Изменчивость обмена углекислым газом в системе океан-атмосфера

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геофизика


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 (18 001 809 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 & gt- 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 (19 822 011 гг.), а индекс 2000 т — 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 (0,23 517 — 0,23 656 х (4) (SST + 273,15) + 0,47 036 х (SST + 273,15)2))
Среднемесячная скорость газового переноса (gas transfer velocity) k определялась по второму моменту среднемесячной скорости ветра:
k = 0,217 X & lt-U 2& gt- (Sc / 660)-0'-5 (5)
ут ' 10ут '- ут '- '- '-
где & lt-U10 m2& gt- - 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 & lt-U10ym2>- получен из коэффициента 0,26
для месячной скорости ветра, нормированной для высоты 10 м над поверхностью океана (и10) и глобального среднего отношения & lt-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 & gt- 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 & lt- г & lt- 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 & lt- г & lt- 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

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой