О роли Высоких и Низких широт океана в глобальном обмене углекислым газом
П.Н.Маккавеев, Е.В.Якушев, Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН (с)
|
ВведениеВсе живые существа на Земле дышат. Однако, и вся экосистема Земли в целом может рассматриваться как глобальный живой организм на основании того, что она представляет собой сложную систему обратных связей, а постоянная изменчивость всех процессов в природе ведет к тому , что и все части Земли - атмосфера, гидросфера, почвы - непрерывно изменяются по своим специфическим законам. Именно Мировому Океану мы обязаны тем, что около полутора миллиардов лет назад кислород образующийся в результате фотосинтеза в водах океана поступая в атмосферу и преобразовал водную и атмосферные среды из восстановительных в окислительные, "подготовив" тем самым условия для развития жизни [1]. Значительный рост содержания углекислого газа (СО2 ) в атмосфере, наблюдаемый в последние десятилетия, может быть связан как с климатическими колебаниями, так и с антропогенным влиянием. Представление о СО2 как о газе, влияющим на климат, привело к необходимости исследований особенностей его глобального биогеохимического цикла, и в частности процессов, происходящих в океане, чтобы количественно оценить его глобальный баланс и, возможно даже предсказать, как будет меняться система в будущем. Принято считать, что океан "поглощает" атмосферный СО2, компенсируя тем самым сжигаемый человеком ископаемый углерод и вместе с растительностью суши вырабатывает необходимый для жизни кислород [2]. То есть как бы "вдыхает" СО2, очищая атмосферу. Однако, на самом деле механизм регулирования океаном содержания атмосферного СО2 несколько сложнее. В данной статье мы хотим рассказать о исследовании обмена двуокисью углерода между Океаном и атмосферой, о временной и пространственной изменчивости этого процесса. Как исследовать ?Интенсивность и направление обмена газами на границе "вода - воздух" зависит от разности парциального давления данного газа в этих двух средах. Поток газа будет всегда направлен от среды с высоким парциальным давлением к среде с более низким. Если в атмосфере содержание СО2 меняется незначительно [3], то в воде изменения содержание СО2 газа на порядок выше, особенно в верхнем деятельном слое. Это связано с тем, что растворенный в воде СО2 вовлекается как в химические реакции, входя в состав карбонатной системы вод, так и в биохимические процессы образования и распада органического вещества. Таким образом для исследования направления и интенсивности потока СО2 между атмосферой и океаном нам необходимо знать как он распределяется в приповерхностном слое Океана. Исследований природных процессов может быть осуществлено двумя путями, с двух противоположных направлений, которые взаимно обогащают и дополняют друг друга. Во-первых, это анализ данных наблюдений, когда, рассматривая особенности распределения и изменчивости параметров, можно предположить, какими процессами вызваны эти особенности. И во-вторых - это моделирование, когда напротив, предполагая что набор процессов известен, их формально параметризуют и строят модель, которая воспроизводит картину распределения и изменчивости параметров. Углерод в океанеУглекислый газ растворенный в воде входит в состав так называемой "карбонатной системы" - суммы всех неорганических растворенных соединений углерода. Кроме СО2 это угольная кислота и продукты ее диссоциации - карбонат и бикарбонат ионы, растворенные карбонаты кальция и магния. Все эти соединения связаны между собой химическими реакциями и могут взаимно превращаться друг в друга под влиянием изменений условий окружающей среды. Кроме того, в океане присутствует органический углерод в составе растворенных и взвешенных органических соединений. Изменения температуры, солености, освещенности воды, активности водной биоты и биохимических процессов немедленно воздействуют на состоянии карбонатного равновесия вод на содержании компонентов карбонатной системы и соотношении между ними. При изменении солености и температуры изменяются условия карбонатного равновесия вод и растворимость СО2 и карбонатов кальция и магния. Биохимические процессы образования нового органического вещества приводят к уменьшению содержания неорганического углерода в воде, процессы распада органического вещества - к увеличению. Еще одна группа процессов влияющих на содержание углерода в поверхностных водах это обмен СО2 между океаном и атмосферой и придонной водой и углеродом в донных осадках. Таблица . Процессы, влияющие на соединения углерода в океане
Как видно из этой таблицы, практически на всех маштабах оказываются значимыми несколько процессов, поэтому практически невозможно изучать влияние отдельно взятого процесса на глобальный биогеохимический цикл углерода независимо от других. Это необходимо учитывать как при анализе данных наблюдений, так и при моделировании. Совершенно очевидно существование основных циклов временной изменчивости (что, однако, не исключает наличие и других временных циклов): суточного и сезонного (внутригодового). Существование их обеспечивается изменениями термического режима вод и цикличностью развития водной биоты. Содержание растворенного неорганического углерода и его форм, а также интенсивность и направление потока СО2 между океаном и атмосферой в каждой точке океана представляет собой результат наложения суточных, сезонных и других вариаций, а так же случайных возмущений. И для того чтобы исследовать особенности этих вариаций надо проанализировать максимально возможное количество данных. Анализ данных наблюденийОсновную массу наблюдений до настоящего времени представляли величины активной реакции воды ( рН) и общей щелочности (Alk), которые позволяют рассчитать все остальные компоненты карбонатной системы [7]. Эти данные охватывают период почти с начала нашего века до наших дней. Однако, при использовании этих данных возникает много препятствий, связанных со сбором и проверкой данных, выполненных в различное время, различными методами. Кроме того данные очень неравномерно распределены как по акватории Мирового океана, так и по времени, большинство данных приходится на теплый период времени года соответствующего полушария. Северное полушарие обеспечено данными значительно лучше чем южное и прибрежные районы лучше чем районы открытого океана. Здесь нам и может помочь моделирование, когда, основываясь на хорошо обеспеченных данными наблюдений районами океана, мы смогли распространить наши познания на всю акваторию Мирового океана. МоделированиеОсновная цель моделирования - сопоставить наши представления о фактах, процессах и системах с наблюдаемой ситуацией. Калибрация модели осуществляется при сравнении с наблюдаемой природной ситуацией. Для каждого масштаба времени (Табл.) , следует использовать конкретную модель, которая будет описывать процессы, имеющие наибольшее значение именно на этом масштабе времени. В данной работе было решено построить модель, позволяющую исследовать взаимосвязь биологических процессов, процессов карбонатной системы, гидрофизических процессов и газообмена на масштабах от суточного до годового. |
|
| Рис.1. Модельная схема трансформации. phyto - фитопланктон, zoo - зоопланктон, PO4 - фосфаты, POP - взвешенный органический фосфор, DOP - растворенный органический фосфор, TСО2 - общий неорганический углерод, POC - взвешенный органический углерод, DOC - растворенный органический углерод . |
|
|
На основе реальных масштабов времени протекания процессов в модели были учтены процессы трансформации соединений углерода в соответствии с уравнениями карбонатной системы [7], химико-биологические процессы, гидрофизические процессы и газообмен. Расчеты были основаны на системе уравнений баланса пассивной неконсервативной примеси, в котором для каждого модельного блока Ci (Рис. 1) учитывались: R - химико-биологический источник, W- скорость седиментации взвеси, wa - интенсивность обмена вод эвфотического слоя с подстилающими подповерхностными водами, где C0 - концентрации суммарного неорганического углерода и фосфатов, Q - поток СО2 на границе вода-воздух, hk - толщина слоя фотосинтеза. Подобное описание модели приведено в [8]. Фрагмент рассчетов, полученных для моделирования периода весеннего цветения фитопланткона показан на Рис.2.Потребление газообразного СО2 фитопланктоном приводит к нарушению карбонатного равновесия. Это отражается на увеличении величин рН и изменениях в карбонатной системе, связанных с дополнительным уменьшением содержания свободного СО2 и увеличением содержания карбонатов. Таким образом, во время цветения фитопланктона в поверхностных водах океана, уменьшение свободного СО2 происходит двумя путями - за счет непосредственного потребления из воды для синтеза органического вещества и связывания свободного СО2 в карбонат-ионы, контролируемого изменением рН. На рис.2 показаны расчеты,с учетом образования кальциевого скелета водорослями-кокколитофориды, что приводит к изменению величины щелочности. |
|
| Рис.2. Изменчивость элементов карбонатной системы и других параметров модели во время вспышки весеннего цветения фитопланткона в высоких широтах. Показано, какие изменения в величине щелочности могут быть вызваны при образования кальциевых скелетов водорослями- кокколитофоридами. . |
|
|
РезультатыС помощью анализа фактических данных и модельных построений была исследована амплитуда и характер сезонного хода СО2 в поверхностных водах океанов. Результаты обобщены в рисунках 3-5, где показаны среднемесячные значения величины рСО2 для различных широт Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Темным цветом показано, где и когда значения рСО2 в воде больше чем в атмосфере и, следовательно, идет поток СО2 из океана в атмосферу, а светлым - наоборот, океан поглощает СО2 из атмосферы. Наиболее яркой чертой Тихого океана (рис. 3) является существование зоны постоянно высоких значений рСО2 на экваторе [9]. Для Атлантического океана (рис. 4) характерно достаточно хаотическое распределение рСО2. Что связано с небольшой шириной океана и большим влиянием вдольбереговых течений. |
|
| Рис.3 Сезонная изменчиволсть рСО2 в поверхностном слое на различных широтах в Тихом океане. . |
|
|
|
| Рис.4 Сезонная изменчиволсть рСО2 в поверхностном слое на различных широтах в Атлантическом океане. . |
|
|
|
| Рис.5 Сезонная изменчиволсть рСО2 в поверхностном слое на различных широтах в Индийском океане. . |
|
|
В Индийском океане (рис. 5) достаточно сложная структуры внутригодового хода рСО2 в северной части связана с влиянием берегов и муссонов. Очень интересно, что поглощение СО2 океаном в основном сосредоточено в тропических широтах океанов. Во всех океанах в умеренных широтах в течении года происходит смена направления потока, а высокие широты практически все время года служат источником СО2 С помощью модели оказалось возможным рассчитать величины амплитуд сезонной изменчивости элементов карбонатной системы и разделить вклад биологической и гидрофизической составляющих. Величина амплитуды валового содержания углерода составила 120 мкмоль/л, бикарбонат иона - 0.100 мкмоль/л, карбонат-иона - 0.30 мкмоль/л, свободной углекислоты - 0.10 мкмоль/л, парциального давления углекислого газа около 200.10-6 атм, потока углекислого газа - 40 мкмоль/м2 сутки.
На основании выполненных численных экспериментов было получено, что вклад чисто гидрофизических факторов в годовую амплитуду изменчивости рН и рСО2 составляет около 60 % от общей амплитуды, а химико-биологических факторов, соответственно, - около 40 %.
Выводы
Нам хотелось показать в этой работе что океан не только "вдыхает" излишки атмосферного СО2, но и интенсивно "выдыхает" СО2..
Основная роль в поглощении атмосферного СО2, принадлежит тропическим широтам, а не высоким, как считалось раньше. В умеренных водах направленность потока СО2 меняется в зависимости от времени года.
Черты сезонного масштаба изучены относительно хорошо. Но необходимо изучить и менее мелкомасштабную и более крупномасштабную изменчивость, что позволит сделать вывод о том, задыхаются ли "легкие планеты" от интенсивного увеличения антропогенного СО2, или наблюдающиеся изменения в глобальной системе связаны с изменениями климата в геологическом масштабе.
Оценив величину периодической изменчивости компонентов карбонатной системы, мы легче сможем понять степень воздействия человека на цикл углерода в океане.
Данная работа выполнена по Гранту N JJ8100.
Словарь активная реакция воды (pH) - характеристика содержания ионов водорода ( H+) в растворе, равная -log(H+);
общая щелочность воды (Alk) - сумма растворенных в воде отрицательных ионов способных присоединять ион H+, для большей части вод океанов можно считать Alk=HCO3-+ 2CO32-+ B(OH4 )-;
парциальное давление - часть общенго давления газовой смеси, приходящееся на долю данного газа, для растворенных газов величина парциального давления равна концентрации газа деленной на его растворимость;
параметризовать - описать процессы в виде формул с конкретными значениями коэффициентов
угольная кислота - H2CO3 , при нормальных условиях в
морской воде существует в основном в форме своих ионов : карбонат
иона (CO32- ) и бикарбонат иона (HCO3-).
эвфотический слой - верхний слой воды, куда проникают солнечные лучи и где возможен фотосинтез.
Литература
|