Лаборатория геоэкологии и природных процессов

ЛАБОРАТОРИЯ ГЕОЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Лаборатория геоэкологии и природных процессов была создана 1 февраля 2021 г. в результате объединения двух научных направлений, получивших развитие в лаборатории математического моделирования природных процессов Сочинского научно-исследовательского центра РАН и лаборатории агрохимии и почвоведения Субтропического научного центра РАН: 1) математическое моделирование природных процессов; 2) эколого-геохимические исследования природных сред, соответственно. Такой подход позволил объединить усилия специалистов в области геоэкологии, гляциологии, океанологии, геохимии, почвоведения, гидробиологии и расширить геоэкологические исследования Черноморского побережья Кавказа, горных и предгорных районов, а также прибрежной акватории.

Основные направления исследований

Лабораторией в рамках основного научного направления «Эволюция окружающей среды и климата вследствие естественных причин и антропогенного воздействия» развивается комплекс следующих взаимосвязанных блоков исследований:

изучение процессов взаимодействия климата и криосферы Земли с применением методов математического моделирования с целью разработки сценариев региональных изменений окружающей среды в горных регионах мира и прогнозирования опасных явлений различного генезиса, связанных с изменениями в окружающей среде;
исследование внутривековых изменений компонентов природной среды под влиянием климатических флуктуаций и антропогенных факторов на основе данных наблюдений и реанализа с помощью геоинформационных технологий и математического моделирования;
ретроспективный анализ опасных природных, в том числе гидрометеорологических, явлений и их сочетаний на территории Сочинского Причерноморья и в прибрежных водах;
комплексное изучение компонентов экосистем Западного побережье Кавказа по типичным ландшафтам и элементам рельефа, в системе: водораздел – склон – береговая линия – прибрежная морская зона по особенностям миграции химических элементов в основных сопряженных средах: атмосфера – горная порода – почва – растение – поверхностные воды и донные отложения реки – морские воды и обитатели прибрежной зоны Черного моря, как биомаркеры загрязнения морских прибрежных экосистем;
исследование биологии и жизнеспособности прибрежных биоценозов, включающих морских и пресноводных биомаркеров: макрозообентос, мидии, водоросли в прибрежной курортно-рекреационной зоне Черного моря.
установление количественных и функциональных показателей биологической активности почв урболандшафтов Западного побережье Кавказа, наиболее информативно отражающих критическое состояние микробоценоза почвенного покрова;
математическое моделирование динамики геоэкологических процессов и явлений по всем изучаемым направлениям лаборатории;
выявление показателей и параметров загрязнения экосистем Западного побережье Кавказа, перспективных для проведения комплексного экологического мониторинга в условиях субтропиков России.

Основные достижения

ГЛЯЦИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

— Выполнен комплекс работ по моделированию состояния Гренландского ледникового щита: выполнен анализ возраста и локализации происхождения льда в ледяном керне на станции NEEM, полученном в ходе глубокого бурения; проведена корректировка реконструированного поля геотермического тепла в Гренландии и рассчитан расход массы Гренландского ледникового щита, определены параметры равновесного состояния щита, разработан алгоритм параметризации суточных аномалий приземной температуры воздуха над Гренландией.

— Разработана энерговлагобалансовая модель для интегрирования термомеханических моделей Гренландского и Антарктического ледникового щитов в климатическую модель INMCM ИВМ РАН.

— Модельными методами (модель INMCM ИВМ РАН) исследован климат эемского межледниковья (130-115 тысяч лет назад). Показано, что потепление, в целом, было незначительным относительно современного уровня и началось в Южном полушарии. Вклад таяния Гренландского ледникового щита в повышение среднего глобального уровня Мирового океана не превышал 2 м.

— Модель течения льда и баланса массы применена для реконструкции динамики ледников Сары-Тор (Внутренний Тянь-Шань), Туюксу (Заилийский Алатау), Марух (Западный Кавказ), Джанкуат (Центральный Кавказ) в условиях меняющегося климата.

— Динамическая модель ледника дополнена блоком для усвоения климатической информации и расчетом скорости подморенного таяния на основе решения уравнения теплопроводности в слое поверхностной морены.

ИЗУЧЕНИЕ ОПАСНЫХ ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Выполнен аналитический обзор методов и подходов к решению трехмерных задач в геоэкологии и гидрометеорологии. Из анализа различных критериев для проверки адекватности моделей («goodness-of-fit») следует, что наиболее приемлемым является графический анализ остатков (стандартных ошибок) или пространственное распределение их максимальных значений. В упрощенном виде достаточно использование Квантиль-квантильных (Q-Q) графиков для одного или нескольких сечений исследуемой функции (при анализе производительности моделей поверхности отклика от нескольких предикторов). Предлагаемый авторский подход, заключающийся в комплексном использовании показателей относительных и абсолютных ошибок моделирования, позволяет преодолеть основные недостатки детерминированных методов пространственной интерполяции, что существенно повышает качество аппроксимации, когда функция задана в неявном виде. В результате установлены закономерности сезонных изменений высоты значительных волн Каспийского моря, обусловленные размерами зон локальных максимумов волнения в пространстве и времени.
На основе комбинации ГИС-ориентированного подхода и данных дистанционного зондирования Земли, дополненной методикой анализа пространственно-временных изменений оползневых процессов с помощью картографической алгебры, математической и картографической модели, выполнена оценка эволюции береговой линии в пределах г. Сочи с 1985 г. по 2021 г.
Выполнена инвентаризация оползневых районов в пределах г. Сочи. Разработан прототип региональной базы гидрометеорологических данных для Краснодарского края и Большого Сочи, включая объекты хранения, структуру, элементы визуализации. Основополагающими принципами гидрометеорологической БД являются полнота, стандартизация, простота, надежность и качество. При контроле качества данных учитываются специфические особенности исследуемого региона (наличие крупных рек со снеговым питанием, значительные колебания температуры, связанные с орографией, колебания абсолютных высот, наличие моря). Источники информации – исторические гидрометеорологические сведения, опубликованные в ежегодниках и бюллетенях. Дополнительно разработана геоинформационная система, для быстрого анализа данных, визуализации и хранения картографического материала. Объединенная с геоинформационной системой база представляет собой уникальную среду для сбора, хранения, накопления, быстрого доступа к данным, их совместного использования и различных манипуляций.

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД

Впервые выполнена оценка содержаний в природных средах региона (атмосфере, горных породах, почвах, растениях, природных водах, донных отложениях) широкого спектра в том числе редких и рассеянных химических элементов (60-70 элементов). С использованием данных о геохимии природных сред заповедной зоны (заповедник Утриш, полуостров Абрау) установлена геохимическая специализация, имеющая обширное распространение и могущая рассматриваться как фон при мониторинговой оценке поведения потенциальных тяжелых металлов в почвенно-растительном покрове Черноморского побережья России. Выявлен спектр избыточных (Ni, Zn, Mg, Cs, Tl, K, Cr, Rb, V, Sc, Cd, Ca, Th, U, Be) и дефицитных (Sr, Ba, Dy, P, Yb, Mo, S, Ag, Hf, Na, Zr) элементов для почв, который обусловлен составом горных пород.
Выявлены факторы, определяющие эколого-геохимическое состояние природных сред территории строительства Зимних Олимпийских игр 2014 г. В качестве биоиндикатора данного антропогенного воздействия на Черноморское побережье России рассмотрены мидии черноморские (Mytilus Galloprovincialis Lam). Химический состав мягких тканей мидий свидетельствует об антропогенном загрязнении экосистемы прибрежной зоны, наиболее выраженном в 50-метровой зоне вдоль побережья и обусловленным компонентами наземной экосистемы, затронутой олимпийским строительством. Линейные промеры годовых колец мидий показали стабилизацию экологической ситуации в прибрежно-морской зоне спустя 5 лет после олимпийской стройки.
Установлена временная трансформацию городских почв региона за последние 100 лет. В почвах г. Сочи в сравнении с естественными зональными почвами произошло существенное подщелачивание, показатель рНводн сместился фактически на 2 единицы, степень насыщенности основаниями увеличилась в 1.4 раза. Установлена геохимическая региональная специализация поведения редкоземельных элементов (РЗЭ) в почвенно-растительном покрове г. Сочи, проявляющаяся в преобладании средних РЗЭ, что является достоверным маркером. При техногенном подщелачивании городских почвах наблюдается повышение содержаний элементов легкой группы. Предложена математическая модель, которая отражает трансформацию фракционирования РЗЭ в почвах города.
Впервые опробован и предложен метод оценки загрязнения атмосферных осадков (индикаторов состояния атмосферы), выпадающих в одно время, но на разных высотах, соприкасающихся с разным объемом атмосферных масс в верхней и нижней точках рельефа и соответственно сорбирующих на себе разные количества загрязняющих веществ, который позволил выявить спектр элементов, связанных с влиянием моря, хорошо растворимых с преимущественными для морской воды: иодидами (Al, Ba, Ca, Cd, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb, Zn), хлоридами (Cu, Zn, Ba, Ca, Bi) или сульфатами (Mn, Cd, Mg) и ряд элементов загрязнителей городской зоне, в который входят Pb и редкоземельные элементы: La, Sm, Gd, Nd, Dy, Ce, Y, Pr, Yb, Er.
Выполнена химическая типизация, установлены закономерности распределения и геохимическая специализация природных подземных вод долин рек Мзымта и Сочи и их междуречья. Выделено пять химических типов вод. В той мере, в какой результаты данного исследования позволяют прогнозировать химический состав подземных вод в районе с известным геологическим строением, они могут быть использованы для планирования рационального использования ресурсов подземных вод на этой территории и других подобных районов, а также могут быть использованы при планировании и проведении гидрохимических поисков полезных ископаемых.
Впервые установлено явление вторичной контаминации речных и родниковых вод, обусловленное интрузией (внедрением) морских вод в прибрежные глубокие водоносные горизонты, установлены геохимические индикаторы этого явления, позволяющие исключать не благоприятные для таких регионов изыскательские буровые гидрогеологические исследования, могущие провоцировать усиления загрязнения морскими водами глубоких водоносных горизонтов.
С учетом собранных ранее данных о биологии и жизнеспособности морских и пресноводных биомаркеров (макрозообентос, мидии, водоросли) и гидрохимического, гидробиологического и токсикологического анализа природных вод, выполняется работа по определению и анализу степени и характера изменений прибрежных биоценозов вследствие воздействия выявленных факторов различного генезиса.
Анализ таксономической структуры микробных комплексов желтоземов и аллювиальных почв (естественных и антропогенно-измененных, в т.ч. палеопочв стоянок древнего человека) по результатам секвенирования последовательностей гена 16S-рРНК показал возможность применения видов класса Thermoleophilia, семейства Gaiellaceae, в качестве индикаторов климатических условий формирования почв субтропической зоны. Снижение доли ДНК данной группы микроорганизмов пропорционально возрасту почв, что позволяет использовать их в качестве хроноиндикаторов.

Перечень наиболее важных проектов

Проект РНФ «Фундаментальные закономерности опасных штормовых и нагонных явлений в периодически замерзающих мелководных водоемах (на примере Азовского моря и Северного Каспия)» 2020-2022 гг. (руководитель Н.А. Яицкая).
Проект РФФИ и Краснодарского края «Радиоэкологические особенности территорий активного техногнеза Сочинского Черноморского побережья в районах долин рек Мзымта и Сочи» 2021-2022 гг. (руководитель Л.В. Захарихина).
Проект Кубанского научного фонда «Геохимия урболандшафтов Сочинского Черноморского побережья и факторы её определяющие» 2021-2022 гг. (руководитель Л.В. Захарихина).
Проект РФФИ «Ансамбли опасных гидрометеорологических явлений: реанализ и прогноз» 2021 г. (руководитель Н.А. Яицкая).
Проект РФФИ «Изучение паводковой опасности рек Северо-Западного Кавказа» 2019-2022 (руководитель И.В. Шевердяев).
Проект РФФИ №18-05-00420 «Новейшие эволюционные тенденции водно-ледовых ресурсов кавказских ледников» (отв. исполнитель О.О. Рыбак) 2018-2020.
Проект РФФИ №15-05-00567 «Прогноз эволюции горных ледников Большого Кавказа в 21-м веке при различных сценариях изменений глобального климата» (руководитель О.О. Рыбак) 2015-2017.

Основные публикации

Neaman A., Zakharikhina L., Navarro-Villarroelc C, Peñalozad P, and Dovletyarova E. Choose your procedure wisely: Removal of outliers is inappropriate for estimating background concentrations of trace elements in soil // Environmental Toxicology and Chemistry. 2023. — V.42(3). — P.555-557. https://doi.org/10.1002/etc.5550 Web of Science Q 1.
Zakharikhina L., Vinitskaya E. Mirroring Land and Sea: The Geochemistry of Coastal Biomarkers // Ecologica Montenegrina 64: 207-220 (2023) https://doi.org/10.37828/em.2023.64.6 Web of Science Q2, JCR Q1.
Zakharikhina L., Kerimzade V., Litvinenko Y. Elemental Composition of Soils in the Heterogeneous Geological Setting of the Mzymta River Basin on the Russian Black Sea Coast. // Environment and Ecology Research. 11(2): 225-239, 2023. pp. 225 – 239. DOI: 10.13189/eer.2023.110201 https://www.hrpub.org/download/20230330/EER1-4029580.pdf Scopus Q3.
Zakharikhina L.V., Malyukova L.S., Ryndin A. V. Genesis and geochemistry of the soils of urban landscapes of the Black Sea coast of Russia // Catena. 210 (2022) 105881. Web of Science Q1.
Zakharikhina L., Rudev P., Paltseva A. Chemical composition and morphology of the Mediterranean mussel, Black Sea coast of Russia // Marine Pollution Bulletin. – 2022. – Vol. 179. – art. 113692. doi: 10.1016/j.marpolbul.2022.113692. Web of Science Q1.
Yaitskaya N. The Wave Climate of the Sea of Azov // Water, 2022. Vol. 14. No 4. Pp. 555. DOI:10.3390/w14040555. Web of Science Q2, JCR Q1.
Zakharikhina L., Litvinenko Y., Ryndin A., Saburov R., Shevelev S., and Vareljyan G. Geochemical Characterization of Natural Groundwater on the Southern Slopes of the Caucasus Mountains on the Russian Black Sea Coast // Water 2022, 14 (14), 2170; https://doi.org/10.3390/w14142170 Web of Science Q2, JCR Q1.
Yaitskaya N.A., Magaeva A.A. Ensembles of Hazardous Hydrometeorological Phenomena: Legal and Regulatory Aspects, Terminology and Classification (Review) // Physical Oceanography, 2022, 29(3), pp. 237-256. DOI:10.22449/1573-160X-2022-3-237-256
Yaitskaya N.A., Magaeva A.A. Hydrometeorological Phenomena and Multi-Hazards: Mathematical Modelling, Decision Support Systems, Geoinformation Systems (Review) // Physical Oceanography, 2022, 29(4), pp. 347-362.
Litvinenko Y., Zakharikhina L. Geochemistry and radioecology of waters and bottom sediments of the Mzymta river, the Black sea coast // Geochemistry International. – 2022. – Vol. 60, № 4. – P. 379-394. doi:10.1134/S0016702922030041]. Web of Science Q4.
Постникова Т.Н., Рыбак О.О. Глобальные гляциологические модели: новый этап в развитии методов прогнозирования горного оледенения. Часть 2. Сравнительная характеристика и практические приложения // Лед и Снег. – 2022. – Т. 62, № 2. – С. 287-304. doi: 10.31857/S Web of Science Q4.
Rybak O.O., Rybak E.A., Korneva I.A., Satylkanov R., Gubanov A.S., Tanaka K. // Russian Meteorology and Hydrology. – 2022. – V. 47, № 9. – P. 641-651. doi: 10.3103/S1068373922090011]. Web of Science Q4.
Zakharikhina L., Shevelev S. Role of alkaline barriers in radionuclide distribution in river valley environments on the Russian Black Sea coast // Journal of Environmental Radioactivity. – 2022. – Vol. 251-252, № 2. – art. 106952. doi: 10.1016/j.jenvrad.2022.106952. Scopus Q2.
Захарихина Л.В. Геохимические щелочные барьеры, определяющие радиоэкологические условия в долине реки Сочи Черноморского побережья России // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. – 2022.– № 3 (55). – С. 87-95. doi: 10.31431/1816-5524-2022-3-55-87-95. Scopus.
Яицкая Н.А., Бригида В.С. Геоинформационные технологии при решении трехмерных геоэкологических задач: пространственная интерполяция данных // Геология и геофизика Юга России. – 2022. – № 12 (1). – С. 162-173. doi: 10.46698/VNC.2022.86.27.012. Q4
Van Tricht L., Huybrechts P., Van Bredam J., Fürst J.J., Rybak O., Satylkanov R., Ermenbaev B., Popovnin V., Paice C.M., Milz P. Measuring and modelling of the ice thickness distribution of four glaciers in the Tien Shan, Kyrgyzstan // Journal of Glaciology. – 2021. – 67(262). – P. 269-286, doi:10.1017/jog.2020.104 Web of Science Q2, JCR Q1.
Van Tricht L., Paice C. M., Rybak O., Satylkanov R., Popovnin V., Solomina O., Huybrechts P. Reconstruction of the historical (1750-2020) mass balance of Bordu, Kara-Batkak and Sary-Tor glaciers in the Inner Tien Shan, Kyrgyzstan // Frontiers in Earth Science. – – V. 9. – P. 734-802. doi: 10.3389/feart.2021.734802 (Web of Science Q2, JCR Q1).
Zakharikhina L.V., Rogozhina E.V., Kizilov A.S. Paleo soils of archaeological sites in the Sochi Black Sea coast. // Nat. Volatiles & Essent. Oils, 2021; 8(4): 8004-8036 https://www.nveo.org/index.php/journal/article/view/1668 (JCR Q3).
Rybak, O.O., Satylkanov, R., Rybak, E.A., Gubanov A.S., Korneva I.A., Tanaka K. Parameterization of Shortwave Solar Radiation in Glaciological Applications. Russian Meteorology and Hydrology. — 2021. — V. 46. — No. 8. — P. 495–506. https://doi.org/10.3103/S106837392108001X (Web of Science Q4).
Постникова Т.Н., Рыбак О.О. Глобальные гляциологические модели: новый этап в развитии методов прогнозирования горного оледенения. Часть 1. Общий подход и архитектура моделей // Лед и Снег. — 2021. – Т. 61. — №4. — С. 620-636 (Web of Science Q4) doi: 10.31857/S
Magaeva A.A., Yaitskaya N.A. Hydrometeorological hazards during the winter periods in the Sea of Azov and dynamics under the influence of climatic changes // Proceedings of the 26th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. June 14-18, 2021, Moscow, Russia. Scopus.