ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛЯРНЫХ РЕГИОНАХ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПОТОКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА НА ШЕЛЬФЕ ЧУКОТСКОГО МОРЯ
© 2015 г. И. И. Пипко1,2, *, С. П. Пугач1, 2, И. А. Репина3,4, О. В. Дударев1,2,
А. Н. Чаркин1, И. П. Семилетов12
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток Национальный исследовательский томский политехнический университет, Томск 3Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва 4Институт космических исследований РАН, Москва *Е-таП: irina@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 31.05.2014 г.
Представлены результаты многолетних исследований динамики карбонатных характеристик и потоков СО2 в системе океан—атмосфера на шельфе Чукотского моря в летне-осенний сезон. В результате комплексного влияния физических и биологических факторов поверхностные воды западной части Чукотского моря были недонасыщены относительно содержания СО2 в атмосфере, значения парциального давления СО2 изменялись в пределах 134—359 мкатм. Средняя величина потока СО2 в Чукотское море на единицу площади варьировала в разные годы от —2.4 до —22.0 ммоль м-2 сут-1, что значительно выше средней для Мирового океана величины. По минимальным оценкам, за весь безледный период акватория Чукотского моря может адсорбировать из атмосферы около 13 х 1012 г С, при этом значительная часть поглощенного углерода переносится в глубинные слои и изолируется от контакта с атмосферой на достаточно длительное время. Результаты исследований карбонатной системы вод Чукотского моря, а особенно его малоизученной западной части, существенно дополнят информацию о современных стоках углекислого газа в Северном Ледовитом океане и происходящих с ними изменениях. Приведенный анализ может быть применен для интерпретации спутниковых методов оценки потоков углекислого газа и распределения содержания растворенного углекислого газа в верхнем слое океана.
Ключевые слова: Арктика, Чукотское море, парниковые газы, карбонатная система морской воды, потоки углекислого газа в системе океан-атмосфера, климат, спутниковые данные
Б01: 10.7868/80205961415030094
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время широкое применение получают дистанционные методы исследования газообмена атмосферы с подстилающей поверхностью, но имеющиеся средства наблюдения редко охватывают Арктический бассейн, а полученные данные нуждаются в валидации, т.е. в проведении специализированных подспутниковых экспериментов. При этом наземные измерения потоков углекислого газа ограничиваются береговыми зонами — приарктическими болотами как источниками поступления СО2 в атмосферу и тундрой.
Газообмен в системе океан—атмосфера, как правило, оценивается с использованием соотношений, аналогичных балк-формулам для оценок турбулентных потоков тепла и влаги. Поток определяется разностью концентраций газа во взаимодействующих средах (разностью парциальных давлений газа на поверхности морской воды и в атмосфере), умноженной на скорость газопере-
носа и растворимость газа в морской воде. В случае потока газа в стандартной формуле для вычисления турбулентного потока тепла (влаги) коэффициент обмена, умноженный на скорость ветра, заменяется скоростью газопереноса. Для определения потока газа по спутниковым данным необходимо знать концентрации газа в обеих средах и коэффициент газопереноса. К сожалению, ни один из этих параметров непосредственно из спутниковых данных не определяется. Хотя методы определения коэффициента газопереноса были разработаны для многих атмосферных газов (БакаН й а1., 2000), дистанционные методы определения потоков и концентраций развиваются прежде всего для потоков углекислого газа. Одним из основных источников изменчивости последних является вариация океанских концентраций рС02. Динамика атмосферного содержания рС02 намного меньше как в пространстве, так и во времени, и не является основным
ограничивающим фактором для точности определения потоков. Для оценки атмосферных концентраций главным образом используется экстраполяция доступных данных прямых, в том числе сетевых, измерений (Feely et al., 2006; Olsen et al., 2004; Etcheto et al., 1999). Спутниковые оценки пока не столь точны и требуют дополнительной валидации на основе наземных измерений (Chevallier et al., 2005). Содержание растворенного в верхнем слое океана углекислого газа более изменчиво, и дистанционные оценки его пространственно-временного распределения необходимы для детализации наблюдений. Для построения карт распределения СО2 в поверхностном слое океана используются данные только о температуре поверхности воды (SST) (Feely et al., 2006; Olsen et al., 2004; Boutin et al., 1999), о SST и хлорофилле-a (Rangama et al., 2005; Ono et al., 2004), также есть работы, где для оценки концентраций СО2 к перечисленным выше параметрам добавляются данные о солености и щелочности (получаемой из солености) (Sarma et al., 2006). Однако точность всех этих методов сильно зависит от региона и времени года. В Арктике все усложняется наличием ледового покрова, который при определенных условиях также участвует в газообмене (Semiletov et al., 2007; Репина и др., 2007).
Но главным источником неточности определения потоков по данным дистанционного зондирования является задание скорости газопереноса. При их расчете для определения этого параметра обычно используют уравнения, в которых скорость газопереноса зависит главным образом от скорости ветра (например, Wanninkhof, 1992). Определенной формы этих параметризаций до сих пор не существует (Пипко и др., 2008) — широко используются как квадратичные (Wan-ninkhof, 1992), так и кубические зависимости (Wanninkhof, McGillis, 1999). Эти параметризации не в состоянии учесть все факторы, влияющие на перенос газа между двумя средами. Поверхностно-активные вещества, дождь, брызги, пена на поверхности могут существенно повлиять на газообмен, особенно при малых скоростях ветра. Но все-таки скорость ветра является основным фактором при оценке скорости газопереноса — с неточностями в определении скорости ветра по спутниковым данным связано 90% погрешности расчета потока газа (Fairall et al., 2000). Исследования показывают, что для того, чтобы ошибка в определении потока углекислого газа между океаном и атмосферой не превышала 20%, скорость ветра должна измеряться с точностью до 1 м/с. Последнее накладывает определенные требования к пространственному разрешению ветровых данных и процедурам их временного осреднения. Особенно сложны расчеты при ветрах больше 15 м/с, что связано с небольшим количеством наблюдений в штормовых условиях и недостаточ-
ной информацией о роли брызг в газообмене. Следующим источником ошибок являются погрешности в определении температуры поверхности океана.
Для расчета потоков углекислого газа в системе океан—атмосфера из спутниковых данных разработано два подхода: первый подход использует алгоритм COARE V3.0 (Fairall et al., 2003) для расчета потоков в системе океан—атмосфера и спутниковые массивы данных для оценки входных параметров (Jackson, Wick, 2009); второй подход пытается напрямую связать скорость газопереноса с параметром шероховатости поверхности океана, тем самым одновременно учитывая скорость ветра, состояние морской поверхности и соответствующие биологические процессы (Frew et al., 2007; Glover et al., 2007).
В данной работе представлены результаты многолетних исследований динамики карбонатных характеристик и потоков СО2 в системе океан—атмосфера на шельфе Чукотского моря в летне-осенний сезон. Приведенный анализ может быть применен для интерпретации спутниковых методов оценки потоков углекислого газа и распределения содержания растворенного углекислого газа в верхнем слое океана.
Известно, что арктический регион в наибольшей степени подвержен влиянию климатических изменений, что уже проявляется в максимальном увеличении температуры воздуха, изменении режима атмосферной циркуляции, росте материкового стока, уменьшении площади и толщины ледового покрова арктических морей (Serreze, Francis, 2006; McGuire et al., 2009). После аномальной потери льда летом 2007 г. в Северном Ледовитом океане (СЛО) преобладает сезонный ледовый покров (Иванов и др., 2013).
Широкое и мелководное Чукотское море занимает особое положение в ряду арктических морей благодаря интенсивному влиянию высокопродуктивных тихоокеанских вод (ТВ), поступающих через Берингов пролив. Комбинация потока обогащенных биогенными элементами прозрачных вод с интенсивной солнечной радиацией в безледный период делает Чукотское море одной из наиболее продуктивных экосистем не только в Северном Ледовитом океане, но и в мире (Springer, McRoy, 1993). Кроме того, последние исследования показали, что массовое цветение фитопланктона подо льдом значительно недооценивалось, поэтому годовая продуктивность шельфовых вод Чукотского моря на порядок выше существующих расчетов (Arrigo et al., 2012). В результате высокой первичной продуктивности (ПП) вод, разбавления талыми водами, а также охлаждения при движении на север поверхностный слой моря значительно недосыщен углекислым газом, а акватория Чукотского моря является планетар-
но значимым стоком для атмосферного СО2 (Pip-ko et al., 2002; Murata, Takizawa, 2003; Пипко и др., 2006; Bates, 2006; Semiletov et al., 2007; Chen, Borges, 2009; Gao et al., 2012; Mathis, Questel, 2013).
Теплые, относительно слабосоленые и богатые биогенами ТВ, трансформируясь в Чукотском море, опускаются по склону шельфа и распространяются в арктический бассейн. Формируя воды верхнего (тихоокеанского) галоклина, который занимает промежуточный слой между относительно пресными поверхностными арктическими водами и теплыми и солеными водами северо-атлантического происхождения (Jones et al., 1998; Cooper at al., 1997), ТВ усиливают и поддерживают стратификацию вод в арктическом бассейне. В процессе формирования тихоокеанского галоклина (время жизни этих вод в СЛО около десяти лет (Ekwurzel et al., 2001)) из арктического обменного резервуара поверхностные воды океа-на—атмосфера выводится неизвестное количество неорганического и органического углерода.
До сих пор существуют бол
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.