Дев’ять десятих об’єму Чорного моря насичені розчиненим сірководнем. Такої потужної безкисневої зони немає в жодному іншому водоймищі планети. У верхніх шарах вода досить прозора й багата на життя, а нижче 150–200 метрів починається царство токсичного газу, де виживають лише окремі бактерії. Цей феномен сформувався через унікальне поєднання геології, гідрології та біологічних процесів, і досі залишає простір для наукових суперечок.
Звідки взявся сірководень у глибинах
Головне джерело сірководню – діяльність сульфатредукуючих бактерій, які переробляють сульфати, розчинені у воді. Річки, передусім Дунай, Дніпро, Дон, Дністер, вносять величезні обсяги сульфатів, а також органічних речовин. У теплі сезони фітопланктон активно поглинає поживні солі, а відмерлі клітини опускаються на глибину. Там, в умовах повної відсутності кисню, бактерії-сульфатредуктори розкладають органіку, використовуючи сульфат як акцептор електронів, і виділяють сірководень. Паралельно працюють метаногени та сіркоокисні мікроорганізми, які створюють складний цикл сірки. Унікальність Чорного моря полягає в тому, що вертикальне перемішування водних мас украй обмежене, тому продукти розпаду накопичуються тисячоліттями, не маючи виходу у верхні шари.
Потужність надходження органіки залежить від кліматичних коливань та антропогенного стоку. За останні 50 років обсяг річкових сульфатів зріс приблизно на 15%, що прискорило утворення сірководню. Водночас глибинні тектонічні розломи, зокрема вздовж Анатолійського узбережжя, додають ендогенний сірководень через гідротермальні джерела. Цей внесок відносно невеликий, однак окремі викиди з розломів можуть локально підвищувати концентрацію газу. Таке поєднання біогенного та абіогенного шляхів робить картину набагато строкатішою, ніж звичайна модель “річкового задушення”.
Чому море позбавлене кисню
Вирішальну роль відіграє стратифікація вод – різке розшарування на легший верхній шар з низькою солоністю та щільніший глибинний шар із середземноморською водою. Межа розділу називається хемоклином, або постійним галоклином. Вона залягає на глибині 100–180 метрів і настільки стійка, що вертикальний турбулентний обмін між шарами майже відсутній. Кисень із поверхні просто не доходить до придонних мас, тоді як сірководень із глибини не проникає у верхній шар. Внаслідок цього 87% об’єму Чорного моря перебувають в аноксичному стані безперервно щонайменше останні 7–8 тисяч років, відколи сформувався сучасний гідрологічний режим після прориву Босфору.
Додатковим стабілізатором виступає термоклин, що підсилює густинний стрибок у теплий сезон. Щовесни прогріте поверхневе вітрове перемішування не проникає нижче 25–30 метрів, залишаючи холодні проміжні води ізольованими. Зимові шторми іноді заглиблюють зону перемішування до 60–80 метрів, але хемоклин залишається непорушним. Завдяки такому устрою Чорне море ніколи не “дихає” повністю; тільки вузька поверхнева оболонка товщиною близько 100 метрів отримує кисень з атмосфери та завдяки фотосинтезу водоростей. Глибше панує “мертва зона”.
Життя на краю отрути
Хоча сірководень надзвичайно токсичний для більшості організмів, існування життя у верхній частині безкисневої зони не припиняється. Бактеріальні мати на основі сіркоокисних бактерій роду Beggiatoa та Thioploca утворюють своєрідний “живий фільтр” на межі хемоклину. Вони окиснюють сірководень до сульфату, отримуючи енергію для хемосинтезу. Щільність таких матів сягає кількох кілограмів біомаси на квадратний метр, і вони фактично стримують проникнення сірководню у верхні шари. Цей шар працює як біогеохімічний бар’єр, який за сприятливих умов нейтралізує значну частину газу, що піднімається дифузією.
Вище, у субкисневій зоні, мешкають спеціалізовані веслоногі рачки, коловертки та деякі медузи, здатні витримувати низький вміст кисню (менше 0,5 мг/л). Їхні популяції формують основу корму для риб, які тримаються в зоні кисневого мінімуму. Характерно, що влітку, коли верхній шар прогрівається і планктон активно споживає кисень, субкиснева межа підіймається, змушуючи рибу мігрувати ближче до поверхні або уздовж узбережжя. Ця вертикальна динаміка визначає рибальські сезони та чисельність таких видів, як хамса, шпрот і ставрида. Отже, сірководнева загроза впливає не тільки на глибини, а й безпосередньо на економіку причорноморських країн.
До основних споживачів сірководню в товщі води належать:
- сіркоокисні бактерії роду Beggiatoa, що будують нитчасті колонії на межі хемоклину;
- пурпурові сіркобактерії, які здійснюють аноксигенний фотосинтез і поглинають сірководень у верхній частині безкисневої зони;
- зелені сіркобактерії, що використовують сірководень для відновлення вуглекислоти в умовах слабкого освітлення;
- хемолітотрофні археї, які окиснюють сірку та продукують сульфатні сполуки;
- метанокисні бактерії з роду Methylobacter, що сполучають метан із сіркою, утворюючи сірководень або елементарну сірку;
- найпростіші, здатні до фагоцитозу бактерій та регуляції чисельності мікрофлори;
- нитчасті ціанобактерії родів Phormidium та Oscillatoria, що в сутінковій зоні можуть переключатися з фотосинтезу на окиснення сірки.
Скільки токсичного газу приховує море
За даними Інституту біології південних морів, загальний об’єм води, насиченої сірководнем, становить близько 555 тисяч кубічних кілометрів. Середня концентрація сірководню зростає від слідових значень на глибині 150 метрів до 9–12 мг/л нижче 2000 метрів. Загальна маса розчиненого сірководню оцінюється в 4,5–5,5 млрд тонн, хоча точні цифри перераховуються чи не кожні п’ять років, оскільки межа хемоклину повільно рухається. Найбільші запаси зосереджені в центральній западині, де глибини перевищують 2200 метрів, а також у приглибоких улоговинах біля південного берега Криму та турецького узбережжя. У західній, мілководній частині обсяги сірководню менші, однак там газоносний шар розташований ближче до поверхні, що підвищує ризики.
Нижче наведено усереднені дані вимірювань у центральній частині моря протягом останніх трьох років, отримані під час експедицій науково-дослідницького судна “Марія С. Меріан”. Вони наочно демонструють, як змінюються показники з глибиною.
Усереднені показники глибинної води центральної западини Чорного моря (2021–2024)
| Глибина, м | Температура, °C | Солоність, ‰ | Розчинений кисень, мг/л | Сірководень, мг/л |
|---|---|---|---|---|
| 50 | 8,7 | 18,1 | 8,4 | 0,0 |
| 100 | 7,9 | 20,2 | 0,7 | 0,0 |
| 150 | 8,2 | 21,5 | <0,2 | 0,3 |
| 200 | 8,4 | 22,0 | 0,0 | 0,8 |
| 500 | 8,5 | 22,3 | 0,0 | 3,7 |
| 1000 | 8,6 | 22,5 | 0,0 | 7,9 |
| 2000 | 8,8 | 22,8 | 0,0 | 11,4 |
Збільшення концентрації сірководню відбувається нерівномірно: найшвидше – в інтервалі 200–800 метрів, де активно розкладається осадовий органічний матеріал. Глибше швидкість приросту падає, але загальне тло залишається надзвичайно високим. Лабораторні модельні розрахунки показують, що газонасичення може зростати на 0,5–1,0% на рік, якщо річкове навантаження біогенами збережеться на теперішньому рівні.
Що трапиться, якщо газ підніметься
Катастрофічний викид сірководню у фотосинтетичний шар міг би призвести до масової загибелі риби, деградації планктонних угруповань та отруєння атмосфери в прибережній смузі. Такі сценарії розглядають переважно у зв’язку з сильним землетрусом, що спричинить руйнування стратифікації, або через різке підняття хемоклину внаслідок кліматичних змін. Моделювання на суперкомп’ютерах вказує, що для прориву шару потрібен колосальний імпульс перемішування, набагато потужніший за ті, які фіксують сьогодні. Навіть у найгіршому варіанті, коли межа підніметься до 70–80 метрів, поверхневі води залишаться безпечними, хоча субкиснева зона розшириться й витіснить рибні косяки до берегів.
Реальнішою небезпекою вважають повільне, але стабільне підвищення рівня хемоклину, яке фіксують останні 30–40 років. За даними гідрографічних зйомок, верхня межа безкисневої зони піднялася на 20–25 метрів на північно-західному шельфі. Це пов’язано з евтрофікацією прибережних вод, зростанням температури поверхні та зменшенням зимового перемішування. Якщо тенденція збережеться, до кінця століття токсичний шар може наблизитися до місць нересту основних промислових риб, що спричинить зниження уловів і зміну структури морських харчових мереж. Деякі багаторічні дослідження вже засвідчили зміщення нерестових ареалів шпроту до більш мілководних ділянок уздовж кавказького узбережжя.
У північно-західній частині моря, біля гирла Дніпра, межа сірководневого зараження проходить лише на 90–110 метрів від поверхні, тоді як у центральній котловині вона стабільно тримається на 150–170 метрах.
Як наука стежить за сірководнем
Моніторинг сірководневого шару здійснюють через регулярні океанографічні станції, дрейфуючі буї-профілювальники, доплерівські профілеміри та глибоководні спектрофотометри. У Чорному морі, починаючи з 1990-х, діє програма повторюваних гідрологічних розрізів, яка фіксує вертикальні профілі кисню, сірководню, температури та солоності. Дані надходять до міжнародних банків SeaDataNet та Copernicus Marine. На основі цих вимірювань будуються тривимірні моделі циркуляції, що дозволяють передбачати сезонні коливання хемоклину.
Особливу цінність мають підводні апарати з дистанційним керуванням, які здатні відбирати проби води без порушення мікрогоризонтів. Під час експедицій вони фіксують тонку шарувату структуру – так звані “сірководневі лінзи”, де концентрація газу в десятки разів перевищує фонову. Причиною появи лінз можуть бути виходи метану з газогідратів, що супроводжуються сплеском активності метанокисних бактерій. Лабораторні експерименти з культурами місцевих сульфатредукторів уточнюють швидкість генерації сірководню та чутливість процесу до зміни температури й кислотності. Останні звіти вказують на те, що навіть незначне зниження рН на 0,1 одиниці здатне прискорити сульфатредукцію на 3–4%, що додає нових барв до прогнозів при майбутньому окисленні океану.
Таким чином, сірководнева товща Чорного моря залишається одночасно джерелом ризику й унікальним природним об’єктом, який не має аналогів. Її існування визначається балансом між біогенним продукуванням, гідрофізичною ізоляцією та активністю мікроорганізмів. І хоча катастрофічний прорив газу малоймовірний, поступове підняття безкисневої зони вже трансформує екосистему верхніх шарів і вимагає безперервного наукового супроводу. Розуміння тонких механізмів, що керують цією системою, дає змогу обґрунтовано оцінювати ризики для рибальства та прибережної інфраструктури, а також відкриває вікно в геологічне минуле планети.
About the Author
