научная статья по теме О ВЛИЯНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА НА ОБМЕН УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ С АТМОСФЕРОЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О ВЛИЯНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА НА ОБМЕН УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ С АТМОСФЕРОЙ»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 16-25

ФИЗИКА МОРЯ

УДК 551.465.7

О ВЛИЯНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА НА ОБМЕН УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ С АТМОСФЕРОЙ

© 2015 г. Л. Н. Карлин!1, В. Н. Малинин1, С. М. Гордеева1 2

Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Санкт-Петербург e-mail: rector@rshu.ru, malinin@rshu.ru, gordeeva@rshu.ru Поступила в редакцию 04.06.2013 г., после доработки 07.04.2014 г.

Рассматривается влияние температуры поверхности океана (ТПО) на обмен углекислым газом с атмосферой (СО2) в различных пространственно-временных масштабах, которое носит разнонаправленный характер. Исходными данными послужили среднемесячные значения потока СО2 за период 1982—2011 гг. в узлах сетки 4° широты х 5° долготы и спутниковые данные о ТПО с 1 января 1982 г. по 31 декабря 2012 г. в узлах географической сетки 0.25° х 0.25°. Осуществлено построение статистических моделей оценки результирующего глобального потока СО2 на основе данных об аномалиях ТПО. Показано, что изменения ТПО в экваториальной зоне являются главным регулятором межгодовых колебаний результирующего потока СО2 в системе океан—атмосфера.

DOI: 10.7868/S0030157415010098

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, Мировой океан является самым крупным резервуаром углерода на планете: его запасы более чем в 50 раз превосходят запасы углерода в атмосфере и в 15 раз — запасы углерода в экосистемах суши. В среднем Мировой океан поглощает 80 млрд. т С год-1, а выделяет в атмосферу 78.4 млрд. т С год-1 [10], т.е. он является активным поглотителем углекислого газа, тем самым ослабляя антропогенный парниковый эффект, обусловленный выбросами от сжигания ископаемого топлива и производства цемента, которые составляют примерно 8.3 млрд. т С год-1.

В последние годы появились новые оценки результирующего потока СО2 на границе раздела океан-атмосфера. В обзорной работе [13] приводятся климатологические оценки годового потока СО2, полученные как в результате прямых измерений, так и на основе математического моделирования углеродного цикла. Разброс оценок СО2 находится в пределах от 1.8 Р§ С год-1 [11] до 2.4 Р§ С год-1 [9] при среднем значении 2.1 Р§ С год-1 (Р§ С год-1 = 1015 г С год-1 = 1 млрд. т С год-1 ~ ~ 0.25 моль С м-2 год-1). Достаточно надежно известны также особенности географического распределения потока углекислого газа для среднемно-голетних годовых условий [3, 15, 16]. Значительно хуже исследована межгодовая изменчивость потока СО2, особенно в глобальном масштабе, поскольку до последнего времени отсутствовали обобщенные систематические данные за длительный период

времени со всей акватории Мирового океана, хотя начиная с 1960-х годов, количество измерений парциального давления СО2 (рСО2) в поверхностном слое океана увеличивалось экспоненциальными темпами. Обобщенная Такахаши (Takahashi) и его рабочей группой в 1997 г. база данных (http:// www.ldeo.columbia.edu/res/pi/CO2/carbondioxide/ pages/air_sea_ux_2009.html), которая тогда насчитывала около 200 тыс. измерений рСО2, на сегодняшний день включает порядка 3 млн. измерений, собранных в период с 1970 по 2008 гг. Это позволило группе исследователей [12], проделавшим поистине гигантскую работу, осуществить расчет потоков углекислого газа в узлах географической сетки с пространственным разрешением 4° широты х 5° долготы с 1982 г. и создать глобальный архив, находящийся в свободном доступе на сайте AOML NOAA (http://cwcgom.aoml. noaa.gov/erddap/griddap/aomlcarbonfluxes.graph) [8].

Среднемесячные потоки СО2 оценивались на основе диагностической модели аэродинамическим методом с использованием эмпирических внутриго-довых соотношений между парциальным давлением СО2 в поверхностном слое воды (рСО28%,) и температурой поверхности океана (ТПО) [12]. Естественно, использование такого подхода не позволяет учитывать тонкий поверхностный микрослой толщиной порядка 100—200 мкм, температура которого может быть ниже ТПО на 2—3°C [6]. Кроме того, этот микрослой отличается от нижележащих слоев морской воды величиной рН [4]. Поэтому учет его характеристик необходим при более строгой

оценке потоков СО2. Отметим также, что, помимо физического механизма газообмена, существует биологический, который заключается в том, что обитающие в поверхностном слое воды водоросли могут поглощать углекислый газ непосредственно из воздуха. Этот эффект, по сути "биологический насос", сложно учитывать в численных моделях газообмена, тем более для всего Мирового океана.

Однако, несмотря на приближенный характер модели [12], она довольно хорошо описывает физические закономерности поглощения (выделения) углекислого газа океаном, хотя несколько занижает величину результирующего потока, который в среднем за период 1982—2007 гг. оказался равным 1.5 млрд. т С год-1. В работе [1] на основе усреднения потоков СО2 по данным архива [8] выполнен независимый расчет глобального результирующего потока СО2 за период 1982-2011гг. (рис. 1). Как и следовало ожидать, между [1] и [12] наблюдается очень хорошее соответствие результатов, максимальная погрешность составляет менее 3%. Из рис. 1 видно, что рассматриваемый период можно разделить на два относительно однородных промежутка времени с разнонаправленными тенденциями: первому из них (1982-1996 гг.) свойственно возрастание потока СО2 из атмосферы в океан, в то время как второму (1997-2011 гг.) — уменьшение потока СО2. В первом случае величина тренда составляет Тг = -0.016 млрд. тС год-2, а тренд описывает 24% дисперсии исходного ряда, во втором случае Тг = 0.022 млрд. т С год-2 при коэффициенте детерминации Я2 = 0.39, т.е. оценки величин тренда довольно близки друг к другу. Если в ближайшие годы указанная тенденция сохранится, то 1997 г. можно будет считать переломным, после которого Мировой океан начинает превращаться в климатической системе из стабилизатора парникового эффекта в его ускоритель [1].

Температура поверхности океана является наиболее важным фактором, определяющим не только величину, но и направление потока СО2 на поверхности океана. В частности, от ТПО почти полностью зависит растворимость углекислого газа в морской воде. С повышением температуры воды растворимость СО2 снижается, а с понижением - повышается [17]. От пространственного распределения температуры зависит жизнедеятельность морских организмов, за счет которой возникают мощные источники и стоки СО2. Их действие обусловлено процессами поглощения СО2 при фотосинтезе и, наоборот, его выделением при окислении органического вещества.

Если влияние ТПО на растворимость углекислого газа является понятным и однозначным, то связь биологических процессов с температурой и их взаимное влияние весьма сложно и многооб-

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Год

Рис. 1. Межгодовой ход результирующего глобального потока СО2 на границе раздела океан-атмосфера за период 1982-2011 гг. в млрд. т С год-1. 1 - по данным [1], 2 - по данным [12], 3 - линейный тренд.

разно. В общем случае распределение биомассы фитопланктона и его чистая первичная продукция определяются температурой воды, наличием света и питательных веществ (в первую очередь, азота и фосфора). Эти лимитирующие рост фитопланктона факторы в свою очередь подвергаются влиянию процессов циркуляции океана, динамики слоя перемешивания и апвеллинга [7]. В результате все факторы, оказывающие влияние на величину и направление потока СО2, а также на особенности его пространственно-временной изменчивости, связаны между собой как прямыми, так и обратными зависимостями, которые при определенных условиях способны либо усиливать, либо подавлять эффект их совместного воздействия. В частности, температура поверхности океана, помимо прямого влияния на растворимость СО2 в морской воде, оказывает опосредованное воздействие на величину чистой первичной продукции фитопланктона, которая тесно связана с процессами биологического потребления углерода, а, следовательно, с потоками СО2 на поверхности раздела океан-атмосфера. В связи с этим представляется весьма важным выявление влияния ТПО на обмен углекислым газом с атмосферой в различных пространственно-временных масштабах.

В данной работе рассматриваются следующие задачи:

- оценка влияния сезонных и межгодовых колебаний среднеширотных значений температуры поверхности океана на поток СО2 на границе раздела океан-атмосфера;

- оценка взаимосвязи глобальной ТПО и результирующего потока СО2;

Годы 2010 -

2008 -

2006 -

2004 -

2002 -

2000

1998

1996

1994 -

1992 -

1990 -

1988 -

1986

1984

1 2 -3 4 -5 6

-7 8

ю.ш. 60°

40°

20°

20°

40°

60° с.ш.

Рис. 2. Распределение среднемесячных среднеширотных значений потока СО2 на границе раздела океан-атмосфера за период 1982-2010 гг. в моль/м2 год [3]. Положительные значения - поток СО2 направлен вверх (в атмосферу), отрицательные - вниз, проведена нулевая изолиния.

- построение статистических моделей оценки результирующего глобального потока СО2 на основе данных о температуре поверхности океана.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СЕЗОННЫХ И МЕЖГОДОВЫХ КОЛЕБАНИЙ СРЕДНЕШИРОТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТПО НА ПОТОК СО2

В данной работе среднемесячные значения потока СО2, заимствованные из архива [8] за период 1982-2011 гг. в узлах сетки 4° широты х 5° долготы, усреднялись по 4-градусным широтным зонам Мирового океана. Суточные данные о ТПО

брались с 1 января 1982 г. по 31 декабря 2012 г. в узлах географической сетки 0.25° х 0.25° из спутникового архива NOAA NCDC OISSTv.2 (http:// iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.NOAA/.NCDC/. OISST/.version2/), важным достоинством которого является однородность временных рядов и высокая оперативность их получения. Суточные данные о ТПО вначале усреднялись за календарный месяц, а затем — по 4-градусным широтным зонам Мирового океана с учетом площадей.

На рис. 2 приводится распределение среднемесячных среднеширотных значений потока СО2 на границе раздела океан—атмосфера за период

1982-2011 гг. в моль/м2 год. Положительным значениям соответствует направление потока СО2 вверх, в атмосферу, отрицательным - вниз, ко дну океана. Нетр

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»