Содержание к диссертации
РЕФЕРАТ 2 стр.
ВВЕДЕНИЕ 5 стр.
ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ 9 стр.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОСФЕРЫ И КЛИМАТА
1.1.0 цели исследования 9 стр.
Об объекте исследования 17 стр.
Об инструменте исследования 20 стр.
Моделирование взаимодействия углеродного цикла и 22 стр. климата
Минимальные модели системы «биосфера-климат» 31 стр.
1.4. О ключевых параметрах моделируемой системы «биосфера- 58 стр.
климат»
Глобальный цикл углерода 58 стр.
Динамика атмосферной концентрации двуокиси углерода 69 стр.
Влияние СОг на первичную продукцию 72 стр.
Динамика углерода в почве 74 стр.
Перспективные оценки будущих изменений температуры 79 стр.
ГЛАВА 2. МИНИМАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОЙ 82 стр.
ДИНАМИКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
2.1. Базовая минимальная модель многолетней динамики СО2 85 стр.
Описание модели 86 стр.
Результаты моделирования 94 стр.
ГЛАВА 3. ОБЪЕДИНЁННАЯ МИНИМАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ 103 стр.
МНОГОЛЕТНЕЙ ДИНАМИКИ УГЛЕКИСЛОГ ГАЗА
3.1. Описание модели 103 стр.
Результаты верификации модели
Результаты работы объединённой многолетней модели 3.3.1 Оценка вклада океана в динамику модели
3.3.2. Сценарии будущих изменений
ГЛАВА 4. МИНИМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Описание модели, описывающей наземную часть углеродного цикла
Описание модели, включающей наземную и океаническую части углеродного цикла
Сравнение результатов верификации моделей сезонной динамики
Использование спутниковых данных для верификации моделей сезонной динамики
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Введение к работе
Актуальность проблемы. Экстраполяция наблюдаемых трендов глобальных параметров в будущее указывает на возможность существенных изменений параметров биосферы и климата Земли: содержание СОг в атмосфере до 1750-го года в течение нескольких тысячелетий было почти неизменно, а затем стало возрастать по экспоненциальному закону, ежегодно увеличиваясь на 0,4%; средняя температура земной поверхности с 1860-го года повысилась на величину около 0,5С.
Оценка темпов, масштабов и степени необратимости этих изменений представляет собой, без сомнения, одну из актуальнейших задач, стоящих перед современной наукой. Естественное опасение, что биосфера и климат могут «не выдержать» таких нагрузок приводит к задаче оценки пределов устойчивости (эластичности) этих систем. Выявление ключевых факторов глобальных изменений дает возможность, по крайней мере, в принципе, предотвратить все более явно проявляющиеся негативные тенденции в развитии биосферы. Существующая программа "Global Change" ориентирована в первую очередь на сугубо климатические факторы, однако еще академик В.И.Вернадский указывал на важную роль биосферы в изменении условий на Земле. Он имел в виду геологические масштабы времени, но есть основания считать, что биосфера способна оказывать значимое влияние на существенно меньших временных интервалах. Актуальной становится оценка последствий антропогенного воздействия на систему взаимодействующих биологических (биосферных) и глобальных климатических процессов.
Цель и задачи исследования. Целью данного исследования является оценка возможности реализации катастрофического варианта динамики системы «биосфера-климат» и выявление механизма, способствующего наиболее раннему развитию катастрофического режима.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Определение и анализ ключевых процессов изучаемой системы, способных привести к катастрофическим последствиям.
Создание, верификация и исследование минимальной математической модели системы «биосфера-климат».
Проведение вычислительных экспериментов с серией моделей различной степени общности и различных временных масштабов для определения временных характеристик ключевых процессов системы.
Научная новизна работы.
1. В данном исследовании разработан и последовательно применяется
принцип «наихудшего сценария», который заключается в выделении и
изучении только тех процессов, которые могут максимально быстро
привести к проявлению негативных изменений в исследуемой системе.
Применение принципа «наихудшего сценария» к схеме взаимодействий в
системе "биосфера-климат" позволяет выделить потенциально наиболее
быструю петлю положительной обратной связи и, тем самым, использовать
для описания биосферы малоразмерную (минимальную) математическую
модель.
2. Показана возможность негативных катастрофических изменений системы
«биосфера-климат» и проведена оценка так называемых «дат
необратимости»;
3. Проведена оценка антропогенных потоков СОг, нарушающих
естественный углеродный цикл и показано, что баланс глобального
круговорота углерода достижим без введения широко используемого в
настоящее время неизвестного стока в наземные экосистемы.
Научно-практическое значение работы.
Предложенный принцип «наихудшего сценария» может использоваться для упрощения моделей экосистем при анализе предельных условий их существования и для исследования обратных связей и критических состояний искусственных замкнутых экосистем жизнеобеспечения человека.
Полученные результаты могут стать основой для дальнейшего исследования критических процессов в системе «биосфера-климат». Принцип наихудшего сценария может быть использован для изучения таких важных элементов углеродного цикла, как, например, динамика концентрации ССЬ в экосистемах болот.
Результаты показывают значимость параметров деструкция почвенной органики, накопления растениями избыточного антропогенного углерода и влияния повышенной температуры на фотосинтез растений в контексте возможного развития катастрофических процессов, что может привлечь внимание исследователей к изучению этих процессов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Конференциях молодых учёных ИБФ СО РАН (Красноярск, 2004 и 2006гг.); Конференции молодых учёных при КНЦ СО РАН (Красноярск, 2004г.); Международной конференции «Моделирование климата и влияние изменений климата на рост деревьев» (Красноярск, 2006г.); Международной конференции «ENVIROMIS-2006» (Томск, 2006г., Первое место в конкурсе докладов молодых учёных); Международной конференции «COSPAR-2006» (Пекин, 2006г.); Международной конференции «Разработка ЗСЖО для выживания человека в экстремальных условиях» (Красноярск, 2006г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, среди которых 2 статьи в центральных журналах, 1 статья в Юбилейном сборнике, посвященному 75-летию академика И.И. Гительзона, 1 статья в сборнике работ, опубликованном по результатам Международной
конференции «ENVIROMIS-2006», 3 тезисов докладов на конференциях. Список работ приведён в конце диссертации.
Структура и объём работы. Диссертация состоит их введения, четырёх глав, выводов, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков. Список литературы включает 166 источника из них 130 на иностранном языке.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю и соавтору, д. ф.-м. н. Барцеву СИ. за активное и постоянное участие в создании данной работы, за ценные идеи и полезные советы, и, конечно же, за терпение и оптимизм. Особую благодарность выражаю чл.-корр. РАН Дегерменджи А.Г., соавтору и активному участнику этой работы, оказавшему неоценимую помощь и поддержку в развитии данного направления исследований. Отдельно хочу поблагодарить д.б.н. Печуркина Н.С. за экспертную оценку работы, критические замечания и полезные дополнения. Благодарю весь коллектив лаборатории «Теоретической биофизики», а также коллектив лаборатории «Экологической информатики» ИБФ СО РАН под руководством д.т.н. Шевырногова А.П. за поддержку и участие в выполнении этой работы. Благодарю к.ф.-м.н. А.В. Елисеева, с.н.с. лаборатории «Теории климата» ИФА РАН, за продуктивное обсуждение результатов. Так же благодарю за активное участие в обсуждении работы и за полезные замечания всех участников Теоретического семинара ИБФ СО РАН.
