"Черное море будет уже другим — но здоровым". Выводы ученых на основе 70-летних наблюдений
Как устроено море
Если представлять очень упрощенную модель Черного моря, то это будет гигантский стакан с водой. Если насыпать в него сахара — побольше, но не размешивая! — то он осядет на дно, потому что тяжелее и плотнее, чем жидкость.
По той же причине в глубине моря находится более соленая вода, насыщенная сероводородом, а на нее как будто опирается менее плотная — насыщенная кислородом, но содержащая меньше соли. Правда, в море обратное соотношение размера слоев: снизу сероводородный — толщиной до 2 км, а у поверхности в 20 раз меньший — кислородный.
Если положить в стакан пакетик с заваркой, то видно, как от него расходятся темные чайные разводы — примерно так же перемещается в воде растворенный газ. Все знают, что чай заваривается только в горячей воде, но в случае с кислородом получается наоборот: в теплой воде растворяется меньшее количество газа. Однако перемешивание (что ложкой в стакане, что течением в море) ускоряет этот процесс.
К слову, в случае с Черным морем "ложечка" — то есть круговое течение — движется против часовой стрелки, а значит, вода в центре его окружности не образует воронку вниз, как в стакане, а, наоборот, приподнимается из глубины.
Самые полные наблюдения
Именно отечественные ученые внесли гигантский вклад в понимание того, как устроено Черное море: современный этап научных исследований начался в конце XIX века работами Русского, тогда императорского, географического общества. Позднее исследователи выявили три слоя: сероводородный, промежуточный и кислородный. Также за годы исследований стало понятно, что вода из Босфора втекает, проходя над сероводородной зоной и контролируя подъем сероводорода, затем против часовой стрелки течение огибает все море, приподнимая границы кислородной зоны внутри водоворота, и с поверхностными водами уходит через Босфор обратно в Мраморное и Средиземное моря.
Благодаря научно-исследовательскому судну "Профессор Водяницкий", владельцем которого является Институт биологии южных морей РАН (ИнБЮМ), одни и те же процессы в Черном море наблюдаются регулярно в разных погодных условиях, в разные времена года и в разных районах.
"Наши ученые участвуют в экспедициях на НИС "Профессор Водяницкий", проводя в рейсах до 100 дней в год. Благодаря этому у нас есть, насколько нам известно, самые обширные и полные в мире результаты мониторинга процессов, происходящих в Черном море", — говорит директор Морского гидрофизического института РАН (МГИ), член-корреспондент РАН Сергей Коновалов.
Снижение уровня кислорода в море встревожило ученых уже в 1980-х — через 30 лет после начала систематического мониторинга. Они увидели, что кислородная зона в центральной части моря начинает сжиматься.
"Обжорство" водорослей
Кислород поступает в воду из атмосферы и в результате фотосинтеза, который происходит в первую очередь благодаря огромной массе мельчайших водорослей, составляющих фитопланктон. Из-за этого в поверхностные слои вод его поступает больше, чем потребляется.
"[К 1980-му] реки — во всех причерноморских странах — выносили в море очень большой объем биогенных элементов (соединений азота, фосфора, кремния), которые становились пищей для планктона. Это и удобрения, и просто неочищенные стоки. И был зафиксирован взрывной рост количества водорослей, получивших небывалую до тех пор кормовую базу", — рассказал Коновалов.
Из-за роста популяции водорослей стало сокращаться количество кислорода в черноморских водах: он стал достигать меньшей глубины. Дело в том, что увеличился его расход на окисление погибшего планктона, и кислород перестал достигать более глубоких слоев.
Кроме того, в этот же период увеличилась выработка сероводорода — сейчас его концентрация в придонных водах в 1,5 раза выше, чем в 1950-х. При этом граница нижней, сероводородной, зоны не поднялась — ее стабилизирует поступающий из Босфора поток воды, насыщенной кислородом, при взаимодействии окисляющим сероводород. Однако увеличилась толщина промежуточного слоя.
"Тогда количество кислорода уменьшилось примерно на 30%. И я писал об этом в статьях, мне начали задавать вопросы: "Взорвется ли Черное море? Будет ли катастрофа?" И я отвечал, что катастрофа уже произошла, мы в ней уже живем. Это не значит, что Черное море взорвется или что люди на берегу начнут умирать. Но состояние экосистемы ухудшилось. Но затем продуцирование органического вещества, которое должно было окисляться, постепенно сократилось, и до сих пор не слишком высокое. Логично, что кислородная зона должна была бы восстановиться. Но этого не произошло", — добавил Коновалов.
Морю душно
"С 1950-х годов наблюдались четыре разных периода с разным содержанием кислорода, соленостью воды и температурой. И если в 1980–1990-х годах преимущественное влияние имел антропогенный фактор, то современный уровень кислорода и особенности его распределения определяются изменением температурного режима", — рассказала заведующая отделом биогеохимии моря и лабораторией мониторинга и исследования потоков парниковых газов и кислорода в морской среде МГИ РАН Наталья Орехова.
Глобальное потепление — факт общеизвестный, ученые фиксируют постепенный и непрерывный рост среднегодовых температур. Также растет содержание углекислого газа в атмосфере. Больше всего углерода, сдерживая потепление, поглощает верхняя часть литосферы — кора Земли, а на втором месте — Мировой океан.
Получается, что "вдыхает" Черное море не только кислород, но и углекислый газ. Было бы логично предположить, что содержание углерода в морской воде будет расти, а кислорода сокращаться — но по данному параметру показатели находятся более или менее на одном уровне, и не фиксируется тренда к стабильному увеличению концентрации СО2 в поверхностном слое вод.
"Тут важно уточнить, что непрерывные наблюдения по этому параметру ведутся всего 10 лет, а для гидрометеорологии минимальным релевантным сроком принято считать 30. Так что в будущем выводы еще могут быть скорректированы: может измениться ситуация, или мы получим более обширные данные, которые покажут иную динамику, у нас появятся более точное оборудование или более совершенные способы исследований", — отметила Орехова.
И все же потепление оказывает большое влияние на кислородную зону Черного моря. При увеличении температуры газ хуже растворяется и в то же время увеличивается его потребление, потому что более интенсивно идут процессы окисления отмерших водорослей.
"А теперь возвращаемся на 70 лет назад, к началу периода наших наблюдений. Потребление кислорода в самом море было меньше, так как не произошло еще избыточного поступления кормовой базы. И зимы были холоднее — а чем ниже температура воздуха и воды, тем глубже распространится кислород. То есть зимой кислородная зона расширяется, летом сокращается — циклический процесс", — отметил Сергей Коновалов.
В 2023 году доказать связь между более теплыми зимами и подъемом границы кислородной зоны смогла аспирантка и младший научный сотрудник МГИ РАН Анна Масевич.
"В итоге это значит, что кислородная зона не восстанавливается даже при снижении расхода кислорода. И на самом деле нам очень повезло, что бурный рост биомассы водорослей закончился до такого сильного потепления — иначе была бы действительно катастрофа", — пояснил Сергей Коновалов.
В итоге, если 70 лет назад в центральной части моря, где границы слоев приподнимаются из-за циклонического течения, кислородная зона достигала примерно 120 м, то сейчас заканчивается на глубине от 70 м.
"Получается, объем кислорода сократился где-то на 40%. Но, еще раз, мы говорим про зону в центре моря — за кольцом Основного черноморского течения ситуация иная, хотя тоже имеет свои особенности", — отметил Коновалов. И пояснил: в периферийных водах глубоководной части моря ситуация лучше, там граница находится примерно на 150 м.
Математика моря
Чтобы понять, как сокращение кислородной зоны скажется на морских обитателях, ученые как один из инструментов используют математические модели, позволяющие просчитать множество разных вариантов, тогда как наблюдение в естественной среде дает возможность судить только о текущей ситуации и о том, что уже произошло.
Любая из моделей — очень сложная система уравнений с огромным количеством переменных. Ученые учитывают все имеющиеся данные по теме — например, как развивается конкретный биологический вид и как на него влияют те или иные условия окружающей среды. Сейчас все расчеты проводятся с помощью специализированных компьютерных программ, что позволяет ученым экспериментировать, меняя значения того или иного параметра окружающей среды.
"И вот коллега из ИнБЮМ — ведущий научный сотрудник отдела функционирования морских экосистем Виктор Мельников — предложил проверить, что будет с крошечными рачками Calanus euxinus при подъеме границы кислородной зоны. Эти гидробионты — один из важнейших компонентов экосистемы, они формируют большую часть кормовой базы для множества других видов. Мы использовали данные, полученные учеными наших институтов, и сведения из научных статей коллег со всего мира", — рассказала автор математической модели, замдиректора МГИ Елена Васечкина.
В основу модели легли уже известные факторы, влияющие на жизнедеятельность рачков, а возможные в будущем изменения, например глубина обитания, размножение и опасность нападения хищных рыб, вносились постепенно.
В итоге выяснилось, что главным риском в изменившейся среде будет уничтожение хищниками рачков в диапаузе — так называют состояние, похожее на спячку, в которое многие Calanus euxinus впадают при переходе от последней "подростковой" стадии ко взрослой. В это время рачки опускаются на нижнюю границу кислородной зоны. Но если раньше она была недосягаема для шпрота и других рыб, то сейчас поднялась и находится на комфортном для них уровне.
При этом даже небольшое сокращение популяции рачков на данном этапе развития ведет к уменьшению кормовой базы для прочих видов в срединной, наиболее глубоководной, части Черного моря.
Изменение экосистемы
"Шаланды, полные кефали, в Одессу Костя приводил…" — напевает уже упомянутый сотрудник ИнБЮМ Виктор Мельников. И продолжает: — Помните такую песню 1943-го года? Сегодня это невозможно: смещение слоев и сокращение кислородной зоны очень сильно влияют на экосистему моря. Среди очевидных факторов: сокращается также промежуточный слой холодных вод, а ведь именно в нем обитают холодноводные виды Черного моря — те же Calanus euxinus и черноморский шпрот. Самое настораживающее, как показали наши последние исследования, — то, что этот холодный слой постепенно нагрелся и смешался с окружающими водами. Из-за общемирового потепления он перестал обновляться в зимние месяцы, и это поставило под угрозу весь комплекс холодноводных видов Черного моря. Исчезает комфортная среда — сокращается популяция".
За последние десятилетия ученые ИнБЮМ, специализирующиеся на изучении биологических процессов, выявили несколько причин изменения экосистемы. Помимо потепления и сокращения кислородной зоны это и промысел рыбы во второй половине ХХ века, зачастую варварский.
"Как раз около Одессы, на северо-западе Черного моря, был "роддом" для рыб — существовавшая на протяжении нескольких тысяч лет особая придонная зона с обширными полями водорослей, куда многие крупные виды приходили на нерест. Она очень быстро была уничтожена, в том числе из-за использования донных тралов на рыболовецких судах", — привел пример Мельников.
Очень важным следствием глобального потепления и сокращения популяций стало появление организмов, ранее не свойственных для Черного моря. Самый яркий пример этого — огромное количество медуз, которые мигрировали из более южных морей, конкурируют за кормовую базу с черноморскими видами и даже теснят их.
"И что я могу сказать, возвращаясь к нашему с Еленой Федоровной исследованию? Сокращение популяции Calanus euxinus может и не произойти в том виде, как мы рассчитали. Это может оказаться временным риском, так как и шпрот — холодолюбивый вид и в будущем также может пострадать от подъема границы кислородной зоны и повышения температур. Но что точно — так это то, что Черное море меняется и прежним уже не будет", — добавил ученый ИнБЮМ.
Нужно следить за здоровьем
"Это как состояние здоровья человека. С одной стороны, курит и ест слишком много жирного — это для здоровья плохо. Зато спортом занимается и витамины пьет — это на пользу. И живет себе человек. Так же и с морем: нельзя говорить, что начался какой-то процесс и море погибнет, все и всё умрет — нет, это слишком сложная система. Опять же, сложно говорить о будущем: кто-то говорит, что будет продолжаться потепление, кто-то — и я в этом лагере ученых, — что Землю ожидает вскоре период похолодания. Такие периоды похолодания после предыдущих периодов потепления в регионе Черного моря уже наблюдались в конце 1920-х, в 1950-х, в начале 1990-х годов", — говорит Сергей Коновалов.
Однако это не означает, что ситуацию нужно пустить на самотек и перестать что-то делать для сохранения кислородной зоны.
Если процессы в центральной части моря ученые уже могут представить в виде диаграмм, таблиц и промежуточных выводов, то ситуация у побережья находится в стадии активного изучения и анализа.
В прибрежных водах также увеличено потребление кислорода на окисление отмерших водорослей и поступающего с берега по вине человека органического вещества (ведь, как сказано вначале, биомасса растет из-за обильных стоков). Хотя пока черноморское течение в целом спасает ситуацию, активно перемешивая воды и насыщая их кислородом. Кроме того, ученые недавно стали фиксировать появление сероводорода даже во впадинах особенно загруженных бухт — на глубине не 150, а всего 10 м.
"О здоровье и моря, и человека нужно заботиться. Что можно сделать, чтобы поддержать здоровье моря? В первую очередь, решить вопрос с очистными сооружениями и глубоководными выпусками. И не нужно кивать на соседей: да, ситуация везде примерно одинаковая, все страны "ходят под себя", как младенцы, — ну так давайте взрослеть! Если будет обеспечена очистка стоков в Севастополе, Крыму и на Краснодарском побережье, то Россия и российское научное сообщество будут иметь полное право требовать того же от других причерноморских стран. Да, мы не вернем море к состоянию 70-летней давности, это закон природы: все меняется, и Черное море будет уже другим — но здоровым", — добавил ученый.
P.S. Все исследования, результаты которых приведены в материале, проводились до разлива мазута 15 декабря 2024 года. К настоящему времени нет информации о точной зоне распространения загрязнения и о том, попали ли данные нефтепродукты в срединную часть Черного моря, а также неизвестно, повлияла ли эта ситуация и если да, то каким образом на кислородную зону в рассматриваемом районе. Чтобы выяснить это, ученым понадобится ряд полевых исследований и время на обработку данных.