Сероводород черного моря использование. Из черного моря уходит жизнь
За последние 60 лет почти 40% акватории Черного моря оказались непригодными для жизни. Таков вывод сделали бельгийские ученые из Льежского университета. Как подсчитали специалисты, с 1955 по 2015 годы глубина проникновения кислорода снизилась со 140 до 90 метров. Одновременно ученые обнаружили ухудшение качества воды, связанное с большим поступлением в море соединений фосфора и азота.
Что вода стала хуже, видно невооруженным глазом. Многие отдыхающие жалуются, что не только в Сочи, где вода всегда была не очень, но и в Абхазии она ныне грязная. Даже на пляжах предупреждают, что купаться пока можно, но упаси Бог глотнуть морской водички - можешь подхватить инфекцию. Это, конечно, огорчает туристов: какой же отдых на море без ныряний?
Рыбаки отмечают существенное снижение улова. Причем жалуются рыбаки не только из Одессы и Крыма, но также Болгарии и Грузии.
Впрочем, теперь выясняется, что Черному морю грозит гораздо более серьезная опасность, чем кишечная палочка или сокращение популяции рыб.
«Люди с ужасом наблюдали, как пепельное море забурлило, закипело, превратилось в подлинно черное, как назвали его Бог знает с какого переляку, и стало исчезать в какую-то воронку. Омерзительно пахло сероводородом. Черное море перестало существовать... Позже, комментируя невероятный случай, ученые пришли к выводу, что предупреждение о роковой роли сероводорода, залегающего слоем на глубине сорока метров, мало кого волновало всегда, теперь он вырвался на поверхность и „съел" воду». Так экологическую катастрофу в политическом романе «Набат» обрисовал писатель Александр Гера .
А как может быть на самом деле?
Известно, что Черное море имеет глубину до двух тысяч метров. Но на глубине свыше 200 метров живут только бактерии, выделяющие сероводород. Рыбы и другие организмы жить не могут, так как кислорода там нет, есть только «мертвая вода», то есть соединение водорода с серой. Поверхностный слой преимущественно речного происхождения, уровень соли там для моря довольно низкий. На глубине от 50 до 100 метров содержание соли резко возрастает. Верхние слои намного легче нижних, поэтому они почти не перемешиваются.
Таким образом, Черное море представляет собой глубокий резервуар с сероводородом и тонким слоем практически пресной воды, где и обитают все живые организмы. Если этому тонкому слою грозит исчезновение, то всё море может стать не просто безжизненным, но и взрывоопасным.
С этими оценками согласен и старший научный сотрудник Севастопольского отделения Государственного океанографического института имени Н.Н. Зубова Анатолий Рябинин. Он считает, что Черному морю может грозить большая катастрофа:
Согласно нашим исследованиям, за последние десятилетия прошлого века слой сероводородной воды действительно поднимался, иногда до уровня 75 метров. В 1986 году работала специальная комиссия, она установила, что опасность подъема сероводородных вод сохраняется.
- Эти исследования проводились давно. А какая картина сейчас?К сожалению, вся информация у нас только по прошлому веку. В этом столетии мы ничего не измеряли, денег на исследования нам не выделяли. В советское время я руководил лабораторией химии моря, так меня наказывали, если к концу года я не успевал истратить все средства, которые выделялись лаборатории.
Наши исследования показывали, что уровень сероводорода повышается и можно ожидать выбросов сероводорода в атмосферу при каких-то катаклизмах.
О важности исследования Черного моря может свидетельствовать один простой факт. Однажды ко мне приходил майор госбезопасности и консультировался. Как он мне сказал, у КГБ были сведения, что американцы могут на дно моря заложить ядерный заряд и в случае войны взорвать его. Нас тогда просили оценить последствия взрыва.
«СП»: - И ничего нельзя сделать с этой сероводородной напастью?
В свое время изучалась возможность добычи сероводорода, чтобы использовать его в качестве топлива. Сотрудники московского НИИ океанологии им. ПП. Ширшова РАН выступали всегда за то, чтобы не добывать сероводорода больше, чем его образуется, так как это может нарушить природный баланс. Я всегда придерживался иной точки зрения. По моему мнению, сероводород надо добывать в больших количествах, чтобы со временем очистить море, скажем, лет через сто. На сегодняшний день Черное море - самое опасное на планете.
- К каким последствиям может привести поднятие уровня сероводорода?
К самым катастрофическим. В 1927 году около Ялты произошло землетрясение. Тогда море буквально горело. Некоторые ученые считают, что это горел сероводород.
Если говорить о факторах, которые влияют на уровень опасности, можно отнести природное и человеческое воздействие. Сегодня объективно море загрязняется, это факт. В глобальное потепление я не очень верю, но трудно с полной уверенностью сказать, каких последствий ждать.
Вообще, согласно некоторым научным данным, примерно 6000 лет назад Черное море было чистым, никакого сероводорода в нем не было. Для геологии это совсем небольшое время. То есть, накопление сероводорода идет стремительно.
Иной точки зрения придерживается заведующий отделом Азово-Черноморского бассейна и Мирового океана Южного научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (город Керчь) Владислав Шляхов :
В Черном море действительно существует обширный слой сероводородной воды, которая расположена на разных глубинах в разных частях моря, от 90 до 150 метров. Уровень сероводородного слоя постоянно пульсирует, то поднимается, то снижается. Пока неясно, на какие данные опираются бельгийские ученые. Я лично ничего катастрофичного в изменении уровня сероводорода не вижу.
Большой шум был еще в 1980-х годах, когда наш институт, потом сотрудники НИИ океанологии им. Ширшова обнаружили поднятие уровня сероводорода. Но дальнейшие наблюдения показали, что это природное явление. Вслед за поднятием наступает спад.
Есть среди некоторых специалистов мнение, что рано или поздно произойдет катастрофа. Но на мой взгляд, происходят обычные колебания.
Последние несколько лет количество осадков уменьшилось, соответственно, пресноводный сток снизился. Как результат - повысился уровень сероводорода. Все эти процессы имеют большую амплитуду. Скажем, в следующие годы осадков будет больше, и пресноводный слой увеличится, сероводород понизится.
- Как влияет на процесс изменения уровня сероводорода глобальное изменение климата?
Климат действительно меняется, отрицать это нет никакого резона. В Черном море это проявляется в том, что более теплые зимы приводят к изменению продуктивности рыбы и других живых организмов. Но это не имеет отношения к сероводороду. Пресных стоков станет больше, и уровень сероводорода снизится. Существует «запирающий слой», который мешает проникновению сероводорода на поверхность.
- Как влияет хозяйственная деятельность на уровень сероводорода?
Хозяйственная деятельность будет влиять в одном случае. Если отъем пресноводного стока увеличится. Скажем, раньше вода к нам поступала по Северо-Крымскому каналу с Украины. Поток пресной воды, идущий в Черное море, уменьшался. Потому что много водных ресурсов использовалось для орошения полей и хозяйственных нужд. Сейчас же около Каховской ГЭС на Украине началось подтопление, и украинцы вынуждены сбрасывать избытки воды. Нам больше воду они не поставляют. Как говорится, ни себе ни людям. Так вот, излишки воды они скидывают в море. Таким образом, поток пресной воды в море увеличился. В северо-западной части моря наблюдается даже опреснение.
- Вода в море стала грязнее, появились всякие инфекции.
Это связано с аномально теплым летом. Море начало прогреваться раньше, дольше сохраняется высокая температура воды. Плюс бытовые и промышленные стоки. Кстати, стоков стало меньше по сравнению с советским временем.
- А изменение климата как-то влияет на экологию Черного моря?
Этот фактор, конечно, влияет. И не только на Черное море - на все моря. При глобальном потеплении мы можем столкнуться с куда большими проблемами, чем повышение уровня сероводорода. Мы видим, что идет таяние ледников в Антарктиде, близ Гренландии. Поднятие уровня Мирового океана намного опаснее, поскольку имеющееся в природе равновесие может нарушиться.
Но если же говорить о перспективе, соизмеримой с жизнью наших детей, то до катастроф не должно дойти. Впрочем, мое мнение - одно из многих.
Беседовал Андрей Иванов
Поверхностный слой черноморской воды — до глубины примерно 100 метров — преимущественно речного происхождения. В то же время, в глубины моря поступает более солёная (тяжелее пресной) вода из Мраморного моря — она притекает по дну Босфорского пролива (нижнебосфорское течение) и опускается вглубь. Поэтому соленость придонных слоёв выше.
Образовывается две массы воды поверхностная с меньшим содержанием соли — более лёгкая и близкая по температуре к воздуху (летом она теплее глубинных вод, а зимой — холоднее), и глубинная — более солёная и тяжелая, с постоянной температурой.
Изменение свойств воды с глубиной — не плавное. С поверхности до 50-100 метров солёность меняется быстро, а до дна — увеличивается равномерно. В соответствии с соленостью изменяется и плотность воды.
Сероводород — одно из самых загадочных свойств в Чёрного моря . На глубине примерно от 150 до 200 метров — в черноморской воде нет кислорода — ни животные, ни растения жить там не могут. На глубинах от 200 метров до самого дна Чёрного моря — живут только бактерии, выделяющие сероводород.
Температура на поверхности моря всегда определяется температурой воздуха. А температура глубоких вод Чёрного моря — круглый год +7+8 градусов Цельсия.
Слой воды от 50 до 100 метров называется пограничным — это граница между двумя массами черноморской воды, граница, препятствующая перемешиванию, всегда холоднее глубинных вод, так как, охлаждаясь зимой до +5+6 градусов Цельсия, не успевает прогреться за лето.
Расслоение — стратификация черноморской воды по солености, плотности и температуре — препятствует вертикальному перемешиванию моря и обогащению глубин кислородом.
Чем дальше от поверхности моря — тем меньше остается в воде кислорода. В афотической зоне море (там, куда не проникает солнечный свет), под холодным промежуточным слоем — ниже 100-метровой глубины, кислород уже не образуется, только потребляется.
Кислорода для жизни животных и растений достаточно только в верхних 150 метрах Чёрного моря . Его концентрация падает с глубиной, основная масса живого в море сосредоточена выше 100 метровой глубины.
Ниже 200 метров — кислорода нет, там живут только анаэробные бактерии, разлогая останки живого, погружающегося из верхнего слоя моря.
90% водной массы Чёрного моря
— почти безжизненны, но и в любом другом море или океане вся жизнь сосредоточена в верхнем, 100-200-метровом слое воды.
Летом, особенно вблизи берега, образуется изменчивый летний термоклин — граница между прогретой солнцем поверхностной водой, в которой купаются люди, и холодной глубинной водой. Термоклин опускается по мере прогрева воды летом, достигая иногда глубины более 40 метров в августе.
Летний термоклин — тонкий слой воды, толщиной от нескольких сантиметров до нескольких метров; часто — он хорошо виден под водой, и очень хорошо чувствуется ныряльщиками — пронырнув несколько метров в направлении дна, можно попасть из 20-градусной — в 12-градусную воду. Термоклин легко разрушается штормом или сильным сгонным ветром с берега.
Рельеф дна Чёрного моря
Чёрное море – глубокое, центральную часть его дна занимает илистая абиссальная (глубинная) равнина, лежащая на двухкилометровой глубине, а склоны черноморской впадины круты. Максимальная глубина Черного моря — 2210 м.
Шельф Чёрного моря — пологий подводный склон, продолжение берега под водой до глубины 100-150м — у гористых берегов (Кавказ, Крым, Анатолия) — не более нескольких километров от береговой линии. Дальше — следует очень крутой (20-30 градусов) континентальный склон — обрыв до глубин более 1000 метров. Исключением является мелководная Северо-Западная часть Чёрного моря — она вся относится к шельфовой зоне, и, фактически, не является частью черноморской впадины.
Такой рельеф дна мало способствует интенсивному обмену водой между глубинами моря и его поверхностью, так как поверхность моря оказывается небольшой относительно его объёма. Чем меньше поверхность моря при данном объёме, тем меньше кислорода на единицу объёма моря попадает в море из воздуха и создаётся водорослями в освещенном слое воды. Поэтому — и форма впадины Чёрного моря не благоприятствует обогащению его глубин кислородом.
Донные осадки Чёрного моря : какими бы ни были берега и пляжи — песчаные, галечные, или скальные — начиная с глубины 25-50 метров, на дне Чёрного моря — песок или гравий. С увеличением глубины, поверхность укрывается обломками створок мидий, а ещё глубже — модиол Modiolus phaseolinus, которые формируют фазеолиновый ил шельфа. Толщина накопленных осадков на абиссальной равнине — от 20 до 80 сантиметров в разных участках дна.
Когда в далеком детстве я читала стихотворение К.И. Чуковского «Путаница», больше всего удивления у меня вызывали картины горящего моря. Это казалось чем-то действительно невероятным, абсурдным. Однако совсем недавно я узнала, что море действительно может загореться, и истории уже известны факты его возгорания.
Так, в 1927 году, когда произошло крупное землетрясение в Крыму, очаги возгорания в Черном море были зафиксированы возле Евпатории и Севастополя. Однако тогда пожар на море был вызван выбросом метана - природного газа, выход которого из недр был спровоцирован землетрясением. Зрелище было поразительное. Конечно, афишировать эту новость не стали, но когда в 90-х годах XX века журналистам попали в руки сведения о тех событиях, газеты разразились сенсациями. Взрыв популярности этих статей был вызван не столько выбросом метана, сколько искажением фактов: в газетах писалось о возгорании не метана, а сероводорода, после чего делался вывод о возможности глобальной катастрофы.
Было от чего прийти в отчаяние. Сероводород, как известно, это довольно устойчивое соединение водорода с серой (разлагается только при температуре 500 градусов), бесцветный ядовитый газ, с резким запахом тухлых яиц. Сероводородная зона в Черном море была открыта 1890 Н.И. Андрусовым. Уже тогда догадывались о больших количествах залежей этого газа. Так, если опустить в глубину металлический груз на веревке, то обратно он вернется абсолютно черным из-за отложений на нем сульфитов - солей, которые сероводород образует с металлами. (Одна из гипотез гласит, что своим названием Черное море обязано именно этому феномену).
Однако в начале XX века выяснилось, что сероводорода в Черном море не просто много, а очень много - ниже глубины 150-200 м начинается сплошная сероводородная зона. Распределена она, правда, неравномерно: у берегов верхняя ее граница достигает отметки 300 м, в центре же сероводород подходит к глубине около 100 м. Общее количество растворенного в Черном море сероводорода достигает 90 %, так что вся жизнь сосредоточена в небольшом поверхностном слое, и глубоководной фауны в Черном море нет.
Сероводород не есть какое-то уникальное свойство только Черного моря, его находят в мягких остатках на дне всех морей. Скопление этого газа происходит из-за того, что кислород практически не проникает в толщи воды и процессы гниения органических остатков преобладают над окислительными процессами. Иногда зоны сероводорода могут образовывать довольно обширные скопления. Так, например, рифтовая зона, открытая в 1977 году в зоне подводного хребта Тихого океана, к югу от Галапагосских островов, также в большом количестве содержит сероводород; есть сероводородные зоны и в некоторых глубоких закрытых бухтах.
Одна из теорий зарождения сероводорода (так называемая, "геологическая теория") говорит о том, что сероводород выделяется в процессе подводной вулканической деятельности, и в моря он может поступать по тектоническим разломам земной коры. Доказательством этой теории могут служить сероводородные озера на Камчатке. Другая теория - биологическая - говорит о том, что производству сероводорода мы обязаны бактериям, которые, перерабатывая органические останки, упавшие на дно моря, образуют из солей грунта (сульфатов) вещество, которое при соединении с морской водой образует сероводород.
Однако не нужно думать, что сероводород в морях хранится как химическое вещество на складе, закупоренное в ящики. Море - это постоянно работающая биохимическая лаборатория. Благодаря работе бактерий, растений и животных одни элементы в море постоянно преобразуются в другие. Формируются экологические цепочки, в которых поддерживается равновесие, определяющее целостность всей структуры. Огромную роль в разложении органических останков до потребляемых растениями форм играют бактерии. Некоторые бактерии могут жить без кислорода и света (анаэробные бактерии), другим для жизни нужен солнечный свет, третьи перерабатывают органические соединения, используя и свет и кислород. Попадая в разные слои моря, органическое вещество попадает на соответствующий цикл его обработки и, в конечном итоге, цикл замыкается - система возвращается в первоначальное состояние.
Поэтому при перемещении слоев моря (перемешивании) сероводород постепенно преобразуется в другие соединения. В Черном море вода перемешивается очень слабо. Причиной тому служат резкие перепады солености, разделяющие морскую воду, как в бокале с коктейлем, на отдельные слои. Главная причина появления таких слоев - недостаточная связь моря с океаном. Черное море соединяется с ним двумя узкими проливами - Босфорским, ведущим в Мраморное море, и проливом Дарданеллы, поддерживающим связь с достаточно соленым Средиземным морем. Такая замкнутость приводит к тому, что соленость Черного моря не превышает 16-18 промилле (величина, равная содержанию соли в крови человека), тогда как соленость нормальной океанической воды должна быть в пределах 33-38 промилле (Мраморное море, имея промежуточную соленость около 26 промилле, выступает своеобразным буфером, который не дает сильно соленым водам Средиземного моря вливаться напрямую в Черное море). Соленая вода из Мраморного моря, как более тяжелая, при встрече с водами Черного моря опускается на дно и в виде подводного течения поступает в его нижние слои. В области пограничного слоя происходит не только резкое изменение солености - «галоклин», но и резкое изменение плотности воды - «пиноклин» и температуры - «термоклин» (глубокие, более плотные слои воды всегда имеют постоянную температуру - 8-9 градусов выше нуля). Такие разнородные слои делают из нашего морского коктейля настоящий слоеный пирог, и, конечно, «перемешать» его становится очень трудно. Так, для того, чтобы вода с поверхности воды достигла дна моря, нужны сотни лет. Все эти факторы приводят тому, что сероводород, постоянно накапливаясь в толщах Черного моря, постепенно образовал обширную безжизненную зону.
К сожалению, в последнее время в море было выброшено огромное количество удобрений и неочищенных стоков канализационных вод, которые вызвали перенасыщение питательной среды Черного моря. Это стало причиной бурного цветения фитопланктона и снижения прозрачности воды. Недостаточность поступления солнечной энергии, необходимой для дыхания растений, привело к массовой гибели водорослей, а, вместе с ними, и многих живых существ. Подводные леса сменились зарослями примитивной, быстрорастущей морской травы (нитчатки и пластинчатых водорослей). Органические останки, не переработанные бактериями, в бесчисленных количествах попадают на морское дно. Происходит массовый замор флоры и фауны.
В 2003 году было полностью уничтожено уникальное скопление красной водоросли филлофоры (филлофорного поля Зернова), площадью 11 тыс. кв. км., которое занимало практически всю часть северо-западного шельфа Черного моря. Этот «зеленый пояс» моря вырабатывал около 2 млн. куб. м кислорода в день и, конечно, с его уничтожением, царство сероводорода потеряло одного из главных конкурентов в борьбе за природные ресурсы,- окисляющего его кислорода.
Большая скорость отмирания водорослей и морской травы, массовая гибель живых существ, снижение уровня кислорода в воде, - все эти факторы неумолимо приводят к скапливанию огромного количества гниющих остатков в толщах Черного моря и к повышению количества сероводорода в воде.
Пока сероводород нам не страшен, так как для того, чтобы пузырь газа вышел на поверхность, необходима его концентрация, в 1000 раз превышающая существующий уровень. Однако расслабляться не стоит. Слишком много факторов ускоряют этот процесс. Среди них: строительство волноломов, снижающих скорость циркуляции воды, работы по углублению морского дна, прокладка нефтепроводов, сброс в море удобрений и канализационных вод, добыча полезных ископаемых. Человеческая деятельность имеет такие масштабы, что никакая экосистема ей противостоять не может. Что же нам грозит?
Изучая археологические слои, ученые обнаружили поразительный факт почти мгновенного исчезновения подавляющего большинства форм жизни в Пермском периоде. Одна из теорий, объясняющих подобную катастрофу, заявляет, что массовый замор фауны и флоры был обусловлен взрывом ядовитого газа, предположительно сероводорода, который мог образоваться как благодаря многочисленным извержениям подводных вулканов, так и в результате деятельности производящих сероводород бактерий. Исследования Ли Кампа из Пенсильванского университета США показали, что снижение концентрации кислорода в море провоцирует усиленное размножение бактерий, производящих сероводород. При достижении критической концентрации этот процесс может привести к выделению ядовитого газа в атмосферу. Конечно, говорить о каких-то конкретных выводах рано, динамика изменения уровней сероводорода пока точно не ясна (на проведение всестороннего анализа может уйти около 10 лет), но в приведенных фактах нельзя не почувствовать скрытой угрозы. Природа всегда была слишком терпелива к нам. Можно ли ждать от нее спасения и в этот раз?
В массовой печати появились сообщения о возможности взрыва серо водорода в Черном море. Правомерны ли подобные утверждения и что надо предпринять для уменьшения количества сероводорода в глубинных и поверхностных слоях воды? Эти вопросы обсуждаются в публикуемой ниже статье.
В. И. БЕЛЯЕВ, Е. Е. СОВГА
СЕРОВОДОРОД В ЧЕРНОМ МОРЕ НЕ ВЗОРВЕТСЯ
В 1890 г. русская океанографическая экспедиция, работавшая под руководством академика, обнаружила в глубинах Черного моря заметную концентрацию растворенного сероводорода - ядовитого газа с запахом тухлых яиц. Как показали дальнейшие исследования, этот газ присутствует на всей глубинной акватории Черного моря, приближаясь к поверхности примерно на 100 м в центральной части моря и на 150-250 м у берегов. Такое различие в положении верхней границы сероводородной зоны обусловлено спецификой циркуляции водных масс, при которой наблюдается подъем воды (апвеллинг) в центре моря и их опускание (заглубление) на его периферии.
Черное море - единственное на земном шаре, в котором сероводородом постоянно заражены огромные массы воды. В морях и океанах имеются участки, где сероводородное заражение возникает периодически или даже сохраняется в течение года, например в норвежских фиордах и впадине Карьяко в Карибском море. В океанах временами появляются обширные глубинные анаэробные водные массы, зараженные сероводородом. Они мигрируют по акватории, иногда вторгаются в шельфовые области, что пагубно сказывается на состоянии прибрежных экологических систем. Так, в начале 50-х годов в заливе Уолфиш-Бей (Атлантическое побережье юго-западной Африки) апвеллинги вынесли к поверхности образовавшуюся в глубине водную массу, содержащую сероводород. Наблюдалась массовая гибель рыбы, на побережье до 40 миль в глубь материка отмечался запах
© БЕЛЯЕВ Валерий Иванович- академик АН УССР, председатель Комиссии АН УССР по проблемам Мирового океана. СОВГА Елена Евгеньевна - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Морского гидрофизического института АН УССР.
В . И . Беляев , ЕЕ . Совга
сероводорода, что вызвало беспокойство населения. Водные массы, зараженные сероводородом, систематически вторгаются на шельф Аравийского моря - в северо-западной части Индийского океана. При этом также происходит массовая гибель рыбы. Локальные образования сероводорода регистрируются в Каспийском море и даже в мелководном Балтийском.
В геологической истории Черного моря образование сероводорода всегда связывалось с проникновением через пролив Босфор более соленых средиземноморских вод в глубинные слои Черного моря. Вместе с тем в море поступает и значительный объем речного стока, в результате чего между распресненными поверхностными и солеными глубинными водами возникает резкий скачок плотности - галоклин. Изменчивая циркуляция водных масс сдвигает галоклин: то поднимает его ближе к поверхности, то опускает в глубину. Как правило, верхняя граница сероводородной зоны начинается сразу же под галоклином, затрудняющим приток в эту зону кислорода из верхних слоев. В ходе климатических колебаний уровня океана связь Черного моря со Средиземным через пролив Босфор то нарушалась, то вновь возобновлялась. Последний раз она восстановилась примерно 6- 7 тыс. лет назад. За это время в Черном море сформировалась глубинная толща вод, содержащая сероводород. Она занимает около 90Х объема моря.
Известны три главных источника появления сероводорода в водоемах Земли. Во-первых, он образуется за счет восстановления присутствующих в воде сульфатов при бескислородном разложении органических веществ. Разложение осуществляется с участием анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, которые используют кислород сульфатов в процессе своей жизнедеятельности, высвобождая сероводород. Во-вторых, этот газ возникает при гниении органических веществ, содержащих серу. И в-третьих, он может поступать из земной коры через расщелины морского дна и с гидротермальными водами.
Обобщение материалов исследований сероводородной зоны Черного моря выполнил известный океанолог . Он проанализировал весь имевшийся по данному вопросу материал вплоть до 1965 г., то есть до развития процесса эвтрофирования моря, распространившегося ныне на всю его акваторию. предположил, что если увеличится поступление органического вещества в Черное море (например, вследствие усиления его биологической продуктивности или большого притока малостойких органических соединений, попадающих в море с речными водами), то изменится химический состав моря. Следствием этих изменений будут возможные локальные поднятия верхней границы глубинной сероводородной зоны, то есть поднятие "границы жизни" в море.
Ныне эти предположения начинают оправдываться. По данным, полученным за последние полтора десятилетия, экологическая обстановка на Черном море ухудшилась. Не только в прибрежных, но и в открытых водах моря обнаружен избыток органического вещества. Изменилась и структура биологических сообществ: практически исчезли крупные рыбы-хищники, сократилось поголовье дельфинов, необычно размножились медуза-ауре-лия и микроводоросль ночесветка, уменьшились придонное поле водоросли филлофоры и колонии мидий в северо-западной мелководной части моря, где летом теперь часто появляются обширные заморные зоны. Ясно,
что подобная ситуация рано или поздно должна отразиться на балансе сероводорода в море. Но в какой мере этот баланс определяется влиянием природных, а в какой антропогенных факторов - пока достоверно неизвестно. Ответ на вопрос может быть получен только в результате длительных наблюдений за сероводородной зоной моря. Решение этой междисциплинарной проблемы потребовало привлечения специалистов различного профиля: гидрофизиков, гидрохимиков, гидробиологов , а также специалистов в области математического моделирования экологических систем.
В 1984 г. состоялся рейс научно-исследовательского судна "Витязь" Института океанологии им. АН СССР. Его участники исследовали область верхней границы сероводородной зоны с помощью подводного аппарата "Аргус". Изучались особенности распределения химических соединений в слое контакта кислородной и сероводородной зон, где происходит окисление сероводорода. Визуально -наблюдались рыбы и другие организмы, проникающие в эту зону .
В 1985-1986 гг. проводились работы по межведомственной программе Академии наук Украины "Исследование динамики сероводородной зоны Черного моря с целью разработки методов и средств предотвращения негативной перестройки его экологической системы". В рамках данной программы осуществлено шесть комплексных экспедиций на судах "Михаил Ломоносов", "Академик Вернадский", "Профессор Колесников" и др. В ходе экспедиций, работавших во все сезоны года, выполнено 430 глубоководных станций. Для обнаружения возможных геологических источников сероводорода в Черном море отбирались пробы глубинной воды на расстоянии 5-10 м от дна, а также пробы донных отложений. Измерялись не только концентрации сероводорода и кислорода, но и содержание серы в других формах (тиосульфаты, сульфаты), брались пробы фито-, зоопланктона, бактерий, хлорофилла, определялись оптические и гидрологические характеристики.
Исследование сероводородной зоны продолжалось и после завершения этой программы. Во всех экспедициях отбор проб глубинной воды осуществлялся с пространственным интервалом 30 миль батометрами зондирующего комплекса МГИ-4102 (Исток) с дискретностью измерений по вертикали 5-10 м в зоне взаимодействия кислорода и сероводорода. Измерение содержания сероводорода в пробах глубинной морской воды - непростая задача. Концентрации сероводорода в этих пробах малы, и он быстро окисляется при случайном контакте с кислородом воздуха. Поэтому при отборе проб глубинной воды, содержащей сероводород и другие восстановленные формы серы, обеспечивалась их полная изоляция от атмосферы.
В результате экспедиционных исследований определена межсезонная и внутрисезонная изменчивость границы сероводородной зоны на протяжении года. Ближе всего к поверхности (70-90 м) верхняя граница зоны находится весной в районе единого циклонического круговорота в центре моря. Летом и осенью при наличии двух стационарных циклонических круговоротов в их центре глубина границы сероводорода составляет 95- ПО м. На периферии круговоротов во все сезоны отмечено заглубление границы до 150-190 м. Данные о межгодовой изменчивости границы серо-
водородной зоны сильно зависят от длительности временного интервала. Так, судя по оценкам изменения положения этой границы за довольно длительный период (около 60 лет), ее средняя глубина мало изменялась . Но внутри этого отрезка времени были периоды как поднятий, так и заглублений верхней границы сероводородной зоны. В 1984-1986 гг. отмечена тенденция ее поднятия, а затем, вплоть до 1990 г. - незначительное заглубление. Академик Т считает, что на фоне регистрируемых межгодовых вариаций не наблюдается постоянное однонаправленное изменение положения границы сероводородной зоны . Этот вывод совпадает с мнением большинства специалистов, изучающих данную проблему. Самое высокое положение границы сероводородной зоны за всю историю изучения Черного моря отмечалось весной 1988 г., когда сероводород был зафиксирован на глубине 70 м в центре единого циклонического круговорота . Но такое поднятие оказалось кратковременным. Когда спустя 20 дней в этот район вернулось научно-исследовательское судно, глубина отбора проб воды, соответствовавшая появлению сероводорода, составила уже 90-95 м. Такие локальные поднятия не стабильны во времени и пространстве и, как правило, вызваны кратковременными активными синоптическими возмущениями.
Следует подчеркнуть, что самое понятие "верхняя граница сероводородной зоны" довольно условно, оно определяется множеством трудно контролируемых факторов. Верхняя граница - это глубина, на которой в соответствии с принятой методикой обнаруживается присутствие в пробах воды сероводорода (концентрация порядка 0,1 мл/л). Кстати, более чувствительная методика измерений выявляет следы сероводорода в Черном море и на более высоких горизонтах, вплоть до поверхности. Положение верхней границы зависит от скорости реакции окисления сероводорода, скорости доставки (благодаря вертикальному водообмену) кислорода из верхних и сероводорода из нижних слоев в промежуточный слой, где происходит окисление. Наконец, верхняя граница сероводородной зоны может перемещаться вместе с водой при возникновении вертикальных течений. Помимо медленных, климатических изменений вертикальной циркуляции в море, как уже отмечалось, наблюдаются быстрые вертикальные подъемы и опускания вод, связанные с вихревыми движениями. Интенсивность этих движений обусловлена активностью атмосферных процессов. Поэтому весьма трудно, не располагая данными достаточно длительных наблюдений, определить, чем обусловлены каждый раз аномальные вертикальные подъемы границы сероводородной зоны: интенсификацией атмосферных процессов, усилением образования или ослаблением окисления сероводорода. Процессы образования сероводорода связаны с деятельностью бактерий, которая также зависит от климатологических факторов, включая солнечную активность.
С точки зрения математической статистики, чтобы получить вывод о тенденции изменения положений верхней границы сероводородной зоны, необходимо определить средние значения характеристик нестационарных случайных полей по относительно малой выборке наблюдений. Это обстоятельство сводит задачу по динамике верхней границы лишь к оценке тенденций ее вертикальных смещений.
Специалисты, изучающие сероводородную зону в Черном море, судят о ее
Сероводород в Черном море не взорвется 51
поведении по данным независимых наблюдений многих процессов в море (физических, химических, биологических), причем натурные наблюдения сочетаются с численными экспериментами на математических моделях. Для правильного понимания поведения сероводородной зоны требуются надежные представления о ее происхождении. Экспедиционные исследования указывают на сульфатредукцию как основной процесс восполнения сероводорода в Черном море. При этом главными причинами существования здесь сероводородной зоны считаются плотностная стратификация, затрудняющая вертикальный обмен, и большой биогенный сток с побережья в расчете на единицу площади моря. Оба эти фактора обеспечивают интенсивную сульфатредукцию, приводящую к образованию сероводорода в глубинной анаэробной зоне. Экспедиционные данные подтверждают очаговый характер сульфатредукции, причем расположение этих очагов приурочено к местам поступления мертвого органического вещества с шельфа.
Вместе с тем оба упомянутых фактора находятся под сильным антропогенным прессом. Так, зарегулирование стока рек уменьшает объем пресных вод, поступающих в верхний слой моря, выравнивает стратификацию и может улучшить вертикальный водообмен. Усиление биогенного стока в результате промышленных, бытовых и сельскохозяйственных загрязнений вызывает увеличение продукции мертвого органического вещества, стимулирующего процесс сульфатредукции и восполнение в море сероводорода. Одновременно в аэробной зоне тратится кислород на разложение дополнительных количеств органического вещества, что снижает возможность быстрого окисления сероводорода в случае его локальных подъемов. Поскольку большая часть органического вещества образуется в Черном море на шельфе, экосистема последнего в значительной степени определяет состояние сероводородной зоны в глубоководной части моря.
По приближенным оценкам, за счет антропогенных загрязнений в Черном море уже сегодня может возникнуть дополнительное количество сероводорода, сравнимое с тем, которое образуется естественным путем. Увеличение запаса сероводорода в глубинных водах повышает вероятность его вторжения в кислородную зону, сопровождающегося губительным воздействием на обитающих в ней рыб, водоросли и моллюсков. Повышается опасность выхода сероводорода и непосредственно на поверхность моря в прибрежных зонах курортного водопользования. Хотя эти явления могут быть кратковременными, достаточно редкими (как ураганы в атмосфере) и происходить при определенных гидрологических и метеорологических условиях, они достаточно неприятны. Как ни мала концентрация сероводорода в глубинной черноморской воде, в контакте с воздухом он издает вполне заметный запах. Ощущение его уже означает превышение концентрации сероводорода в воздухе выше порога безопасности для людей. Пока такие явления в курортных зонах Черного моря не отмечались. Однако назрела необходимость в создании постоянной службы наблюдений за концентрацией сероводорода в Черном море, чтобы вовремя предупреждать население об аномальном подъеме сероводородных вод, информировать о правилах поведения в таких ситуациях.
Опасения специалистов о негативных последствиях развития сероводо-
родной зоны в условиях антропогенного загрязнения, по всей вероятности, спровоцировали появление в массовой печати статей о возможности взрыва сероводорода в Черном море. Чтобы предотвратить катастрофу, предлагалось "просто" извлекать сероводород из откачиваемой глубинной воды. Высказана идея о том, что при сжигании сероводорода можно получать энергию и товарную серу, построив для этой цели на берегу Черного моря химический комбинат.
Следует отметить, что растворенная газообразная фаза сероводорода в Черном море составляет в расчете на одну тонну морской воды всего 0,24 г-на глубине 300 м, 1,2 г - на глубине 1000 м и до 2,2 г - у дна. на глубинах около 2000 м. Сероводород обладает большой растворимостью: даже при атмосферном давлении можно растворить до 12 кг в 1 т воды, а в глубинных водах, находящихся под давлением порядка 200 атм, - во много раз больше. Таким образом, концентрация поднятого на поверхность глубинного сероводорода составляет менее 0,0001 доли насыщающего значения. При таких малых концентрациях газа говорить о возможности выхода его в пузырьках из раствора в результате встряхивания не приходится.
Тем не менее при незначительной концентрации сероводорода общее его количество, ежегодно образуемое в черноморском бассейне естественным путем, порядка 107- 10е т, а может быть и более. Точной величины мы не знаем, но есть все основания считать, что она переменная, изменяющаяся в широких пределах вместе с изменением положения верхней границы сероводородной зоны. Чтобы окислять такое количество сероводорода, нужно создать гигантскую промышленную установку, через трубы которой одновременно прокачивать глубинную воду в количестве, равном нескольким стокам таких рек, как Волга или Дунай. Даже при идеальной экологической чистоте основного производства серы, строительство столь масштабного промышленного комплекса в курортной зоне Черноморского побережья не обойдется без негативных последствий для окружающей среды. Не случайно здесь запрещено возводить промышленные предприятия. В то же время мы не можем надежно рассчитать воздействие этой установки на сероводородную зону моря, гарантировать успех ее работы и оценить отдаленные экологические последствия.
В абсурдности предложений об откачке глубинного сероводорода проглядывает порочная, практиковавшаяся в нашей стране, концепция использования водных ресурсов. В ней практически игнорировался тот факт, что водоемы - это не просто водные массы, а сформировавшиеся в результате длительной эволюции экологические системы - своеобразные природные фабрики, на которых трудятся живые организмы, преобразуя энергию Солнца в продукты, непосредственно потребляемые человеком - рыбу, моллюсков, ракообразных. Осуществление этой концепции природопользования привело к гибели экосистемы рек, озер, внутренних морей. В нашей стране потеряны огромные ресурсы ценнейшей рыбы, которую раньше получали из рек и озер, Черного и Азовского морей. Вместе с тем существовала возможность путем осторожного, тщательно обоснованного поэтапного гидротехнического и гидромелиоративного обустройства этих водоемов многократно усилить их природную способность производства рыбы и других "даров природы". К сожалению, у рек энергия взята таким
Сероводород в Черном море не взорвется 53
способом, при котором были разрушены их экосистемы. С помощью этой энергии получены металлы, из них построены суда, которые отправились "за хеком" в дальние моря...
Реальнее воздействовать на сероводородную зону Черного моря, предотвращая загрязнение вод, которые поступают с береговым стоком. Важно не смешивать отходы разного происхождения, тогда их можно непосредственно на каждом производстве пропускать через специализированные установки утилизации. Ведь в принципе не существует отходов, не являющихся сырьем для какого-нибудь производства. Все это стоит дополнительных затрат, но только так можно обеспечить чистоту рек, озер, воздуха, при этом и море станет чистым и само справится со своими проблемами, как оно справлялось с ними свыше 7 тыс. лет.
Безусловно, нельзя категорически возражать против предложений о добыче тех или иных веществ из морской воды, в том числе и серы. В морской воде сероводород присутствует не только в свободном, но и в связанном состоянии, в составе гидросульфидов (солей). С учетом последних 1 т глубинной воды содержит 9-12 г сероводорода и его соединений. Отметим для сравнения, что в 1 т каменного угля может быть от двух до 80 кг серы. При сжигании такого угля образуются ядовитые оксиды серы, отравляющие окружающую среду. Поэтому прежде всего нужно решить задачу извлечения серы из каменного угля. Тем не менее ее добыча из черноморской воды, возможно, когда-нибудь окажется целесообразной. Но поскольку Черноморское побережье - всесоюзная здравница, планы создания здесь очередных промышленных гигантов затрагивают общенародные интересы и должны уже на уровне идей подвергаться тщательной экологической экспертизе и широкому общественному обсуждению Разумеется, при нынешнем состоянии культуры производства такие проекты вредны.
Свое утверждение о возможности взрыва сероводорода в Черном море авторы статей, опубликованных в массовой печати, основывают на сведениях о пламени, появлявшемся во время землетрясения 1927 г. над поверхностью моря, напротив юго-западной части Крыма. Приводятся свидетельства очевидцев этого явления. Однако полностью игнорируется тот факт, что оно изучено и результаты исследований опубликованы в научной печати. В Крыму в то время работала экспедиция под руководством. Ее участники немедленно вышли на катере в море, взяли пробы воды, обследовали дно и установили, что произошел выброс газообразных углеводородов с примесью сероводорода из земных недр. Иными словами, "сработали" грязевые вулканы на дне моря. Таким образом, растворенный в глубинных водах сероводород никакого отношения к пламени, вспыхнувшему над морем в 1927 г., не имел.
Итак, естественная сероводородная зона, вероятнее всего, сама по себе никому не угрожает. В то же время это не мертвая вода, а насыщенная жизнью бактериальная экологическая система, хорошо сбалансированная по своим функциям с аэробными экосистемами моря. Ее бактериальное население обеспечивает круговорот углерода и биогенных веществ ничуть не хуже, а возможно, даже лучше, чем глубинные экосистемы морей без сероводорода.
Всем известна роль почвы: не будь ее, поверхность Земли быстро по-
Биосфера" href="/text/category/biosfera/" rel="bookmark">биосфере и прекратилась бы сама жизнь. В морях роль почвы выполняют глубинные экосистемы, а в Черном море - экосистема сероводородной зоны, обеспечивая весьма высокую потенциальную биологическую продуктивность черноморского шельфа. К сожалению, этот природный потенциал сейчас слабо реализуется, так как экосистемам бухт, лиманов, прибрежных акваторий, где рыба нерестилась или зимовала, нанесен тягчайший удар хозяйственной деятельностью человека. Предложение уничтожить сероводородную зону, разрушить ее экосистему, выглядит так же, как предложение сжигать украинский чернозем для получения электроэнергии.
Сероводородная зона имеет сложную вертикальную структуру. На каждом "этаже" обитает свой вид бактерий, выполняющие определенную функцию, в том числе создающих биомассу за счет энергии сероводорода. Разрушение этой зоны путем грубого вмешательства довершит разрушение экосистемы Черного моря и в конечном счете приведет к экологической катастрофе. Это соображение высказывается на тот случай, если кому-нибудь в будущем придет идея построить на берегу Черного моря несколько атомных станций и с их помощью добывать серу из черноморского сероводорода.
Загрязнения, поступающие в море, производят массированное комбинированное действие. Смываемые с полей ядохимикаты убивают зоопланктон и рыбу, а удобрения способствуют массовому размножению одноклеточных водорослей. Из-за гибели зоопланктона и рыб водоросли некому поедать, они отмирают и гниют, поглощая кислород. Это приводит к гибели оставшегося зоопланктона, рыб и других водных животных. На шельфе Черного моря образуются обширные бескислородные "заморные" зоны. Иногда они охватывают почти всю северо-западную акваторию. В их бескислородной среде образуется сероводород, поднимающийся к поверхности моря. Этот сероводород, обусловленный загрязнениями, не имеет никакого отношения к глубинному. Однако уничтожение человеком кислорода в поверхностных слоях моря создает условия и для локального поднятия глубинного сероводорода с вертикальными струями в центрах вихревых движений. По мнению, возникновение заморных зон связано с состоянием вертикального водообмена, который, в свою очередь, обусловлен общей погодной ситуацией. Подобные ситуации повторяются с периодичностью солнечной активности - примерно через 11 лет. Последний раз сильные заморы в Черном море наблюдались в 1983 г. В связи с тем, что загрязнение моря за истекшие годы резко возросло, становятся еще более вероятными сильные заморы, образование сероводорода и выходы его на поверхность в прибрежных водах в летние месяцы (июль-август) 1991 - 1995 гг., при очередном возникновении погодной ситуации, способствующей заморам. Наибольшая их вероятность приходится на 1994 г.
Борьба с загрязнением моря способствует не только восстановлению его рыбных запасов, целебных рекреационных свойств вод, выводу прибрежных территорий из состояния экологического бедствия, но и предотвращению локальных катастроф, связанных с образованием сероводорода в прибрежных морских водах. Подчеркнем еще раз; загрязнение моря создало вполне реальную опасность локальных выходов сероводорода на по-
Сероводород в Черном море не взорвется 55
верхность моря и в атмосферу у его берегов. Места выходов определяются погодной ситуацией и заранее не предсказуемы. Подобные катастрофы непосредственно не связаны с глубинной сероводородной зоной, поэтому откачка из нее сероводорода не сможет их предотвратить.
В настоящее время проводятся теоретические исследования взаимодействия кислорода и сероводорода в водах Черного моря с целью установления механизмов, обусловливающих динамику верхней границы сероводородной зоны . На моделях установлены основные закономерности поведения этой границы в зависимости от характеристик вертикального обмена и мощности источников кислорода и сероводорода. Анализ процессов формирования вертикального распределения кислорода и сероводорода в Черном море, выполненный разными авторами, показал, что основное влияние на концентрацию кислорода и сероводорода на различных глубинах оказывает зависимость коэффициента турбулентной диффузии от глубины. Уменьшение этого коэффициента практически до нуля в области галоклина вызывает снижение потока кислорода в сероводородную зону. Увеличение мощности источников на порядок и даже два порядка приводит к незначительному поднятию ее верхней границы. Эти закономерности качественно хорошо согласуются с данными экспедиционных наблюдений.
В Академии наук Украины разработана модель бактериальной экосистемы сероводородной зоны Черного моря }