CC BY
272
Вестник ДВО РАН. 2013. № 6
УДК 551.46
В.В. НАВРОЦКИЙ
Мировой океан
и глобальные изменения климата
Показано, что ключевая роль океана как основного аккумулятора солнечной энергии в глобальных изменениях климата обусловлена не только его физическими свойствами, но и изменением состояния его биоты под воздействием внешних неклиматических факторов, главным из которых является солнечная активность.
Ключевые слова: климат, океан, фитопланктон, солнечная активность.
The World Ocean and global climate changes. V.V. NAVROTSKIY (V.I. Ilyichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
It is shown that the key role of ocean as the main solar energy accumulator is due not only to its physical properties, but also to the oceanic biota changes forced by exterior non-climate factors, the solar activity being the principal among others.
Key words: climate, ocean, phytoplankton, solar activity.
Глобальные изменения климата Земли являются одной из критических проблем современной цивилизации. Они проявляются не только и не столько в увеличении среднегодовой глобально осредненной температуры атмосферы, но прежде всего в усилении пространственных и временных колебаний климатических параметров (температуры, давления атмосферы, скорости ветра, влажности, осадков, сезонности и др.). Значения климатических параметров определяются процессами в климатической системе, состоящей из океанов, атмосферы, суши, биоты и человеческой цивилизации как отдельной подсистемы. Все тепловые и динамические процессы в климатической системе являются проявлением ее энергии, главная часть которой содержится не в средних значениях, а в пространственно-временных дисперсиях климатических параметров. Основными являются две проблемы: 1) источники энергии для изменения климата как пространственно-временного распределения климатических параметров; 2) механизмы изменения этого распределения.
Очевидным является факт, что главным источником энергии в климатической системе Земли является излучение Солнца, более точно - участок спектра, включающий видимую и ближнюю инфракрасную области. Самым естественным решением проблемы представляется изменение светимости Солнца, но оно оказалось недостаточным для объяснения наблюдаемых изменений теплового баланса планеты (особенно потепления во второй половине XX столетия) как из-за малости колебаний светимости Солнца (колебания солнечной постоянной порядка 0,1%), так и из-за отсутствия в светимости трендов, наблюдаемых в тепловом балансе Земли [4, 7, 8].
В данной статье мы не будем рассматривать долгопериодные колебания, связанные с вариациями наклона земной оси, прецессией точек равноденствия вдоль земной орбиты, изменением эксцентриситета орбиты, вариациями и инверсиями магнитного поля Земли. Основной интерес для нас представляют быстрые, в масштабах десятилетий, колебания с большими амплитудами, которые, по утверждению климатологов, не были характерны
НАВРОЦКИЙ Вадим Васильевич - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). E-mail: [email protected]
для прошлых тысячелетий (утверждение спорное, если вспомнить о быстром подъеме уровня океана в конце последнего ледникового периода).
В климатической системе Земли непрерывно происходят взаимные преобразования тепловой и механической энергии и аккумуляция энергии в органическом веществе, но в нулевом приближении можно рассматривать температуру как существенную характеристику энергетического состояния системы. На дисперсию распределения температуры помимо колебаний солнечной постоянной могут влиять а) изменения степени неравномерности (пятнистости) распределения тепла по поверхности Земли и б) изменения амплитуды пространственно-временных колебаний теплового баланса поверхности. В сильно нелинейной климатической системе Земли оба эти фактора взаимосвязаны и работают практически одновременно. Большинство исследований проблемы климата было направлено на изучение изменений глобального теплового баланса в связи с изменениями свойств атмосферы под воздействием различных факторов (парниковые газы, солнечная активность, космические лучи и т.п.) и в связи с процессами взаимодействия между океаном и атмосферой. Полученные в этих направлениях полезные результаты [1, 6-8] недостаточны как с точки зрения энергетики и характеристик климатического процесса в прошлом, так и с точки зрения его возможного прогнозирования. В данной работе основное внимание обращено на процессы усвоения солнечной энергии поверхностью Земли, в которых большое значение имеет взаимодействие живого вещества Земли и климата при наличии воздействия на них внешних факторов и главную роль играет океан.
Океан и тепловой баланс планеты
Прежде всего оценим, насколько велика роль океана в тепловом балансе Земли и его изменении. В работе [1] приведены данные об изменении содержания тепла (в единицах 1022 I) в океане (14,2), в атмосфере (0,5) и на континентах (0,76) в 1961-2003 гг. при глобальном изменении 15,9. Это значит, что на океан приходится около 90% от глобального изменения содержания тепла. При этом оно в 28,4 раза больше, чем в атмосфере, и в 18,4 раза больше, чем на континентах. Аналогичные величины в 1993-2003 гг. составили 8,11 для океана, 0,20 для атмосферы и 0,18 для континентов. Получаем изменение содержания тепла за этот период в океане больше атмосферного в 40,5 раза и больше континентального в 45 раз. Таким образом, средняя ежегодная скорость накопления тепла в 1993-2003 гг. была больше, чем в 1961-2003 гг., в 3 раза для океана, в 2,1 для атмосферы и в 1,23 раза для континентов.
Из приведенных соотношений следует очевидный диагноз: океан перегрет по отношению к атмосфере и континентам, и этот процесс шел с ускорением в последние десятилетия. Столь же очевидны последствия такого процесса: 1) увеличение испарения из океанов и термических контрастов океан-суша; 2) увеличение интенсивности циркуляции атмосферы и особенно увеличение энергии циклонов, питающихся энергией океана. Если учесть, что кинетическая энергия атмосферы как минимум на порядок меньше ее тепловой энергии (с учетом энергии, полученной из океана в процессе испарения), то ясно, что динамика атмосферы будет суперчувствительна к увеличению ее тепло- и влагосодер-жания и контрастов теплосодержания суши и океана. Увеличение испарения из океанов приводит к перенасыщению атмосферы водяным паром. Перенасыщенная атмосфера при возросших контрастах океан-суша не сможет далеко переносить избыточную воду и будет обрушиваться проливными дождями главным образом на окраины материков, оставляя безводными огромные удаленные от океанов территории. А это не только засухи на полях, но и уменьшение водосбора и наполнения рек и озер.
Помимо того что океан занимает больше 70% поверхности Земли, альбедо (отражательная способность) водной поверхности в среднем в 3 раза меньше альбедо суши. Резкое уменьшение зеленой массы и урбанизация привели к увеличению альбедо поверхности
суши и уменьшению доли солнечной энергии, запасенной в органическом веществе. Поскольку на суше нет систем, которые могли бы накапливать, перераспределять во времени и пространстве и в течение долгого времени отдавать тепловую энергию атмосфере (летний прогрев суши в среднем на 1 м ликвидируется уже в начале холодного сезона), то значительного накопления тепловой энергии на суше не происходит.
В океане, как и на суше, значительная часть солнечной энергии запасается в виде органического вещества. Но в отличие от суши, благодаря прозрачности воды и рассеиванию на взвешенных частицах, свет проникает до глубин 100-150 м в чистых водах и до 15-20 м в водах средних широт с большой концентрацией планктона. Основная часть солнечной энергии идет на нагрев слоя воды, толщина и теплосодержание которого зависят: а) от интенсивности вертикального перемешивания; б) от прозрачности воды, которая зависит от концентрации планктона и других взвесей. В этой последней зависимости содержится ключ к проблеме воздействия экосистем океана на колебания климата.
Прежде всего есть принципиальное различие между факторами вертикального перемешивания и концентрации фитопланктона. Перемешивание определяется внутренними, сформировавшимися к этому моменту процессами в климатической системе, а на характеристики планктона действуют не только внутрисистемные факторы, но и независимые от них меняющиеся во времени характеристики солнечной эманации. Это значит, что проникающая в океан солнечная энергия сама меняет качественно и количественно условия своего проникновения и сохранения как в органическом веществе, так и в структуре поля плотности океанских вод.
При высокой концентрации первичных продуцентов увеличивается доля энергии на фотосинтез, прогревается только тонкий поверхностный слой и увеличивается доля уходящей из воды длинноволновой радиации. Теплообмен с атмосферой довольно быстро уменьшает разность температур вода-воздух и потоки тепла и пара в атмосферу. В то же время при низкой концентрации органического вещества коротковолновая солнечная радиация (меньше 550 нм) проникает намного глубже. По оценкам, данным в работе [2], это может приводить к повышению температуры на 0,5 °С/год на глубине 100 м и на 0,07 °С/год на глубине 200 м. В масштабе десятилетий это очень большой радиационный нагрев, который в неподвижном океане приводил бы к очень большим горизонтальным градиентам теплозапаса верхнего слоя океана.
В действительности благодаря многомасштабному вертикальному и горизонтальному перемешиванию, наличию зон конвергенции и дивергенции и глубоководной циркуляции солнечная энергия запасается на всех глубинах внутри океана («окаменевшая» энергия), переносится течениями на разных глубинах, воздействуя на пространственно-временную структуру поля плотности, а тем самым и на структуру самих течений. И главное: эта энергия в других местах и со сдвигами во времени возвращается в тепло- и водообмен с атмосферой, меняя пространственно-временную структуру и величину теплового баланса Земли даже при количественно неизменной светимости Солнца.
Естественно, изложенные причинно-следственные связи описывают только часть происходящих процессов, так как воздействие геострофических течений, вертикальной циркуляции в зонах конвергенции-дивергенции и возникающих вследствие энергообмена вода-воздух флуктуаций в циркуляции атмосферы и соответствующих дрейфовых течениях приводит к сложному и меняющемуся во времени распределению температуры [2]. Но эти связи являются первичными и необходимыми для понимания глобальной закономерности: чем меньше органического вещества в океане, тем больше накопление тепловой энергии и формирование энергетических контрастов в климатической системе и, как следствие, «избыточной» дисперсии всех климатических параметров. Дисперсия климатических и экосистемных параметров необходима для нормального функционирования и взаимодействия этих систем, но существует некоторый интервал комфортности, оптимальности для биоты Земли, вне которого дисперсию можно охарактеризовать как
«избыточную». Таким образом, любые факторы, меняющие характеристики океанической биоты, должны быть изучены не только ради нее самой, но и для понимания и корректного моделирования климатических процессов.
Солнечная активность, биота океана, климат
Каковы основные виды и механизмы солнечных эффектов на экосистемы Земли, которые могут быть значимы для глобального климата? Несколько условно их можно разделить на прямые и косвенные. Хотя главный первичный продуцент фитопланктон (ФП), влияющий на аккумуляцию тепла в океане, чувствителен к изменению температуры, глобально осредненное изменение температуры океана за счет колебаний светимости Солнца слишком мало, чтобы влиять на биомассу ФП. Наиболее явный прямой эффект на ФП оказывает ультрафиолетовая радиация в диапазоне 280-400 нм [3]. Повреждающий эффект ультрафиолета (УФ) на живые организмы известен давно и является объектом многих исследований в медицине. У сложных гетеротрофных организмов существуют различные системы защиты от избыточного ультрафиолета, но фитопланктон по своей природе не может существовать без солнечного света и потому является наиболее подверженным воздействию УФ.
Спасательными средствами фитопланктона являются активные вертикальные перемещения (гравитаксис и фототаксис), а также экранирующие пигменты и системы фотовосстановления. У разных видов ФП наличие и эффективность этих защитных средств сильно различаются в зависимости от физических, химических и гидробиологических параметров среды. Отсюда возможность не только глобального ингибирования фотосинтеза всех видов ФП, но также качественной и количественной перестройки структуры сообществ и их пространственно-временного распределения. Например, такие виды, как Кагета ЬгеУ1&\ А1ехапс1гшт/ыпёуете, А. /атагете, устойчивые к ультрафиолетовому излучению, типичны в водах при цветении («красные приливы») и во многих случаях рассматриваются как следствие потепления в период Эль-Ниньо [12]. Флуктуации УФ -радиации, меняющие структуру сообщества и создающие преимущества для отдельных видов, могут привести к интенсивному цветению устойчивых к ультрафиолету видов на больших акваториях, и солнечная энергия, концентрируясь в тонком слое, будет экстремально нагревать воду и прилегающую атмосферу. В такой ситуации могут возникать аномальные пространственные распределения температуры воды и давления атмосферы, характерные
для явления Эль-Ниньо, которое может быть не только причиной, но и результатом специфического цветения, вызванного флуктуациями солнечной активности.
Изменения солнечной активности традиционно связывают с солнечными пятнами. Поскольку обсуждавшиеся выше эффекты были обусловлены ультрафиолетовой радиацией, важно убедиться, что эти явления тесно связаны. На рис. 1а показаны колебания индекса изменчивости УФ-радиации в полосе 220-310 нм в течение 14 лет, полученные осреднением суточных колебаний на интервале 27 сут [11]. На рис. 1б приведены полученные таким же образом
0.29 н—н
200 150
зоо-
500
1| ||1 1 1 л 1
г л Л / У К1Ч Л
л \ .1 / У
V (гП; мА
б 1979 1981 1983 1985 1987 1981) 1991 1993.
Годы
Рис. 1. Индекс изменчивости УФ-радиации (а) [7] и числа Вольфа (б)
колебания числа Вольфа количества солнечных пятен (использована база данных 8ГОС [10]). Легко видеть, что эти ряды связаны практически линейной зависимостью, так что колебания УФ с периодами значительно меньше года можно оценивать по информации о солнечных пятнах, получаемой во многих геофизических и астрофизических центрах.
Как упоминалось выше, колебания светимости Солнца в пределах 0,1%, включающие в себя и вклад солнечных пятен, недостаточны для объяснения наблюдаемых на Земле тепловых процессов. Колебания УФ на порядок больше колебаний солнечной постоянной при месячном осреднении и еще в 2-3 раза больше при суточном. Фитопланктон очень чувствителен к этому относительному неравенству. Энергия УФ в рассматриваемом участке спектра намного меньше интегральной энергии видимого света и не оказывает прямого теплового воздействия, но в механизме фотосинтеза высокоэнергичные фотоны УФ чрезвычайно важны. Именно воздействие ультрафиолетовой радиации приводит к значительным эффектам в метаболизме фитопланктона и в конечном итоге к изменению макропотоков энергии. Такие воздействия с энергией ниже теплового порога принято рассматривать как информационные. Поскольку эффекты УФ на фитопланктон могут проявляться довольно быстро, имеет смысл детальнее рассмотреть структуру солнечных циклов с использованием чисел Вольфа, отражающих число и группировку солнечных пятен, не ограничиваясь общепринятым поиском 11-летних периодичностей в земных процессах.
С использованием метода просеивания, предложенного Н. Хуангом [5] для спектрального анализа нестационарных и нелинейных процессов, выполнено разложение на внутренние ортогональные функции (базис) ряда дневных значений чисел Вольфа в 1950-2004 гг. На рис. 2 представлены колебания чисел Вольфа W в течение попавших в этот период пяти 11-летних циклов солнечной активности и три компоненты базиса. 10-я компонента базиса (прямая линия при W = 75) соответствует среднему значению W за этот период. Наиболее четко в этом разложении представлена 8-я компонента с 11-летним периодом (толстая светлая линия), но амплитуды компонент 2 и 3, включающих периоды от 10 до 45 сут, часто были больше амплитуд основной 8-й компоненты. На рис. 2 показана только одна высокочастотная 2-я компонента, имеющая максимальные амплитуды на периодах 15-25 сут. В этом интервале находятся период и полупериод вращения Солнца на экваторе, а на Земле периоды репродукции фитопланктона, так что довольно короткие аномальные воздействия солнечной радиации могут иметь долговременные последствия для всей экосистемы.
Хотя в интегральном спектре энергия короткопериодных колебаний намного меньше, чем 11-летний максимум, но они могут быть более стабильны от цикла к циклу, четче проявляться в частотно-временных спектрах и оказывать более выраженный эффект на интересующие нас процессы. На рис. 3 представлен частотно-временной спектр (частоты пересчитаны в периоды) колебаний чисел Вольфа с 1906 по 2006 г. Анализ этого спектра, рассчитанного с использованием метода, предложенного Н. Хуан-гом [5], приводит к интересным результатам: 1) во временном ходе максимумы энергии вырастают в виде колонн из зоны вокруг 11-летнего периода (около 4000
сут). Относительные временные
1350 1860 1970 1980 1990 2000
Годы
Рис. 2. Ряд чисел Вольфа W в 1950-2000 гг. и компоненты 2, 8, 10 разложения этого ряда на внутренние базисные функции
Рис. 3. Спектральный разрез в плоскости «время-период» колебаний чисел Вольфа в 1906-2006 гг. Т - период колебаний, 1 - время. Периоды и энергия представлены в логарифмическом масштабе
изменения энергии в этой зоне малы, в то время как в более короткопериодных компонентах мы видим довольно резкое чередование во времени высоких и низких уровней энергии; 2) спектральная структура флуктуаций в периоды максимумов W (распределение энергии внутри колонн) значительно меняется от цикла к циклу, практически не повторяясь, хотя зоны повышенных энергий в интервалах 600-900 и 60-40 сут есть в большинстве циклов; 3) самое поразительное свойство - строгая регулярность изменения энергии в интервале 5-40 сут: в каждом цикле энергия движется от начальных периодов к меньшим и снова возвращается к начальным периодам на том же уровне энергии независимо от значительных изменений спектральной структуры в интервале больших периодов. Этот процесс очень похож на поведение классической колмогоровской турбулентности при переменном притоке энергии из низких частот, и можно предположить, что короткая периодичность 5-40 сут соответствует интервалу вязкой для скорости и диффузивной для магнитного поля диссипации энергии в солнечных пятнах.
Таким образом, можно полагать, что связанные с солнечными пятнами колебания УФ радиации могут оказывать значительный эффект на планктон в океанах в короткие, но наиболее важные для планктона интервалы времени порядка 2-5 нед. Воздействие колебаний УФ радиации на глобальный климат может осуществляться несколькими путями. Главный эффект - фотоингибирование, при котором происходит значительное уменьшение способности фотосинтеза, уменьшаются затраты на фотосинтез и соответственно увеличивается доля энергии для нагрева воды. Уменьшение концентрации ФП увеличивает прозрачность и накопление тепла в более глубоких слоях. К тому же УФ разбивает молекулы растворенного углерода и другой органики, облегчая поглощение ее бактериями и тем самым увеличивая прозрачность и очищая путь для более глубокого проникновения радиации.
Менее явным, но не менее важным является воздействие на ФП флуктуаций магнитных полей. Сама природа солнечных пятен обусловлена магнитогидродинамикой солнечных процессов, но в дополнение к магнитным колебаниям солнечного происхождения имеют место колебания геомагнитных полей, возникающие как в результате процессов внутри Земли, так и под воздействием процессов на Солнце. Особенно большие аномалии магнитных полей порождаются солнечными вспышками и коронарными выбросами. Экстремальная чувствительность живой материи к колебаниям электромагнитных и магнитных полей обусловлена высоким уровнем поляризации биомолекул и биомембран. Многие морские организмы обладают способностью к специфическому восприятию
электромагнитных и магнитных полей. При отсутствии специальных органов такая восприимчивость может быть объяснена изменением структуры биологической лиотропной жидкости внутри организма либо структуры морской воды, которая в океане в той или иной степени лиотропна, особенно в высокопродуктивных зонах.
В настоящее время нет достаточной информации об эффектах магнитно модифицированной воды на метаболизм различных организмов и видов в океане, но имеющиеся экспериментальные результаты [9] (изменение поверхностного натяжения, вязкости, размера водных кластеров, соотношения свободных молекул и др.) указывают на необходимость исследований в этом направлении. Поскольку колебания магнитных полей могут существенно влиять на все уровни в океанических трофических цепях, то воздействие на концентрацию ФП может идти не только снизу (от солнечной энергии и питательных веществ), но и сверху - от нектона и зоопланктона. Важно понять и учитывать, что живая материя обладает экстрасенсорными способностями воспринимать информационные (энергетически пренебрежимые) воздействия физических полей и использовать их для изменения потоков энергии на макроуровне.
Заключение
Многообразие взаимодействий климата и экосистем очень усложняет понимание и моделирование происходящих процессов. Тем не менее проведенный анализ показывает, что общепринятый подход «от климата к экосистемам» недостаточен, и его необходимо дополнить как в моделировании, так и в наблюдениях исследованиями на встречном пути - «от экосистем к климату». При этом солнечные, космические и геофизические эффекты, действующие одновременно, но по-разному и на климат, и на экосистемы, надо рассматривать не только в многолетних масштабах, но и в масштабах, характерных для первичных и вторичных продуцентов, поскольку для внутренних и внешних процессов в этих сильно нелинейных системах характерны длительные последствия от кратковременных воздействий.
Главные вопросы в проблеме изменений и взаимодействия климата и экосистем Земли - наличие устойчивых состояний, характер колебаний в этих состояниях и критерии перехода между ними. Если речь идет только о естественных процессах, то при ограниченном и слабо меняющемся притоке внешней энергии проблема в принципе разрешима. Как бы глубоко и долго ни скрывалась в океане «окаменевшая» энергия, она проявится на ограниченном интервале времени и при существующих отрицательных связях приведет к спектрам колебаний, большинство из которых мы наблюдаем, т. е. мы будем иметь дело со странными аттракторами и в какой-то мере случайными переходами между ними. Участие живой материи предполагает нестационарность изучаемых процессов, поскольку жизнь не только приспосабливается, но и активно приспосабливает, меняет окружающую неживую среду. Поскольку такая активность возможна только после, а точнее в процессе приспособления, она не может выводить природу из динамического равновесия. Но в настоящее время в эти естественные процессы вмешивается человеческая цивилизация на таком энергетическом, химическом и биологическом уровне, который превосходит уровень нормальных (т. е. не включающих всемирные катастрофы) естественных воздействий. Это значит, что проблема изменения и колебаний климата не может быть решена без точного диагноза и удовлетворительного прогноза антропогенных воздействий на климат, экосистемы и их взаимодействие.
ЛИТЕРАТУРА
1. Climate Change 2007: Synthesis Report, AR4 SYR. - http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_ spm.pdf (дата обращения: 10.05.2013).
2. Gnanadesikan A., Anderson W.G. Ocean water clarity and the ocean general circulation in a coupled climate model // J. Phys. Oceanog. 2009. Vol. 39, N 2. P. 314-332.
3. Hader D.-P. Does Enhanced Solar UV-B Radiation Affect Marine Primary Producers in Their Natural Habitats? // Photochem. Photobiol. 2011. Vol. 87. P. 263-266.
4. Haigh J.D. The effects of solar variability on the Earth's climate // Philos. Trans. R. Soc. L., Ser. A361. 2003. P. 95-111.
5. Huang N.E., Shen Z., Long S.R. et al. The Empirical Mode Decomposition Method and the Hilbert Spectrum for Non-stationary Time Series Analysis // Proc. R. Soc. L., Ser. A454. 1998. P. 903-995.
6. Kirkby J. Cosmic Rays and Climate // Surv. Geophys. 2008. Vol. 28, N 5/6. P. 333-375.
7. Lean J., Rind D. Climate forcing by changing solar radiation // J. climate. 1998. Vol. 11, N 12. P. 3069-3094.
8. Lean J. The Sun's variable radiation and its relevance for Earth // Annu. Rev. Astron. Astrophys. 1997. Vol. 35. P. 33-67.
9. Pang X.F., Deng B. Science in China. Series G // Phys. Mechan. Astron. 2008. Vol. 51, N 11. P. 1621-1632.
10. SIDC-team, World Data Center for the Sunspot Index, Royal Observatory of Belgium, Monthly Rept on the Intern. Sunspot Number, online catalogue of the sunspot index: 1750-2010, 1818-2006, 1950-2004. - http://www.sidc. be/sunspot-data/ (дата обращения: 21.04.2013).
11. Troshichev O.A., Gabis I.P. Variations of solar UV irradiance related to short-term and medium-term changes in solar activity // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, ser. A9. P. 2659-2667.
12. Yin K., Harrison P.J., Chen J., Huang W., Qian P.-Y. Red tides during spring 1998 in Hong Kong: is El Nino responsible? // Mar. Ecol. Prog. Ser. 1999.Vol. 187. P. 289-294.
