Камчатка — не только вулканы

Три века освоения Дальнего Востока не давали ответа на вопрос, откуда у камчатских берегов берется «еда» для морских экосистем. Две экспедиции за сто лет, узкие практические задачи и полное отсутствие комплексных данных — так выглядела научная картина еще в начале 2020-х. Ситуация изменилась благодаря трем экспедициям 2023–2025 годов, которые впервые позволили сравнить два противоположных побережья полуострова — вулканический восток и мерзлотный запад.

Почему река Камчатка оказалась ближе к рекам урбанизированного Китая, чем к соседней Пенжине, как извержение Шивелуча случайно стало идеальным экспериментом и какие вопросы еще предстоит закрыть, «Ъ-Наука» поговорил с Павлом Семкиным, заведующим лабораторией гидрохимии Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичева ДВО РАН (ТОИ ДВО РАН), кандидатом географических наук, руководителем данного исследования. Работа велась в рамках Межведомственной комплексной программы научных исследований полуострова Камчатка и сопредельных акваторий в 2024–2026 годах.

— Прежде всего — нехватка данных. За три века освоения Дальнего Востока в Пенжинской губе побывали лишь две научные экспедиции: военные гидрографы в 1914 году и изыскатели под проект приливной электростанции в 1980-х. Обе решали узкие практические задачи. В 2014–2016 годах коллеги провели гидролого-морфологические исследования в вершине губы. Но комплексных данных по гидрологии, гидрохимии, биологии и геологии для всей губы и прилегающей части Охотского моря не было. Мы получили их в трех экспедициях 2023–2025 годов.

На востоке не хватало регулярных наблюдений: отдельные экспедиции не показывают, как состав воды меняется в течение года. С 2023 года мы обследуем реку Камчатку от истоков до устья за один день и отбираем пробы в фиксированные даты: 1 апреля, 22 мая, 17 июня и 6 сентября.

Чтобы выделить вклад вулканов, нужна была еще сопоставимая река без них. Такой рекой стала Пенжина.

— Обычно главным источником питательных веществ в прибрежных водах считается речной сток. На Камчатке эта схема работает только для востока.

В прибрежные воды Восточной Камчатки азот, фосфор и кремний с суши поступают прежде всего с реками вулканических водосборов. Вещества попадают в них с пеплом, с талым снегом, накопившим вулканические выбросы за зиму, и с подземными водами, контактирующими с вулканическими породами.

На северо-западе река приносит мало азота и фосфора. Основной их источник — глубинные воды залива Шелихова, которые поднимаются к поверхности при приливном перемешивании. Кремний поступает в основном с рекой, и она же выносит много органического углерода. Еще одним источником могут быть участки берега у устья Пенжины, заливаемые приливом, но это предположение пока не проверено.

— Разницу мы ожидали: Пенжину выбрали как контрольную реку, потому что вулканов в ее бассейне нет. По размеру реки сопоставимы: площадь бассейна Пенжины — 73 500 квадратных километров, Камчатки — 55 900.

Удивил масштаб. Концентрация растворенного неорганического фосфора в реке Камчатке достигала 3,87 микромоля на литр. Такие значения встречаются в реках урбанизированных районов Китая и Индии, а в бассейне Камчатки — лишь несколько поселков. Биомасса зоопланктона в Камчатском заливе летом 2023 года доходила до 2040 миллиграммов на кубометр, в Пенжинской губе — не более 106.

План менять не пришлось. Извержение Шивелуча 11 апреля 2023 года пришлось на промежуток между отборами проб 1 апреля и 22 мая, поэтому у нас оказались данные до пеплопада и после него.

— Надежнее всего выделяется вулканический сигнал, потому что на него указывает сразу несколько независимых данных. Изотопный состав воды позволяет оценить вклад разных источников питания реки, а изотопы азота и кислорода в нитратах помогают определить возможное происхождение азота. Мы также сравниваем станции вдоль реки и разные годы: в июне 2023 года фосфора у Ключевской группы и Шивелуча было заметно больше, чем в июне 2024-го. Лабораторный эксперимент подтвердил, что свежий пепел Шивелуча способен отдавать фосфор пресной воде уже в первые минуты.

Вулканический и мерзлотный вклад внутри одной реки мы не разделяли, это сравнение двух разных бассейнов. Связь органического углерода Пенжины с оттаиванием грунтов остается объяснением: прямых измерений таяния мерзлоты у нас нет.

О вкладе реки и моря в Пенжинской губе мы судим по совокупности данных. Концентрации азота и фосфора в Пенжине низкие, вода на входе в губу перемешана от поверхности до дна, а приливный водообмен на порядки превышает речной сток. По измерениям течений и уровня в июньской экспедиции 2025 года, при сизигийных приливах высотой 13 м через входной створ губы проходит в среднем около 4 млн кубометров воды в секунду за приливную фазу, которая длится примерно 11 часов. При максимальных скоростях течения расход больше еще примерно на 2 млн. Отливная фаза длится на три часа дольше, а средний расход на отливе примерно такой же. Максимальный расход Пенжины в половодье — около 10 тыс. кубометров в секунду.

Объем воды при этом еще не равен потоку питательных веществ. Чтобы рассчитать их баланс, в 2027 году мы планируем суточные эксперименты в дрейфе судна в нескольких частях губы.

Для фосфора прямой изотопной подписи вроде азотной у нас нет: стабильный изотоп у него один. Антропогенный источник мы исключаем косвенно: людей в бассейне очень мало, а максимум фосфора приходится на участок у вулканов и совпадает с пеплопадом.

Изотопные диапазоны разных источников частично перекрываются, а состав нитрата меняется, когда бактерии окисляют аммоний. Ряд наблюдений тоже пока короткий.

— Вулканические водосборы и мерзлота влияют на прибрежные воды по-разному. Река Камчатка выносит за год примерно в десять раз больше растворенного фосфора, чем Пенжина, в шесть раз больше азота и в три раза больше кремния. Мерзлоту мы связываем прежде всего с органическим углеродом: весной его концентрация в Пенжине почти вдвое выше, чем в Камчатке, и за год она выносит его более чем в два раза больше. Заметным источником азота и фосфора для моря мерзлота, по нашим данным, не выглядит.

Вулканизм к «залпам» не сводится. Вулканогенные породы хорошо пропускают талые и дождевые воды, и в бассейнах накапливаются большие запасы подземных вод. В средний по водности год подземный сток составляет 60–64% стока реки Камчатки и около 50% стока Авачи. Поэтому концентрация фосфора в нижнем течении Камчатки повышена даже в апреле, при минимальном стоке. Извержение добавляет к этому фону пик и может определять картину конкретного года.

Для долгосрочного прогноза важнее медленные изменения: сокращение ледников на востоке и деградация мерзлоты на западе. Время извержения заранее не определить, а сдвиг фона можно отслеживать по наблюдениям. По опубликованным оценкам, площадь ледников полуострова уменьшилась с 800,6 кв. км в 2000 году до 646,7 кв. км в 2014-м.

— Для микроводорослей источник азота значения не имеет, с полей он пришел или от вулкана. Красные приливы обычно считаются проблемой освоенных районов, но на Камчатке они известны с 1940-х годов, хотя антропогенная нагрузка здесь минимальна.

Важно и соотношение веществ. Сток реки Камчатки богат фосфором, и это скорее поддерживает развитие диатомовых водорослей. Когда азота становится намного больше, чем фосфора, преимущество получают динофлагелляты, среди которых есть токсичные виды. Такой сдвиг может дать талая вода с высокогорного снега и ледников. Мы предполагаем, что изменение соотношения азота и фосфора могло быть одним из факторов токсичного цветения у Халактырского пляжа осенью 2020 года, которое привело к гибели морских организмов.

Числового порога между нормальным и опасным мы назвать не можем. Весенне-летнее цветение на пике половодья входит в обычный годовой цикл. Риск связан скорее с осенней вспышкой, перекосом в сторону азота и, вероятно, с теплым летом. Для точных границ нужны многолетние ряды.

— Однозначно назвать более уязвимую систему сложно. Запад теплеет быстрее: с 1966 по 2020 год на 0,4–0,7°C за десятилетие против 0,3°C на востоке. Но азот и фосфор Пенжинская губа получает в основном из моря, поэтому изменения на суше сказываются на ее продуктивности не напрямую. Восточное побережье теснее связано с процессами на суше и может быстрее реагировать на изменения снегозапаса и таяния ледников.

На востоке стоит следить за соотношением азота к фосфору в конце лета, сроками цветения и частотой осенних вспышек динофлагеллят. Пенжина пока питается преимущественно талым снегом. Если с деградацией мерзлоты баланс сдвинется в сторону подземного питания, изменится химический состав реки: ионный и изотопный состав, вынос органического углерода.

— Отчасти да. Спутниковые данные с 2003 по 2023 год показывают: с мая по июль, когда растет сток реки Камчатки, вдоль побережья залива увеличивается концентрация хлорофилла. Мы предполагаем, что цветение тем сильнее, чем больше снега накопилось в горах за зиму и чем теплее лето, но готовой модели прогноза пока нет.

Прямой количественной связи между нашими данными и рыбными запасами тоже нет. Мы показали разницу у основания пищевой цепи, а для оценки запасов этого мало.

На практике нужно регулярно измерять снегозапас в горах, сток и химический состав воды, следить с судов и спутников за фитопланктоном, особенно за его видовым составом в сентябре и октябре. Эти ряды стоит сопоставлять с рыбохозяйственными наблюдениями. Начать можно со снегозапаса и летней температуры в горных районах.

— Мы пока не знаем, сколько вещества дают ледники и что именно выходит из оттаивающей мерзлоты. Не рассчитан баланс питательных веществ в Пенжинской губе и не определен вклад заливаемых приливом берегов. Плохо изучен и период сразу после схода льда, когда в воду попадает накопленное во льду за зиму.

Следующий шаг для Пенжинской губы — суточные эксперименты в дрейфе судна в 2027 году. Они покажут, насколько интенсивно органическое вещество в толще воды образуется и разрушается. Без этого трудно понять, как устроена экосистема губы.

В целом нужны многолетние ряды на постоянных станциях: у нас они начинаются только с 2023 года. Необходимы регулярные измерения стока и химического состава рек и ледников и прямые наблюдения на мерзлотных участках Пенжины. Понадобятся и модели, связывающие сушу, реки, океаническую циркуляцию и биологию. Без них трудно оценить, сколько вещества уходит от берега: речной след прослеживается на расстоянии до 150 км и на глубине до 500 м.