Цикл углерода в системе «атмосфера-суша-шельф» в Восточной Арктике: Потоки, формы существования, пространственно-временная изменчивость компонентов

Российское могущество будет прирастать Сибирью и Ледовитым океаном i М. В. Ломоносов.

Актуальность темы

Возрастающий интерес к исследованию цикла углерода в Арктическом Регионе (АР) вызван, в первую очередь, климатическими изменениями, которые наиболее ярко проявляются в северных широтах и выражаются в повышении среднегодовой температуры воздуха и интенсивности атмосферной циркуляции, таянии мерзлоты и горных ледников, увеличении масштабов береговой эрозии и стока рек, что, в конечном итоге, приводит к увеличению эмиссии парниковых газов (двуокиси углерода (С02) и метана (ОЦ) из северных экосистем и усилению эффекта глобального потепления (ACIA, 2004; IPCC, 2001). Изучение динамики последствий глобальных изменений невозможно, во-первых, без всеобъемлющего охвата «ключевых» i географических регионов, в которых происходящие климатические изменения проявляются наиболее отчетливово-вторых, без разработки методических основ и способов их практической реализации, направленных на качественную.

Введение

и количественную оценку основных компонентов углеродного цикла с целью выявления наиболее чувствительных индикаторов происходящих изменений.

В качестве наименее исследованного географического района до настоящего времени считался Восточный сектор Арктических Морей России (Море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море, далее по тексту — МВА). Основными недостатками ранее проведенных исследований и полученных данных являлись: не изученность газообразных компонентов углеродного цикла (С02 и СН^) в системе «водная поверхность-атмосфера», а также в системе «лед-водная поверхность» — несогласованность и противоречивость расчетных данных о структуре и количественном соотношении основных компонентов углеродного цикланедостаток данных, необходимых для обоснования общей картины потоков и баланса масс углерода в Северном Ледовитом Океане (СЛО) (Романкевич и Ветров, 2001).

Предполагается, что потепление и таяние наземной, и субаквальной мерзлоты в АР приведет к значительной мобилизации захороненного ранее наземного органического вещества (ОВ), увеличению его выноса в море и включению в современный биогеохимический цикл углерода в форме СН4 и С02 Согласно существующим оценкам, только в верхнем 100 м слое наземной мерзлоты содержится около 10,000 Гт уптерода ОВ (Гт-С, 1Гт=1015г (Семилетов, 1995; Semiletov, 1999). Увеличение толщины сезонно-талого слоя приводит к увеличению респирации почв с выделением в атмосферу дополнительных количеств С02 и СН4 (при переувлажнении почв и развитии анаэробных условий). Другим крупнейшим резервуаром органического углерода, потенциально доступным к вовлечению в современные геохимические процессы, являются метановые газгидраты, запасы которых на суше оцениваются в 32 000 Гт-С, а на шельфе — приблизительно в 6000 Гт-С (Макагон, 1982). Если учесть, что в современной атмосфере содержится около 750 Гт С-С02 и 4 Гт С-СН4 (ACIA, 2004; IPCC, 2001), то становится очевидным, что.

Введение

вовлечение в круговорот даже незначительной доли ОВ, аккумулированного в углеродном резервуаре мерзлоты и метановых газгидратов, может привести к существенному увеличению эмиссии в атмосферу основных парниковых газов, определяющих глобальные изменения климата. Количественная oifeiiKa положительной обратной связи «потепление — таяние мерзлоты и разрушение газгидратов — эмиссиия парниковых газов» должна стать неотъемлемой частью прогнозных cifenapuee климатических изменений в ближайшем и отдаленном будущем и общей теории климата.

Настоящая работа основана на комплексном и междисциплинарном подходе, используя который автор рассматривает элементы механизма формирования основных компонентов углеродного цикла в МВА и их пространственно-временной изменчивости под воздействием изменений гидрометеорологического режима в системе «атмосфера-суша-шельф». В работе приводятся новые данные, основанные на фактическом материале, касающемся наименее изученных вопросов цикла углерода в Арктике: 1) латеральные потоки в системе «суша-шельф», 2) вертикальные потоки в системе «атмосфера-море», 3) качественные и количественные оценки пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла. Особое внимание уделено оценке обмена газообразным углеродом (С02 и СН4) в системе «атмосфера — водная поверхность» с учетом морского льда. Вклад биопродуктивных процессов в цикл углерода рассматривается в данной работе на примере Чукотского моря, где, в отличие от моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, их вклад в цикл углерода является определяющим. Единство и целостность работы обеспечивались общностью предметной области (биогеохимия цикла углерода в системе «атмосфера-суша-шельф»), объекта (все частные задачи относятся к различным аспектам углеродного цикла в МВА), а также единым методическим подходом к получению, обработке и анализу полученных данных.

Цель работы. Целью настоящей работы является выявление основных процессов, определяющих формирование компонентов углеродного цикла в системе «атмосфера-суша-шельф» в МВА и их пространственно-временную изменчивость, а также разработка методических основ и практических методов количественной оценки компонентов углеродного цикла, интегрирующих происходящие глобальные изменения.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Выявление и оценка основных процессов, ответственных за транспорт наземного углерода в системе «суша-шельф»: роль рек и термоабразионного разрушения берегов;

2. Исследование пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) в комплексе с изменчивостью гидрометеорологических условий (температурой и соленостью воды, гидрохимическими параметрами, атмосферной циркуляцией, стоком рек, состоянием мерзлоты и ледовыми условиями);

3. Выявление и оценка основных процессов, ответственных за вертикальный перенос газообразного углерода (С02 и СН4) в системе «атмосфера-океан» (с учетом морского льда), как наиболее подвижных компонентов углеродного цикла;

4. Количественная оценка межгодовой изменчивости элементов углеродного цикла и отдельных характеристик водных масс на примере прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря;

5. Разработка методических подходов к выявлению межгодовых и.

Введение

долговременных (в масштабе 102 лет) изменений в динамике элементов углеродного цикла в системе «суша — шельф» в связи с глобальными изменениями климата.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность результатов определяется современным уровнем аналитического оборудования и методов анализа. Например, для исследования карбонатной системы (КС), наряду с традиционными методами исследований элементов КС, (путем высокоточного измерения рН, обшей щелочности, общего минерального углерода, с последующим расчетом, основанным на репрезентативной выборке констант ионизации борной и угольной кислоты), использовались прямые измерения величины парциального давления С02 в водз (рСОД с помощью нового сенсора SAMI-C02 (www.sunburstsensors.com). Комплекс этих измерений, наряду с прямыми непрерывными измерениями содержания С02 в воздухе по ходу судна с помощью ИК-спектрометра LiCor-820 (www.licor.com), позволил получить репрезентативные оценки по обмену С02 между поверхностью моря и атмосферой. Для определения растворенного метана, растворенного органическоо углерода (РОУ), взвешенного органического углерода (ВОУ), общего органического углерода (TOC) и хлорофилла в воде, стабильных изотопов углерода © и азота (N), органического вещества в донных осадках и взвешенном материале использовались традиционные методы, принятые в мировой практике (см. подробнее в разделе Глава 3). Для оценки потоков С02 через морской лед использовались микрометеорологический и камерно-динамический методы, позволившие, наряду с прямым определением величин рС02 в рассолах льда и подледной воды, дать первые количественные оценки роли морского льда в балансе атмосферного С02 (Semiletov et.al., 2004). Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки данных, выполненной с использованием современных пакетов аналитических программ, используемых в мировой научной практике (Statistika 5.1- Grapher 5- Surfer 8.0- ODV, Matlab 7.1.

Введение

и Др.).

Научная новизна результатов. Результаты наших многолетних исследований, проведенных в МВА можно рассматривать как первые комплексные океанологические и биогеохимические исследования в системе «суша-шельф», выполненные в этом регионе с использованием современных методов, что позволило получить большой массив репрезентативных данных, характеризующих современные процессы и факторы, оказывающие влияние на формирование и изменчивость компонентов углеродного цикла. Стратегия системного подхода позволила проследить каким образом изменения в атмосферной циркуляции приводят к изменениям речного стока, циркуляции водных масс в море, и как это определяет пространственно-временную изменчивость элементов углеродного цикла в системе «атмосфера-суша-шельф». На основе полученных данных показана ведущая роль потоков эрозионного взвешенного углерода, как фактора, определяющего биогеохимический и седиментационный режимы в исследованных районах МВА. Показано, что вклад рек в поставку взвешенного вещества в море мало значим по сравнению с эрозией берегов. Особое внимание уделено выявлению связей между изменениями в состоянии мерзлоты и особенностями миграции углерода в различных формах. Впервые для МВА были выполнены площадные съемки, которые позволили рассчитать атмосферную эмиссию СН4 и С02 и выявить изменчивость пространственно-временного распределения РОУ и ВОУ, а также интегральное содержание элементов углеродного цикла и солесодержание, позволившие количественно оценить происходящие изменения. Вклад газообразных компонентов в цикл углерода в МВА изучался впервые. Использование одних и тех же методов исследования в море и на суше (реки и озера) позволило получить сопоставимые результаты по распределению и изменчивости элементов цикла углерода и их потоков в системе «суша-шельф». Впервые были проведены комплексные высокопрецизионные измерения потоков С02 надо льдом и через морской лед, на основании которых было показано, что потоки через морской лед могут играть важную роль в балансе атмосферного С02. Научная новизна подтверждена публикациями в реферируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), Национального Научного Фонда США (ННФ), Международного Научного Фонда (Сороса), Фонда МакАртуров, НОАА США и других научных организаций в России и за рубежом .

Практическое значение работы. Выявленные эмпирические зависимости между различными элементами цикла углерода и отдельными характеристиками водных масс могут быть использованы для создания обшей модели потоков и баланса масс углерода в СЛО, уточнению роли положительной обратной связи между изменением климата, состоянием мерзлоты и эмиссией парниковых газов.

Данные по распределению и динамике элементов цикла углерода, полученные в рамках этой работы, могут стать основой для разработки стратегии дальнейших исследований миграции наземного органического вещества и его трансформации в системе «суша-шельф» с целью раннего обнаружения и количественной оценки изменений, происходящих в Арктике под воздействием Глобальных изменений. Полученный фактический материал и подходы, разработанные в рамках выполненной работы, могут быть полезны для разработки модели цикла углерода в региональном и глобальном масштабе.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами в период с 1990 по 2005 гг. Под руководством автора были организованы и выполнены все малые (1−3 участника) и большие (до 20 участников) экспедиции Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН в моря Российской Арктики и их бассейны (водосборы реки Лены и Колымы), всего 16 экспедиций, включая Российскую Трансарктическую Экспедицию-2000, Первую (2003) и Вторую (2004) Российско-Американские экспедиции. Автор лично занимался отбором проб, проводил измерения, занимался обработкой и анализом полученных материалов, написанием статей и глав в коллективных монографиях, три из которых опубликованы под редакцией автора. Изотопные исследования донных осадков и взвеси на содержание органического углерода и азота, а так же ряд других высоко затратных анализов, выполнены в сертифицированных международных лабораториях за счет средств, полученных автором по инициативным грантам ННФ. Автор имеет 4 авторских свидетельства СССР и 2 патента РФ, касающихся модификации газоаналитических методов. Результаты, представленные в разделе 5.4, частично основаны на результатах, полученных и опубликованных автором на равных правах с сотрудниками СевероВосточной Научной Станции (СВНС) Тихоокеанского института географии ДВО РАН (Колымо-Индигирская низменность, пос. Черский, 150 км от устья Колымы).

Апробация работы. В марте 2005 г работа была заслушана, обсуждена и одобрена к защите на Ученом Совете ТОЙ ДВО РАН. В апреле 2005 г работа была представлена, обсуждена и рекомендована к защите на Объединенном коллоквиуме ИО РАН и затем на Ученом Совете Геологического направления ИО РАН. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на многих международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная конференция по биогеохимическим изменениям.

Введение

в окружающей среде в Саламанке (ISEB 10th, октябрь, 1993, Испания) — 21 м генеральная Ассамблея IAPSO (США, 1995) — конференции Американского Геофизического Союза (AGU Fall Meetings, декабрь 1996; 1998; 2002, 2004, США) — международные конференции PICES (Владивосток, 1999; Виктория, Канада, 2001) — 5ое Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена — море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999) — международная конференция по атмосферной химии в Пекине (IGACIASC, 1998) — 2 м конференция по изучению изменения полярного климата (Цукуба) — международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003) — 4ое международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике — GCCA (Нагоя, Япония, 2003) — международная арктическая конференция в Кунминге (7th ASSW, апрель 2005, Китай) — Российско-Американское совещание по сотрудничеству в Арктике (RAISE, июль 2005, США) и др. Начиная с 1995 г материалы положенные в основу диссертации докладывались ежегодно в России или в США на Рабочей Российско-Американской группе RAISE (РАН-ННФ) и на конференциях американской Ассоциации Развития Науки (AAAS Meetings/Arctic Division) на Аляске. По материалам диссертационной работы в декабре 2003 г и феврале 2005 г. проведены семинары в Международном Арктическом Научном центре (МАНЦ) и в Институте морских наук Университета Аляска, Фэрбанкс, в Университете Стокгольм в октябре 2004 г.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 57 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 262 страницах, включая список литературы из 360 наименований, 92 иллюстраций, 15 таблиц.

Выводы:

1. Количественная оценка элементов углеродного цикла в прибрежнойзоне Восточно-Сибирского моря, а также основных параметров, отражающих общую изменчивость гидрологического и геохимического режима шельфа за период 2003;2004 гг показала, что за этот период были накоплены значительные дополнительные запасы растворенного C02, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и / уменьшением интегральной солености и TCO, (DIC) (свидетельствующих s • об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении в шельфовых водах продуктов разрушения ОВ. Предложенный методический подход может быть^использован для индикации количественных изменений элементов углеродного цикла в системе «суша-шелъф-атмосфера».

2. Межгодовая изменчивость элементов углеродного цикла в системе суша-атмосфера-мелководный шельф в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряжена с изменчивостью параметров водных масс, которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов.

3. Выявленные корреляции между интегральными значениями солености, концентрациями РОУ, взвешенного вещества, растворенного С02 и СН4, и ТС02 позволили исследовать динамику изменчивости важнейших параметров характеризующих структуру изменчивости углеродного цикла и водной толщи в целом. Из этого следует, что выявленные связи между интегральными значениями вышепоименованных характеристик шельфовых вод могут быть использованы в дальнейшем для параметризации пространственно-временной изменчивости элементов цикла углерода и отдельных характеристик водных масс МВА и CJIO в целом.

4. v На основании выявленных связей между концентрациями ТС02 и солености представляется возможным восстановить многолетнюю динамику растворенного неорганического углерода расчетным путем, используя исторические данные по солености, а также оценить тенденции происходящих изменений в масштабе последних десятилетий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов теоретического и методологического характера:

1) Вследствие эрозионного разрушения берегов на шельф МВА ежегодно транспортируется, как минимум, 2,0 Тг (Тг) ВОУ, что на два порядка превышает вынос ВОУ со стоком реки Лены 0,04 Тг), из чего следует, что в системе «суша — шельф» термо-абразионное разрушения берегов является основным процессом, ответственным за транспорт наземного взвешенного вещества, обогащенного органическим биологически активным углеродом. Эрозионный ВОУ играет определяющую роль в цикле углерода на мелководном шельфе.

2) Речной транспорт играет ведущую роль в выносе на шельф BMA наземного РОУ (3,7 Тг ежегодно). Однако, речной РОУ является биологически инертным и поэтому играет малую роль в современном биогеохимическом цикле углерода в МВА.

3) Мелководный шельф Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, подверженный сильному влиянию речного стока и эрозии берегов, является источником парниковых газов (С02 и СН4) в атмосферу, в то время как акватории морей, относительно удаленных от этого влияния (например, Чукотское море), являются стоками для атмосферного СОг Рассчитанные величины потоков С02 и СН4 в атмосферу количественно соизмеримы с аккумуляцией ОУ в донных отложениях на шельфе МВА. Это свидетельствует о важной роли газообразных элементов в региональном цикле углерода и необходимости учета этой роли при дальнейшей разработке теории климата и оценке последствий глобальных изменений.

4) На основе первых прямых измерений потоков С02 в системе атмосфера-лед-вода показано, что недоучет роли морского льда в балансе атмосферного С02 может принципиально изменить существующие оценки цикла углерода в GJIO.

5) Аномально высокие концентрации растворенного метана пространственно коррелируют: в придонном слоес зонами разломов морского днав поверхностном слое — со стоком рек.

6) Меэюгодовая изменчивость элементов углеродного цикла в системе суша-атмосфера-мелководный шельф в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряэюена с изменчивостью параметров водных масс, которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов.

7) Анализ распределение стабильных изотопов углерода (АРСИУ) ОВ поверхностного слоя осадков Восточно-Сибирского моря (ВСМ) показал, что выделенная геохимическая фронтальная зона (ГФЗ) между водами Тихоокеанского происхождения и шельфовыми водами ВСМ смещена примерно на 10° долготы к востоку относительно среднего положения гидрофронта в 20 веке (162° в.д.). Данный факт может свидетельствовать о том, что, несмотря на доминирование в 20-м веке антициклонической моды циркуляции в высоких широтах северного полушария, в масштабе последних столетий (-500 лет) доминировала циклоническая мода атмосферной и океанической циркуляции. Таким образом, использование АРСИУ совместно с анализом океанологических данных является перспективным методом изучения палео-океанологических аспектов цикла углерода.

8) Количественная оценка элементов углеродного цикла в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря, а также основных параметров, отражающих общую изменчивость гидрологического и геохимического режима шельфа за период сентябрь 2003 г. — сентябрь 2004 г. показала, что за этот период были накоплены значительные дополнительные запасы растворенного С02, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и уменьшением интегральной солености и ТС02 (01С) (свидетельствующих об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении в шельфовых водах продуктов разрушения ОВ. Предложенный методический подход может быть использован для индикации количественных изменений элементов углеродного цикла в системе «суиш-шельф-атмосфера «.

9) Основными наземными источниками газообразных элементов углеродного цикла в атмосферу АР являются: для С02 — респирация почв, для СН4 — арктические и субарктические озера и подстилающие их талики. Динамика потоков СО2 и СН4 из северных экосистем, а также изменение их концентраций в шельфовых водах могут служить индикаторами состояния наземной и субаквалыюй мерзлоты под влиянием глобальных изменений.

10) Выявленные эмпирические зависимости между прямыми экспресс измерениями CDOM (colored dissolved organic carbon), мутности turbidity), солености, и концентрациями РОУ, взвешенного вещества, и.

ТС02 позволили исследовать изменчивость важнейших элементов углеродного цикла и водной толщи. Полученные результаты могут быть использованы для параметризации и оценки пространственно-временной изменчивости элементов цикла углерода и отдельных характеристик водных масс. Так, например, на основании выявленных связей между концентрациями ТС02 и солености представляется возможным восстановить многолетнюю динамику растворенного неорганического углерода расчетным путем, используя исторические данные по солености, а также оценить тенденции происходящих изменений в масштабе последних десятилетий.

11) Обнаруженные корреляции между интегральными значениями солености, концентрациями РОУ, взвешенного вещества, растворенного С02 и СН4, и ТС02 позволили исследовать структуру изменчивости углеродного цикла и свойств водной толщи. Этот методический подход моэ/сет быть использован для характеристики пространственно-временных изменений в цикле углерода и динамике водных масс CJIO и других районов Мирового океана.