Активная хозяйственная деятельность человека приводит к резкому глобальному изменению в складывавшемся тысячелетиями круговороте веществ в биосфере. Происходит глобальное увеличение количества парниковых газов в атмосфере (двуокиси углерода, метана, фреонов), идет потепление климата, нарушается функционирование экосистем, идет вырубка лесов, эрозия почв. Все эти воздействия имеют глобальный, региональный и локальный характер. Нет ни одной страны в мире, не имеющей в той или иной степени экологических кризисов или катастроф.
Проблема исследования и прогнозирования возможных последствий взаимодействия человека и биосферы и задача рационального использования природных ресурсов требуют изучения крупномасштабных процессов в биосфере.
Особое место при анализе биогеохимических циклов имеет круговорот (цикл) углерода. Углерод является характеристикой динамики органического вещества в экосистемах. В таких процессах, как рост и отмирание растительности, разложение мертвого органического вещества поглощается или выделяется двуокись углерода. В атмосфере углерод находится в основном в виде парникового газа — двуокиси углерода, а значит, характеризует климат планеты.
В результате хозяйственной деятельности человечества выбросы углекислого газа в атмосферу с 1860 г. по 1992 г. привели к увеличению концентрации С02 с 280 млн" 1 до 343 млн" 1, то есть к увеличению на 22,5%. При сохранении такой тенденции к середине будущего столетия можно ожидать удвоения содержания углекислого газа в атмосфере. Регулярные наблюдения за концентрацией углекислого газа в атмосфере показывают, что около 56% выбросов СОг при сжигании топлива остаются в атмосфере. Остальная часть антропогенных выбросов поглощается Мировым океаном и экосистемами суши.
Мировой океан является крупнейшим стоком для углекислого газа антропогенного происхождения. По современным оценкам суммарный поток СОг из атмосферы в океан составляет 2,0 ± 0,8 Гт С • год" 1, притом, что значение антропогенного потока в атмосферу составляет около 6 Гт С • год" 1. Тем не менее, современная изученность процессов обмена СОг на границе атмосфераокеан не дает возможности однозначно выделить акватории, ответственные за сток или источник СО2. Существенной частью цикла углерода в океане является деятельность морской биоты (живых организмов), основной составляющей частью которой является планктон. Однако продуктивность планктона зависит как от климатических условий, так и от наличия в воде питательных веществ, в частности азота.
Исследование способности океана и экосистем суши быть стоком для антропогенного углерода является необходимым для прогнозирования содержания углекислого газа в атмосфере в будущем.
Целью данной работы явилась разработка пространственной сезонной модели глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера — океан и исследование глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера — океан с помощью разработанной математической модели углеродного и азотного циклов в биосфере. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1) разработка пространственной сезонной модели глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера — океан.
2) реализация математической модели в виде комплекса компьютерных программ, обеспечивающих исследование модели и проведение вычислительных экспериментов.
3) исследование решений, описывающих глобальные циклы углерода и азота в системе атмосфера — океан.
4) разработка точечной модели цикла углерода в биосфере на основе пространственной модели.
5) исследование на моделях реакции биосферы и ее подсистем на антропогенные воздействия, прогноз антропогенного роста содержания двуокиси углерода в атмосфере и изменения температуры воздуха.
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе рассмотрены процессы, определяющие глобальный цикл углерода в биосфере. Приведены данные о динамике антропогенных воздействий на углеродный цикл в течение индустриального периода. Рассмотрено развитие модельного подхода к исследованию циклов углерода и азота в океане.
Во второй главе разработана пространственная модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера — океан, учитывающая сезонные изменения происходящих в системе процессов. Приведены схема блоков модели и система обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих модель. Определены потоки углерода и азота в системе. Сделана идентификация параметров и функций, подлежащих определению для функционирования модели.
В третьей главе численно найдено периодическое решение системы нелинейных дифференциальных уравнений модели при отсутствии антропогенных воздействий на систему атмосфера — океан. Приведены среднегодовые распределения и сезонный ход концентраций неорганического углерода и азота, биомассы фитои зоопланктона, первичной продукции планктона, парциального давления растворенного в ВКС С02, потока С02 на границе атмосфера — океан. Исследовано влияние деятельности планктона на распределение неорганического углерода в океане, а также влияние ледяного покрова. Показано, что при удвоении коэффициента газопереноса районы выделения и поглощения СОг в океане не изменяются.
В четвертой главе исследована реакция системы атмосфера-океан на антропогенные воздействия. Приведены результаты экспериментов с одноразовыми мгновенными выбросами С02 в атмосферу. Исследована роль морской биоты и парникового эффекта в поглощении избыточного углекислого газа из атмосферы. Получен сезонный ход потока С02 между атмосферой и экосистемами суши на разных широтах. Рассчитано поглощение океаном и экосистемами суши углекислого газа из атмосферы в течение индустриального периода.
В пятой главе на основе пространственной модели глобального цикла углерода разработана точечная модель углеродного цикла в биосфере, функционирующая в среднегодовом режиме. Сделан прогноз температуры воздуха и содержания углекислого газа в атмосфере в будущем.
В заключении приведены основные выводы работы.
Результаты работы позволяют оформить положения, выносимые на защиту:
1. Разработана и исследована пространственная математическая модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера — океан. Модель функционирует в сезонном режиме.
2. Воспроизведено пространственное и временное распределение неорганического углерода, неорганического азота, фитои зоопланктона в Мировом океане. Рассчитаны пространственное распределение и сезонный ход первичной продукции Мирового океана, парциального давления растворенного в океане углекислого газа, потока углекислого газа на границе атмосфера-океан. Результаты расчетов качественно и количественно соответствуют данным наблюдений.
3. Произведены оценки роли морской биоты и парникового эффекта углекислого газа в поглощении океаном избыточного углекислого газа из атмосферы. Показано, что наличие у углекислого газа парникового эффекта замедляет процесс поглощения, а функционирование морской биоты ослабляет воздействие парникового эффекта на поглощение.
4. Рассчитан сезонный ход обмена С02 между атмосферой и экосистемами суши. Оценено изменение обмена С02 между экосистемами суши и атмосферой на различных широтах за индустриальный период при реальных выбросах углекислого газа в атмосферу от сжигания топлива. Показано, что на всех широтах суша поглощала углекислый газ из атмосферы.
5. Исследовано изменение газообмена между атмосферой и океаном в течение индустриального периода. Определены районы поглощения и выделения С02 из океана.
6. На основе пространственной модели разработана точечная модель углеродного цикла в океане, функционирующая в среднегодовом режиме. С помощью точечной модели углеродного цикла произведены оценки изменения продуктивности растительности суши, получен прогноз температуры и содержания С02 в атмосфере к 2050 году.
Заключение
.
В данной работе представлена пространственная математическая модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера — океан, функционирующая в сезонном режиме с единицей времени 1 месяц. Выбранный при моделировании подход, при котором Мировой океан представлен системой взаимодействующих между собой блоков, оказался эффективным. С помощью относительно небольшого числа уравнений (для неорганического углерода и неорганического азота — по 633 уравнения) удалось воспроизвести пространственное и сезонное распределение углерода, азота, фито и зоопланктона в Мировом океане. Рассчитанные распределения характеристик углеродного и азотного циклов качественно и количественно соответствуют данным измерений.
Используя разработанную модель, оказалось возможным оценить роль экосистем суши и Мирового океана в формировании углеродного цикла в биосфере, как в невозмущенных условиях, так и в условиях реальных антропогенных выбросов.
Путем агрегирования пространственной сезонной модели были получены коэффициенты для точечной модели углеродного цикла в системе атмосфера океан. Разработанная точечная модель может быть легко, без затрат времени и вычислительных мощностей, использована как составляющая часть моделей глобального углеродного цикла в биосфере.
В целом, разработанная модель стала удобным инструментом для исследования последствий антропогенных нагрузок на биосферу.
Проведенные в рамках разработанных моделей исследования позволяют сформулировать следующие выводы:
Разработана пространственная сезонная математическая модель глобальных биогеохимических циклов углерода и азота в системе атмосфераокеан. Модель качественно и количественно адекватно воспроизводит динамику неорганического углерода и неорганического азота в океане и функционирование океанического планктона.
2. Произведены оценки роли морской биоты в глобальном углеродном цикле. Показано, что деятельность океанического планктона формирует зоны с высокими концентрациями неорганического углерода в высоких и умеренных широтах Южного полушария, в зонах апвеллинга и в северной части Тихого океана.
3. Проведены численные эксперименты, позволившие определить возможности Мирового океана поглощать С02 из атмосферы. Показано, что наличие у углекислого газа парникового эффекта замедляет, а деятельность морской биоты ускоряет процесс поглощения. Выявлена роль отдельных районов Мирового океана в процессе поглощения атмосферного углерода.
4. Рассчитан сезонный ход продуктивности экосистем суши. В предположении о зависимости годичной продукции экосистем суши от концентрации С02 в атмосфере произведен расчет поглощения С02 экосистемами суши на разных широтах в течение индустриального периода. Показано, что экосистемы суши поглотили ЮГтС из атмосферы, в то время как океан поглотил 71ГтС. Исследовано изменение газообмена между атмосферой и районами Мирового океана с 1860 по 1990 гг. Суммарное поглощение антропогенного углерода Мировым океаном в 1990 г. составило 2,09 Гт С-год'1. Годичная продукция фитопланктона составила 79 Гт С • год" 1.
5. На основе пространственной модели разработана точечная модель глобального углеродного цикла в биосфере, позволяющая исследовать реакцию океана и экосистем суши на антропогенные воздействия.
6. Получен прогноз содержания углекислого газа в атмосфере и изменения температуры к 2050 году.
