Климатические колебания и морская экосистема Антарктики

Началом экосистемных исследований в Антарктике можно считать 20−30-е годы прошлого столетия, когда Комитетом Дискавери (Великобритания) проводились широкие комплексные работы практически по всему кольцу антарктических вод. Создание Комитета было связано с интенсивной добычей китов в то время. Вторая волна исследований морской экосистемы Антарктики наступила в конце 60-х годов. Она была связана, прежде всего, с развитием Советским Союзом промысла антарктического криля. Многочисленные ежегодные экспедиции судов ВНИРО, АтлантНИРО, АзЧерНИРО и ТИНРО (несколько экспедиций, включающих биологический комплекс работ, были выполнены также на судах Академии Наук и Госкомгидромета) привнесли большое количество новой информации и данных как по биологии видов — живых компонентов экосистемы, так и по среде их обитания. Этот этап исследований продолжается по настоящее время, однако их цели существенно изменились после распада СССР и прекращения им промысла криля. Практически свернуты, к сожалению, и российские научные рыбохозяйственные исследования в Антарктике (некоторым утешением служит почти ежегодно повторяющаяся экспедиция одного из судов АтлантНИРО в район моря Скоша). Сейчас эти исследования в большей степени отвечают требованиям сохранения живых ресурсов Антарктики и главными их исполнителями стали Германия, США, Великобритания, Япония, Австралия и Чили. Функции такой научной и природоохранной организации несет Комиссия по сохранению морских живых ресурсов Антарктики (ССАМЬЯ).

Конечной целью экосистемных исследований является оценка потоков энергии, проходящих через сообщества от низших до высших звеньев трофической цепи [Гершанович и др., 1990], выявление связи их колебаний на разных уровнях с климатическими колебаниями в атмосфере и океане и, наконец, создание качественных и численных моделей как всей экосистемы Антарктики, так и отдельных ее компонентов. Не углубляясь далеко в историю, можно и в современных событиях увидеть катастрофические последствия воздействия некоторых климатических явлений на биологические сообщества. Примером может служить разрушение экосистемы Перуанского апвеллинга в годы Эль- • Ниньо, восстановление которой происходит с трудом и длительное время. Антарктическую экосистему можно отнести к крайне «чувствительным». Антарктические воды, хотя и отличаются достаточно высокой биопродуктивностью, характеризуются малым видовым разнообразием населяющих их сообществ. В результате сильное снижение биомассы ключевого звена в трофической цепи, антарктического криля (Euphausia superba Dana), может привести к реальным отрицательным последствиям для некоторых видов пингвинов, летающих птиц, тюленей и рыб, особенно в изолированных приостровных сообществах. Переход в питании на другие виды планктона не компенсирует энергетические потери, в результате может увеличиваться смертность среди вновь родившихся поколений, снижаться численность популяции. Уничтожение значительной части крупных китов, главных потребителей антарктического криля, привело к формированию невостребованной части популяции последнего. Однако в дальнейшем, по-видимому, этот криль был включен в другие пищевые цепи, что сказалось на увеличении численности мелких китов, тюленей и птиц [Lows, 1985; Воронина, 1993]. Так что нарушения существующего энергетического баланса, свойственного каждой развитой экосистеме, ведут к соответствующим колебаниям численности популяций животных. При этом именно антарктический криль является основным звеном главных трофических цепей Южного океана [Lows, 1977; Lubimova et al., 1985], которые можно обозначить следующим образом: крупный фитопланктон — криль — усатые киты и другие группы консументов (тюлени, пингвины, другие птицы, рыбы, кальмары) [Knox, 1970; Любимова, Шуст, 1980; Moloney & Ryan, 1995].

Постоянные колебательные процессы — одно из характерных свойств экосистемы, находящейся в относительно равновесном состоянии. Связь их с соответствующими колебаниями условий среды фактически не вызывает сомнений, хотя раскрыты, конечно, еще далеко не все закономерности влияния тех или иных факторов среды на развитие и существование популяций. Подобные исследования усложняются тем, что климатические колебания в Антарктике демонстрируют, как правило, пространственное разнообразие. Так что популяциям, расположенным в разных географических областях, в разных природных образованиях, свойственна реакция, соответствующая только данной популяции. Поэтому одной из задач при изучении изменчивости экосистемы было выявление пространственной структуры климатических колебаний в Антарктике. В этой связи нужно напомнить, что в середине прошлого века Г. К. Ижевский [1964] разрабатывал положение о существовании так называемых природных систем в океане, характеризующихся однонаправленными колебаниями в атмосфере, гидросфере и биосфере северного полушария. В этом заключается системный подход к изучению экосистем. Эта идея в дальнейшем нашла свое продолжение в работах многих ученых, занимающихся исследованиями изменчивости экосистем Мирового океана.

В многочисленных работах, посвященных изучению воздействия различных характеристик среды на урожайность, поведение и особенности распределения некоторых представителей антарктической фауны [Mackintosh, 1972; Ainley et al., 1988; Sahrhage, 1988aMakarov et al., 1988; Maslennikov & Solyankin, 1988; Priddle et al., 1988; Fraser et al., 1992; Ichii et al., 1998; Kawaguchi & Satake, 1994; Siegel & Loeb, 1995; Fedulov et al., 1996; Murphy et al., 1998], авторы отмечали хорошо выраженную межгодовую и многолетнюю изменчивость, вплоть до длительных трендов, демонстрирующих однонаправленную реакцию популяций в течение ряда лет. Причем в характере этих длительных колебаний заметна схожесть со столь же продолжительными колебаниями в атмосфере и гидросфере [Sahrhage, 1988В]. Основной объем подобной информации относится, конечно, к антарктическому крилю. При этом диапазон замеченных количественных колебаний весьма широк — от очень крупных и плотных скоплений рачков до почти полного их исчезновения на довольно обширных акваториях. Столь контрастные колебания биомассы криля, происходящие в определенных районах, связаны в большей степени с особенностями его распределения, чем с действительными количественными изменениями обилия криля [Sahrhage, 1988А]. Можно предположить, что колебания биомассы всей гиперпопуляции криля относительно невелики, поскольку они сглаживаются их противофазностью, наблюдающейся в разных секторах Антарктики. Но в отдельных районах они могут быть крайне ощутимы, особенно для непосредственных потребителей криля.

Временной масштаб колебаний, рассматриваемых в данной работе, охватывает диапазон от межгодовых до декадных. На фоне известного долговременного положительного тренда приземной температуры воздуха на планете (глобальное потепление) Антарктика демонстрирует свою, если можно так выразиться, «непричастность». Во всяком случае, явно выраженный положительный тренд температуры воздуха наблюдается пока лишь в одном относительно небольшом районе, примыкающем с запада к Антарктическому п-ову — + 2.5° за 50 лет [King, 1994; Vaughan and Doake, 1996]. Относительно слабым потеплением характеризуются прибрежные районы Западной Антарктиды, отсутствием статистически значимых трендов районы Восточной Антарктиды, а наблюдения на части станций, расположенных в глубине материка, даже демонстрируют похолодание [Comiso, 2000; Shuman, Stearns, 2001; Клепиков и др., 2002]. Такая «непричастность», конечно, кажущаяся. Антарктика — одно из главных звеньев планетарной тепловой машины, этому соответствует и ее вклад в формирование климата планеты. По-видимому, еще достаточно велик «запас прочности» этого природного «холодильника».

На фоне отмеченных долговременных трендов в высоких широтах Южного полушария происходят климатические колебания несколько меньших временных масштабов, от межгодовых до масштаба десятилетий. Как мы увидим ниже, эти колебания в значительной степени определяют изменения, происходящие в экосистеме Антарктики за последние 50 лет.

Для удобства читателей на рис. 1 представлены сведения о положении некоторых пунктов и географических объектов в Антарктике, на которые имеются ссылки в тексте.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ' '.

Актуальность исследования. Антарктика остается пока, пожалуй, наиболее «чистой» в экологическом отношении областью на нашей планете. Возможно, правильней будет сказать наименее «загрязненной», поскольку отрицательные черты антропогенного воздействия на природу отмечаются и здесь. Нужно.

ВО.

120 с/нав (^?лч Королевы У':.! '" >. г ¦ Холпи-Бей (Брит) ^.

Ст Емзльгршнй — ^ т.

Антарктида (.

Ст. Амундевн-Смпт (США).

Рис. 1. Антарктика. Основные географические пункты. Деление акватории на статистические районы и подрайоны по данным Комиссии по сохранению морских живых ресурсов Антарктики (ССАМ1Р). заметить, что лишь в одном относительно небольшом районе, примыкающем с запада к Антарктическому п-ову, средняя годовая температура воздуха возросла на 2.5° за 50 лет. На остальном пространстве Антарктики с такими явлениями природа пока справляется. Относительно слабым потеплением характеризуются прибрежные районы Западной Антарктиды, отсутствием статистически значимых трендов районы Восточной Антарктиды, а наблюдения на части станций, расположенных в глубине материка, даже демонстрируют похолодание. Такая кажущаяся «непричастность», однако, обманчива. Антарктика — одно из главных звеньев планетарной тепловой машины, этому соответствует и ее вклад в формирование климата планеты. По-видимому, еще достаточно велик «запас прочности» этого природного «холодильника».

Пожалуй, наиболее тонким и точным показателем состояния бассейна может служить состояние популяций населяющих его гидробионтов, отражающее механизм воздействия на них постоянно изменяющихся условий среды. Причем наиболее чутко реагируют на эти изменения представители первых трофических уровней, прежде всего планктонное сообщество, в свою очередь, в значительной степени определяющее обилие и характер распределения рыб, пингвинов, ластоногих и китов. Исходя из этого, в свете современных колебаний климата важную научную, охранную и промысловую роль приобретает слежение за изменениями популяций разных видов животных Антарктики. Экосистемные исследования включают в себя оценку потоков энергии, проходящих через сообщества от низших до высших звеньев трофической цепи, выявление связи их колебаний на разных уровнях с климатическими колебаниями в атмосфере и океане и, наконец, создание качественных и численных моделей как всей экосистемы Антарктики, так и отдельных ее компонентов. Изучение морских экосистем Мирового океана — одно из главных направлений развития современной науки об океанах.

Огромный массив гидрологических, гидробиологических, ихтиологических данных, собранный в отечественных экспедициях с начала 60-х годов до начала 90-х годов двадцатого столетия, требует своего обобщения. Советские исследования в Антарктике вывели тогда нашу рыбохозяйственную науку на место явного лидера. В настоящее время Россия, к сожалению, теряет эти завоеванные позиции. А нельзя забывать, что Антарктика является одним из главных энергетических звеньев в глобальном климатическом процессе и самым перспективным, но временно недоиспользуемым, поставщиком животного белка в будущий пищевой рацион численно возрастающего человечества.

Цель и задачи исследования

Цель работы: изучение пространственной и временной структуры колебаний в атмосфере, океане и биосфере Антарктики, их взаимосвязей в масштабах межгодовой и долгопериодной изменчивости. Основные задачи:

1) Анализ пространственной структуры колебаний атмосферного давления на уровне моря и поверхностной температуры воды в Антарктике.

2) Анализ временной структуры колебаний давления на уровне моря и поверхностной температуры воды в Антарктике.

3) Анализ роли Эль-Ниньо (ЭН) — Южного Колебания (КЖ) и Антарктического Колебания (ААК) в антарктической экосистеме.

4) Выделение природных систем, каждая из которых характеризуется однонаправленными изменениями в атмосфере и океане, вызывающими соответствующую реакцию в биосфере.

5) Изучение особенностей распределения антарктического криля в разных пространственных масштабах в связи с распространением разных модификаций антарктических вод и положением фронтов.

6) Анализ связей распределения и воспроизводства антарктического криля с колебаниями давления, температуры воздуха и воды и распространения морского льда.

7) Анализ роли климатических колебаний в распределении китов и изменениях размера популяций некоторых видов пингвинов.

Предмет защиты. На защиту выносятся следующие основные разработки и положенния, имеющие существенные признаки новизны: 1) впервые выявленная на основании кластерного анализа пространственная структура межгодовых и многолетних колебаний атмосферного давления на уровне моря и поверхностной температуры воды в Антарктике- 2) связь этих колебаний с глобальными индексами Южного Колебания — Эль-Ниньо и Антарктического Колебания- 3) впервые выявленные климатические эпохи с противоположным по характеру режимом климатических колебаний в Антарктике- 4) впервые предлагаемое деление Антарктики (на основании анализа результатов, отмеченных в п. 1, 2 и 3) на природные системы и климатические области, характеризующиеся когерентным характером климатических колебаний;

5) пространственная структура гиперпопуляции антарктического криля в связи с распространением разных модификаций антарктических вод и положением фронтов;

6) новая концепция воздействия климатических колебаний на популяционные изменения в планктонном сообществе и на более высоких трофических уровнях в зависимости от их географической приуроченности к разным природным системам и климатическим областям.

Научная новизна. Впервые на основе кластерного анализа данных полей атмосферного давления и температуры воды проведено выделение крупных областей (кластеров), отличающихся единым характером климатических колебаний. Установлены типы дальних связей между ними в пределах Антарктики, а также между антарктическими кластерами и кластерами других климатических зон Южного полушария. Впервые выявлены особенности временной структуры колебаний атмосферного давления и температуры воды в разных областях Антарктики. Установлены сроки климатических режимных) сдвигов (1963/64 и 1982/83 гг.) между периодами продолжительностью ~ 19 лет, характеризующимися постепенным ростом (до очередного сдвига) летнего индекса ААК (и атмосферного давления в умеренных широтах) и понижением атмосферного давления на уровне моря в Антарктике. В ходе летнего индекса ЮК очевиден режимный сдвиг 1977/78 гг., связанный с переходом к эпохе пониженных значений индекса. В ходе летнего индекса ААК можно заметить после 1977/78 гг. явное превалирование его высоких значений, означающее переход от эпохи зонально-симметричного типа атмосферной циркуляции к эпохе зонально-волнового типа. Режимный сдвиг 1977/78 гг. в поле поверхностной температуры воды проявляется в смене эпохи слабой межгодовой изменчивости летней температуры воды на эпоху высокой ее изменчивости. Высокая изменчивость температуры воды после 1977/78 гг. связана с активными взаимовнедрениями контрастных масс воздуха. Установлено, что периоду после 1977/78 гг. свойственно также увеличение интенсивности Эль-Ниньо, прямо влияющей на степень прогрева и размер охваченной им акватории в тихоокеанском секторе.

Впервые проведено деление акватории антарктических вод на крупномасштабные природные системы, каждая из которых характеризуется единой направленностью процессов в атмосфере, океане и биосфере. Выявлены также шесть климатических областей, вносящих элемент нарушений в эти системы. Особенно это относится к периодам развития зонально-волнового типа циркуляции, характерного для современной климатической эпохи (эпохи «контрастов»).

Установлены связи климатических колебаний в Антарктике с глобальными колебаниями, показателями которых служат индексы ЭН-ЮК и ААК.

Установлены пути массового дрейфа и закономерности распределения массовых скоплений антарктического криля (основы его ареала) в связи с распространением вод высокоширотной модификации. Установлены участки формирования концентраций криля в пределах Вторичной фронтальной зоны Антарктики (ВФЗА).

Впервые предложена концепция воздействия климатических колебаний в атмосфере и океане на биологические показатели популяций некоторых видов животных Антарктики. Показано, что распределение ключевого звена основных трофических цепей высокоширотной биоты — антарктического криля (Euphausia superba Dana) и зависящих от него представителей более высоких трофических уровней (рыб, пингвинов, летающих птиц, тюленей и китов) в большой степени определяется сменой меридиональной направленности процессов в атмосфере и океане. Последние, в свою очередь, связаны с соответствующими крупномасштабными климатическими колебаниями, характеризуемыми индексами Южного Колебания, Антарктического Колебания и показателями Эль-Ниньо.

Обоснованность и достоверность результатов. Обширный массив данных, представляющих собой результат реанализа [Kalnay and Coauthors, 1996] и постоянно используемый в многочисленных исследованиях, был подвергнут критике в нескольких работах. Привлечение этих данных в нашем исследовании, с одной стороны, было вынужденно в силу относительно слабой освещенности ими ранних периодов и некоторых районов. С другой стороны, автор после анализа и сопоставления данных с материалами некоторых конкретных съемок, а также в силу отсутствия противоречий в закономерных связях изменений этих показателей с глобальными индексами колебаний (ААК и ЮК) в разные периоды времени (при относительно слабой и при достаточно высокой обеспеченности данными) пришел к выводу о правомерности использования данного материала в исследовании. Большинство американских и британских коллег придерживаются того же мнения, широко используя эти данные.

Обоснованность полученных результатов подтверждается использованием известного хорошо проверенного метода кластерного анализа, благодаря применению программ и компьютеров, позволяющих обрабатывать большие объемы данных. Их достоверность подтверждается результатами многократных экспедиционных комплексных наблюдений с одновременным сбором данных по биологии и условиям среды, а также обращением к источникам биологических данных для разных временных периодов, характеризуемых разными климатическими условиями. Предлагаемая концепция (выделение природных систем и климатических областей в Антарктике и соответствующая реакция приуроченных к ним популяций животных на климатические колебания) характеризуется отсутствием противоречий, возможностью на ее основании описывать, а в некоторых случаях и предсказывать, характер развития некоторых популяций.

Практическая значимость работы. Значимость работы заключается в выявлении современного состояния экосистемы Антарктики. Установленные режимные особенности климатических колебаний, их пространственная неравномерность, а также примеры воздействия условий среды на распределение антарктического криля и на изменения размеров популяций большинства его потребителей в Антарктике могут быть взяты за основу при построении разного рода моделей существования как отдельных антарктических сообществ, так и всей экосистемы Антарктики в целом. Это одно из главных направлений развития современной науки о природе Земли.

Установленные типы пространственной и временной неравномерности климатических колебаний в Антарктике могут быть применены при прогностических разработках погодных условий и, особенно, характера зимнего распространения морского льда.

Промысел антарктического криля в настоящее время очень мал. Однако, велика вероятность в близком будущем увеличения его значения как массового источника пищевого белка (особенно для близлежащих к Антарктике стран). Результаты работы позволяют определить величину допустимого изъятия криля, причем не только общую его цифру для всей супер популяции, но и, что более важно, для отдельных морей и районов его массовых концентраций. В этом важная практическая ценность работы в свете рационального использования сырьевых ресурсов Антарктики в рамках их сохранения и поддержания целостности экосистемы.

Хорошо выраженные элементы воздействия климатических колебаний на разных представителей макропланктона и его консументов в Антарктике на фоне относительно «чистых» экологических показателей, слабо затронутых антропогенным влиянием, могут служить своеобразным эталоном для подобных исследований в других регионах Мирового океана. Они также могут представлять несомненный интерес и с точки зрения учебного материала для соответствующих курсов океанологических и экологических отделений и кафедр в ВУЗ, ах страны. Использованные данные. Основу данных по поверхностной температуре воды, температуре воздуха и атмосферному давлению на уровне моря составляет массив, полученный с сайта Центра диагностики климата (США) и представляющий собой результат реанализа данных по проекту NCEP — NCAR Reanalysis Project [Kalnay and Coauthors, 1996]. Кроме перечисленных гидрометеорологических показателей в работе привлекались также данные по геопотенциальной высоте поверхности 500 гПа, меридиональной и зональной компонентам приземного ветра. Из этого же источника были получены ряды разного типа климатических индексов, широко используемых в работе. К ним относятся индекс Южного Колебания (ЮК), индекс Антарктического Колебания (ААК) и показатели Эль-Ниньо на разных участках тихоокеанского экваториального пояса: ЭН 1.2- 3- 4- 3.4. Данные по положению кромки морского дрейфующего льда были взяты также из Интернета с австралийского сайта.

В работе также использован обширный материал, собранный в Антарктике в экспедициях ВНИРО, АтлантНИРО, АзЧерНИРО, ТИНРО, ААНИИ и ИОРАН. Автор принимал непосредственное участие в 17-ти антарктических экспедициях на НПС «Академик Книпович» (8 рейсов), НПС «Одиссей», РТМС «Возрождение» (2 рейса), НИС «Профессор Зубов», НИС «Профессор Визе», НЭС «Академик Федоров» (3 рейса), КИС «Академик Иоффе».

Биологические показатели в большинстве своем были взяты из соответствующей научной литературы со ссылками на каждое издание. Источником данных по вылову антарктического криля в разных статистических промысловых районах Антарктики был Статистический бюллетень, выпускаемый Комиссией по сохранению морских живых ресурсов Антарктики (ССАМЬК). Публикации и апробация работы. Основные результаты исследования были доложены на заседаниях Ученого Совета ВНИРО, а также на Всесоюзном совещании по макропланктону морей и океанов (1973 г., Москва), на I и II съездах советских океанологов (Москва, 1977 и 1987 гг.), на 5-й, 7-й, 8-й, 9-й и 12-й Всесоюзных конференциях по промысловой океанологии (Калининград, 1979 и 1993 гг., Астрахань, 1987 г., Ленинград, 1990 г. и Светлогорск, 2002 г.), на Всесоюзных конференциях по сырьевым ресурсам Антарктики (Керчь, 1983, 1987 гг.), на Конференции по исследованиям и охране окружающей среды Антарктики (С.-Петербург, ААНИИ, 2002 г.), на международном совещании рабочей группы Антарктической Комиссии (АНТКОМ) по крилю (Ялта, 1991), на Международной конференции по океанографии моря Росса, Антарктика (Италия, Леричи, 1997), на Ученом Совете Каталонского института морских исследований (Испания, Барселона, 1998).

По теме диссертации автором опубликованы 65 работ. Структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, общей характеристики работы, 5 глав, заключения, списка используемых в тексте сокращений и некоторых пояснений и списка литературы, включающего в себя 368 наименований. Основные выводы даются в конце глав и обобщаются в заключении. Объем диссертации составляет 370 страниц, включая 86 рисунков и 8 таблиц.

Выводы из раздела У.4.5:

1. В районе о-ва Ю. Георгия существовали годы, когда превалировали финвалы, и годы с явным преобладанием синих китов — блювалов. При этом финвалы предпочитали мелкий криль, синие киты — более крупный.

2. Средние за теплый сезон (октябрь — март) показатели Эль-Ниньо 3.4 находятся в обратной связи с количеством блювалов и в прямой связи с количеством финвалов.

3. Распределение откармливающихся на криле китов совпадает с расположением наиболее часто повторяющихся скоплений криля в районе шельфа и склона острова. Последние, в свою очередь, связаны с наличием подводных ложбин, секущих склон и имеющих продолжение на шельфе. Наиболее характерны три «очага» обилия: к северу от западной оконечности острова, к северо-востоку от залива Камберленд (центральная часть острова) и к востоку от восточной оконечности острова.

4. Отсутствие криля в шельфовой зоне толкает китов к поисковым перемещениям. Вряд ли они имеют спонтанный характер. Похоже, что эти движения целенаправленны и выводят китов на имеющиеся скопления." .

Таковы перемещения финвалов на северо-восток, в сторону склона и распространяющихся вдоль него вод моря Уэдделла, несущих относительно мелкий криль.

У.б. Роль климатических колебаний в межгодовых и многолетних изменениях размера популяций пингвинов (Императорских и Адели).

Антарктических птиц можно отнести к благоприятным объектам для изучения реакции популяций на изменения условий среды их обитания как локальных, местного уровня, так и крупномасштабных, уровня глобальных климатических колебаний. На процесс изучения реакции этих животных на природные изменения благоприятно сказывается отсутствие достаточно серьезного антропогенного воздействия на популяции [СгохаП е1 а1., 2002].

Одним из главных факторов, непосредственно влияющих на воспроизводство пингвинов, является распространение морского льда. И пингвины Адели, и Императорские пингвины тесно связаны со льдом в процессе всей жизни и особенно в период размножения. Несмотря на казалось бы явную и объяснимую зависимость пингвинов от распространения льда, некоторые факты оказываются весьма противоречивыми, воздействие льда может быть непостоянным в зависимости от района, вида пингвинов, стадии развития [Сгоха11 et а1., 2002]. Сам комплекс взаимодействия атмосфера — лед — океан весьма сложен. Климатические колебания глобального характера могут уже на этих уровнях демонстрировать противоречивые примеры (как правило, связанные с воздействием локальных процессов). Восприятие этих сигналов на уровне биосферы демонстрирует реакцию отдельных видов живых организмов на уже ослабленный и «зашумленный» сигнал. Кроме того, сама реакция весьма неоднозначна как внутри популяции (например, птенцов, молодых особей или взрослых опытных пингвинов), так и, тем более, разных популяций, располагающихся в разных географических и климатических районах. Нужно заметить, что многолетние климатические колебания, выраженные в индексах ЮК, Эль-Ниньо и ААК, демонстрируют более очевидные связи с популяционными колебаниями того же масштаба. Но рассмотрим сначала некоторые примеры сложного воздействия распределения морского льда на экологию пингвина Адели и Императорского пингвина [Сгоха11 е1 а1., 2002].

Приматериковая популяция пингвинов Адели зимой пасется на криле и мелкой рыбе, располагаясь в относительной близости к кромке льда. Потомство они производят летом на свободных от снега участках земли. В это время пингвины питаются и кормят свое потомство в основном крилем, потребляя большое его количество. Исходя из этих основных жизненных этапов пингвинов Адели, можно оценить роль морского льда в успехе размножения и выживаемости как взролых особей, так и птенцов. В течение зимнего периода откорма пингвины Адели не случайно приближаются к кромке льда. Именно там облегчен доступ к пище благодаря наличию большего количества разводий. С другой стороны, можно полагать, что здесь подо льдом больше криля, чем в пределах шельфовой области. Очень сильное развитие ледового покрова неблагоприятно для пингвинов в силу удаления кромки от места расположения колонии. Особенно существенно это в период кормления птенцов. Для них жизненно важно получать регулярно и в достаточном количестве пищу, приносимую родителями. Наличие в относительной близости к колонии полыней не спасает положения, так как все же главной компонентой диеты пингвинов Адели является криль [Croxall et al., 1988; Trivelpiece et al., 1990], который в шельфовых водах в дефиците.

Колонии пингвинов исторически располагались там, где доступ к пище был наиболее гарантирован. Так что некоторые катастрофические для отдельных колоний пингвинов события, произошедшие в последние десятилетия, свидетельствуют о развитии в настоящее время очень неблагоприятной климатической эпохи. Правда, нужно добавить, что столь отрицательное воздействие условий среды не повсеместно. Более того, оно может менять знак реакции на противоположный в другом (даже смежном) районе. Приведем несколько примеров.

В сезон размножения пингвинов Адели 1995 г. в районе станции Моусон (западная часть моря Содружества) на о-ве Бешервез произошла массовая гибель птенцов Адели [Kerry et al., 1995]. Обычное число птенцов там исчислялось в предыдущие годы примерно в 1100 особей. На 16 января 1995 г. на о-ве Бешервез их было 155, а на 6 февраля всего лишь 10 особей. Все они погибли от истощения и было сделано заключение, что причина гибели — недостаток пищи в районе добычи корма, ограниченном при нормальных условиях 100−120 километрами. В результате родители уходили значительно дальше (до 170 км), продолжительность этих ходок увеличилась со средних величин порядка 28 часов до 42 часов, да и при этом они часто возвращались пустыми. Ни самки, в большинстве своем добывающие пищу у кромки льда, ни самцы, ведущие, большей частью, локальный лов, не могли удовлетворить потребности птенцов. Причина отсутствия корма так и не была установлена.

На том же о-ве Бешервез в сезон 1998/99 гг. также наблюдалось относительно пониженное число птенцов ясельного возраста (рис. 83), которое характеризует относительно низкий репродуктивный успех (0.46 птенца ясельного возраста на гнездо) [Irvine et al., 2000]. В вышеупомянутый катастрофический сезон 1994/95 гг. он был равен 0.05. В более благоприятные сезоны репродуктивный успех колебался между 0.69 и 1.06 птенца на гнездо. На рисунке 83 видно, что наиболее благоприятным для местной популяции пингвинов Адели расстоянием от колонии до кромки льда является диапазон 7585 км. Его увеличение до 100 км (примерно на таком расстоянии располагается здесь материковый склон) и более ведет к резкому снижению репродуктивного успеха. В сезон 1999 г. расстояние превышало 120 км. Из имеющихся 9 лет данных в 6 из них распространение льда колебалось как раз в пределах 75−80 км от колонии, т. е. было оптимальным. Причем прослеживается заметная связь с развитием Эль-Ниньо в 1991/92 гг. (особо длительное явление 1990;1995 гг) и в 1997;98 гг. Характерно, что в течение отмеченного «пролонгированного» Эль-Ниньо в 1991;1994 гг. кромка льда держалась исключительно стабильно (на расстоянии 75−85 км от колонии). Однако, в сезон 1994/95 гг., на исходе этого.

Рис. 83 Число птенцов пингвиноа Ад ел и на о-ве Бешервез и изменения расстояния от колонии пингвинов до кромки льда по [Irvine et al., 2000]. n периода, распространение льда резко увеличилось (удаление кромки до 170 км от колонии), что привело к массовой гибели птенцов.

Возможно относительной стабильностью положения кромки, обеспечивающей благоприятные условия для откорма птенцов, и можно объяснить само существование данной популяции пингвинов Адели, даже вопреки возможным катастрофическим событиям, связанным с колебаниями распространения льда. При этом годы Эль-Ниньо сопровождаются, как правило, оптимальным распространением льда, в другие годы оно увеличивает расстояние от колонии, что приводит к снижению репродуктивного успеха популяции о-ва Бешервез. Увеличение распространения льда, связанное с усилением ветров южных румбов и вообще усилением меридионального переноса с юга на север, должно сопровождаться соответствующим выносом криля от материкового склона на север. Следовательно, можно предположить, что в 1995 г. произошел активный вынос криля за пределы его доступности для пингвинов.

Вообще колебания размера данной популяции в 1991;1999 гг. можно охарактеризовать, как крайне неравномерные, с резкими перепадами и отсутствием выраженной тенденции.

Иная картина наблюдается в колебаниях размера популяции пингвинов Адели моря Росса. Как показано в работе [СгохаП е1 а1., 2002], размер этой популяции колеблется, как и популяции о-ва Бешервез, с обратным знаком по отношению к распространению льда. Долговременнные колебания размера популяции пингвинов Адели моря Росса демонстрируют хорошо выраженный тренд к его росту, начиная со второй половины 70-х годов (рис.84а). Вообще можно полагать, что долгопериодная связь кежду показателями популяции пингвинов и показателями климатических изменений должна быть более.

5 5−0.

I 58.

О 0) о ч 6 X л> =.

0) (1) I ~.

0 03 ! гз.

1 1}.

1 I.

Ш X •< а.

Б I ш ь ® ГО 5 8 ¦§" ш > тз X о 8 ы г а> х а" X х тз.

О) ы г со ¦о а> э о э с.

5 X.

Э X 3.

X О, а ?

§ г о ¦о.

Кол-во пар пингвиноа Адели м м и о>

Кол-во пар пингвинов Адели.

Кол-во пар пингвинов Адели.

Аномалии летнего индекса ЮК.

Аномалии летнего индекса ААК.

Аномалии давления в класт.17 и> ю л очевидной, чем связь в масштабе межгодовых колебаний. Так, линейные тренды изменчивости числа размножающихся пар пингвинов Адели в районе моря Росса и изменчивости давления в высокоширотном кластере 17 демонстрируют расхождение (рис. 84а). Это указывает на то, что с ростом индекса ААК (ход которого противоположен изменению давления в кластере 17) происходит увеличение числа размножающихся пар пингвинов (рис. 84 б). То есть переход в конце 70-х годов к эпохе обострения контрастов, увеличения изменчивости в Антарктике оказался благоприятным фактором, вызвавшим популяционный рост пингвинов Адели в море Росса. Эпоха повышенных величин индекса ААК — это эпоха развития зонально-волнового типа атмосферной циркуляции, характеризующегося в данной области (ЗТ на рис. 66) меридиональной направленностью переноса с севера на юг (при высоких индексах ААК), т. е. ослабления распространения льда на север. Это согласуется с выводами, сделанными для района моря Росса в работе [СгохаН е1 а1., 2002] относительно местной популяции пингвинов Адели. Можно заметить, что после 1978 г., т. е. в эпоху, характеризующуюся, в частности, большей повторяемостью отрицательных аномалий летнего индекса ЮК (рис. 84в), рост количества размножающихся пар пингвинов стал особенно выраженным, увеличившись к настоящему времени более, чем в 3 раза по сравнению с 60-ми годами. В предыдущую эпоху этот показатель можно считать стабильным в 60-х годах с небольшим ростом в течение 70-х годов.

Существенно отличается характер колебаний размера размножающейся популяции пингвинов Адели в районе Антарктического п-ова и Ю. Шетландских о-вов. Уменьшение размера популяции о-ва Анверс (архипелаг Палмера, западное побережье Антарктического п-ова) с 70-х годов прошлого столетия и по настоящее время, по-видимому связано с известным потеплением в районе западного побережья Антарктического п-ова и соответствующим сокращением зимнего и весеннего льда, столь необходимого пингвинам Адели для их существования. В результате в последнее десятилетие заметно снижение количества размножающихся пар на фоне ослабления ледового покрова. Вообще за последние 30 лет здесь произошли очень существенные популяционные изменения трех видов местных пингвинов. Популяция пингвинов Адели сократилась на 53%, а популяции Полицейских и Папуасских пингвинов (видов, ассоциирующихся со свободными ото льда антарктическими и субантарктическими водами) возросли практически в 5 раз, сопровождаясь заметным смещением на юг [Fraser, 2002]. В межгодовом плане реакция данной популяции пингвинов Адели на распространение льда оказывается противоположной ее реакции при нормальных условиях, т. е. увеличение ледового покрова становится благоприятным фактором [Croxall et al., 2002]. Тем самым это противоречит реакции, которую демонстрирует популяция пингвинов Адели в море Росса.

Итак, основная закономерность воздействия ледового покрова на колебания размера популяции пингвинов Адели в целом заключается в том, что большое количество льда ведет к увеличению продолжительности ходок за кормом, иногда к снижению обилия пищи, что, в конечном итоге, не удовлетворяет пищевым потребностям быстро растущих птенцов. В то же время зимний и особенно весенний ледовый покров необходим взрослым пингвинам для тех же самых целей, собственного питания и добычи пищи для птенцов. По-видимому, все это свойственно популяциям пингвинов Адели вообще, независимо от их географического положения. Таким образом, можно заключить, что для них, вероятно, существует определенное оптимальное количество льда на разных этапах жизненного цикла. Колебания распространения льда как в сторону его сильного увеличения, так и в сторону сильного уменьшения ледового покрова приводят к отрицательному воздействию как на воспроизводство (прежде всего на выживаемость на ранних стадиях развития), так и на выживаемость взросльгх особей. В рамках оптимального распространения льда (свой оптимум для каждой из колоний) его сокращение ведет к снижению энергетических затрат на поиск пищи, т. е. является благоприятным фактором. Увеличение распространения льда, соответственно, ведет к обратному результату.

Можно полагать, что оптимальное распространение льда, по-видимому, соответствует его многолетней норме. Таким образом, наиболее благоприятные условия формируются в период развития зонально-симметрично типа атмосферной циркуляции (см. рис.66). Можно высказать предположение о том, что предполагаемое близкое завершение эпохи контрастов, высокой интенсивности атмосферных процессов (в том числе и явлений Эль-Ниньо) приведет к ослаблению интенсивности потока вод АЦТ в тихоокеанском секторе Антарктики, к ослаблению влияния теплых глубинных вод на склоновые и шельфовые районы западного побережья Антарктического п-ова, к снижению температуры воды там и к восстановлению оптимального зимнего и весеннего ледового покрова, что, в свою очередь должно положительно сказаться на росте местной популяции пингвинов Адели.

Столь противоречивое влияние распространения льда на популяции пингвинов Адели подталкивает к поиску других, более однозначных показателей. Конечно, главным из них является обилие пищи, т. е., прежде всего, обилие антарктического криля и его доступность для пингвинов. Однако таких более или менее длительных рядов данных, к сожалению, практически нет. Сопоставление колебаний размера популяции пингвинов Адели залива Адмиралти (о-в Кинг-Джордж, Ю. Шетландские о-ва) с общим выловом криля в районе Ю. Шетландских о-вов показывает неплохую положительную связь (рис. 85а), т. е. рост обилия взрослого криля сопровождается, как правило, увеличением размера популяции пингвинов. Это служит дополнительным косвенным подтверждением вывода, сделанного в работе [Trivelpiece W., Trivelpiece S., 1995], о росте популяции пингвинов после зим с интенсивным распространением льда и ее уменьшении после зим со слабым распространением. В первом случае, как было показано выше, в популяцию криля вливается успешное пополнение (за счет наличия мощного пищевого ресурса в виде криофильного фитопланктона подо льдом, способствующего повышению выживаемости и взрослых особей криля, и, главное, его личинок [Hamner et al., 1983; Marschall, 1988; Daly, 1990; Daly, 2002; Kawaguchi, Satake, 1994; Fraser, Trivelpiece, 1995; Siegel, Loeb, 1995]) и происходит рост обилия криля, основной пищи пингвинов Адели. Зимы со слабым распространением льда имеют отрицательное воздействие и на криль, и на местную популяцию пингвинов. Сопоставление с ледовыми данными, естественно, демонстрирует высокую коррелятивную связь (до +0.81) между количеством пар размножающихся пингвинов Адели залива Адмиралти и распространением льда предшествующей зимой (рис. 85 б, в).

Отмечаемое многими авторами смещение волны аномалий распространения льда с запада на восток [Fraser, Trivelpiece, 1995; Murphy et al., 1995; White, Peterson, 1996] в данном случае получает неплохое подтверждение. Выражается, оно в высокой положительной связи распространения льда на 80−100° з.д. (т.е. в море Беллинсгаузена) при временном.

Рис. 85 Сопоставление количества пар размножающихся пингвинов Адели в заливе Адмиралти (о-в Кинг-Джордж,.

Ю. Шетландские о-ва) по [W. Trivelpiece, S. Trivelpiece, 1995] с выловом криля у Ю. Шетландских о-вов, годовым ледовым индексом для того же района по [Hewitt, 1997] и аномалиями зимнего распространения льда на разных меридианах (с временными сдвигами). ы.

U) о сдвиге на +2 года, а на 50−70° з.д. при сдвиге на +1 год с колебаниями размера популяции пингвинов Адели залива Адмиралти (рис. 85г). Это предполагает возможность прогностических разработок, связанных с предсказанием колебаний популяции пингвинов с 2-годичной заблаговременностью по данным о распространении зимнего льда в районе моря Беллинсгаузена или (с еще большей оправдываемостью, но меньшей заблаговременностью) по распространению льда прошлой зимой в районе непосредственно у Ю. Шетландских о-вов.

Императорские пингвины демонстрируют совершенно уникальные способности к выживаемости в самых критических условиях высоких широт. Они выводят птенцов зимой на прибрежном льду. Самцы высиживают отложенные самками яйца, практически не питаясь в это время. Самки откармливаются мелкой рыбой, кальмарами и крилем вдали от колоний в полыньях, на временных участках открытой воды и у кромки льда. При этом нужно отметить, что полыньи, даже расположенные близко к колонии, далеко не всегда используются пингвинами для добычи пищи. Обычно они предпочитают весьма удаленные районы кромки льда [Croxall et al., 2002]. Ответ напрашивается сам, т. е. в первом случае кормовых объектов нет или их мало, во втором они, напротив, обильны. Полыньи, в большинстве своем связаны с дивергентными движениями и, тем самым, с подъемом вод. Это неблагоприятный фактор для концентрирования макропланктона.

После появления на свет птенцов их дальнейшее существование в огромной степени зависит от снабжения пищей родителями. Это, в свою очередь, определяется, наряду с обилием пищи вообще, также и сроками взламывания льда, после чего уже оперенные птенцы получают непосредственный доступ к пище. С другой стороны, лед необходим взрослым Императорским пингвинам в период линьки (3−4 недели), наступающий сразу после завершения периода размножения (когда оперившиеся птенцы переходят к самостоятельному питанию), т. е. в январе-феврале [СгохаИ е1 а1., 2002]. Так что колебания ледовых условий, как видим, также играют большую роль в изменениях выживаемости пингвинов и успехе их размножения, в конечном итоге в колебаниях размера популяции.

Как показано в работе [СгохаИ еЬ а1., 2002], в 1975;81 гг. в районе Земли Адели, где размещается одна из популяций Императорских пингвинов, наблюдалось практически непрерывное сокращение расстояния между кромкой льда (ее зимним положением) и колониями пингвинов (с 420 км до 200 км). Это означает, что в этот период здесь превалировал перенос в направлении с севера на юг, который должен был сопровождаться повышением температуры и сокращением ледового покрова. Происходило это в период смены климатических эпох и формирования известного режимного сдвига 1977;78 гг (с учетом локальных особенностей в разных пунктах Антарктики 1976;81 гг.). В течение этого периода размер местной популяции пингвинов уменьшался столь же интенсивно и к 1982 г. количество размножающихся пар снизилось почти в 3 раза по сравнению с 1962;1975 гг. (рис. 86). Остается неясным, каков механизм столь резкого снижения размера популяции Императорских пингвинов, причем снижения столь существенного, что вплоть до 1999 г. никаких признаков его восстановления не было заметно, хотя распространение льда уже через два года, в 1983 г. достигло прежних величин. Одним из объяснений может быть отсутствие или малое количество неразрушенного льда, необходимого пингвинам в период линьки. В то же время, следуя канве рассуждений данной работы, можно предположить, что тут вступил в силу характерный для нового климатического.

Рис. 86 Сопоставление изменений во времени размеров популяций Императорских пингвинов Земли Адели по [СгохаИ е1 а!., 2002] и пингвинов Адели моря Росса по [СгохаИ е1 а1., 2002] (а), размера популяции Императорских пингвинов и зимнего индекса ААК (б), размера популяции Императорских пингвинов и количества родившихся щенков южных тюленей на о-ве Макуори по [БИаидИпеззу, СоЮэжэгШу, 1993]. режима, наступившего после 1977 г., фактор, а именно, высокая изменчивость * межгодовых колебаний (в том числе и распространения льда), не позволяющая стабилизировать ситуацию и способствовать росту популяции, в силу того, что успешные пополнения могут чередоваться с их провалами. В предыдущую эпоху колебания льда, можно полагать, не были столь велики, что должно было благоприятно отразиться на популяционных показателях. Таким образом, предполагаемая смена существующей эпохи, возможно, может вывести популяцию из кризиса и восстановить ее численность. Одним из показателей таких изменений является понижение индекса ААК. Эпоха, когда превалировали его отрицательные аномалии, что наблюдалось до 1978 г. (рис. 86 б), характеризовалась стабильно высокими величинами размера популяции Императорских пингвинов.

Конечно, главным фактором жизнеспособности популяции пингвинов V остается наличие и обилие пищи, а также ее доступность. Для Императорских пингвинов это не только криль, но также рыбы и кальмары. Кормовые поля связаны с шельфовой и, главным образом, склоновой зонами. Поэтому слишком слабое распространение льда, т. е. смещение кромки на юг относительно нормы, может лишить пингвинов, пожалуй, самого важного участка добычи пищиматерикового склона. Эти предположения нуждаются в проверке.

Итак, на основании вышесказанного можно прийти к следующим заключениям. Реакция популяций пингвинов (как Адели, так и Императорских) на распространение льда весьма противоречива, она меняется на разных этапах жизненного цикла пингвинов и в разных районах Антарктики. В любом случае главной причиной колебаний размера популяций пингвинов служит обилие пищи ^ как для взрослых особей, так и, по-видимому, в большей степени, в процессе выкармливания появившихся на свет птенцов. Именно выживаемость птенцов, как представляется, является главным регулятором размера популяции. Различия в сроках размножения, расположения кормовых полей и доступности пищи для разных видов пингвинов, конечно, определяют соответствующие различия в их реакции на изменения условий среды, в конечном итоге различия в долгопериодных колебаниях размеров популяций. Они оказались весьма разительными (рис. 86а) с высокой отрицательной корреляционной связью (г = -0.82). Причем наиболее резкие изменения в обоих случаях происходили во второй половине 70-х годов, согласуясь с известным климатическим режимным сдвигом, наблюдавшимся и впервые обнаруженным в северном полушарии [Miller et al., 1994], но затем отмеченным и в южном полушарии [Ainley et al., 2002], в частности, в многочисленных примерах и выводах настоящей работы. В этой же связи, можно полагать, не случайно во второй половине 70-х годов началось увеличение с каждым годом пополнения популяции южных тюленей (Arctocephalus) на о-ве Макуори [Shaughnessy, Goldsworthy, 1993] (рис.86в). О-в Макуори расположен севернее ЮПФЗ, т. е. в субантарктических водах. Тюлений промысел еще в 19-м веке практически уничтожил популяцию. После этого первые родившиеся единичные щенки были зафиксированы лишь в 1954 г. Так продолжалось вплоть до середины 70-х годов (от 1 до 7 щенков), а после 1.978 г. начался ежегодный рост пополнения, и в 1990 г. родились уже 68 щенков. Возможно, это связано с питанием, появлением большого количества пелагических миктофовых рыб, которыми преимущественно питаются местные южные тюлени. Воможны и другие причины. Но, как бы то ни было, достаточно велика в данном случае вероятность воздействия климатического режимного сдвига, произошедшего во второй половине 70-х годов, и перехода к новой климатической эпохе, продолжающейся по настоящее время (хотя есть предпосылки ее смены в 2002;2003 гг.). Ее вполне можно назвать эпохой контрастов, как пространственных, так и временных. Развитие преимущественно зонально-волнового типа циркуляции в атомосфере способствует внедрениям (иногда довольно глубоким) контрастных воздушных масс (умеренных и полярных) в пределы антарктического океанического пояса, что, в свою очередь, приводит к пространственным различиям в знаке колебаний и к их сильной межгодовой изменчивости. Выводы из раздела VI.4.6:

1. Пингвины Адели (Pygoscelis adeliae), и Императорский пингвин.

Aptenodytes forsteri) тесно связаны со льдом в процессе всей жизни и особенно в период размножения.

2. Долговременные колебания размера популяции пингвинов Адели моря Росса демонстрируют хорошо выраженный тренд к его росту. Начиная со второй половины 70-х годов рост количества размножающихся пар пингвинов стал особенно выраженным, увеличившись к настоящему времени более, чем в 3 раза по сравнению с 60-ми годами. В предыдущую эпоху этот показатель можно считать стабильным в 60-х годах с небольшим ростом в течение 70-х годов. Эпоха повышенных величин индекса ААК — это эпоха развития зонально-волнового типа атмосферной циркуляции, характеризующегося в данной области (ЗТ), большей частью, меридиональной направленностью переноса с севера на юг, т. е. ослаблением распространения льда на север.

3. В районе западного побережья Антарктического п-ова, напротив, произошло сильное уменьшение размера популяции пингвинов Адели. Это связано, по-видимому, с известным потеплением и соответствующим сокращением зимнего и весеннего льда, столь необходимого пингвинам Адели для их зимнего существования. Популяция пингвинов Адели сократилась на 53%, а популяции пингвинов чинстреп (Pygoscelis Antarctica) и пингвинов папуа (Pygoscelisрариа) (видов, ассоциирующихся со свободными ото льда антарктическими и субантарктическими водами) возросли практически в 5 раз, сопровождаясь заметным смещением на юг.

4. Для пингвинов Адели, вероятно, существует определенное оптимальное количество льда на разных этапах жизненного цикла. Колебания его распространения как в сторону сильного увеличения, так и в сторону сильного уменьшения приводят к отрицательному воздействию как на воспроизводство (прежде всего на выживаемость на ранних стадиях развития), так и на выживаемость взрослых особей.

5. Рост обилия взрослого криля в районе Ю. Шетландских о-вов сопровождается, как правило, увеличением размера популяции пингвинов Адели залива Адмиралти (о-в Кинг-Джордж, Ю. Шетландские о-ва). Соответственно, сопоставление с ледовыми данными демонстрирует высокую коррелятивную связь (до +0.81) между количеством пар размножающихся пингвинов Адели залива Адмиралти и распространением льда предшествующей зимой.

6. В течение 1975;1981 гг. на фоне непрерывного сокращения (с 420 км до 200 км) расстояния между кромкой льда и колониями императорских пингвинов в районе Земли Адели размер их местной популяции уменьшался столь же интенсивно и к 1982 г. количество размножающихся пар снизилось почти в 3 раза по сравнению с 1962;1975 гг.

7. Особенности биологии пингвинов Адели и Императорских пингвинов предопределили разную реакцию в близко расположенных популяциях на изменения условий среды. Это выразилось в противоположном ходе кривых, характеризующих колебания размера популяций (г = -0.82). При этом наиболее резкие изменения в обоих случаях происходили во второй половине 70-х годов, согласуясь с известным климатическим режимным сдвигом.

Заключение

.

Итак, мы рассмотрели основные положения концепции формирования природных систем в Антарктике, характеризующихся единой направленностью процессов в атмосфере, океане и биосфере. На фоне выявленных двух крупномасштабных природных систем, Высокоантарктической (ВАПС) и.

Низкоантарктической (НАПС), проявляются шесть климатических областей, колебания в которых происходят с меняющимся знаком направленности процессов. Эти климатические области (по две в каждом из секторов, тихоокеанском, атлантическом и индоокеанском, с противоположным знаком) связаны с существованием так называемой стоячей волны колебаний, амплитуда которой меняется во времени. При этом волна либо сглаживается (зонально-симметричный тип атмосферной циркуляции), либо, напротив, усиливается (зонально-волновой тип) [Mo, «White, 1985]. Согласно этим колебаниям меняется интенсивность воздействия волны на соответствующие климатические области. В первом случае амплитуда межгодовых колебаний давления на уровне моря, приземной температуры воздуха и поверхностной температуры воды уменьшается. Во втором случае амплитуда колебаний, напротив, возрастает в результате воздействия внедрений контрастных масс воздуха. Климатические колебания в Антарктике, естественно, тесно связаны с глобальными колебаниями, главными показателями которых служат индексы Эль-Ниньо — Южного Колебания (ЭНЮК) и Антарктического Колебания (ААК). Зонально-симметричный тип атмосферной циркуляции сопровождается, как правило, пониженным индексом ААК. Зонально-волновой тип, соответственно, формируется при повышенном индексе ААК. Снижение индекса ААК, т. е. общее повышение давления в высокоширотном поясе низкого давления и его понижение в поясе высокого давления в умеренных широтах (в конечном счете сглаживание контраста между этими альтернативными поясами), указывает на развитие в экваториальной тихоокеанской зоне процесса Эль-Ниньо, и сопровождается ростом температуры воды там. В эти годы в Антарктике формируется область положительных аномалий поверхностной температуры воды с характерными очагами» в разных секторах. Наиболее ярко такое повышение температуры воды проявляется в центральной и восточной частях тихоокеанского сектора Антарктики. Высокие величины ААК, которые характеризуют обратный процесс, т. е. снижение давления в Антарктике и его рост в умеренных широтах (обострение горизонтального градиента давления между альтернативными поясами) сопровождаются, как правило, развитием явления, противоположного по знаку Эль-Ниньо (Ля-Нинья) с понижением температуры воды в экваториальной зоне Тихого океана. При этом в пределах НАПС наблюдается общее понижение температуры воды, что соответствует противоположной (относительно упомянутых выше теплых лет) фазе стоячей волны колебаний.

Обнаружены периоды продолжительностью около 19 лет, характеризующиеся положительными трендами в ходе индекса ААК (и атмосферного давления в умеренных широтах) и отрицательными в изменениях давления в Антарктике. Между этими периодами наблюдались режимные климатические сдвиги, происходившие в годы развития Эль-Ниньо 1963/64 гг. и 1982/83 гг. и демонстрирующие падение величины индекса (и аномалий давления в умеренных широтах) и рост аномалий давления в Антарктике.

В ходе летнего индекса ЮК очевиден режимный сдвиг 1977/78 гг., связанный с переходом к эпохе пониженных значений индекса. В ходе летнего индекса ААК можно заметить после 1977/78 гг. явное превалирование его высоких значений. Известный режимный сдвиг 1977/78 гг. хорошо проявляется в поле поверхностной температуры воды в Антарктике. До этой временной черты с 1949/50 гг. по 1977/81 гг. летняя температура характеризовалась очень слабой межгодовой изменчивостью. В дальнейшем (и по настоящее время) амплитуда колебаний температуры воды резко увеличилась. Эти изменения связаны со сменой в 1977/78 гг. эпохи пониженных значений летнего индекса ААК на эпоху их повышения, что является показателем перехода к преимущественно зонально-волновому типу атмосферной циркуляции. Последний, в свою очередь, ведет к активным взаимовнедрениям контрастных масс воздуха и к повышению изменчивости температуры воздуха и воды. Этому же периоду (после 1977/78 гг.) свойственно увеличение интенсивности Эль-Ниньо, прямо влияющей на степень прогрева и размер охваченной им акватории в тихоокеанском секторе.

Итак, можно сделать вывод, что последние два десятилетия в Антарктике сопровождаются пространственно-временной контрастностью распределения характеристик, увеличением их межгодовой изменчивости. В предыдущую климатическую эпоху наблюдался иной тип циркуляции (зонально-симметричный) с соответствующим ему ослаблением внедрений контрастных масс воздуха, более сглаженной пространственной картиной распределения характеристик, ослабленной межгодовой изменчивостью. Соответственно, разные климатические эпохи приводят к отличающейся реакции отдельных популяций животных в Антарктике. Современная эпоха, эпоха контрастов, естественно, -способствовала резким колебаниям популяционных показателей некоторых видов животных. Наравне с показателями, свидетельствующими о росте некоторых популяций пингвинов (пингвины Адели в .море Росса, популяции Полицейских и Папуасских пингвинов в районе западного побережья Антарктического п-ова), существуют факты резкого сокращения размера популяций (пингвины Адели в районе Антарктического п-ова, в районе о-ва Ватерлоо — Кинг-Джордж, Императорские пингвины в районе Земли Адели) или сильной межгодовой изменчивости выживаемости птенцов пингвинов Адели в районе о-ва Бешервез (море Содружества), включающей одну из самых сильных популяционных катастроф 1994/1995 гг., когда погибло почти все поколение народившихся птенцов. Характерно, что наиболее резкие количественные изменения крупных популяций Адели моря Росса и Императорских пингвинов Земли Адели произошли в период известного климатического режимного сдвига 1977/1978 гг.

Наиболее важным звеном в пищевой цепи морской экосистемы Антарктики является антарктический криль-. Локальные количественные колебания криля (или его доступность) регулируют популяционные изменения многих его потребителей, включая рыб, пингвинов, летающих птиц, тюленей. Колебания обилия криля также демонстрируют пространственные контрасты согласно географическому положению скоплений и возможному воздействию меридиональных сдвигов северного или южного направлений. Подобные сдвиги в большой степени характерны для текущей климатической эпохи. Отсюда резкие колебания пополнений криля, связанные с соответствующими колебаниями плодовитости (зависящей от количества скапливающихся на нерестилищах зрелых рачков) и выживаемости личинок (в большой степени определяемой развитием ледового покрова зимой через обеспеченность пищей в виде криофильного фитопланктона). Для высокоширотной части гиперпопуляции криля, располагающейся, главным образом, в узкой присклоновой зоне, более благоприятен период, наблюдавшийся до 1977/78 гг., прежде всего, в силу своей стабильности, отсутствия сильных меридиональных сдвигов в атмосфере и в океане. Вероятно то же самое можно сказать и об участках, где криль выносится далеко на север, т. е. районах Ю. Шетландских о-вов и о-ва Ю. Георгия. Однако там очень благоприятные ситуации могут складываться и в климатическую эпоху, которая развивается после 1977/78 гг. и характеризуется сильными меридиональными смещениями. Можно полагать, что в годы развития Эль-Ниньо высокой интенсивности (как в 1982/83 гг.) происходят процессы, оказывающие очень неблагоприятное воздействие на крилевую популяцию в северных нерестовых зонах (районы Ю. Шетландских о-вов и о-ва Ю. Георгия) и даже в высокоширотных присклоновых районах, но только там, где сказывается действие меридионального смещения переноса в направлении с юга на север.

Можно сказать, что в эпоху до 1977/78 гг. (в «спокойную» эпоху) большую роль в распределении криля играет его перенос в зональном направлении, обмен особями между разными группировками. Меридиональные воздействия ослаблены. Осуществляется более естественный процесс крупномасштабного дрейфа криля и снабжения (поддержания) одних циклических группировок особями смежных группировок. Обилие криля в результате становится более равномерным по акватории его основы араеала. В противоположную эпоху после 1977/78 гг. (эпоха «контрастов») это обилие более дифференцировано, разорвано на отдельные участки, более изменчиво.

Понятно, что высказанные положения, хотя и в большинстве своем логично вытекающие из анализа пространственно-временной структуры климатических колебаний в Антарктике, все же требуют дальнейших исследований. Прежде всего, это касается формирования достаточно длительных и репрезентативных рядов биологических данных. Необходимо более детальное изучение реакции каждой из локальных группировок криля на изменения условий среды. Мы пока далеки от решения поставленных проблем. В то же время, ориентируясь на логические связи между физическими и биологическими показателями, мы постепенно приближаемся к их пониманию. А если они подтверждаются цепочкой таких сопоставлений, то и к пониманию некой системы связей и, в конце концов, действия и реализации отдельных природных систем вцелом. И все же нужно помнить о границах исследовательских возможностей на данном этапе, зависящих, прежде всего, от репрезентативности данных и продолжительности их рядов.

В изучении морской экосистемы Антарктики представляется перспективным уделить особое внимание изучению теплых глубинных вод, их распространения, трансформации, формирования локальных модификаций и, конечно, их временной изменчивости. Как было отмечено в работе, климатическая роль глубинных вод в Антарктике, по-видимому, исключительно велика. Эта водная масса, как некий аккумулятор тепла, при разных климатических условиях может выступать в качестве регулятора теплового состояния поверхностной водной массы с далеко идущими климатическими последствиями. Отмечена также ее несомненная биологическая роль, прежде всего, в распределении, переносе, использовании глубинных вод в сезонных проявлениях жизненного цикла отдельных представителей планктонного сообщества Антарктики (в частности, антарктического криля).

На фоне современной тенденции к общему потеплению земной атмосферы Антарктику пока можно считать районом, наименее затронутым этим процессом. Огромная масса холодных вод Южного океана является важнейшим естественным регулятором наличия в атмосфере одного из главных «тепличных газов» — двуокиси углерода (СОг). Происходит это в силу повышения его растворимости в холодной воде и дальнейшего участия в процессах фотосинтеза, потребления и последующего перехода с фекальными частицами в форму донных осадков. Конечно, трудно сейчас оценить возможные климатические последствия в Антарктике в случае продолжения тенденции к глобальному потеплению. В этой связи нужно отметить некоторые факторы, которые могут способствовать сглаживанию реакции высокоширотных атмосферы и гидросферы на глобальные изменения. Это, прежде всего, связано с выявленной пространственной неравномерностью колебаний в Южном океане, с формированием крупных климатических областей, характеризующихся противоположным знаком направленности процессов (в том числе и сменой знака аномалий температуры воздуха и воды). Кроме того, предполагаемая смена существующей климатической эпохи (эпоха «контрастов» при повышеных величинах индекса ААК) на более спокойную эпоху (снижение индекса ААК) должна сопровождаться ослаблением внедрений контрастных масс воздуха и, соответственно, ослаблением межгодовой изменчивости колебаний и общим фоновым похолоданием в Антарктике. Аналогичные «меры защиты», соответственно, обнаружены и у популяций разных видов животных. Прежде всего, это относится к антарктическому крилю, циркумполярное распределение которого предопределяет ту же пространственную неравномерность реакции на воздействия различных климатических показателей. В настоящий момент серьезное беспокойство может вызывать лишь район западного побережья Антарктического п-ова, где происходят очень существенные изменения многих компонентов местной экосистемы (атмосфера — поверхностный слой океанаглубинные воды — шельфовые ледники — морской лед — планктонное сообщество — криль — пингвины Адели — папуасские и полицейские пингвины — киты). По существу этот район может служить своеобразным полигоном, демонстрирующим возможные направления развития антарктических экосистем под влиянием явного потепления климата.

Несмотря на кажущуюся простоту и логичность полученных пространственных связей и выявленных режимов колебаний, нужно помнить о сложности, а порой и противоречивости во взаимодействиях между разными * компонентами экосистемы. Поэтому проверка выдвинутых положений на основе данных более высокого качества и большей продолжительности позволит в дальнейшем уточнить характер сопряженности гидрометеорологических процессов в Антарктике с другими климатическими областями, а также периодичности режимных показателей и сроков их смены.

В заключение хочется сказать, что при подготовке данной монографии были использованы материалы и данные, в получении которых принимали участие ученые ВНИРО разных специальностей. На работы многих из них есть ссылки. Большой вклад в изучение океанологии Антарктики внесли такие «киты» промысловой океанологии как кгн Е. В. Солянкин, кгн М. А. Богданов, дгн.

A.А.Елизаров, кгн В. В. Попков, дфмн В. Н. Зырянов, кгн С. С. Парфенович. Огромный материал был собран в экспедициях Н. В. Хвацким, A.B. Сусловым,.

B.В. Крюковым, кгн Д. В. Богдановым, С. А. Зозулей, В. Е. Полонским. Современное состояние изученности гидрохимии Антарктики во многом обязано исследованиям кбн Н. В. Аржановой, кбн И. А. Налетовой, кхн Н. В. Мордасовой, дхн С. Г. Орадовского, кгн М. А. Буркальцевой, кгн В. В. Волковинского,.

Ю.А. Михайловского, В. Л. Зубаревича, А. И. Бондаренко. Геологические исследования проводили дгмн Д. Е. Гершанович, кгмн И. К. Авилов, И. П. Зарихин, кгмн А. И. Дмитриенко. Конечно, все эти исследования велись совместно с биологами и, главным образом, планктонологами ВНИРО, среди которых работали кбн P.P. Макаров, кбн Е. В. Владимирская, кбн В. А. Спиридонов, кбн Л. Л. Меньшенина, В. В. Шевцов, А. Вагин, кбн O.A. Мовчан, кбн И. П. Канаева, кбн В. Я. Павлов, дбн Б. Г. Иванов и, конечно, дбн Т. Г. Любимова и дби К. В. Шуст, занимавшиеся обобщением биологических данных в экосистемных исследованиях. Столь же объемен вклад ученых АтлантНИРО, АзЧерНИРО, ТИНРО.

Наряду с научными работниками, участниками морских экспедиций в Антарктику, мы всегда с теплом вспоминаем наших многочисленных друзей, членов экипажа НПС «Академик Книпович». Благодаря им в исключительно суровых погодных и навигационных условиях были совершены около 20 рейсов в Антарктику. В условиях одиночного плавания, с одной машиной, без ледового пояса в сильнейшие и частые шторма, в окружении десятков, а то и сотен айсбергов, именно эти люди позволили получать данные даже в почти недоступных местах. Все это благодаря наличию и сохранению почти неизменного «костяка» экипажа с начала истории судна в 1964 г. Перечислю некоторых из них: капитаны А. Г. Петухов, С. И. Петрик, Г. М. Ильгов, 1-е помощники капитана К. И. Круглов, А. Кучеренко, штурманы Ю. И. Павлов,.

A.M. Сацюк, А. Концедалов, С. В. Тицкий, П. Л. Климов, акустик В. Н. Кочетков, представители механической службы Ю. Шквара, В. Н. Фоменко,.

B. Зусмановский, И. С. Васильев, К. Романенко, В. Николаев, Г. В. Захаров, Ю. А. Евдокимов, Ю. Г. Стогний, C.B. Филатов, А. Денисюк, Э. В. Захаров, А. Мантров, И. Лепский, технолог А. П. Борисенко, представители палубной команды боцманы В. П. Селихов, А. Витвицкий, матросы А. Душко, А. Михайлов, И. Безмен, Д. Острогляд, представители траловой команды Ю. М. Руднев,.

И. Дригоза, В. Черепнин, Н. Сяткин.

Хочу выразить особую благодарность сотрудникам ВНИРО кгн М. А. Богданову, A.C. Кровнину, дгн A.A. Елизарову, дбн К. В. Шусту за ценные советы при обсуждении работы, Г. П. Мурому за составление некоторых компьютерных программ для расчетов, А. К. Грузевичу за советы при компьютерном изготовлении рисунков, дгмн Д. Е. Гершановичу за общие наставления при написании работы. Также хочу выразить благодарность за ценные замечания и советы дбн Н. М. Ворониной (ИОРАН), дфмн В. Н. Зырянову (ИВПАН) и дгн С. Н. Родионову (PMEL/NOAA, Seattle, USA).

Список сокращений в тексте и некоторые терминологические пояснения.

ВНИРО — Всероссийский научно-исследовательский ин-т рыбного хозяйства и океанографии (Москва).

АтлантНИРО — Атлантический научно-исследовательский ин-т рыбного хозяйства и океанографии (Калининград).

АзЧерНИРО — Азово-Черноморский научно-исследовательский ин-т рыбного хозяйства и океанографии (Керчь).

ТИНРО — Тихоокеанский научно-исследовательский ин-т рыбного хозяйства и океанографии (Владивосток).

ААНИИ — Научно-исследовательский ин-т Арктики и Антарктики (Госкомгидромет, Санкт-Петербург).

ИОРАН — Институт океанологии Российской Академии Наук (Москва).

CCAMLR — Commission for the Conservation of Antarctic Marine Living Resources (Комиссия по сохранению морских живых ресурсов Антарктики).

CDC NOAA CIRES — Climate Diagnostics Center — National Oceanic and Atmospheric Administration — Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (Центр диагностики климата — Национальная администрация по изучению океана и атмосферы — Объединенный институт по изучению наук о среде).

WOCE — World Ocean Circulation Experiment (Программа по изучению циркуляции Мирового океана).

НИС — научно-исследовательское судно.

РТМС — рыболовный морозильный супер-траулер.

НПС — научно-промысловое судно.

НЭС — научно-экспедиционное судно:

ЮК — Южное Колебание.

ААК — Антарктическое Колебание.

ЭНЮК — Эль-Ниньо — Южное Колебание.

ТДК — Тихоокеанское Декадное Колебание.

ЭН — Эль-Ниньо.

ТПО — Температура поверхности океана.

Н500 — геопотенциальная высота поверхности 500 гПа.

PCR — Per Capita Recruitment (пополнение на единицу особи).

АПВ — Антарктическая Поверхностная водная масса. ЦГВ — Циркумполярная Глубинная водная масса. мЦГВ — модифицированная ЦГВ. В ЦГВ — Верхняя ЦГВ. НЦГВ — Нижняя ЦГВ.

САГВ — Северо-Атлантическая Глубинная водная масса.

ГВКУ — Глубинная вода Круговорота Уэдделла.

ЦПКУВ — Центральная промежуточная вода Круговорота Уэдделла.

УГВ — Уэдделловоморская Глубинная вода. •.

ГВКР — Глубинная вода Круговорота Росса.

АДВ — Антарктическая Донная водная масса.

АПрВ — Антарктическая Промежуточная водная масса.

АТТТВ — Антарктическая Шельфовая вода.

ШВНС — Шельфовая вода низкой солености.

ШВВС — Шельфовая вода высокой солености.

ВШЛ — Вода шельфовых ледников.

АШПВ — Антарктическая Шельфовая Поверхностная вода.

ЮПФЗ — Южная Полярная Фронтальная Зона.

ПФ — Полярный Фронт.

САФ — Субантарктический Фронт.

ВФЗА — Вторичная фронтальная зона Антарктики.

ЮАЦТФ — Южный Фронт Антарктического Циркумполярного Течения.

АД — Антарктическая Дивергенция.

ВПШФ — Высокоширотный Пришельфовый Фронт.

СФ — Склоновый фронт.

Бмакс — ядро глубинного максимума солености. Тмакс — ядро глубинного максимума температуры. Огмин — ядро глубинного минимума кислорода. Тмин — ядро подповерхностного минимума температуры.

АЦТ — Антарктическое циркумполярное течение.

КУ — Круговорот Уэдделла.

КР — Круговорот Росса.

АПТ — Антарктическое Прибрежное течение.

ЗСТ — Западное Склоновое течение.

ПСТ — Полярное Склоновое течение.

АЦВ — Антарктическая Циркумполярная Волна. ВАПС — Высокоантарктическая природная система. НАПС — Низкоантарктическая природная система. ЗТ — Западно-тихоокеанская климатическая область. ВТ — Восточно-тихоокеанская климатическая область. ЗА — Западно-атлантическая климатическая область. ВА — Восточно-атлантическая климатическая область. ЗИ — Западно-индоокеанская климатическая область. ВИ — Восточно-индоокеанская климатическая область.

Явление Эль-Ниньо — аномальное потепление вод у побережий Перу и Эквадора. По определению Тренберта [Trenberth, 1997] к Эль-Ниньо относятся явления, когда аномалии поверхностной температуры воды, превышающие 0.4°, в районе ЭН3.4 (см. ниже) наблюдаются по крайней мере в течение пяти последовательных месяцев. Явление периодическое, происходит спериодичностью, большей частью, 2−7 лет. Связано с колебаниями пассатных ветров, накоплением тепла в западной экваториальной части Тихого океана и последующим его распространением на восток с внутренней экваториальной волной Кельвина. В результате наблюдается прекращение апвеллинга у побережья Южной Америки и иногда катастрофический рост температуры воды. При этом местные популяции рыб и птиц резко сокращают свою численность, погибая из-за отсутствия пищи. Огромное количество избыточного тепла поглощается атмосферой в процессе развития Эль-Ниньо. Это ведет к глобальной перестройке атмосферной циркуляции. Меняется режим ветров и погоды на всей планете. В связи с этим обостряются аномальные явления, приводящие к засухам, наводнениям, резким похолоданиям и потеплениям. При сильных явлениях Эль-Ниньо неустойчивость в атмосфере и нарушения в системе взаимодействия ее с океаном могут сохраняться длительное время, иногда на протяжении нескольких лет.

Явление Ля-Нинья — альтернативное явлению Эль-Ниньо, характеризует холодную фазу колебаний температуры воды в районе Перу и Эквадора.

ЭН 1.2, 3, 4, 3.4 — условное разделение экваториального пояса на участки, поверхностная температура которых характеризует определенные этапы развития Эль-Ниньо. ЭН1.2 — 0°-10° ю.ш., 80°-90° з.д.- ЭНЗ.

5° с.ш.-5° ю.ш., 90° з.д.-150° з.д.- ЭН4 — 5° с.ш.-5° ю.ш., 150° з.д.-165° в.д.- ЭНЗ.4 — 5° с.ш.-5° ю.ш., 120° з.д.-170° з.д.

Интенсивность Эль-Ниньо — характеризуется средней величиной наиболее высоких аномалий поверхностной температуры воды в течение трех последовательных месяцев в районе ЭНЗ.4.

Диаграмма Ховмоллера — представляет пространственно-временной характер колебаний. В данном случае представляет межгодовую изменчивость летних аномалий поверхностной температуры воды и атмосферного давления на всем протяжении меридиана 120° з.д.