, а содержание С_орг возросло в 20 раз (с 0,01 до 0,21%). Органическое вещество практически полностью состояло из углеводородов. Тем не менее в последние годы их концентрация в почвах в районе дизельной электростанции снизилась до 80 мкг/г [1]. На берегах озер, удаленных от станции, в почвах фиксировалось более низкое (14–79 мкг/г) содержание углеводородов. Их доля в составе С_орг не превышала 0,8%, т.е. была ниже, чем в районах, загрязненных нефтью [13]. В почвах вблизи дизельной электростанции по сравнению с фоном (25 нг/г) также возрастали (в 5–100 раз) концентрации ПАУ. При этом в их составе увеличилась (до 10–12%) доля нафталинов, маркирующих нефтяное загрязнение, однако большая часть приходилась на природные полиарены (фенантрен и хризен) — 62–64%.

Примечательно, что в почвах сезонной станции «Дружная» отмечались более низкие концентрации углеводородов (рис. 10). На «Дружной» углеводороды аккумулировались в компосте и в цианобактериях (452 и 962 мкг/г соответственно), из которых состоял осадок оз. Базового, т.е. присутствие углеводородов здесь обусловлено природными источниками, и их доля весьма незначительна (0,36–0,64%) [13]. Почвы вокруг станции «Беллинсгаузен» (рис. 11) относятся к низкоантарктической тундропустоши [14]. Согласно полученным данным, в 2019 г. только в одной пробе почвы на станции «Беллинсгаузен» содержание углеводородов достигало 50 мкг/г (рис. 12, а). Однако в пяти из девяти проб их доля в составе С_орг превышала 1%, что указывает на загрязнение нефтяными углеводородами. Содержание ПАУ в пробах почв здесь соответствует фоновому (20–25 нг/г). Однако в их составе, наряду с доминированием фенантрена и хризена, наблюдалась повышенная доля нафталина и метилнафталина (рис. 12, б). Последнее может быть обусловлено влиянием локальных загрязнений от станции. Ничтожное количество органических веществ, образующихся в результате жизнедеятельности мхов, лишайников и водорослей в условиях низких температур и малого количества влаги, разлагается крайне медленно. Это ОВ составляет верхний, гумусированный, горизонт почв [14].

В почвах зарубежных антарктических станций концентрация углеводородов также резко увеличивалась (от 0 до 59 тыс. мкг/г) в районах хранения и перегрузки топлива, с максимумом на станции «Касей» (Земля Вилкиса) [6]. На станции «Мак-Мёрдо» 58% изученных проб содержало до 100 мкг/г углеводородов, а на периферии станции их концентрация не превышала 15 мкг/г [5].

Лишайники, не имея корневой системы, питаются исключительно за счет веществ, поступающих из атмосферы, и содержание органических соединений в них значительно выше, чем в почвах. Рост содержания органических соединений отмечался и во мхах, а также в пробах щучки антарктической (высшее сосудистое растение Deshampsia antarctica) (см. рис. 12, а). Несмотря на то что в пересчете на сухой вес содержание углеводородов во мхах и лишайниках значительно больше, чем в почвах, доля их в составе С_орг в почвах выше (до 6,3%). Очевидно, во мхах и лишайниках при концентрациях С_орг = 15,5–26,9% углеводороды аккумулируются в меньшей степени по сравнению с другими органическими соединениями.

В суровых условиях Антарктиды лишайники характеризуются биологической активностью, обеспечивающей нормальное протекание жизненных процессов, которые приводят к образованию и накоплению химических веществ [12, 14]. Особенно это характерно для мест поселения пингвинов. В мелкоземе подо мхами и на старых пингвиньих базарах, состоящих преимущественно из минерального грубого материала, количество гумуса колеблется в пределах 0,4–0,8% [14]. Как показали данные, полученные ранее в районе поселения пингвинов на берегу эпишельфового оз. Хасуэлл (о. Хасуэлл, море Дейвиса), содержание углеводородов в почве (12 мкг/г) и мхах (197 мкг/г) было высоким. Из-за массовой колонизации острова пингвинами, в условиях постоянного привноса ОВ (около 100 т/год), растительный покров развивается относительно интенсивно и, безусловно, влияет на строение и свойства подстилающих пород, элювия и мелкозема [14]. Здесь, как и следовало ожидать, наблюдалась особенно большая биологическая активность в мелкоземе, удобренном пометом птиц и пронизанном цианобактериями или покрытом чешуйками богатой азотом зеленой водоросли празиолы. Содержание С_орг под подушками лишайников на о. Хасуэлл достигало 14,5%, а в самих мхах — 24% [14]. Для сравнения: в районе станции «Новолазаревская» в почвах берегов озер концентрация С_орг в среднем составляла всего 0,02%. Биологическая активность и почвообразовательные процессы распространены только на незначительных участках о. Хасуэлл. Большая часть поверхности мелкозема — грунт (а не почва), который не характеризуется биологической активностью [14].

***

Таким образом, наши почти двадцатилетние исследования Южного океана показали, что практически на всей акватории переход фитопланктонного сообщества от позднелетнего состояния к осеннему сопровождался уменьшением концентраций взвеси и органических соединений в поверхностных водах. Гидрологические фронты служат границами биогеохимических зон, для которых характерен различный сезонный ход основных биопродукционных параметров, в том числе концентраций хлорофилла а, липидов и углеводородов. Синфазное изменение концентраций взвеси и хлорофилла а в поверхностных водах Южного океана говорит о преобладании во взвеси автохтонных биогенных компонентов.

Изменение температуры воды и развитие фитопланктона при формировании ледового покрова приводят к заметному росту концентраций взвеси и хлорофилла а и в меньшей степени — липидов и углеводородов.

В районе Антарктиды в снеге на припайных льдах увеличение концентрации взвеси происходит в тех районах, где на прибрежных холмах снег отсутствует. Низкое содержание органических соединений во взвеси снега определяется доминированием здесь минеральных частиц. При начальной стадии процесса льдообразования под действием так называемого ледового насоса [1] концентрация взвеси и содержание в ней органических соединений увеличиваются. Из-за нарастания антарктического припайного льда как сверху, так и снизу развитие диатомовых водорослей происходит не только на нижней, но и на верхней поверхности льдов. Это явление обусловлено опусканием льда под воду, захватом различных соединений из поверхностного микрослоя и ветровым нагоном водорослей в полосу снежуры [10, 11].

В припайных льдах изменение концентрации взвеси и органических соединений происходит от слоя к слою. Их аккумулирование в нижнем слое льда зависит от его «возраста» и определяется криобиологическими условиями на границе лед — вода. Возможны также активная миграция подвижных форм, доминирующих в антарктическом фитопланктоне, в поверхностные слои воды и последующий захват водорослей ледяными кристаллами [10]. Для гидрофобных малорастворимых соединений (таких, как углеводороды), обладающих большим сродством к поверхности раздела фаз «вода — атмосфера» и «вода — твердые частицы взвеси», при льдообразовании возрастает аккумуляция их во взвеси [10]. В растворенной форме концентрации углеводородов изменялись мало: и в подледной воде, и в нижней части льда они практически совпадали.

Впервые при изучении припайного снежно-ледяного покрова в 2012 г. мы зафиксировали сероводородное заражение в антарктическом льду. Связано это с большой мощностью фирна и интенсивным накоплением в летний период органических соединений за счет фотосинтеза ледовой флоры в нижней толще льда [10]. Этот процесс приводит к образованию высоких концентраций ОВ, сопоставимых с его количеством в водах высокопродуктивных районов Мирового океана.

Ледовый режим в западной и восточной частях континента не одинаковый. Условия временного глобального потепления климата сказываются в основном на ледниках Западной Антарктиды. В Восточной же они продолжают расти, и это важный положительный фактор развития окружающей среды [15]. Вместе с тем потепление океанических вод и некоторое увеличение температуры льда приводят к росту скорости его течения и большему расходу на береговой линии материка. Изучение этих процессов и расчет их соотношений должны быть продолжены.

В заключение необходимо отметить, что даже в полярных условиях Антарктиды происходит образование и разложение органических соединений, в том числе и углеводородов.

Автор благодарит своих коллег из ИО РАН, принимавших участие в экспедициях в Антарктиду и входящих в сезонный отряд РАЭ: В. А. Артемьева, А. А. Клювиткина, Н. В. Козину, М. Д. Кравчишину, А. А. Недоспасова, А. Н. Новигатского, З. Ю. Реджепову, А. М. Титову, Д. А. Ульянова, Н. Г. Чернявского и др.

Результаты исследований получены в рамках государственного задания (тема 0128-2019-0011), отбор проб осуществлялся при поддержке РАЭ, обобщение результатов и подготовка к публикации — при поддержке Российского научного фонда (проект 19-17-00234).

Литература
1. Лисицын А. П. Современные представления об осадкообразовании в океанах и морях. Океан как природный самописец взаимодействия геосфер земли // Мировой океан. Т. 2. М., 2014; 331–571.
2. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 2001.
3. Немировская И. А. Органические соединения в экосистеме прибрежных районов Антарктики // Метеорология и гидрология. 2020; 2: 105–117.
4. Слевич С. Б., Короткевич Е. С. Человек в Антарктиде. СПб., 1995.
5. Balks M. R., Paetzold R. F., Kimble J. H. Effects of hydrocarbons spills on the temperature and moisture regimes of Creosols in the Ross Sea region // Antarctic Science. 2002; 14(4); 319–326.
6. Deprez P. P., Arents M., Locher H. Identification and assessment of contaminated sites at Casey station, Wilkes Land, Antarctica // Polar Record. 1999; 35: 299–316.
7. Klein A. G., Sweet S. T., Wade T. L. et al. Spatial patterns of total petroleum hydrocarbons in the terrestrial environment at McMurdo Station, Antarctica // Antarctic Science. 2012; 24: 450–466.
8. Клепиков А. В., Антипов Н. Н. Особенности формирования и распространения водных масс на шельфе и материковом склоне вокруг Антарктиды // Лед и снег. 2014; 54(4): 81–94.
9. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш. Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л., 1985.
10. Мельников И. А., Гогорев Р. М. Криобиологические характеристики морского льда прибрежной зоны Антарктики // Наземные и морские экосистемы Арктики и Антарктики. 2008; 5: 226–232.
11. Немировская И. А., Кравчишина М. Д. Биогеохимические особенности распределения органических соединений и взвеси в снежно-ледяном покрове Восточной Антарктики // Геохимия. 2015; 5: 439–449.
12. Антарктида — особенности пространственной дифференциации // Почвы, растительный и животный мир Антарктиды, 2012.
13. Немировская И. А., Кравчишина М. Д., Реджепова З. Ю. Органические соединения и взвесь в снежно-ледяном покрове и почвах в районах антарктических станций России // Лед и снег. 2015; 55(4): 114–126.
14. Абакумов Е. В., Фаттахова Ю. М. Структурный состав гуминовых веществ орнитогенных почв Антарктики по данным ядерного магнитного резонанса // Русский орнитологический журнал. 2015; 24 (Экспресс-выпуск 1165): 2463–2466.
15. Котляков В. М. Через 137 лет после открытия Антарктиды // Метеорология и гидрология. 2020; 2: 5–13.

---

^* Данные получены сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства (ВНИРО).