environments.aq

Портал окружающей среды Антарктики

environments.aq Logo

Antarctic Environments Portal

Разнообразие озёр, прудов и водотоков в Антарктике

Разнообразие озёр, прудов и водотоков в Антарктике

Сводная информация

Версия: 1.0

Опубликовано: 10/05/2019 GMT

Рассмотрено: 10/05/2019 GMT

Авторы

Clive Howard-Williams (1), Ian Hawes (2), Peter Doran (3), Martin Siegert (4), Antonio Camacho (5), Enn Kaup (6)

1. NIWA (Ltd), Box 8602, Christchurch, NZ, clive.howard-williams@niwa.co.nz
2. University of Waikato, Coastal Marine Field Station, Sulphur Point, Tauranga 3110,NZ ian.hawes@waikato.ac.nz
3. Department of Geology and Geophysics, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana, USA. pdoran@lsu.edu
4. Grantham Institute, Imperial College, University of London m.siegert@imperial.ac.uk
5. Cavanilles Institute for Biodiversity and Evolutionary Biology, University of Valencia, E-46980 Paterna, Valencia, Spain. antonio.camacho@uv.es
6. Tallinn University of Technology, Tallinn, Estonia. enn.kaup@ttu.ee

Резюме

Внутренние воды широко распространены в Антарктике, и многие из них имеют характеристики, присущие только водам полярных регионов. Мы представляем обобщённую информацию о разнообразии внутренних водных экосистем и характеристик, которые делают их уязвимыми для прямого вмешательства человека, а также изменчивости и изменения окружающей среды. Основными источниками поверхностных вод являются лёд и снег, редко выпадают дожди (за исключением морских районов Антарктики), вследствие чего водотоки ограничиваются летним таянием. Подземные и подледниковые системы были выявлены, но в основном не исследованы. Сезонное замерзание придаёт значительную изменчивость физической природной среде приповерхностных экосистем. На некоторые водоёмы уже оказывают воздействие станции и постоянные полевые исследования, которые могут оставить последствия, вызванные человеческой деятельностью. Изменение климата сильно изменит внутренние водные экосистемы континента. Управление непосредственной деятельностью человека осуществляется с помощью ООРА, ОУРА, а также «Кодекса поведения при осуществлении наземных научных полевых исследований в Антарктике» и «Кодекса поведения при разведке и исследовании подледниковых водных сред обитания», разработанных СКАР, с наложением национальных программ.


Резюме

Общие физические характеристики

Внутренние водные экосистемы Антарктики включают в себя поверхностные, подледниковые и подземные водные системы1,2,3,4 и являются центрами биоразнообразия, биогеохимии и биологического производства. Источники жидкой воды варьируются по всему континенту, с возрастающей зависимостью от таяния ледникового льда в результате недавнего снегопада (и дождя) от морских районов до высоких широт. Летняя продолжительность свободнотекущей воды обусловлена аналогичным градиентом, от нескольких месяцев в морских районах Антарктики до нескольких дней в году в районе 80o ю.ш.  На Антарктическом полуострове относительно большое количество осадков приводит к высоким водосборам, а озёра и пруды в основном хорошо наполняются и разбавляются.  В более высоких широтах увеличение засушливости приводит к увеличению доли бессточных озёр и прудов (водосборов, в которых нет стока), в которых засоление (накопление солей) становится преобладающим. Засоление является особенностью нескольких систем подземных вод, проанализированных на сегодняшний день. Озёра и пруды в более холодных внутренних частях континента могут быть постоянно покрыты многометровым льдом, в пределах которого потери от абляции и таяния в грунте компенсируются приростом во время зимнего замерзания. Озёра и пруды в более низких широтах могут получать достаточно тепла в летний период, чтобы часто становиться сезонно свободными ото льда.

Учитывая существенные различия в фундаментальных аспектах внутренних вод в разных частях Антарктики, мы определили пять систем внутреннего водосбора, которые в значительной степени соответствуют «Анализу экологических доменов антарктического континента»5: 1. Морские районы; 2. Континентальные оазисы; 3. Полярные пустыни; 4. Надледниковые экосистемы; 5. Подледниковые экосистемы.

1. Морские районы:

Примеры: Остров Кинг-Джордж (Ватерлоо), полуостров Байерс, Земля Александра I, остров Сигни

Это самая влажная часть Антарктики, где летние температуры часто превышают ноль градусов и выпадает значительное количество осадков в виде дождя. Эти условия, а также таяние зимнего снега, приводят к образованию ручьёв, которые текут в течение относительно длинных периодов. Водосборы могут быть частично покрыты микробными матами, мхами и печёночниками (а также травами в некоторых северных районах), которые обеспечивают некоторые органические и питательные вещества для водоёмов6. Внутренние воды, как правило, сильно разбавлены и непродуктивны (ультраолиготрофны), хотя в прибрежных районах морские животные могут способствовать обогащению питательными веществами (эвтрофикация). Соль, как правило, присутствует в малых количествах и в основном из морских брызг7. Летом озёра и пруды обычно свободны ото льда7. Обильные талые воды означают, что большинство из них имеют отток и имеют относительно стабильные уровни, но некоторые из них забиты льдом. Морские озёра, как правило, хорошо перемешаны летом в свободном ото льда состоянии, а зимой имеют слоистую структуру подо льдом. Такие озёра называются голомиктическими.

Diversity fig 1

Рисунок 1.  Ландшафт центрального плато полуострова Байерс с озёрами и реками в конце лета (остров Ливингстон (Смоленск), Южные Шетландские острова, морские районы Антарктики). (Фото: Antonio Camacho)

2. Континентальные оазисы:

Примеры: Оазисы холмов Бангер, Вестфолд и Ларсеманн, оазисы Ширмахера и Сёва

Континентальные оазисы встречаются на континентальных окраинах в сравнительно недавно сформировавшихся ландшафтах, которые часто образуются в результате голоценового отступления ледникового щита и сопровождающегося поднятия поверхности земли (изостатическое поднятие). Некоторые озёра существовали как минимум во время последнего ледниково-межледникового цикла8.  Ручьи, которые текут только летом, как правило, имеют небольшую длину, некоторые отличаются большими потоками (например, до 6 м3с-1 в реке Водоросли, холмы Бангер), чаще из внутренних ледниковых щитов, чем из ледников. Пруды зачастую богаты цианобактериями, а иногда и водными мхами. В озёрах Оазисов наблюдается сочетание летних свободных ото льда и покрытых льдом условий. Большинство из них являются пресноводными, однако в результате испарения и выделения погребённой морской воды могут возникнуть системы, варьирующиеся от солоноватых до гиперсолёных. Озёра здесь зачастую являются химически стратифицированными (меромиктическими), где талые воды перекрывают реликтовую морскую воду. В качестве примера можно привести Глубокое озеро (холмы Вестфолд) – солевой концевой элемент с морской водой, сконцентрированной в результате испарения, которая зимой остаётся свободной ото льда при температуре -15oC9. Приливно-отливные эпишельфовые озёра2 встречаются здесь и в морских районах Антарктики.  Эпишельфовые озёра встречаются там, где пресная вода накапливается на стыке оазисов и плавающих шельфовых ледников. Пресная вода покрывает морскую воду у основания озера.

Diversity Fig 2

Рисунок 2. Континентальный оазис: Холмы Вестфолд, Антарктика (фото: Австралийская антарктическая служба)

 Diversity Fig 3

Рисунок 3. Oзеро Suribachi, пресноводное озеро в районе Скариснес, возле Сёва станция (фото: Akinori Takahashi)

Diversity Fig 4

Рисунок 4. Эпишельфовое озеро Каровое в оазисе Ширмахера (фото: Enn Kaup)

3. Полярные пустыни: Примеры: Сухие долины Мак-Мёрдо, остров Джеймса Росса.

Полярные пустыни характеризуются очень малым количеством осадков и пустынными ландшафтами (иногда возрастом старше 106 лет).  Источниками воды являются в основном ледники и ледяные поля. Таяние чувствительно к температуре и солнечному излучению, поэтому выбросы из расплавленного потока характеризуются изменчивостью в суточном, летнем и межгодовом временных масштабах10,11. Некоторые ручьи отличаются большими размерами (например, до 10 м3 с-1 в реке Оникс, долина Райт, длина которой составляет 30 км). Существует много бессточных водосборов, часто встречаются солёные и солоноватые пруды. Пруды обычно остаются покрытыми льдом летом, и лишь в некоторых случаях набирают достаточно тепла, чтобы освободиться ото льда12,13. Все полярные пустынные озёра имеют толстые многолетние ледяные шапки10 (например, озёра Фрюкселль, Бонни), а некоторые замёрзли до основания, возможно, со слоем базального рассола14 (например, озёра Вида, Хаус).  Исторические засухи и повторные заполнения в результате долгосрочной изменчивости климата сделали большинство озёр Полярной пустыни химически стратифицированными с повышением концентрации соли к основанию (меромиктические озёра). Озеро Ванда (площадь: 7,5 км2, глубина: 78 м) имеет несколько слоёв рассола и круглогодичные температуры дна >20°C10. Недавние исследования показали наличие большого количества солёных подземных вод под большей частью долины Тейлор4 и местами под долиной Райт15.

Diversity Fig 5

Рисунок 5. Полярная пустыня: Река Оникс с притоками альпийского ледника (Фото: Julieinantarctica.blogspot.rs)

Diversity Fig 6

Рисунок 6. Полярная пустыня: Постоянно покрытое льдом озеро Ванда, долина Райт (фото: US-LTER)

 

Diversity Fig 7 ru

Рисунок 7. Вертикальный профиль озера Ванда, долина Райт (из Priscu, J.C. (Ed). 1998 10)

 

4. Надледниковые экосистемы:

Примеры по всей прибрежной Антарктике

Свободная вода летом образует надледниковые ручьи и пруды, которые формируются в зонах абляции многих прибрежных и внутренних ледников, ледниковых щитов и шельфовых ледников. Изменчивость в надледниковом водотоке высока и характеризуется суточными циклами замерзания-оттаивания3,16,17. Пруды и озёра накапливаются в ледяных впадинах, как правило, под тонким ледяным покровом, а их воды являются разбавленными и непродуктивными (ультраолиготрофными). Предполагается, что накопления талой воды могут повлиять на стабильность шельфового ледника16.

Криоконитные дыры также являются характерной особенностью в зонах абляции ледников, образующихся там, где скопления поверхностных отложений (криоконит) плавят небольшие цилиндрические «пруды» (диаметром от см2 до м2, сантиметровой глубины), часто заселяемые планктоном и бентическими микроорганизмами18.

Diversity Fig 8

Рисунок 8. Комплекс прудов на ледниковом шельфе Мак-Мёрдо (фото: C. Howard-Williams)

 Diversity Fig 9

Рисунок 9. Небольшие криоконитовые отверстия во льду. (фото: Climatica.org.uk)

5. Подледниковые экосистемы:

Широко распространены под восточным и западным антарктическими ледяными щитами.

Было обнаружено более 400 подледниковых озёр19. Самым большим является озеро Восток, занимающее площадь 14 000 км2 со средней глубиной воды 410 м (6-е по величине озеро на планете по объёму). Подледниковые озёра покрыты 1-4 километрами льда, и многие из них гидрологически связаны 1,19,20. Их заполнение и осушение были связаны с движениями ледяного покрова. Некоторые, возможно, были изолированы от поверхности планеты в течение миллионов лет с последствиями для обитающих в них живых организмов и необходимостью их охраны1.

Diversity Fig 10

Рисунок 10. Спутниковое изображение ледникового щита, показывающее физиографические изменения льда в связи с присутствием озера Восток. Длина озера составляет 250 км, а площадь - 12 500 км2. Талая вода находится на 4000 м ниже поверхности льда (фото: NASA).

 

Diversity Fig 11

Рисунок 11. Расположение 386 антарктических подледниковых озёр. Отмечены озеро Эллсуорт, озеро Восток и озеро Уилланс (место проведения программы исследовательского бурения для доступа в подлёдную часть ледника Уилланс (WISSARD)). (Wright and Siegert 2012 https://doi.org/10.1017/S095410201200048X)

 

Сохранение и управление

Большинство антарктических озёр, прудов и ручьёв находятся в хрупких ландшафтах, чувствительных к внешнему воздействию и загрязнению21,22. Тем не менее, в последние несколько десятилетий научные исследования и туристическая деятельность в нескольких свободных ото льда районах резко усилились, что потенциально подвергает эти объекты повышенному риску. На некоторые внутренние воды уже оказывают воздействие полевые станции и долгосрочные полевые исследования23, которые могут оставить необратимые последствия, вызванные внешним воздействием21,22,23.

Изменение климата окажет значительное влияние на внутренние водные экосистемы Антарктики, поскольку их существование и свойства в значительной степени зависят от таяния. Информация о деятельности человека вблизи внутренних вод необходима для: приоритизации участков для сохранения; восстановления и специального управления; выявления мест обитания, подверженных риску биологических инвазий; определения мест, подходящих для рациональной туристической деятельности в рамках экологических ограничений; а также определения уязвимости к изменению климата. Управление непосредственной деятельностью человека в пресноводных экосистемах осуществляется с помощью (небольшого количества) ООРА, трёх ОУРА, а также «Кодекса поведения при осуществлении наземных научных полевых исследований в Антарктике» и «Кодекса поведения при разведке и исследовании подледниковых водных сред обитания», разработанных СКАР, зачастую с наложением национальных программ.


Основные события

1903 г.: Экспедиция «Дискавери» под руководством Скотта: Первое исследование долины Тейлор и открытие озёр и ручьёв.

1912 г.: Экспедиция Шеклтона: Джеймс Мюррей описывает жизнь в прудах на острове Росса

1947 г.: Операция High Jump: Открытие озёр и ручьёв на Земле Виктории с помощью аэрофотосъёмки

1957/58 г.: Международный геофизический год. Исследование Сухих долин Мак-Мёрдо, создание австралийских баз в континентальных оазисах, создание станции Антарктического управления Великобритании на острове Сигни, аргентинская станция на острове Кинг-Джордж (Ватерлоо), все с лимнологическими исследованиями.

1961 г.: В оазисе Ширмахера создана станция Новолазаревская. Исследования включают в себя лимнологию

1962 г.: Открыты уникальные свойства водной толщи озёр Ванда и Бонни

1968 г.: Создание Новой Зеландией станции Ванда на озере Ванда в долине Райт

1967 г.: Инициирование мониторинга гидрологического стока в Сухих долинах Мак-Мёрдо.

1971 г.: Начато изучение лимнологии острова Сигни

1976 г.: В оазисе Ширмахера создана станция Георг Форстер – исследования озёр, прудов и водотоков

1977 г.: Холмы Вестфолд – начало лимнологических исследований на озёрах

1979 г.: Проект бурения в Сухих долинах включает в себя бурение на озере

1987 г.: Холмы Бангер, холмы Ларсеманн – начало лимнологических исследований

1988 г.: Инициирование проекта бурения на ледовом шельфе Мак-Мёрдо

1992 г.: Начинается проект LTER в Сухих долинах Мак-Мёрдо; Экологический кодекс поведения разработан в следующем году.

1993 г.: Подтверждение существования озера Восток, которое стало основанием для начала исследований подледниковых озёр (впервые предположение о существовании озера Восток было высказано в 1964 г.)

1990–2010 гг.: Политическая полемика по поводу бурения озера Восток

2004 г.: В рамках КСДА создан ОУРА «Сухие долины»

2007 г.: Полуостров Байерс, остров Ливингстон (Смоленск), признан Испанией международным лимнологическим ориентиром

2007–2009 гг.: Международный полярный год

2009 г. – наст. время: создание Портала биоразнообразия Антарктики (biodiversity.aq, AntaBIF)

2012 г.: Международный полярный год – исследования позднего сезона на Земле Виктории и ледовом шельфе Мак-Мёрдо

2011 г., 2015 г.: Пересмотр Плана управления ОУРА «Сухие долины»

2016–2018 гг.: Проект WISSARD и демонстрации подледниковой гидросвязи