Спутниковое исследование феномена цветений E. huxleyi в Баренцевом, Норвежском и Гренландском морях в 2003–2021 гг.: временная динамика ареала цветений, продукции неорганического углерода и парциального давления СО₂ в поверхностных водах

На основе спутниковых данных проведен анализ цветения E. huxleyi: количественная оценка продукции взвешенного неорганического углерода (PIC) и увеличения парциального давления CO₂, (pCO₂) в поверхностных водах. Временные ряды этих переменных были получены для Норвежского, Гренландского и Баренцева морей за 18-летний период (2003–2021 гг.). Площади цветения в североатлантических и арктических водах наименьшие в Гренландском море — от 10x10³ км² до (20–40)x10³ км². В Норвежском и Баренцевом морях они достигают в некоторые годы (60– 80)x10³ км² и (500–600)x10³ км², соответственно. Общее содержание PIC в цветении E. huxleyi редко превышает 12–14 килотонн и 40 килотонн в Гренландском и Норвежском морях, соответственно. В Баренцевом море в некоторые годы оно может достигать 550 килотонн. Наибольшее значение pCO₂ во время цветения E. huxleyi в поверхностных водах Баренцева моря составило ~350 мкатм. В Норвежском море pCO₂ в поверхностных водах в пределах цветения E. huxleyi также было близко к 350 мкатм, но чаще оставалось около 250 мкатм. В Гренландском море было только четыре года относительно повышенного pCO₂ (до 250 мкатм), в остальное время он оставался ниже уровня уверенного определения нашим методом. Поскольку цветения E. huxleyi обычно очень обширны, происходят по всему Мировому океану (и, следовательно, в совокупности происходят круглый год), это явление потенциально может как снизить до некоторой степени роль Мирового океана как поглотителя атмосферного CO₂, так и повлиять на карбонатный насос. 

1. IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2391 p. doi:10.1017/9781009157896

2. Burger F., John J.G., Frölicher T.L. Increase in ocean acidity variability and extremes under increasing atmospheric CO2 // Biogeosciences. 2020. Vol. 17, Iss. 18. P. 4633–4662. doi:10.5194/bg-17–4633–2020

3. Hauri C., Pages R., McDonnel A.M. P. et al. Modulation of ocean acidification by decadal climate variability in the Gulf of Alaska // Communications Earth & Environment. 2021. Vol. 2. Art. 191. doi:10.1038/s43247–021–00254-z

4. Gattuso J.-P., Brewer P., Hoegh-Guldberg O. Ocean acidification // Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part A. Global and Sectoral Aspects / Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (C.B. Field, V.R. Barros, and D.J. Dokken Eds). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2014, P. 129–131.

5. Thierstein H.R., Young J.R. Coccolithophores: From molecular processes to global impact. Berlin: Springer, 2004. 565 p. doi:10.1007/978-3-662-06278-4

6. Pozdnyakov D., Gnatiuk N., Davy R., Bobylev L. The phenomenon of Emiliania huxleyi in aspects of global climate and the ecology of the World Ocean // Geography, Environment, Sustainability. 2021. Vol. 14, N 2. P. 50–62. doi:10.24057/2071-9388-2020-214

7. Kondrik D.V., Pozdnyakov D.V., Pettersson L.H. Particulate inorganic carbon production within E. huxleyi blooms in subpolar and polar seas: a satellite time series study (1998–2013) // International Journal of Remote Sensing. 2017. Vol. 38, Iss. 22, P. 6179–6205. doi:10.1080/01431161.2017.1350304

8. Holligan P.M., et al. A biogeochemical study of the coccolithophore, Emiliania huxleyi, in the North Atlantic // Global Biogeochemical Cycles. 1993. Vol. 7, Iss. 4. P. 879–900. doi:10.1029/93GB01731

9. Groom S.B., Holligan P.M. Remote sensing of coccolithophore blooms // Advances in Space Research. 1987. Vol. 7, Iss. 2. P. 73–78. doi:10.1016/0273–1177(87)90166–9

10. Balch W.M., Kilpatrick K.A., Holligan P.M., Harbour D., Fernandez E. The 1991 coccolithophore bloom in the central North Atlantic. 2. Relating optics to coccolith concentration // Limnology and Oceanography. 1996. Vol. 41, Iss. 8. P. 1684–1696. doi:10.4319/lo.1996.41.8.1684

11. Brown C.W., Yoder J.A. Coccolithophoridblooms in the global ocean // Journal of Geophysical Research. 1994. Vol. 99, Iss. C4. P. 7467–7482. doi:10.1029/93JC02156

12. Ackleson S.G., Balch W.M., Holligan P.M. Response of water-leaving radiance to particulate calcite and chlorophyll a concentrations: A model for Gulf of Maine coccolithophore blooms // Journal of Geophysical Research: Oceans. Special Section. 1994. Vol. 99, Iss. C4. P. 7483–7499. doi:10.1029/93JC02150

13. Smyth T.J., Tyrrell T., Tarrant B. Time series of coccolithophore activity in the Barents Sea, from twenty years of satelliteimagery // Geophysical Research Letters. 2004. Vol. 31, Iss. 11. doi:10.1029/2004GL019735

14. Cokacar T., Oguz T., Kubilay N. Satellite-detected early summer coccolithophore blooms and their interannual variability in the Black Sea // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2004. Vol. 51, Iss. 8. P. 1017–1031. doi:10.1016/j.dsr.2004.03.007

15. Буренков В.И., Копелевич О.В., Ратькова Т.Н., Шеберстов С.В. Спутниковые наблюдения цветения кокколитофорид в Баренцевом море // Океанология. 2011. Т. 51. № 5. С. 818–826.

16. Iglesias-Rodriguez M.D., Brown C.W., Doney S.C., Kleypas J., Kolber D., Kolber Z., Hayes P.K., Falkowski P.G. Representing key phytoplankton functional groups in ocean carbon cycle models: Coccolithophorids // Global Biogeochemical Cycles. 2002. Vol. 16, Iss. 4. P. 47–1–47–20. doi:10.1029/2001GB001454

17. Moore T., Dowel M.D., Franz B.A. Detection of coccolithophore blooms in ocean color imagery: A generalized approach for use with multiple sensors // Remote Sensing of Environment. 2012. Vol. 117. P. 249–263. doi:10.1016/j.rse.2011.10.001

18. Sadeghi A., Dinter T., Vountas M., Taylor B., Altenburg-Soppa M., Bracher A. Remote sensing of coccolithophore blooms in selected oceanic regions using the PhytoDOAS method applied to hyper-spectral satellite data // Biogeosciences. 2012. Vol. 9, Iss. 6. P. 2127–2143. doi:10.5194/bg-9-2127-2012

19. Balch W.M., Drapeau D.T., Bowler B.C., Lyczkowski E.R., Lubelczyk L.C., Painter S.C., Poulton A.J. Surface biological, chemical, and optical properties of the Patagonian Shelf coccolithophore bloom, the brightest waters of the Great Calcite Belt // Limnology and Oceanography. 2014. Vol. 59, Iss. 5. P. 1715–1732. doi:10.4319/lo.2014.59.5.1715

20. Iida T., Saitoh S.I., Miyamura T., Toratani M., Fukushima H., Shiga N. Temporal and spatial variability of coccolithophore blooms in the eastern Bering Sea, 1998–2001 // Progress in Oceanography. 2002. Vol. 55, Iss. 1–2. P. 165–175. doi:10.1016/S0079–6611(02)00076–9

21. Merico A., Tyrrell T., Brown C.W., Groom S.B., Miller P.I. Analysis of satellite imagery for Emiliania huxleyi blooms in the Bering Sea before 1997 // Geophysical Research Letters. 2003. Vol. 30, Iss. 6. 1337. doi:10.1029/2002GL016648

22. Петренко Д.А., Заболотских Е.В., Поздняков Д.В., Кунийон Ф., Карлин Л.Н. Межгодовые вариации и тренд продукции неорганического углерода кокколитофорного происхождения в Арктике за период 2002–2010 гг. по спутниковым данным // Исследование Земли из космоса. 2013. № 2. С. 19–27. doi:10.7868/S0205961413020085

23. Kopelevich O., Burenkov V., Sheberstov S., Vazyulya S., Kravchishina M., Pautova L., Silkin V., Artemiev V., Grigoriev A. Satellite monitoring of coccolithophore blooms in the Black Sea from ocean color data // Remote Sensing of Environment. 2014. Vol. 146. P. 113–123. doi:10.1016/j.rse.2013.09.009

24. Kondrik D.V., Pozdnyakov D.V., Johannessen O.M. Satellite evidence that E. huxleyi phytoplankton blooms weaken marine carbon sinks // Geophysical Research Letters. 2018. Vol. 45, Iss. 2. P. 846–854. doi:10.1002/2017GL076240

25. Морозов Е.А., Кондрик Д.В., Чепикова С.С., Поздняков Д.В. Увеличение концентрации CO2 в атмосферном столбе над областью цветения E. huxleyi: конкретные случаи в водах Северной Атлантики и Арктики // Труды Карельского научного центра РАН. Серия Лимнология и океанология. 2019. № 3. С. 28–33. doi:10.17076/lim989

26. Pozdnyakov D.V., Pettersson L.H., Korosov A.A. Exploring the marine ecology from space. Experience from Russian-Norwegian Cooperation. Series: Springer Remote Sensing/Photogrammetry. Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer, 2017. 215 p.

27. The Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS). 2015: Globcolour project, L3 Ocean Colour products. URL: http://globcolour.info (дата обращения: 10.10.2021).

28. Garnesson P., Mangin A., d’Andon O.F., Demaria J., Bretagnon M. The CMEMS GlobColour chlorophyll-a product based on satellite observation: multi-sensor merging and flagging strategies // Ocean Science. 2019. Vol. 15. P. 819–830. doi:10.5194/os-15–819–2019

29. Snyder J.P. Map projections: A working manual. Professional paper 1395. Washington, DC, US Geological Survey, 1987. 305 p.

30. NOAA National Geophysical Data Center. 2018: AVHRR Pathfinder version 5.3 level 3 collated (L3C) global 4km sea surface temperature for 1981-Present. NOAA National Centers for Environmental Information. Dataset. URL: https://data.nodc.noaa.gov/cgi-bin/iso?id=gov.noaa.nodc: AVHRR_Pathfinder-NCEI–L3C-v5.3 (дата обращения: 10.05.2022). doi:10.7289/v52j68xx

31. Casey K.S., Brandon T.B., Cornillon P., Evans R. The past, present and future of the AVHRR pathfinder SST program // Oceanography from Space: Revisited / eds. V. Barale, J.F.R. Gower, and L. Alberotanza, Springer. 2010. doi:10.1007/978–90–481–8681–5_16

32. Korak S., Zhao X.Z., Zhang H., Casey S., Zhang D., Baker-Yeboah S., Kilpatrick K.A., Evans R.H., Ryan T., Relph J.M. AVHRR Pathfinder version 5.3 level 3 collated (L3C) global 4km sea surface temperature for 1981-Present // NOAA National Centers for Environmental Information. 2018, Dataset. doi:10.7289/v52j68xx

33. NOAA National Geophysical Data Center. 2018: The World Ocean Atlas. NOAA National Centers for Environmental Information. URL: https://www.ncei.noaa.gov/products/world-ocean-atlas (дата обращения: 10.05.2022).

34. Jerome J.H., Bukata R.P., Miller J.R. Remote sensing reflectance and its relationship to optical properties of natural water // International Journal of Remote Sensing. 1996. Vol. 17, Iss. 16. P. 3135–3155. doi:10.1080/01431169608949135

35. Sokoletsky L.G., Lunetta R.S., Wetz M.S., Paerl H.W. Assessment of the water quality components in turbid estuarine waters based on radiative transfer approximations // Israel Journal of Plant Sciences. 2012. Vol. 60. P. 209–229. doi:10.1560/IJPS.60.1–2.209

36. Press W., Teukolsky S., Vettering W., Flannery B. Numerical recipes in C: The art of scientific computing. 2nd ed. New York: Cambridge University Press, 1992. 1262 p.

37. Balch W.M., Gordon H., Bowler B.C., Drapeau D.T., Booth E.S. Calcium carbonate measurements in the surface global ocean based on Moderate-Resolution Imaging Spectrometer Data // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110, Iss. C7. C07001. doi:10.1029/2004JC002560

38. Montegut C., Madec G., Fisher A., Lazar A., Iudicone D. Mixed layer depth over the global ocean: An examination of profile data and a profile-based climatology // Journal of Geophysical Research. 2004. Vol. 109, Iss. C12. C12003. doi:10.1029/2004JC002378

39. Honjo S. Coccoliths: Production, transportation and sedimentation // Marine Micropaleontology. 1976. Vol. 1. P. 65– 79. doi:10.1016/0377–8398(76)90005–0

40. Pozdnyakov D.V., Chepikova S., Kondrik D.V. A possible teleconnection mechanism of initiation of Emiliania huxleyi outbursts in the Bering Sea in 1998–2001 and 2018–2019 // Proceedings Volume 11534, Earth Resources and Environmental Remote Sensing/GIS Applications XI; 1153412. 2020. doi:10.1117/12.2573272

41. Pozdnyakov D., Kondrik D., Kazakov E., Chepikova S. Environmental conditions favoring coccolithophore blooms in subarctic and arctic seas: a 20-year satellite and multi-dimensional statistical study // SPIE Proceedings,11150: SPIE: Remote Sensing of the Ocean. 9–12 September Strasbourg, France, 2019. doi:10.1117/12.2547868