Изменчивость обмена углекислым газом в системе океан-атмосфера Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Terra Humana

220 УДК 551.465.7

ББК 26.221 +26.233

В.Н. Малинин, А.А. Образцова

изменчивость обмена углекислым газом в СИСТЕМЕ ОКЕАН-АТМОСФЕРА

Приводятся современные оценки обмена углекислым газом между океаном и атмосферой. Обсуждается полуэмпирическая модель расчета потока СО2, основанная на измерениях парциального давления СО2 и спутниковых данных о скорости ветра и температуре поверхности океана. На основе среднемесячных данных о потоках СО2 в узлах сетки 4 ° широты X 5° долготы за период 1982-2010 гг. рассматривается меридиональная изменчивость среднеширотных значений потока СО2. Межгодовой ход глобального обмена углекислым газом в системе океан-атмосфера за рассматриваемый период показал наличие двух разнонаправленных тенденций: возрастание потока СО2 из атмосферы в океан до 1997 г. и его уменьшение в последующий период.

Ключевые слова:

межгодовая изменчивость потока СО2, меридиональная изменчивость потока СО2, парниковый эффект, система океан-атмосфера, тренд.

Основной причиной современного глобального потепления в Третьем и Четвертом оценочных отчетах МГЭИК [2; 3] называется парниковый эффект, вызванный быстрым ростом в атмосфере так называемых парниковых газов и, прежде всего, углекислого газа СО2. Действительно, концентрация СО2 в атмосфере с 1800 г. увеличилась примерно на 35% с 281 до 380 млн-1, причем такого высокого уровня она не достигала за последние 650 тыс. лет. При этом скорость роста концентрации СО2 быстро увеличивается. Так, если в начале индустриального периода (18001809 гг.) она была всего 0,08 млн-1 в год, в 1900-1909 гг. - 0,35 млн-1, то в конце ХХ в. (1990-1999 гг.) составила уже 1,3 млн-1 в год. В значительной степени рост концентрации СО2 вызван сжиганием органического топлива, производством цемента, а также землепользованием и сокращением площади лесов и, следовательно, уменьшением процесса фотосинтеза. Если бы не Мировой океан, который поглощает некоторую часть СО2, то рост концентрации углекислого газа в атмосфере был бы еще выше.

Мировой океан (МО) является самым крупным резервуаром углерода на планете, его запасы более чем в 50 раз превосходят запасы углерода в атмосфере и в 15 раз - запасы в экосистемах суши (рис. 1). Обмен углеродом в экосистемах суши идет посредством фотосинтеза, дыхания, разложения и горения, причем все эти процессы подвержены влиянию человека. Обусловленный этими процессами поток СО2 между атмосферой и сушей ориентировочно равен 60 млрд т С/год, причем экосистемы суши поглощают на 1,4 млрд т С/год боль-

ше, чем выделяют. С учетом изменений в землепользовании результирующий поток СО2 направлен в атмосферу и равен 1,1 млрд т С/год. В результате чистый поток СО2.между поверхностью суши и атмосферой направлен вниз и составляет всего 0,3 млрд т С/год, т.е. наблюдается почти полный баланс.

Обмен СО2 между океаном и атмосферой происходит при наличии вертикального градиента парциального давления (ЛрСО2) между поверхностным слоем морской воды и приводным слоем атмосферы. Если ЛрСО2 > 0, то происходит выделение СО2 из океана в атмосферу и наоборот. В среднем МО поглощает 92 млрд т С/год, а выделяет в атмосферу 90 млрдт С/год, т.е. он является активным поглотителем углекислого газа, тем самым ослабляя антропогенный парниковый эффект, обусловленный выбросами от сжигания ископаемого топлива и производства цемента, которые составляют 5,5 млрд т С/год.

В последние годы появились новые оценки результирующего потока СО2 в системе океан-атмосфера. В обзорной работе [5] приводятся сравнительные оценки годового потока СО2. из атмосферы в океан, полученные как в результате прямых измерений, так и на основе моделирования углеродного цикла (табл. 1). Видно их очень хорошее соответствие, причем все оценки группируются вблизи 2,0 млрд т С/год.

Новейший эмпирический подход к определению баланса СО2 в системе океан-атмосфера описан в работе [4]. Межгодовая изменчивость потоков СО2 для периода 1982-2007 гг. оценивается на основе диагностической модели с использованием эмпирических внутригодовых соотношений

Рис. 1. Глобальный среднемноголетний баланс углерода на земном шаре [2]. Запасы С02 в млрд т С,

потоки - в млрд т С/год.

между парциальным давлением СО2 в поверхностном слое воды (pC02SW) и температурой поверхности океана (ТПО). Несмотря на приближенный характер модели, она отражает порядка 70% изменчивости потоков СО2 в системе океан-атмосфера и довольно хорошо описывает физические закономерности поглощения (выделения) углекислого газа в системе океан-атмосфера, хотя несколько занижает величину результирующего потока, который в среднем за период 1982-2007 гг. оказался равным 1,5 млрд т С/год. Занижение потока СО2 возможно связано с занижением скоростей ветра, определяемых по спутниковым данным, особенно для штормовых условий.

Начиная с 1960-х гг., количество измерений СО2 (рСО2) в поверхностном слое океана увеличивалось экспоненциальными темпами. Сегодня свыше миллиона наблюдений передаются в центры обработки данных каждый год. Обобщенная Taro Takahashi и его рабочей группой в 1997 г. база данных [13], которая насчитывала тогда около 200 тыс. измерений рСО2, к 2002 г. расширилась до 940 тыс. измерений, а в 2010 г. снова была обновлена и на сегодняшний день включает порядка 3 млн измерений, собранных в период с 1970 по 2008 гг. Это позволило группе исследо-

вателей, проделав поистине гигантскую работу, осуществить расчет потоков углекислого газа в узлах географической сетки с пространственным разрешением 4° широты X 5° долготы с 1982 г. по настоящее время [4]. База данных распределения потоков СО2 находится в свободном доступе на сайте http://cwcgom.aoml.noaa. gov/erddap/griddap/aomlcarbonfluxes.graph и содержит

- значение потока СО2 между океаном и атмосферой, моль/м2тод;

- аномалии потока СО2 между океаном и атмосферой, моль/м2тод;

- разность парциальных давлений СО2 в поверхностном слое воды и в атмосфере, мкатм;

- аномалии разности парциальных давлений СО2 в поверхностном слое воды и в атмосфере, мкатм.

Оценки потоков С02 определялись на основе климатологии потоков СО2 в системе океан-атмосфера, полученной Takahashi и др. [9] и по данным высокого разрешения о скорости ветра и температуре поверхности океана. Данный подход базируется на предположении, что физические, химические и биологические процессы, влияющие на величину рСО2 в поверхностном слое океана, обусловлены

Среда обитания

Terra Humana

222 Таблица 1

Сравнительные оценки суммарного годового потока СО2 из атмосферы в океан, полученные разными авторами [5], млрд т С/год

Метод Поглощение СО2, млрд. т/год Авторы

Измерения разности парциальных давлений СО2 в поверхностном слое океана и в воздухе 2,1 ± 0,5 Takahashi et al. (2002)

Инверсия наблюдений за содержанием атмосферного СО2 1,8 ± 1,0 Gurney et al. (2002)

Инверсии на основе моделей переноса и наблюдений за содержанием растворенного неорганического углерода фЮ) 2,0 ± 0,4 Gloor et al. (2003)

Результаты моделирования на основе содержания хлорфто-руглеродов (ХФУ) и естественного радиоуглерода 2,2 ± 0,4 Matsumoto et al. (2004)

Результаты моделирования с использованием модели ОСМІР-2 (Проект сравнения моделей углеродного цикла в океане) 2,4 Orr (2004)

На основе измерения содержания О2 и СО2 с поправкой на нагрев и стратификацию океана 2,2 ± 0,5 Bopp et al. (2002)

Модель глобальной циркуляции ^СМ) углерода в океане 1,93 Wetzel et al. (2005)

На основе возраста хлорфторуглеродов (ХФУ) 2,0 ± 0,4 McNeil et al. (2003)

главным образом соответствующими изменениями ТПО.

В общем случае интенсивность газообмена определяется динамическими и диффузионными характеристиками турбу-лизированных слоев воздуха и воды, примыкающих к границе раздела. В связи с этим физический поток газа через поверхность океана может быть представлен следующим образом [1, 9]:

Р = Рсрю АрШ2, = К АрС°2, (1)

где р - плотность газа, и - скорость ветра в приводном слое на высоте 10 м, С - коэффициент газообмена, Ка - коэффициент газового переноса между океаном и атмосферой. В результате измерений в лабораторных условиях было установлено, что скорость газообмена мала и почти постоянна при скорости ветра, не превышающей 5 м/с, а затем резко возрастает приблизительно пропорционально квадрату скорости воздушного потока.

Вариации рС025№ обусловлены изменениями ТПО (SST), солености (SSS), содержания растворенного неорганического углерода (01С) и общей щелочности (ТА). Эти изменения могут быть выражены следующим выражением:

CpCO1SW

дCO.

CpCO.

дSST

CCO

lSW x ASST + CCOlSW xASSS +

csss

cdic

lSW- xADIC + dCOlSW xATA

(2)

cta

ственно ТПО (SST), соленость (SSS), содержание растворенного неорганического углерода (01С) и общая щелочность (ТА).

Из указанных параметров ТПО является наиболее важным фактором, влияющим на изменение рС025ЩГ При изохимических условиях (ЭlnpCO2SйI/ЭSST) повышение ТПО увеличивает парциальное давление С02 приблизительно на 4,23% с каждым градусом Цельсия [7]. Изменения содержания П1С и общей щелочности ТА в поверхностном слое океана обусловлены в основном апвеллингом глубинных вод (физический эффект) и фотосинтезом (биологический эффект). Эти изменения часто сопровождаются изменениями ТПО. Соленость определяет лишь небольшую часть общей изменчивости рС025№ [6].

Ежемесячные потоки СО2 в системе океан-атмосфера (F ) для каждой ячейки размером 4° широты X 5° долготы за каждый год были рассчитаны на основе глобальной климатологии ДрС02, полученной Takahashi и др. [9], среднемесячной скорости ветра, и аномалий ТПО по сравнению с данными о ТПО для эталонного 2000 года:

F — k K

ym ym 0,ym

pCOl

I csst

x ASST

ym-l000m

- pCO2

(3)

где ЭрС025№ - изменение рС025№ во времени; дрСО2Ш /дХХХ - частные производные по величине XXX, причем XXX - соответ-

где индекс ут - соответственно год и месяц в течение исследуемого периода (19822011 гг.), а индекс 2000т - соответствует месяцу в 2000 году. Растворимость СО2

x

+

(K0) оценивалась на основе месячной ТПО и климатологических оценок солености (SSS) с использованием уравнений растворимости Weiss [11]:

,К0(атм-моль/кг) = exp(-60,2409 + 9345,17 / (SST + 273,15) + 23,3585 х ln((SST + 273,15)

/ 100) + SSS х (0,023517 - 0,00023656 х (4) (SST + 273,15) + 0,00000047036 х (SST + 273,15)2))

Среднемесячная скорость газового переноса (gas transfer velocity) k определялась по второму моменту среднемесячной скорости ветра:

k = 0,217 X <U 2> (Sc / 660)-0'5 (5)

ут ’ 10ут ' ут ' ' '

где <U10 m2> - второй момент, который показывает дисперсию 6-часовой скорости ветра в каждой ячейке, а Sc - число Шмидта, рассчитанное, согласно [10], с использованием месячной ТПО для каждой ячейки. Коэффициент пропорциональности 0,217 для <U10ym2> получен из коэффициента 0,26

для месячной скорости ветра, нормированной для высоты 10 м над поверхностью океана (и10) и глобального среднего отношения <и102>/<и10>2, равного 1,2 для свободных ото льда океанов (0,26/1,2 = 0,217), которые использовались в работе [9].

Среднемесячные значения потока СО2, заимствованные из архива [12] за период 1982-2010 гг. в узлах сетки 4° широты X 5° долготы, усреднялись по широте. Их временной ход, представленный на рис. 2, дает наглядное представление о характере изменчивости потока СО2, которая формируется сезонным ходом ТПО и скорости ветра, а также особенностями биологического потребления СО2 и перемешивания водных масс [8]. Расположенные в средних широтах районы Атлантического, Индийского и Тихого океанов в летний сезон имеют практически нулевой или небольшой положительный поток, тогда как в зимний сезон становятся мощной областью стока

Рис. 2. Распределение среднемесячных среднеширотных данных результирующего потока СО2 в системе океан-атмосфера за период 1982-2010 гг. в моль/м2год. Положительные значения -поток СО2 направлен вверх, отрицательные - вниз.

Среда обитания

Terra Humana

Поток С0г,

моль/ллгтод

1

0 / ч

-1

-2

-3 -4 —Ф— Поток €02

*76 -68 -60 *52 44 -36 28 ‘20 -12 -4 4 12 20 28 36 44 52 60 68 76

Широта, град.

Рис. 3. Распределение среднемноголетних годовых и среднеквадратических отклонений (СКО) значений потока СО2 за период 1982-2010 гг. для 4-градусных широтных зон Мирового океана в моль/м2год. Положительные значения - поток СО2 направлен вверх, отрицательные - вниз.

СО2. Это связано с тем, что зимой воды, переносимые к полюсам восточными поверхностными течениями, охлаждаются, а весной и летом биологическое потребление CO2 в некоторой степени компенсируется увеличением рСО2 из-за повышения температуры воды.

Субтропические области, напротив, являясь областью слабого стока в зимний сезон, летом превращаются в слабый источник СО2, что соответствует сезонному ходу ТПО [9]. Обращает также на себя внимание хорошо выраженный сезонный ход потока СО2 в южной полярной области. Если в летний период (январь-март) он направлен преимущественно из атмосферы в океан, то зимой его направление уже обратное. Это связано с интенсивным процессом фотосинтеза в поверхностном слое океана в летний период и не менее интенсивным зимним перемешиванием вод.

На рис. 3 приводится среднеширотное распределение среднемноголетних годовых (Х) и среднеквадратических отклонений (СКО) значений потока СО2 за период 1982-2010 гг. для 4-х градусных широтных зон Мирового океана в моль/м2год. Нетрудно видеть, что поток СО2 в атмосферу направлен в приэкваториальных широтах (18о ю.ш. - 14о с.ш.) с максимумом вблизи 8о ю.ш., где он достигает 1,1 моль/м2год. Естественно, что в средних и высоких широтах поток СО2 направлен в океан. В южном полушарии МО его максимум отмечается

Рис. 4. Распределение характеристик линейных трендов среднеширотных

аналог коэффициента детерминации; 2 - величина тренда (Тг) в моль/м2год2.

годовых значений потока СО2. 1 ■

в зоне 38-42° ю.ш., а в северной части МО он достигает абсолютного максимума (3,7 моль/м2) на широте 68о, т.е. вблизи границы Северной Полярной области. Однако несмотря на столь внушительную оценку потока СО2 вследствие малой площади МО в приполярной зоне и наличия льдов вклад широтной зоны 66-70о с.ш. в глобальный поток СО2 является малым.

Что касается изменчивости потока СО2 в отдельных широтных зонах МО, то она, исключая Южную Полярную область, существенно ниже средних оценок (рис. 3). При этом в южном полушарии она меньше, чем в северном. Максимум СКО (0,50

Рис.5 Межгодовой ход и линейный тренд среднеширотных потоков СО2 в системе океан-атмосфера. Положительные значения - поток СО2 направлен вверх, отрицательные - вниз. Широтные зоны: 1 - 46-50° ю.ш., 2 - 10-14°

моль/м2год) отмечается вблизи 60о с.ш. за счет огромной изменчивости потока СО2 в Норвежском и Гренландском морях.

Для среднеширотных потоков СО2 был выполнен расчет параметров линейных трендов, результаты которого представлены на рис. 4. Величина |R|*R - это аналог коэффициента детерминации R2, показывающего вклад тренда в дисперсию исходного ряда. Выбор

ее вместо R2 связан с тем, что она одновременно показывает направление изменений рассматриваемой характеристики. Значимость трендов оценивалась с помощью критерия Стьюдента при а = 0,05. Значимые тренды на рис. 4 соответствуют R2 > 0,09. Как видно из рис. 4, подавляющее число трендов является значимым. Незначимые тренды в основном характерны для Южной полярной области. Что касается распределения величин тренда (Тг), показывающих скорость роста (падения) СО2, то их экстремумы находятся в зонах максимальных средних оценок потока СО2. Знаки при Тг, за исключением субтропических (20-32°) широт северного полушария, совпадают с направлением самого потока СО2.

Наглядное представление о характере изменчивости потоков СО2 можно получить из рис. 5, на котором приводится межгодовой ход для широтной зоны 10—14о ю.ш., где отмечается максимальный положительный тренд, а также для зон 46—50о ю.ш. и 62—66о с.ш., где наблюдается наибольший отри-

ю.ш., 3 - 62-66° с.ш.

цательный тренд. Нетрудно видеть, что в приэкваториальной зоне в рассматриваемый период происходит рост потока СО2 в атмосферу. Одновременно с этим усиливаются потоки СО2 в океан в высоких широтах обоих полушарий, т.е. наблюдается достаточно хорошо выраженная интенсификация процессов обмена углекислым газом между океаном и атмосферой.

На основе полученных среднеширотных оценок потока СО2 нетрудно рассчитать межгодовой ход глобального обмена углекислым газом в системе океан—атмосфера (рис. 6). Как и следовало ожидать, наблюдается очень хорошее соответствие результатов, полученных в данной рабо-

Рис. 6. Межгодовой ход результирующего глобального потока СО2 в системе океан-атмосфера за период 1982-2010 гг. в млрд т С/год. 1 - данная работа,

2 - работа [4].

Среда обитания

Terra Humana

те и в статье [4]. Из рис. 6 видно, что рассматриваемый период можно разделить два относительно однородных промежутка времени с разнонаправленными тенденциями: первому из них (1982—1996 гг.) свойственно возрастание потока СО2.из атмосферы в океан, в то время как второму (1997—2010 гг.) — уменьшение потока СО2 . В первом случае величина тренда составляет Тг= —0,016 млрд т С/год2, а тренд описывает 24% дисперсии исходного ряда, во втором случае Тг = 0,022 млрд т С/год2 при коэффициенте детерминации Я2 = 0,39, т.е. оценки величин тренда довольно близки друг к другу.

Естественно возникает вопрос, за счет каких широтных зон формируется меж-годовая изменчивость глобального потока СО2? Выполненный корреляционный анализ показал, что наибольшая положительная корреляция (0,63 < г < 0,78) с глобальным потоком СО2 отмечается для широтной зоны 18о ю.ш. - 6о с.ш., причем абсолютный максимум смещен в зону

Список литературы:

2-6° с.ш. Именно в этом широтном поясе поток СО2 направлен в атмосферу. Кроме того, другой очаг значимой положительной корреляции (0,36 < г < 0,40) приурочен к поясу 30-42о ю.ш., где СО2 поглощается океаном. В то же время корреляция отсутствует для широтного пояса 54-74о с.ш., где отмечается максимум поглощения СО2 океаном. Очевидно, это связано с малой площадью Мирового океана в пределах данного пояса.

Итак, 1997 год стал, вероятно, переломным, после него роль МО как стабилизатора парникового эффекта начала уменьшаться. К сожалению, в настоящее время нет четких версий, объясняющих причины этого. Во всяком случае, каких-либо экстремумов во временном ходе глобальной ТПО - важнейшем факторе изменчивости потока СО2 - в середине 1990-х годов не зафиксировано. Поэтому выявление причин уменьшения глобального потока СО2 из атмосферы в океан после 1997 г. представляется весьма важной научной задачей.

[1] Бютнер, Э.К. Планетарный газообмен О2 и СО2 - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 238 с.

[2] Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. J.T. Houghton et al. - Cambridge - New York: Cambridge university press, 2001. - 881 p.

[3] Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report Climate Change 2007 / Eds. L. Bernstein et al. - Cambridge - New York: Cambridge University Press, 2007. - 940 p.

[4] Park G.-H. et al. Variability of global net sea-air CO2 fluxes over the last three decades using empirical relationships // Tellus. - 2010, № 62B. - Р. 352-368.

[5] Sabine C.L., Feely R.A. The oceanic sink for carbon dioxide. In Greenhouse Gas Sinks / Eds. D. Reay, N.

Hewitt, J. Grace, K. Smith. - Oxfordshire, UK: CABI Publishing, 2007. - Р. 31-49.

[6] Takahashi T. et al. Carbonate chemistry of the surface waters of the world oceans // Isotope Marine Chemistry. - 1980. - Р. 291-326.

[7] Takahashi T. et al. Seasonal variation of CO2 and nutrients in the high-latitude surface oceans: a comparative study // Global Biogeochemistry Cycles. - 1993, № 7. - Р. 843-878.

[8] Takahashi T et al. Global sea-air CO2 flux based on climatological surface ocean pCO2, and seasonal biological and temperature effects // Deep-Sea Research II. - 2002, № 49. - Р. 1601-1622.

[9] Takahashi T. et al. Climatological mean and decadal changes in surface ocean pCO2, and net sea-air CO2 flux over the global oceans // Deep-Sea Research II. - 2009, № 56. - Р. 554-577.

[10] Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean // J. Geophysical

Research. - 1992, № 97(C5). - Р. 7373-7382.

[11] Weiss R.F. Carbon dioxide in water and seawater; the solubility of a non-ideal gas // Marine Chemistry. -1974, № 2. - Р. 203-215.

[12] ERDDAP EXPERIMENTAL. AOML Monthly Global Carbon Fluxes dataset. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://cwcgom.aoml.noaa.gov/erddap/griddap/aomlcarbonfluxes.graph

[13] Lamont Doherty Earth Observatory (LDEO) database. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://www. ldeo.columbia.edu/res/pi/C02/carbondioxide/pages/air_sea_flux_2009.html