Методы и подходы

При натурных исследованиях будет применяться специально разработанная методика и комплекс приборов, направленные на достижение максимально высокого разрешения при квазисиноптических измерениях. Используются малотоннажные плавстредства, позволяющие работать как на значительном удалении от берега, так и на мелководьях вплотную к нему.  На гидрологических станциях выполняются стандартные измерения и вертикальные зондирования. Однако большая часть измерений и отбора проб проводится непрерывно находу судна за счёт использования бортового насоса и проточных измерительных систем, в том числе проточного CTD зонда, а также профилографа ADCP, автоматического судового измерителя коэффициента яркости моря ЭММА и ультрафиолетового лидара УФЛ-9. Лазерные зондирования лидаром осуществляются с частотой̆ 2 Гц, чем обеспечивается очень высокое пространственное разрешение вдоль траектории судна. Лидар очень полезен для количественных оценок потоков минеральной и органической взвеси – а, как известно, именно взвесь является основным субстратом для загрязнений. Концентрация общей взвеси как отдельный показатель входит практически во все существующие в настоящее время классификации качества вод.

Измерения короткопериодной̆ изменчивости скорости течений и термической̆структуры будут выполняться также механическими измерителями течений и цепочками термисторов на заякоренных станциях  Начиная с 2010 г., в шельфово-склоновой зоне моря в районе г. Геленджик на базе Южного отделения ФГБУН Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ЮО ИОРАН) действует постоянный гидрофизический полигон “Геленджик”, предназначенный для непрерывного круглогодичного мониторинга состояния черноморской прибрежной экосистемы. На акватории полигона, в том числе с использованием пирса-стенда ЮО ИОРАН, испытываются и отрабатываются новые образцы технических средств и методы океанографических исследований, включая средства и методы оперативной океанографии. Приборную основу полигона составляют размещённые на нем автономные измерительные системы в составе зондовпрофилографов «Аквалог» (разработка ИОРАН) на заякоренных станциях, донных станций с акустическими доплеровскими профилографами скорости течения (ADCP) и заякоренными термокосами (разработка ЮО ИОРАН). Эти системы охватывают измерениями практически всю толщу вод на шельфе и верхней части континентального склона и обеспечивают регулярное получение гидрофизических данных с высоким пространственно-временным разрешением. Это позволяет исследовать разнопериодные (от нескольких минут до десятков суток) и разномасштабные (от десятков м до десяти км) процессы, оказывающие определяющее влияние на функционирование прибрежной морской экосистемы. В одной из точек полигона установлен навигационный заякоренный буй с автоматической метеостанцией, осуществляющей непрерывные измерения скорости ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления на высоте 6 м от уровня моря. Метеоданные каждые 10 мин передаются в береговой центр приёма в оперативном режиме по каналу радиосвязи. Важным элементом полигона является пирс-стенд, на котором размещены контейнерные лаборатории с научным оборудованием, подведено электропитание, оптоволоконная линия, Интернет. Оборудование контейнерных лабораторий (коммуникация с подводным оптоволоконным кабелем, радиолокационные приборы, связь GSM) позволяет оперативно принимать и передать в сеть Интернет данные измерений приборных комплексов полигона “Геленджик”. С пирса-стенда проводятся испытания новых образцов океанографической техники, выполняются натурные измерения.

Измерения короткопериодной̆ изменчивости скорости течений и термической̆структуры будут выполняться также механическими измерителями течений и цепочками термисторов на заякоренных станциях  Начиная с 2010 г., в шельфово-склоновой зоне моря в районе г. Геленджик на базе Южного отделения ФГБУН Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ЮО ИОРАН) действует постоянный гидрофизический полигон “Геленджик”, предназначенный для непрерывного круглогодичного мониторинга состояния черноморской прибрежной экосистемы. На акватории полигона, в том числе с использованием пирса-стенда ЮО ИОРАН, испытываются и отрабатываются новые образцы технических средств и методы океанографических исследований, включая средства и методы оперативной океанографии. Приборную основу полигона составляют размещённые на нем автономные измерительные системы в составе зондовпрофилографов «Аквалог» (разработка ИОРАН) на заякоренных станциях, донных станций с акустическими доплеровскими профилографами скорости течения (ADCP) и заякоренными термокосами (разработка ЮО ИОРАН). Эти системы охватывают измерениями практически всю толщу вод на шельфе и верхней части континентального склона и обеспечивают регулярное получение гидрофизических данных с высоким пространственно-временным разрешением. Это позволяет исследовать разнопериодные (от нескольких минут до десятков суток) и разномасштабные (от десятков м до десяти км) процессы, оказывающие определяющее влияние на функционирование прибрежной морской экосистемы. В одной из точек полигона установлен навигационный заякоренный буй с автоматической метеостанцией, осуществляющей непрерывные измерения скорости ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления на высоте 6 м от уровня моря. Метеоданные каждые 10 мин передаются в береговой центр приёма в оперативном режиме по каналу радиосвязи. Важным элементом полигона является пирс-стенд, на котором размещены контейнерные лаборатории с научным оборудованием, подведено электропитание, оптоволоконная линия, Интернет. Оборудование контейнерных лабораторий (коммуникация с подводным оптоволоконным кабелем, радиолокационные приборы, связь GSM) позволяет оперативно принимать и передать в сеть Интернет данные измерений приборных комплексов полигона “Геленджик”. С пирса-стенда проводятся испытания новых образцов океанографической техники, выполняются натурные измерения.

Для лабораторных анализов будут использоваться аналитические лаборатории ИОРАН и ЮО ИОРАН. Эти лаборатории оснащены необходимым оборудованием для проведения отбора проб и выполнения количественного химического анализа: ИК- спектрофотометр IRAffinity-1 фирмы Shimadzu, жидкостной̆ хроматограф LC-20 Prominence фирма Shimadzu, газовый̆ хроматограф и сканирующий̆ электронный̆ микроскоп VEGA-3sem фирмы TESCAN с системой̆рентгеноспектрального микроанализа Oxford INCA Energy 350. Используются современные методики определения основных техногенных загрязнений следующими методами: атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) — тяжёлые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Cr, Co, Fe, Mn); флюориметрический метод — нефтепродукты, детергенты, фенолы; жидкостная хроматография – ПАУ (бензапирен); газовая хроматография – пестициды (ХОП: α- ГХЦГ, γ-ГХЦГ, β-ГХЦГ, DDT, DDE, DDD, гептахлор, гексахлорбензол); спектрофотометрические, потенциометрические, титриметрические и гравиметрические методы – растворённый̆ кислород, БПК, рН, щёлочность, фосфаты, валовый̆фосфор, силикаты, нитраты, нитриты, аммонийный̆азот, валовый̆ азот, взвешенное вещество и др. В лабораторных условиях проводится также определение группового состава экстрактов углеводородов методом колоночной̆ жидкостно- адсорбционной̆хроматографии. Исследуемые пробы углеводородов будут изучены с использованием комплекса физикохимических методов анализа: жидкостно-адсорбционной колоночной хроматографии, высокоэффективной жидкостной и газовой хроматографии. Изучение структурногруппового состава компонентов экстрактов и их фракций позволит идентифицировать как индивидуальные углеводородные соединения, так и их смеси, определение структурногруппового состава компонентов. Будет проведена расшифровка спектров и расчеты относительных коэффициентов поглощения различных структурных групп: кислородсодержащих групп и связей (карбонильных, гидроксильных, эфирных), ароматических УВ, метильных и метиленовых групп и др. Идентификация соединений осуществляется по временам удерживания путём сравнения полученных массфрагментограмм с уже имеющимися в библиотеке спектрами. По единой методике будет определён генезис и концентрации взвешенных в воде частиц; установлены источники поставки взвеси (твёрдых частиц микронных и субмикронных размеров биогенной и абиогенной природы), распределение и дифференциация (механическая, химическая и биологическая) взвешенных частиц в водной толще.

В части численного моделирования будут использоваться несколько математических моделей. В качестве основной̆ численной̆ модели Чёрного моря будет использоваться модель BSAS12 на основе NEMO – одной̆из наиболее перспективных и современных из существующих моделей̆. Участник коллектива исполнителей̆ к.ф.-м.н. Р.О. Седаков прошел специальную стажировку под руководством профессора Бернара Барнье (Bernard Barnier) в Университете Гренобля (Франция) по применению NEMO к Чёрному морю. Во время этой̆стажировки им была подготовлена особая региональная реализация NEMO для Чёрного и Азовского морей, названная BSAS12. Численная модель NEMO (Nucleus for European Modelling of Ocean) — это комплекс модулей для использования на архитектурах с распараллеленным вычислением. Изначально океанический модуль NEMO был развит на базе моделей OPA (Ocean PArallelise) [Madec et al., 1998]. На сегодняшний день существует множество как глобальных, так и локальных реализаций NEMO. Модель BSAS12 циркуляции в Чёрном и Азовском морях, подготовленная для использования в рамках предлагаемого проекта, основана на модели ORCA12 NEMO. Это численная модель с пространственным разрешением 1/12 градуса (что для широт Чёрного моря составляет около 7 км), в районе КП возможно сгущение сетки. Модель имеет 59 слоёв по вертикали; используется батиметрия глобальной модели ORCA12; атмосферный форсинг задаётся по данным глобального реанализа ERA- INTERIM (данные интерполируются для обеспечения дискретности 3 ч), прошедшими процедуру «даунскейлинга» для увеличения пространственного разрешения с помощью атмосферной модели WRF. Начальные условия для Чёрного моря формируются из глобального реанализа GLORYS2V4. В проливе Босфор задаются условия открытой границы [Gregg and Ozoy, 2002]. Стоки рек в Азовское море и Черное море задаются по измерениям гидрологических постов.

Особое место в планируемых исследованиях займёт анализ загрязнения акваторий пластиковыми отходами (микропластик и макроскопический пластиковый мусор). Актуальность этой темы связана прежде всего с тем, что многократно усилившееся в последние годы антропогенное загрязнение пластиковым мусором существенно влияет на экосистемы на поверхности моря, морском дне, в толще воды и на береговой̆линии [см., например, Woodall et al., 2014]. Частицы пластика были обнаружены в как минимум 693 морских биологических видах [Gall and Thompson, 2015]. Влияние пластика на морскую биоту включает механические воздействия, вторжение в пищевые цепи, контаминацию стойкими загрязняющими веществами и интродукцию инвазивных видов (в частности, водорослей̆) в результате обрастания плавающих пластиковых фрагментов и их переноса между акваториями [Derraik, 2002]. На частицах пластика могут сорбироваться различные органические загрязнения, что также приводит к биоаккумуляции этих веществ при включении в пищевые цепи [Engler, 2012; Koelmans, 2013]. В связи с этим, изучение процессов поступления, распространения и трансформации пластикового мусора в море может считаться актуальной задачей глобального масштаба.

Также в этом же блоке работ для различных ветровых условий будет верифицирована спектральная волновая модель MIKE21SW Датского Гидравлического института (DHI, 2007). Модель реализует основные физические механизмы зарождения, трансформации и затухания ветрового волнения, включая рост волн под воздействием приземного ветра, нелинейные внутриволновые взаимодействия, диссипацию энергии волн вследствие забурунивания, донного трения и обрушения, рефракцию и дифракцию волнового поля, взаимодействие поверхностного волнения и течений. Еще одним направлением численного моделирования в рамках проекта будет разработка и совершенствование биогеохимических моделей. Такие модели дают возможность проследить, как климатические изменения влияют на формирование эвтрофикации моря, включая развитие гипоксии и подкисление моря. В проекте планируется использовать биогеохимическую модель O-N-P-C-Si-S-Mn-Fe BROM [Yakushev et al., 2017], описывающую процессы в водной толще и верхнем слое донных осадков. Модель будет использоваться совместно с гидродинамической моделью NEMO/BSAS12 для расчётов в представляющих наибольший интерес акваториях у северо-восточного побережья моря.