О ЖУРНАЛЕ

НОВОСТИ

АВТОРАМ

КОНТАКТЫ

ENGLISH

Оценка влияния материкового оледенения в Северном полушарии на процессы распреснения воды в Средиземном море в плиоцене-плейстоцене

Assessment of the influence of material glaciation in the Northern Hemisphere on the processes of water desalination in the Mediterranean Sea in the Pliocene-Pleistocene

Есин Н.В., Есин Н.И., Подымов И.С., Лифанчук А.В., Мельникова И.В.

Nikolay V. Esin, Nikolay I. Esin, Igor S. Podymov, Anna V. Lifanchuk,
Irina V. Melnikova

Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН, Южное отделение (Геленджик, Россия)

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Southern Branch (Gelendzhik, Russia)

УДК 551.462.32

В статье выполнен расчет пресноводного баланса древних морей Черного и Каспийского и сделана оценка объема воды, перетекающей из Черного моря в Средиземное во время таяния ледников. Показано, что в этот период в Средиземное море сбрасывается до 855 км³/год пресной воды, которая участвует в формировании уровня моря. Сопоставление расчетов и геологических данных показало, что нет признаков втекания соленой океанской воды в Акчагыльское море. Показано, так же, что вода из океана не может течь вверх, поскольку уровень океана был ниже уровня моря.

Ключевые слова: Акчагыльское море; Черное море; Каспийское море; трансгрессия; моря Паратетиса; пролив Маныч.

The article calculates the freshwater balance of the ancient Black and Caspian seas and estimates the volume of water flowing from the Black Sea to the Mediterranean during the melting of glaciers. It is shown that during this period up to 855 km³/year of fresh water is discharged into the Mediterranean Sea, which is involved in the formation of sea level. Comparison of calculations and geological data showed that there are no signs of the influx of salty ocean water into the Akchagyl Sea. It was also shown that water from the ocean cannot flow up since the sea level was below sea level.

Keywords: the Akchagyl Sea; the Black Sea; Caspian Sea; transgression; the Paratethys Sea; Manych Strait.

Введение

Геологические исследования показали, что в последние, по крайней мере, 10 млн лет в Северном полушарии Земли на наших предков, а так же на растительный и животный мир оказывало сильное влияние периодически возникающее материковое оледенение. В периоды потеплений во время таяния ледников увеличивался расход воды в реках, повышался уровень воды в озерах, происходило затопление значительных территорий на суше. Так было образовано море-озеро Паратетис, равное по площади Средиземному морю. Вытекающая из этого моря вода прорезала горный хребет и создала пролив Босфор (Esin, Esin, 2018). В дальнейшем вода морей Паратетиса вытекала через этот пролив в Средиземное море, и моря Черное, Каспийское и Средиземное оказались связаны системой каналов: Маныч, Босфор, Дарданеллы, которые регулировали гидрологические процессы в указанных морях. В этих новых условиях пресная вода из морей Паратетиса получила возможность периодически перетекать в Средиземное море с весьма соленой водой и существенно распреснять ее, создавая условия для развития пресноводной фауны.

Примерно 5 млн лет назад произошло еще одно глобальное геологическое событие – на севере Африки закрылись проливы, соединяющие Средиземное море с Атлантическим океаном, и море высохло до глубины примерно 1500 м, поскольку его пресноводный баланс был резко отрицательным. В результате этого изостатическое равновесие было нарушено и начались вертикальные перемещения земной коры, в результате чего был образован пролив Гибралтар (Yesin et al., 1986; Yesin, Dmitriyev, 1987).

Через этот пролив атлантические воды вновь заполнили полупустое Средиземное море. Это привело к возникновению двухслойного течения воды в проливе Гибралтар, некоторому изменению циркуляции воды в проливе Босфор и изменению солености воды в Черном море.

Анализ описанных здесь сложных геологических процессов вызвал в литературе дискуссию, которая касается следующих вопросов: в каком объеме поступала пресная вода в Средиземное море и из какого источника; каков был механизм гидрологических процессов. Нами была создана математическая модель, в которой главную роль играли скорость погружения побережья и скорость эрозии дна древних рек, пересекающих порог между морем и океаном (Yesin et al., 1986; Yesin, Dmitriyev, 1987). При различных соотношениях между значениями этих скоростей возможны варианты протекания процесса заполнения моря водой как в катастрофически быстром темпе, так и в медленном, без катастрофических скоростей повышения уровня моря. Для того чтобы найти реальный вариант завершения мессинского кризиса, необходимо выполнить сложные расчеты. В модели Гарсиа-Кастелланос и соавторов (Garcia-Castellanos et al., 2009) предполагается заполнение моря с катастрофической скоростью до 7 м в сутки. В модели Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016) предполагается медленное заполнение моря с участием так называемого «насосного» механизма. Но, к сожалению, не показано, как «насосный» механизм замедляет процесс повышения уровня. Дело в том, что если механизм катастрофического заполнения моря, связанный с быстрым раскрытием широкого и глубокого пролива Гибралтар, начнется, то его «насосный» механизм уже не остановит. Этот процесс остановится сам, когда уровень моря приблизится к уровню Атлантического океана.

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы оценить объемы поступающей через пролив Босфор в Средиземное море пресной воды из морей Паратетиса как в период существования моря-озера Паратетис, так и в период образования трансгрессивных каспийских морей.

Метод исследования

Для расчета гидродинамических характеристик процессов мы использовали следующую закономерность. При заполнении водой депрессий в рельефе уровень образуемого водоема повышается до тех значений, при которых объем втекающей воды равен объему испаряющейся воды. Когда равенство достигается, формируется устойчивая береговая линия водоема. Для такой ситуации легко рассчитать объем втекающей воды. Он равен объему испаряющейся воды W. При этом W = S ∙ R, где W – объем испаряющейся воды, равный объему втекающей воды, R – коэффициент испарения в мм/год, S – площадь водоема. Площади многих древних водоемов известны. Так площадь одного из первых морей Паратетиса Сарматского моря равна 2714458 км² (Свиточ, 2014). Известны, так же площади древних каспийских трансгрессивных морей. Это дает возможность оценить естественно, приближенно объемы пресной воды, поступающей из Каспийского моря в Черное и далее в Средиземное море. Проблема с оценкой значения коэффициента испарения древних Черного, Каспийского и Средиземного морей также решена.

Результаты и обсуждение

По различным литературным источникам испарения с морей Черного, Каспийского и Средиземного близки к значениям 0,9–1,2 м/год (Овчинников и др., 1976; Свиточ, 2014). В период таяния ледников средняя температура воздуха была ниже, чем в настоящее время. Поэтому испарение в морях было на 20–30% меньше (Кислов, Торопов, 2006). С учетом поправки на климат мы принимаем его равным 800 мм/год или 8 ∙ 10^-4 км/год.

Рассчитаем объем поступающей в единицу времени пресной воды, которая образовала Сарматское море. Для этого площадь моря умножим на коэффициент испарения. Находим: W = 2714458 × 8 ∙ 10^-4= 2168 км³/год. Интересно, что по результатам исследования раннехвалынской трансгрессии Чепалыга (2005) оценивает значение дополнительного объема поступающей пресной воды из ледников в 1600 км³/год, что с учетом естественного стока рек, впадающих в Черное и Каспийское моря, дает значение близкое к 2200 км³/год.

Оценим объем воды, перетекающей через пролив Босфор, в Средиземное море. Площадь морей Черного и Каспийского равна 791000 км³. С этой площади испаряется примерно 633 км³/год. Следовательно, объем не испарившейся воды равен 2200 км³/год – 633 км³/год = 1567 км³/год. Эта вода поступает в пролив Босфор и перетекает в Средиземное море. В этом море площадь Восточного бассейна равна 890000 км². С этой площади испаряется 890000 км²× 8 ∙ 10^-4 км³/год = 712 км³/год. Таким образом, в формировании уровня воды в Восточном бассейне участвует 1567 км³/год – 712 км³/год = 855 км³/год. Это весьма значительный объем воды. Он примерно в 3 раза больше объема воды, который приносит в море река Волга. При таком притоке пресной воды в Восточном бассейне будут формироваться участки дна моря с сильно распресненной водой и с каспийской фауной. На других участках водная толща будет стратифицированной. В этих районах концентрация соли увеличивается с увеличением глубины моря.

Оценим влияние процесса понижения дна пролива Маныч в результате эрозии на объем воды, перетекающей в Черное море. Понятно, что в предельном случае, когда во время трансгрессии не происходит утечки воды через порог, которым является верхняя кромка депрессии, то через определенное время устанавливается равенство между объемами втекающей в водоем воды и испаряющейся. В таком случае образуется бессточное озеро. Следовательно, в такой ситуации вода из Каспийского моря не перетекает в Черное и не увеличивает объем воды, перетекающей в Средиземное море. После образования пролива Маныч ситуация изменяется. На каком-то участке береговой линии Каспийского моря было понижение в направлении реки Дон. При трансгрессии, уровень Каспийского моря достиг отметки этого понижения и вода, в виде реки, потекла вниз в сторону Азовского моря и, далее, в Черное море. Благодаря этому увеличился сток пресной воды в Средиземное море через пролив Босфор за счет воды, поступающей из Каспийского моря. Эрозия будет увеличивать глубину пролива, и образовавшееся русло реки сохранится в рельефе. Во время следующей трансгрессии Каспийского моря вода поднимется до отметки дна древнего русла, повышение уровня прекратится и образуется водоем, площадь которого меньше площади исходного водоема. Следовательно, в новой ситуации объем испарившейся воды в единицу времени будет меньше, чем во время существования замкнутого водоема. Во время следующей трансгрессии площадь образования водоема будет еще меньше, и будет меньше объем испаряющейся воды. Отсюда следует, что по мере углубления пролива увеличивался объем пресной воды, поступающей в Средиземное море.

Оценим увеличение объема пресной воды, перетекающей из Каспийского моря в Черное через пролив Маныч. Поскольку исходное значение расхода воды, поступающей из Каспийского моря, неизвестно, предположим, что «равновесие» между поступающей в Каспийское море воды и испаряющейся с его поверхности достигается на отметке уровня, равной +70 м. По рис. 1 находим, что этой отметке соответствует площадь моря 1150000 км². С этой площади испаряется объем воды: 1150000 × 8 ∙ 10^-4 = 920 км³/год и такой же объем поступает из рек. Условно будем считать, что следующей была акчагыльская трансгрессия. Площадь моря в период этой трансгрессии была равна примерно 970000 км², и с нее испарялся объем воды 970000 км²× 8 ∙ 10^-4 = 776 км³/год. Эта величина меньше предыдущей на 920 км³/год - 776 км³/год = 144 км³/год. Этот объем пресной воды поступил в Черное море, а затем в Средиземное море. Если ко времени следующей трансгрессии дно в зоне порога пролива опустилось до отметки +35м, то этой отметке соответствует площадь 850000 км²(рис. 1). С этой площади испаряется 680 км³/год воды, что на 240 км³/год меньше исходного значения, когда испарялась вся поступающая вода. Этот неиспарившийся объем воды перетекает через порог Маныча в Черное море и далее в Средиземное море. Таким образом, при уменьшении площади водоема уменьшается объем испаряющейся воды и увеличивается объем пресной воды, поступающей в Средиземное море.

Рис. 1. Зависимость площади Акчагыльского моря S от отметки его уровня

Fig. 1. Dependence of the Akchagyl Sea area S on the mark of its level

Расчеты, аналогичные нашим, выполнены в статье Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016). Отличие их расчетов от наших состояло в использовании климатических моделей. Мы исследовали гидрологические процессы в период потепления климата и таяния ледников. Мы считаем, что только в этот период образовались моря Паратетиса, а позже и трансгрессивные каспийские моря. Материал для наших расчетов дали отметки уровня этих морей. В настоящей статье мы доказываем, что сильное распреснение воды в Средиземном море могло происходить только во время таяния ледников.

В заключение отметим следующее. Статья Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016) достаточно интересна и своевременна. Некоторым ее недостатком является то обстоятельство, что результаты расчетов представлены в различных единицах измерения: л/год, м³/год, м³/сек. Помимо этого используется еще одна единица измерения – Sv. Этот «чертополох» единиц измерения требует от читателя постоянных расчетов на калькуляторе. В результате таких действий нами установлено, что перевод результатов расчетов с использованием единицы измерения Sv несовместим с результатами расчетов с использованием единицы измерения км³/год. Использование Sv приводит к уменьшению результатов измерения на несколько порядков. Покажем это. В статье Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016) показано, что 1 Sv = 106 м³/с. В пересчете на км³/год получаем: 1 Sv = 3,34 км³/год. Пресноводный баланс Черного и Каспийского морей дается в единицах л/год. Его среднее значение составляет (Marzocchi et al., 2016) 3,1 ∙ 10¹⁴л/год. В пересчете на км³/год это дает: 3,1 ∙ 10¹⁴л/год = 3,1 ∙ 10¹¹м³/год = 3,1 ∙ 10² км³/год = 310 км³/год. Далее в статье отмечается, что Средиземное море получало от Паратетиса пресной воды 0,02 Sv = 0,0668 км³/год. Это ничтожно малый объем. По нашим расчетам в Средиземное море поступает из Паратетиса около 1500 км³/год пресной воды, который действительно может распреснить Восточный бассейн моря. При этом учтен объем воды, который испаряется с поверхности Черного и Каспийского морей. Расчеты нами выполнены для периода таяния ледников. На наш взгляд, если в статье Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016) речь идет о других климатических периодах (например, о ледниковом периоде или периоде климатического оптимума), то в эти периоды гидродинамические процессы развивались по другой схеме.

В целом, если не учитывать результаты расчетов с использованием единицы измерения Sv, то можно заключить следующее. Результаты наших расчетов, выполненные по площади древних морей и по значению величины испарения с поверхности моря, и результаты расчетов объема воды, поступающей из морей Паратетиса в Средиземное море, выполненные по климатической модели, на наш взгляд вполне совместимы. Так, по климатической модели объем воды, поступающий в Средиземное море равен 310 км³/год. По нашим расчетам, которые учитывали так же и испарение воды в Средиземном море, этот объем воды равен 855 км³/год. Различие между этими двумя значениями непринципиальны. И тот и другой расход показывает, что периодически в Средиземное море втекала через пролив Босфор пресная вода в объеме, достаточном для распреснения воды в Восточном бассейне Средиземного моря.

Далее в статье принимается, что Средиземное море в мессинии имело такой же дефицит пресной воды, как и сегодня. Сегодняшний дефицит пресной воды в Средиземном море равен 1700 км³/год (Овчинников, 1976). В статье Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016) сегодняшний дефицит пресной воды в Средиземном море принимается равным 0,04 Sv или 0,04 × 3,34 км³/год = 0,1336 км³/год. Как видим, полученное через коэффициент Sv значение пресноводного баланса на несколько порядков меньше его реального значения. По нашему мнению, указанные расхождения в оценке пресноводного баланса объясняется использованием автором различных единиц измерений, что не рекомендуется делать в научных исследованиях, а также ошибкой в расчетах. И, тем не менее, мы считаем исследования Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016) интересными. Они показывают также, что оценка природных процессов с использованием величины Sv должна быть откорректирована.

Заключение

Выполненные исследования показывают, что в периоды таяния материковых ледников в Средиземное море из морей Паратетиса втекает до 850 км³/год пресной воды, которая участвует в формировании уровня воды в Восточном бассейне. Этого объема воды достаточно для значительного распреснения соленой воды в Восточном бассейне. Наши исследования достаточно хорошо коррелируются с исследованиями Марзокки и соавторов (Marzocchi et al., 2016)

Работа выполнена в рамках госзадания по теме № 0149-2019-0014.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Список литературы

Кислов А.В., Торопов П.А. Моделирование изменений уровня Черного и Каспийского морей при различных климатических условиях прошлого // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2006. №6. С. 9–13.
Овчинников И.М., Плахин Е.А., Москаленко Л.В., Негляд К.В., Осадчий А.С., Федосеев А.Ф., Кривошея В.Г. Гидрология Средиземного моря. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 374 с.
Свиточ А.А. Большой Каспий: строение и история развития. – М.: МГУ, 2014. – 271 с.
Чепалыга А.Л. Прототип Всемирного Потопа // Знание-сила. 2005. №12. С. 85–91.
Esin N.V., Esin N.I. The formation of deep sea features during conditions of meditranean sea desiccation and appearange of negative pressure in the earth’s mantle // IGCP 610 «From the Caspian to Mediterranean: Environmental Change and Human Response during the Quaternary», Turkey. 2018. P. 50–52.
Garcia-Castellanos D., Estrada F., Jiménez-Munt I., Gorini C., Fernàndez M., Vergés J., De Vicente R. Catastrophic flood of the Mediterranean after the Messinian salinity crisis // Nature. 2009. V.462. P.778–781. DOI: https://doi.org/10.1038/nature08555
Marzocchi A., Flecker R., van Baak C., Lunt D.J., Krijgman W. Mediterranean outflow pump: An alternative mechanism for the Lago-mare and the end of the Messinian Salinity Crisis // 2016. V.44, №7. Р. 523–526. DOI: https://doi.org/10.1130/G37646.1
Yesin (Esin) N.V., Dmitriyev V.A., Shimkus K.M., Ovchinnikov I.M. A model for the messinian events in the Mediterranean sea // International Geology Review. V.28, №1. P.10–14. DOI: https://doi.org/10.1080/00206818609466245
Yesin (Esin) N. V., Dmitriyev V. A. On the possible mechanism of formation of the Messinianevaporites in the Mediterranean Sea // International Geology Review. 1987. V.29, №3. Р.258–263. DOI: https://doi.org/10.1080/00206818709466143

Статья поступила в редакцию 02.09.2019
Статья принята к публикации 30.10.2019

Об авторах

Есин Николай Васильевич – Nikolay V. Esin

доктор географических наук
главный научный сотрудник, Южное отделение ФГБУН «Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория экологии

ovos_oos@mail.ru

https://orcid.org/0000-0001-6434-5938

Есин Николай Игоревич – Nikolay I. Esin

кандидат физико-математических наук
научный сотрудник, Южное отделение ФГБУН «Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория экологии

esinnik@rambler.ru

https://orcid.org/0000-0002-2961-4765

Подымов Игорь Семенович – Igor S. Podymov

кандидат технических наук
ведущий научный сотрудник, Южное отделение ФГБУН «Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория экологии

ipodymov@inbox.ru

https://orcid.org/0000-0003-3138-0811

Лифанчук Анна Викторовна − Anna V. Lifanchuk

кандидат биологических наук
младший научный сотрудник, Южное отделение ФГБУН «Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория экологии

lifanchuk.anna@mail.ru

https://orcid.org/0000-0001-9953-7374

Мельникова Ирина Васильевна − Irina V. Melnikova

инженер, Южное отделение ФГБУН «Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория экологии

irinamelnikova06@mail.ru

https://orcid.org/0000-0003-0226-2541

Корреспондентский адрес: Россия, 353467, Краснодарский край, г. Геленджик, ул. Просторная, д. 1-г, ЮО ИОРАН. Телефон (861)41-280-89.

ССЫЛКА:

Есин Н.В., Есин Н.И., Подымов И.С., Лифанчук А.В., Мельникова И.В. Оценка влияния материкового оледенения в Северном полушарии на процессы распреснения воды в Средиземном море в плиоцене-плейстоцене // Экология гидросферы. 2019. № 2 (4). С. 1–7. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/175

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2019-2(4)-1-7

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Assessment of the influence of material glaciation in the Northern Hemisphere on the processes of water desalination in the Mediterranean Sea in the Pliocene-Pleistocene

Nikolay V. Esin, Nikolay I. Esin, Igor S. Podymov, Anna V. Lifanchuk, Irina V. Melnikova

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Southern Branch (Gelendzhik, Russia)

The article calculates the freshwater balance of the ancient Black and Caspian seas and estimates the volume of water flowing from the Black Sea to the Mediterranean during the melting of glaciers. It is shown that during this period up to 855 km³/year of freshwater is discharged into the Mediterranean Sea, which is involved in the formation of sea level. А сomparison of calculations and geological data showed that there are no signs of the influx of salty ocean water into the Akchagyl Sea. It was also shown that water from the ocean cannot flow up since the sea level was below sea level.

Key words: the Akchagyl Sea; the Black Sea; Caspian Sea; transgression; the Paratethys Sea; Manych Strait.

References

Chepalyga A.L. Prototip Vsemirnogo Potopa [Flood Prototype]. Znanie – sila [Knowledge is power]. №12. P. 85–91.
Esin N.V., Esin N.I. The formation of deep sea features during conditions of meditranean sea desiccation and appearange of negative pressure in the earth’s mantle. IGCP 610 “From the Caspian to Mediterranean: Environmental Change and Human Response during the Quaternary”, Turkey. 2018. P. 50–52.
Garcia-Castellanos D., Estrada F., Jiménez-Munt I., Gorini C., Fernàndez M., Vergés J., De Vicente R. Catastrophic flood of the Mediterranean after the Messinian salinity crisis. Nature. 2009. V.462. P. 778–781. DOI: https://doi.org/10.1038/nature08555
Kislov A.V., Toropov P.A. Modeling of changes of the Black and Caspian Sea levels under different climates of the past. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seria 5, Geografia [Bulletin of Moscow University. Series 5, Geography]. №6. P. 9–13. (in Russ.)
Marzocchi A., Flecker R., van Baak C., Lunt D.J., Krijgman W. Mediterranean outflow pump: An alternative mechanism for the Lago-mare and the end of the Messinian Salinity Crisis. 2016. V.44, №7. Р. 523–526. DOI: https://doi.org/10.1130/G37646.1
Ovchinnikov I.M., Plahin E.A., Moskalenko L.V., Neglyad K.V., Osadchij A.S., Fedoseev A.F., Krivosheya V.G. Gidrologiya Sredizemnogo morya [Hydrology of the Mediterranean]. Gidrometeoizdat, Leningrad, 1976. 374 p. (in Russ.)
Svitoch A.A. Bol’shoj Kaspij: stroenie i istorija razvitija [Big Caspian: the structure and history]. Izd-vo MGU, Moscow, 2014. 271 p. (in Russ.)
Yesin (Esin) N.V., Dmitriyev V.A. On the possible mechanism of formation of the Messinianevaporites in the Mediterranean Sea. International Geology Review. 1987. V. 29, №3. Р. 258–263. DOI: https://doi.org/10.1080/00206818709466143
Yesin (Esin) N.V., Dmitriyev V.A., Shimkus K.M., Ovchinnikov I.M. A model for the messinian events in the Mediterranean sea. International Geology Review. V.28, №1. P. 10–14. DOI: https://doi.org/10.1080/00206818609466245

Authors

Esin Nikolay V.