Парниковый эффект, цикл углерода в арктике, Российская Трансарктическая Экспедиция - 2000

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ЦИКЛ УГЛЕРОДА В АРКТИКЕ, РОССИЙСКАЯ ТРАНСАРКТИЧЕСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ - 2000

Канд. геогр. Наук И.П. Семилетов
ТОИ ДВО РАН

Увеличение концентрации атмосферного СО2 и его роль в современном глобальном потеплении обсуждается научным сообществом с конца XIX века, когда Аррениусом и Чамберленом было сформулировано понятие "парникового эффекта", обусловленного наличием в атмосфере диоксида углерода (CO2). Сильным аргументом в поддержку климатической значимости парникового эффекта являются результаты анализа датированных образцов воздушных включений в колонках льда Антарктиды и Гренландии. Оказалось, что на протяжении последних сотен тысяч лет концентрации СО2 и метана (СН4) - второго по значимости парникового газа - менялись согласованно и, что более важно, в "такт" со среднепланетарной температурой (коэффициент корреляции 0,7-0,8). Моделирование возможных изменений климата, обусловленных ростом концентрации СО2 в атмосфере, показывает что парниковый эффект проявляется не только в глобальном потеплении, но и в увеличении количества циклонов в высоких широтах Северного полушария, что приводит к изменению гидрометеорологических условий, увеличению стока Великих Сибирских рек и изменению ледового режима в Арктике.

В наше время, благодаря хозяйственной деятельности человека (сжигание ископаемого топлива, сведение лесов и т.д.) в атмосферу ежегодно поступает примерно 6 - 7 Гт (1 Гт = 1015 г = 1 млрд. тонн) избыточного атмосферного углерода в форме СО2 (С-СО2). Около половины антропогенного СО2 остается в атмосфере, что и проявляется в усилении парникового эффекта. Другая часть антропогенного СО2 поглощается Мировым океаном и, видимо, расходуется на "дополнительный" прирост наземной фитомассы (растительности). Согласно результатам экспедиционных исследований 1980 - 90-х годов стало понятно, что роль Южного океана в изымании "излишков" антропогенного СО2 ранее завышалась. Вопрос о выявлении роли морских и наземных экосистем как стоков антропогенного СО2 требует дальнейших усилий всех стран, заинтересованных в развитии теории климата.

По разным оценкам за последние сто лет средняя температура на Земле увеличилась на 0,5-1оС, а концентрация основного парникового газа - СО2 возросла на 20-24 %, а метана на 100%. Важно отметить, что феномен глобального потепления не исключает возможности регионального похолодания различной продолжительности; речь идет о среднепланетарном тренде. Согласно последним модельным оценкам, удвоение содержания атмосферного СО2, которое прогнозируется в ближайшие 50-100 лет, приведет к увеличению средней глобальной температуры примерно на 3оС; причем в тропиках это увеличение будет невелико (1-2оС), а в Арктике возможно потепление до 9оС (!). В случае развития этого сценария в Арктике ожидается потепление, какого не происходило в последние 1-1,5 млн. Лет. Существует мнение, что это может привести к резкому сокращению и даже полному исчезновению льдов Северного Ледовитого океана, изменению альбедо планеты и катастрофическим изменениям климата.

Нам, жителям умеренных и высоких широт Северного полушария, важно знать, что именно в нашем регионе наблюдается наиболее значимое потепление. Большая часть территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты, оттаивание которой при нарастающем воздействии антропогенных факторов может сыграть роль "климатической мины". Действительно, расконсервация менее 0,1% количества органического углерода, захороненного в верхнем 100-метровом слое мерзлоты (примерно 10000 Гт углерода в форме СН4 ) может привести к удвоению содержания атмосферного метана, радиационная активность которого примерно в 20 раз выше, чем у СО2. Это приведет к еще большему потеплению - ускорению таяния мерзлоты, т.е. сработает механизм положительной обратной связи, способный усилить глобальное потепление многократно.

До начала 1980-х годов не вызывал сомнения тот факт, что основным источником роста содержания парниковых газов, вызывающим дисбаланс в глобальном цикле атмосферного СО2 и СН4, является антропогенная деятельность, сконцентрированная в умеренных широтах северного полушария. Однако результаты сравнительного анализа изменчивости содержания СО2 и СН4 в атмосфере полярных регионов (прямые измерения и анализ воздушных включений кернов льда) и данные глобального атмосферного мониторинга, полученные в конце 80-х - 90-х годах, показали, что планетарный максимум в распределении этих газов находится не над зоной 60° с. ш., где потребляется свыше 90% ископаемого топлива, а над Арктикой/Субарктикой, где антропогенная активность относительно невелика: между 60° и 70° с. ш. сжигается менее 5% добываемого ископаемого топлива. Это значит, что в северных широтах существует мощный природный источник СО2 и СН4, который обеспечивает существование межполюсного градиента в меридиональном распределении СО2 и СН4: среднее содержание атмосферного СО2 примерно на 3 mатм (около 1% от средней величины) и СН4 на 0.15-0.17 mатм (8-10% от средней величины) над Арктикой выше, чем над Антарктикой (рис. 1).

Рис. 1. Межполюсные градиенты СО2 и СН4.
а) Данные NOAA/CMDL свидетельствуют о росте планетарного градиента СО2 (D) между Арктикой и Антарктикой: от 1 мкатм (10-6атм) 1960-х до 3 мкатм в 1990-х (или ~ 1%);
б) градиент CH4 (D) между Арктикой и Антарктикой ~ 150-250 натм (10-9 атм) (или ~ 10%).

Поиск основных природных источников СО2 и СН4 на Севере был начат 10 лет назад в рамках совместных инициативных исследований группой И.П. Семилетова (ныне Лаборатория геохимии полярных регионов) из ТОИ ДВО РАН и Северо-Восточной научной станцией (СВНС) ТИГ ДВО РАН (директор С.А. Зимов). На базе СВНС, начиная с зимы 1989/90 гг., в низовьях реки Колымы впервые в мире проводились всесезонные измерения потоков СО2 в атмосферу из почв типичных ландшафтов Севера и изучение динамики растворенного СН4 в северных озерах. Начиная с 1994 г., наши исследования были смещены на побережье моря Лаптевых (Полярная геокосмофизическая обсерватория в Тикси - Центр коллективного пользования РФФИ, директор С.К. Рябчук) и в моря Амеразийского сектора Арктики. За период 1994-2000 гг. выполнены исследования в 7 морских и 12 прибрежных экспедициях.

В результате проведенных исследований были выявлены основные источники (и стоки) атмосферного СО2 и СН4 в морских и наземных экосистемах Арктики:

- Основным круглогодичным региональным источником поступления СН4 в атмосферу являются подозерные талики, где в анаэробных условиях происходит процесс деструкции ранее законсервированного органического вещества, конечным продуктом которого является метан.
- Летом открытые акватории арктических морей не являются значимым источником поступления СН4 в атмосферу. Измеренное содержание растворенного СН4 в поверхностных водах арктических морей было обычно ниже аналитического нуля, < 0,015 mМ. Это хорошо согласуется с результатами самолетных измерений атмосферного СН4 от Северного Полюса на юг, которые демонстрируют резкий рост содержания СН4 в прибрежной зоне тундры и северной тайги.
- В безледный период открытые акватории арктических морей могут служить стоком для атмосферного СО2.
- Северные озера и реки круглогодично многократно перенасыщены СО2 (от 500-800 mатм летом в реках до 27000 mатм в придонном слое термокарстовых озер зимой-весной). Проведенные на СВНС исследования показали, что основным источником СО2 в атмосферу Арктики/Субарктики является почвенная респирация.
- Предварительные оценки суммарного потока СН4 и СО2 из водных и наземных экосистем Севера в атмосферу свидетельствуют о том, что при ряде допущений выявленные источники могут быть ответственны за формирование планетарного максимума СН4 и СО2 в атмосфере в наше время и другие теплые периоды позднего плейстоцена (Вестник РАН, 1990; Arctic, 1993; J. Geophys. Res., 1993; Atmosph. Environment, 1996; ДАН, 1996, 1999; Climate Change, 1996; Science, 1997; J. Atmosph. Sci., 1999).

В настоящее время наши исследования направлены на выявление роли разрушения морских берегов и шельфовой мерзлоты в цикле парниковых газов в Арктике. Великий Ледовитый океан наступает на сушу со средней скоростью 3-6 м за лето; на арктических островах и на мысах высокольдистые породы разрушаются и поглощаются морем в теплый период года со скоростью до 20-30 м. Огромные количества органического вещества (ОВ), соизмеримые с транспортом ОВ сибирскими реками, поступают ежегодно на арктический шельф. Подобно легендарной Земле Санникова, исчезают арктические острова; среди многих в XXI веке прекратит свое существование остров Муостах вблизи дельты реки Лены. Российское научное присутствие в морях Восточной Арктики исчезает с еще большей скоростью. Так, например, в Восточно-Сибирском море российские исследования не проводились десятки лет. В последнее время (1994-2000 гг.) на средства, полученные по грантам Международного научного фонда ( фонд Сороса), Российского фонда фундаментальных исследований, Федеральных целевых программ (ФЦП) "Мировой океан" и "Интеграция" здесь работает только наша межведомственная инициативная группа.

Летом-осенью 2000 года состоялась комплексная экспедиция Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) им. В.И. Ильичева ДВО РАН (начальник экспедиции к. г. н. И.П. Семилетов; зам.начальника к. г.-м. н. О.В. Дударев; ученый секретарь к. г. н. Н.И. Савельева) при участии Института глобального климата и экологии (ИГКЭ) РАН/Роскомгидромета (зам. начальника экспедиции и лидер отряда ИГКЭ - к. б. н. Ю.В. Володкович), в морях Российского сектора Арктики. Организовать и провести Трансарктическую экспедицию - 2000 на борту гидрографического судна "Николай Коломейцев" (рис. 2) удалось, объединив средства, полученные по инициативным и экспедиционным грантам Российского фонда фундаментальных исследований, ФЦП "Мировой океан" Министерства науки и технологий РФ (ныне Министерство промышленности, науки и технологий) и ФЦП "Интеграция".

Российская Трансарктическая экспедиция-2000
(ГС №Николай Коломейцев", 16 августа - 8 октября)

Впервые в истории изучения арктических морей России в Трансарктической экспедиции - 2000 на современном уровне за одну навигацию были выполнены комплексные океанографические исследования по маршруту Северного морского пути. Первые и последние океанографические наблюдения в сквозном плавании Северным морским путем за одну навигацию проводились на борту "А. Сибирякова" и ледореза "Литке" под руководством И.Ю. Визе в 1930-х годах. В навигацию 2000 года в 7 арктических морях России (Белом, Баренцевом, Карском, Лаптевых, Восточно-Сибирском, Чукотском и Беринговом) было пройдено около 13 тысяч морских миль и выполнено 140 океанологических станций (рис. 3), на которых проводились комплексные гидрологические, гидрохимические и биологические исследования.

Работы экологической направленности выполнены отрядом ИГКЭ (руководитель экологической программы ИГКЭ чл.-корр. РАН А.В. Цыбань) в шельфовых районах морей Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского на океанографических разрезах от прибрежных (устьевых) участков до кромки льда, в зависимости от погодных и навигационных условий (50 станций). В Чукотском и Беринговом морях комплексные исследования планировались и проводились на полигонах и разрезах, охватывающих район о. Врангеля - банка Геральд, центральную часть Чукотского моря, а также Анадырский залив Берингова моря, традиционных для многолетнего проекта БЕРПАК (1977 - 1995 гг.).

В проливе Лонга, где нами визуально наблюдались многочисленные стада моржей ("пастух" - белый медведь появился только один раз на траверзе о. Врангель), ледовитость достигала 6-7 баллов и более, причем доминировал многолетний паковый лед. Там же по счислению был зарегистрирован западный дрейф поверхностного слоя воды со скоростью до 1 узла и выше, что, вероятно, свидетельствует о перемене циклонического типа общей циркуляции Северного Ледовитого океана на антициклонический.

Предварительные результаты экспедиции подтверждают предположение о том, что разрушение арктических берегов, особенно сложенных ледовым комплексом, играет важную роль в транспорте наземного вещества в системе суша-шельф. Наиболее значимые на севере Азии биогеохимические последствия выноса и трансформации органического вещества на шельф, обусловленных разрушением берегов, были обнаружены в юго-восточной части моря Лаптевых и проливе Дмитрия Лаптева (Восточно-Сибирское море), что согласуется с результатами наших экспедиций, выполненных в 1997-1999 гг. Одним из результатов экспедиции - 2000 будет уточнение роли разрушения берегов в региональном бюджете углерода. Во время проведения работ вблизи устьев рек Восточной Арктики был обнаружен неожиданно слабый речной сигнал даже на станциях, выполненных у побережья материка на траверзе основных проток дельты реки Лены. Впервые за несколько последних лет воды реки Лены были смещены ветровыми течениями на юг и юго-восток в губу Буор-Хая. Отметим, что типичным для системы Лена - море Лаптевых является распространение речных вод в северном, северо-восточном направлении.

В настоящее время собранные в экспедиции образцы взвеси и донных осадков обрабатываются на берегу методами нейтронно-активационого анализа, масс-спектрометрии, микроскопии (минералогия, вещественный состав) и т.д. Видовой и изотопный состав растворенного и взвешенного органического вещества исследуется совместно с ведущими специалистами США и Европы, с Международным арктическим научным центром Университета Аляска Фэрбанкс. Предполагается, что результаты Трансарктической экспедиции - 2000 будут значимым вкладом российских ученых в международный проект RAISE (Russian-American Initiative on Shelf-Land Environments in the Arctic), и международную кооперацию в Арктике в целом.

Заключение: геополитика и парниковые газы в Арктике

С 13 по 23 ноября 2000 года в Гааге (Нидерланды) собрались представители правительств 150 стран, которые в очередной раз обсуждали проблему глобального потепления. По последним оценкам (октябрь 2000 г.) международной экспертизы, работающей под эгидой ООН, при сохранении нынешних темпов антропогенного роста содержания основных парниковых газов в атмосфере, средняя температура приземного слоя атмосферы к концу текущего столетия поднимется на 2-10оС. Если принять, что климат Земли будет изменяться по "максимальному" сценарию, то можно говорить о том, что такой термический скачок не имеет аналогов, по крайней мере, на протяжении последних сотен тысяч лет.

В 1997 году руководители индустриальных держав, обеспокоенные глобальным потеплением и ростом скорости подъема уровня Мирового океана, подписали в Киото (Япония) Протокол, сутью которого является призыв ограничить выбросы СО2, СН4 и других парниковых газов до уровня 1990 года, что в какой-то мере может понизить вероятность изменения климата по наиболее драматическому варианту. На самом высоком уровне обсуждается вопрос о возможности создания мирового рынка квот на антропогенный выброс СО2. Это значит, что страны с исчезающим производством и неразвивающимися экономиками (прежде всего Россия и другие республики бывшего СССР), в которых выбросы СО2 существенно понизились по сравнению с 1990 г., смогут продавать свои квоты развитым странам, которые не успевают перестроить технологические процессы, необходимые для снижения выбросов антропогенного СО2. Когда это случится, при правительстве появятся люди, заинтересованные в увеличении продажи квот (вспомните повесть А. Беляева "Торговцы воздухом"), т.е. в дальнейшем спаде производства и т.д.

В настоящее время ни в одном из сценариев изменения климата Земли не учитывается возможность влияния расконсервации органического вещества мерзлоты (которое включается в современный биогеохимический цикл и трансформируется в форму двуокиси углерода и метана) на бюджет парниковых газов в атмосфере. В связи с этим важно отметить, что зимой, когда отсутствует сток атмосферного СО2 за счет фотосинтеза, респирация почв существенно влияет на формирование зимнего максимума в содержании атмосферного СО2 над Арктикой/Субарктикой. Этим же механизмом можно объяснить наличие максимальных сезонных амплитуд атмосферного СО2 и бимодальность в его зимнем распределении над зоной тундры/северной тайги. Согласно оценкам, основанным на многолетних круглогодичных измерениях потоков СО2 в атмосферу из типичных ландшафтов Севера (Колымо-Индигирская низменность), с одного квадратного метра тундры, лесотундры, и северной тайги только за зиму в атмосферу поступает как минимум 100 г углерода в форме СО2 (С-СО2) как следствие биоокисления органического вещества в поверхностном слое почв. Это значит, что только вследствие респирации северных почв в атмосферу в холодный период года попадает около 1 Гт С-СО2. Эта величина сопоставима с годовым вкладом США - современного мирового лидера в области антропогенной поставки СО2. Из этого следует, что недоучет только одного из известных на сегодня северных источников СО2 приводит к существенным неопределенностям при рассмотрении бюджета парниковых газов и предсказания климатических изменений.

Завтра на выведение только 1 тонны углерода в форме СО2 из атмосферы потребуется 240 долларов, а в атмосферу поступает все больше и больше антропогенного СО2: 6 млрд. тонн в 1990 г., 7 млрд. тонн в 1997 г.,. Легко посчитать: в ближайшем будущем человечеству придется затрачивать примерно 240 млрд. долларов на связывание 1 млрд. тонн С-СО2, а ведь эта сумма превышает годовой бюджет России.

Сегодня для поддержания достойного уровня наших экспедиционных исследований в Восточной Арктике, где наблюдаются самые высокие на планете сезонные амплитуды содержания основных парниковых газов (СО2 и СН4), требуется минимальное финансирование, эквивалентное 150-200 тыс. долларов в год. Уместно отметить, что в развитых странах на исследование причин глобальных изменений выделяются огромные бюджетные средства. Так, например, только правительство США в 1997 г. выделило на эти цели 1,.6 млрд. долларов, что эквивалентно бюджету всей Российской академии наук за несколько лет.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center