БИОЛОГИЯ МОРЯ, 2005, том 31, № 1, с. 3-10
УДК 574.58(26) ЭКОЛОГИЯ
ЭКОСИСТЕМЫ МОРСКОГО ЛЬДА И ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОКЕАНА В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
В АРКТИКЕ1
© 2005 г. И. А. Мельников
Институт океанологии РАН, Москва 117997 е-тап: migor@online.ru
Статья принята к печати 25.05.2004 г.
В последние два десятилетия в Арктике наблюдается четкий температурный тренд в сторону потепления. Потепление привело к уменьшению ледового покрова в Северном Ледовитом океане (СЛО) как по площади, так и по толщине вследствие более интенсивного таяния. В пределах поверхностного слоя 0-30 м происходит накопление талой воды, гидрологические и гидрохимические характеристики которой заметно изменились: это более теплая и пресная вода с меньшим содержанием питательных веществ. Наличие устойчивого термоклина на глубине 30-35 м, ослабляющего вертикальное перемешивание вод, препятствует активному обмену между богатыми биогенными веществами водами, лежащими глубже термоклина, и бедными подледными водами, что сказывается на качественном и количественном составе фито- и зоопланктона верхнего океана. Наблюдаемые климатические изменения и связанные с ними изменения ледовой среды привели к заметным перестройкам в составе, структуре и функционировании биологических сообществ, населяющих морской лед и подледный слой поверхностной водной массы. Сравнительный анализ материалов, собранных в антициклональном круговороте СЛО в период дрейфа ледовых станций "Северный Полюс-22" (1975-1981) и SHEBA (1997-1998), показал, что за последние два десятилетия численность видов ледовых диатомовых водорослей заметно уменьшилась, причем одновременно возросла роль пресноводных водорослей. Резко сократилась численность доминировавших ранее в толще многолетних льдов беспозвоночных животных, таких как нематоды, копеподы, амфиподы и турбеллярии. Выявленные изменения позволяют предполагать, что современная экосистема "морской лед - верхний океан" перестраивается с типично морской на солоноватоводную экологическую систему. Основной причиной таких изменений, вероятно, можно считать глобальное потепление в Арктике.
Ключевые слова: Арктика, морской лед, климат, изменения, биота.
Sea ice-upper ocean ecosystems and global changes in the Arctic. I. A. Melnikov (Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997)
During the last two decades, in the Arctic Region there is a clear temperature trend towards warming. The warming leads to a reduction of the Arctic ice cover (in area and in thickness) because of increased melting. Melt water is accumulated within the 0-30 m layer, markedly changing its hydrological and hydrochemical characteristics: this water is warmer and fresher and contains lower concentrations of nutrients. Stable thermocline at the 30-35 m depth weakens vertical mixing of water and hampers active exchange between nutrient-rich water lying below the thermocline and nutrient-poor under-ice water. This affects the qualitative and quantitative composition of phyto- and zooplankton of the upper ocean. The climate change and related changes in the ice environment cause marked alterations in the composition and structure of the biological communities of sea ice and under-ice surface water. Comparative analysis of materials collected in the Arctic anticyclonic gyre at the drift-ice stations "Nothern Pole-22" (1975-1981) and SHEBA (1997-1998) shows that over the last two decades the number of species of ice diatoms has markedly decreased and the role of freshwater algae has increased. The abundance of nematodes, copepods, amphipods, and turbellarians, which were the dominant forms in perennial ice, has also decreased sharply. The results suggest that the present-day sea ice-upper ocean ecosystem is changing from typically marine to brackish-water ecological system. The main reason for these changes is probably global warming in the Arctic Region. (Biologiya Morya, Vladivostok, 2005, vol. 31, no. 1, pp. 3-10).
Key words: Arctic Region, sea ice, climate, change, biota.
Морской арктический ледовый покров является ключевым компонентом экосистемы Северного Ледовитого океана (СЛО). Как прослойка между двумя различными физическими средами - водой и воздухом -лед оказывает существенное влияние на поддержание термодинамического равновесия между океаном и атмосферой вследствие изменения его среднеравновесной толщины, причем равновесие этой системы поддержи-
вается и определяется стабильностью климатической системы в Арктике (Зубов, 1945). В последние два десятилетия наблюдается четкий температурный тренд в сторону потепления. Как следствие потепления в СЛО отмечено заметное уменьшение площади и толщины ледового покрова, повышение температуры и опреснение поверхностных арктических вод (Сагтаск е1 а1., 1995; 8еггеге, Маэктк, 1997; МсРЬее е1 а1., 1998;
1Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-05-64357) и Американского фонда гражданских исследований и развития (СКОР 2363-М0-02).
Morison et al., 1998, и др.). Климатические изменения и связанные с ними изменения ледовой среды обусловили перестройки в составе, структуре и функционировании биологических сообществ, населяющих морской лед и подледный слой поверхностной арктической водной массы (Melnikov et al., 1998, 2002; Melnikov, Kolosova, 2001). Причина данных перемен в изменении гидрофизических и гидрохимических характеристик поверхностных вод, контактирующих с морским ледовым покровом: так, средняя соленость в слое 0-30 м за последние два десятилетия уменьшилась почти на 4%о, а его температура повысилась на 0.2°С (McPhee et al., 1998).
Основная цель настоящей работы - показать, как реагируют экосистемы морского льда и подледного слоя на глобальные изменения в Арктике. Для этого необходимо рассмотреть и проанализировать состав, структуру и особенности функционирования экосистемы морского льда и контактирующих с ним вод верхнего океана. В данной статье "верхним океаном" условно названы воды перемешанного слоя выше термоклина мощностью 0-30 м, характеристики и динамика которого связаны с морским ледовым покровом.
Для проведения сравнительного анализа использованы материалы, полученные с разницей в два десятилетия в антициклональном круговороте СЛО на дрейфующих станциях "Северный Полюс-22 и 23" (СП) в 1975-1981 гг. (Мельников, 1989) и на дрейфующей станции SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean) в 1997-1998 гг. (Kolosova, Melnikov, 2001; Melnikov et al., 2001, 2002; Melnikov, Kolosova, 2001). К обсуждению результатов привлечены также данные CTD-профилирования, полученные на ледовой станции AIDJEX, дрейфовавшей в антициклональном круговороте в 1975-1976 гг. (McPhee et al., 1998). Результаты сравнительного анализа ключевых экосистем обсуждаются мною в двух разделах: первый посвящен экосистеме морского льда, второй - экосистеме верхнего океана.
ЭКОСИСТЕМА МОРСКОГО ЛЬДА
Площадь, распространение и толщина ледового покрова
По имеющимся данным, в конце 70-х гг. прошлого столетия (Атлас океанов, 1980) площадь ледового покрова в СЛО в период его максимального развития составляла 8.26 млн. км2 (март), а в период минимального - 6.90 млн. км2 (сентябрь), т.е. потери льда во время летнего ледотаяния составляли 1.36 млн. км2.
Морской ледовый покров СЛО неоднороден по составу: его центральный глубоководный Арктический бассейн (АБ) постоянно занят мощными многолетними льдами (более 80% площади), в то время как мелководные окраинные моря покрываются сезонными льдами, образующимися зимой на открытой воде их акваторий после летнего таяния. В последние два десятилетия наблюдается заметное смещение кромки льда к северу приблизительно на 2-3 градуса, что подтверждает
спутниковую информацию о сокращении площади ледового покрова начиная с 70-х гг. (Cavaliere et al., 1997). Так, в Канадской Арктике площадь, занятая многолетними льдами, сократилась почти на 30%, а в целом для Арктического бассейна уменьшение площади ледового покрова составляет 2.9 ± 0.4% за десятилетие (Parkinson et al., 1999).
Хорошо известно, что арктический морской лед является тонким и чувствительным индикатором климата: чем теплее, тем интенсивнее таяние, и, напротив, чем холоднее, тем активнее и мощнее нарастание его толщины. Находясь в условиях высокого температурного градиента между холодной атмосферой и теплым океаном, лед непрерывно изменяет свою толщину вследствие летнего стаивания сверху и зимнего компенсационного нарастания снизу. Зубов (1945) ввел в морское ледоведение понятие о среднеравновесной толщине морского льда в СЛО. Ее предельное значение (Н) определяется количеством градусо-дней мороза (R), т.е. суммой отрицательных температур воздуха (индекс холода) за все время нарастания льда в заданном районе. Зависимость между ними выражается формулой Н = 2.145 (Зубов, 1945). Это выражение включает условие о стационарности льда, а следовательно, о стабильности климата в СЛО. Однако в СЛО число граду-со-дней мороза колеблется от 5000 на шельфе до 8000 в центральных районах, поэтому в каждом географическом районе будет формироваться своя определенная толщина, а колебания относительно ее средней величины, в свою очередь, будут служить мерой климатических изменений, обусловливающих дисбаланс равновесной толщины. Так, в районе антициклонального круговорота (Канадский сектор СЛО) индекс холода R уменьшился с 7000 в 1974-1975 гг. до 6200 в 1997-1998 гг., соответственно, и толщина многолетнего льда уменьшилась от средних значений 3 м (Бузуев, 1968; Koerner, 1973; Wadhams, 1983; Мельников, 1989, и др.) до 1.4-2.1 м (Perovich et al., 1999; Melnikov, 2000).
Таким образом, уменьшение продолжительности холодного периода, с одной стороны, и возрастание количества тепла, поступающего из атмосферы на ледовую поверхность, - с другой, способствовали сокращению площади и толщины арктического ледового покрова от его среднеравновесного значения 3 м в 70-е гг. до 1.5-2 м в настоящее время. Анализ данных, полученных с американских субмарин, показывает, что толщина морского льда в центральных районах СЛО в те
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.