ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2011, том 38, № 1, с. 20-29
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 551.581<<19/20>>
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД КРИОЛИТОЗОНЫ И ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА1
© 2011 г. А. В. Дзюба, И. С. Зекцер
Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 10.02.2009 г.
Приведены результаты статистического анализа и оценки многолетних изменений температуры приземного воздуха, газового состава атмосферы, глубины сезонного протаивания, температуры и площади распространении многолетнемерзлых пород в приполярной зоне северного полушария. Получены предварительные оценки возможного влияния наблюдаемых изменений теплофизических параметров многолетнемерзлых пород на альбедо подстилающей поверхности, влагосодержание атмосферы, концентрацию углекислого газа и метана в атмосфере. Сделана оценка плотности антропогенного и природного потоков метана от подстилающей поверхности в атмосферу. Описаны возможные механизмы формирования планетарных максимумов концентраций углекислого газа и метана в атмосфере приполярных широт в связи с взаимодействием метанового цикла и процессов оттаивания многолетнемерз-лых пород.
Ключевые слова: подземные воды, многолетнемерзлые породы, парниковые газы, метан, изменения климата, криолитозона.
Фундаментальная естественнонаучная проблема современных и возможных в ближайшие десятилетия изменений климата, а также реакции на эти изменения геологической среды становится все более актуальной в связи с обостряющейся необходимостью выработки экологических, экономических и политических стратегий. К настоящему времени нет единого мнения о причинах и механизме современных климатических изменений и, как следствие, об ожидаемых климатических эффектах. Современный уровень научного понимания интерактивных закономерностей физико-химических процессов внутри климатической системы с участием подземных вод криолитозоны существенно ниже по сравнению с другими компонентами гидросферы. Предварительные представления имеются лишь о возможном влиянии изменений климата на режим подземных вод в зоне активного водообмена в отдельных регионах [9]. Также, нет четкого понимания масштабов и интенсивности газообменных процессов почвенных и подземных вод с атмосферой при их фазовом переходе, что характерно для криолитозоны. Возможные механизмы и масштабы обратных связей между криолитозоной и современной динамикой климата изучены недостаточно. В четвертом Докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) [32] в
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (государственный контракт 02.740.11.0336) и РФФИ (проект 10-05-00245-а).
числе других приводится следующая ключевая неопределенность — порядок величины современных и будущих обратных связей по углеродному циклу все еще плохо определен. Согласно словарю терминов МГЭИК [32], если результат какого-либо первоначального процесса, происходящего в климатической системе, вызывает изменения во втором процессе, который, в свою очередь, воздействует на первоначальный процесс, то такой механизм взаимодействия между процессами называется климатической обратной связью. Положительная обратная связь усиливает первоначальный процесс, а отрицательная ослабляет его.
Положительная обратная связь между потеплением климата и углеродным циклом воспроизводится современными численными моделями климата. Однако до последнего времени в блоке углеродного цикла учитывался только обмен углекислым газом С02. Большинство климатических моделей не имеют блока метанового цикла как под-цикла углеродного цикла. Лишь последние модификации климатической модели Института физики атмосферы (ИФА) РАН наряду с блоком термогидрофизики почвы учитывают отклик на изменения климата вечной мерзлоты и эмиссии метана СН4 болотными экосистемами [8, 13].
Цель данной работы — описание механизмов формирования и оценка положительных обратных связей между климатом субполярной зоны Северного полушария и эмиссией метана из криолитозо-ны. На основе имеющихся к настоящему времени
эмпирических данных и обобщения ранее полученных результатов, проведена ревизия динамики современного климата приполярной зоны, основных параметров криолитозоны, а также содержания СН4 и С02 в атмосфере. Сделаны оценки плотности антропогенного и природного потоков СН4 от подстилающей поверхности в атмосферу в различных широтных зонах и средних глобальных значений плотности потока.
СТАТИСТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ
СОВРЕМЕННОГО КЛИМАТА СЕВЕРНОЙ
ПРИПОЛЯРНОЙ ЗОНЫ И СОСТОЯНИЯ КРИОЛИТОСФЕРЫ
Несмотря на противоречивость авторитетных мнений по поводу оценки динамики современного климата, обобщение всех имеющихся к настоящему времени данных наблюдений и результатов различных методик описания климатической изменчивости, проведенное Рабочей группой 1 МГЭИК в 2007 г. [32], позволяет считать надежными выводами в числе других следующие положения. Во-первых, потепление на протяжении последних 50 лет — неоспоримый факт, что видно из наблюдений за приземной температурой воздуха и у поверхности суши, и у поверхности океана. Во-вторых, палео-климатическая информация свидетельствует о том, что интенсивность потепления за последнее полстолетия максимальна не менее чем за прошедшие 1300 лет. Лишь ~125 тыс. лет назад в полярных районах было значительно теплее, чем сейчас, в течение длительного периода. В-третьих, среднегодовые температуры в северном полушарии во второй половине ХХ в. были выше, чем в любой другой 50-летний период за последние 500 лет [27]. Авторами статьи рассмотрены среднегодовые и среднемесячные изменения приземной температуры воздуха за 1970—2005 гг. в приполярной зоне северного полушария (65—75° с.ш.) и в зоне умеренных широт (55— 65° с.ш.). В качестве исходной информации использовались сеточные значения среднемесячных аномалий (относительно базового периода 1960— 1990 гг.) температуры по массиву [33], имеющиеся на сайтах [46, 47]. Статистический анализ среднегодовых изменений приземной температуры воздуха (рис. 1) показывает, что с 1970 по 2005 г. статистически значимый на 95%-ном уровне линейный тренд температуры составил в приполярной зоне 1.8°С (угловой коэффициент тренда 0.05°С/год), а в зоне 55—65° с.ш. — 1.1°С (угловой коэффициент тренда 0.03°С/год). Линейный тренд в теплый период года (май—сентябрь) за 1970—2005 гг. в приполярной зоне равен ~0.04°С/год, или 1.4°С за 35 лет, в холодное время года — 2.1°С/35 лет. Соответственно, в умеренных широтах рост температуры составил 0.9°С/35 лет в теплое время года и 1.2°С/35 лет в холодное. Эти оценки согласуются с оценками линейных трендов приповерхностной температуры воз-
С
<3 Л
С Е н
¡3
О
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Годы
Рис. 1. Изменение среднегодовых аномалий температуры приземного воздуха в приполярной зоне (жирная кривая) и в зоне умеренных широт (тонкая). Прямые линии — линейные тренды. Здесь и на рис. 4 численные значения — уравнения линейных трендов.
духа в полярных и умеренных широтах по различным наборам сеточных данных, полученных в [11]. Согласно [6, 32] в целом для северного полушария линейный тренд среднегодовых температур за этот период составил 0.6°С/35 лет. Таким образом, в последние 35 лет потепление в северных широтах во все сезоны года происходит значительно интенсивнее, чем в других широтных зонах.
Согласно выводам экспертов МГЭИК [32] увеличение годового количества атмосферных осадков в арктической зоне с 1979 по 2005 г. составило до 20%, а по данным Института глобального климата и экологии в полярной зоне России положительный линейный тренд осадков с 1976 по 2005 г. составил весной 0.6, а осенью 1.48 см/10 лет [48].
Вопрос о соотношении роли естественных процессов и антропогенных воздействий в динамике газового состава атмосферы и, как следствие, в современных изменениях климата к настоящему времени окончательно не решен. Однако рост концентрации термодинамически активных газов в атмосфере — реальность, а интенсификация парникового эффекта и соответствующего роста температуры приземного воздуха вследствие этого — физическая закономерность. Изменения концентрации основных парниковых газов в атмосфере приполярной зоны северного полушария, полученные авторами по данным Всемирной метеорологической организации [40, 41], представлены на рис. 2. Межгодовые изменения концентрации СО2 и СН4 в северной приполярной зоне в 1986—2005 гг. аппроксимируются линейными трендами (у = 1.65х — 2921.6) и (у = 5.30х — 8763.2) с достоверностями 99 и 92% соответственно. Рост концентрации С02 в атмосфере Арктики за этот период составил ~33 млн—1, или 9%, а СН4 120 млрд—1, или 7%. Считается, что атмосфера Земли достаточно хорошо перемешивается за время порядка 1—2 мес. В связи с этим представляет инте-
^ 385 'я 380 ^ 375 о370 * 365
I 360 355
&35° £ 345
- - 1850^
- СН4 / - 1830 |
- 1810 р? и 1790 §
- / ^^ - я 1770 &
1 1111 - н Д 1750 % X 1730 ¡3
1980 1985 1990 1995 2000
2005 2010 Годы
Рис. 2. Изменения концентрации СО2 и СН4 в атмосфере приполярных широт.
рес полученное по данным [40, 41] широтное распределение среднегодового содержания СО2 и СН4 в пограничном слое атмосферы. Из рис. 3 очевидно, что максимум концентрации СО2 и СН4 наблюдается не в умеренных широтах, где антропогенное воздействие на углеродный цикл максимально, а в зоне 65—75° с.ш., где сжигается <5% ископаемого топлива, не возделываются рисовые поля и в целом антропогенная нагрузка минимальна [10]. Так, в 2002 г. в широтной зоне 65—75° с.ш. содержание СО2 составляло ~376 млн.-1, а СН4 1856 млрд-1, что превышает концентрации этих парниковых газов в умеренных широтах на ~2 млн.-1 и 50 млрд-1 соответственно. Заметим, что превышение фонового содержания СО2 в атмосфере северных регионов по сравнению с умеренными широтами сравнимо по величине с его годовым приростом, а СН4 — с ростом его концентрации примерно за 10 лет.
Одна из главных особенностей приполярной широтной зоны северного полушария — широкое распространение мощного слоя многолетнемерз-лых пород на континентах и на ше
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.