Чому сірководень не виходить на поверхню Чорного моря

Близько 87 % об’єму Чорного моря — вода без вільного кисню, і в ній розчинений сірководень. Попри це поверхневий шар, у якому купаються й ловлять рибу, лишається кисневим: верхня межа анаеробної зони в районах дрейфу буїв Argo у 2015–2022 роках лежала на глибинах 100–180 м. Чому сірководень не виходить на поверхню, видно саме з цієї цифри. Це не «кришка», яку от-от зірве, а наслідок шаруватості, яка тримається тисячі років.

Для берега України різниця між шарами важливіша за будь-який загальний опис моря. Північно-західний шельф мілкий, улоговина починається далі від пляжу, а сірководень прив’язаний до щільної глибинної води середземноморського походження. Поки ця вода не отримує причини піднятися і не проходить окиснення на межі, поверхневий шар не стає сірководневим.

Нижче — послідовність, без якої механізм не складається: спершу дві водні маси й чому море не перемішується цілком, потім межа між ними, далі форма, в якій сірководень реально існує, і лише після цього — чому підйом до поверхні за звичайних умов не відбувається. Строки тут різні: структура складалася тисячоліттями, зимове перемішування триває тижні, а вихор може змістити межу за дні, не доводячи її до хвилі.

Чим шари Чорного моря відрізняються один від одного

Послідовність має значення, бо сірководень не «з’являється сам» у глибині. Спершу через Босфор униз заходить солоніша середземноморська вода, зверху її перекриває прісніший стік Дунаю, Дніпра, Дністра та інших рік, і лише в уже безкисневій товщі сульфатредукційні бактерії відновлюють сульфат до сульфіду. Сучасна безкиснева улоговина існує близько 8 тисяч років — відтоді, як усталився цей водообмін. Поверхнева вода оновлюється за десятки років, глибинна лишається в басейні століттями; оцінки часу перебування глибинної води розходяться від кількох сотень до близько 2000 років залежно від того, чи враховують підмішування проміжної води до босфорського потоку.

Верхній шар, приблизно 0–50 м, вентилюється вітром і зимовим охолодженням. Солоність тут близько 17–18,5, кисень надходить з атмосфери і від фотосинтезу. Під ним лежить холодний проміжний шар: його ядро холодніше за 8 °C і тримається біля ізопікни умовної щільності 14,5 кг/м³. Зимова конвекція зазвичай доходить саме сюди і далі в пікноклин не провалюється. Нижче щільність росте через солоність, кисень спадає, і з’являється субоксидна зона — десятки метрів, де і кисню, і сірководню майже немає. Ще нижче, від ізопікни близько 16,1–16,2 кг/м³ і до дна поблизу 2200 м, вода безкиснева і містить розчинений сірководень.

Море не перемішується цілком, бо легша вода стійко лежить на важчій. Різниця солоності в кілька одиниць дає різницю щільності, якої зимовий шторм біля берега не долає. На шельфі, де дно мілкіше за межу сірководню, цієї глибинної маси просто немає: там працює інший режим — вітер, згін і нагін, а не обмін із улоговиною.

Джерела: Морський екологічний журнал, буї Argo за 2015–2022 рр.; Nature, 1989; огляд фізичної структури басейну в Annual Review of Earth and Planetary Sciences.

Чому межа між водними масами не є стіною

Межа — це шар різкого, але не нескінченного градієнта. Галоклин лежить між ізогалінами приблизно 18,5 і 21,5, основний пікноклин — між ізопікнами близько 14,5 і 16,5 кг/м³. Вода через нього проходить, тільки дуже повільно: вертикальний обмін слабкий, бо кожен наступний метр важчий за попередній. Це не перегородка і не плівка. Обмін іде дифузією, зрушеннями вихорів і вторгненням босфорської води, яка по дорозі підмішує проміжну і опускається вже не як чисте середземноморське струменя.

Що стримує обмін

• Солоність. Глибинна вода солоніша приблизно на 4 одиниці, тому за тієї самої температури вона важча і не спливає.
• Щільність. Підйом вимагає роботи проти градієнта; зимова конвекція зупиняється на холодному проміжному шарі, не досягаючи ізопікни появи сірководню.
• Температура працює слабше за сіль. Навіть якщо глибинна вода трохи тепліша, виграш солоності переважає, і стійкість шару зберігається.

Через це межа дихає, а не стоїть на місці. У центрі циклонічного кругообігу вона піднімається, на периферії антициклону й біля материкового схилу опускається. За даними буїв розбіжність двох незалежних критеріїв — концентрації сірководню 3 мкмоль/л і ізоповерхні щільності 16,18 кг/м³ — у середньому лишалася в межах ±7 м. Окремі вихори і босфорські інтрузії зсувають межу сильніше, але зсув вимірюється десятками метрів у товщі, а не виходом на хвилю.

Де міститься сірководень і в якій він формі

Сірководень міститься в глибинній безкисневій воді як розчинена речовина, а не як вільна газова кишеня. У воді з типовим для моря pH більша частина сульфіду існує у формі гідросульфід-іона HS⁻, менша — як розчинений H₂S. Обидві форми сидять у розчині. Бульбашка виникла б лише тоді, коли парціальний тиск сірководню перевищив би тиск на цій глибині. Для концентрацій у сотні мікромолей на літр цього не відбувається: розчинність за законом Генрі на глибині ще вища через тиск стовпа води.

Зв’язок із безкисневою водою прямий. Поки є кисень, органіка окиснюється за його участі. Коли кисень витрачено, акцептором електронів стає сульфат, і бактерії відновлюють його до сульфіду. Тому сірководень з’являється не «з дна як газ», а в усій товщі нижче межі, де кисню вже немає. Концентрація росте з глибиною. У глибокій воді Nature у 1989 році фіксував значення до 425 мкмоль/л; пізніші профілі лишаються в тому самому порядку — сотні мікромолей біля дна, а не відсотки об’єму вільного газу.

Важливо. Сірководень Чорного моря — розчинений сульфід у безкисневій воді, прив’язаний до щільності. Це не суцільна газова лінза під тонким шаром і не бульбашка, яка за законом Архімеда мусить зірватися вгору.

Що змінилось у картині межі

До вимірів із надійним нулем кисню межу часто уявляли як різкий стик, де кисень і сірководень одразу накладаються, або як плівку, що «тримає» газ. Після серії станцій стало видно субоксидну зону: пояс завтовшки зазвичай 10–40 м, де обидві речовини нижчі за поріг виявлення. Зміна сталася не через зникнення сірководню, а через точніший профіль. Угору йде не бульбашка, а повільний дифузійний потік розчиненої речовини, і його встигають окиснити кисень, нітрат, оксиди марганцю і заліза та бактерії саме в цьому поясі.

Чому глибинна вода не піднімається до поверхні

Глибинна вода не спливає, бо вона важча. Щоб опинитися на поверхні, об’єм із щільністю близько 16,2 кг/м³ має перетнути пікноклин і змішатися з водою близько 14–14,5 кг/м³. Зимова аерація останніх десятиліть доходить приблизно до 14,2–14,5 кг/м³ і через теплі зими радше міліє, ніж поглиблюється. Між цією межею вентиляції і появою сірководню лишається запас щільності понад 1,5 кг/м³. Цього вистачає, щоб поверхневі шторми перемішували лише верхні десятки метрів.

Найсильніше заперечення звучить так: межа вже підіймалася за десятиліття, у циклонах вона мілкіша, отже за достатнього перемішування сірководень дійде до хвилі. Факт інший. Навіть там, де кругообіг піднімає ізопікни, поява сірководню в відкритому морі лишається на десятках і сотнях метрів; буї 2015–2022 років дають 100–180 м у районах дрейфу. Підйом ізоповерхні на 20–40 м змінює глибину межі, а не скасовує градієнт. Потік, який все ж просочується вгору, окиснюється в субоксидній зоні, тому поверхнева вода не накопичує сульфід.

Де етапи накладаються

Зимове перемішування, босфорське вторгнення і вихоровий підйом ідуть одночасно, а не чергою. Конвекція триває тижні в холодний сезон і годує киснем холодний проміжний шар. Інтрузії з Босфору працюють цілий рік і вентилюють глибину слабо, бо об’єм притоку — близько 300 км³ на рік проти сотень тисяч кубічних кілометрів улоговини. Вихор може за дні підняти межу на десятки метрів і так само опустити її. Жоден із цих процесів не замінює інший: конвекція не дістає сульфіду, вихор не виносить його крізь весь пікноклин, окиснення забирає те, що дійшло до субоксидної зони.

Чи може сірководень дійти до берега

За звичайних умов — ні. Поверхневі води не стають сірководневими, поки зберігаються прісніший верхній шар, пікноклин і окиснення на межі. Локальне підняття межі в центрі циклону або після серії теплих зим змінює глибину початку сульфіду, але не переносить його в зону купання. На українському північно-західному шельфі дно часто мілкіше за 100 м, тож сірководнева улоговина починається мористіше, за бровкою схилу.

Чи це небезпека для людей на узбережжі

Глибинний сірководень не є причиною отруєння пляжу. Людина на березі й у воді біля берега перебуває в кисневому шарі завтовшки десятки метрів над межею. Запах сірководню біля лиману чи портового мулу має інше джерело — мілке гниття органіки в ґрунті й застійній воді, а не прорив улоговини. Риба і більшість тварин живуть вище межі саме тому, що нижче немає кисню; це обмеження для промислу в товщі, а не сигнал тривоги для берега.

Графік, з якого легко збитися, — плутати три різні глибини. Зона купання вимірюється метрами. Зимове перемішування відкритого моря — десятками метрів, до холодного проміжного шару. Сірководень — від 100–180 м у типовому профілі буїв, мілкіше лише локально в кругообігу і все одно далеко від поверхні. Поки ці три позначки не збігаються, висновок про «вихід на поверхню» не випливає з підйому межі на десяток метрів.

Практичний приклад. На станції в глибокій частині межа 3 мкмоль/л сірководню стоїть на 140 м і збігається з щільністю близько 16,18 кг/м³. Ядро холодного проміжного шару — біля 14,5 кг/м³, зимова конвекція останніх теплих зим часто не проходить глибше 14,2–14,3 кг/м³. Різниця щільності між вентиляцією і сульфідом — приблизно 1,7 кг/м³. Шторм, який перемішує верхні 30–40 м біля одеського берега, працює в пріснішій воді шельфу і до цієї ізопікни не доходить. Щоб глибинна вода опинилася на поверхні, потрібен був би підйом усієї шаруватої товщі або її повне перемішування — цього не дає ні сезонний цикл, ні окремий вихор.

Якщо межа на конкретній зйомці піднялася зі 150 до 110 м, змінилася глибина початку сульфіду, а не склад води в прибої. Наступний антициклон або зміщення кругообігу може опустити ту саму ізопікну назад. Стежити варто за щільністю, а не за разовою глибиною в метрах: сірководень тримається поверхні однакової щільності, і ця поверхня в Чорному морі не виходить на нуль.

Морем каже

За буями Argo з березня 2015 до березня 2022 року верхня межа анаеробної зони в районах дрейфу лежала на 100–180 м і в середньому збігалася з ізоповерхнею умовної щільності 16,18 кг/м³; розбіжність із критерієм 3 мкмоль/л сірководню трималася близько ±7 м. Морський екологічний журнал.