Глобальное
потепление и Арктика
Одно из
наиболее значимых воздействий на биосферу и ее подсистемы, связанных с
антропогенной активностью, - глобальное потепление. Оно проявляется в изменении
климата и биоты: продукционного процесса в экосистемах, сдвиге границ
растительных формаций, изменении урожайности сельскохозяйственных культур.
Особое значение эти воздействия имеют для высоких и средних широт Cеверного
полушария. Эти регионы оказываются одними из главных источников и одновременно
объектов подобных воздействий. Здесь глобальное потепление проявится особенно
сильно: по расчетам, температура атмосферы наиболее значительно повысится
именно в высоких и средних широтах. Кроме того, природа высоких широт особенно
восприимчива к различным воздействиям и крайне медленно восстанавливается. С
другой стороны, процессы в Арктике могут оказать заметное влияние на глобальные
изменения. Это, например, динамика и оптические свойства снега и льда, участие
вечной мерзлоты в биогеохимических циклах и т. д. Оценка роли Арктики в
формировании глобальных изменений должна учитывать взаимодействия следующих
факторов: биота и глобальный цикл диоксида углерода, гидрологический режим,
вечная мерзлота, снежный покров и ледники, прибрежные процессы, циркуляция
океана и структура донных вод, динамика, тепловой баланс и состав атмосферы,
солнечные и геомагнитные воздействия. Все это свидетельствует о важности
математического моделирования климата и крупномасштабных процессов в
экосистемах высоких и средних широт Северного полушария. Мы попытаемся
рассказать о моделировании природных процессов, основанном на разработке и
модификации системы различных математических моделей.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА
В последние десятилетия
созданы различные модели, с помощью которых можно оценить влияние на климат
изменений состава атмосферы. Это способствовало пониманию механизмов
предстоящих изменений климата. Для расчетов в таких моделях необходимо
вычислять перенос солнечного и теплового (длинноволнового) излучения в
атмосфере при различных соотношениях ее компонентов.
Наряду с этим
требуется описать обмен энергией между радиационно-активной турбулентной
атмосферой и неоднородными поверхностями суши, океана и криосферы. Система
взаимодействующих элементов очень сложна, и до сих пор не существует моделей,
которые могли бы полностью учесть всю совокупность естественных процессов
переноса в атмосфере и у поверхности Земли. Существуют относительно простые и
более сложные модели. Самыми сложными оказываются климатические модели,
учитывающие общую циркуляцию атмосферы и океана. Кроме того, нужны модели,
отражающие эволюцию морского льда и различные процессы на суше (образование и
изменение снежного покрова, содержание влаги в почве и ее испарение
растительностью).
Модель климата,
разработанная в Вычислительном центре РАН, включает блок, описывающий процессы
в атмосфере с пространственным разрешением 4 х 5°, и океанский блок,
представляющий собой интегральную модель деятельного слоя океана с заданным
распределением течений. Moдель удовлетворительно описывает основные сезонные и
географические характеристики глобального климата.
В этой модели
рассчитаны, в частности, распределения по высоте изменений температуры воздуха
у поверхности Земли при удвоении содержания СО2 в атмосфере. Максимальное
потепление составит 4°С, сильнее скажется над материками, а наиболее сильно
проявится зимой в Азии. Это связано с неизбежным сдвигом границы снежного
покрова к северу. Изменение количества осадков имеет "пятнистую"
структуру. Увеличение количества осадков обусловлено более интенсивным
испарением с поверхности океана и последующим выпадением на суше. Однако
существуют области, где осадков станет меньше.
ЭКОСИСТЕМЫ
ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ
Отмечаемые ныне
и прогнозируемые на ближайшие десятилетия повышение содержания СО2 в атмосфере
и потепление ведут к серьезным изменениям в таежных и тундровых экосистемах
Арктики и Субарктики: изменению продуктивности, смене видового состава, сдвигу
границы между лесом и тундрой. Авторы предприняли попытку с помощью модели
оценить, как повлияют изменения климата на продукционный процесс в лесной
экосистеме и насколько сдвинутся северная и южная границы лесных экосистем
умеренной зоны Северного полушария.
Модель
продукционного процесса экосистем хвойного леса описывает динамику углерода и
воды, а также основные биотические и абиотические факторы в них. В модели
учтены следующие процессы, протекающие в растениях: фотосинтез, дыхание, рост и
отмирание органов, распределение усваиваемых питательных веществ между
органами. Модель учитывает динамику влажности почвы и потока воды по ее
профилю, интенсивность осадков и испарения, гидродинамическое сопротивление и
водный потенциал почвы, действие гравитации на транспорт воды. После проверки модели
по результатам наблюдений над ельниками в южной тайге на Валдае и другими
участками в хвойно-широколиственных лесах и северной тайге, ее использовали для
описания глобальных процессов в высоких и средних широтах Северного полушария.
В частности,
оценивалось влияние возможных изменений климата на продукционный процесс
экосистем еловых лесов в различных климатических зонах (на разных широтах и
меридианах). Было получено распределение изменений годовой продукции и
испарения воды в экосистемах при условии, что температура воздуха в течение
вегетационного периода выше на 1 °С. Оказалось, что продукция еловых лесов
увеличивается севернее 60° (с широтой все больше - у 66° рост достигает 3%) и
уменьшается южнее этой широты. С ростом количества осадков продуктивность
экосистем повышается, причем к югу - все сильнее. Так, увеличение количества
осадков на 6% на широте 62° влечет за собой рост продуктивности на 0,1%, а на
широте 58° - 3,4%.
СДВИГ
ПРИРОДНЫХ ЗОН
Различные
изменения в экосистемах в результате изменения климата оценивались не раз.
Здесь мы обсудим сдвиг границ системы природных зон "тайга - тундра".
В используемой модели заложены разделяемые большинством специалистов
представления о том, что в постоянных климатических условиях экосистема в своем
развитии неизбежно приходит к устойчивому состоянию - климаксу. Иными словами,
при постоянных условиях в данном месте экосистема пребывает в единственно
возможном устойчивом положении равновесия, например "тундра" или
"тайга".
Предположим,
содержание диоксида углерода в атмосфере вдвое выше современного. Чтобы
проследить за перемещением северной границы леса, разобьем ее на участки в
широтном направлении, на каждом из которых положение границы определяют
температура, рельеф, речной сток и вечная мерзлота (перечень факторов
заимствован из публикаций и экспертных оценок). Результаты модельных расчетов
свидетельствуют, что зона тайги сдвинется к северу преимущественно на 100-200
км. Кое-где этот сдвиг будет гораздо меньше или его не будет вовсе.
ВЛИЯНИЕ
ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ НА АРКТИЧЕСКИЙ БАССЕЙН
Арктический
бассейн - весьма специфический объект для математического моделирования общей
циркуляции из-за ряда важных отличий от остальной части Мирового океана.
Во-первых, он почти повсеместно и постоянно покрыт льдом. При этом потоки
тепла, влаги и импульса из атмосферы в океан в значительной мере определяются
состоянием морского льда: его толщиной, сплоченностью и т. д. Во-вторых,
распределение плотности воды в Северном Ледовитом океане обусловлено
распределением ее солености, а не температуры, как в других океанах. В-третьих,
значительная доля океана приходится на мелководные окраинные моря, а дно его
глубоководной части изрезано высокими подводными хребтами. В Вычислительном
центре РАН была разработана многослойная гибридная модель общей циркуляции
океана. Вычисления выполнялись в точках, расположенных в узлах сетки с шагом 2°
по широте, т.е. около 220 км. По вертикали толща воды в океане делилась на 6
слоев. Соленость соседних слоев различалась примерно на 0,8%. Рельеф дна
задавался в самом общем виде, однако сохранял все основные особенности
природного. Учитывались стоки основных рек, впадающих в океан. Дополнительный
береговой сток распределялся равномерно по всей границе области.
Результаты
расчетов позволили выявить реакцию океана на парниковый эффект.
Средневзвешенное по всей глубине океана потепление составило около 1,5°С, что
меньше, чем в целом по Северному полушарию. Это вызвано тем, что верхний слой
океана оказался сильно распресненным из-за таяния льда и увеличения речного
стока. Более теплая, пресная и, стало быть, менее плотная вода, скапливаясь в
верхнем слое, препятствует проникновению тепла в нижние слои. Таяние морского
льда из-за потепления оказалось столь сильным, что его площадь в летние месяцы
уменьшилась бы на 80%. Нарушение вертикальной конвекции океанских вод
(наибольшее потепление в верхнем слое) вызывает перестройку всей циркуляции
океана. В частности, увеличиваются скорости дрейфовых течений, что наряду с
уменьшением толщины льда ведет к росту торосистости. Такие изменения
климатического режима неизбежно будут иметь последствия не только
непосредственно в акватории, но и в прибрежных областях. Так, подъем уровня
океана за счет потепления составит от 0,1 до 0,2 м, что может привести к
затоплению устьев крупных рек, особенно в Сибири.
В целом можно
сказать, что климат Арктического бассейна станет более теплым и влажным, резко
усилятся штормовые ветры, а в самом океане сократится площадь льдов, летом
почти до нуля.
ИЗМЕНЕНИЕ
ПРОДУКТИВНОСТИ И СДВИГ ЗОНЫ ЛЕСОВ
Чтобы оценить
влияние увеличения концентрации СО2 и потепления на климат, экосистемы и
урожайность, мы выполнили численные расчеты на климатической модели. Модели,
описывающие динамику экосистем, и экспертные оценки позволили определить
смещение границ лесов при соответствующем изменении климата. Это ведет к
изменению альбедо (отражающей способности) и влажности земной поверхности, что,
в свою очередь, повлияет на глобальный климат. Конечно, заметное смещение
растительных зон произойдет только через 100-200 лет, однако указанный эффект
может проявляться как тенденция изменения климата. Основные изменения состоят в
смещении зоны лесов на север. Естественно, что это больше всего скажется на
климате полярных и приполярных областей.
Численные
эксперименты проводились на климатической модели Вычислительного центра РАН. В
качестве граничных условий задавались новые значения альбедо в тех областях,
где лес замещается другими растительными сообществами. Результаты расчетов
предвещают заметное похолодание (на 1-2 °С) в северных регионах Европы и Азии
из-за ослабления нагрева земной поверхности вследствие увеличения альбедо.
Таким образом, сдвиг природных зон частично компенсирует общее потепление,
вызванное парниковым эффектом в Европе и Северной Азии.
Итак, результаты
расчетов предсказывают значительные изменения климата и биотических процессов в
Арктике, а также перестройку общей циркуляции в Северном Ледовитом океане за
счет парникового эффекта. Эти изменения будут иметь экономические и
экологические последствия планетарного масштаба и должны вызвать адекватную
реакцию человечества. Это тем более важно в свете возрастающей роли севера
России как сырьевой базы (нефть, природный газ, цветные металлы, древесина) и
важнейшей транспортной магистрали. Освобождение поверхности Северного
Ледовитого океана от льда позволит превратить его в важнейшую круглогодичную
транспортную артерию, однако увеличение влажности, усиление туманов и штормов
потребует больших вложений в обеспечение безопасности морского и воздушного транспорта.
Затопление устьев рек повлияет на планы размещения промышленных и жилых зон, а
также транспортных терминалов. Изменение продуктивности и видового состава
тундровых и таежных экосистем скажется на биоте всего региона, поэтому
необходимо развернуть работы по сохранению уникальной природы Арктического
бассейна. Для анализа возможной ситуации и определения адекватных превентивных
мер, способных предотвратить (а если надо, то и использовать) последствия
парникового эффекта в данном регионе, необходимо дальнейшее развитие и
совершенствование математических моделей и методов, насыщение их новыми
натурными данными.
Список
литературы
А.А. Мочалов,
В.П. Пархоменко, А.М. Тарко. Глобальное потепление и Арктика.
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта www.ecoline.ua.org.