ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 6, с. 7-18
== ТЕОРИЯ И СОЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ГЕОГРАФИИ
УДК 551.583.7
КАРБОНАТНО-МЕТАНОВАЯ СИСТЕМА САМОРЕГУЛЯЦИИ ПЛАНЕТАРНОГО КЛИМАТА1
© 2007 г. В. Б. Спектор*, Б. М.Кершенгольц**, С. X. Лифшиц***, В. В. Спектор*
* Институт мерзлотоведения СО РАИ ** Институт биологических проблем криолитозоны СО РАИ *** Институт проблем нефти и газа СО РАИ Поступила в редакцию 12.05.2006 г.
Предложена модель, объясняющая 90-120-тысячелетние планетарные климатические циклы работой карбонатно-метановой системы. Предположено, что эта открытая, неравновесная и нелинейная система представляет один из основных механизмов саморегуляции климата, управляющих газообменом (С02 и СН4) и потоками тепла между атмосферой и Мировым океаном и, как следствие, изменениями температуры этих сред. Карбонатная система Мирового океана генерирует тепло и поглощает аквотированный С02 в ходе растворения карбонатов и расходует тепло с выделением С02 в процессе их осаждения. Тепловой эффект этого процесса определяет функционирование отрицательных регуляторных обратных связей в системе саморегуляции планетарного климата.
Введение. Одним из основных способов познания закономерностей климатических изменений является изучение климатов прошлого [1, 6, 10, 12]. Основным источником информации о прошедших климатических событиях являются данные о составе океанических осадков и их возрасте, полученные на основании глубоководного бурения, и данные об изотопном составе материковых ледниковых покровов (ледников Антарктиды и Гренландии).
Важным результатом анализа климатических изменений геологического прошлого является открытие ритмичности планетарных климатических колебаний в течение последних 500 тысяч лет (т. л.), которое создает реальную основу для прогнозирования климата ближайшего геологического будущего [32, 35]. Наиболее выразительны 90-120-тысячелетние ритмы [1, 2, 30, 33, 34, 37], которые начинаются резкими потеплениями протяженностью около 10 т. л., сменяющиеся длительными, 90-100-тысячелетними, сравнительно плавными понижениями температуры (рис. 1). При достижении минимальных экстремальных значений температурные изменения вновь сменяются потеплениями, начинающими новый климатический цикл. Резкие изменения палеотемператур на границе рассматриваемых циклов получили названия "климатических кризисов" или "климатических ступеней" [7, 8]. Первопричиной цикличности климатических колебаний большинство авторов считают изменения солнечной активности [2, 5, 7, 18, 24, 25 и др.].
1 Статья подготовлена при поддержке Интеграционной программы РАН < 13 и проекта Российского фонда фундаментальных исследований < 06-05-65039а.
Мы предполагаем, что длиннопериодные (около 100 т. л.) колебания климата имеют "земное" происхождение и формируются в результате процессов саморегуляции. Основную роль в них играет растворение/осаждение карбонатов (карбонатная система) в Мировом океане, которое перераспределяет содержание углекислого газа и тепла между океаном и атмосферой. При растворении карбонатов расходуется растворенный в воде углекислый газ, а при их осаждении С02 образуется и выделяется в атмосферу. Вторым важным следствием функционирования карбонатной системы является ее тепловая работа - выделение тепла при растворении и его поглощение при осаждении карбонатов. Выделившееся при растворении карбонатов тепло вызывает повышение температуры вод океана, существенно снижая растворимость в них С02, который, выделяясь в атмосферу, усиливает парниковый эффект. Потеря же ак-ватированного углекислого газа и повышение температуры океанских вод обуславливают начало нового цикла эндотермического процесса осаждения карбонатов. Таким образом, работа автоколебательной, саморегулируемой карбонатной системы в существенной степени может объяснить периодичность планетарных климатических ритмов. Экзотермический процесс образования океанических метангидратов, а также эндотермическое разложение газовых гидратов с выделением СН4 в атмосферу и усилением парникового эффекта, по-видимому, оказывают модулирующее воздействие на функционирование карбонатной системы.
Целью предлагаемой работы является качественно-количественное описание модели рабо-
280
а260
& 240 § 220 200
700
| 600 л
I500
и
400
2 0
-2 и
о
-4 ^
50 100 150 200 250
Тысяч лет назад
300
350
400
Рис. 1. Корреляция концентрации СО2 и СН4 в атмосфере с изменениями температуры воздуха в Антарктиде в ледниковые и безледниковые периоды за 420 тыс. лет, согласно [32, 35].
ты планетарного климатического механизма на основе автоколебательных процессов саморегуляции в нелинейной, открытой и неравновесной карбонатно-метановой гидроатмосферной планетарной системе.
Представления о формировании циклических "100-тысячелетних" климатических колебаний в неоплейстоцене. Общепринятым является мнение о периодичности климатических колебаний, но взгляды исследователей на масштабы этих колебаний (планетарные или локальные), причины (земные или космические) и механизмы удержания и переноса тепла (изменения газового состава атмосферы, океанические течения, радиационные и т.д.) существенно расходятся. Критерием масштаба климатических изменений является "средняя глобальная температура (атмосферы) -основной параметр, характеризующий состояние глобальной климатической машины..." [8, с. 17]. В отношении изменения средней глобальной температуры существует две концепции.
Первая заключается в том, что никакого глобального потепления и похолодания на Земле не происходило, широтная поясность существовала в предшествующие сотни миллионов лет, менялось только распределение тепла и влаги на поверхности Земли [17]. Ледниковые эпохи с точки зрения этой гипотезы носят локальный характер и вызываются, в частности, околополярным положением материков.
В настоящее время доказано, что климатические изменения на Земле в недавнем геологиче-
ском прошлом носили глобальный характер и были четко синхронизированы, что ограничивает возможность применения данной концепции. На базе доказанной синхронности колебаний температуры атмосферы на планете разработано самостоятельное научное направление (климатостра-тиграфия), имеющее ряд практических достижений [7, 8].
Вторая концепция, разделяемая большинством исследователей, заключается в том, что на планете происходили неоднократные изменения средней глобальной температуры. Выделяют две группы причин климатических колебаний: космические и планетарные. Климатические колебания в позднем кайнозое и, в частности, 90-120-ты-сячелетние (для краткости назовем их "100-тыся-челетними") циклы большинство исследователей [2, 5, 7, 18, 24, 25, 28, 32, 33, 34, 37, 38 и др.] объясняют с точки зрения астрономической концепции [18]. Вполне вероятно, что увеличение или уменьшение солнечной радиации [2, 18, 35, 36, 37, 38] может вызывать климатические колебания на планете. Неравномерность солнечного излучения связана с изменением активности Солнца, эксцентриситета земной орбиты, наклона земной оси к плоскости эклиптики, прецессии оси Земли и др. [18]. Следует отметить, что изменение солнечной постоянной на 2-5%, при некоторых допущениях, может оказаться достаточным для существенных климатических изменений, хотя принятые при расчетах допущения и параметры делают такой прогноз малодостоверным [5]. Наиболее
0
близки по длительности к рассматриваемым циклам - изменения эксцентриситета земной орбиты (90-100 т. л.), но в отдельности взятый данный фактор способен привести лишь к небольшим изменениям климата Земли [5]. Изменения солнечной радиации не могут объяснить четкую повторяемость и форму температурных кривых 100-тысячелетних циклов: 1) "изменения инсоляции, определяемые орбитальными вариациями постепенны и плавны" [7, с. 256], в то время как перестройки климата в начале циклов очень резки; 2) "сами по себе орбитальные вариации обеспечивают колебания температуры не более чем на 1-2°С, в то время как... амплитуды температур в ледниково-межледниковом цикле достигали 7-10°С" [7, с. 256]; 3) снижения температуры океанических вод и рост в них концентрации растворенного С02 предшествуют глобальным снижениям температуры атмосферы. В свою очередь, изменения температуры воды в океане во времени опережают рост/падение концентрации парниковых газов в атмосфере на тысячи лет.
Большинство современных последователей астрономической концепции и сами признают, что астрономические факторы могут играть лишь роль "спускового крючка" для других процессов, вызывая "резонансный эффект", приводящий к некоторому дополнительному нагреву или охлаждению поверхности Земли [2].
Сторонники данной концепции полагают, что планетарные эндогенные источники изменения общего количества тепла, поступающего на поверхность Земли, вероятно, могут быть исключены из числа ведущих факторов формирования климата, поскольку количество этого тепла на несколько порядков меньше солнечной радиации.
Согласно одному из самых распространенных представлений, основной вклад в увеличение количества парниковых газов в последние 100 лет вносит антропогенный фактор [3, 10]: сжигание природного топлива, извлечение парниковых газов из недр, насыщение атмосферы оксидами азота и серы, фреонами и пр. Вместе с тем ряд исследователей подчеркивают, что потепления, аналогичные современному, были и в предшествующие геологические эпохи [1]: 120, 200, 320 тысяч лет назад (т. л. н.), когда о каком-либо антропогенном вкладе не могло быть и речи. Подсчет содержания парниковых газов и их вклад в потепление [1, 34, 36, 40] указывает на то, что "... на долю всех антропогенных источников парниковых газов приходится не более 20% глобального потепления" [1, с. 262, 10]. С другой стороны, их концентрация в атмосфере достигает самого высокого уровня за последние 420 т. л. [10, 29], что может быть объяснено преимущественно антропогенным вкладом.
Не все исследователи придерживаются точки зрения о значительном вкладе С02 в парниковый эффект. По мнению 0.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова [25], насыщение атмосферы С02 приводит к ускорению конвективного массообмена в атмосфере, а не к
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.