Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1) Модификация метода электромагнитного зондирования с валидацией по данным бурения выполненная в 2015году в губе Буор Хая моря Лаптевых позволила оконтурить сквозные (или глубокие с крутыми бортами) талики, которые пространственно совпадают с аномалиями по солености (придонная инверсия), гидрохимическим параметрам (кислород, рН), и распределением короткоживущих изотопов радия (Рис. 1). 2) В рамках комплексной экспедиции в губу Буор Хая в море Лаптевых, была исследована разгрузка субмаринных грунтовых вод (СГВ) в подледных условиях зимнего сезона, используя короткоживущие изотопы радия и радона, геофизические и геологические (результаты бурения) данные, а также, результаты измерения температуры, солености, щелочности и общего кислорода в водной толще северо-западной части губы Буор-Хая. Было обнаружено что разгрузка СГВ сильно контролируется процессами, связанными с формированием и деградацией субмаринных мерзлых пород, широко развитых в пределах континентального шельфа Арктического региона. 3)На основе более 10тысяч измерений впервые построена карта-схема распределения растворенного метана в поверхностных водах окраинных морей Евразии, включая все арктические моря России. Показано, что аномально высокие значения растворенного метана находятся в морях Восточной Арктики (Космач и др., 2015), где потоки пузырькового метана достигают сотен граммов с квадратного метра в сутки (Shakhova et al., 2015). 4) Предварительные результаты изотопного анализа углерода метана, C13-CH4, измеренные в пробах отобранных в Восточно-Сибирском море показали на наличие тяжелого- термогенного метана, и биогенного метана, что согласуется с ранее высказанной авторской гипотезой (доклад аспиранта Щербаковой с другими членами авторского коллектива в Сан-Франциско/AGU Fall Meeting: C43A-0782 Observations of Methane Concentration and d13C-CH4 in the East Siberian Sea Waters) 5) Впервые был определен радиоуглеродный возраст основных биомаркеров (включая липиды, лигнины, кутины, саберины, гидроксил-фенолы), что позволило надежно установить, что наиболее молодой углерод маркеров поставляется с речным стоком, а более старый- в результате эрозии берегов (Feng et al., 2015), что подтверждает результаты авторского коллектива полученными другими методами ранее.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Была выполнена междисциплинарная 30 суточная экспедиция на борту двухпалубного теплохода, от нижнего течения реки Оби от порта Салехард до южной части Обской губы Карского моря (удаление на север до 100 км), затем до истоков реки Оби и вверх по течению притока Оби - реки Томь до Томска (3402 км) и обратно до Салехарда (2502 км). Протяженность маршрута, по которому проводились непрерывные измерения концентрации двуокиси углерода (СО2) и метана (СН4) в атмосфере, квази-непрерывные измерения концентрации растворенного СН4 и основных компонентов карбонатной системы (рН и общей щелочности), температуры, минерализации вод и др. параметров (см. ниже), составила почти 6000 км. На 58 научных комплексных станциях производился отбор проб донных осадков и воды от поверхности до дна. Отметим, что в этой экспедиции использовался комплекс методов и аппаратуры, который используется авторским коллективом и при исследовании Сибирского Арктического шельфа, что позволяет получить репрезентативные результаты при изучении процессов транспорта и трансформации наземного органического вещества в арктической системе суша-шельф. Ряд параметров (растворенный СН4, кислород, рН, общая щелочность, окрашенная фракция растворенного органического вещества, хлорофилл, содержание радона, стабильных изотопов радия, и др.) измерялся непосредственно после отбора в гидрохимической лаборатории на борту судна. Отбирались пробы воды для исследования коллоидной и взвешенной фракции органического вещества (ОВ) речной воды (с последующей фильтрацией на борту). Также в 45 литровые герметичные сосуды отбирались пробы воды для последующей экстракции СО2 и СН4 и определения в них стабильных изотопов С и Н метана, С и О двуокиси углерода (109 проб), а также для определения их радиоуглеродного возраста, С-14 (30 проб) в стационарных условиях. Кроме того, для уточнения процессов трансформации наземного ОВ в арктической системе река - шельф начаты исследования состава ОВ в реке Оби на молекулярном уровне. Исходя из того, что реки интегрируют изменчивость окружающей среды в их водосборах, полученные результаты будут интерпретированы в масштабе водосборов крупнейших рек Сибири - реки Лены площадью примерно 3 млн. км2, и реки Оби - близкой площади. Важнейшим направлением данного исследования является выявление вклада речного ОВ, по сравнению с эрозионным ОВ, в общий транспорт наземного ОВ в арктической системе суша-шельф. Поэтому для уточнения характерных особенностей транспорта и трансформации наземного ОВ на Восточно-Сибирском шельфе были выполнены детальные исследования преобразования наземного ОВ речного и эрозионного генезиса, по результатам этого исследования подготовлен и опубликован ряд статей. Особое внимание было уделено валидации геотрассеров стока грунтовых вод и поиску разгрузки грунтовых вод на шельфе арктических морей России. Кроме того, изучались фоновые характеристики радиоактивности в воздухе по ходу движения судна, что крайне важно для корректных интерпретаций использования радионуклидных методов изучения образования - транспорта грунтовых вод в арктической системе суша-шельф. На примере моря Лаптевых, исследована и показана возможность эффективного использования метода электромагнитного зондирования (ЭМЗ), впервые отвалидированного по авторским данным колонкового бурения, для выявления глубины залегания кровли подводной мерзлоты, что необходимо для обнаружения глубоких и сквозных таликов, которые дополнительно трассируются разгрузкой грунтовых вод, выделенных по аномалиям солености, радона, изотопов радия. Были продолжены работы с поверхностными осадками, отобранными в период 2003-2015 гг., и кернами донных мерзло-талых осадочных пород, полученных с припайного льда в ходе выполнения смежных буровых проектов (2011-2015 гг.). Новые изотопные, термодинамические и газогеохимические данные были проанализированы и использованы для подготовки статьи в высокорейтинговом журнале. Большое внимание было уделено анализу и синтезу новых данных с авторской базой данных. По результатам исследований было опубликовано 10 статей в журналах Biogeosciences, The Cryosphere, Nature Geoscience, Nature Communications, включая одну статью в Biogeosciences Discussions, одну – в The Cryosphere Discussions. Наиболее важные результаты второго года проекта были доложены на международной конференции Cryosphere-Carbon-Climate Interactions in the Siberian Arctic Ocean: Current State and Future Directions в Томском политехническом университете, в которой приняли участие ученые из 6 стран: России, Швеции, Нидерландов, Великобритании, Италии, США, а также на Днях Арктики в Москве. Решение перенести участие в конференциях на территорию России обусловлено тем, что по результатам участия в Осенней Сессии Американского Геофизического Союза в 2015 г. стало очевидным, что авторский коллектив в содружестве с учеными-партнерами из вышеупомянутых стран значительно опередил западных коллег в заданном направлении исследований. Ниже приведены некоторые из избранных результатов: На основе непрерывной регистрация атмосферных концентраций CO2, CH4, H2O и пульсаций скорости ветра впервые были получены профили соответствующих концентраций парниковых газов по 6000- км трассе движения судна по маршруту Салехард - Обская губа – Томск - Салехард, и рассчитаны турбулентные потоки CO2 и CH4. Показано, что максимальные значения эмиссии СО2 из реки Обь в атмосферу достигали 8.3 грамма С-СО2 с квадратного метра в сутки, что соизмеримо с пиковыми значениями, типичными для осенне-зимней респирации почв Северо-Востока Азии, и несколько ниже максимальных значений, измеренных авторским коллективом камерно-динамическим методом на абразионном побережье острова Муостах в море Лаптевых. Максимальные значения эмиссии СН4 из реки в атмосферу достигали 160 мг с квадратного метра в сутки, что типично для аномальных зон разгрузки метана в прибрежной зоне моря Лаптевых. Отметим, что в экспедиции 2016 г. удалось выполнить измерения концентраций и потоков основных парниковых газов не только от верховьев до устья Оби, как было заявлено, но и от устья Оби - Обской губы до верховьев Оби и притока Оби - реки Томь. Были получены новые результаты по генезису и преобразованию наземного ОВ во время транспорта от береговой эрозионной линии до кромки шельфа морей Восточной Арктики (МВА) с привлечением самых современных методов с использованием биомаркеров, 3х компонентного изотопного анализа органического вещества. Для выявления особенностей переноса наземного ОВ через шельф МВА, на примере 600-км трансекта, направленного от дельты реки Лены (губа Буор-Хая) до кромки шельфа моря Лаптевых, совместно со Стокгольмским университетом выполнен радиоуглеродный анализ С-ОВ и отдельных биомаркеров, включая лигниновые фенолы, высокомолекулярные н-алканы и др. Эти исследования были выполнены синфазно с изучением минералогического состава, определением площади активной поверхности, стабильных изотопов углерода и азота ОВ и их отношений. Радиоуглеродный возраст С-ОВ и избранных биомаркеров в прибрежной зоне оказался близок к 7000 лет, что совместно с анализом гранулометрического и минерального состава свидетельствует об определяющем вкладе плейстоценового ОВ берегового ледового комплекса в процессы седиментации. Было показано, что время переноса для эрозионного ОВ через шельф моря Лаптевых составляет примерно 3000 лет, причем около 80% исходного ОВ окисляется до СО2, что в геологическом масштабе времени должно приводить к асидификации вод МВА и эмиссии СО2 в атмосферу. Независимыми гидрохимическими методами (высокопрецизионные анализы элементов карбонатной системы, стабильных изотопов С13 минерального неорганического вещества (сумма бикарбонатного, карбонатного углерода и С-СО2 и др.) показано, что современная экстремальная асидификация вод МВА определяется окислением наземного эрозионного углерода. Также показано, что асидификация вод МВА за счет сдвига карбонатного равновесия, вызванного притоком речных вод (Лена и другие реки), играет вторичную роль после окисления эрозионного ОВ. Радиотрассеры (радий 222, 224, 226, радон) были использованы для обнаружения проникновения грунтовых вод в прибрежной зоне моря Лаптевых. Путем совместного анализа радиотрассеров с распределением солености и температуры вод, а также с картированием кровли подводной мерзлоты методом ЭМЗ, впервые был документирован выход грунтовых вод на шельф МВА. Гумусовое вещество, ГВ (гуминовые и фульфокислоты), в арктической системе суша-шельф изучается авторским коллективом в контексте трассирования речных вод, обогащенных ГВ. Для этих целей был выполнен совместный анализ содержания хромофорного растворенного органического вещества (colored dissolved organic matter, CDOM), измеренного в условиях in situ с помощью откалиброванного оптического сенсора, с измерением содержания ГВ, РОВ, CDOM в стационарных лабораторных условиях. На основе соответствующих экспедиционных и лабораторных измерений для отдельных районов восстановлены поля РОВ путем использования CDOM и калибровочных коэффициентов. Выполнены первые исследования генезиса метана Сибирского арктического шельфа на основе 3х компонентного изотопного анализа (13С, D, 14С). Показано, что присутствуют все известные источники, включая биогенные и термогенные, но основной вклад вносит метан биогенного происхождения. В дополнение к заявленным и выполненным результатам, показанным выше, завершена совместная со Стокгольмским и Болонским университетами работа, опубликованная в Nature Communications и направленная на обоснование аномально высоких скоростей осадконакопления при переходе от предыдущего ледникового периода (точнее, от Раннего Дриаса) в Пребориальный период потепления (примерно 11500 лет назад), обнаруженных на основе комплексного анализа керна осадков, отобранного в море Лаптевых.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Уникальность данного проекта заключается в том, что на протяжении трех лет одними и теми же методами, на одних и тех же приборах выполнялись комплексные биогеохимические, геофизические, и геологические исследования в арктической системе суша-шельф. Особое внимание уделялось выявлению характерных особенностей транспорта и трансформации органического углерода в водосборах крупнейших рек Сибири (Обь и Лена), и на Восточно-Сибирском шельфе - самом широком и мелководном шельфе Мирового океана. В июле-августе 2016 г. для выявления различий и характерных особенностей цикла углерода в огромном водосборе реки Обь (площадью около 3 млн. км2, залегающем в основном в зоне уже деградированной мерзлоты с фрагментами сплошной только в нижнем течении реки) по сравнению с водосбором реки Лена (площадью 2.5 млн. км2, преимущественно расположенном в зоне сплошной мерзлоты) нами были выполнены исследования по 6000-км трассе вверх и вниз по течению реки Обь (http://news.tpu.ru/news/2016/07/07/25614/). В июле-августе 2017 г. нами был выполнен комплекс аналогичных работ вдоль почти 2000 км трансекте «среднее и нижнее течение – авандельта р. Лена», а также в прилегающей к ее дельте береговой зоне губы Буор-Хая (море Лаптевых). Экспедиция выполнялась в три этапа: первый (основной) этап – от Якутска вниз по течению Лены до зоны смешивания вод с морем Лаптевых , второй этап - в прибрежной зоне моря Лаптевых, третий этап - в Ивашкиной лагуне полуострова Быковский. Экспедиционные работы 2017 г. были направлены на решение актуальной проблемы современной биогеохимии полярных и субполярных геосистем «суша-шельф» - выявление особенностей трансформации состава водного и твердого стока реки Лена, интенсивности эмиссии метана и углекислого газа в процессе водной миграции к арктическому шельфу. В данном исследовании великие Сибирские реки, Обь и Лена, рассматриваются как интегрированные носители сигнала изменений, происходящих в их гигантских, соизмеримых с площадью всего Евразийского арктического шельфа водосборах. Отметим, что дельта реки Лены формируется в прибрежно-шельфовой позднеплейстоценовой криолитозоне моря Лаптевых, деградация которой может привести к необратимым климатическим последствиям, учитывая огромные запасы гидратов и реликтового органического углерода, пока еще в большей своей части законсервированного мерзлотой. Комплекс исследований был направлен не только на изучение потоков парниковых газов и процессов трансформации органического вещества вдоль главного русла реки Лены и в прилегающей к дельте береговой зоне моря Лаптевых, но и на обнаружении разгрузки подмерзлотных грунтовых вод на арктическом шельфе. Более того, выполнялись исследования, направленные на выявлении изменений в современном состоянии реликтовых лагун береговой зоны. Большое внимание было уделено анализу и синтезу новых данных, полученных в рамках данного проекта (2015-2017 гг.), с авторской базой данных (1999-2015 гг.). По результатам исследований были опубликованы статьи в международных журналах Biogeosciences, The Cryosphere, Nature Communications, PNAS, а также в Докладах РАН, и Известиях ТПУ. Особое внимание уделялось выявлению районов разгрузки подмерзлотных грунтовых вод в прибрежной зоне моря Лаптевых. Для этих целей, в дополнение к радиоизотопным трассерам- короткоживущие и долго–живущим изотопам радия (223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra, время полупаспада 11.4 дня, 3.6 дней, 1600 лет, и 5.8 лет, соответственно) и радону (222Rn, время полураспада 3.8 дня), была разработана погружная модификация гамма-спектрометра, которая была успешно использована на втором этапе исследования- в прибрежной зоне моря Лаптевых. Данное направление работ является новым направлением, совместно развиваемым участниками авторского коллектива - сотрудниками ТПУ и ТОИ ДВО РАН. В октябрьском номере журнала «The Cryosphere» (impact factor = 5) вышла первая работа авторского коллектива (Charkin, A. N., Rutgers van der Loeff, M., Shakhova, N. E., Gustafsson, Ö., Dudarev, O. V., Cherepnev, M. S., Salyuk, A. N., Koshurnikov, A. V., Spivak, E. A., Gunar, A. Y., Ruban, A. S., and Semiletov, I. P.: Discovery and characterization of submarine groundwater discharge in the Siberian Arctic seas: a case study in the Buor-Khaya Gulf, Laptev Sea, The Cryosphere, 11, 2305-2327, https://doi.org/10.5194/tc-11-2305-2017, 2017) по обнаружению разгрузки подмерзлотных грунтовых вод в морях Северного Ледовитого океана. Эта работа прорывного характера открывает новую страницу в изучении вклада грунтовых подмерзлотных вод в пресноводный и химический состав вод морей Северного Ледовитого океана. Она полностью выполнена сотрудниками Международной научно-образовательной лаборатории исследования углерода арктических морей (МНОЛ ИУАМ), созданной на научно-технологической платформе ТПУ, что является ярким примером успешной интеграции ученых высшей школы (ТПУ) и академической науки (ТОИ ДВО РАН). Данное направление исследований является новым примером научного доминирования российских ученых в комплексном исследовании современных изменений в арктической системе суша-море-атмосфера. Был выполнен синтез данных (2011-2015 гг.), обобщающих результаты авторского научного бурения в море Лаптевых. Впервые, на основе перебуривания скважин, выполненных в 1982-83 гг., были получены скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты, которые оказались примерно на порядок выше, чем ранее было считать. Этот результат был опубликован в статье (Shakhova, N., Semiletov, I., Gustafsson, O., Sergienko, V., Lobkovsky, L., Dudarev, O., Tumskoy, T., Grigoriev, M., Mazurov, A., Salyuk, A., Ananiev, R., Koshurnikov, A., Kosmach, D., Charkin, A., Dmitrevsky, N., Karnaukh, V., Gunar, A., A. Meluzov, A., Chernykh, D. (2017): Current rates and mechanisms of subsea permafrost degradation in the East Siberian Arctic Shelf. Nature Communications. 8, 15872 doi: 10.1038/ncomms15872) в журнале с импакт-фактором ~12. В этой работе было показано, что кровля подводной мерзлоты в районе исследования уже достигла зоны стабильности метановых гидратов. Также впервые было показано, что верхний акустический рефлектор является не кровлей подводной мерзлоты, как было принято считать ранее, а газовым фронтом, в котором наблюдается рост содержания метана в поровой воде на 3 порядка. Более того, в отдельных районах моря Лаптевых было документировано восходящее движение газового (метанового) фронта со скоростью до 5-7 метров в год. Была продолжена работа с 3х компонентным анализом растворенного СН4, который был выполнен в морях Северного Ледовитого океана впервые. Результат исследования опубликован в статье (Sapart, C.J., Shakhova, N., Semiletov, I., Jansen, J., Szidat, S., Kosmach, D., Dudarev, O., van der Veen, C., Egger, M., Sergienko, V.,; Salyuk, A., Tumskoy, V., Tison, J.L., Rockmann, T. (2017). The origin of methane in the East Siberian Arctic Shelf unraveled with triple isotope analysis. Biogeosciences, 14, 9, 2283-2292, www.biogeosciences.net/14/2283/2017/ doi:10.5194/bg-14-2283-2017) в журнале с импакт-фактором ~4 . Была выполнена методическая работа ко калибровке многолучевого эхолота для количественного детектирования потоков пузырькового СН4 в сравнении с использованием для этих целей однолучевого эхолота (Shakhova N., I. Semiletov, V. Sergienko, L.Lobkovsky, V. Yusupov, A. Salyuk, A. Salomatin, D. Chernykh, D. Kosmach, G. Panteleev, D. Nicolsky, V. Samarkin, S. Joye, A. Charkin, O. Dudarev, A. Meluzov, O. Gustafsson (2015) The East Siberian Arctic Shelf: towards further assessment of permafrost-related methane fluxes and role of sea ice. Phil. Trans. R. Soc. A, vol. 373: 20140451. http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2014.0451). Новый результат опубликован в статье (Leifer, I., Chernykh, D., Shakhova, N., and Semiletov, I.: Sonar gas flux estimation by bubble insonification: application to methane bubble flux from seep areas in the outer Laptev Sea, The Cryosphere, 11, 1333-1350, https://doi.org/10.5194/tc-11-1333-2017, 2017) в журнале с импакт-фактором ~5. В статье (Панова, Е.В., А.С. Рубан, О.В. Дударев, Т. Тези, Л. Брёдер, О. Густафссон, А.А. Гринько, Н.Е. Шахова, И.В. Гончаров, А.К. Мазуров, И.П. Семилетов (2017). Литологические особенности донных осадков и их влияние на распределение органического материала на территории Восточно-Сибирского шельфа. Известия Томского политехнического университета. 2017. Т. 328. № 8, С. 94-105) показано, что распределение Cорг в донных осадках в целом согласуется с их фракционным составом. При этом на территории внешнего шельфа отмечается относительно равномерное распределение коэффициента углеродной загрузки, несмотря на выделенные азональные песчаные области в западной части и поля с повышенным содержанием Cорг в Восточно-Сибирском море. Наиболее обогащённые органическим веществом осадки отмечаются в прибрежной области в районе губы Буор-Хая, которая является приемником мощного геохимического сигнала реки Лены и интенсивной береговой эрозии ледового комплекса. В работе (Чаркин и др., 2017) были представлены первые результаты исследований активности растворённых в воде короткоживущих радионуклидов радия в транзитной системе р. Анадырь – Берингово море. Выявлены закономерности их поведения после прохождения высокоградиентной области смешения речных и прибрежно-морских вод, а также получена скорость их горизонтального смешения. С помощью отношения активности 224Ra/223Ra построена модель “возраста радия”, по результатам которой было оценено время пребывания осолонённых речных вод в эстуарии р. Анадырь. Полученные результаты показали исключительную ценность природных радионуклидов 224Ra и 223Ra как трассеров оценки скорости горизонтального смешения и времени транзита вод в эстуарии. Их активность и транспорт связаны с характерными особенностями динамики поступления водных масс и структурно-морфологическими особенностями эстуария. Кроме того, были начаты дополнительные исследования вклада сажи или черного углерода (black carbon, BC) в региональный баланс углерода, что критично важно для совместного рассмотрения с наземными данными по эмиссии СО2, где важным компонентом являются лесные пожары. Первые результаты опубликованы в совместной статье со шведскими коллегами в статье (Winiger, P., Andersson, A., Eckhardt, S., Stohl, A., Semiletov, I.P., Dudarev, O.V., Charkin, A., Shakhova, N., Klimont, Z., Heyes, C., Gustafsson, O. (2017): Siberian Arctic black carbon sources constrained by model and observation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114, 7, E1054-E1061) в журнале с импакт-фактором ~10.