Лёд и Снег • 2013 • № 3 (123)
УДК 551.324+551.77
Прогноз температурных изменений на Алтае в ближайшие 50 лет по реконструированным
данным ледникового керна с горы Белуха
© 2013 г. Т.С. Папина, О.В. Ловцкая, Н.С. Малыгина, С.С. Эйрих
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул papina@iwep.ru
Статья принята к печати 25 декабря 2012 г.
Алтай, ледниковый керн, прогноз климатических изменений, Фурье-анализ. Altai, forecast of climate change, Fourier analysis, ice core.
С помощью спектрального Фурье-анализа разложен на несколько разнопериодных синусоидальных функций временн0й ряд палеотемператур, реконструированный по изменению значения 518О в высокогорном ледниковом керне с седловины горы Белуха. В полученной периодограмме выделены основные гармоники, которые позволили без учёта вклада изменений существующей антропогенной нагрузки сделать сценарные прогнозы среднегодовых (с марта по ноябрь) температурных изменений на Алтае до 2050 г. Прогноз показал, что с 2008 г. температурный режим Алтая входит в фазу похолодания, максимум которой будет достигнут к 2020 г. Затем начнётся 15-летний период повышения температуры, а после 2035 г. вновь наступит фаза похолодания. Полученный нами прогноз согласуется с прогностическими оценками природной составляющей климатической изменчивости, полученными другими исследователями.
Введение
Для создания надёжных прогнозных моделей климатических и экологических изменений природной среды необходимы ряды данных высокого временнбго разрешения — годичные и сезонные [41]. Основной источник таких данных — глобальные системы мониторинга, обеспечивающие получение разноплановых инструментальных данных о состоянии поверхностных оболочек Земли [9, 11]. Однако длина этих рядов в большинстве случаев не превышает первые сотни лет, что недостаточно для достоверного прогнозирования изменений в обозримом будущем. Поэтому для получения длинных рядов климатических изменений используют данные реконструкций прошлых состояний атмосферы по различным стратифицируемым природным накопителям — полярным и высокогорным ледникам, донным отложениям, древесным кольцам и пр. [17].
Среди природных палеоархивов особое место отводится высокогорным ледникам, исследование которых, несмотря на трудоёмкость отбора проб, анализа и интерпретации результатов, позволяет получить ценную палеоклиматическую информацию высокого временнбго разрешения как на глобальном, так и на региональном уровнях [12]. В высокогорных ледниках основой для реконструкции палеотемпера-тур служит изотопный состав кислорода и водорода, входящих в состав молекул воды ледникового керна. При этом величина б18О связана со среднегодовой температурой воздуха прямым соотношением,
однако вид этой связи различен для разных временных интервалов и регионов. Поэтому с 1961 г. Международное агентство по атомной энергии (IAEA) совместно с Всемирной метеорологической организацией (WMO), наряду с измерением температуры воздуха, проводят ежемесячные измерения изотопного состава осадков на всех станциях сети наблюдения. Эти данные могут быть использованы для определения соотношения средних значений б18О в осадках и средних значений температур поверхности Тп для различных изучаемых территорий.
Постановка проблемы и объекты исследования
Проводимые учёными разных стран исследования позволяют с помощью глобальных климатических моделей строить сценарии изменения климата на длительный срок. Признавая важность таких исследований, необходимо отметить, что к одному из факторов, ограничивающих уверенность в перспективной оценке изменения климата, относится неопределённость внешнего воздействия (например, будущей концентрации атмосферного диоксида углерода и других парниковых газов, а также сульфатного аэрозоля). Кроме того, если в Четвёртом оценочном докладе МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) будущие изменения климата рассматривались только как отклик на увеличение концентрации парниковых и других газов, то в Международном проекте CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project
Рис. 1. Расположение места отбора ледникового керна с горы Белуха
Fig. 1. Location of ice core Belukha sampling
Phase 5) впервые делается попытка предсказания изменений климата на ближайшие 10—30 лет с учётом естественной изменчивости. На временных масштабах 10—30 лет естественная изменчивость может быть сравнима, а в некоторых регионах даже превосходить вклад от парникового эффекта. Так, именно сочетанием глобального потепления и естественных колебаний климата можно объяснить быстрое уменьшение площади летнего льда в Арктике в последние годы, а также зимнее потепление конца 1980-90-х годов на Европейской части России [3].
В докладах МГЭИК неоднократно подчёркивалась необходимость детального исследования происходящих и предполагаемых в будущем региональных изменений климата [11, 13]. Для России и стран бывшего СНГ отмечалось, что даже прошедшие климатические изменения при наличии существующих наблюдений можно оценить лишь с некоторой долей неопределённости, к главным причинам которой относятся нарушения однородности рядов наблюдений, недостаточная плотность сети и её изменения, а также различия алгоритмов пространственного осреднения данных [1]. Для настоящего времени детализированные по регионам оценки наблюдаемых и предполагаемых изменений климата особенно важны, поскольку значительные природно-обуслов-ленные различия в разных регионах России вызывают крайне неравномерное изменение климата.
Наиболее чётко климатические изменения можно установить на границе раздела природно-климатических зон. Для Центрально-Азиатского региона такое место раздела — Алтай — обширная горная страна, расположенная на северо-западной периферии Центральной Азии, на границе четырёх государств — России, Монголии, Казахстана и Китая. Алтай служит орографическим барьером для
западного переноса воздушных масс и находится на границе раздела между тайгой и пустынными и полупустынными районами Центральной Азии. Изучаемый регион особенно интересен для исследований климатических изменений регионального уровня, которые могут базироваться в том числе и на репрезентативных данных Алтайских палеоархивов.
Цель нашей работы — прогноз естественных природных температурных изменений на Алтае на ближайшие 50 лет по данным ледникового керна горноледникового массива Белуха (рис. 1), так как наиболее крупные высокогорные ледники Алтая сосредоточены именно в этом массиве. Ледники массива Белуха — самой высокой точки Алтая (4506 м) — имеют максимальную вертикальную протяжённость, большой высотный диапазон (от 1970 до 4506 м) и ориентированы по всем основным румбам [6], что обусловливает резкие различия в количестве осадков и поступлении солнечной радиации, во многом определяющих режимы массообмена ледников. В июле 2001 г. совместной Российско-Швейцарской экспедицией на седловине горы Белуха, (49°48'26,3" с.ш., 86°34'42,8" в.д., высота 4062 м) был отобран 140-метровый ледниковый керн, который в замороженном виде был доставлен в лабораторию радиохимии и химии окружающей среды Института им. Поля Шеррера (Швейцария) для дальнейшего гляциохимического анализа.
Методы исследования
Датирование слоёв ледникового керна с горы Белуха проводили на основе визуальной стратиграфии, сезонных изменений концентраций б18О и NH4+, активности 210РЬ, а также стратиграфических маркеров: пиковых значений концентрации сульфатов, связанных с извержениями вулканов
Тамбора и Катмай соответственно в 1815 и 1912 гг., и максимальных значений концентраций трития и плутония для 1963 и 1945 гг. (соответственно взрыв термоядерной и ядерной бомб в атмосфере) [22, 31, 32]. Для уточнения датирования нижележащих слоёв керна применяли стационарную модель течения льда [18, 29], в основу которой положены репрезентативные оценки осадконакоплений на поверхности ледника и постоянные значения вертикальных скоростей деформации [21]. Эффективность использования этой модели обоснована в работе [22]. Палеотемпературы реконструированы по изменению значений б18О в ледниковом керне седловины горы Белуха с привлечением материалов, полученных в режиме реального времени по сети IAEA GNIP [42, 36, 37]. Для девяти станций Центральной Азии (70—120° в.д. и 35—60° с.ш.), которые не испытывали значительного влияния мус-сонной циркуляции, были получены ежемесячные данные для 1990-х годов, позволившие реконструировать Тп по данным б18О в осадках [15, 39, 42].
Методика определения 618O включала в себя пиролиз талой воды проб льда в стеклоуглеродном реакторе при температуре 1450 °C с образованием оксида углерода (CO) [20, 24]. Затем относительные пропорции образовавшихся 12C16O и 12C18O определяли с помощью изотопного масс-спектрометра Delta Plus XL, Finnigan MAT. Точность определения составляла ±0,2% [22, 31]. Для выявления периодических зависимостей температурного ряда и разработки сценарного прогноза температурных изменений ближайшего будущего использовался метод спектрального анализа на основе преобразования Фурье [2].
Результаты и их обсуждение
По данным близлежащей к ледниковому массиву Белуха ГМС Ак-Кем определено, что основное осадконакопление на изучаемом леднике наблюдается с марта по ноябрь (до 80—90%). Для выявления зависимости между соотношением б18О в ледниковом керне горы Белуха и приповерхностной температурой Тп изучены соотношения средних значений б18О в осадках и средних значений температуры поверхности Тп (с марта по ноябрь) по девяти близлежащим к леднику станциям Центральной Азии, которые входят в сеть IAEA GNIP (рис. 2) [22]. Для этого использовались результаты ежемесячных измерений изотопного состава осадков, полученных на этих станциях за период 1960—2000 гг.
Значение наклона зависимости изменения б18О от температуры (0,55±0,26)%o/°C (см. рис. 2) хорошо согласуется с результатами, установлен-
ю
1-1-1-1-
5 10 15 20
Температура поверхности (март-ноябрь), °С
Рис. 2. Соотношения средних значений ö18ü в осадках и средних значений Тп по данным станций Центральной Азии [22] Fig. 2. Linear relationship between averages of ö18O in pr
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.