Расскажите, пожалуйста, какие экспедиции проводит кафедра физики моря и вод суши и почему они важны?
Совсем недавно мы провели две экспедиции: одна проходила на Черном море, а другая на Белом. На Черное море, в Крым, начиная с февраля этого года, мы ездим часто, поскольку выиграли совместный грант по исследованию мелководных метановых сипов. Сипы — это высачивания из морского дна пузырьков газа, обычно метана. Красивое, интересное и достаточно распространенное явление, как правило, наблюдающееся в шельфовой зоне. Часто пузырьки выходят струями, образуя под водой газовые факелы, хорошо различимые на эхолоте. В зависимости от происхождения газа метановые выделения бывают сезонными, а бывают постоянными. Одним из немногих известных мест в Крыму, в котором выделение газа происходит постоянно, в течение всего года, является бухта Ласпи, находящаяся недалеко от Фороса. В этом году, зимой, наша научная группа еще раз подтвердила постоянство выхода газа в этом месте. Перед нами стоит задача в течение года наблюдать за изменениями газовых потоков, смотреть, изменяется ли компонентный состав газа и выделяющийся объем в зависимости от сезона.
Метан — это парниковый газ, второй по значимости после углекислого газа. Важно понять, что именно и как влияет на интенсивность его выделений: давление, гравитационные силы или сейсмическая активность. Влияют ли на выход газа гидрологические параметры среды и наоборот, влияет ли метан на гидрологические параметры. На данный момент гипотез достаточно много.
Бухта Ласпи отличается тем, что газ там выходит из глубин и имеет термогенное происхождение, то есть образуется под давлением и при высокой температуре. Через бухту проходит система разломов, по ней и выходит газ. Поэтому мы и наблюдаем круглогодичный выход. На крымском побережье есть большое количество мест, где наблюдаются метановые сипы, однако метан в них органического происхождения. Осадки выпадают, попадают на дно, разлагаются, перерабатываются микроорганизмами, выделяется газ. Метан органического генезиса выделяется в основном летом, когда температура благоприятна для размножения и жизнедеятельности бактерий.
Работа по изучению Ласпинского сипа проводится совместно с Институтом биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН. При измерении газового потока мы пользуемся различными методами, в частности методом пассивной акустики. Рядом со струей пузырьков располагается записывающее устройство, регистрирующее акустические импульсы. Когда пузырек выходит и отрывается от дна, слышен резкий звук. На записи впоследствии мы можем определить моменты выхода пузырьков, а также их объем, так как объем каждого пузырька пропорционален частоте акустического сигнала, который пузырек создает при отрыве. Пересчитав события, можно понять, какой объем метана вышел и за какое время. Затем мы анализируем этот поток, его изменчивость.
Помимо акустической записи во время измерений мы делаем высокочастотную съемку гидрологических параметров в зоне сипа и на фоновой станции (удаленной от газовыделяющей площадки). Приблизительно раз в тридцать секунд измеряются температура, давление, электропроводность, мутность и концентрация растворенного кислорода. Далее, анализируем корреляции этих параметров друг с другом и с величиной газового потока.
В течение измерений несколько раз отбираются пробы выделяющегося газа и морской воды на разных горизонтах, которые затем анализируются в лабораториях ИнБЮМ и МГУ на состав и концентрацию метана.
Вторую экспедицию мы провели Белом море в рамках студенческой практики, где нами изучалась структура и динамика течений в районе Беломорской биологической станции (ББС) МГУ. Полигон выбран как тестовый для отработки методик измерений при проведении работ на Арктическом шельфе. В ходе работ решается ряд научных и прикладных задач.
ББС МГУ была основана 1938 году на Карельском берегу Кандалакшского залива. Исследованиями в ее окрестностях занималось не одно поколение ученых, однако, как выяснилось, подробные данные о течениях в данном районе отсутствуют. Хотя эти данные весьма полезны и биологам, изучающим биоразнообразие морских сообществ, зоны обитания различных организмов, их миграцию, питание и влияние на них окружающей среды, и геологам, изучающим подводные ландшафты, их формирование и изменение. По результатам работ мы планируем получить схему течений в Черной губе, где относительно недавно сотрудниками геологического факультета, совместно с компанией СПЛИТ, была создана подробнейшая батиметрическая карта высокого разрешения. Наша научная группа при создании такой схемы течений отдельное внимание уделяла придонным течениям, непосредственно взаимодействующим с подстилающей поверхностью и ее обитателями.
Для проведения измерений мы использовали два прибор губеа с доплеровскими измерителями потоков жидкости и набором гидрологических датчиков, о которых я уже упоминал. Скорость движения жидкости определяется благодаря отражению акустического сигнала, испускаемого специальным датчиком, от различных взвесей и неоднородностей, переносимых течением. Один прибор работает в горизонтальной плоскости и используется в режиме зонда (опускается в заданных точках от поверхности до дна с борта судна). Второй прибор — RDCP — устанавливается на дно, обычно на сутки, и измеряет профиль течения во всей толще воды над собой. Устройство разбивает вышележащую толщу на слои, в каждом из которых определяет направление и скорость движения жидкости. На выходе получается объемная 3D картина, наглядно показывающая суточную динамику течений в выбранной точке. А динамика достаточно интересная, поскольку район исследований сильно подвержен влиянию приливов. Колебания уровня моря за приливной цикл может достигать двух метров. Суточная установка позволяет охватить несколько приливных циклов и затем произвести сравнение результатов.
Какие прикладные цели экспедиций на Черном и Белом морях?
Цели экспедиций, в общем-то, можно рассматривать как глобальные — прояснить природу вещей. А из знания природы уже могут вытекать прикладные цели. По метану, очевидно, это уточнение объема выделяющегося за год газа, оценка вклада в парниковый эффект, мониторинг возможного влияния на газовыделения температуры и других внешних параметров.
Дело в том, что скорость истечения газа варьируется. Мы это наблюдаем. То идет непрерывный поток, то газ может вообще не выходить какое-то время. В большинстве случаев поток газа оценивается исследователями в моменте. Обнаружили сип эхолотом, по эхограмме оценили объем газового факела и экстраполировали на сутки-месяц-год. Или запустили подводный дрон, сняли газовыделения на видеокамеру, прикинули количество, объем пузырьков и опять экстраполировали. А на завтра в этой точке сипа может уже и не быть. Поэтому, преимущественно, такие оценки достаточно грубые. Когда известен объем газа, можно уже говорить о влиянии на окружающую среду. И не столько на климат, сколько на область, граничащую с местом выхода газа. Выход газа может, например, изменять температуру среды. Если газ выходит из глубины, его температура может отличаться от температуры водной толщи. Помимо этого, есть и другие эффекты: при выходе пузырьков метана в воду поднимающийся поток пузырей перемешивает слои воды и нарушает стратификацию, начинаются окислительные процессы, соответственно, понижается содержание кислорода. Метан же, находящийся в пузырьке, наоборот, проникает в воду. В зоне высачиваний, как правило, образуются бактериальные сообщества (бактериальные маты), покрывающие дно эдаким одеялом. Одной из практических задач, например, может быть целенаправленное разведение таких бактерий с целью переработки ими метана. Так что прикладных целей и задач очень много. Оценка взрывоопасности еще, например. Может ли в какой-либо ситуации произойти такой выброс газа, который приведет к воспламенению и взрыву? Или способен ли выброс газа нарушить плавучесть судна, проходящего над точкой выброса?
Про прикладные цели Беломорской экспедиции я уже говорил. Могу добавить про то, что любые полевые измерения помогают в верификации расчетных моделей, в частности, модели течений Белого моря, а также в верификации новых измерительных приборов и технологий. Так, во время экспедиции нам поступило предложение выполнить совместные работы с НПП ПТ «Океанос», занимающимся, в числе прочего, разработкой глайдеров. Глайдеры – это автономные устройства, которые движутся по заданной траектории, погружаясь и всплывая, измеряя при этом параметры среды. Получается такой синусоидальный разрез акватории. Полученные данные могут быть использованы, скажем, как поисковый признак месторождений. Вы ведь помните, что при газовыделениях изменяются гидрологические параметры, а выделение газа может быть маркером залежей углеводородов.
На сколько по времени рассчитаны экспедиции?
Экспедиции в Крым краткосрочные, около трех дней, но частые. Пока что ориентируемся на год с периодичностью в месяц. Дальше посмотрим по результатам. Осенью в Черном море по метановой тематике планируется рейс научно-исследовательского судна «Профессор Водяницкий», это уже мероприятие на месяц. Съедутся ученые из профильных организаций. Будут проводиться комплексные работы по изучению старых и поиску новых мест метановой разгрузки.
Беломорская экспедиция ограничена временем проведения практики* — 10 дней. Хотя, должен сказать, что это была не первая наша поездка. Измерения на акватории мы проводили и вне практики, осенью 21-го и весной 22-го года. По продолжительности экспедиции тоже были порядка недели.
*про выездную практику студентов кафедры физики моря и вод суши на Беломорской Биологической станции в 2022 году Вы можете прочитать в одной из наших статей.
Есть ли сейчас предположения, что влияет на интенсивность выделений метана?
Я смотрю, что крымский метан вас заинтересовал больше беломорских течений. Понимаю. Отвечая на вопрос, очевидно, что на интенсивность влияет целый ряд факторов. В первую очередь, скорость образования газа. На нее влияет давление и температура в недрах. Но и на выход газа тоже влияет множество параметров. Например, атмосферное давление и давление водяного столба. Конфигурация выходящих каналов влияет, разумеется. По идее, влиять могут даже Луна и Солнце, поскольку гравитационные силы могут деформировать эти каналы, а также сейсмические подвижки. Крым — сейсмически активный регион. Совсем недавно в море в районе Севастополя был подземный толчок, например. Хотя его влияния на характер газовыделений мы не заметили. Взаимосвязи еще предстоит выяснить. Очень хочется организовать длительные наблюдения. Маленький шаг уже сделан. От наблюдений раз в год перешли практически к ежемесячным. Теперь будем работать над тем, чтобы организовать ежедневные.
Об экспедициях на Черном и Белом морях рассказ старший научный сотрудник кафедры физики моря и вод суши, кандидат физико-математических наук Андрей Александрович Будников.
Команда Медиацентра факультета