Бериллий-7 в водах Черного моря: пространственно-временная изменчивость и процессы, ее определяющие.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-77-10056

НазваниеБериллий-7 в водах Черного моря: пространственно-временная изменчивость и процессы, ее определяющие.

Руководитель Кременчуцкий Дмитрий Александрович, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" , г Севастополь

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-515 - Химия океана

Ключевые слова Бериллий-7, трассер, Черное море, численное моделирование, пространственно-временная изменчивость, управляющие процессы, седиментационные потоки.

Код ГРНТИ37.25.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на развитие трехмерной модели транспорта бериллия-7 в водах Черного моря, разработанной ранее участниками предлагаемого проекта, и выявлению регионов, в которых данных радионуклид может быть использован в роли трассера процессов, определяющих транспорт растворенных или взвешенных веществ. Актуальность исследований обусловлена двумя причинами. Первая причина заключается в том, что в морскую среду непрерывно поступают различные загрязняющие вещества, включая пассивные и консервативные примеси, представленные радионуклидами, тяжелыми металлами и стойкими органическими соединениями. В высоких концентрациях эти вещества оказывают негативное воздействие на функционирование экосистемы. В связи с этим расчет полей концентрации таких веществ представляет большой научный и практический интерес. Бериллий-7 – это естественный радионуклид космогенного происхождения, который образуется в атмосфере и в морскую среду поступает с потоком «влажных» и «сухих» атмосферных выпадений. Этот радионуклид в морской среде ведет себя как пассивная и консервативная примесь. Таким образом данные о пространственно-временной изменчивости содержания бериллия-7 чрезвычайно полезны при разработке моделей транспорта пассивных и консервативных примесей на этапе их валидации. Вторая причина заключается в том, что бериллий-7 является идеальным трассером при исследовании процессов, протекающих в деятельном слое вод морей и океанов, на масштабах времени от синоптического до сезонного. В морской среде бериллий-7 распределен между растворенной и адсорбированной на взвеси формах. Потенциально, бериллий-7 является наиболее удобным трассером в исследовании процессов, определяющих транспорт растворенных примесей, и достаточно перспективным в исследовании транспорта взвешенных примесей, но прежде чем использовать его в той или иной роли, необходимо количественно оценить вклад седиментационных процессов в вертикальный перенос этого радионуклида и выделить регионы, в которых величины этого вклада являются низкими или высокими, в зависимости от поставленных задач. На практике, математические модели являются наиболее удобным инструментом для выделения таких регионов при рассмотрении всей акватории Черного моря. В ходе выполнения проекта модель будет усовершенствована путем использования технологии вложенных сеток (нестинга). Для прибрежной зоны Черного моря будет реализована возможность проведения расчетов с пространственным разрешением около 500 м. Точность расчетов концентрации примеси будет обеспечиваться за счет повышения точности моделирования циркуляции с помощью ассимиляции натурных данных о гидрологической структуре вод. Вычислительный комплекс будет перенесен на платформу СMF, обеспечивающую параллельную работу бассейновой модели моря и вложенной модели прибрежной зоны. В рамках проекта впервые будут проведены комплексные исследования вертикальной структуры поля концентрации бериллия-7 с использованием натурных и модельных данных, получены количественные оценки вклада седиментационного осаждения в вертикальный перенос этого радионуклида для всей акватории Черного моря.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кременчуцкий Д.А., Батраков Г.Ф. Поток бериллия-7 из атмосферы в г. Севастополь Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции, посвященной памяти академика Александра Михайловича Обухова «ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА». М.: Физматкнига, 2022 – С. 131., С. 131. (год публикации - 2022)

2. Маркова Н.В., Дымова О.А. Влияние вихревой и бассейновой динамики на формирование противотечений в северо-восточной части Черного моря Волны и вихри в сложных средах: 13-ая международная конференция – школа молодых ученых; 30 ноября – 02 декабря 2022 г., Москва: Сборник материалов школы. – М.: ООО «ИСПО-принт», 2022. – С.170-173., С.170-173. (год публикации - 2022)

3. Кременчуцкий Д.А., Батраков Г.Ф. Seasonal variations in total deposition velocity and washout ratio of fine aerosols revealed from beryllium-7 (7Be) measurements in Sevastopol, the Black Sea region Atmospheric Pollution Research, Volume 14, Issue 3, 101698 (год публикации - 2023)
10.1016/j.apr.2023.101698

4. Дымова О., Маркова Н. Numerical Estimation of the Black Sea Circulation near the Continental Slope Using SKIRON and ERA5 Atmospheric Forcing Environmental Sciences Proceedings, 25(1), 61 (год публикации - 2023)
10.3390/ECWS-7-14305

5. Демышев С.Г., Дымова О.А., Миклашевская Н.А. Особенности изменчивости плотности доступной потенциальной энергии и работы силы плавучести в верхнем 300-м слое Черного моря по результатам численного моделирования Physical Oceanography (год публикации - 2023)

6. Маркова Н.В., Дымова О.А. Conditions of Deep-Water Undercurrent Generation in the North-Eastern Black Sea Fluid Dynamics, No. 5, pp. 25–36 (год публикации - 2023)
10.1134/S0015462823600591

7. Кременчуцкий Д.А., Гурова Ю.С. Factors Forming the Spatial Distribution of Natural and Man-Made Radionuclides in the Bottom Sediments of the Kamyshovaya Bay, Sevastopol Physical Oceanography, Vol.30, No 5., P. 652–665 (год публикации - 2023)

8. Кременчуцкий Д.А., Гуров К.И. Оценка скорости осадконакопления в Керченском проливе по радионуклидам Комплексные исследования Мирового океана. Материалы VII Всероссийской научной конференции молодых учёных, г. Санкт-Петербург, 15–19 мая 2023 г. – Санкт-Петербург: Своё издательство, 2023., С. 288-289. (год публикации - 2023)

9. Евстигнеева Н.А., Дымова О.А. Особенности поля течений в прибрежной зоне Крыма летом 2016 года по результатам моделирования с высоким пространственным разрешением Моря России: от теории к практике океанологических исследований: тезисы докладов Всероссийской научной конференции, Севастополь, 25–29 сентября 2023 г. – Севастополь : ФГБУН ФИЦ МГИ, 2023, С. 146–147 (год публикации - 2023)

10. Кременчуцкий Д. А., Батраков Г. Ф. Распределение бериллия-7 в Черном море в зимний сезон Моря России: от теории к практике океанологических исследований: тезисы докладов Всероссийской научной конференции, Севастополь, 25–29 сентября 2023 г. – Севастополь : ФГБУН ФИЦ МГИ, 2023, С. 266 (год публикации - 2023)

11. Евстигнеева Н.А., Дымова О.А. Анализ полей течений и концентрации бериллия-7 в прибрежном районе Южного берега Крыма летом 2016 г. по результатам моделирования Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 18-20 октября 2023 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2023, С. 56–58 (год публикации - 2023)

12. Кременчуцкий Д.А. Temporal Variability of the Beryllium-7 (7Ве) Scavenging Ratio in the Sevastopol Region PHYSICAL OCEANOGRAPHY, Vol. 31, Iss. 2, pp. 246-257 (год публикации - 2024)

13. Журавлёва А.А., Гуров К. И., Кременчуцкий Д.А. Скорость осадконакопления и потоки цезия-137 в Керченском проливе Сборник материалов II Молодежной научно-практической конференции, посвященной дню Российской науки в Севастопольском государственном университете, Севастополь, 08 февраля 2024 г. – Севастополь : СевГУ, 2024., С. 376–377 (год публикации - 2024)

14. Гуров К.И., Котельянец Е.А., Журавлева А.А., Кременчуцкий Д.А. Тяжелые металлы в донных отложениях керченского пролива: пространственное распределение, потоки, уровни нагрузки тезисы докладов VIII Всероссийской научной конференции «Моря России: современные методы исследований и их практические применения», Севастополь, 23–27 сентября 2024 г. – Севастополь : ФГБУН ФИЦ МГИ, 2024, С. 250–252 (год публикации - 2024)

15. Кременчуцкий Д.А., Батраков Г.Ф., Гуров К.И., Журавлева А.А. Вклад растворенной и взвешенной форм в вертикальный транспорт бериллия-7 тезисы докладов VIII Всероссийской научной конференции «Моря России: современные методы исследований и их практические применения», Севастополь, 23–27 сентября 2024 г. – Севастополь : ФГБУН ФИЦ МГИ, 2024, С. 272–273 (год публикации - 2024)

16. Гуров К.И., Котельянец Е.А., Журавлева А.А., Кременчуцкий Д.А. Radionuclides and heavy metals in the Kerch Strait sediments: Spatial distribution, fluxes and pollution loads Continental Shelf Research, 105386 (год публикации - 2024)
10.1016/j.csr.2024.105386

17. Ушаков К., Дымова О., Евстигнеева Н., Семин С., Кауркин М. Simulating the Black Sea 7Be Transport with Nested General Circulation Models Supercomputing, vol 15406, pp 202–215 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-78459-0_15

18. Кременчуцкий Д.А., Гуров К.И., Гурова Ю.С. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БЕРИЛЛИЯ-7 МЕЖДУ РАСТВОРЕННОЙ И АДСОРБИРОВАННОЙ НА ВЗВЕСИ ФОРМАМИ В ВОДАХ ЧЕРНОГО МОРЯ Труды XIII Международной научно-практической конференции "Морские исследования и образование (MARESEDU-2024)", Тверь: ООО "ПолиПРЕСС", Том II (IV), С. 25-28 (год публикации - 2024)

19. Дымова О. А., Евстигнеева Н. А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТА БЕРИЛЛИЯ-7 В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ тезисы докладов VIII Всероссийской научной конференции «Моря России: современные методы исследований и их практические применения», Севастополь, 23–27 сентября 2024 г. – Севастополь : ФГБУН ФИЦ МГИ, С. 152–154. (год публикации - 2024)

20. Евстигнеева Н., Дымова О. Analysis of Current Fields and Beryllium-7 Concentration in the Shore Area of the Southern Coast of Crimea in the Summer of 2016 According to the Modeling Results Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes. PMMEEP 2023. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham., pp 11–22 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-54589-4_2

21. Кременчуцкий Д.А., Батраков Г.Ф. Временная изменчивость концентрации Ве-7 в Черном море Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием для молодых ученых по проблемам водных и наземных экосистем, посвященной 60-летию со дня преобразования Севастопольской биологической станции в ИнБЮМ. Севастополь, 2023, C. 69 (год публикации - 2023)

22. Кременчуцкий Д.А., Гуров К.И., Гурова Ю.С., Бежин Н.А. Сезонная изменчивость концентрации бериллия-7 в Черном море Материалы VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых «Комплексные исследования Мирового океана», г. Владивосток, 13–17 мая 2024 г. Владивосток: ННЦМБ ДВО РАН, 2024, С. 272-273 (год публикации - 2024)

23. Гуров К.И., Кременчуцкий Д.А., Журавлева А.А. Потоки веществ и скорости осадконакопления на северном шельфе Черного моря Материалы VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых «Комплексные исследования Мирового океана», г. Владивосток, 13–17 мая 2024 г. Владивосток: ННЦМБ ДВО РАН, 2024, С. 391-392 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В третий год выполнения проекта получены новые натурные данные о пространственной изменчивости скорости осадконакопления и потока веществ в донные отложения. В исследуемом районе скорость осадконакопления и поток вещества в донные отложения варьировался от 0,2 до 5,7 мм/год и от 14 до 679 мг/(см^2 год) соответственно. Отмечена тенденция к снижению значений обоих параметров с отдалением от берега. Результаты корреляционного анализа указывают на наличие прямой сильной взаимосвязи между этими параметрами (r=0,92 и p<0,01). Дополнительно получены новые натурные данные о пространственной изменчивости концентрации Ве-7 в водах Черного моря. Впервые зафиксированы высокие значения концентрации, достигающие 18 Бк/м^3. Показано, что концентрация Ве-7 по мере отдаления от прибрежной зоны возрастает в 2–4 раза. Выявленные закономерности согласовались с описанными в предыдущие годы выполнения проекта. Проведена переоценка потока Ве-7 из атмосферы для периода 2015–2023 гг. и выполнены численные эксперименты по формированию и трансформации поля концентрации этого Ве-7 в водах Черного моря для периода 2015–2020 гг. и, дополнительно, для 2022–2023 гг. Результаты валидации модельных термохалинных полей по данным буев Арго и рейсов НИС «Профессор Водяницкий» и полей концентрации Ве-7 по данным рейсов НИС «Профессор Водяницкий» позволяют заключить, что уровень точности полученных результатов подтверждает возможность их использования для анализа пространственно-временной изменчивости поля концентрации Ве-7 в водах Черного моря. Анализ результатов численных экспериментов позволил установить наличие ярко выраженной пространственно-временной изменчивости поля концентрации Ве-7 в водах Черного моря. На сезонном временном интервале повышенные значения концентрации характерны для летнего периода (среднее 7,7±0,5 Бк/м^3), пониженные – для зимнего (среднее 4,6±0,4 Бк/м^3). В пространственной изменчивости во все сезоны повышенные значения характерны для юго-восточной части моря, пониженные – для северо-западной. Повышенные значения от пониженных различаются в 2–3 раза. Временная изменчивость концентрации Ве-7 на синоптическом масштабе времени обусловлена вариацией его потока из атмосферы: выпадение осадков приводит в росту потока Ве-7 и, соответственно, его концентрации в морской среде. На сезонном временном интервале кроме потока Ве-7 из атмосферы важную роль играет изменение глубины перемешивания (r= –0.81 и p<0.01). На межгодовом временном интервале изменчивость концентрации обусловлена изменчивостью его потока из атмосферы (r= 0,86 и p<0,01). Пространственная изменчивость концентрации Ве-7 обусловлена пространственной неоднородностью потока Ве-7 из атмосферы, глубины перемешивания (включая влияние вихрей) и концентрации взвеси (седиментационные процессы). В частности, в области антициклонов (например, Батумский или Севастопольский) наблюдается рост глубины перемешивания за счет нисходящего движения вод в его центральной части, что приводит к снижению концентрации на 30–40% в ВПС за счет эффекта разбавления, при этом запас Ве-7 в водном столбе возрастает на 20–100% за счет транспорта Ве-7 из соседних районов. Установлено наличие ярко выраженной сезонной изменчивости в вертикальном профиле концентрации Ве-7. В зимний сезон глубина перемешивания и поток Ве-7 максимальны, что обусловлено высокой динамикой вод (ветровая накачка) и обильными осадками (средиземноморский тип климата), соответственно. Это обеспечивает транспорт Ве-7 в максимально глубокие слои. В весенний сезон поток Ве-7 из атмосферы снижается в следствии снижения количества выпадающих осадков, ветровая накачка ослабевает, что приводит к снижению динамики вод, также начинает расти теплозапас верхнего слоя (начинает формироваться сезонный термоклин). Это приводит к уменьшению глубины перемешивания, накоплению Ве-7 в верхних слоях и снижению его концентрации в нижерасположенных в следствие радиоактивного распада. В летний сезон ветровая накачка минимальна, поток тепла максимальный. Глубина перемешивания минимальна. Поток минимальный (минимум осадков). Радионуклид накапливается в верхних слоях, а в нижерасположенных он продолжает убывать в следствие радиоактивного распада. В осенний сезон ветровая накачка увеличивается (рост динамики вод), поток тепла снижается. Глубина перемешивания начинает увеличиваться (заглубление сезонного термоклина и снижение его силы). Это приводит к снижению концентрации Ве-7 в верхних слоях (разбавление в большем объеме) и к началу роста его концентрации в нижерасположенных. Впервые получены количественные оценки пространственной изменчивости вклада седиментации (адсорбции Ве-7 на оседающем взвешенном веществе) в вертикальный транспорт Ве-7 для всей акватории Черного моря. Согласно этим оценкам, в слое 0-100 м в среднем около 28% активности Ве-7 в шельфовой части моря и 1% его активности в глубоководной удаляется с оседающим взвешенным веществом. Отмечено наличие сезонной изменчивости: минимум влияния седиментации наблюдался в осенний сезон (23,4% для шельфа и 0,1% для глубоководной), максимум влияния наблюдался в зимне-весенний период (29,7–30,1% для шельфа и 0,9–1,6% для глубоководной). Задачи, связанные с использованием Ве-7 в роли трассера процессов используют либо данные о запасе Ве-7 в водном столбе (первый тип задач), либо данные об изменчивости вертикального распределения суммарной концентрации Ве-7 (второй тип задач), либо данные об изменчивости вертикального распределения содержания Ве-7 в растворенной и адсорбированной на взвеси формах (третий тип задач). Пример задачи первого типа – оценка потока различных веществ из атмосферы в морскую среду, второго типа – оценка параметров вертикального обмена (коэффициент вертикальной турбулентной диффузии и вертикальной компоненты вектора скорости), третьего типа – оценка скорости седиментации взвеси и седиментационного потока. Исходя из этого и полученных оценок вклада, впервые выполнено районирование Черного моря по степени влияния седиментации на вертикальный транспорт Ве-7. В глубоководной части моря влияние седиментации на вертикальный транспорт Ве-7 пренебрежимо мало (целесообразно решение только первого и второго типа задач). На шельфе в диапазоне глубин от ~50 до 200 м вклад седиментации, как правило, не превышает 20%. С учетом значительной пространственно-временной изменчивости значений параметров трассируемых процессов, дополнительная погрешность в 20% при решении задач первого и второго типа не является катастрофической, при этом следует проводить определение Ве-7 на взвеси и работать уже с суммарным значением его концентрации. В шельфовой области при глубине места до ~50 м вклад седиментации в вертикальный транспорт Ве-7 варьируется от 20 до 70%. В этой области целесообразно решение только задач третьего типа.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Два основных результата были получены в ходе реализации проекта: (1) доработанная версия отечественной трехмерной термогидродинамической модели циркуляции Черного моря с блоком транспорта пассивной и консервативной примеси; (2) районирование Черного моря по степени влияния седиментационных процессов на вертикальный транспорт бериллия-7. Модель является удобным инструментом, имеющим большое практическое значение и формирующим научный задел для проведения дальнейших исследований как в этой области, так и в смежных. Так, к примеру, она может быть переориентирована с расчета полей концентрации бериллия-7 в водах Черного моря, на расчет полей концентрации других пассивных и консервативных примесей (радионуклиды, тяжелые металлы и т.д.) достаточно быстро. Бериллий-7 является одним из лучших трассеров физических процессов, протекающих в деятельном слое вод Мирового океана в целом и Черного моря, в частности, на сезонном временной интервале. Районирование Черного моря по степени влияния седиментационных процессов на вертикальный транспорт этого радионуклида имеет большое практическое значение и формирует задел к обоснованному использованию этого радионуклида в качестве трассера определенных процессов в определенных районах Черного моря.