Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Антропогенный (избыточный) СО2 в северо-западной части Тихого океана и Японском море

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Антропогенный (избыточный) СО2 в северо-западной части Тихого океана и Японском море"

РГ6 Од 2 НОЯ •

на правах рукописи

Андреев Андрей Григорьевич

АНТРОПОГЕННЫЙ (ИЗБЫТОЧНЫЙ) С02 В СЕВЕРОЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА И ЯПОНСКОМ МОРЕ.

Специальность 11.00.08- океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Владивосток- 1997

Работа выполнена в Тихоокеангт», „

Д-„еюсточногоотд^;:— ~~ институте

Научные руководители:

кандццат химических наух, с.н.с. Бычков А С

Доктор геолого-минералогических нау^ефессорЕ^ф]

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, член - .

Сапожников

вв рреспондекг РАЕН

"«графических наук, си,. Семиле™ ИЛ. вея^а» оРганимция: Инстит огеанологаи иы п п

океанологическом институте Дальне™^« " Твпп««"

Анемии Наук:

ок^шэл^ческо^^сти^^даор^д3 Тихоокеанского

Авторефера-

•т разослан

'Ш^Шлфу^тп г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат географических наук

овожилов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. С середины прошлого столетия и по настоящее время наблюдается рост содержания углекислого газа в атмосфере, обусловленный индустриальной деятельностью человека (сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов). За данный период парциальное давление углекислого газа в воздухе увеличилось от 268 ± 13 мкатм до приблизительно 350 мкатм (Северная часть Тихого океана, 1991 г.) и продолжает возрастать в среднем на 1.5 мкатм/год.

Углекислый газ в атмосфере активно поглощает инфракрасную часть солнечной радиации и, следовательно, увеличение С02 должно сопровождаться возрастанием температуры в воздухе.

При растворении углекислого газа в морской воде повышается содержание общего неорганического углерода и понижается рН. Эти изменения влияют на химические и биохимические процессы в морской воде: синтез и деструкцию органического вещества, растворение карбоната кальция.

В настоящее время не существует различий в мнениях среди океанологов и геохимиков относительно того, является или нет океан стоком для избыточного С02. Главная неопределенность - это количество углекислого газа, которое может поглотить океан в течение ближайших десятилетий, что позволит предсказать дальнейшее увеличение С02 в атмосфере и оценить возможные климатические изменения.

Северо - западная часть Тихого океана, включая окраинные моря, -район, где происходит значительная трансформация характеристик промежуточного слоя. Данные по распределению избыточного С02 в

промежуточных водах, также как данные по другим трассерам (фреоны, тритий), служат источником информации об океанической циркуляции и перемешивании в этом слое.

Цель данной работы. Цель данной работы- оценка изменений карбонатных параметров морской воды в северо - западной части Тихого океана, как результат увеличения содержания углекислого газа в атмосфере.

Для достижения цели исследования были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ зависимостей между концентрациями карбонатных параметров и температурой в поверхностном слое морской воды северо -западной части Тихого океана и определены зоны стока и источники поступления углекислого газа в атмосферу.

2. Рассчитаны концентрации избыточного СОг в различных структурных зонах северо- западной части Тихого океана, включая Берингово море. Проведено сравнение между распределением избыточного СОг, фреонами и тритием.

3. Исследованы вертикальные распределения гидрохимических параметров и избыточного С02 в Японском море.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

а) Установлена закономерность изменения карбонатной системы поверхностных и промежуточных вод северо - западной части Тихого океана, обусловленная ростом углекислого газа в атмосфере.

б) Выделен поток избыточного ССЬ в общем потоке углекислого газа между океаном и атмосферой.

в) Показана пространственная изменчивость содержания избыточного СО2 в северо - западной части Тихого океана. Установлено наличие

линейной зависимости между соленостью, концентрациями избыточного ССЬ и фреонов для промежуточного слоя вод.

г) Найдены изменения концентраций растворенного кислорода, неорганического фосфора и общей щелочности в придонных водах Японского моря за период с 1950 по 1995 гг.

Практическая значимость работы. Представленные в работе количественные оценки изменений карбонатных параметров в северо -западном части Тихого океана и Японском море, методы анализа и расчета этих изменений могут быть использованы:

- для прогноза роста концентраций общего неорганического углерода и понижения pH морской воды в связи с продолжающимся увеличением парциального давления СОг в атмосфере;

- при расчетах поглощения и трансформации избыточного СОг в морской воде;

- для оценки правильности измерений карбонатных параметров;

при проведении временных осреднений данных многолетних

определений pH и общего неорганического углерода в морской воде.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 статей, тезисы докладов 4 конференций.

Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на международной конференции по Японскому морю CREAMS (Владивосток,1996), на ежегодных научных конференциях в ТОЙ ДВО РАН в 1996 и 1997 гг.

Структура и обьем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Общий обьем диссертации составляет 113 страниц, включая 35 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 85 источников.

Фактический материал. Данная работа выполнялась в рамках международного проекта "Объединенное изучение глобальных океанических

потоков" (JGOFS). В работе использованы результаты следующих научных экспедиций: российско - канадская экспедиция в северо - западную часть Тихого океана (19 рейс НИС "Академик А.Виноградов", апрель - август 1991г.); российско - тайваньская экспедиция в Японское море (рейс 23-1 НИС "Академик А-Виноградов", июль-август 1992 года); российско -канадская экспедиция в северо - западную часть Тихого океана (рейс 23-2 НИС "Академик А.Виноградов", август - сентябрь 1992 года); экспедиция НИСП "Прилив -60 " а северную часть Тихого океана (апрель - май 1993г); российско - канадская экспедиция в Охотское море (25 рейс НИС "Академик А.Несмеянов", август - сентябрь 1993 г.); российско -американская экспедиция в Японское и Охотское моря (25 рейс НИС "Академик Лаврентьев", апрель - июнь 1995).

Автор благодарит сотрудников лаборатории Исследования процессов минералообразования в океане ТОЙ ДВО РАН Волкову Т.И., Павлову Г.Ю., К.Х.Н. Тищенко П.Я., Чичкина Р.В., участвовавших в получении экспедиционных данных по карбонатной системе и хлорофтороуглеаодородам в морской воде под руководством зав. лабораторией к.х.н. Бычкова A.C., эа поддержку в написании диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы, характеризуется актуальность изучения изменения карбонатных параметров морской воды в связи с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе диссертации рассмотрена карбонатная система морской воды. Представлены используемые в работе данные, проведен анализ экспериментальных методов и теоретических подходов к определению карбонатных параметров морской воды. Оценена точность методов.

Высокая точность определения гидрохимических параметров морской воды была обеспечена применением в экспедиционных исследованиях современных методов отбора и анализа проб морской воды: полуавтоматического кулонометрического анализатора для измерения общего неорганического углерода с точностью ± 1.5 мкмоль/кг (экспедиции "Академик А.Виноградов- 19", "Академик А.Виноградов- 23"); измерением в полуавтоматическом режиме по ходу судна концентраций С02 в воздухе и морской воде ("Академик А.Виноградов- 19я); проведением параллельных измерений общей щелочности методами Бруевича и Эдмонда ("Академик А.Виноградов- 19", "Академик А.Виноградов- 23").

Для расчета компонентов карбонатной системы использовали концентрационные константы Меербаха для угольной кислоты и Л имена для борной кислот.

Вторая глава посвящена исследованиям распределения карбонатных параметров в поверхностном слое вод севера -западной части Тихого океана. Получены зависимости между концентрациями карбонатных параметров и температурой морской воды; выделены основные зоны, где происходит отдача и поглощение углекислого газа морской водой из атмосферы; показаны факторы, вызывающие изменения концентраций карбонатных параметров в поверхностном слое морской воды. Выделен поток избыточного СО: в общем потоке углехислого газа между океаном и атмосферой.

Зависимость между концентрациями карбонатных параметров и температурой.

Увеличение парциального давления углекислого газа в атмосфере должно приводить к увеличению содержания общего неорганического углерода и уменьшению рН в поверхностном слое морской воды (при практически неизменной величине общей щелочности).

По результатам экспедиции GEOSECS (Геохимические разрезы) (1973 -1974 гг) для вод северо-западной части Тихого океана А.Чен с соавторами (Chen, 1979) предложили следующие уравнения связи между приведенными к солености 35 psu концентрациями общего неорганического углерода, общей щелочности и и температурой ТС02 (мкмоль/кг) = 2242 - 12.1 • Т (1),

ТА (мкг-экв/кг) = 2407 - 3.5 • Т (2),

где Т- температура морской воды в град С.

Нами были получены линейные зависимости между величинами общей щелочности, общего неорганического углерода и температурой для северо • западной части Тихого океана по данным экспедиций "Академик А.Виноградоа- 19я (1991 г) САВ-91") и "Академик А.Виноградов- 23" (1992 г) ("АВ-92" )

ТА (мкг-экв/кг) = 2403 - 4.3 Т (3),

ТС02 (мкмоль/кг) = 2266 - 12.0 • Т (4).

Концентрации общего неорганического углерода, рассчитанные по уравнению (4), на 1 % выше величин, получаемых по уравнению (1).

Увеличение концентрации общего неорганического углерода морской воды в северо - западной части Тихого океана за период между 1973-1974 гг. (GEOSECS) и 1991 - 1992 гг. (19 и 23 рейсы НИС "Академик А.Виногрздов") наблюдалось на вертикальных профилях ТС02. В зоне субарктического фронта изменение содержания ТС02 проявлялось до глубины 650 метров. На глубине 300 метров прирост общего неорганического углерода составил приблизительно 18 мкмоль/кг. В субтропической области изменения ТС02 наблюдались до глубины 800900 метров. Наибольший прирост общего неорганического углерода (более 20 мкмоль/кг) был отмечен в верхней части промежуточного слоя (глубины 600 - 800 метров), а увеличение ТС02 в вышележащих слоях составило всего 10 мкмоль/кг. Возрастание концентраций общего

неорганического углерода (при неизменных величинах общей щелочности, растворенного кислорода, солености и температуры) является результатом увеличения содержания избыточного С02 в морской воде.

На рис. 1а показана зависимость между рН25 (рН при температуре 25 град С) и температурой поверхностных вод, построенная по данным экспедиций ЗЕОвЕСЗ (1973 г.), ЕМР (1981 г.), \rtNP (1982 г.) и "АВ-91", "АВ-92". Измерения рН в экспедиции СЕОЭЕСЭ в северной части Тихого океана не проводились, а приведенные в работе значения- это результаты расчетов рН морской воды из данных по общей щелочности и общего неорганического углерода.

Гидрохимические наблюдения а экспедициях УМР, ЕЫР, "АВ-91" и "АВ-92" проводили в один и тот же сезон- летний, исключая область субтропических вод (экспедиция "АВ-91"): измерения карбонатных параметров в данном регионе были выполнены в апреле 1991 (на рис.1а эти данные выделены). В экспедиции вЕОЭЕСЗ, гидрохимическая сьемка в субарктической и субтропической областях северо - западной части Тихого океана была проведена а сентябре - октябре 1973 г.

Зависимости между рН25 и температурой (по данным экспедиций "АВ-91" - "АВ-92", СЕОЗЕСБ и Е^-У\ЛЧР) были аппроксимированы уравнением линейной регрессии с постоянным коэффициентом регрессии равным 0.014

рН25 = 0.014 Т + рН25 (О) (5).

Для сравнения значений рН25, полученных в экспедициях "АВ-91" - "АВ-92", СЕОЭЕСЗ и ЕМР-УМР, использовали средние величины рН25 (О) (уравнение 5) и их средние квадратичные отклонения (сг).

При уровне значимости а= 0.05, величина (рН25(0)-2сг/^М, где N -число наблюдений) равна 7.922 (СЕОвЕСБ) и 7.894 (Е^ - М/ЫР), что выше значения (рН25(0)+2о/^М) для данных рейсов "АВ-91" и "АВ-92" ( 7.878).

Парциальное давление углекислого газа морской воды (рС02мв) в интервале температур 5- 25 град С и солености 33.0 - 35.5 рэи, рассчитанное из величин ТСОг и ТА, равно 320 - 325 мкатм (если ТС02 и ТА определяются по уравнениям 1, 2) и 356 - 360 мкатм (если ТСОг и ТА определяются по уравнениям 3, 4). Эти значения парциального давления СОг в морской воде согласуются с, полученными из измерений, среднегодовыми величинами рСОг в атмосфере (рС02ма ) северной частя Тихого океана в 1973 и 1991 гг. (соответственна 327 мкатм и 352 мкатм).

При увеличении парциального давления С02 в воздухе на 30 мкатм, рН25 морской воды должен был понизиться на 0.040 ед. рН, а концентрация ТСОг возрасти на 18 - 20 мкмоль/кг. Следовательно, наблюдаемая разница в величинах рН25 и общего неорганического углерода поверхностных вод по данным экспедиций бЕОЗЕСЭ, У\ЛМР-ЕЫР и "АВ-91"- "А8-92" - результат увеличения содержания С02 в атмосфере за прошедшее между данными экспедициями время.

Для поверхностного слоя морской воды в субтропической и тропической областях Тихого океана межсезонные изменения концентраций общего неорганического углерода и общей щелочности незначительны. В субарктической области в летнее время вариации в карбонатной системе поверхностных вод обусловлены, в основном, фотосинтезом и обменом углекислым газом между атмосферой и океаном.

Внутрнгодовые изменения температуры и биологической активности (фотосинтез и окисление органического вещества) влияют на наблюдаемую корреляцию между концентрациями карбонатных параметров и температурой.

Для разделения воздействия биологической активности и межсезонных изменений температуры на ход зависимости между величинами ТСОг, ТА, рН25 и температурой, для поверхностного горизонта каждой станции

X а

=0.0^3*рС02мв(350мкатм)*(1Т

25 26 27 28 29 30 31 32

ТС

Рис. 1. А) Зависимость между рН и температурой для поверхностного слоя морской воды северо - западной части Тихого океана. Результата экспедиций "Академик з А.Виноградов -19,21"(1991, 1992 гг.)-0 ;0Е05ЕС8(1973г.)-ф ;ЕЫР,игМР (1981, 1982 гг.) -X.

Б) Зависимость между (рССЬмв- рСО^атм.) и температурой морской воды на разрезе вдоль 22 град с.ш. (май 1991 г.) ("Академик А.Виноградов-19").

рассчитывались значения (рС02мв - рС02атм.) и AOU (кажущееся потребление кислорода) = (02равн. - Од).

Консервативное нагревание (охлаждение) обьема морской воды приводит к пересыщению (недосыщению) растворенным кислородом и углекислым газом, тогда как процесс фотосинтеза ведет к пересыщению морской воды растворенным кислородом и недосыщению углекислым газом.

Поправки, учитывающие изменения концентрации карбонатных параметров в процессе фотосинтеза, вводили с помощью модели Редфилда (Redfield, 1963) и значений AOU.

При учете вариаций температуры морской воды в субтропической области (при неизменных концентрациях ТС02, ТА и рН25), применялось следующее уравнение

ДТ = ДрСОг/ (0.043 • рСОамв ) (6),

где 0.043 - коэффициент, учитывающий увеличение парциального давления углекислого газа в морской воде при увеличении температуры на 1 град С, ДрС02 -разность парциальных давлений между водой и воздухом.

Введение поправок в карбонатные параметры и температуру морской воды увеличило абсолютные значения коэффициентов корреляции в зависимостях между ТА, pH, ТСОг и температурой.

Из исправленных значений рН25 и температуры было получено следующее уравнение

рН25 =7.877 + 0.014 Т (7).

Рост парциального давления углекислого газа в воздухе будет приводить к возрастанию концентрации общего неорганического углерода, понижение рН25 морской воды и, следовательно, к изменению величин свободных членов в уравнениях (4) и (7).

Распределение разности парциальных давлений СО2 между морской водой и воздухом.

Концентрация С02 в атмосфере испытывает суточные, сезонные и межгодовые вариации. В настоящее время среднегодовое увеличение рС02 в атмосфере в северной части Тихого океана составляет приблизительно 1.5 мкатм/год.

Амплитуда сезонных вариаций атмосферного С02 в северной части Тихого океана равна 10-12 мкатм, о максимальными концентрациями в апреле - мае и минимальными в сентябре - октябре.

Распределение рС02 в атмосфере изменяется с широтой. Весной и летом 1991 г (экспедиция "АВ- 91") парциальное давление углекислого газа в приводном слое атмосферы уменьшалось от 360 мкатм в субтропической части Тихого океана до 348 мкатм в Беринговом море.

По результатам экспедиций "Прилив- 93", "АВ- 91" и "АВ- 92" была построена карта разности парциальных давлений углекислого газа в воде и в воздухе и показаны распределения (рС02мв - рС02атм) на разрезах в северной части Тихого океана. В работе представлены карты распределения (рС02мв - рС02атм) в северной части Тихого океана для зимнего (январь -апрель) и летнего (июль - октябрь) сезонов, полученные по данным измерений парциальных давлений углекислого газа в морской воде и в воздухе в период с 1972 по 1989 гг. в экспедициях, организованных Ламонгг - Догерти обсерватортией (США), и осредненных по 2® трапециям Тансом, Фангом и Такахаши.

Анализ наших и опубликованных ранее данных по (рС02мв - рСОгатм) показал общие закономерности в распределении разности парциальных давлений С02 между водой и воздухом в северо -западной части Тихого океана. В субарктической зоне наблюдаются положительные величины (рС02мв - рС02атм) в зимний период и отрицательные + положительные в летний, а субтропическая область характеризуется отрицательными величинами (рС02мв - рС02атм) в зимний сезон и положительными в летний.

Изолиния нулевой разности парциальных давлений С02 между морокой водой и воздухом в северо - западной части Тихого океана для зимнего сезона расположена севернее относительного своего положения в летний период, так как район между 36 и 42 град с.ш. в течение года характеризуется отрицательными значениями (рС02мв - рССЬатм) достигающими -40 + -60 мкатм.

Представленные нами данные по разности парциальных давлений между морской водой и воздухом в западной части тихоокеанской субаркгики показали следующее: (рС02МВ - рСО^) > 150 мкатм в районе Восточно-Камчатского течения (май 1993 г.); появление области о положительными величинами ДрС02 межцу 43 и 47 град с.ш. и 160 и 175 град в.д. в леппсй период (лето 1991 и 1992 гг.).

ДЛЯ зимнего сезона наибольшие отрицательные величины разности парциального давления С02 между морской водой и воздухом в северо -

западной части Тихого океана наблюдаются вблизи северной границы субтропических вод.

При преобладании отршщошшх величин (рС02мв - рС02атм) в западной част тихоокеанской субаркгики летом 1991 и 1992 п-.. здесь отмечались зоны с аномально высокими величинами рС02мв (ДрС02 > 60 мкатм) в проливе Буссоль и на шельфе острова Уруп (Курильские о-ва, Высокие значения рС02мв, превышающие рСО.атм в летний период были найдены ранее (Gorton, 1973) в проливах и вблизи Алеутских островов, что, по предположению авторов, обусловлено интенсивным перемешиванием вод. вызванным высокими скоростями приливных течений в проливах между островами.

Сравнение величин разности парциальных давлений С02 в Западно -субарктическом и Аляскинском круговоротах тихоокеанской субаркгики показало, что амплитуда сезонных вариаций (рС02мв - рСО^) в первом круговороте в несколько раз выше, чем во втором. Зимнее

перемешивание не превышает 100 метров в Аляскинском круговороте, но может достигать 200 метров в западной субарюгике. Эта разность в глубине зимнего перемешивания определяет доступное количество биогенных элементов и неорганического углерода для потребления в процессе фотосинтеза в вегетативный период и обусловливает отличив в вариациях парциального давления углекислого газа в поверхностном слое морской воды.

В субтропической области северо-западной части Тихого океана концентрации карбонатных параметров (ТА и ТС02) в поверхностном слое практически постоянны. Межсезонные изменения и пространственное распределение парциального давления углекислого газа морской воды в данном районе определяются температурой морской воды. На рис. (16) показана зависимость между (рС02мв - рСОгатм) и температурой на разрезе вдоль 22 град с.ш. от 180 до 140 град в.д., полученная нами по данным экспедиции "АВ- 91" летом 1991 г.

Обмен СО2 между морской водой и атмосферой.

Поток С02 между морской водой и атмосферой (F) может быть рассчитан по следующему уравнению

F = к • S • ДрС02 (8),

где к -коэффициент переноса СО2, S -растворимость углекислого газа в морской воде. Часто для расчетов используют коэффициент обмена С02 (К), определяемый произведением к и S.

Согласно результатов Этчето и Мерливата (Etcheto, 1988), коэффициент обмена углекислым газом (К) в северной части Тихого океана изменяется от 0.02 - 0.04 (мольм*2 • мкатм_1год"1) (апрель - октябрь) до 0.06 (моль м-2 • мкатм"1год°) (ноябрь - март) а субаркгике и от 0.025 (мольм"2 • мкатм-1-год-1) (апрель - октябрь) до 0.035 (моль-м-2 • мкатм-1 • год-1) (ноябрь -март ) в субтропической области. Предложенные Тансом с соавторами (Tans, 1990) коэффициенты обмена С02 для северной части Тихого океана приблизительно в два раза выше коэффициентов Этчето и Мерливата.

Рассчитанный ими средний К для Мирового океана равен 0.07 (моль-м*2 • мкатм"1-год"1).

Проведенный нами анализ распределения (рС02мв - рСОгатм) в северо -западной части Тихого океана показал, что западная часть тихоокеанской субаркгики характеризуется положительными величинами (рС02мв -рС02атм) в зимний сезон и отрицательными + положительными в летний. Среднегодовые абсолютные величины (рС02мв - рС02атм) и К для зимнего сезона выше чей для летнего, следовательно, субарктическая область Тихого океана является источником углекислого газа для атмосферы.

В западной части субтропической области а зимний период наблюдаются отрицательные величины разности парциальных давлений С02 между морской водой и воздухом, достигающие - 50 мкатм, тогда как летом поверхностные воды пересыщены углекислым газом на 20- 30 мкатм. Обмен С02 между атмосферой и океаном протекает интенсивнее в зимние месяцы, следовательно, данный район является стоком для атмосферного углекислого газа.

В работах, рассматривающих обмен С02 между атмосферой и океаном в связи с ростом концентрации углекислого газа в воздухе предполагается, что увеличение концентрации неорганического углерода морской воды является результатом поступления избыточного С02 из атмосферы в тех зонах Мирового океана, где среднегодовая величина (рСОгмв - рС02атм) отрицательна. Тансом с соавторами (Tans, 1990) было показано, что для Мирового океана приходные и расходные статьи в обмене углекислого газа между морской водой и воздухом для Мирового океана приблизительно равны, поэтому был сделан вывод, что основной сток дпя избыточного С02 - континенты.

На наш взгляд ошибочность выводов, полученных данными авторами, обусловлена тем, что не для всех районов Мирового океана осредненный за несколько лет поток углекислого газа между водой и воздухом соответствует

потоку избыточного СОз. Так, в субарктическом районе, дам которого осредненный за год поток ССЬ направлен из океана в атмосферу, наблюдается возрастание концентрации общего неорганического углерода в верхнем слое вод.

Нами предложено рассматривать величину (рС02мв - рС02атм) как сумму двух слагаемых: ДрС02естест. и ДрСО**. ЛрС02естест.- , в основном результат межсезонных изменений парциального давления ССЬ морской воды, вызванных вариациями температуры, биологической активности и обмена с нижележащими слоями, характеризующимися более высокими величинами рСОгма. Можно предположить, что в течении нескольких столетий до начала индустриальной эпохи, когда не отмечался рост концентрации углекислого газа в атмосфере, ДрС02естест. соответствовал разности парциальных давлений СО2 между морской водой и воздухом. ЛрС02*- следствие роста парциального давления углекислого газа в атмосфере.

Ежегодный прирост парциального давления ССЬ в атмосфере (сЗрСОзатм / (Ь) северной части Тихого океана в среднем равен 1.5 мкатм/год. При установившемся потоке избыточного СО? между океаном н атмосферой (Т'соз), (1рС02мв / (К (увеличение парциального давления СОг в морской воде) должно быть равно <1рС02атм / Л. Для того, чтобы рС02мв увеличивалась на 1.5 (мкатм/год), необходимо, чтобы концентрация ТС02 в поверхностном слое морской воде возрастала приблизительно на 1 (мкмоль/(л • год)). Рассматривая столб морской воды единичного сечения и высотой (Н*), равной 200 м, получим, что необходимый для возрастания рС02мв на 1.5 мкатм в год поток неорганического углерода из атмосферы в этот объем воды равен 0.2 (моль/м2 • год). При коэффициенте обмена углекислым газом между атмосферой и морской водой, равным 0.07 (моль/м2 -мкатм-год), для достижения величины этого потока требуется,

1 8

чтобы ЛрС02* = -3 мкатм. Если ЛрС02* будет меньше -3 мкатм (по абсолютной величине больше), то возрастет поток СОг из атмосферы в океан, увеличится рСС^мв и, следовательно, (рС02мв - рС02атм)* возрастет до -3 (мкатм). При ДрС02* большей -3 мкатм, поток углекислого газа из атмосферы уменьшится, понизится величина парциального давления морской воды и (рС02мв - рС02атм)* уменьшится до -3 (мкатм). При возрастании толщины верхнего слоя (Н*) и понижении коэффициента обмена (К) величина ДрСОа* будет снижаться.

В реальном океане, где за счет процессов перемешивания и адвекции идет поступление избыточного СОг из поверхностного в глубинные слои, величина ДрСО** должна был. ниже чем - 3 мкатм (по абсолютной величине выше).

В зоне субарктического фронта и в субтропической области среднегодовое за период с 1973 по 1991- 1992 ГТ- увеличение концентрации общего неорганического углерода составило 0.3 — 0.5 (моль/ м2 • год). Пренебрегая горизонтальной адвекцией и принимая К равным 0.07 (моль/м2 • мкатм • год), получим, что среднегодовая величина ЛрС02* для данных районов равна - 4 -г- -7 (мкатм).

Следовательно, возрастание концентрации избыточного СОг в морской воде в северо - западной части Тихого океана - результат увеличения потока СО2 из океана в атмосферу в зимнее время в субтропической области, а летом в субаркгике и уменьшения (относительно естественного потока СОг) отдачи в атмосферу углекислого газа в этих же районах в летний и зимний сезоны.

Для баланса в обмене углекислым газом между морской водой и воздухом уменьшение отдачи СОг в атмосферу эквивалентно увеличению поглощения С02 океаном.

По- видимому, приближенную оценку ApCOj* можно получить из измерений (рСОгмв - рСОгэтм) в тех районах Мирового океана, где величина ApCOiecrecT. незначительна. Так, по данным многолетних наблюдений на станции ALOHA (22 град с.ш., 158 град з.д.) в этом районе Мирового океана межсезонные изменения температуры, биологической активности и концентрации карбонатных параметров незначительны, а среднегодовая величина (рС02мв - рСОгатм) равна - 10 ±3 мкатм. Этот результат согласуется с нашими оценками ДрС02*.

Изменение среднемноголетней величины АрСОгестест. за счет роста {понижения) температуры морской воды (Т), в соответствии с уравнением (6), вызовет возрастание (понижение) dpCOjMB / dt равное 0.043-pC02mb-dT / dt н приведет к увеличению (уменьшению) dpCO^aTM / dt н понижению (возрастанию) потока избыточного СОг в морскую воду.

Из-за неопределенности в коэффициентах обмена СОг между океаном и атмосферой и ошибок, обусловленных как точностью определения рСОгмв, так и пространственно - временным осреднением данных по (рССЬмв -рССЬатм), рассчитываемый годовой баланс обмена С02 между Мировым океаном и атмосферой не показывает реального количества избыточного СОг, поступающего в морскую воду. Мы считаем, что количество избыточного С02 , поступающего в Мировой океан, надо определять по возрастанию концентрации общего неорганического углерода в морской воде.

Используя значение увеличения содержания общего неорганического углерода в субтропической области и в зоне субарктического фронта^

равное 0.3 - 0.5 (моль/м2- год)^в качестве среднего для всего океана, мы получили общий прирост избыточного неорганического углерода в Тихом океане (площадь Тихого океана равна 1.8 • 1014 м2) 0.6 - 0.9 • 1014 моль/год. Из разности неорганического углерода, продуцируемого при

сжигании ископаемого топлива и поступающего в атмосферу, делают вывод, что Мировым океаном поглощается приблизительно 1.5 • 1014 моль/год избыточного С02. Исхода из того, что площадь Тихого океана составляет половину от площади Мирового океана, получим, что 0.75 • 1014 (моль-год*1) избыточного СОг должно поглощаться Тихим океаном. Это согласуется с результатами наших приближенных оценок величины избыточного СОг »поступающего в Тихий океан.

В третьей главе рассмотрена пространственная изменчивость содержания СОгизб. в различных структурных зонах северо-западной части Тихого океана. Выполнен сравнительный анализ зависимости между распределением концентраций СОгизб.> фреонов и солености на изопикническмх поверхностях.

Под избыточным СОг в морской воде понимается увеличение концентрации общего неорганического углерода с середины прошлого столетия по настоящее время.

В основу метода расчета избыточного С02 положено увеличение содержания общего неорганического углерода в морской воде (при неизменности общей щелочности), за счет возрастания парциального давления углекислого газа а атмосфере.

Для нахождения концентраций избыточного СОг в морской воде, рассчитывались пре формные концентрации общего неорганического углерода (ТСОа®). Для этого в величины общего неорганического углерода, приведенного к солености 35 рзд, вводили поправки на окисление органического вещества и растворение карбонатов. Увеличение содержания неорганического углерода, обусловленнное растворением карбонатов, учитывалось через изменение концентрации общей щелочности А ТС02(раст.карб.) = 0.5 • ДТА(раств.карб.). Изменение концентраций ТА и ТСО2 за счет окисления органического вещества (ДТАорг.ок. и

ДТС02орг.ок.) рассчитывалось из зависимости между изменением величин ДТС02орг.ок. и 0.5-ДТАорг.ок. и AOU, полученной по данным экспедиций "АВ-91" и "АВ-92"

ДТС02орг.ок. - 0.5-ЛТАорг.ок.= 0.81 • AOU. Пре формные концентрации общего неорганического углерода рассчитывались по следующему уравнению

ТС02* =ТСОг - 0.81 • AOU - 0.5 • (ТА - ТА* ) (9),

где ТА0 - преформная концентрация общей щелочности. ТА" определялось по уравнению, предложенному А. Ченом (Chen, 1986) для расчета пре формных концентраций общей щелочности в глубинных и придонных водах Тихого океана

ТА" = 2384 - 4.2 • Т (10).

Ниже 1200 метров в субаркгике и 1500 метров в субтропической области северо - западной части Тихого океана распределение по глубине пре формных значений общего неорганического углерода (ТСО,9) однородно. Рассчитанное пре формное значение парциального давления углекислого газа (рС02°) (парциальное давление С02 обьема морской воды с концентрациями, приведенными к солености 35 psu, общего неорганического углерода и общей щелочности равными, соответственно, ТСОг0 и ТА9 ) для глубинных и придонных вод северо - западной части Тихого океана было равно приблизительно 245 мкатм. Полученная нами величина рС02° согласуется с доиндустрнальным значением рС02мв в субантарктической промежуточной воде (приблизительно 250 мкатм), рассчитанным Бревером (1978) по данным экспедиции GEOSECS.

Принимая содержание избыточного С02 в глубинных и придонных водах северо - западной части Тихого равным нулю, было получено следующее уравнение для расчета концентраций СОгизб. в данном районе С02изб= ТСО20 - ТСО2с0Вр0 + 65 (мкмоль/кг) ( 11 ),

где ТС02СОВр/ - преформная концентрация общего неорганического углерода, определяемая по уравнению

ТСОгСОВр°= 2135 - 11.0 • Т (12).

Уравнение (12), но с величиной свободного члена равной 2119 было получено А.Ченом (1986) по данным экспедиции GEOSECS (1974 г.) в Южном океане. В связи с тем, что с 1973 - 74 гг. по 1991- 92 гг. концентрация парциального давления СОг в атмосфере увеличилась, мы изменили величину свободного члена в уравнении (12).

Концентрации избыточного СОг на отдельных изопикнических поверхностях (х) в северо - западной части Тихого океана рассчитывались относительно изопикнической поверхности 27.6

С02изб.(х) = ТС02 (х) - ТС02 (27.6) -0.5 • (ТА(х) - ТА(27.6)) -0.81 • (AOU(x) - AOU(27.6)) - k • (в(х) - 0(27.6» (13),

где 0 -потенциальная температура морской воды.

Коэффициент к в уравнении (13) был определен вами при условии постоянства парциального давления углекислого газа морской воды,

k = dTC02/dT| pco2=con«t = C02-dln(TC02)/dln(pC02) dln(pC02)/dT »10 (мкмоль-град*1 С).

С учетом аналитических ошибок определения общего неорганического углерода, общей щелочности и растворенного кислорода, за нижнюю границу проникновения избыточного СОг была принята глубина (изопикническая поверхность) с концентрацией СОгизб. равной 5 мкмоль/кг.

Анализ вертикальных профилей С02изб. показал, что в северозападной части Тихого океана наблюдалось уменьшение концентраций С02изб. от 55 ± 5 мкмоль/кг на глубине 200 метров до 5 мкмоль/кг -на глубинах 1000 - 1200 метров (изопикнические поверхности 27.427.5) в субарктике, 1300 - 1500 метров (изопикнические поверхности

27.4- 27.5) в субтропической и 900 метров (изопикническая поверхность 27.3) в тропической областях.

Было найдено, что нижняя граница проникновения С02изб. в северо -западной части Тихого океана совпадает с положением слоя минимума растворенного кислорода.

Вертикальное распределение С02изб. в Охотском море и в районе пролива Буссоль (рис. 2) значительно отличалось от других районов тихоокеанской субаркгики. В слое 200 - 700 метров (охотоморские промежуточные воды, наблюдались высокие концентрации С02изб., причем на глубине 700 метров значения этой характеристики- 30 мкмоль/кг были наибольшие для субарктики в целом.

Отмеченные особенности вертикального распределения С02изб. можно объяснить с точки зрения существующих представлений о процессах, определяющих формирование промежуточных вод Охотского моря. Вертикальное перемешивание в проливах Курильской гряды, связанное с сильными приливными течениями, приводит к увеличению концентраций избыточной С02 в нижней части промежуточного слоя.

В пределах западной разновидности тихоокеанской субарктической структуры и в Беринговом море не наблюдалось значимых различий в распределении избыточного С02 по глубине. Концентрации С02изб. были максимальны в верхней части промежуточного слоя, уменьшались примерно в два раза на глубине 400 метров и затем снижались до значений около 5 мкмоль/кг на глубинах 1000- 1200 метров, что соответствует средней глубине залегания изопикнической поверхности 27.5. Измерения фреонов на станциях, выполненных в этом районе в августе 1992 г ("АВ-92") показали, что минимальные (с учетом погрешностей измерений) концентрации СЯС-П и СРС-12 также связаны с изопикнической поверхностью 27.5.

В районе подводного Императорского хребта в промежуточном слое наблюдались признаки апвеллинга - подъем к поверхности изопикнических

А) СО2ИЗ6. (мкмоль/кг)

О 20 40 60 80

— 4 11 ' ¿()(

400 2,-190^1« 600 .........

С02изб. (мкмоль/кг)

ы

Рис. 2. Распределение избыточного С02 по глубине. А) ст. 1 -Охотское море, ст. 2,3 (18с) -пролив Буссоль, ст. 12 (19с), 13 (20с) -западная часть субарктического круговорота; Б) ст. 9с -11с -субтропическая область, ст. 13с, 14с -тропическая область северной части Тихого океана. Результаты экспедиций НИС "Академик А.Виноградов -19,21".

поверхностей и, как следствие, уменьшение глубины проникновения С02изб.

На станциях, расположенных в зоне субарктического фронта, в диапазоне глубин 400 - 800 метров, концентрация СОгизб. была выше на 3- 5 мкмоль/кг, по сравнению с водами субарктической структуры. На глубине 800 метров и 8 нижележащих слоях различия в содержании С02изб. становились незначительными.

Анализ вертикальных профилей СОгизб. показал, что наибольшее содержание избыточного неорганического углерода в северо - западной части Тихого океана наблюдается в верхнем 1000 метровом слое морской воды субтропической области (рис. 2).

Распределение избыточного С02 на изопикнических поверхностях в промежуточном слое вод северо - западной части Тихого океана было рассчитано по уравнению (13).

Изо пикническая поверхность 26.8 (средние глубины залегания для Охотского моря - пролива Буссоль, субарктической, субтропической и тропической областей северо - западной части Тихого океана составляли 300 - 400 м, 200 - 250 м, 650 и 450 метров соответственно) соответствует водам с плотностью, превышающей максимальную плотность поверхностных вод открытой части тихоокеанской субарктики в зимний период [Reíd, 1965]. Наибольшие концентрации избыточного С02 на изопикнической поверхности 26.8 наблюдались на станциях в Охотском море и в районе пролива Буссоль (приблизительно 55 мкмоль/кг), в Беринговом море и во внутренней области Западного субарктического круговорота (48 - 58 мкмоль/кг). Для субтропических и тропических станций содержание избыточного С02 на этой изопикнической поверхности было равно 25 - 35 мкмоль/кг.

На изопикнической поверхности 27.2 (средние глубины залегания составляли для вышепречисленных зон 800 м, 600 м, 1000 и 750 метров

соответственно) концентрации избыточного СОг уменьшались приблизительно на 25 - 30 мкмоль/кг, по сравнению с иэопикнической поверхностью 25.8. Максимальное содержание С02изб. наблюдалось в проливе Буссоль (23 - 25 мкмоль/кг) и в Беринговом море. На станциях в тропической области северной части Тихого океана величины С02изб. были равны 5-10 мкмоль/кг.

В слое 26.8 - 27.5 се северо-западной части Тихого океана между величинами солености и избыточного С02 выявлена линейная зависимость. Наибольшие концентрации избыточного С02 и наименьшие величины солености наблюдались в районе пролива Буссоль. Как в субарктическом, так и в субтропическом круговоротах северо - западной части Тихого океана при увеличении солености промежуточных вод содержание С02изб. понижалось.

Наблюдаемая связь между концентрациями избыточного С02 и соленостью, по-видимому, обусловлена динамическими процессами, приводящими к перераспределению СОгизб. в морской воде. В качестве основного процесса, приводящего к перераспределению избыточного С02 и других трассеров в промежуточных водах северо - западной части Тихого океана обычно рассматривается адвекция вдоль изопикн, сопровождающаяся вдоль изопикническим и межизопикническим перемешиванием.

В исследуемом районе, для глубин превышающих глубину залегания ядра минимума солености (изопикническая поверхность 26.8), наблюдается уменьшение концентрации избыточного С02 и увеличение солености с глубиной в промежуточном слое, поэтому межизопикническое перемешивание с выше и нижележащими слоями приводит, соответственно, или к увеличению избыточного С02 при понижении солености или к уменьшению С02изб при возрастании солености.

Сравнительный анализ распределения избыточного С02, фреонов и трития в северо - западной части Тихого океана показал, что

распределение этих трассеров в промежуточных водах подчиняется общим закономерностям: глубина проникновения этих трассеров ограничена нижней границей промежуточных вод (изопикническая поверхность 27.5) и с возрастанием солености их концентрация уменьшается.

В четвертой главе диссертации рассмотрены закономерности вертикального распределения гидрохимических параметров и рассчитанных концентраций избыточного СОг в Японском море.

В промежуточных водах Японского моря (глубины 200 - 1500 метров) было отмечено два типа вертикального распределения гидрохимических параметров. Ди первого типа характерны высокие значения растворенного кислорода и низкие величины биогенных элементов, тогда как для второго типа - низкое содержания кислорода и высокие концентрации биогенных элементов.

На границе между глубинными и придонными водами (Н» 2000 - 2200 метров) наблюдался незначительный минимум растворенного кислорода и максимум биогенных элементов. В придонных водах распределение по глубине концентраций химических параметров было практически однородно.

Концентрации общего неорганического углерода и общей щелочности, приведенные к солености 35 psu, в глубинных и придонных водах Японского моря были равны 2296 мкмоль/кг и 2365 мкг -экн/кг, что гораздо ниже соответствующих величин для глубинных вод северозападной части Тихого океана (2440 мкмоль/кг и 2450 мкг-зкв/кг). Повышение концентрации неорганического углерода и общей щелочности от поверхности до дна в северо - западной части Тихого океана составляло, соответственно, 400 мкмоль/кг и 130 мкг-зкв/кг. Для Японского моря эти величины были равны приблизительно 100 мкмоль/кг для ТС02 и 25 мкг-зкв/кг для ТА, что указывает как на

небольшие скорости разложения органического вещества и растворения карбонатов в глубинных слоях Японского моря, так и на значительную венпшяцню этих вод. По данным экспедиции "Витязь-3" в 1950 году в Японском море изменение общей щелочности от поверхности до глубины 3000 метров составляло всего 10 (мкг-экв/кг).

Сравнение данных рейсов НИС "Академик А.Несмеянов -25" (1993 г.), НИС "Академик Лаврентьев - 25" (1995 г.) с результатами экспедиции "Витязь -3" (1950 г.) показало, что за время, прошедшее между этими экспедициями, в придонных водах Японского моря концентрация общей щелочности увеличилась на 15 (мкг-экв/кг), содержание растворенного кислорода уменьшилось в среднем на 30 мкмоль/кг, а концентрация фосфатов возросла на 0.2 мкмоль/кг, слой кислородного минимума (максимума фосфатов) заглубился приблизительно на 1500 метров (с 500 до 2000 метров). Отношение Д02/ДР04, равное 150, указывает, что уменьшение концентрации растворенного кислорода происходило за счет окисления органического вещества.

По мнению Гамо с соавторами (Gamo, 1986), эти процессы вызваны современным замедлением или даже прекращением формирования придонных вод в Японском море.

Для расчета избыточного С02 в Японском море было использовано следующее уравнение

С02изб = ТС02 - ТС02° - 0.5-ГГА - ТА0) - ДТС02орг.ок. + 0.5 • ДТАорг.ок.+ 40 мкмоль/кг (14),

где 40 мкмоль/кг -увеличение содержания общего неорганического углерода в водах Японского моря при возрастании парциального давления углекислого газа в атмосфере от 260 мкатм до 350 мкатм.

ТС020 рассчитывался из зависимость между концентрациями ТС02, приведенными к солености 35 psu, и температурой для поверхностного слоя морской воды Японского моря ТС02 = 2195 - 7.5 • Т.

По данным экспедиций "Витязь -3", "Академик А.Несмеянов -25", "Академик Лаврентьев - 25" величины общей щелочности, приведенные к солености 35 реи, в верхнем 200 метровом слое морской воды Японского моря практически постоянны и равны 2340 (мкг-экв/кг). Поэтому нами было принято, что ТА0 = 2340 (мкг-экв/кг).

Рассчитанное отношение изменения концентраций фосфатов и нитратов к АОи (ЛР04:АЫ03:А0и> для Японского моря составляло 1:13:138 и было близко к соотношению Редфилда (1:16:138), определяющего состав органического вещества для океанических вод. Однако в слое 300 - 800 метров были найдены отклонения от данного соотношения, что, по-видимому, обусловлено вариациями в величинах А011.

Изменение карбонатных параметров за счет окисления органического вещества рассчитывалось через изменение концентрации неорганического растворенного фосфора в морской воде.

Содержание избыточного СОг в Японском море, рассчитанное по уравнению (14), понижалось экспоненциально от 40 мкмоль/кг на поверхности до приблизительно 17 мкмоль/кг на глубине 2000 метров и далее с глубинной было практически постоянно. Характер вертикального распределения избыточного С02 в Японском море совпадал с распределением фреонов.

В промежуточной япономорской воде концентрация С02изб изменялась от 15 до 25 мкмоль/кг. По нашему мнению, эти вариации содержания избыточного С02 в верхней части япономорских вод отражают трехмерную циркуляцию в этом слое. Высокий (низкий) СОгизб., высокая (низкая) концентрация растворенного кислорода и низкое (высокое) содержание биогенных элементов соответствует зонам опускания (подьема) вод. Этот результат согласуется с опубликованными схемами циркуляции вод в Японском море.

30

выводы

1. В поверхностном слое морской воды северо - западной части Тихого океана наблюдается понижение рН и увеличение концентрации общего неорганического углерода, вызванное ростом углекислого газа в атмосфере.

2. Возрастание содержания общего неорганического углерода в верхнем слое морской воды северо - западной части Тихого океана- результат увеличенная потока СОг из атмосферы в океан (в зимнее время в субтропической области, летом в субарктике) и уменьшения потока СОг из океана в атмосферу (в зимний сезон в субарктике, летом в субтропической области).

3. Глубина устойчивого проникновения избыточного С02 в северо -западной части Тихого океана составляет 1000 - 1200 метров в субарктической и 1500 метров в субтропической областях.

4. В северо - западной части Тихого океана основное накопление избыточного С02 наблюдается в субтропической области.

5. В промежуточных водах северо - западной части Тихого океана концентрации избыточного С02 и фреонов уменьшаются при увеличении солености.

6. Содержание избыточного С02 в Японском море понижается экспоненциально от 40 мкмоль/кг на поверхности до приблизительно 17 мкмоль/кг на глубине 2000 метров. Ниже этой глубины концентрации избыточного С02 практически постоянны.

7. В придонных водах Японского моря с 1950 по 1995 гг. концентрация растворенного кислорода уменьшилась на 30 мкмоль/кг, концентрация фосфатов увеличилась на 0.2 мкмоль/кг, общая щелочность возросла на 10 мкг-экв/кг, вследствие прекращения или замедления формирования придонных вод в данный период.

опубликованы следящие работы:

Pa3H^C™ трЦНалЬНЬК СО, между

14.01.19В?7 % с ^ ТЮС0ГО 0КСана// Деп" ВИНШТ!.

^SbJSiit^ ^-«-й СО, в промежуточных водах В97. 33 С Й ТНХ0Г° океана Ч Д«- ВИНИТИ. 14.01.1997. N 1П-

«р««» С02.

1997. N 8. субаркгнхн // Гидрология н метеоролога*.

5. Chen СТА. Bychkov А9 Т^ ^ Копа* 1996" Р- 175 - 180. Carbonate сЬ^ оГш^^Гт Pav,0va G- SJ.

CREAMS, Seoul, Korea] Ш ^ °f * Wori^°P

Wowser F^Tc,' ^ft™ fC' G" *** A., Andreev A

Okhotsk: tf m^fpL^ ^*Hyd^he^W^"^

international зутгккзиттГпы, t £ processes. Proceedings of the 11-th 324-330 Sympoaum oa 0kh<** Sea and Sea ice, Mombetsu, Japan, 1996 P

а-- ^

^ RA" A.S., Andreev AO.

9°Qi P 99 1993°^° ^Cean* ' • 4-th ГшетпайопаГсОг

System" W°"g CS" Tischenk° P- Carbonate

JECSS/PAMSXE£nm^ P^ctration depth in the Japan Sea. 7-th 10 Andreev А т China 1993. P. 31.

A- Antropogenic C02 in the Intermediate Australia. 1997. i p. C Confercnce of ^e IAPSO. Melbourne.