Глава 8 Обобщение основных результатов исследований

 ГЛАВА 8.

Обобщение основных результатов исследований

Новые натурные данные были получены в 6 последовательных экспедициях на озеро Иссык-Куль в сентябре 2014 г., в июне 2015 г., ноябре 2016 г., июне 2017 г., июле 2018 г. и ноябре 2019 г. Ежегодные CTD зондирования и отбор проб воды были проведены на сетке из 34 точек, распределённых по всей акватории озера (Рис. 8.1). Для восстановления истинной солёности воды Иссык-Куля из электропроводности, температуры и давления при отличном от океанского ионно-солевом составе использовалась эмпирическая формула, предложенная в работе [33]. Выполненные измерения включали в себя также непрерывные зондирования температуры и электропроводности в поверхностном слое на ходу судна с использованием системы прокачки забортной воды и зонда CTD, помещённого в специальный проточный контейнер на палубе, что обеспечивало горизонтальное разрешение вдоль траектории порядка 100 м. В экспедициях 2018 и 2019 гг. получены также вертикальные профили скорости и направления течений на станциях.

Выполненные в течение 6 лет натурные измерения позволили установить ранее неизвестные особенности термохалинных полей и циркуляции озера Иссык-Куль. Построены наиболее подробные за всю историю наблюдений карты распределений солёности. Обнаружена область слабо повышенной солёности в центральной части озера, специфическая “дипольная” форма которой указывает на существование в структуре циркуляции не только общего циклонического круговорота, но и двух отдельных круговоротов меньшего, суб-бассейнового масштаба (что отчасти подтверждается и прямыми измерениями скорости течений). Установлено, что, вообще говоря, поля солёности в Иссык-Куле отличаются необыкновенной консервативностью – её межгодовые и сезонные изменения, а также и пространственная изменчивость по всей акватории озера, за исключением приустьевых районов, как правило, измеряются лишь сотыми долями промилле. Важным результатом исследования представляется обнаружение сохраняющегося от года к году подповерхностного максимума солёности на глубинах от 70 до 130 м. Как показано на основе балансовых оценок и затем подтверждено анализом прямых измерений скорости течений, осенне-зимнее дифференциальное охлаждение приводит к тому, что по каньонам (древним речным руслам) в восточном литоральном районе в придонные слои центральной части моря поступает значительный объем (по выполненным оценкам – до 1 км³) холодных прибрежных вод, опреснённых речным стоком. Эти воды затем перемешиваются с лежащими выше более солёными водами, что в ситуации, когда верхний слой озера также опреснён речным стоком, и приводит к появлению максимума солёности на промежуточных глубинах.

Выполненные измерения не подтверждают проявлений глобального потепления в виде междекадного роста температуры в глубоких слоях озера Иссык-Куль, о котором сообщалось ранее: современное (в 2018 г.) значение температуры на глубине 500 м в точности совпадало с отмечавшимся в измерениях 2003 г., а именно 4.44^оС. Однако можно указать на очень слабое (около 0.03 г кг^-1) увеличение солёности придонного слоя за последние 40 лет.

На основе натурных пульсационных измерений на озере Иссык-Куль получена новая эмпирическая параметризация коэффициента шероховатости в формулах для потока импульса на поверхности озера в условиях высокогорья, которая обеспечивает лучшее, чем стандартные параметризации, приближение к натурным данным. Фоновые гидрометеорологические условия при этом описывались с использованием модели Гидрометцентра РФ.

На основе анализа проб воды, отобранных из озера и из 12 главных питающих его рек выполнены оценки баланса биогенных веществ. Соотношение запасов растворенного углерода и биогенных элементов позволяет предположить, что для фосфора и кремния в водах озера есть механизмы, регулирующие их содержание, например, связывание их в органическом веществе и вывод в донные осадки. Для углерода и неорганического азота, скорее всего, существует значительный приток с подземными водами или с плоскостным стоком.

В ходе выполнения проекта были также выполнены гидробиологические исследования состава и структуры бентических диатомовых таксоценов озера Иссык-Куль. В целом в западной, северной и северо-восточной частях акватории озера было выявлено 155 видов и подвидов бентических и бенто-планктонных диатомей.

Научные экспедиции на озеро Иссык-Куль также имели «гуманитарную» составляющую и включали мероприятия, посвящённые памяти Н.М. Пржевальского, похороненного на берегу озера Иссык-Куль, а также чтение участниками экспедиций в рамках проекта лекций для студентов Иссык-Кульского университета в г. Каракол.

Рис. 8.1. Карта озера Иссык-Куль (издание Генерального штаба 1988 г, лист К-43-б) с изолиниями глубины (м) и сетка ежегодно выполнявшихся гидрологических станций (черные кружки). Буквами A, B и C обозначены точки заякоренных постановок с цепочками термодатчиков и измерителями скорости течения. Станции А и С были установлены в русловых каньонах Джергалан и Тюп, соответственно, а станция В – на ровном дне между каньонами. Буквой D обозначена гидрологическая станция, соответствующая максимальной глубине озера 668 м.

Всего в ходе 6 экспедиций были получены более ста профилей CTD. Выполненные измерения включали в себя также непрерывные зондирования температуры и электропроводности в поверхностном слое вдоль траектории судна с использованием системы прокачки забортной воды и CTD зонда YSI6600, помещённого в специальный проточный контейнер на палубе, что обеспечивало горизонтальное разрешение вдоль трека судна порядка 100 м. Необходимо отметить, что преобразование основанных на электропроводности данных CTD зонда в истинную солёность для озера Иссык-Куль является отдельной проблемой из-за существенных отличий ионно-солевого состава вод озера от «канонического» состава воды океана. Полученная на основе лабораторных измерений эмпирическая формула для восстановления солёности воды Иссык-Куля из электропроводности, температуры и давления была предложена [33], но с тех пор никем не более использовалась. Мы использовали эту формулу, чтобы получить истинную солёность.

8.1. Горизонтальная термохалинная структура и её изменчивость

Распределение солёности на поверхности, полученное по результатам проточных CTD измерений в ноябре 2016 г., показано на рис. 8.2. Данная карта является наиболее подробной из всех когда-либо полученных на Иссык-Куле. В целом, горизонтальная изменчивость поля солёности оказалась удивительно малой - за исключением районов, непосредственно примыкающих к устьям рек, общий разброс значений солёности по всему поверхностному слою озера не превышал 0.06 г кг^-1 (между 5.96 и 6.02 г кг^-1). Это ещё раз свидетельствует о высокой интенсивности процессов перемешивания в озере.

Рис. 8.2. Пространственное распределение солёности (г/кг) на поверхности 1-3 ноября 2016 г.

Тем не менее, сток главных притоков Иссык-Куля, рек Джергалан и Тюп, приносящих в озеро в среднем 28 м³/с и 12 м³/с [17] пресной воды, формирует отчётливый отклик в поле солёности в восточном литоральном районе, образуя своего рода фронтальную зону с достаточно высоким градиентом солёности (порядка 0.02 г/кг на км) около 78° в.д. Материковый плюм с относительно низкой солёностью прослеживается на протяжении более 20 км от речных устьев и в основном ограничивается верхним 20-метровым слоем. Этот плюм в осенне-зимний период характеризуется также температурой, пониженной на 1-2°С относительно окружающих вод. На инфракрасных спутниковых изображениях, полученных одновременно с натурными измерениями [34] видно, что наиболее холодная вода сосредоточена в относительно узкой полосе (шириной 1-4 км), прилегающей к суше и простирающейся от устья р. Джергалан до устья р. Тюп. Именно здесь осенью и развивается дифференциальная конвекция, обсуждаемая ниже.

Рис. 8.3. Разница между значениями солёности (г/кг) на поверхности в конце июня 2017 и в конце июня 2015 г.

Другая примечательная особенность представлена слегка (на 0.01-0.02 г кг^-1) повышенными значениями солёности и пониженными температуры в центральной части озера, что согласуется с традиционным представлением о циклонической циркуляции бассейнового масштаба, приводящей к формированию в центральной области «куполообразной» структуры и поступлению более солёных вод из термоклина в поверхностный слой [17]. Интересно отметить, что эта область повышенной солёности и пониженной температуры, по-видимому, имеет бимодальную структуру, с одним ядром в центральной северо-восточной части и другим - в центральной юго-западной части озера. Это может указывать на существование двух циклонических круговоротов суб-бассейнового масштаба, наложенных на общую циклоническую циркуляцию. Такие суб-бассейновые круговороты часто встречаются в замкнутых морях и водоёмах, таких, например, как Черное и Каспийское моря [37], но они никогда ранее не были описаны для Иссык-Куля. Данные прямых измерений скорости течений в июле 2018 г. в целом подтверждают существование суб-бассейновых круговоротов, см. ниже.

Межгодовые изменения солёности невелики, они нигде не превышали нескольких сотых г кг^-1 и в среднем по всей акватории были очень близки к нулю (Рис. 8.3). Таким образом, межгодовые вариации речного стока и испарения почти не оказывают влияния на распределения солёности даже в верхнем слое.

8.2. Общая циркуляция

Пространственные распределения скорости течений измерялись только в пятой экспедиции 4-5 июля 2018 г., в условиях умеренных (3-5 м/с) ветров западных и юго-западных румбов, затем сменившихся на юго-восточные. Результаты этих измерений представлены на рис. 8.4. На рисунке векторы скорости на каждом уровне глубины показаны в горизонтальной плоскости (т.е. ось абсцисс соответствует зональному, ординат – меридиональному направлению).

Наиболее высокие скорости (до 38 см/с) наблюдались на мелководных станциях в прибрежных районах, где изменчивость направления течений определялась в основном местным ветром. В глубокой части озера течения были более медленными.

Интересно отметить, что на всех станциях скорость и направление течений мало менялись по глубине. Даже на самых глубоких станциях (18bis и 19) мы не обнаружили никаких признаков смены знака циркуляции в придонном слое – течение сохраняло одно и то же направление по всей толще вод, лишь незначительно убывая по абсолютной величине ко дну. Такая ситуация возможна в случае преимущественно баротропного характера движения – за исключением

Рис. 8.4. Вертикальные распределения векторов скорости течений 4-5 июля 2018 г. Векторы на каждом уровне глубины показаны в горизонтальной плоскости (ось абсцисс соответствует зональному, ординат – меридиональному направлению). Номера станций показаны над графиками, масштаб максимальной скорости – под графиками. В правом нижнем углу дана схема расположения станций.

мелководных литоральных районов, где преобладают дрейфовые эффекты, течения управляются не ветровым дрейфом и не горизонтальными неоднородностями плотности (которые, как видно из изложенного выше, в озере Иссык-Куль вообще относительно малы), а наклонами поверхности водоёма, связанными, вероятно, с завихренностью поля ветра над акваторией.

Если исключить из рассмотрения прибрежные районы и оставить лишь те станции, глубина на которых превышает 100 м (т.е. расположенные на склоне либо в глубокой части озера), а также перейти к осреднённым по глубине векторам скорости, получим картину, показанную на рис. 8.5. К сожалению, число точек измерений недостаточно для того, чтобы сделать определённые выводы о характере циркуляции, однако видно, что измерения не противоречат нашему представлению о наличии двух циклонических круговоротов суб-бассейнового масштаба, тем более, что предполагаемые центры этих круговоротов довольно точно совпадают с областями повышенной солёности, обнаруженными в измерениях, см. рис. 8.2.

Рис. 8.5. Осреднённые по глубине векторы скорости течения для 6 станций, на которых общая глубина превышала 100 м, 4-5 июля 2018 г. Синими эллипсами показаны гипотетические круговороты суб-бассейнового масштаба.

8.3. Вертикальная термохалинная структура и её изменчивость

Вертикальные профили температуры и солёности в самой глубокой части Иссык-Куля показаны на рис. 8.6. На рисунке также показаны соответствующие исторические данные из литературных источников. Наши вновь полученные данные свидетельствуют о том, что значительное междекадное потепление глубоких вод озера (около 0.5^оС за период 1983-2003 гг, по данным [36]), по-видимому, прекратилось, поскольку современная температура в настоящее время остаётся точно такой же, какой была в 2003 г. (а именно, 4.44°С на глубине 500 м). Однако отмечен небольшой положительный тренд солёности в глубинных водах: на глубине 500 м она увеличилась примерно на 0.05 г кг^-1 с 1984 г и примерно на 0.02 г кг^-1 с 2001 г. и составляет в настоящее время 6.02 г кг^-1. Впрочем, согласно литературным данным [7], в более отдалённом прошлом в 1947 г. минерализация придонного слоя достигала 6.11 г кг^-1, что примерно на 0.09 г кг^-1 выше, чем в 2017 г.

Современные вертикальные распределения температуры (Рис. 8.6) характеризуются довольно резким термоклином, где температура падала примерно с 12°С в ноябре 2016 г. и 17°С в июне 2017 г. у поверхности до 5°С в обоих случаях на глубине 80 м и 60 м, соответственно. Межгодовые различия практически полностью исчезают на глубинах ниже 180 м. Далее ко дну температура незначительно снижается до 4.44°С на глубине 500 м и 4.37°С на глубине 570 м. При этом она всегда остаётся выше температуры наибольшей плотности.

Что касается вертикальных профилей солёности, прежде всего необходимо отметить, что диапазон изменений солёности по вертикали весьма мал - все измеренные значения находятся в интервале шириной менее 0.07 г кг^-1 в диапазоне от 5.960 г кг^-1 до 6.026 г кг^-1. В 2016 г. солёность увеличивалась с 5.960 г кг^-1 на поверхности до 6.026 г кг^-1 на глубине 81 м, а затем снижалась ко дну до 6.015 г кг^-1 на уровне 570 м. В 2017 г. солёность сначала снижалась от примерно 5.996 г кг^-1 на поверхности до минимума 5.990 г кг^-1 на верхней границе термоклина на глубине 15.5 м, а затем увеличивалась до максимального значения 6.019 г кг^-1 на глубине около 125 м. От этой глубины в направлении ко дну солёность очень медленно снижалась до 6.015 г кг^-1 на максимальной в этом измерении глубине 481 м.

Рис. 8.6. Вертикальные профили температуры и солёности по данным зондирований в июне 2016 г. (пунктир) и в ноябре 2017 г. (сплошная линия), а также профиль мутности и TS диаграмма для ноября 2017 г. Также показаны имеющиеся в литературе исторически данные по температуре (кружки) и солёности (квадратики) в придонном слое.

Таким образом, в наших измерениях впервые обнаружено существование очень слабого, но уверенно наблюдаемого максимума солёности на промежуточных глубинах ниже термоклина. Этот максимум слишком мал по величине, чтобы его можно было обнаружить методами, доступными в советский период исследований озера Иссык-Куль, поэтому о нем никогда ранее не сообщалось.

Однако его амплитуда (от 0.004 до 0.011 г кг^-1) намного выше инструментальной неопределённости CTD измерений. Последняя может быть оценена из технических характеристик прибора и использовавшийся конверсионной формулы Питерса как примерно 0.001 г кг^-1. Промежуточный максимум солёности, по-видимому, является постоянной и устойчивой особенностью вертикальной термохалинной структуры Иссык-Куля - подобное распределение солёности можно видеть и в данных 2001 г., представленных [33], хотя эти авторы и не обсуждали данный вопрос. В их наблюдениях глубина максимума варьировалась от 200 до 300 м, а затем ниже этого слоя солёность снижалась примерно на 0.002 г кг^-1 по направлению ко дну.

Наблюдаемые инверсии солёности малы по величине и не оказывают существенного влияния на плотность по сравнению с эффектом температурной стратификации, поэтому толща вод остаётся конвективно устойчивой [34]. Возможные динамические причины формирования промежуточного максимума солёности под термоклином будут обсуждены ниже.

8.4. Изменчивость температуры в восточном литоральном районе в период осенне-зимнего выхолаживания

Данные заякоренных цепочек термисторов дают представления о том, как происходит зимнее похолодание на восточных мелководьях озера. Как упомянуто выше, две станции были установлены в палео-руслах рек Джергалан и Тюп, и одна - на шельфе между ними.

На основе полученных данных можно отметить постепенное общее охлаждение с примерно 13°С в начале ноября (Рис. 8.7) до примерно 3°С в конце февраля - начале марта, после чего в середине марта началось весеннее потепление.

Рис. 8.7. Фрагмент записи заякоренной цепочки термисторов.

Фрагмент данных, соответствующий отрезку времени с 1 января по 1 февраля 2017 г., представлен на рис. 8.8. Видно, что охлаждение не является непрерывным, а представляет собой последовательность большого числа отдельных событий монотонного понижения температуры продолжительностью от 1-2 до нескольких десятков минут.

Рис. 8.8. Фрагмент записи заякоренных термисторов: изменения температуры

воды на поверхности (серая кривая) и у дна на глубине 50.5 м (тонкая черная кривая).

Эти события разделены между собой периодами постоянства или даже слабого роста температуры. Рассматривая вертикальную структуру, можно видеть, что некоторые из эпизодов охлаждения начинаются с поверхности, а затем распространяются вниз, вероятно, вследствие конвективного перемешивания. Напротив, другие события охлаждения (например, 3, 7, 17, 29 января на рис. 8.8) возникают сразу в нижнем слое при отсутствии столь же или более холодной воды в верхней части водной колонны, и, следовательно, могут объясняться только латеральной адвекцией.

Для приведённого ниже количественного анализа данных цепочек термисторов мы определили событие придонного охлаждения как ситуацию, когда температура на самом нижнем датчике монотонно понижалась в течение серии последовательных отсчётов. Поскольку период дискретизации данных в этих измерениях составлял 1 мин, рассматривались только события продолжительностью 2 мин и более. Далее, событие считалось «конвективным», если в начале его температура на придонном датчике была выше, чем на следующем (считая от дна) датчике цепочки термисторов, и «адвективным» в противном случае. Так как наблюдаемые значения температуры во всех случаях были выше температуры максимальной плотности, которая составляет для воды Иссык-Куля около 2.75°С [17], а стратификация по солёности в нижнем слое была крайне незначительной, ситуация инверсии температуры всегда предполагала конвективную неустойчивость. С другой стороны, отсутствие такой инверсии означает, что наблюдаемое снижение температуры во времени не может быть объяснено вертикальным теплообменом и, следовательно, должно быть связано с латеральной адвекцией.

Все данные, записанные заякоренными цепочками термисторов, были проанализированы описанным выше образом. Оказалось, что общая продолжительность охлаждения у дна в течение всего 147-суточного периода измерений была существенно разной для трех местоположений и составила 60780 минут (около 42 суток) для руслового каньона Джергалан, 104491 минут (около 73 суток) для руслового каньона Тюп, и 95783 минут (около 67 суток) для ровного участка дна между руслами. При этом, в то время как на шельфе за пределами каньонов конвективный и адвективный механизмы были ответственны за примерно равное количество событий охлаждения, внутри каньонов явно преобладал адвективный механизм, на который приходилось более 89% случаев охлаждения в придонном слое каньона Джергалан и около 66% всех событий охлаждения в каньоне Тюп. Кроме того, отмечено, что отдельные адвективные события охлаждения в русловых каньонах имели тенденцию длиться дольше, чем на ровном дне между каньонами (максимальная продолжительность 41 мин против 19 мин), и вызывать более сильное падение температуры (максимальное значение 1.36°С против 0.29°С).

Эти результаты указывают на то, что воды, опустившиеся в донные слои в результате дифференциальной конвекции на восточных мелководьях в период осенне-зимнего выхолаживания действительно могут переноситься в направлении глубокой части озера за счёт адвекции в русловых каньонах. Была выполнена оценка общего объёма холодных поверхностных вод, опускающихся через каньоны с восточного шельфа в глубокую часть озера за счёт этого механизма в течение одного осенне-зимнего сезона. Детали этих расчётов приведены в нашей статье [34]. Оказалось, что этот объем составляет от нескольких десятых км³ до одного км³.

Холодная и относительно пресная шельфовая вода со средней солёностью около 5.8 г кг^-1 движется вниз по склону на свой изопикнический уровень и оказывается под слоем более тёплой воды с солёностью почти 6 г кг^-1, с которой затем перемешивается. Это должно привести к определённому снижению солёности в нижней части колонны. Если предположить для упрощения, что поступающая вода распределяется равномерно по горизонтали по всей площади глубокого дна озера (~4·10⁹ м²) и по вертикали по всей колонне от дна до глубины промежуточного максимума солёности, т.е. в слое толщиной ~500 м, простая оценка баланса показывает, что результирующее падение солёности в нижней части колонны должно быть порядка нескольких тысячных г кг^-1, что на самом деле и наблюдается.

8.5. Изменчивость течений в донных каньонах озера Иссык-Куль

Обратимся теперь к данным по скорости течения в придонном слое. Прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что скорости придонных течений в русловых каньонах оказались почти втрое выше, чем вне их. Так, среднее за весь период измерений значение скорости течения в каньоне Джергалан составило 3.87 см/с, в каньоне Тюп 4.25 см/с, а на ровном дне между руслами всего 1.42 см/с - при том, что глубина в каньонах больше. Такое увеличение скорости с глубиной косвенно указывает на преимущественно плотностной, бароклинный характер движения в этом районе в период измерений: действительно, скорость дрейфового ветрового течения должна убывать с глубиной, а скорость баротропных течений от глубины не зависит. Положительные аномалии плотности могут зарождаться на мелководьях в «верховьях» русел за счёт дифференциального осенне-зимнего охлаждения и затем передаваться вниз по руслам гравитационными течениями, что согласуется и с преобладанием в каньонах адвекции, как обсуждалось выше.

Рис. 8.9. Коэффициенты корреляции между изменениями скорости течения в каньонах Джергалан и Тюп (а) и в каньоне Джергалан и на плоском дне между каньонами (б) в зависимости от времени и от временного сдвига (положительный знак сдвига в обоих случаях соответствует запаздыванию ряда данных из каньона Джергалан по отношению ко второму ряду). Белым цветом показаны корреляции, которые являются значимыми при данной ширине использованного корреляционного окна (144 члена ряда, r>0.21), а оттенками серого – незначимые корреляции (r<0.21).

Результаты корреляционного анализа рядов скорости течения могут быть проиллюстрированы графиками на рис. 8.9. Рассматривались одновременные и сдвиговые корреляции между течениями в двух каньонах (рис. 8.9а) и между течениями в каньоне Джергалан и на ровном дне (рис. 8.9б) при сдвигах от -20 до 20 часов в пределах движущегося по всему ряду окна шириной 38 часов. В отдельные периоды корреляции изменчивости скорости в каньонах Джергалан и Тюп достигали 0.95. Однако в целом преобладают невысокие значения коэффициента корреляции. Согласно критерию Стьюдента, при данной длине выборок в пределах корреляционного окна значимо отличными от нуля могут считаться коэффициенты корреляции, превышающие (по модулю) 0.21. Как видно из рис. 7.9, значимые корреляции между течением в каньоне и на окружающем ровном дне практически никогда не отмечались. Вместе с этим, течения в двух разных каньонах большую часть времени обнаруживают значимую корреляцию между собой при временных сдвигах от 0 до 10 часов (причём чаще всего изменения скорости в каньоне Джергалан опережают изменения в каньоне Тюп). Гипотетическая интерпретация этого факта такова: течения в обоих палеоруслах “запускаются” одними и теми же событиями охлаждения на мелководьях в “верховьях” каньонов, обусловленными атмосферным форсингом. При этом фазовые сдвиги между рядами скорости, зарегистрированными на заякоренных станциях, могут быть связаны с разницей во времени, необходимого для того, чтобы сигнал достиг станций по двум разным руслам. Отсутствие же значимых корреляций со скоростью течений на ровном дне между каньонами может говорить о том, что воды, опустившиеся в придонный слой на мелководьях в результате конвекции при дифференциальном охлаждении, далее стекают по склону преимущественно именно в каньонах, а не на ровном шельфе.

Таким образом, выполненные в течение 6 лет натурные измерения позволили установить ранее неизвестные особенности термохалинной структуры и циркуляции озера Иссык-Куль. Построены наиболее подробные за все время изучения озера карты распределений солёности. Показано, что поля солёности в Иссык-Куле отличаются удивительной консервативностью – как её временная изменчивость в межгодовых масштабах, так и пространственная изменчивость во всей толще вод (за исключением приустьевых районов) – как правило, измеряется лишь сотыми долями промилле. Эта ситуация возможна лишь в том случае, если вся толща вод перемешивается в сезонных и межгодовых масштабах достаточно интенсивно для того, чтобы межгодовая изменчивость стока могла нивелироваться перемешиванием последнего в гораздо большем объёме озёрных вод.

Отмечена область слабо повышенной солёности в центральной части озера. Впервые обнаруженная “дипольная” форма этой области указывает на существование в структуре циркуляции не только общего циклонического круговорота, но и двух отдельных круговоротов суб-бассейнового масштаба. Это представление отчасти подтверждается и данными прямых измерений скорости. Отмечено также, что в наших измерениях скорость и направление течения были по глубине относительно однородны, то есть циркуляция имела преимущественно «однослойный» характер, а движение баротропно-эквивалентную природу.

Важной находкой нам представляется обнаружение сохраняющегося от года к году подповерхностного максимума солености на глубинах от 70 до 130 м. Как было показано в нашей работе [34], а затем подтверждено и анализом прямых измерений скорости течений, осенне-зимнее дифференциальное охлаждение приводит к тому, что по древним речным руслам в восточном литоральном районе в придонные слои центральной части моря за один осенне-зимний сезон поступает объем до 1 км³ прибрежных вод, опреснённых речным стоком и насыщенных кислородом. Этот объем затем должен перемешиваться с лежащими выше более солёными водами, что, по нашей гипотезе, и является причиной слабого убывания солёности ко дну в нижней части водной колонны. С другой стороны, приповерхностные слои также опреснены речным стоком, поступающим туда в тёплое время года. Совместное проявление этих двух факторов и приводит к появлению максимума солёности на промежуточных глубинах.

8.6. Параметризация турбулентных потоков на поверхности озера Иссык-Куль

На рис. 8.10 представлена зависимость коэффициента турбулентного трения при нейтральной стратификации от скорости ветра на высоте 10 м по данным наших натурных наблюдений, а также согласно известной параметризации по работе [46]. Чётко выделяется область слабых ветров, для которой характерно увеличение C_D при уменьшении скорости ветра. Эта область соответствует так называемому аэродинамически гладкому состоянию поверхности. При увеличении скорости ветра и росте волнения поверхность становится аэродинамически шероховатой. Видно, что в целом параметризация LY2004 достаточно хорошо воспроизводит наблюдения при небольшой скорости ветра (до 4 м/с).

При скорости ветра выше 6 м/с параметризация LY2004 завышает значения коэффициента трения.

Рис. 8.10. Зависимость коэффициента турбулентного трения при нейтральной стратификации от скорости ветра на высоте 10 м. Красной сплошной линией показана параметризация Large and Yeager (2004); зелёной — новая параметризация, а чёрной линией - наблюдения, осреднённые по интервалам значений скорости ветра.

В качестве альтернативной параметризации, лучше описывающей наблюдениям над озером Иссык-Куль при скорости ветра выше 6 м/с, нами предложена следующая зависимость:

где a=0.08, b=-0.96, c=3.32 - эмпирические константы.

Следует, впрочем, иметь в виду существенный разброс наблюдаемых значений, а также достаточно узкий диапазон значений скорости ветра, которые наблюдались во время экспедиционных измерений.

8.7. Гидрохимические и биологические исследования озера Иссык-Куль

Основной источник биогенных элементов в водоемах это материковый сток, поэтому исследование динамики растворенных веществ (включая и биогенные элементы) необходимо вести с изучением состава и объема химического стока с окружающей суши. В озеро Иссык-Куль впадают непосредственно до 120 рек и ручьев. Наиболее крупные из рек - Тюп и Джергалан, протекающие по восточной части котловины Джыргалан, наиболее водоносная, берёт начало на северном склоне хребта Тескей Ала-Тоо. Тюп также берёт начало на северном склоне хребта Тескей Ала-Тоо и протекает почти параллельно Джергалану. Из других рек, впадающих в озеро, наибольшей водоносностью обладают Каракол, Джети-Огуз, Чон-Кызыл-Суу Джууку, Барскоон, Тосор, Тон, Чон-Ак-Суу и др. Наибольшую водоносность имеют реки восточной части котловины, особенно водосборы которых ориентированы на Север и Северо-Запад. Реки западной части, частично южного склона Кунгей Ала-Тоо и реки Тюп и Джергалан — снегово- ледникового питания, остальные — ледниково-снегового питания [17].

За время наших работ гидрохимическая съемка проводилась 4 раза. В 2015 г. отбор проб для гидрохимического анализа проводился во время выхода в озеро 23 – 27 июня, в 2016 г. с 31 октября по 3 ноября, в 2017 г. с 25 нюня по 1 июля и в 2018 г. 4 - 7 июля. Всего отборы проведены в 219 горизонтах отбора, включая как открытую часть озера, так и впадающие в него водотоки и их приустьевые районы. Три гидрохимических съемки приходятся начало и середину лета и одна 2017 г. на конец осеннего сезона.

Содержание растворенного кислорода отмечено от 5.40 до 9.30 мл/л, а степени его насыщения от 65 до 122 %. Так же как и для гидрофизических параметров, наибольший диапазон изменения содержания кислорода и степени его насыщения наблюдался в верхнем 50-метровом слое. Глубже 200 м содержание и степень насыщения кислорода очень мало изменялись по вертикали. С глубиной наблюдалось небольшое уменьшение содержания и степени насыщения вод кислородом. С 200 до 600 м содержание кислорода уменьшалось примерно на 0.5 мл/л, а степень его насыщения примерно на 10 %.

Распределение растворенного кислорода по поверхности озера значительно менялось год от года. Можно отметить, области повышенного содержания вдоль северного берега, особенно заметные в 2015 и 2017 годах. В 2016 г. поле распределения кислорода однородное, диапазон изменения очень невелик, что вполне естественно для предзимнего состояния, когда усиливаются процессы перемешивания вод, как за счет выхолаживания вод, так и за счет усиления ветрового перемешивания. Если рассмотреть межгодовые изменения, значительно отличается величина содержания растворенного кислорода по результатам 2018 г., концентрация в этом году для основной акватории озера была почти на 1 мл/л ниже, чем по результатам других съемок (около 5.8 мл/л). Степень его насыщения была менее 100 %. Во все годы степень насыщения вод кислородом в глубоких слоях озера не уменьшалось ниже 65 – 70 %, что свидетельствует о хорошей степени вентиляции глубоких слоев вод озера и о наличии потока органического вещества (ОВ) (предположительно во взвешенной форме) из верхнего деятельного слоя озера.

Величина рН (активная реакция воды) за время наблюдений менялась от 7.88 до 8.87 ед. NBS. Но если принимать только воды собственно озера, без проб из рек и их приустьевых участков изменение рН было от 8.52 до 8.87 ед. NBS. Все основные изменения величины проходили в поверхностных водах. Глубже 100 метров величина рН менялась в пределах 8.6 – 8.7 ед. NBS. Причина такого вертикального распределения обусловлена сильным влиянием материкового стока, с одной стороны, и однородностью условий в основном столбе вод озера, с другой стороны. Распределение величины рН хорошо согласуется с распределением растворенного кислорода. С глубиной, от 200 до 600 м величина рН уменьшается более чем на 0.1 ед. Следует отметить, что от съемки к съемке величина рН сильно менялась по всему столбу воды. Межгодовые изменения величины рН в глубоких водах озера составляли до 0.2 ед. По литературным данным величина рН в поверхностных водах озера от 8.69 до 8.75 ед. NBS [7]. Максимальные значения наблюдаются в верхнем 50-метровом слое. В основном столбе воды величина рН примерно ниже на 0.1 ед., чем на поверхности. В общем, это близко к полученным нами величинам.

Величина общей титруемой щелочности (Alk) за время проведения съемок было от 1.037 до 5.530 мг-экв/л. Но если принимать только воды собственно озера, без рек изменение было от 3.574 до 5.530 мг-экв/л. Содержание общего растворенного неорганического углерода (C_tot) по результатам всех съемок менялось от 12.69 до 64.79 мг/л, в открытой части озера - от 40.19 до 64.79 мг/л. Содержание Ctot, можно рассматривать главным образом как сумму карбонат и бикарбонат ионов. Содержание C_tot, можно рассматривать главным образом как сумму карбонат и бикарбонат ионов. Как и для большинства гидрохимических параметров, основные изменения величин Alk и C_tot отмечались в верхнем 50-метровом слое. Малое изменение величины Alk по вертикали и практически отсутствие изменений в слое ниже 200 м от съемки к съемке хорошо согласуются с однородностью величины минерализации вод по вертикали. Но для содержания C_tot межгодовые изменения оказались неожиданно большими (до 5 мг/л), хотя, как правило, величины Alk и C_tot достаточно тесно связаны друг с другом. Скорее всего, это связано с сезонной динамикой продукционных процессов и, связанными с этим вертикальными потоками ОВ. По данным работы [7], во второй половине прошлого века содержание углерода в воде озера составляло 60 – 70 мг/л.

Содержание растворенного неорганического фосфора (фосфатов) в воде озера за период съемки было от аналитического нуля (предела обнаружения по данной методике) до 1.65 µМ. Если принимать во внимание только воды открытой части озера, то от аналитического нуля до 1.16 µМ. Высокое содержание фосфатов наблюдалось в верхнем слое вод примерно до 50 м. Это может быть связано как с приносом фосфора с берегов, в том числе и с бытовыми стоками, так и с окислением ОВ, образовавшегося в период активного фотосинтеза. Проникновению фосфатов в более глубокие слои препятствует температурная стратификация вод. Наибольшее содержание в глубоких водах отмечено в 2017 г. Не смотря на значительные межгодовые различия содержания фосфатов, можно отметить тенденцию к увеличению их ко дну примерно на 0.05 – 0.15 µМ. Что связано с процессами окисления ОВ, поступающего из фотического слоя, что в первую очередь отражается на содержании фосфора, как наиболее лабильного биогенного элемента. По литературным данным содержание фосфатов во всей толще озера составляет 0.06 – 0.12 µМ и отмечается, что данные об их содержании крайне скупы [7]. По нашим данным диапазон изменения фосфатов в воде озера значительно шире.

Содержание растворенного неорганического кремния (силикатов) в воде озера за период съемки было от 47.53 до 190.29 µМ. Если принимать во внимание только воды открытой части озера, то от 64.78 до 91.97 µМ. Как наиболее высокие, так и наиболее низкие величины содержания силикатов отмечены в поверхностных водах. Глубже 100 м среднее содержание силикатов в разные годы от 71 до 79 µМ, и можно отметить некую тенденцию к росту в придонных водах. В распределении растворенного кремния по акватории озера видно значительное повышение в восточной части, около залива Пржевальского, и небольшое повышение в западной части. Небольшое локальное повышение наблюдалось в 2017 г. и около г. Чолпон-Ата. Вероятно, это связано с тем, что на период работ здесь было значительным влияние стока с берегов.

Содержание растворенного кремния по съемкам значительно выше, чем приведено в работе [7] – 32 – 36 µМ. Либо за 30 - 40 лет содержание кремния выросло почти в 2 раза (что маловероятно), либо это результат неправильно подобранной методики при работах в 50-х – 80-х годах прошлого века. В любом случае этот вопрос не может быть пока прояснен, без проведения дополнительных методологических работ. О том, что результаты определения содержания кремния во время съемок 2015 – 2017 гг. не содержат ошибки свидетельствует то, что выполненные на современном оборудовании по единым методикам [12], хотя и различными аналитиками и с применением различных серий реагентов, но они были близки по абсолютной величине.

Содержание нитратного азота в водах за время всех съемок было от 1.17 до 38.92 µМ, содержание нитритного азота от аналитического нуля до 0.54 µМ. Если принимать во внимание только воды открытой части озера - для нитратного азота от 1.17 до 14.52 µМ, а для нитритного от нуля до 0.54 µМ. Как и для остальных гидрохимических параметров наибольший диапазон наблюдавшихся параметров наблюдался на поверхности. Глубже слоя скачка температуры среднее содержание нитратного азота в разные годы было от 11.8 до 12.40 µМ, а нитритного от 0 до 0.06 µМ. Значительно различалось содержание нитратного азота, полученное во время различных съемок. В 2015, 2016 и 2018 гг. содержание нитратного азота было примерно одинаковым, тогда как в 2017 году этот показатель был заметно ниже практически по всему профилю. Кроме того, в эти годы глубже 100 м наблюдался небольшой, но постоянный рост содержания нитратного азота ближе ко дну, в 2017 г. этого не происходило. В 2015, 2016 и 2018 гг. содержание же нитритов глубже 100 м оставалось практически постоянным и низким, а в 2017 г. содержание нитратного азота в глубоких водах озера значительно выше (до 0.1 µМ). Отсутствие достаточных рядов наблюдений, охватывавших все сезоны, не позволяет нам судить, связано ли это различие с сезонными изменениями стока и продукционных процессов, или же существует межгодовая динамика содержания биогенных элементов в озере.

Основной источник поступления минерального азота в поверхностных водах - это реки. Заметный вклад вносят и бытовые стоки с северного, более заселенного берега. Это отражается на распределении нитратного и нитритного азота в поверхностных водах. В центральной части озера распределение нитратного азота было невысоким, также как и наблюдавшейся диапазон значений. Повышенное содержание нитратов наблюдалось в северной и южной частях озера. Во все годы наших наблюдений наиболее высокое содержание нитритного азота было отмечено около устьев рек Тюп и Джергалан. В 2017 г. наблюдалась такая же схема распределения нитритов на поверхности озера, как и в 2015 г., высокое содержание их наблюдалось не только в восточной, но и в центральной части озера. Максимум в центральной части озера можно связать, как с влиянием бытовых стоков г. Чолпон Ата, и, возможно, с подъемом вод, как и в случае с повышенным значением общей щелочности и содержания фосфатов. По литературным источникам [7] среднее содержание по результатам работ 50-х – 80-х годов прошлого века составляло для нитратов 2 – 16 µМ, для нитритов 0.01 – 0.15 µМ, что полностью совпадает с полученными нами данными.

Наблюдавшийся диапазон содержания аммонийного азота от 0.20 до 3.08 µМ, среднее содержание составляло 0.65 µМ. Содержание и характер вертикального распределения аммонийного азота в 2016 и 2017 гг. значительно отличаются друг от друга и данные, полученные в 2018 г. более близки к данным 2017 г. В 2016 г. низкая величина содержания аммония свидетельствовала о слабой интенсивности окислительных процессов в толще воды озера, тогда как глубже 200 м содержание аммонийного азота было менее 0.04 µМ, что говорит о слабом потоке органического вещества из фотического слоя в глубину. В 2017 и 2018 гг. содержание аммонийного азота значительно выше и его величина по вертикали колеблется от 0.20 до 1.20 µМ. Это может быть связано с цикличностью сезонного развития процессов синтеза и окисления органического вещества. Работы 2016 года проходили осенью, практически в предзимье. Интенсивность потока органической взвеси и, следовательно, окислительных процессов резко упала по сравнению с теплым периодом. В 2017-2018 гг., работы велись в середине лета. Пик фотосинтетической активности уже прошел, образовавшееся в результате его и поступившее с речным стоком органическое вещество начинает опускаться из фотического слоя в глубокие воды. Если рассматривать распределение аммонийного азота на поверхности озера видно, что наибольшее содержание было отмечено в поверхностных водах в районе заливов Тюп и Пржевальского, как и других форм неорганического азота. Также сильное повышение отмечено по всему северному берегу. По данным работы [7] среднее содержание аммонийного азота составляет летом около 0.35 µМ и зимой увеличивается до 0.5 µМ. В речных водах Иссык-Кульского бассейна высокое содержание аммонийного азота (около 35 µМ) наблюдается в зимнюю межень, в период полой воды содержание аммонийного азота менее 7 µМ [8].

Во время экспедиции 2017 г. был проведен отбор проб воды и грунта с 12 точек в нижнем течении рек впадающих в озеро. Пробы охватили в основном южный берег озера, захватывая водотоки 4-го и 5-го орогидрологических районов бассейна озера по классификации М.Н. Большакова (1974). Реки, впадающие с южного берега в озеро относятся к группе кальциевых гидрокарбонатного типа по классификации О.А.Алекина [15]. Реки этих районов начинаются на северо-западных склонах Терскей Ала-Тоо. Воды рек юго-западного берега озера содержат значительное количество растворенного кремния (80 – 190 µМ), что выше, чем в воде озера. Относительно невысоким было содержание неорганического углерода, за исключением реки Каракол. Высоким было во всех водотоках содержание нитратного азота 7 – 39 µМ (среднее 16 µМ). Отмечается, что с 50-х годов до 2000-х происходил рост средних годовых расходов воды и снижение общей минерализации в реках Иссык-кульского бассейна [15].

Основные составляющие баланса пресных вод озера: речной сток оценивается 1.3 – 1.5 км³, подземный сток около 2.1 км³, атмосферные осадки – 1.8 км³. Общее количество атмосферных осадков, приходящих на площадь водосбора Иссык-Куля по разным оценкам [16] около 5.2 – 5.6 км³ [18]. Для баланса биогенных элементов озера мы имеем только данные по химическому стоку водотоков на берегах озера. Если содержанием биогенных элементов в атмосферных осадках с некоторым приближением можно пренебречь, то роль стока подземных вод остается пока неизвестным. Вторая сложность состоит в том, что химические характеристики стока сильно зависят от фазы гидрологического режима, во время полой (весеннее половодье и паводки) воды минерализация речных вод и концентрация биогенных элементов значительно ниже, чем в период низкой воды.

Диапазон величины рН водотоков по нашим данным от 7.88 до 8.40 (среднее 8.14) ед., в воде озера величина рН имеет более щелочную реакцию.

Содержание растворенного неорганического углерода в воде водотоков по нашим данным составляет 12.7 – 52.6 мг/л (а если принимать во внимание только бикарбонат ион то 12.3 – 50.3 мг/л). Содержание C_tot в водотоках как правило ниже, чем в воде озера, по этому на поверхности озера впадение водотоков с берегов отмечалось пониженной величиной Alk и содержанием C_tot . По литературным данным содержание бикарбонат ионов в стоках с берегов 60 – 150 мг/л, если перевести это на содержание углерода 12 – 30 мг/л, что близко к нашим результатам. Приняв годовой объем стока с берегов за 1.3 – 1.6 км³, в озеро может поступать 36.00 – 45.24 тыс. т минерального углерода в год. Приняв запас углерода в озере 97 – 111 10⁶ т, получаем, что время, за которое воды поверхностного стока могут принести такое количество минерального углерода, составляет примерно 2500 лет (без учета подземного стока).

Содержание растворенного неорганического кремния (силикатов) в поверхностных водотоках от 47 до 190 µМ (среднее 84 µМ). Таким образом, годовой сток растворенного кремния (без учета подземного стока) можно оценить в 3.05 – 3.67 тыс. т. Среднее содержание силиката в водотоках немногим больше или почти равно содержанию в водах озера. Запас минерального кремния в озере можно оценить в интервале от 3.45 до 3.84 10⁶ т. Время накопления такого количества кремния за счет поверхностных стоков составляет примерно 1000 лет.

Содержание растворенного неорганического фосфора (фосфатов) в воде водотоков по нашим данным от аналитического нуля до 1.65 µМ. По литературным данным содержание фосфатов в воде водотоков 0.03 – 0.21 µМ. По данным наших работ среднее содержание фосфатов значительно (в 2 или 3 раза) выше, чем в воде озера. С поверхностным стоком в озеро за год может поступать 22.05 – 26.46 т фосфатов. Запас минерального фосфора в озере можно оценить от 2.6 до 10.6 тыс т, и время накопления такого количества фосфора в озере за счет поверхностных стоков - от 120 до 400 лет.

По нашим данным, содержание нитритного азота в поверхностных водотоках водосбора озера было от 0.10 до 0.44 µМ (среднее 0.25 µМ), нитратного азота – от 7.16 до 38.92 µМ (среднее 15.90 µМ). По литературным данным содержания нитритов и нитратов в предшествующий период составляли 0.07 – 2.00 µМ и 25 – 214 µМ, соответственно. Если перевести это на азот, то содержание нитритов от 0.02 до 0.60 µМ, а нитратов 5.5 – 47.1 µМ. Как правило, содержание форм азота в водотоках значительно выше, чем в воде озера. Если рассматривать суммарное содержание растворенного неорганического азота как сумму (NO₂ + NO₃ + NH₄), то содержание его в водотоках от 7.5 до 39.0 µМ, годовой сток с поверхностных водотоков (рек) 136 – 850 т азота в год, запас в озере 115 - 340 тыс. т. Время накопления такого количества азота за счет поверхностных стоков составляет около 2500 лет.

Данные по содержанию и распределению биогенных элементов показывают, что, несмотря на то, что озеро относится к олиготрофным водоемам, поток органического вещества из верхнего фотического слоя отражается на вертикальной динамике кислорода и биогенных элементов (уменьшение ко дну содержания растворенного кислорода, увеличение концентрации фосфатов и минеральных форм азота).

Соотношение запасов растворенного углерода и биогенных элементов позволяет предположить, что для фосфора и кремния в водах озера есть механизмы, регулирующие их содержание, например, связывание их в органическом веществе и вывод в донные осадки. Для углерода и неорганического азота, скорее всего, существует значительный приток с подземными водами или с плоскостным стоком.

8.8. Просветительская работа с общественностью

Просветительская работа с общественностью велась коллективом исследователей научной экспедиции в Иссык-Кульской области Кыргызстана.

Рис. 8.11. Участники экспедиции и сотрудники музея Н.М. Пржевальского в г. Каракол во время торжественного мероприятия, посвящённого первой экспедиции Н.М. Пржевальского в Азию.

Так, в ходе научной экспедиций 2017 и 2018 гг. несколько участники экспедиции прочли лекции студентам и преподавателям Университета г. Каракол, в которых рассказали о современных проблемах озера Иссык-Куль, а также об истории изучения озера и роли в этих исторических исследованиях российских и кыргызских учёных, в том числе Российского географического общества.

Участники экспедиции также установили взаимодействие с сотрудниками музея Н.М. Пржевальского в г. Каракол и совместно с музеем провели торжественное мероприятие, посвящённое 150-летию первой экспедиции Н.М. Пржевальского в Центральную Азию, а также возложили венки от Российского академии наук, Российского географического общества и Национальной академии наук Кыргызской Республики его могилу (Рис. 8.11).

При выполнении научной экспедиции были получены также новые археологические данные, что не входило в задачи проекта.

Рис. 8.12. Остатки древней стены на дне озера Иссык-Куль в южнее г. Чолпан-Ата. Снимок с телеуправляемого подводного аппарата «Гном».

При картировании дна гидролокатором бокового обзора и телеуправляемым подводным аппаратом в разных частях озера были обнаружены остатки древних сооружений (Рис. 8.12). Эти данные заархивированы и ждут своего применения и анализа специалистами.

Рис. 8.13. Научный состав экспедиции и члены экипажа НИС «Молтур» на борту судна после завершения работ, 7 июля 2018 г.

Рис. 8.14. Научный состав экспедиции и члены экипажа НИС «Молтур» на борту судна после завершения работ, 23 ноября 2019 г.

Заключение

Исследования современного состояния озера Иссык-Куль, выполненные в последние годы и ставшие хорошим примером успешного сотрудничества ученых Кыргызстана и России, принесли новые данные и позволили выйти на принципиально новый уровень понимания происходящих в озере гидрофизических, гидрохимических, гидробиологических и экологических процессов.

Иссык-Куль занимает видное место в сотрудничестве Кыргызстана и России. Заметная часть приезжающих на Иссык-Куль туристов являются гражданами России.

На озере вблизи порта Каракол находится объект ВМФ России, деятельность которого связана с испытаниями военно-морского оборудования и несомнено оказывает содействие в обороноспособности Кыргызской Республики. Гидрологические и метеорологические условия озера Иссык-Куль способствуют решению этих прикладных задач. Новые данные о гидрофизических и гидрохимических характеристиках озера будут представлять интерес и в этом контексте. Пребывание базы российского флота на Иссык-Куле регламентируется «Соглашением о статусе и условиях пребывания объединенной российской военной базы на территории Кыргызстана», подписанным главами двух стран в Бишкеке 20 сентября 2012 г. Документ был подписан сроком на 15 лет с возможностью автоматического продления на каждые 5 последующих лет.

Совместные исследования Иссык-Куля представляют несомненный интерес и в связи со взаимодействием между гидрометеослужбами двух государств, которое существенно расширилось за последние годы. Кыргызстан является активным участником Межгосударственного совета по гидрометеорологии стран СНГ и Северо-евразийского климатического центра, ведущая роль в которых принадлежит Росгидромету. В рамках этого сотрудничества налажен обмен текущей и прогностической гидрометеорологической информацией, а также тренинги персонала. Несомненно, эти и другие формы сотрудничества ученых и специалистов двух стран будут продолжаться и дальше.

Озеро Иссык-Куль принадлежат к уникальным геосистемам мира требующим своего сохранения в естественном виде согласно Конвенции об охране всемирного культурного и природного наследия ЮНЕСКО. К сожалению, человеческая деятельность отрицательно воздействует на экосистему озера Иссык-Куль, чем обусловлена необходимость формирования автоматизированной геоинформационной системы мониторинга озера, соответствующей по научно-техническому уровню степени ответственности за сохранность бесценного природного объекта. Автоматизированная геоинформационная система мониторинга позволит комплексно представлять и системно анализировать информацию об экологическом состоянии озера и формулировать адекватные выводы о состоянии водной среды озера, которые будут иметь первостепенную важность не только с позиций решения практических задач охраны озера, но и с научной точки зрения.

• Мониторинг водной среды на всей акватории озера Иссык Куль, приведение системы наблюдений в соответствие с современным уровнем развития науки и техники является важной задачей государственного уровня. Подобная геоинформационная система позволит решать основные задачи мониторинга водной среды: сбор и обработку данных, фиксацию состояния природной среды и документирование ее изменений, прогнозов и рекомендаций мониторинга, предоставление оперативных и адекватных сведений о состоянии водной среды озера Иссык-Куль всем заинтересованным лицам и организациям.

Геоинформационная система мониторинга озера Иссык-Куль может обеспечить следующие функциональные возможности:

• Ведение мониторинга озера Иссык-Куль с применением геоинформационной системы, обеспечивающей весь цикл работы с данными при ведении государственного мониторинга водной среды, разработанной в соответствии с требованиями действующего природоохранного законодательства и организованного в соответствии с современным уровнем развития информационных технологий;

• Создание картографических материалов на основе открытых источников пространственных данных для публикации результатов гидрофизических, гидрохимических, газометрических, гидрооптических, гидробиологических и гидролокационных исследований;

• Формирование итоговых материалов установленного образца, характеризующих современное состояние водной среды озера Иссык Куль;

Аннотация на английском языке

New field data were obtained in 5 consecutive expeditions to Lake Issyk-Kul in June 2015, November 2016, June 2017, July 2018 and November 2019 (the first two were carried out before the start of this project, and the other three - during its execution). Annual CTD sounding and water sampling were carried out on a grid of 34 points distributed throughout the lake. To restore the true salinity of the Issyk-Kul water (whose ionic composition is different from that of the ocean water) from electrical conductivity, temperature, and pressure, the empirical formula proposed in [Peeters et al., 2003] was used. The measurements also included continuous sensing of temperature and electrical conductivity in the surface layer while the vessel was moving using a pump-through system and a CTD probe placed in a special container on the deck, which provided horizontal resolution along the trajectory of about 100 m. In the expeditions of 2018 and 2019, the vertical profiles of the current velocity and direction at the stations were also obtained.

Field measurements carried out over 6 years made it possible to establish previously unknown features of thermohaline fields and circulation of Lake Issyk-Kul. The most detailed salinity distribution maps for the entire history of observations were constructed. An area of slightly increased salinity was found in the central part of the lake, the specific “dipole” shape of which indicates the existence of not only a general cyclonic circulation, but also two separate gyres of a smaller, sub-basin scale (which is partially confirmed by direct measurements of the current velocity). It has been established that, generally speaking, salinity fields in Issyk-Kul are extraordinarily conservative - its interannual and seasonal changes, as well as spatial variability throughout the lake (with the exception of estuarine regions), are usually measured only in hundredths of g kg^-1. An important result of the project is the discovery of a subsurface maximum of salinity persisting from year to year at depths from 70 to 130 m. As shown on the basis of balance estimates and then confirmed by analysis of direct measurements of current velocities, the autumn-winter differential cooling leads to the fact that in canyons (i.e., the ancient river channels) in the eastern littoral region, a significant amount (up to 1 km³) of cold coastal waters freshened by river runoff enters the bottom layers of the central part of the lake. These waters are then mixed with the more saline waters lying above, which, in a situation where the upper layer of the lake is also desalinated by river runoff, leads to the appearance of a salinity maximum at intermediate depths.

Our measurements do not confirm the manifestations of global warming in the form of an inter-decadal temperature increase in the deeper layers of Lake Issyk-Kul, which was previously reported: the current (in 2018) temperature at a depth of 500 m exactly coincided with that noted in the 2003 measurements, namely about 4.44^oC. However, one can point to a very weak (about 0.03 g kg^-1) increase in the salinity of the bottom layer over the past 40 years.

Based on direct eddy-covariance measurements on Issyk-Kul Lake, a new empirical parameterization was obtained in the bulk formulas for the turbulent flux on the lake surface in high altitude lake conditions, which provides a better approximation to field data than standard parameterizations. The background hydrometeorological conditions were described using the model and re-analysis of the Hydrometeorological Center of the Russian Federation.

Based on the analysis of water samples taken from the lake and from the 12 main tributary rivers, improved estimates of the nutrient budget were obtained. The ratio of the dissolved carbon storage and nutrients suggests that there are mechanisms for phosphorus and silicon in the waters of the lake that regulate their content, for example, their binding in organic matter and their removal into bottom sediments. For carbon and inorganic nitrogen, there is most likely a significant influx with groundwater.

During the project, hydrobiological studies of the composition and structure of benthic diatom taxocenes of Issyk-Kul Lake were also performed. Overall, 155 species and subspecies of benthic and bento-planktonic diatoms were identified in the western, northern, and northeastern parts of the lake.

The project also had a certain “social” component and included events dedicated to the memory of N.M. Przhevalsky, buried on the shores of Lake Issyk-Kul. The participants of the project team also delivered lectures for students of Issyk-Kul University in the city of Karakol.

Литература

1. Бажин Н.М. Метан в атмосфере // Соросовский образовательный журнал, 2000. Т.6. № 3. С. 52-57.

2. Большаков А.М., Егоров А.В. Об использовании методики фазово-равновесной дегазации при газометрических измерениях в акваториях. // Океанология 1987, Т. 27, № 5. С. 861-862.

3. Большаков М.Н. Водные ресурсы рек Советского Тянь-Шаня и методы их расчета. Фрунзе: «Илим». 1974. 305 с.

4. Букин В.М. Водные массы озера Иссык-Куль. Ихтиологические и гидробиологические исследования в Киргизии. Фрунзе: «Илим». 1979. С. 3-6.

5. ГОСТ 17.1.04.02-90. «Вода. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла a», Госкомитет СССР по охране природы. М.1990.16 С.

6. Диатомовые водоросли СССР (ископаемые и современные). Т. 1. 1974. Изд-во "Наука", Ленингр. отд., Л. 1-403.

7. Кадыров В.К. Гидрохимия озера Иссык-Куль и его бассейна. Фрунзе: ИЛИМ. 1986. 212 с.

8. Кадырова Г.Б., Калдыбаев Б.К. Эколого гидрохимические исследования воды реки Джергалан // Вестник Иссык-Кульского университета. Экология. 2015. № 39. С. 1-5.

9. Коновалов Б. В., Кравчишина М. Д., Беляев Н. А., Новигатский А. Н. Определение концентрации минеральной взвеси и взвешенного органического вещества по их спектральному поглощению //Океанология, 2014. Т.54. №5. С.704-711.

10. Мамбеталиева С. 1962. Флора водорослей заливов северного прибрежья озера Иссык-Куль. Докл. АН УзбССР, 5 : 60-64.

11. Мамбеталиева С. 1963. Список водорослей северного прибрежья озера Иссык-Куль. Сб. работ по микологии и альгологии, Фрунзе 93-128.

12. Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана / Под ред. Сапожникова В.В. М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 202 с.

13. Современные методы гидрохимических исследований океана / Ред. Бордовский О.К., Иваненков В.Н. М.: ИО АН СССР, 1992. 198 с.

14. Коропалов В.М., Позддеев В.В. Оценка глубины проникновения антропогенного СО₂ в океан. В сб.: Океанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений. Материалы всесоюзного научного симпозиума, Одесса, 3-6 октября 1988 г. Под ред. А.П.Симонова. М.: МО Гидрометеоиздат. 1990. С.83-86.

15. Тыныбеков А.К., Матыченков В.Е. Сравнительная характеристика состава воды рек южного прииссыккулья. Материалы конференции в рамках мониторинга проекта ИНТАС №01-МО-167. Бишкек. 2001. С. 76-81.

16. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 14. Средняя Азия. Вып. 2. Волгоград: «Волгорадская правда». 1973. 308 с.

17. Романовский В.В. Озеро Иссык Куль как природный комплекс. Фрунзе: Илим. 1991. 168 с.

18. Kulenbekov, Zh., and B.J. Merkel, 2012. Investigation of the natural uranium content in the Issyk-Kul lake, Kyrgyzstan.Freiberg Online Geology,vl. 33, 3-45.

19. Krammer, K. and H. Lange-Bertalot. 1985. Naviculaceae. Bibliotheca Diatomologia, Band 9. J. Cramer, Berlin-Stuttgart. 230 pp.

20. Krammer, K. and Lange-Bertalot, H. 1986. Bacillariophyceae. 1. Teil: Naviculaceae. in Ettl, H., Gerloff, J., Heynig, H. and Mollenhauer, D. (eds) Süsswasser flora von Mitteleuropa, Band 2/1. Gustav Fischer Verlag: Stuttgart, New York. 876 pp.

21. Krammer, K. and Lange-Bertalot, H. 1988. Bacillariophyceae. 2. Teil: Bacillariaceae, Epithemiaceae, Surirellaceae. in Ettl, H., Gerloff, J., Heynig, H. and Mollenhauer, D. (eds) Süsswasserflora von Mitteleuropa, Band 2/2. VEB Gustav Fischer Verlag: Jena. 596 pp.

22. Krammer, K. and Lange-Bertalot, H. 1991a. Bacillariophyceae. 3. Teil: Centrales, Fragilariaceae, Eunotiaceae. in Ettl, H., Gerloff, J., Heynig, H. and Mollenhauer, D. (eds) Süsswasserflora von Mitteleuropa, Band 2/3. Gustav Fischer Verlag: Stuttgart, Jena. 576 pp.

23. Krammer, K. and Lange-Bertalot, H. 1991b. Bacillariophyceae. 4. Teil: Achnanthaceae, Kritische Ergänzungen zu Navicula (Lineolatae) und Gomphonema, Gesamtliteraturverzeichnis Teil 1-4. in Ettl, H., Gärtner, G., Gerloff, J., Heynig, H. and Mollenhauer, D. (eds) Süsswasserflora von Mitteleuropa, Band 2/4. Gustav Fischer Verlag: Stuttgart, Jena. 437 pp.

24. Krammer, K. 1992a. Die Gattung Pinnularia in Bayern. Regensburg. 309 pp. 

25. Krammer, K. 1992b. Pinnularia eine Monographie der europaischen Taxa. Stuttgart. 353 pp.

26. Lange-Bertalot H., Hofmann G., Werum M. & Cantonati M. 2017. Freshwater Benthic Diatoms of Central Europe: Over 800 Common Species Used in Ecological Assessment. M. Cantonati, M.G. Kelly & H. Lange-Bertalot (Eds.): 942 pp. 

27. Millero F.J. Thermodynamics of the carbon dioxide system in oceans // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1995. V.59. № 4. P.661-677.

28. Palmer, S.C.J., V.V. Pelevin, I. Goncharenko, A.W. Kovács, A. Zlinszky, M. Présing, H. Horváth, V. Nicolás-Perea, H. Balzter, and V.R. Tóth, 2013. Ultraviolet fluorescence LiDAR (UFL) as a measurement tool for water quality parameters in turbid lake conditions. Remote Sens. 2013, 5, 4405-4422; doi:10.3390/rs5094405.

29. Molnar, P., and England, P., 1990. Late Cenozoic uplift of mountain ranges and global climate change: Chicken or egg? Nature, 346:29–34. doi:10.1038/346029a0

30. Oberhansli, H., and P. Molnar (2012) Climate evolution in Central Asia during the past few million years: A case study from Issyk-Kul. Scientific Drilling, 13, doi: 10.2204/iodp/sd.13.09.2011

31. Tynybekov, A.K., Kulenbekov, J.E., (2009). State Of Issyk-Kul Lake Phytoplankton, Manas Journal of Engineering Science (MJES), 1(10), pp: 53-60.

32. Xu, X., Kleidon, A., Miller, L., Wang, S., Wang, L., and Dong, G., 2010. Late Quaternary glaciation in the Tianshan and implica- tions for palaeoclimatic change: A review. Boreas, 39:215–232. doi:10.1111/j.1502-3885.2009.00118.x

33. Peeters, F., D. Finger, M. Hofer, M. Brennwald, D.M. Livingstone, and R. Kipfer, 2003, Deep-water renewal in Lake Issyk-Kul driven by differential cooling. Limnol. and Oceanogr. 48: 1419- 1431.

34. Zavialov, P.O., Izhitskiy, A.S., Kirillin, G.B., Khan, V.M., Konovalov, B.V., Makkaveev, P. N., Pelevin, V.V., Rimskiy-Korsakov, N.A., Alymkulov, S.A., and Zhumaliev, K.M., 2018. New profiling and mooring records help to assess variability of Lake Issyk-Kul and reveal unknown features of its thermohaline structure, Hydrol. Earth Syst. Sci., 6279-6295, doi: 10.5194/hess-22-6279-2018.

35. Romanovsky, V.V., 2002. Water level variations and water balance of Lake Issyk-Kul. In: J. Klerkx. and B. Imanackunov (Editors). Lake Issyk-Kul: its natural environment. NATO Science Series, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, Earth and Environmental Sciences 13: 45 - 58.

36. Romanovsky, V.V., Tashbaeva S., Creteaux J.-F., Calmant S., and Drolon V., 2013. The closed lake Issyk-Kul as an indicator of global warming in Tien-Shan. Natural Science, 5: 5, 608-623, doi 10.4236/ns.2013.55076.

37. Tuzhilkin ,V., 2010. Some features of the Black Sea seasonal thermohaline variability: Modern view. Geography, Environment, Sustainability. 3(2):42-50. DOI:10.24057/2071-9388-2010-3-2-42-50.

38. Zavialov, P.O., 2005. Physical Oceanography of the Dying Aral Sea. Springer-Verlag, Praxis, Chichester, UK, 154 pp.

39. Redfield A.C., Ketchum B.H, Richards F.A. The influence of organisms on the composition of seawater. The Sea. / Ed. Hill M.N. New York: Interscience. 1963. Vol. 2. P. 26-77.

40. Ковальский В.В., Воротницкая И.Е., Лекарев В.С., Никитина Е.В. Урановые биохимические пищевые цепи в условиях Иссык-кульской котловины. //Труды Биохимической лаборатории. -М.: Наука, 1968, ХII. -С. 25-53.

41. Калдыбаев Б.К. Эколого-радиобиогеохимические исследования в условиях Прииссыккулья [Текст] / Б.К. Калдыбаев // Вестник ИГУ. – 2010. - №26. – С.241-246.

42. Матыченков В.Е., Тузова Е.В. Устойчивость изотопного состава урана в водах Иссык-кульского бассейна. Изучение гидродинамики оз. Иссык-Куль с использованием изотопных методов. –Б., Ч.1. 2005. С. 133-137.

43. Чарский В.П., Хусаинов М.М. Каджи-Сай. История одного предприятия. Экологический информационный бюллетень.Ветеринария.1998,№3.26-31с.

44. Завьялов П.О., Жумалиев К.М., Алымкулов С.А., Коновалов Б.В., Маккавеев П.Н., Пелевин В.В., Римский-Корсаков Н.А., Ижицкий А.С., Ижицкая Е.С. Комплексные исследования озера иссык-куль: Ч.1. Б.: 2018. 183 с.

45. Edson, J.B., A. A. Hinton, K. E. Prada, J. E. Hare, and C. W. Fairall, 1998:
    Direct covariance flux estimates from mobile platforms at sea. Oceanic Technol., 15, 547–562.

46. Large, W. G., & Yeager, S. (2004). Diurnal to deca dal global forcing for

Ocean and sea-ice models: The data sets and flux climatologies (No.

NCAR/TN-460+STR). University Corporation for Atmospheric Research.

doi:10.5065/D6KK98Q6.

47. Bowen G. J. et al. Isotopes in the water cycle: regional-to global-scale patterns and applications //Annual Review of Earth and Planetary Sciences. – 2019. – Т. 47. – С. 453-479.

48. Dincer T. The use of oxygen 18 and deuterium concentrations in the water balance of lakes //Water Resources Research. – 1968. – Т. 4. – №. 6. – С. 1289-1306.

49. Zuber A. On the environmental isotope method for determining the water balance components of some lakes //Journal of Hydrology. – 1983. – Т. 61. – №. 4. – С. 409-427.

50. Craig, H. Isotopic variations in meteoric waters // Science – 1961– т. 133, 1702-1703.

51. Karim A., Veizer J. Water balance of the Indus River Basin and moisture source in the Karakoram and western Himalayas: Implications from hydrogen and oxygen isotopes in river water //Journal of Geophysical Research: Atmospheres. – 2002. – Т. 107. – №. D18. – С. ACH 9-1-ACH 9-12.

52. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation //Tellus. – 1964. – Т. 16. – №. 4. – С. 436-468.

53. Craig H., Gordon L., I. Deuterium and oxygen 18 variations in the ocean and the marine atmosphere // Proceedings of a Conference on Stable Isotopes in Oceanographic Studies and Paleotemperatures, ed. E Tongiorgi, pp. 9–130. Pisa, Italy: V. Lischi – 1965.

54. Gat J. R. Stable isotopes of fresh and saline lakes //Physics and chemistry of lakes. – Springer, Berlin, Heidelberg, 1995. – С. 139-165.

55. Romanovsky V. V. Water level variations and water balance of Lake Issyk-Kul //Lake Issyk-Kul: its natural environment. – Springer, Dordrecht, 2002. – С. 45-57.

56. Hofer M. et al. Rapid deep‐water renewal in Lake Issyk‐Kul (Kyrgyzstan) indicated by transient tracers //Limnology and oceanography. – 2002. – Т. 47. – №. 4. – С. 1210-1216.Kreutz, K. J., Wake, C. P., Aizen, V. B., Cecil, L. D., & Synal, H. A. Seasonal deuterium excess in a Tien Shan ice core: influence of moisture transport and recycling in Central Asia. // Geophysical Research Letters, 2003. Т. 30, DOI: 10.1029/2003GL017896

57. Kreutz, K. J., Wake, C. P., Aizen, V. B., Cecil, L. D., & Synal, H. A. Seasonal deuterium excess in a Tien Shan ice core: influence of moisture transport and recycling in Central Asia. // Geophysical Research Letters, 2003. Т. 30 – №18 – DOI: 10.1029/2003GL017896

58. Gat J. R., Bowser C. J., Kendall C. The contribution of evaporation from the Great Lakes to the continental atmosphere: estimate based on stable isotope data //Geophysical Research Letters. – 1994. – Т. 21. – №. 7. – С. 557-560.

59. Froehlich K. Evaluating the water balance of inland seas using isotopic tracers: the Caspian Sea experience //Hydrological Processes. – 2000. – Т. 14. – №. 8. – С. 1371-1383.

60. Froehlich K., Gibson J. J., Aggarwal P. K. Deuterium excess in precipitation and its climatological significance. – 2002. – Report №. IAEA-CSP--13/P. Also available on-line: http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/CSP-13-P_web.pdf/

61. Fekete, B. M., Gibson, J. J., Aggarwal, P., & Vörösmarty, C. J. Application of isotope tracers in continental scale hydrological modeling //Journal of Hydrology. – 2006. – Т. 330. – №. 3-4. – С. 444-456.

62. Zavialov P. O. Physical oceanography of the dying Aral Sea. – Springer Science & Business Media, 2005.