Де річки зустрічаються з морем

Перехід від солоної до прісної води буремний, вразливий і неймовірно рясний

Морські леви перестають дути і один за одним ковзають з пристані у мокко-коричневу воду річки Фрейзер, поблизу Ванкувера, Британська Колумбія. Поверхня води гладка, за винятком ряби бриж, що повільно рухаються вгору. Морські леви, здається, знають, що спокійна поверхня знищує потрясіння.

Приплив щойно повернувся, і язик солоної води спочатку повзе, а потім скаче, назад у Фрейзер лише через кілька годин після того, як був вигнаний сильним відливом під час попереднього відливу. Хоча поверхня здається спокійною, підводне перетин прісної та солоної води котиться з бурхливими вихорами, такими ж сильними, як будь-які в океані. Плутанина закрученої води та завислих відкладень дезорієнтує засланого додому лосося, забезпечуючи легке застілля для морських левів.

Не всі річки закінчуються так різко, як Фрейзер. Але змішування прісноводних потоків та річок із солоними океанськими припливами та водами в частково закритому водоймі - природничі вчені називають це лиманом - підживлює деякі найпродуктивніші екосистеми на Землі, а також деякі з найбільш вразливих.

Задовго до появи цивілізації ранні люди визнали щедрість лиману і зробили ці регіони центральним центром для проживання людей. На жаль, надмірна забудова, погане землекористування та багатовікове промислове забруднення постраждали від більшості лиманів. Бостонська гавань, затока Сан-Франциско та річка Гудзон - діти плакатів за погіршення навколишнього середовища.

Проте є надія. Лимани є кордонами між солоним та прісноводним середовищем, і вони неймовірно різноманітні як біологічно, так і фізично. Різноманітність та висока енергія екосистеми роблять лимани надзвичайно стійкими. Завдяки кращому розумінню цих систем ми можемо повернути назад їх занепад і відновити екологічне багатство цих цінних, хоч і каламутних середовищ.

Як працює лиман?

З точки зору фізика, різниця щільності прісної та солоної води робить лимани цікавими. Коли річкова вода зустрічається з морською, більш легка прісна вода піднімається вгору і над щільнішою солоною водою. Морська вода носиться в лиман під річкою, що витікає, просуваючись по течії по дну.

Часто, як у річці Фрейзер, це відбувається на різкому сольовому фронті. На такому фронті вміст солі (солоність) і щільність можуть змінюватися від океанічних до свіжих лише за кілька десятків метрів по горизонталі та лише за метр по вертикалі.

Ці сильні градієнти солоності та щільності супроводжують великі вертикальні зміни напрямку та сили струму. Ви не можете побачити ці закручені води з поверхні, але рибалка може виявити, що його сітка починає власне життя, коли опускає її в, здавалося б, спокійну воду.

Пліній Старший, відомий римський натураліст, сенатор і командувач Імператорським флотом у 1 столітті н. Е., Спостерігав таку особливу поведінку рибальських мереж у протоці Босфор біля Стамбула. Пліній зробив висновок, що поверхневі та донні течії течуть в протилежних напрямках, і він надав першу письмову документацію того, що ми зараз називаємо "лиманною циркуляцією".

Вторгнення морської води

Протилежні прісні та солоні потоки часом плавно протікають одна над одною. Але коли різниця швидкостей досягає певного порогу, виникає сильна турбулентність, і сіль і прісна вода змішуються. Приливні течії, які діють незалежно від лиманної циркуляції, також додають турбулентності, змішуючи сіль і прісні води, утворюючи в лимані солонувату воду.

У річці Фрейзер ця циркуляція обмежена дуже короткою та енергійною фронтальною зоною біля гирла, інколи завдовжки лише кілька сотень метрів. В інших лиманах, таких як затока Сан-Франциско, затока Чесапік або річка Гудзон, сольовий фронт та супутня лиманна циркуляція тягнуться углиб країни на багато миль.

Вторгнення солі на землю ретельно контролюється інженерами через потенційні наслідки для запасів води, якщо вторгнення солі надто триває. Наприклад, місто Паукіпсі, штат Нью-Йорк, за 60 миль на північ від гирла річки Гудзон, залежить від річки своєю питною водою. Приблизно раз на десятиліття умови посухи змушують вторгнення солі наближатися до прийому прісної води Паукіпсі. Востаннє, коли це сталося, в 1995 році, з дамб вище за течією довелося проливати додаткову воду, щоб соляний фронт не став небезпекою для громадського здоров'я.

Життєва кров лиманів

Циркуляція лиману виконує цінну, екологічну функцію. Постійний придонний потік забезпечує ефективну вентиляційну систему, всмоктуючи нову океанічну воду і виганяючи солонувату воду. Якби не цей природний процес «змиву», води лиману стали б стоятими, накопичуватися забруднення і виснажуватися кисень.

Ця циркуляційна система призводить до неймовірної екологічної продуктивності. Поживні речовини та розчинений кисень постійно надходять з океану, а відходи викидаються в поверхневі води. Ця відкачувальна дія призводить до одних з найвищих темпів зростання мікроскопічних рослин (дослідники називають це "первинним виробництвом") в будь-якому морському середовищі. Ця кишкова популяція планктону забезпечує базу для різноманітних і цінних харчових мереж, що сприяє зростанню деяких наших найцінніших риб, птахів і ссавців - сьомги, смугастого окуня, великої блакитної чаплі, лисих орлів, тюленів і видр. кілька.

Енергія циркуляції частково залежить від подачі річкової води для відштовхування солоної води назад. Район Сан-Франциско за останні роки став центром суперечок, оскільки існує багато інтересів, що конкурують за те, що прісна вода впадає в затоку - головним чином сільське господарство та водопостачання міст, що поширюються на Південну Каліфорнію. Екологи твердо вирішили, що затока Сан-Франциско повинна отримати "свою частку" прісної води, що надходить з дельти Сакраменто-Сан-Йоахім, оскільки величезні прісноводні середовища існування в регіоні особливо вразливі до проникнення солі.

На циркуляцію лиману також впливають припливи; сильніші припливи зазвичай посилюють обмін та покращують екологічну функцію системи. Наприклад, лиман Гудзона приплив і відплив знаходиться на відстані 153 миль углибині від Трої, штат Нью-Йорк. Індіанці-алгонкіни називали річку Могіканітук, „рікою, що тече в обидві сторони”.

Каламут системи

У лиманів є свої проблеми. Деякі наносять собі шкоду; деякі спричинені зловживанням людським житлом.

Лиман з усіма його динамічними перемішуваннями має один атрибут, який сприяє його власному руйнуванню: він затримує осад. Коли суспендований бруд і тверді речовини з річки потрапляють в лиман, вони стикаються з сольовим фронтом. На відміну від прісної води, яка рухається вгору і над солоним шаром, осад випадає з поверхневого шару в більш щільний, солоний шар води, що рухається в лиман. Впавши, він потрапляє в пастку і накопичується на дні. Повільно лиман стає каламутнішим і каламутнішим, мілким і мілким.

Іноді велика повеня виштовхує сіль прямо з лиману, несучи разом із собою мулистий осад. Ядра осаду в річці Гудзон свідчать про те, що осад може накопичуватися протягом 10, 20 або навіть 50 років, щороку закладаючи шари, як кільця дерев. Але потім ураган або великий танення снігу заливає річку, знищує шари осаду і відправляє грязь у море.

“Епізодична” поведінка відкладень осадів - це хороша та погана новина. Це добре, тому що велика буря може утримати лиман від занадто мілкого занадто швидко. Насправді, схоже, що за останні 6000 років природні днопоглиблення великими штормами підтримували майже постійну глибину води в лимані Гудзона.

Погана новина полягає в тому, що осад зберігає «пам’ять» про всі забруднення, які пройшли через нього протягом багатьох років. Екологічні норми зараз набагато жорсткіші, ніж 50 років тому, і ми перестали використовувати багато хімічних речовин, які руйнують довкілля. Наприклад, поліхлоровані біфеніли (ПХБ) були заборонені в 1970-х роках, оскільки було показано, що вони токсичні для риб та дикої природи, а також для людей, які їх споживають. Проте у нас все ще є проблема забруднення в Гудзоні та інших річках, оскільки ПХБ повільно розкладаються, і кожна нова повінь стабілізує ці «застарілі» забруднення та продовжує наш вплив.

Ефекти, що стікають

Зараз на очищення американських лиманів, забруднених промисловим забрудненням, витрачаються мільярди доларів. Наприклад, у Бостоні нова каналізаційна система, створена для економії гавані Бостона, коштувала платникам податків близько 5 мільярдів доларів. Програма суперфондів Агентства з охорони навколишнього середовища США збирає і витрачає на мільярди доларів більше на відновлення лиманів.

Часто стратегії санації є складними та суперечливими. У випадку з річкою Гудзон ведеться бурхлива дискусія щодо того, чи слід видаляти забруднені ПХБ відкладення - днопоглиблювати високотехнологічними методами, які теоретично мінімізують шкоду навколишньому середовищу, - чи не порушувати їх. Ця дискусія веде основну увагу щодо епізодичного феномену шторму: чи залишаються там забруднені відкладення, чи вони можуть розворушитися, коли наступний ураган обмиє долину Гудзон?

Окрім ініціатив щодо очищення, частини Гудзону потрібно виглиблювати для навігаційних цілей. Днопоглиблення не так вже й дорого чи складно, але знайти місце для розміщення забруднених відкладень - проблема. Порт Нью-Йорка заповнює забруднені грязями покинуті вугільні шахти в Пенсільванії, але це не довгострокове рішення.

Хоча проблеми американських лиманів складні і дорогі, вони бліді в порівнянні з азійськими лиманами. Весь народ Бангладеш лежить у лимані та нижній заплаві річки Ганг-Брахмапутра. Інші азіатські річки, такі як Меконг, Чіанг Цзян (або Янцзи) та Хуанг Хо (або Хуанхе), переповнені і напружені концентрованими людськими поселеннями. Глобальний підйом рівня моря спричиняє втрату суші, посилення підтоплень та збільшення вторгнення солі в ці лимани.

Попит на воду вище за течією для зрошення та побутового використання значно зменшує потік прісної води через ці системи. За останні кілька десятиліть лимани річки Інд та Хуан Хо постраждали від різкого скорочення потоку прісної води, і вплив цих людських змін лише зараз визнаний. Нова політика щодо використання землі, водовідведення та навіть глобального виробництва вуглекислого газу (що впливає на глобальне потепління та підвищення рівня моря) буде потрібна для захисту цих вразливих лиманних середовищ та їх мешканців.

Розпалювання нових ідей

Однією із проблем досліджень лиману є те, що більшість значущих проблем є міждисциплінарними, включаючи фізику, біологію, хімію, геологію та часто державну політику та економіку. Лимани також неймовірно різноманітні, бувають усіх форм і розмірів. Проте керівники державної політики постійно закликають вчених узагальнити наші результати досліджень одного лиману та застосувати їх до речних лиманів світу.

Як науковці, однією з наших ролей є прогнозування змін у навколишньому середовищі, враховуючи різні природні та техногенні впливи. Щоб передбачити стан здоров’я лиманів у майбутньому, ми маємо відповісти на кілька фундаментальних питань щодо сьогодення та минулого. Наскільки далеко проникне сіль, якщо річковий потік скоротити навпіл? Чи збільшують чи зменшують зміни потоку річки швидкість, з якою відклади обливають лиман? Який вплив мають такі зміни на рибу, яка нереститься у прісній воді?

Те, що ми дізнаємось, буде критично важливим для людської популяції, яка все більше цінує прибережні води. Нам потрібна чітка державна політика для зменшення вразливості до прибережних паводків та захисту питної води, запасів їжі та деяких найважливіших місць існування у світі. Ми будемо розробляти кращу політику лише в тому випадку, якщо зможемо обгрунтувати їх у кращій науці.