Исследовательская деятельность на базе карбонового полигона «Геленджик»

Карбоновый полигон на морском побережье

Начиная с 2021 года под руководством Министерства науки и высшего образования РФ на территории нашей страны создаются карбоновые полигоны — площадки, на которых тестируют и развивают методы регистрации и улавливания парниковых газов. Одна из этих площадок расположена на побережье Черного моря, неподалеку от города Геленджик. Благодаря такой локации карбоновый полигон «Геленджик» очень удобен для проведения как наземных, так и морских исследований. На сухопутной части полигона площадью около 10 гектаров ученые проводят наблюдения за выделением метана и углекислого газа в условиях луговой, лесной и смешанной кустарничковой растительности. На морской площадке, простирающейся на 12 километров вдоль морского побережья, исследователи измеряют потоки парниковых газов на поверхности моря, а также наблюдают за тем, как меняется весь углеродный цикл водной толщи. Такие работы ведутся на карбоновом полигоне круглогодично при финансовой поддержке Благотворительного фонда Андрея Мельниченко.

Первые результаты наблюдений за потоками парниковых газов

За два года исследований на карбоновом полигоне «Геленджик» ученые получили ряд важных результатов, которые опубликованы в отечественных и зарубежных журналах. Одной из первых работ здесь стало создание цифровой модели площадки. Она позволила подробно описать рельеф как береговой, так морской частей полигона. Данные о рельефе местности важно учитывать при проведении геолого-геоморфологических, биогеографических и геоэкологических работ, при моделировании переноса и поглощения парниковых газов в наземной и морской среде.

В дальнейшем в ходе наблюдений за потоками углекислого газа в акватории Черного моря исследователи определили, что на обмен углекислым газом между морской поверхностью и атмосферой влияет температура воды, погодные условия, в частности, наличие ветра. При этом на исследуемой площадке преобладал поток углекислого газа из атмосферы в море. Однако, опираясь на данные о концентрации этого газа в поверхностном слое воды, ученые полагают, что в будущем его обратный поток — в направлении атмосферы — может возрасти.

Результаты работ, проведенных на сухопутной площадке полигона, указывают на то, что в наземных условиях потоки парниковых газов зависят от растительного сообщества, преобладающего на исследуемой территории, а также фазы жизненного цикла растений. Кроме того, ученые определили, что влияние также оказывают погода и сезон. Так, например, в засушливые периоды потоки углекислого газа и метана снижаются, а во время дождей, напротив, становятся интенсивнее. Это объясняется тем, что во влажной почве активнее происходит разложение органических веществ микроорганизмами. При этом долгосрочные наблюдения на протяжении 2022–2023 годов показали, что в целом почвенный покров стабильно служит источником углекислого газа и поглотителем метана из атмосферы.

Микроводоросли в углеродном цикле Черного моря

В углеродном цикле — превращении углерода из неорганических форм в органические и обратно — важную роль играют фотосинтезирующие организмы, поскольку они используют углекислый газ из атмосферы для синтеза органических молекул. В морских экосистемах большая часть таких организмов представлена фитопланктоном — микроскопическими водорослями, «парящими» в толще воды. Поэтому ученые, работающие на карбоновом полигоне «Геленджик», помимо непосредственного изучения потоков парниковых газов, уделяют внимание и микроорганизмам, использующим углекислый газ в процессе жизнедеятельности.

Поскольку на рост фитопланктона и, соответственно, производство органических веществ клетками влияет количество и доступность питательных веществ в окружающей среде, биологи рассмотрели модели, связывающие эти параметры. Ученые пришли к выводу, что достаточно точным и удобным для моделирования роста микроводорослей и производства ими органических веществ остается уравнение, предложенное более полувека назад шотландским ученым Майклом Друпом. Оно позволяет математически обосновать оптимальный для того или иного вида водорослей состав среды и тем самым оценить, насколько реальные условия обитания микроводорослей соответствуют ему.

Кроме того, в ходе длительных — в течение нескольких лет — наблюдений биологам удалось оценить, как меняется численность и видовой состав фитопланктона в северо-восточной части Черного моря в зависимости от времени года. Ученые определили, что на распределение микроводорослей влияет химический состав и температура воды. Так, есть представители фитопланктона, которые предпочитают низкие концентрации таких жизненно важных для любых живых организмов элементов, как азот и фосфор. Есть, напротив, виды, которым этих элементов необходимо много. При этом количество азота и фосфора в море меняется сезонно из-за смещения глубины термоклина (резкого скачка в температуре воды). Так, например, при заглублении термоклина в летние месяцы количество фосфора существенно снижается, и эти условия приводят к активному росту и размножению крупных диатомовых водорослей. Избыток фосфора оказывается благоприятен для кокколитофорид, которые, согласно наблюдениям, ежегодно (за исключением 2020 года) вызывали в районе Геленджика цветение воды в начале июня.

Стабильность морских сообществ и постоянство углеродных потоков

При этом биологи определили, что преобладание тех или иных видов микроводорослей влияет на сезонные изменения в количестве углекислого газа, выделяющегося с поверхности моря. Так, во время цветения кокколитофорид в конце весны и начале лета в воде увеличивается парциальное давление углекислого газа, что приводит к более интенсивному его потоку в атмосферу. Позже — в летний период — этот процесс, напротив, сменяется поглощением, и он соответствует времени активного роста крупных диатомовых водорослей. Однако на более продолжительных временных промежутках — при сравнении динамики углекислого газа в разные годы — исследователи каких-либо значимых трендов не выявили.

Помимо фитопланктона, на морской площадке карбонового полигона «Геленджик» биологии исследовали состояние зоопланктона — одноклеточных, личинок, мелких ракообразных и других организмов, перемещающихся с током воды и неспособных фотосинтезировать. Наблюдения показали, что, хотя в период с 2021 по 2022 год численность зоопланктона в Голубой бухте несколько снизилась, потребление этими организмами фитопланктона (своей естественной пищи) не изменилось. Это говорит о том, что морская экосистема устойчива, ее сообщества стабильны, и они не испытывают каких-либо значимых негативных влияний со стороны окружающей среды.

На данный момент ученые продолжают всесторонне исследовать морские и наземные экосистемы, которые включает территория карбонового полигона «Геленджик».