Летняя практика кафедры общей физики на Белом море — изучение водоёмов-изгоев

В далёкой северной стране,

Где долгий летний день,

В студёной плещется волне

Маленький тюлень.

Зимой мы с теплотой вспоминаем летнюю практику кафедры общей физики — работу на Беломорской биологической станции им. Н.А. Перцова. Белое море относится к бассейну сурового в климатическом отношении Северного Ледовитого океана, и в старину море называли Студёным или Северным. Это одно из самых маленьких морей, омывающих Россию (меньше только Азовское), однако оно обладает уникальной особенностью, которая стала предметом нашего изучения во время летней экспедиции 2013 г.

По геологическим меркам Белом море совсем молодое, ему «всего» 11 тысяч лет. Когда-то давно на его территории был ледник высотой около 3 километров. Когда ледник сошёл, поверхность земли начала распрямляться. Этот процесс продолжается и сейчас; суша поднимается со скоростью около 5 миллиметров в год, при этом постепенно меняются очертания берегов: отмели превращаются в острова, пороги поднимаются и становятся перешейками, а заливы — солоноватыми озёрами. В процессе превращения морской акватории в озеро происходят существенные изменения физико-химических свойств воды, возникают признаки меромиксиса (от греч. meros — часть и mixis — смешение) — ограничения перемешивания поверхностных слоёв воды и застой на глубине. Отделяющиеся от морской акватории, или как говорят специалисты, «отшнуровывающиеся» водоёмы характеризуются чёткой стратификацией — разделением воды на слои (на поверхности вода более пресная, а внизу — солёная), наличием одновременно пресноводных, морских и солоноватоводных видов обитателей.

Особую роль в этих экосистемах играют разнообразные микроорганизмы: фототрофные бактерии, осуществляющие фотосинтез в бескислородных условиях; бактерии, перерабатывающие органические вещества и выделяющие сероводород, водород и метан; простейшие, использующие органические вещества, созданные бактериями в ходе хемо- и фотосинтеза. Большие концентрации микроорганизмов на определенной глубине приводят к окрашиванию слоёв воды в яркие цвета — розовый, пурпурный и многочисленные оттенки зелёного.

Небольшие размеры прибрежных водоёмов делают их удобной моделью для изучения циклов трансформации веществ и переноса энергии, что позволяет лучше понимать процессы, происходящие в аналогичных крупных водоёмах, например, в Чёрном море, а также прогнозировать экологические последствия искусственного отделения морских акваторий при строительстве дамб, мостов и приливных электростанций. Водоёмы на разной стадии изоляции от Белого моря, или «водоёмы-изгои», как их назвал Пантюлин А.Н., являются своеобразными объектами междисциплинарных исследований, и теперь уже — с применением спектроскопических методов. Во время экспедиции в конце июля — начале августа 2013 г. при помощи погружаемого насоса были отобраны образцы воды с разной глубины и измерены температура и солёность воды, pH и концентрация растворенного кислорода. Спектры поглощения и флуоресценции воды были зарегистрированы в лабораторных условиях с использованием спектрофотометра Unico 2804 и флуориметра Solar CM2203. На Карельском берегу Белого моря обнаружено более десятка водоёмов на разных стадиях изоляции от моря, несколько из них — недалеко от Беломорской биостанции.

Озеро Кисло-Сладкое находится в полутора километрах от Беломорской биостанции. Из-за влияния небольшого ручья поверхностный слой озера опреснён, под ним расположен солоноватый слой, более тёплый и насыщенный кислородом благодаря фотосинтезу водорослей, взвешенных в толще воды, а в самом глубоком месте залегает солёная и холодная придонная водная масса, лишённая кислорода и содержащая сероводород. Нитчатые водоросли, которые выстилают дно и плавают на поверхности Кисло-Сладкого озера, имеют зелёный и бурый окрас, а иногда они кажутся пурпурными из-за облепивших их серных бактерий. Максимальная глубина озера около 4,5 м. Во время измерений был обнаружен слой воды розового, почти красного цвета на глубине 3 м. На глубине 3,1 м и ниже вода имеет запах сероводорода. Это озеро продолжает сообщаться с морем. Во время нашего посещения водоёма в конце июля наблюдался аномально высокий прилив: вода из моря поступила в озеро, поэтому близко растущие растения, не терпящие соль, были отравлены. Во время этого высокого прилива странно было наблюдать залитые солёной водой подберёзовики.

Бухта Биофильтров — красивейший морской залив с отвесными скалами и совершенно прозрачной водой. Бухта так названа из-за живущих в морской воде животных-фильтраторов, вылавливающих из воды частички пищи. К ним относятся, например, двустворчатые моллюски мидии и рачки балянусы, или морские жёлуди, широко распространённые на Белом море. В бухте Биофильтров все скалы и камни, находящиеся в литоральной зоне (так называется зона берега, в прилив затопляемая водой) сплошь покрыты балянусами и мидиями. В морской воде, начиная с глубины 9,5 м присутствует сероводород.

Морские желуди, или балянусы, живущие в бухте Биофильтров. Название рода связано с формой известковой раковины взрослых рачков, которая напоминает закрытый бутон или желудь (лат. balanus — жёлудь).

Лагуна на Зелёном мысу отделилась от Белого моря каменистой грядой, но продолжает с ним время от времени сообщаться. В момент нашего первого посещения было высокое поднятие морской воды (около 1 м), заливавшей лагуну, а во время второго посещения через неделю уровень воды сильно опустился, и на камнях перемычки, залитых раньше водой, лежали высохшие водоросли. На глубине 4,4 м в лагуне обнаружен слой воды розового цвета, а на глубине 5,5 м вода имеет лимонно-жёлтую окраску.

Озеро Трёхцветное — лидер по содержанию сероводорода в придонном слое среди изученных природных водоёмов. Вода на поверхности в день нашей экспедиции была слегка солоноватая, 0,8‰.

Отбор проб в лагуне на Зелёном мысу

Из всех беломорских отделяющихся водоёмов это единственное по-настоящему меромиктическое озеро, совсем без вертикального перемешивания. МногиегодыМногие годы оно жило изолированной от моря жизнью, пока два года назад редкое сочетание высокого прилива и нагонного ветра не забросило в него порядочную порцию морской воды. Добавка соли, хоть и небольшая, но сохраняется уже третий год. Максимальная глубина озера — 6 м. Озеро имеет ярко выраженную слоистую структуру: верхний слой — прозрачный, пресный; средний слой (1,75 м) изумрудно-зеленого цвета имеет слабый запах сероводорода; нижний — лимонно-жёлтый, с отчётливым запахом сероводорода.

Озеро Еловое — волшебное озеро, спрятавшееся за деревьями и давно отделившееся от моря, с практически пресной поверхностной водой. Однако уже на глубине 1,5 м вода имеет солёность 21,4‰ и затем она постепенно увеличивается до 24,4‰. На глубине 2,75 м присутствует слой мутно-зелёной воды, а на глубине 2,9 м появляется запах сероводорода.

Как показали наши измерения, спектры поглощения поверхностной воды всех изученных водоёмов характеризуются монотонным спадом значений оптической плотности с увеличением длины волны, что типично для гуминовых веществ природной воды. Помимо гуминовых веществ, в спектрах более глубоких слоёв присутствуют полосы поглощения света пигментами микроорганизмов и полосы свечения хлорофилла и бактериохлорофилла, особенно интенсивные для окрашенных слоёв воды. Это свидетельствует о присутствии одноклеточных водорослей и зелёных серобактерий, концентрацию которых в разных слоях можно определить по амплитуде соответствующих пиков в спектрах поглощения или в спектрах флуоресценции.

На примере озера Елового можно выделить черты, типичные для всех исследуемых водоёмов. Вертикальная гидрологическая структура этого озера состоит из трёх водных масс:

1) Поверхностная прогретая опреснённая водная масса, типичная для водоёмов, практически утративших связь с морем. Она характеризуется высоким содержанием гуминовых веществ, поступающих с пресным поверхностным стоком. В оз. Еловом она распространяется до глубины 1 м.

2) На глубине от 1,5 до 2,5 м находится пикноклин (скачок плотности воды) с резкими физико-химическими градиентами, в том числе — быстрым уменьшением содержания гуминовых веществ с глубиной. В верхней части этой зоны наблюдается максимум концентрации хлорофилла и высокое содержание кислорода, выделяемого водорослями.

3) Глубинная водная масса ниже 3 м характеризуется морской солёностью, низкой температурой, анаэробными условиями, реакцией среды, сдвинутой в сторону кислой, и высоким содержанием зелёных серобактерий, о концентрации которых мы можем судить по спектральным характеристикам воды. В нижней, придонной части этого слоя наблюдается также повышение содержания гуминовых веществ. Такая структура типична для всех изученных водоемов с опреснённым верхним слоем. В водоёмах, где опреснение отсутствует или незначительно, средний и нижний слои имеют похожие характеристики.

Морской заяц, или лахтак, интересуется нашей работой

Из отзыва студента, побывавшего на ББС:

«Понравилось всё: место и его оторванность от мира, природа, море, особенно чуть неспокойное, но больше всего — люди, таких не встретишь в Москве, а если встретишь — это будут уже другие люди. Обычная еда там кажется вкуснее. В общем, там всё по-другому. Что рекомендовать физикам, которые поедут на Белое море? Заберитесь на самый верх горы Ругозерская и посидите там немного.»

* * *

Мы благодарим руководство Беломорской биостанции МГУ за предоставленную возможность работы на базе биостанции и материально-техническую поддержку. Особенно мы признательны старшему научному сотруднику биостанции, кандидату биологических наук Елене Дмитриевне Красновой, организатору и вдохновителю всех наших экспедиций.

В статье использованы следующие источники:

1. Краснова Е.Д., Пантюлин А.Н. Кисло-сладкие озера, полные чудес. //Природа, 2013, № 2, с. 39-48.

2. Путешествия по Киндо-мысу. Очерки о природе и науке Беломорской биологической станции Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Автор-составитель Е.Д. Краснова. — Тула: Гриф и К, 2008.

3. Отчет о летней практике студентов кафедры общей физики на ББС. http://wsbs-msu.ru/doc/index.php?ID=144

4. Отчет о сентябрьской экспедиции на кисло-сладкие озера. http://wsbs-msu.ru/doc/view.php?ID=269

Пацаева С. В., старший преподаватель, и студенты 505 группы Харчева Анастасия, Мещанкин Андрей, Лялин Игорь