Растворенный кислород

Вертикальное распределение

Известно, что процесс растворения газов в воде является обратимым. При равенстве скоростей абсорбции и десорбции возникает состояние равновесия между концентрациями в газовой среде и растворе. Повышение температуры и солености обычно уменьшает растворимость газов в морской воде. Поэтому в поверхностном слое воды, непосредственно соприкасающемся с атмосферой, в течение всего года отмечаются максимальные вариации (в зависимости от температуры и солености вод исследуемого региона) в содержании большинства растворенных в воде газов. Причем максимум абсолютных значений приходится на осенне-зимний период.

Рисунок 14 - Распределение солености воды (‰) на горизонте 30 м в заливе Петра Великого

(а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

Уровень концентрации кислорода в любой точке залива Петра Великого определяется, во-первых, динамикой газообмена на границе морская вода – атмосфера. Из-за своей большой скорости эти процессы, а также термические и динамические условия в толще вод, играют основную роль в перераспределении кислорода между отдельными слоями и районами залива. В расходовании и поступлении кислорода значимы также окислительно-восстановительные процессы. Кислород продуцируется при расщеплении воды в процессе фотосинтеза, а расходуется на дыхание живых организмов, на окисление органических и неорганических веществ естественного и антропогенного происхождения. Перенос кислорода по вертикали осуществляется при конвективном и турбулентном перемешивании, а также при динамическом опускании и подъеме вод.

Рисунок 15 - Распределение солености воды (‰) на горизонте 50 м в заливе Петра Великого

(а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

По величинам содержания кислорода в толще вод залива Петра Великого, как правило, не выделяется отдельных структурных элементов (Рисунок 16). В течение года режим растворенного в воде кислорода определяется доминирующим влиянием гидрологических условий и, в первую очередь, внутригодовыми изменениями температуры воды. Так, в холодный период года (за счет интенсивного вертикального перемешивания толщи вод) образуется гомогенный слой зимней конвекции, в котором содержание кислорода максимально и практически однородно. С началом прогрева поверхностных вод, который в зависимости от суровости зимы начинает проявляться с марта по май, поверхностный слой начинает выделять кислород (так как повышение температуры уменьшает растворимость газов в воде). Поэтому на подповерхностных горизонтах начинает формироваться слабый (не превышающий 0.3-0.5 мл/л) подповерхностный максимум содержания растворенного кислорода. Вносит свой вклад в данную особенность вертикального распределения кислорода и интенсификация развития фитопланктона.

Рисунок 16 - Вертикальное распределение растворенного в воде кислорода в отдельных районах залива Петра Великого (а – номера и границы районов; б – распределение кислорода в районе 1;  в – в районе 2; г – в районе 3; д – в районе 4; е – в районе 5). Условные обозначения: 1 – февраль, 2 – апрель, 3 – июнь, 4 – август, 5 – октябрь, 6 – декабрь.

Летом, за счет существенного повышения температуры воды от поверхности до придонных горизонтов, в толще вод залива Петра Великого отмечается годовой минимум кислорода. Осенью, за счет начавшегося охлаждения поверхностных вод и роста скорости ветра, происходит интенсификация обменных процессов. Поэтому, начиная с октября, концентрации кислорода в толще вод залива выравниваются и вновь начинают увеличиваться.

Сезонные изменения содержания растворенного кислорода в толще вод залива Петра Великого определяются, в основном, внутригодовой изменчивостью температуры, солености и интенсивности фотосинтеза. Потребление кислорода происходит на всех глубинах: он расходуется на дыхание организмов, при разложении органического вещества бактериями, а также на окисление неорганических соединений.

Имеющиеся к настоящему времени материалы наблюдений свидетельствуют о том, что в водах залива в течение всего года сохраняются достаточно высокие концентрации растворенного кислорода (Рисунок 17). Основным источником его пополнения являются термические и динамические процессы, происходящие в осенне-зимнее время. В результате конвекции, которая приводит в это время года к полному исчезновению вертикальных градиентов плотности, создаются дополнительные условия для передачи кислорода от поверхности до придонных горизонтов посредством ветро-волнового и вихревого перемешивания.

Для всей толщи вод залива Петра Великого характерна четко выраженная годовая гармоника в ходе сезонных изменений содержания растворенного кислорода. Его максимальные значения, как следует из рисунка 17, формируются на конечном этапе осенне-зимнего охлаждения толщи вод (февраль-март), а также ранней весной в условиях сравнительно невысоких значений температуры воды и бурного развития фитопланктона (апрель). В холодное время года понижение температуры воды приводит к повсеместному увеличению абсолютного содержания растворенного кислорода в поверхностных слоях, что связано с повышением растворимости кислорода.

Постоянный рост температуры воды весной и в начале лета приводит к существенному снижению содержания кислорода в толще вод залива. Даже интенсивная фотосинтетическая деятельность фитопланктона не может восполнить возникающего дефицита кислорода. В разгар лета (август-сентябрь) на всей акватории залива формируется максимум температуры воды. Наряду с этим происходит также снижение содержания биогенных элементов (за счет их потребления фитопланктоном), что приводит к ослаблению цветения фитопланктона. Поэтому летом в водах залива Петра Великого наблюдается минимум содержания растворенного кислорода. Так, на придонных горизонтах Амурского залива концентрации кислорода понижаются до 3.5 мл/л. На преобладающей части акватории залива Петра Великого в это же время содержание кислорода не превышает 5.0-6.5 мл/л. Осенью, начинающееся охлаждение поверхностных вод и возрастающие скорости ветра, приводят к интенсификации обменных процессов. Поэтому с октября в водах залива Петра Великого концентрации растворенного кислорода выравниваются и увеличиваются.

Рисунок 17 - Сезонные изменения растворенного в воде кислорода в отдельных районах залива Петра Великого (а – номера и границы районов, б – изменения кислорода в районе 1, в – в районе 2, г – в районе 3, д – в районе 4, е – в районе 5). Условные обозначения: 1 - 0 м, 2 - 10 м, 3 - 20 м, 4 - 30 м, 5 - 50 м.

Пространственно-временное распределение. Характер распределения растворенного кислорода в водных массах служит показателем их происхождения и протекающих в них химических и физических процессов. Уровень концентрации кислорода в водной среде и перераспределение его между отдельными слоями водных масс и районами моря определяется окислительно-восстановительными процессами, внутриводным обменом различного происхождения и масштаба, а также обменом с атмосферой.

На поверхности залива Петра Великого, как правило, в течение года наблюдается два существенно различающихся типа крупномасштабного пространственного распределения кислорода (Рисунок 18).

Рисунок 18 - Распределение растворенного в воде кислорода (мл/л) на поверхности залива Петра Великого (а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

Первый из них характерен для осенне-зимнего периода года. В этом случае наиболее низкие концентрации растворенного кислорода (7.5-8.0 мл/л) наблюдаются в открытых глубоководных районах залива. В основном это связано со сравнительно высокой температурой воды, которая по средним многолетним данным даже зимой не опускается здесь ниже -0.5?С (Рисунок 5). На северной периферии залива, где в осенне-зимний период наблюдается наиболее низкая температура воды, насыщение толщи вод кислородом максимально (до 8.0-9.0 мл/л). Неравномерный весенне-летний прогрев поверхностных вод в заливе, связанный с различной плотностной стратификацией толщи вод, а также влияние речного стока и дифференцированный (для различных частей залива) адвективный приток вод из глубоководных частей Японского моря, приводят к перестройке поля пространственного распределения кислорода в поверхностном слое вод. В результате этого с апреля по июнь на акватории залива Петра Великого выделяется второй тип горизонтального распределения кислорода, для которого максимальные значения (7.0-8.5 мл/л) характерны для мористой глубоководной части залива, где температура воды существенно ниже. По мере продвижения к северной периферии залива (где более высокая температура воды) в поверхностных водах происходит существенное снижение содержания кислорода (до 6.5 и 8.0 мл/л в июне и апреле соответственно). В августе и октябре наблюдается переходная ситуация в пространственном распределении кислорода. Как правило, в это время года для большей части акватории залива характерно чередование областей с минимальными и максимальными значениями кислорода. Только мористее заливов Стрелок и Восток в поле кислорода отчетливо выделяется область с повышенными значениями, происхождение которой связано здесь с пониженной температурой воды.

По мере роста глубины в толще вод залива Петра Великого в течение года сохраняется деление на два существенно различающихся типа крупномасштабного пространственного распределения кислорода. Однако отличительной чертой полей распределения кислорода на конкретном горизонте является различная продолжительность периодов их существования, а также наличие или отсутствие переходных ситуаций.

На горизонте 10 м осенне-зимний тип (с максимумом значений в мелководной части залива) распределения кислорода выделяется, как и на поверхности, с декабря по февраль. Второй тип, для которого характерны более высокие значения кислорода в глубоководных частях залива, наблюдается с апреля по август. Поэтому переходная ситуация в пространственном распределении кислорода отмечается только в октябре (Рисунок 19).

На горизонте 20 м в пространственном распределении кислорода не наблюдается переходных ситуаций. Зимний тип распределения выделяется с декабря по февраль, а летний – с апреля по октябрь (Рисунок 20).

На горизонте 30 м в пространственном распределении кислорода, как и в верхнем слое вод залива Петра Великого, вновь начинает проявляться переходная ситуация, которая выделяется в апреле. Это свидетельствует о постепенном (с ростом глубины) увеличении продолжительности зимнего типа пространственного распределения кислорода (Рисунок 21).

Рисунок 19 - Распределение растворенного в воде кислорода (мл/л) на горизонте 10 м в заливе Петра Великого (а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

На горизонте 50 м выделяется два одинаковых по продолжительности типа пространственного распределения кислорода. Осенне-зимний тип (с максимумом значений в мелководной части залива) распределения кислорода наблюдается с декабря по апрель. Второй тип, для которого характерны более высокие значения кислорода в глубоководных частях залива, наблюдается с июня по октябрь. Поэтому переходная ситуация в пространственном распределении кислорода отмечается только в октябре (Рисунок 22).

 

Рисунок 20 - Распределение растворенного в воде кислорода (мл/л) на горизонте 20 м в заливе Петра Великого (а – февраль, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)