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