Contact Us
Inland Aquatic Environments

Разнообразие озёр, прудов и водотоков в Антарктике

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

(1) NIWA (Ltd), Christchurch, NZ, clive.howard-williams[at]niwa.co.nz
(2) University of Waikato, Tauranga, NZ, ian.hawes[a]twaikato.ac.nz
(3) Department of Geology and Geophysics, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana, USA, pdoran[at]lsu.edu
(4) Grantham Institute, Imperial College, University of London, m.siegert[at]imperial.ac.uk
(5) Cavanilles Institute for Biodiversity and Evolutionary Biology, University of Valencia, Valencia, Spain, antonio.camacho[at]uv.es
(6) Tallinn University of Technology, Tallinn, Estonia, enn.kaup[at]ttu.ee

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

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)

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.

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

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

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

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

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

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.

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

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

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.

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

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

Подледниковые экосистемы

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).

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.

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.

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

Other information:

  1. Vincent W.F. and Laybourn-Parry, J. (Eds.) 2008. Polar Lakes and Rivers. Oxford University Press. 327p.
  2. Laybourn-Parry, J. and Wadham, J.(Eds.) 2014. Antarctic Lakes. Oxford University Press. 242p.
  3. Hodson, A., Anesio, A.M., Tranter, M., Fountain, A., Osborn, M., Priscu, J., Laybourn-Parry, J. and Sattler, B. 2008. Glacial ecosystems. Ecological Monographs 78, 41–67.
  4. Mikucki, J., Auken, E., Tulaczyk, S., Virginia, R.A., Schamper, C., Sørensen, K.I., Doran, P.T., Dugan, H. and Foley, N.  2015. Deep groundwater and potential subsurface habitats beneath an Antarctic dry valley. Nature Communications 6:6831 (doi: 10.1038/ncomms7831)
  5. Morgan, F, Barker, G., Briggs, C., Price, R. and Keys H. 2007. Environmental Domains Analysis for the Antarctic Continent: Version 2.0 Final report. Landcare Research Report LC0708/055 for Antarctica New Zealand and Department of Conservation. Lincoln, NZ. 89p.https://www.landcareresearch.co.nz/publications/researchpubs/eda_v2_final_report.pdf  and https://www.ats.aq/documents/recatt/Att408_e.pdf
  6. Toro, M., Camacho,A., Rochera, C., Rico, E., Bañón, M., Fernández-Valiente, E., Marco, E., Justel, A., Avendaño, M.C., Ariosa, Y., Vincent, W.F., Quesada, A.  2007. Limnological characteristics of the freshwater ecosystems of Byers Peninsula, Livingston Island, in maritime Antarctica. Polar Biology 30, 365-380.
  7. Lyons, W. B.; Welch, K.A., Welch, S.A., Camacho, A., Rochera, C., Michaud, L., de Wit, R., and Carey, A. E.  2013. Geochemistry of streams from Byers Peninsula, Livingston Island. Antarctic Science 25, 181-190. (doi:10.1017/S0954102012000776)
  8. Hodgson D.A., Verleyen E., Sabbe K., Squier A.H., Keely B.J., Leng M., Saunders K.M. & Vyverman W. (2005). Late Quaternary climate-driven environmental change in the Larsemann Hills, east Antarctica, multi-proxy evidence from a lake-sediment core. Quaternary Research 64: 83-99.
  9. Gibson, J. A.E. (1999). The meromictic lakes and stratified marine basins of the Vestfold Hills, East Antarctica. Antarctic Science. 11, 175–192. (doi:10.1017/S0954102099000243)
  10. Priscu, J.C. (Ed.) 1998. Ecosystem dynamics in a Polar Desert: The McMurdo Dry Valleys, Antarctica. Antarctic Research Series 72, 369p. American Geophysical Union, Washington DC
  11. McKnight, D.M., Nyogi, D.K., Alger, A.S., Bomblies, A, Conovitz, P.A. and Tate, C.M. 1999. Dry Valley streams in Antarctica: ecosystems waiting for water.  Bioscience 49, 985-995.
  12. Lyons, W.B., Welch, K.A., Gardner, C.B., Jaros, C. Moorhead, D., Knoepfle, J.L. and Doran, P.T. 2012. The geochemistry of upland ponds, Taylor Valley, Antarctica, Antarctic Science 24, 3-14. (doi.org/10.1017/S0954102011000617)
  13. Healy, M., Webster-Brown, J.G., Brown, K.L. and Lane, V. 2006.  Chemistry and stratification of Antarctic meltwater ponds; II Inland ponds in the McMurdo Dry Valleys, Victoria Land. Antarctic Science 18, 525-533.
  14. Dugan, H.A., Doran, P,T., Wagner, B., Kenig, F., Fritsen, C.H., Arcone, S.A., E. Kuhn, E., Ostrom, N.E., Warnock, J.P., and Murray, A. 2015 Stratigraphy of Lake Vida, Antarctica: Hydrologic implications of 27 m of ice. The Cryosphere 9,439-450. (doi:10.5194/tc-9-439-2015)
  15. Toner, J.D., Cattling D.C. and Sletten, R.S.  2017. The geochemistry of Don Juan Pond: Evidence for a deep groundwater flow system in Wright Valley, Antarctica. Earth and Planetary Science Letters 474. 190-197. (doi:10.1016/j.epsl.2017.06.039.)
  16. Langley, E.S., Leeson A.A., Stokes, C.R., Stewart S. and Jamieson,R. 2016.  Seasonal evolution of supraglacial lakes on an East Antarctic outlet glacier, Geophysical Research Letters 43, 8563-8571. (doi.org/10.1002/2016GL069511)
  17. SanClements, M.D., Smith, H.J., . Foreman, C.M., Tedesco, M., Chin, Y-P., Jaros, C. and McKnight, D.M. 2017 Biogeophysical properties of an expansive Antarctic supraglacial stream.  2Antarctic Science 29, 33-44 (doi.org/10.1017/S0954102016000456)
  18. Fountain, A.G., Tranter, M., Nylen, T.H., Lewis, K.J. and Mueller, D.R. 2004. Evolution of cryoconite holes and their contribution to meltwater runoff from glaciers in the McMurdo Dry Valleys, Antarctica. Journal of Glaciology 50, 35-45.
  19. Siegert, M.J., Ross, N. and Le Brocq, A. 2016. Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A.374, 20140306.
  20. Siegert, M.J., Kulessa, B., Bougamont, M., Christoffersen, P., Key, K., Andersen, K.R., Booth, A.D. and Smith, A.M. (2018) Antarctic subglacial groundwater: a concept paper on its measurement and potential influence on ice flow. In, Siegert, M.J., Jamieson, S.S.R. & White, D.A. (Eds.) Exploration of Subsurface Antarctica: Uncovering Past Changes and Modern Processes. Geological Society, London, Special Publications461, 197-214.
  21. Priscu, J.C and Howkins, A. (Eds.) 2016. Environmental assessment of the McMurdo dry Valleys: Witness to the past and guide to the future. Special Publication, LPRES-PRG 02, Department of Land Resources and Environmental Sciences, Montana State University, USA, 63p.
  22. Antarctica New Zealand, United States Antarctic Programme 2015. McMurdo Dry Valleys ASMA Manual (Fourth Edition). Management Plan for Antarctic Specially Managed Area No. 2 McMurdo Dry Valleys, Southern Victoria Land. Antarctica New Zealand, Christchurch New Zealand; Office of Polar Programs, National Science Foundation, Arlington, VA, USA, 78p.
  23. Kaup, E. 2005. Development of anthropogenic eutrophication in lakes of the Schirmacher Oasis, Antarctica.  Verh. Internat. Verein. Limnol. 29, 678-682.