Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Характеристика элементов биогеохимического цикла углерода в Беринговом море и их изменения под влиянием химического загрязнения и климатических факторов

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Щука, Сергей Александрович, Москва

ИНСТИТУТ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА И ЭКОЛОГИИ ФЕДЕРАЛЬНОЙ СЛУЖБЫ РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи УДК 504.42.05

о^)

ЩУКА Сергей Александрович

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО ЦИКЛА УГЛЕРОДА В БЕРИНГОВОМ МОРЕ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор

A.В. ЦЫБАНЬ

доктор физико-математических наук

B.А. РЯБЧЕНКО

МОСКВА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 4

Глава 1. Современное состояние экосистем 9 Берингова моря

1.1. Роль Арктики в климатической системе Земли 13

1.2. Современное состояние знаний о круговороте углерода

в Беринговом море 16

1.3. Антропогенное воздействие на экосистемы Берингова

моря 34

Глава 2. Материалы и методы исследований 43

2.1. Материалы исследований 43

2.2. Локальная термодинамико-биогеохимическая модель деятельного слоя Берингова моря 4, 48

2.2.1. Термодинамическая модель 50

2.2.2. Биогеохимическая модель 54

2.2.3. Модель углеродного цикла 60

Глава 3. Воспроизведение сезонной изменчивости

основных термодинамических и биогео- 66

химических характеристик экосистем Берингова моря

3.1. Внешние функции и выбор значений параметров

модели 66

3.2. Экосистема центральной части Берингова моря 73

3.2.1. Сезонная изменчивость термодинамических и биогеохимических характеристик ^ 73

3.2.2. Сезонная изменчивость характеристик углеродного

цикла 84

3.2.3. Средние годовые концентрации и потоки между компонентами экосистемы ВКС 87

3.3. Анализ чувствительности решения модели 89

3.3.1. Чувствительность модели к выбору толщины и температуры ВКС моря 89

3.3.2. Чувствительность к вариациям внутренних параметров биогеохимической модели 90

3.3.3. Чувствительность к параметризации коэффициента газообмена между океаном и атмосферой 95

3.4. Сравнительный анализ элементов биогеохимического

цикла углерода экосистем центральной части Беринго- 97

ва моря и Бассейна Чирикова

Глава 4. Элементы биогеохимического цикла углерода Берингова моря в условиях

увеличения химического загрязнения и 106 изменений климата

4.1. Изменение температурного режима 106

4.2. Изменение ветрового режима 111

4.3. Изменение биологических процессов в результате воздействия загрязняющих веществ и УФ-радиации 114

4.4. Совместное воздействие климатических факторов и увеличения химического загрязнения 120

Выводы 123

Литература 125

Введение

Формирование климата Земли и его изменения непосредственным образом связаны с состоянием системы океан-атмосфера. Мировой океан участвует в глобальных циркуляционных процессах и играет ведущую роль в круговороте углекислого газа, а также биогеохимических циклах всех биогенных элементов [IPCC, 1990а; 1990b; 1996; Shneider, 1989 и др.]. Поэтому прогнозируемое к середине следующего столетия глобальное потепление климата может привести к существенным изменениям состояния Мирового океана и отразится практически на всех процессах, сложившихся в ходе длительной эволюции биосферы [Израэль и др., 1993; Будыко и др., 1992]. Так, потепление климата будет сопровождаться изменением тепло-, газо- и влаго-обмена между океаном и атмосферой, подъемом среднего уровня моря, изменением ледового режима в полярных и субполярных регионах, трансформацией глобальной циркуляции водных масс и т.д., что приведет к существенным изменениям экологического состояния морей [IPCC, 1990а; 1990b; 1996; Bernal, 1991; и др.]. Прогнозируется также изменение поглощения СОг океаном, причем, по многим оценкам, значительная доля поглощаемого СО2 будет приходиться на высокопродуктивные шельфовые арктические экосистемы [Walsh et al., 1989; IPCC, 1996 и др.].

Ежегодно в Мировой океан поступают десятки тысяч различных химических соединений в количестве более 1 млрд. тонн. Часть этих веществ обладает токсическими, мутагенными и канцерогенными свойствами. Сохраняясь и циркулируя в морской экосистеме десятки лет, эти загрязняющие вещества представляют огромную опасность для морских организмов и, в конечном счете, здоровья человека [Израэль, Цыбань, 1989]. Возрастающая в последние десятилетия антропогенная нагрузка на Мировой океан, несомненно, усугубит возможные негативные последствия изменения климата.

В настоящее время появилась настоятельная необходимость в детальной оценке и прогнозе возможных экологических последствий изменения климата и химического загрязнения в отдельно взятых регионах Мирового океана. При этом, особое внимание необходимо уделить арктическому и субарктическому региону Мирового океана в силу его чрезвычайно важной роли в процессах глобального цикла углерода. Даже минимальное потепление климата и уменьшение площади ледового покрова в океане может привести к

увеличению стока органического углерода в Евразийский и Канадский арктические бассейны более чем в 10 раз и составить величину, сопоставимую с общим антропогенным выбросом СОг в атмосферу - 5-109 тС/год [Anderson et al., 1990; Bemal, 1991; Stergiou, 1991]. Из них около 3-109 тС/год или 60% от общего антропогенного выброса С02 в атмосферу за год поглощается океаном [Stergiou, 1991].

Несмотря на актуальность проблемы, практически нет работ, посвященных изучению совместного воздействия климатических и антропогенных факторов на функционирование морских экосистем. Причиной этого является малочисленность данных долгопериодных экологических исследований, необходимых для учета природных межгодовых вариаций биологических и химических процессов.

Географическое положение обширных и высокопродуктивных шельфов Берингова моря, находящихся в высокоширотной зоне, позволяет рассматривать эти морские экосистемы как один из потенциально важных регионов стока атмосферной двуокиси углерода в Мировом океане [Walsh et al., 1989; Исследование..., 1992].

Для получения количественной оценки ежегодного стока СОг в Берингово море, необходимо детальное изучение основных компонентов цикла углерода и его регионального бюджета. Такая оценка будет способствовать более глубокому пониманию важной роли экосистем Берингова моря в глобальном цикле углерода в Мировом океане.

Одним из основных методов получения сбалансированных оценок потоков и бюджета углерода в морской экосистеме является математическое моделирование. Достоинство такого подхода - возможность оценить бюджет углерода в рассматриваемой экосистеме даже при частичном отсутствии информации о количественных связях между элементами биогеохимического цикла углерода.

Учитывая чрезвычайно важную роль арктического и субарктического региона Мирового океана в процессах глобального цикла углерода, а также необходимость проведения детальных региональных оценок элементов биогеохимического цикла углерода и потоков С02 данная работа приобретает особую актуальность.

Исходя из вышеизложенного, цель настоящей работы заключалась в изучении сезонной динамики элементов биогеохимического цикла углерода в

экосистемах Берингова моря и воздействии на них химического загрязнения морской среды и климатических изменений, а также в оценке роли этих экосистем в поглощении атмосферного СОг.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

> проведен анализ результатов долгопериодных исследований важнейших биологических процессов в Беринговом море, ответственных за прохождение биогеохимического цикла углерода в экосистемах моря;

> проведен анализ океанографических данных, характеризующих сезонную изменчивость температуры и толщины верхнего квазиоднородного слоя;

> адаптированы существующие термодинамические и биогеохимические модели океана к условиям Берингова моря;

> воспроизведена на основе модельных расчетов сезонная изменчивость основных термодинамических и биогеохимических характеристик экосистем Берингова моря и проведен сравнительный анализ результатов расчетов с данными экспедиционных исследований;

> оценена чувствительность результатов численных расчетов к изменению внутренних параметров модели, в частности, к параметризации коэффициента газообмена между океаном и атмосферой;

> оценено воздействие химического загрязнения и климатических факторов на элементы биогеохимического цикла углерода в экосистемах Берингова моря;

> определена роль отдельных экосистем Берингова моря в поглощении атмосферного СО2 и оценены возможные изменения потока С02 на границе раздела вода-воздух в будущем вследствие климатических изменений и увеличения химического загрязнения моря.

Впервые в разных экосистемах Берингова моря на локальном уровне воспроизведен годовой ход основных биогеохимических параметров деятельного слоя моря, включая поток СОг на границе раздела океан-атмосфера.

Впервые дана подробная оценка воздействия повышения температуры воды, усиления скорости ветра, увеличения интенсивности УФ-радиации и химического загрязнения морской среды как в отдельности, так и совместно, на важнейшие элементы биогеохимического цикла углерода и выяснена роль экосистем Берингова моря в поглощении атмосферного СО2.

Основные положения, защищаемые в диссертации:

♦> Локальная термодинамико-биогеохимическая модель деятельного слоя Берингова моря, позволяющая воспроизвести сезонную изменчивость термодинамических и биогеохимических параметров в заданной точке моря.

♦> Сезонная изменчивость термодинамических и биогеохимических характеристик экосистем центральной части Берингова моря и Бассейна Чирико-ва, воспроизведенная на основе предложенной модели. ❖ Количественные характеристики воздействия химического загрязнения и климатических факторов на основные элементы биогеохимического цикла углерода в экосистемах центральной части Берингова моря и Бассейна Чирикова.

Результаты исследований были использованы при выполнении 16 ГНТП, проект 3.5.3. "Изучение экологических и социально-экономических последствий воздействия изменения климата на экосистемы Мирового океана" (ранее 18 ГНТП, тема 3.5.3. "Оценка влияния изменения климата на состояние морской экосистемы и комплексное исследование биогеохимического цикла углерода в Мировом океане"), НИР 7.4.3. "Разработать способы оценки экологических последствий изменения климата (морские и arpo - экосистемы, криолитозоны)" Программы "Экологическая безопасность России", а также в НИР и ОКР Росгидромета. На международном уровне результаты исследований представлены в российско-американской монографии "Динамика экосистем Берингова и Чукотского морей", а также на симпозиумах по проекту БЕРПАК (двусторонний проект 02.05-91 "Экология и динамика арктических морских экосистем" в рамках Межправительственного соглашения между Россией и США о сотрудничестве в области охраны окружающей среды).

Полученные результаты будут использованы при выполнении Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения" (приоритетное направление "Экология и рациональное природопользование") подпрограмма "Глобальные изменения природной среды и климата" проект "Мониторинг и оценка биотического баланса, экологических последствий воздействия изменений климата для морей России", при выполнении ФЦП "Мировой океан" подпрограмма "Исследование природы Мирового

океана" проект 2.1, при подготовке Третьего доклада по изменению климата Международной группой экспертов по изучению изменения климата (МГЭИК) (Рабочая группа 2), а также в исследованиях по проекту БЕРПАК.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке и проведении ряда природоохранных и природоведческих мероприятий в районах Берингова моря.

Работа выполнена в отделе экологии и мониторинга океана Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН (ИГКЭ). В основу работы положены отдельные материалы многолетних исследований, выполненных в Беринговом море в рамках российско(советско)-американского проекта БЕРПАК и опубликованных в совместных монографиях, статьях [Всесторонний ..., 1987; Динамика ..., 1999; Исследование ..., 1983; 1990; 1992; Joint...; Roscigno, 1990; Nagel, 1992; и др.]. Первичные данные предоставлены автору вед.н.с. Института глобального климата и экологии (ИГКЭ) Кудрявцевым В.М. (биомасса бактериопланктона, первичная продукция и бактериальная деструкция органического вещества, данные эколого-токсикологических экспериментов), с.н.с. ИГКЭ Куликовым A.C. (биомасса зоопланктона) и с.н.с. ИГКЭ Корсаком М.Н. (первичная продукция).

Во время IV российско-американской экспедиции БЕРПАК-93 автор принимал участие в деятельности рабочих групп "Физическая океанография" и "Цикл углерода".

Автор выражает глубокую благодарность коллективу отдела экологии и мониторинга океана ИГКЭ за всестороннюю помощь и сотрудничество при выполнении данной работы, а также сотрудникам Санкт-Петербургского филиала Института океанологии РАН Кагану Б.А., Горчакову В.А. и Поповой Е.Е. за помощь в адаптации математических моделей.

Особую благодарность автор приносит своим научным руководителям члену-корреспонденту РАН, доктору биологических наук, профессору Цы-бань Алле Викторовне и доктору физико-математических наук Рябченко Владимиру Алексеевичу.

Глава 1. Современное состояние экосистем Берингова моря

Берингово море - полузамкнутое море Тихого океана, расположенное между 51° и 66° с. ш. и 157° з. д. и 163° в. д. (рис. 1.1). Площадь Берингова

2 3

моря составляет 2315 тыс. км , средний объем вод 3700 тыс. км , средняя глубина 1636 м (максимальная 5500 м) [Исследование..., 1983]. Из относительно закрытых (полузамкнутых) морей оно является вторым по величине после Средиземного моря. Берингово море лежит между берегами Азиатского материка на западе (Россия, Чукотка), Северной Америки (США, Аляска) на востоке и цепью Алеутских островов на юге.

Берингово море является одним из наиболее продуктивных бассейнов Мирового океана, в пределах которого ежегодно продуцируется 25 млн. т рыб, 12 млн. т кальмаров и 1.5 млн. т промысловых моллюсков и ракообразных [Шунтов, Дулепова 1995]. Общий вылов водных объектов всеми странами в последние годы достигал 4.7-5.0 млн. т, причем в наибольшем объеме вылавливались минтай (около 4 млн. т), камбалы (до 550 тыс. т) и лососи (250 тыс. т). Съем рыбопродукции достигал здесь в среднем - 2 т/км2, что характерно для наиболее рыбопродуктивных районов Мирового океана.

Шельфовая область в Беринговом море составляет 44 %, абиссаль -43%, материковый склон - 13% [Hood, Kelly, 1974]. Глубина большей части континентального шельфа менее 200 м [Hood, Kelly, 1974]. Южная и центральная части моря представляют собой обширную впадину с крутыми свалами, занимающую 48,6 % общей площади моря с глубинами, превышающими 3000 м. Для северо-восточной части моря характерно сравнительно ровное мелководье с глубинами менее 200 м (преимущественно 25-100м), зани-

-у

мающее 36,8 % общей площади, т. е. свыше 850 тыс. км . Сравнительно неширокая полоса материкового плато, расширяющаяся у м. Олюторского и в районе о-ва Карагинского, тянется вдоль юго-западного побережья. Около 60 тыс. км мелководного плато с глубинами 200 м примыкает к побережью России [Исследование..., 1983].

Широкими и глубокими проливами море соединено с открытой частью Тихого океана, что обеспечивает преобладающее влияние на режим моря вод Тихого океана, тогда как мелководный и узкий Берингов пролив (ширина пролива 85 км, площадь поперечного сечения около 3.7 км2) сводит к мини-

муму влияние вод Полярного бассейна (см. рис. 1.1) [Ратманов, 1937; Coachmanetal., 1975].

Основная масса тихоокеанских вод поступает в Берингово море через глубокие проливы Ближний и Амчитка (рис. 1.1) [Favorite, 1974]. Многочисленные наблюдения за вертикальной структурой водных масс глубоководной части Берингова моря, обладающих высокой схожестью с вертикальной структурой вод Тихого океана, свидетельствуют о значительной мощности тихоокеанских водных масс [Всесторонний..., 1987; Исследование..., 1983; 1990; 1992; Ohtani, 1973; Hood, Kelly, 1974; Щука, 1999; и др.].

160Е 170Е 180 170W 160W

Рис. 1.1. Основные течения Берингова и Чукотского морей. ACW - Аляскинские прибрежные воды; АС - Анадырское течение; BSW - воды беринговоморского шельфа; BSC - Беринговоморское склоновое течение; ЕКС - Камчатское течение; AS - Аляскинское течение [Shuert et al., 1993].

Беринговоморское склоновое течение (BSC, см. рис. 1.1) переносит воды Алеутского течения - продолжение Аляскинского течения на выходе из Аляскинского круговорота на северо-запад вдоль материкового склона моря. У Корякского побережья (м. Наварин) оно разделяется на две ветви: северную -Анадырское течение (АС) и юго-западную. Юго-западная ветвь пополняется водами, поступающими из пролива Ближний, и образует Камч