Влияние арктического ледяного покрова на внутригодовые колебания содержания СО2 в атмосфере Северного полушария
В.Н. Голубев, П.Б. Гребенников, Г.А. Ржаницын, С.А. Сократов, Д.М. Фролов, А.В. Шишков
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Статья поступила в редакцию 8 декабря 2005 г. Представлена членом редколлегии А.Ф. Глазовским
Сезонный арктический ледяной покров рассматривается как мембрана, препятствующая газообмену атмосферы и океана.
Исследования ледяных кернов, геологические и палеогеографические данные свидетельствуют о периодических глобальных изменениях температуры воздуха и содержания парниковых газов, равных современным значениям и даже превышающих их, что позволяет сделать предположение об устойчивой динамике климатической системы Земли, обусловленной комплексом космических и земных факторов [1, 6, 7, 15, 16, 17, 21]. Вместе с тем современное потепление климата принято связывать с антропогенной деятельностью и быстрым ростом содержания парниковых газов в атмосфере Земли, что способно, при отсутствии контроля, привести к плохо прогнозируемым и, возможно, катастрофическим последствиям [1, 4, 6, 7, 14, 18].
При анализе закономерностей и причин изменения климата Земли одним из основных источников информации служит мониторинг состояния объектов природной среды, реакция которых на колебания климата характеризуется малой инерционностью, а сами они в силу обратных связей оказывают влияние на масштабы этих колебаний. В полярных регионах такими объектами и одновременно факторами климатических изменений служат морской ледяной и снежный покровы, а также сезонное промерзание грунтов. Границы распространения сезонных и многолетних льдов и снежного покрова надежно фиксируются при наземных и аэрокосмических исследованиях, вследствие чего направленность и масштабы колебаний климата в арктическом регионе традиционно рассматриваются в связи с изменениями площади распространения этих явлений и объектов и их ролью в теплообмене океана, атмосферы и литосферы, а также в радиационном балансе поверхности Земли [5, 6, 7, 10, 16, 22, 24, 25, 27].
Сезонные вариации распространения
арктического ледяного покрова
Наземные наблюдения за распространением сезонного и многолетнего морского ледяного покрова и космический мониторинг этого явления свидетельствуют о масштабных внутригодовых изменениях площади льдов в приполярном бассейне — от Л^=13,5-106 км2 при своем максимальном распространении в марте до ^=5-106 км2 при минимальном в сентябре (рис. 1). Интенсивность нарастания и таяния сезонных льдов составляет
(dSs^7) = 0,2-106 км2 на 1° средней месячной температуры. Межгодовые вариации площади зимнего ледяного покрова не превышают 1,5 млн км2, поскольку в Северном Ледовитом океане разрастание ледяного покрова свыше 14 млн км2 ограничивается материковым побережьем на значительной части Восточного и Западного полушарий. Вариации площади летнего ледяного покрова достигают 3 млн км2, показывая сильную зависимость от средней температуры и продолжительности летнего периода. Ежегодные изменения площади ледяного покрова AS в период спутниковых наблюдений составляли от 4,0 до 8,0 млн км2, причем изменчивость AS в большей степени определяется термическими условиями летнего периода [3, 5, 6, 10, 16, 22, 23, 25, 27].
Закономерности и особенности нарастания и таяния ледяного покрова в годовом цикле демонстрирует представленное на рис. 2 соотношение между отклонениями среднемесячной площади ледяного покрова ASm и среднемесячной температуры приземного слоя воздуха AТm от среднегодовых значений. Ряды точек, показывающих эти соотношения, образуют незамкнутые эллипсы, расположение длинных осей которых описывается уравнением [3]:
^'AТm км2,
AS„
(1)
где k — коэффициент пропорциональности, равный (0,12—0,22)-106 км2, связывает интенсивность нарас-
S,MJ\H км 131211 10 9 8 7 6 5-
/ Ч \
-1 —2
Рис. 1. Вариации площади S арктического ледяного покрова при максимальном распространении в марте (1) и минимальном в сентябре (2) и ежегодного летнего сокращения (3) в Арктическом бассейне в 1979—2002 гг.
Fig. 1. Area (S) variations of the maximum in March (1) and minimum in September (2) and annual summer decrease (3) of the Arctic Sea Ice extent in 1979-2002
воде зависит от парциального давления рё газа над раствором:
m=C-p
g !
(2)
i-S =-0,12(Т-Т )
Рис. 2. Соотношения между отклонениями среднемесячной температуры приземного слоя воздуха и среднемесячной площади нарастающего и тающего ледяного покрова от среднегодовых значений (по данным метеостанции Барроу): 1 — теплое лето и средняя зима, 1984 г.; 2 — теплое лето и холодная зима, 1987 г.; 3 — среднее лето и теплая зима, 1988 г.; 4 — холодное лето и теплая зима, 1990 г. Fig. 2. Ratio between the monthly mean near-surface air temperatures as well as between the monthly mean growing/melting ice and their annual mean values:
1 — warm summer and average winter, 1984;
2 — warm summer and cold winter, 1987; 3 — average summer and warm winter, 1988; 4 — cold summer and warm winter, 1990
тания/сокращения площади морского ледяного покрова Л8П1 с текущими термическими условиями. Значения k в уравнении (1) определяются климатическими условиями: низкие значения (0,12 • 106 км2) свойственны годам с большей контрастностью климатических условий (различие температуры января и июля ЛТ>40°С), а более высокие (0,22-106 км2) — при снижении контрастности (ЛТ<35°С). Отстояние зимне-весенней (верхней) ветви эллипсов от осенне-зимней (нижней) по оси ЛS характеризует запаздывание в изменениях площади льдов, обусловленное тепловыми эффектами фазовых переходов и охлаждения и прогревания ледяного покрова и верхнего слоя морской воды. При одинаковой температуре приземного воздуха площадь ледяного покрова в период таяния (апрель-июль) оказывается на (2,5—5)-106 км2 больше, чем в период становления (октябрь-январь).
Регулярные изменения площади ледяного покрова, захватывающие зимой, в период своего максимального распространения почти 14% акватории морей Северного полушария не могут не сказываться на тепло- и массообмене гидросферы и атмосферы, в том числе и на содержании атмосферного СО2.
Внутригодовые колебания содержания СО2
в атмосфере Земли
В настоящее время в атмосфере Земли содержится не менее 900 ГтС (370 ppm СО2) с ежегодным приростом за последние 30 лет около 3 ГтС (1,3 ppm) [2, 4, 14, 18, 25]. Основной сток атмосферного СО2 идет в Мировой океан, а интенсивность газообмена атмосферы и океана определяется законом Генри-Дальтона, согласно которому концентрация газа в
где растворимость газа C — функция температуры и солености воды. Растворимость газов при понижении температуры воды возрастает, и соответственно, похолодание климата при сохранении продуктивности источников СО2 должно вести к уменьшению его парциального давления в атмосфере [7, 9]. Происходящее в настоящее время потепление климата и повышение температуры верхнего слоя морской воды [12, 20, 29] предполагает снижение растворимости газов в воде и, при условии стабильности поступления СО2, рост его парциального давления в атмосфере.
Аналогичную направленность должны иметь и сезонные колебания содержания СО2 в атмосфере Северного и Южного полушарий: понижение в зимний период и повышение в летний вследствие изменения средней сезонной температуры поверхностного слоя морской воды на 1,5—2 К. Однако, наблюдаемые вариации имеют противоположный характер: в холодный зимний период содержание СО2 в атмосфере довольно существенно возрастает, а в теплый летний — понижается. Такая цикличность прослеживается в Северном и Южном полушариях, но особенно четко в высоких широтах Северного полушария, где амплитуда внутригодовых колебаний достигает 20 ppm (рис. 3). Данные космического мониторинга показывают, что внутригодовые изменения содержания СО2 прослеживаются и в высоких слоях атмосферы, однако их амплитуда уменьшается, и на уровне 300 гПа межсезонные вариации СО2 в полярной зоне Северного полушария составляют лишь 5 ppm [13].
Амплитуды внутригодовых изменений содержания СО2 в атмосфере Земли, зафиксированные на рубеже второго и третьего тысячелетий [2, 26], показаны на рис. 4. Если в атмосфере Северного полушария колебания содержания СО2 постепенно понижаются от 20 ppm на побережье Северного Ледовитого океана до 5 ppm в экваториальной зоне, то в Южном полушарии они практически одинаковы по всему по-
Р(С02), ррт 380п
370
360
350-
I | § I i 1 1 I 1 i S г I s I t I §
Рис. 3. Сезонные вариации содержания СО2 в атмосфере в широтных зонах 80°—60° с.ш. (1), 60°—20° с.ш. (2) и 0°—20° ю.ш. (3) Fig.3. Seasonal variation of the CO2 content in the atmosphere in zones 80°-60°N (1), 60°-20°N (2), 0°-20°S (3)
лушарию и составляют лишь 3—5 ррт, причем соответствие периодов возрастания и понижения содержания СО2 весенним и осенним периодам наблюдается начиная лишь с 10°ю.ш. В Северном полушарии средняя амплитуда внутригодовых колебаний содержания СО2 составляет около 8 ррт, и весной в атмосфере содержится в среднем на 4 ррт СО2 больше по сравнению со среднегодовыми значениями. В атмосфере Южного полушария, в этот осенний для него период, возникает дефицит СО2 в 2 ррт, и между Северным и Южным полушариями формируется перепад его содержания, достигающий дважды в год (в марте-апреле и сентябре-октябре) 6 ррт.
Б. Болин и Ч. Килинг [10], анализируя внутриго-довые изменения содержания газа между 60° с.ш. и 60°ю.ш. в течение года, пришли к выводу, что основной природный источник СО2 для атмосферы — это тропические области океана, а промышленный — умеренные широты. По их расчетам, из тропиков в полярные области за год переносится 5,5 ГтС СО2, а растительность севернее 45° с.ш. поглощает 4 ГтС. Причиной роста концентрации атмосферного СО2 зимой принято считать сезонность антропогенных выбросов и периодичность жизнедеятельности биоты в умеренных и высоких широтах [7, 11, 13, 14, 15, 18, 19]. Следует отметить, однако, что продуктивность приполярной биоты (0,5 ГтС [6]) не соответствует масштабу наблюдаемых изменений и что надежные количественные оценки (с
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.