ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 4, с. 469-476
УДК 551.583,551.588:551.521
ПОСЛЕДСТВИЯ МОЩНЫХ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ ПО ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИМ ДАННЫМ © 2013 г. Е. А. Касаткина*, **, О. И. Шумилов*, **, М. Тимонен***, А. Г. Канатьев*, **
*Институт проблем промышленной экологии Севера, Кольский научный центр РАН, 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, 14а E-mail: oleg@aprec.ru ** Полярный геофизический институт, Кольский научный центр РАН 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, 14 ***Научно-исследовательский институт леса, г. Рованиеми, Финляндия Поступила в редакцию 02.04.2012 г., после доработки 17.09.2012 г.
Впервые выявлены особенности воздействия наиболее мощных (VEI > 5) вулканических извержений на региональный климат Мурманской области по дендрохронологическим данным Кольского п-ова за период, превышающий 560 лет. Для анализа использовалась древесно-кольцевая хронология, охватывающая период с 1445 по 2005 гг. Данная хронология получена по образцам сосны Pinus sylvestris, отобранных вблизи северного предела произрастания леса в районе ст. Лопарская (68°37 N; 33°14 E). Обработка проводилась с использованием современных методик, применяемых в дендрохронологии (перекрестное датирование, стандартизация). Показано, что наблюдается существенное понижение радиального прироста в среднем в течение 8 лет после извержений, затем происходит ее восстановление до нормального уровня. Полученный результат поможет оценить реакцию региональной климатической системы на воздействие внешних климатообразующих факторов в экономически важном для России регионе.
Ключевые слова: вулканическая активность, дендроклиматология, древесно-кольцевые хронологии, Кольский п-ов.
DOI: 10.7868/S0002351513040068
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что на протяжении всей эпохи Голоцена глобальные климатические изменения происходили под воздействием мощных естественных факторов (солнечная активность и вулканические извержения) [1—3]. Вопрос о том, какой из этих факторов играет доминирующую роль, в настоящее время остается предметом дискуссии [2]. Следует отметить, однако, что для последних десятилетий заметный вклад в происходящие климатические изменения обусловлен антропогенным воздействием [4]. Кроме того, в настоящее время активно дискутируется вопрос о неэффективности использования методов Киотского протокола для сохранения климата на современном уровне [5, 6]. В связи с этим в последние несколько лет заметно возрос интерес к контролируемому компенсирующему воздействию на климат за счет эмиссий сульфатных аэрозолей в стратосферу, получившему название геоинженерии [6—8]. Такое контролируемое воздействие на климат допустимо только в том случае, если его возможные побочные эффекты (например, изменения в про-
дуктивности растительности, уменьшение озонового слоя) достаточно хорошо изучены. Природным аналогом такого воздействия могут рассматриваться вулканические извержения. Во время вулканических извержений выброс в стратосферу огромного количества вулканической пыли, диоксида серы и водяного пара снижает прозрачность атмосферы и препятствует проникновению солнечной радиации к земной поверхности. Все эти процессы, в свою очередь, приводят к нарушению радиационного баланса атмосферы и, как предполагают, в большинстве случаев к снижению поверхностной температуры. Наибольшее влияние на радиационный баланс оказывают сульфатный аэрозольный слой, возникающий в стратосфере в результате газофазных реакций после вулканического выброса в атмосферу серосодержащих газов. Время существования сульфатного аэрозольного слоя в стратосфере после мощных вулканических извержений составляет не менее 1—2 лет [9]. Например, недавние мощные извержения таких вулканов, как Тамбора (1815 г.), Кракатау (1883 г.), Санта Мария (1902 г.), Катмай
(1912 г.), Агунг (1963 г.), Эль-Чичон (1982 г.) и Пи-натубо (1991 г.) привели к похолоданиям в Северном полушарии на 0.2—0.8°С, которые продолжались несколько лет [10—16]. Но не всегда и не везде вулканические извержения являются причиной похолоданий. Реакция климатической и экологической систем на вулканические извержения зависит от количества, химического состава и высоты атмосферных выбросов, широты, а также от особенностей атмосферной циркуляции. Результаты некоторых исследований показали, что вулканическая активность, воздействуя на радиационный баланс и изменяя циркуляционный режим атмосферы, может вызвать региональные потепления и даже засухи в некоторых регионах над континентами, как это происходило, например, после извержения исландского вулкана Лаки в 1783 г., когда на большей части европейской территории наблюдалось необычайно сухое и жаркое лето [17—19], и индонезийского вулкана Пинатубо в 1991 г. [13, 15, 20-22].
Период инструментальных наблюдений в среднем не превышает 100 лет и охватывает лишь небольшое количество мощных извержений такого типа, поэтому в основном вулканическую активность изучают по палеоклиматическим данным (содержание кислотности в ледяных кернах, ширина годичных колец). Целый ряд исследований посвящен изучению климатических последствий вулканических извержений по дендрохронологиче-ским данным [23-31]. Возможный эффект в радиальном приросте и даже образование так называемых "морозобойных колец" [23, 30, 31] в этих работах связывают с понижениями температуры. Наиболее значительные понижения температуры происходят в тех случаях, когда вулканические извержения происходят в периоды минимумов солнечной активности [26, 32]. Тем не менее известно, что во второй половине прошлого столетия наблюдалась потеря чувствительности прироста деревьев в Северном полушарии к колебаниям температуры [25, 33]. Существует также и другой механизм, согласно которому выброс большого количества вулканических газов в атмосферу приводит впоследствии к кислотным осадкам, которые также могут вызвать глубокие депрессии в радиальном приросте годичных колец [17-19].
Другим возможным объяснением наблюдаемых депрессий радиального прироста древесных колец является снижение прозрачности атмосферы, которое может воздействовать на процесс фотосинтеза [18, 24, 29]. В частности, один из рассматриваемых возможных побочных положительных эффектов геоинженерии связан с тем, что рост содержания аэрозолей в стратосфере, наблюдаемый после вулканических извержений, приводит к увеличению доли диффузного излучения в полном потоке фотосинтетически активной радиа-
ции, приходящей к поверхности Земли. По сравнению с прямыми солнечными лучами, диффузная радиация способна проникать глубже внутрь кроны древесной растительности, интенсифицируя фотосинтез затененных листьев, что может приводить к росту продуктивности лесных экосистем [34]. Этот вывод, с одной стороны, косвенно был подтвержден результатами прямых измерений (eddy covariance) CO2 в лиственном лесу после извержения вулкана Пинатубо [35] и модельными расчетами [36, 37]. С другой стороны, он противоречит результатам работ [24, 27—30], где по дендрохронологическим данным Северного полушария статистически показано, что мощные вулканические извержения сопровождаются депрессиями радиального прироста древесных колец. Следует отметить, что в [34] измерения проводились в ясные солнечные дни, а облачность может привести к замедлению процессов фотосинтеза [38]. Кроме того, по результатам, полученным с использованием климатической модели, разработанной в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [7, 8, 39] и модели экосистем CASA [40], измерения [34] могут быть воспроизведены без учета различий между прямой и диффузной коротковолновой радиацией и связаны с приближением климатических условий к оптимальным для лиственных лесов умеренного пояса. Древесно-кольцевые хронологии Арктики представляют наибольший интерес для оценки климатических изменений, поскольку, как известно, деревья, произрастающие вблизи северной границы леса, обладают повышенной чувствительностью к воздействию внешних факторов.
В настоящей работе приведены результаты дендрохронологических исследований глобальных и региональных особенностей воздействий вулканических извержений на климат Кольского п-ова на фоне изменчивости солнечной активности за последние 560 лет.
ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
Климат Кольского п-ова отличается от климата других полярных регионов России, так как находится под воздействием теплых воздушных масс Северной Атлантики и холодного воздуха арктических регионов (Баренцево море, Карское море, п-ов Таймыр). В пределах Кольского п-ова можно выделить три климатические зоны: морское побережье, центральную область и горную часть. Климат северного морского побережья обусловлен влиянием Баренцева моря. Средняя температура воздуха наиболее холодного месяца (февраля) колеблется в пределах —6...—12°С, самого теплого (июля) от 12° до 13°С. Именно в этой климатической зоне и находится район сбора образцов. От побережья в глубь континента средне-
годовые температуры понижаются. В горных районах более холодное лето, сравнительно мягкая зима, много осадков.
Для анализа было использовано 16 образцов сосны (Pinus sylvestris), отобранных вблизи северной границы леса в районе ст. Лопарская (68°37 N; 33°14 E), включающих самую старую сосну возрастом более 560 лет. По данным образцам была составлена древесно-кольцевая хронология, охватывающая период с 1445 по 2005 гг. Обработка проводилась с использованием современных методик, применяемых в дендрохронологии (перекрестное датирование, стандартизация) при помощи программ COFECHA и ARSTAN [41, 42].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Климатические вариации наиболее ярко отражаются в годичном приросте деревьев, растущих на пределе распространения лесной растительности. К настоящему времени известны три пограничные зоны: северная (или арктическая), южная (или аридная) и высотная. Как уже упоминалось выше, исследуемая хронология составлена из образцов деревьев, произрастающих вблизи северного предела распространения сосны на Кольском п-ове.
На рис. 1 приведена полученная древесно-кольцевая хронология. Как видно из рис. 1, малый ледниковый период, а также минимумы солнечной активност
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.