Снежный буфер

Специалисты Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичева ДВО РАН проследили путь вулканических веществ от снежного покрова Камчатки до глубин Тихого океана. В ходе трехлетнего исследования, включавшего три экспедиции на научно-исследовательском судне «Академик Опарин», ученые проанализировали изотопный состав воды и азота в восьми реках полуострова.

Выяснилось, что талый снег на склонах действующих вулканов работает как природный накопитель: за зиму он собирает продукты вулканических выбросов, а в период растянувшегося на три месяца половодья разом отдает их рекам. Результаты показали, что этот «залп» влияет на химический состав прибрежных вод на расстоянии более 150 км от берега и на глубине до 500 м, переносясь туда мезомасштабными вихрями.

Работа выполнена в рамках Межведомственной комплексной программы научных исследований Камчатского полуострова и сопредельных акваторий в 2024–2026 годах. Координатором программы, объединяющей усилия 11 научных организаций, выступает КамГУ имени Витуса Беринга. Результаты опубликованы в журнале Marine Pollution Bulletin.

О том, как изотопный анализ помогает отличить вулканический азот от фонового, почему река Пенжина стала эталоном «чистой» воды и как это связано с риском «красных приливов», «Ъ-Наука» поговорил с руководителем исследования, заведующим лабораторией гидрохимии Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН Павлом Семкиным.

— Обычный химический анализ показывает, сколько вещества растворено в воде, но не говорит, откуда эта вода взялась и какой путь прошла. Изотопы решают именно эту задачу. В молекуле воды атомы кислорода и водорода бывают «легкими» и «тяжелыми» — с разным числом нейтронов, и соотношение этих форм у ледниковой, дождевой, снеговой, грунтовой или гидротермальной воды выражено по-разному. Химически эти формы неотличимы, а физически — нет: при испарении, конденсации, замерзании и таянии легкие и тяжелые молекулы разделяются, и это разделение оставляет след, сохраняющийся даже после смешения разных вод.

У снега есть дополнительная особенность. Осадки становятся легче по изотопному составу с высотой: чем выше поднимается воздух, тем быстрее из него конденсируются тяжелые изотопы, поэтому снег у вершин вулканов изотопно легче снега в долинах. При этом, в отличие от дождя, снег продолжает менять изотопный состав уже лежащим — из-за многократных оттепелей и повторного замерзания. Измерив соотношение изотопов в речной воде по месяцам, мы смогли различить, какая доля стока сформирована свежим снегом в долинах, какая — тающими снежниками на вершинах, а какая — подземными и термальными водами, циркулирующими в толще вулканических пород.

— У иона нитрата (NO₃^-) тоже есть два «паспортных» изотопа — азота и кислорода, и их соотношение зависит от происхождения нитрата. Нитраты из канализационных стоков обогащены тяжелым азотом сильнее, чем нитраты из удобрений или осадков, а нитраты из атмосферы отличаются высоким содержанием тяжелого кислорода. У азота в вулканических газах и в веществе земной коры и мантии тоже есть свой узнаваемый диапазон значений — от 6% до +6%.

Мы сравнили нитраты в реке Камчатка и реке Авача, которые собирают воду с территорий действующих вулканов, с рекой Пенжина, где вулканизма нет. У Камчатки и Авачи значения оказались практически одинаковыми— от 0,8 до 1,5%. Это укладывается в диапазон, характерный для вулканического азота, и заметно отличается от легкого состава Пенжины (0,9%). Механизм такой: аммоний, который выбрасывают вулканы, накапливается в снеге за зиму, а весной и летом при таянии окисляется до нитрата бактериями. В ходе этого окисления часть тяжелого азота теряется, поэтому итоговый нитрат немного легче исходного вулканического аммония, но все равно попадает в вулканический интервал, а не в диапазон почвенного или атмосферного азота.

— Для контроля нужна река, максимально похожая на исследуемые по масштабу и климатическому режиму, но без единственного фактора, который изучается,— вулканизма. Пенжина подходит по обоим условиям: это крупная снегово-дождевая река (площадь бассейна 73 500 км², среднегодовой расход 682 м³/с — сопоставимо с рекой Камчатка, 55 900 км² и 915 м³/с соответственно), но ее бассейн лежит севернее зоны активного вулканизма и им не затронут.

Усреднение по всем изученным рекам полуострова для этой цели не подошло бы: Камчатка, Авача, Налычева, Жупанова и другие реки сами в разной степени находятся под влиянием вулканов, и их усреднение смешало бы искомый сигнал с фоном, а не выделило бы его. Пенжина — по сути, единственная доступная нам «чистая» точка отсчета, а не статистическое среднее по данным, часть из которых сама содержит эффект, который нужно измерить.

— Половодье на Восточной Камчатке растянуто на три месяца: в мае реки поднимает таяние снега в долинах, в июне — снега и льды в горах, пик расхода воды приходится на конец июня — начало июля. С ростом расхода воды концентрации минерального азота и фосфора систематически растут: поток азота с водой в реке Камчатка увеличился с 17,6 тонны в сутки 1 апреля 2023 года до 55,8 тонны в сутки 17 июня того же года при росте расхода воды с 612 до 2131 м³/с.

Объяснение в том, что вещества, которые вулканы выбрасывают в атмосферу за зиму, оседают в первую очередь в снеге на самых высоких участках — у вершин, где снег держится дольше всего. Пока тает снег в долинах, в реку поступает более «чистая» талая вода, а когда очередь доходит до высокогорного снега, накопившего за зиму больше вулканических веществ, состав воды заметно меняется. Паводок в мае и паводок в июле — это, строго говоря, вода разного происхождения и разного химического состава, а не один и тот же процесс, растянутый во времени.

— Да, эти два источника работают по разным правилам, и поэтому азот и фосфор в реках Восточной Камчатки не всегда растут синхронно. Азот в основном накапливается в снеге за зиму равномерно и высвобождается по мере таяния — процесс довольно предсказуемый. Фосфор и кремний сильнее связаны с конкретными извержениями: они поступают в воду при взаимодействии свежего пепла с почвенными и подземными водами и при выветривании свежих вулканических пород и зависят от того, было ли извержение именно в этом году.

Мы заметили эту разницу, сравнивая одни и те же станции и даты отбора проб в 2023 и 2024 годах. В районе Ключевской группы вулканов и Шивелуча концентрация фосфора в июне 2023 года оказалась заметно выше, чем в июне 2024-го, и это совпало с извержением Шивелуча в апреле 2023 года, добавившим в бассейн свежий пепел. Азот при этом от года к году менялся не так резко. Такое межгодовое сравнение позволило разделить сезонный эффект, влияющий в основном на азот, и событийный эффект конкретного извержения, влияющий в основном на фосфор и кремний.

— Большинство прежних работ о связи вулканизма с составом подземных и речных вод выполнено в теплых регионах — на Гавайях, в Индонезии, Камеруне, Японии, на юге Италии, где снег либо отсутствует, либо не играет заметной роли в водном балансе. Восточная Камчатка устроена иначе: по нашим данным, это самый активный вулканический регион планеты, и при этом он лежит в зоне сурового климата — снежный покров держится от 180 до 300 дней в году, его средняя толщина около полутора метров, а зима длится около семи месяцев.

Сочетание этих факторов дает эффект, которого нет в других изученных вулканических районах: снег на Камчатке работает как природное хранилище, которое всю зиму собирает продукты вулканических выбросов, а затем за два-три месяца весенне-летнего половодья разом отдает их рекам и через них — прибрежным водам Тихого океана. В более теплых вулканических регионах вещества от вулканов поступают в воду почти круглый год понемногу, без такого выраженного сезонного «залпа».

— Сама речная вода легче морской и держится у поверхности, но мы отслеживали не саму воду, а ее химический след — пониженную соленость и повышенную концентрацию растворенного кремния, поступающего с суши. Во время экспедиции на судне «Академик Опарин» в конце лета 2023 года мы выполнили 170 станций с измерениями и отбором проб на разных глубинах, включая горизонт 500 м.

Оказалось, что контуры распределения солености и кремния на глубине 500 м повторяют ту же картину, что и на поверхности,— с юга на север вдоль восточного побережья. Такое совпадение говорит о том, что опресненная, обогащенная кремнием вода не остается тонкой пленкой на поверхности океана, а затягивается вниз за счет крупных вихревых структур: речной сигнал доходит до полукилометровой глубины не потому, что пресная вода тонет сама по себе, а потому, что ее туда переносит океаническая динамика.

— Мезомасштабные вихри — это вращающиеся кольца воды диаметром в десятки и сотни километров, которые живут неделями и месяцами и способны захватывать участок прибрежной воды вместе с его химическим составом. В отличие от ветрового дрейфа, который двигает только тонкий приповерхностный слой на небольшое расстояние и быстро рассеивается, и в отличие от прибрежных течений, идущих вдоль берега по одному маршруту, вихрь уносит захваченную воду далеко в открытый океан и одновременно продавливает ее вглубь по границам своего вращения.

Именно поэтому мы связываем распространение речного влияния на расстояние свыше 150 км от берега и на глубину до 500 м не с ветром или береговым течением, а с вихревой динамикой моря у Восточной Камчатки, которую мы изучали в предыдущих экспедициях на судне «Академик Опарин». Без вихрей вещества из рек и с вулканов, скорее всего, оставались бы в узкой прибрежной полосе.

— И то и другое, в зависимости от периода и соотношения веществ. Регулярный весенне-летний вынос азота, фосфора и кремния с континентальным стоком поддерживает продуктивность прибрежной экосистемы Восточной Камчатки в целом — на этой пищевой базе держится обилие лосося и держатся серые и гренландские киты, которых привлекает регион. Первая, майско-июльская вспышка развития фитопланктона, совпадающая с пиком половодья,— часть этого нормального цикла.

Но у той же истории есть оборотная сторона. Вторая вспышка, приходящаяся на сентябрь—октябрь, чаще связана с потенциально токсичными динофлагеллятами и иногда перерастает в так называемые красные приливы — заметные скопления окрашивающих воду микроводорослей, часть которых выделяет опасные для морских животных и человека токсины. Мы связываем такие вспышки с резким ростом соотношения азота к фосфору в жаркие годы: чем сильнее прогреваются вершины вулканов летом, тем интенсивнее тает высокогорный снег, обогащенный азотом за зиму, и тем сильнее перекос в сторону избытка азота. Получается, что одно и то же вулканическое питание при одних условиях действует как удобрение для экосистемы, а при других создает риск токсичного цветения.

— Да, отчасти. Для нас это и научный результат, и практический ориентир одновременно. По нашим данным, интенсивность цветения фитопланктона у Восточной Камчатки будет тем выше, чем больше снега накопилось в горах за предыдущую зиму и чем теплее оказалось лето: оно ускоряет таяние этого снега и одновременно усиливает расслоение прибрежных вод на теплый поверхностный и холодный глубинный слои. Иначе говоря, зная снегозапас в горах и прогноз летних температур, в принципе можно заранее оценивать годы повышенного риска сильных вспышек фитопланктона, включая потенциально опасные «красные приливы».

Важная оговорка: мы сами пока называем это гипотезой. Чтобы превратить ее в рабочую модель прогноза, нужны еще годы наблюдений. Тем не менее для рыболовства, марикультуры и туристической отрасли Камчатки, прямо зависящих от состояния прибрежной экосистемы, такой подход уже сейчас дает ориентир, на какие параметры смотреть в первую очередь — снегозапас предыдущей зимы и летнюю температуру воздуха в горных районах.