Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткая история изучения цикла углерода: достижения и научные проблемы 17
1.1. Цикл органического углерода в Арктических морях России 17
1.2. Роль Мирового и Северного Ледовитого океана в балансе атмосферного С02: общее состояние проблемы 20
1.3. Обмен двуокиси углерода и метана как недоучтенный элемент баланса и круговорота углерода в Российском секторе Арктики 22
1.4. Исторические данные: структура, количественное и качественное наполнение 27 Выводы 33
Глава 2. Взаимосвязь между климатическими изменениями и циклом углерода в Арктике 35
2.1. Цикл углерода и глобальные изменения 35
2.1.1. Палеоциркуляция океана и С02 в атмосфере 41
2.1.2. Карбонатные осадки и С02 в атмосфере 45
2.1.3. Биологический контроль содержания атмосферного С02 47
2.2. Роль Арктики (система «суша-шельф») в глобальном цикле углерода 53
2.3. Особая роль Восточной Арктики (суша-море) в региональном цикле углерода 60
2.4. Современные климатические изменения в морях и в одосборах рек российской Арктики: взаимодействие в системе «атмосфера-суша-шельф» 62
Выводы 71
Глава 3. Методы и материалы исследований 73
3.1. Материалы и методы, использованные в экспедициях 1994-2002 гг. 73
3.1.1. Общая информация 73
3.1.2. Описание первичных данных, полученных по различным районам 75
3.1.3. Методы измерения в различных районах в различные годы 77
3.1.4. Методы расчетов 80
3.1.5. Использование стабильных изотопов углерода и азота для понимания генезиса органического вещества 84
3.2. Исследования миграции взвешенного материала и растворенного органического вещества на основе гидрооптических характеристик измеренных в экспедициях 2003-2004 гг. 87
3.2.1. Измерение и расчет концентрации взвеси 88
3.2.2. Измерение величины CDOM и РОВ
(измеренный и расчетный) 90
Глава 4. Транспорт наземного углерода в море реками и в результате термо-абразионного разрушения берегов 92
4.1. Речной транспорт 92
4.1.1. Развитие представлений о происхождении органического углерода на шельфе МВА 92
4.1.2. Система река Лена - море Лаптевых 98
4.1.3. Речной транспорт растворенного и взвешенного углерода в составе наземного вещества в море 106
Выводы 131
4.2. Береговая эрозия 132
4.2.1. Оценка скоростей эрозии берегового комплекса и концентрации ОУ в эрозионном материале 132
4.2.2. Оценка деструкции эрозионного материала терригенного происхождения 140
4.2.3. Основные геохимические индикаторы терригенного эрозионного углерода 149
Глава 5. Пространственно-временная изменчивость элементов углеродного цикла 165
5.1. Пространственно-временная изменчивость элементов карбонатной системы, потоков С02 в системе атмосфера-поверхность моря (с учетом морского льда), и основных океанологических параметров 166
5.1.1. Море Лаптевых и Восточно-Сибирское море 166
5.1.2. Чукотское море 181
5.1.3. О роли морского льда в балансе атмосферного С02 над СЛО 192
5.2. Растворенный метан в шельфовых водах арктических морей 195
5.2.1. Оценка эмиссии метана в атмосферу. 202
5.3. Особенности взаимодействия Тихоокеанских вод с шельфовыми водами Восточно-Сибирского моря 204
5.4. Основные наземные источники С02 и СН4 209
Выводы: 213
Глава 6. Количественная оценка межгодовых изменений элементов углеродного цикла в Восточно-Сибирском море и связей между ними 215
6.1. Методический подход к индикации межгодовой изменчивости элементов углеродного цикла 215
6.2. Интегральные запасы основных элементов углеродного цикла и гидрологических параметров 218
6.2.1. Интегральные запасы общего растворенного минерального углерода 219
6.2.2. Интегральные запасы растворенного С02 и СН4 221
6.2.3. Интегральные запасы взвешенного вещества 223
6.2.4. Интегральные запасы соли 223
6.3. Корреляционные связи между элементами углеродного цикла и основными гидрогеохимическими характеристиками водных масс 225
Выводы 230
Заключение 232
Список литературы
- Обмен двуокиси углерода и метана как недоучтенный элемент баланса и круговорота углерода в Российском секторе Арктики
- Карбонатные осадки и С02 в атмосфере
- Описание первичных данных, полученных по различным районам
- Речной транспорт растворенного и взвешенного углерода в составе наземного вещества в море
Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающий интерес к исследованию цикла углерода в Арктическом Регионе (АР) вызван, в первую очередь, климатическими изменениями, которые наиболее ярко проявляются в северных широтах и выражаются в повышении среднегодовой температуры воздуха и интенсивности атмосферной циркуляции, таянии мерзлоты и горных ледников, увеличении масштабов береговой эрозии и стока рек, что, в конечном итоге, приводит к увеличению эмиссии парниковых газов (двуокиси углерода (С02) и метана (СН4)) из северных экосистем и усилению эффекта глобального потепления (ACIA, 2004; IPCC, 2001). Изучение динамики последствий глобальных изменений невозможно, во-первых, без всеобъемлющего охвата "ключевых" » географических регионов, в которых происходящие климатические изменения проявляются наиболее отчетливо; во-вторых, без разработки методических основ и способов их практической реализации, направленных на качественную Введение и количественную оценку основных компонентов углеродного цикла с целью выявления наиболее чувствительных индикаторов происходящих изменений. В качестве наименее исследованного географического района до настоящего времени считался Восточный сектор Арктических Морей России (Море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море, далее по тексту - МВА). Основными недостатками ранее проведенных исследований и полученных данных являлись: не изученность газообразных компонентов углеродного цикла (С02 и СЦ,) в системе "водная поверхность-атмосфера", а также в системе "лед-водная поверхность"; несогласованность и противоречивость расчетных данных о структуре и количественном соотношении основных компонентов углеродного цикла; недостаток данных, необходимых для обоснования общей картины потоков и баланса масс углерода в Северном Ледовитом Океане (СЛО) (Романкевич и Ветров, 2001).
Предполагается, что потепление и таяние наземной,и субаквальной мерзлоты в АР приведет к значительной мобилизации захороненного ранее наземного органического вещества (ОВ), увеличению его выноса в море и включению в современный биогеохимический цикл углерода в форме СН4 и С02 Согласно существующим оценкам, только в верхнем 100 м слое наземной мерзлоты содержится около 10,000 Гт углерода ОВ (Гт-С, 1Гт=1015г (Семилетов, 1995; Semiletov, 1999). Увеличение толщины сезонно-талого слоя приводит к увеличению респирации почв с выделением в атмосферу дополнительных количеств С02 и СН4 (при переувлажнении почв и развитии анаэробных условий). Другим крупнейшим резервуаром органического углерода, потенциально доступным к вовлечению в современные геохимические процессы, являются метановые газгидраты, запасы которых на суше оцениваются в 32 000 Гт-С, а на шельфе - приблизительно в 6000 Гт-С (Макагон, 1982). Если учесть, что в современной атмосфере содержится около 750 Гт С-С02 и 4 Гт С-СН4 (ACIA, 2004; IPCC, 2001), то становится очевидным, что Введение вовлечение в круговорот даже незначительной доли ОВ, аккумулированного в углеродном резервуаре мерзлоты и метановых газгидратов, может привести к существенному увеличению эмиссии в атмосферу основных парниковых газов, определяющих глобальные изменения климата. Количественная оценка положительной обратной связи "потепление - таяние мерзлоты и разрушение газгидратов - эмиссиия парниковых газов" долэ/сна стать неотъемлемой частью прогнозных сценариев климатических изменений в ближайшем и отдаленном будущем и общей теории климата.
Настоящая работа основана на комплексном и междисциплинарном подходе, используя который автор рассматривает элементы механизма формирования основных компонентов углеродного цикла в МВА и их пространственно-временной изменчивости под воздействием изменений гидрометеорологического режима в системе "атмосфера-суша-шельф". В работе приводятся новые данные, основанные на фактическом материале, касающемся наименее изученных вопросов цикла углерода в Арктике: 1) латеральные потоки в системе "суша-шельф", 2) вертикальные потоки в системе "атмосфера-море", 3) качественные и количественные оценки пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла. Особое внимание уделено оценке обмена газообразным углеродом (С02 и СН4) в системе "атмосфера - водная поверхность" с учетом морского льда. Вклад биопродуктивных процессов в цикл углерода рассматривается в данной работе на примере Чукотского моря, где, в отличие от моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, их вклад в цикл углерода является определяющим. Единство и целостность работы обеспечивались общностью предметной области (биогеохимия цикла углерода в системе "атмосфера-суша-шельф"), объекта (все частные задачи относятся к различным аспектам углеродного цикла в МВА), а также единым методическим подходом к получению, обработке и анализу полученных данных.
Введение
Цель работы. Целью настоящей работы является выявление основных процессов, определяющих формирование компонентов углеродного цикла в системе "атмосфера-суша-шельф" в МВА и их пространственно-временную изменчивость, а также разработка методических основ и практических методов количественной оценки компонентов углеродного цикла, интегрирующих происходящие глобальные изменения.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
1. Выявление и оценка основных процессов, ответственных за транспорт наземного углерода в системе "суша-шельф": роль рек и термоабразионного разрушения берегов;
2. Исследование пространственно-временной изменчивости элементов углеродного цикла в МВА (растворенного органического и минерального углерода, взвешенного органического углерода, органического углерода в поверхностных донных осадках, растворенной двуокиси углерода и метана) в комплексе с изменчивостью гидрометеорологических условий (температурой и соленостью воды, гидрохимическими параметрами, атмосферной циркуляцией, стоком рек, состоянием мерзлоты и ледовыми условиями);
3. Выявление и оценка основных процессов, ответственных за вертикальный перенос газообразного углерода (С02 и СН4) в системе "атмосфера-океан" (с учетом морского льда), как наиболее подвижных компонентов углеродного цикла;
4. Количественная оценка межгодовой изменчивости элементов углеродного цикла и отдельных характеристик водных масс на примере прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря;
5. Разработка методических подходов к выявлению межгодовых и Введение долговременных (в масштабе 102 лет) изменений в динамике элементов углеродного цикла в системе "суша - шельф" в связи с глобальными изменениями климата. Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность результатов определяется современным уровнем аналитического оборудования и методов анализа. Например, для исследования карбонатной системы (КС), наряду с традиционными методами исследований элементов КС, (путем высокоточного измерения рН, обшей щелочности, общего минерального углерода, с последующим расчетом, основанным на репрезентативной выборке констант ионизации борной и угольной кислоты), использовались прямые измерения величины парциального давления С02 в воде (рСО , с помощью нового сенсора SAMI-C02 (www.sunburstsensors.com). Комплекс этих измерений, наряду с прямыми непрерывными измерениями содержания С02 в воздухе по ходу судна с помощью ИК-спектрометра LiCor-820 (www.licor.com), позволил получить репрезентативные оценки по обмену С02 между поверхностью моря и атмосферой. Для определения растворенного метана, растворенного органическоо углерода (РОУ), взвешенного органического углерода (ВОУ), общего органического углерода (ТОС) и хлорофилла в воде, стабильных изотопов углерода (С) и азота (N), органического вещества в донных осадках и взвешенном материале использовались традиционные методы, принятые в мировой практике (см. подробнее в разделе Глава 3). Для оценки потоков С02 через морской лед использовались микрометеорологический и камерно-динамический методы, позволившие, наряду с прямым определением величин рС02 в рассолах льда и подледной воды, дать первые количественные оценки роли морского льда в балансе атмосферного С02 (Semiletov et.al., 2004). Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки данных, выполненной с использованием совремешшгх пакетов аналитических программ, используемых в мировой научной практике (Statistika 5.1; Grapher 5; Surfer 8.0; ODV, Matlab 7.1 Введение и др.).
Научная новизна результатов. Результаты наших многолетних исследований, проведенных в МВА можно рассматривать как первые комплексные океанологические и биогеохимические исследования в системе "суша-шельф", выполненные в этом регионе с использованием современных методов, что позволило получить большой массив репрезентативных данных, характеризующих современные процессы и факторы, оказывающие влияние на формирование и изменчивость компонентов углеродного цикла. Стратегия системного подхода позволила проследить каким образом изменения в атмосферной циркуляции приводят к изменениям речного стока, циркуляции водных масс в море, и как это определяет пространственно-временную изменчивость элементов углеродного цикла в системе "атмосфера-суша-шельф". На основе полученных данных показана ведущая роль потоков эрозионного взвешенного углерода, как фактора, определяющего биогеохимический и седиментационный режимы в исследованных районах МВА. Показано, что вклад рек в поставку взвешенного вещества в море мало значим по сравнению с эрозией берегов. Особое внимание уделено выявлению связей между изменениями в состоянии мерзлоты и особенностями миграции углерода в различных формах. Впервые для МВА были выполнены площадные съемки, которые позволили рассчитать атмосферную эмиссию СН4 и С02 и выявить изменчивость пространственно-временного распределения РОУ и ВОУ, а также интегральное содержание элементов углеродного цикла и солесодержание, позволившие количественно оценить происходящие изменения. Вклад газообразных компонентов в цикл углерода в МВА изучался впервые. Использование одних и тех же методов исследования в море и на суше (реки и озера) позволило получить сопоставимые результаты по распределению и изменчивости элементов цикла углерода и их потоков Введение в системе "суша-шельф". Впервые были проведены комплексные высокопрецизионные измерения потоков С02 надо льдом и через морской лед, на основании которых было показано, что потоки через морской лед могут играть важную роль в балансе атмосферного С02. Научная новизна подтверждена публикациями в реферируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), Национального Научного Фонда США (ННФ), Международного Научного Фонда (Сороса), Фонда МакАртуров, НОАА США и других научных организаций в России и за рубежом .
Практическое значение работы. Выявленные эмпирические зависимости между различными элементами цикла углерода и отдельными характеристиками водных масс могут быть использованы для создания обшей модели потоков и баланса масс углерода в СЛО, уточнению роли положительной обратной связи между изменением климата, состоянием мерзлоты и эмиссией парниковых газов.
Данные по распределению и динамике элементов цикла углерода, полученные в рамках этой работы, могут стать основой для разработки стратегии дальнейших исследований миграции наземного органического вещества и его трансформации в системе "суша-шельф" с целью раннего обнаружения и количественной оценки изменений, происходящих в Арктике под воздействием Глобальных изменений. Полученный фактический материал и подходы, разработанные в рамках выполненной работы, могут быть полезны для разработки модели цикла углерода в региональном и глобальном масштабе.
Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами в Введение период с 1990 по 2005 гг.. Под руководством автора были организованы и выполнены все малые (1-3 участника) и большие (до 20 участников) экспедиции Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН в моря Российской Арктики и их бассейны (водосборы реки Лены и Колымы), всего 16 экспедиций, включая Российскую Трансарктическую Экспедицию-2000, Первую (2003) и Вторую (2004) Российско-Американские экспедиции. Автор лично занимался отбором проб, проводил измерения, занимался обработкой и анализом полученных материалов, написанием статей и глав в коллективных монографиях, три из которых опубликованы под редакцией автора. Изотопные исследования донных осадков и взвеси на содержание органического углерода и азота, а так же ряд других высоко затратных анализов, выполнены в сертифицированных международных лабораториях за счет средств, полученных автором по инициативным грантам ННФ. Автор имеет 4 авторских свидетельства СССР и 2 патента РФ, касающихся модификации газоаналитических методов. Результаты, представленные в разделе 5.4, частично основаны на результатах, полученных и опубликованных автором на равных правах с сотрудниками Северо-Восточной Научной Станции (СВНС) Тихоокеанского института географии ДВО РАН (Колымо-Индигирская низменность, пос. Черский, 150 км от устья Колымы).
Апробация работы. В марте 2005г работа была заслушана, обсуждена и одобрена к защите на Ученом Совете ТОЙ ДВО РАН. В апреле 2005г работа была представлена, обсуждена и рекомендована к защите на Объединенном коллоквиуме ИО РАН и затем на Ученом Совете Геологического направления ИО РАН. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на многих международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная конференция по биогеохимическим изменениям Введение в окружающей среде в Саламанке (ISEB 10th, октябрь, 1993, Испания); 21м генеральная Ассамблея IAPSO (США, 1995); конференции Американского Геофизического Союза (AGU Fall Meetings, декабрь 1996; 1998; 2002, 2004, США); международные конференции PICES (Владивосток, 1999; Виктория, Канада, 2001); 5ое Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); международная конференция по атмосферной химии в Пекине (IGACIASC, 1998); 2Ш конференция по изучению изменения полярного климата (Цукуба); международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003); 4ое международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Нагоя, Япония, 2003); международная арктическая конференция в Кунминге (7th ASSW, апрель 2005, Китай); Российско-Американское совещание по сотрудничеству в Арктике (RAISE, июль 2005, США) и др. Начиная с 1995 г материалы положенные в основу диссертации докладывались ежегодно в России или в США на Рабочей Российско-Американской группе RAISE (РАН-ННФ) и на конференциях американской Ассоциации Развития Науки (AAAS Meetings/Arctic Division) на Аляске. По материалам диссертационной работы в декабре 2003г и феврале 2005 г. проведены семинары в Международном Арктическом Научном центре (МАНЦ) и в Институте морских наук Университета Аляска, Фэрбанкс, в Университете Стокгольм в октябре 2004 г.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 57 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 262 страницах, включая список литературы из 360 наименований, 92 иллюстраций, 15 таблиц.
Благодарности. Автор выражает благодарность академикам В.И.Сергиенко, Г.С.Голицыну, В.А. Акуличеву, член-корреспонденту Б.В.Левину, доктору Ш.Акасофу за многолетнюю поддержку исследований; профессорам Е.А. Романкевичу, Н.Н.Романовскому, В.В. Плотникову за обсуждение и полезные замечания по диссертационной работе; профессору Г. Веллеру, докторам Л. Гуо, О. Густафсону, П. Маккрою, П.Маккавееву, А. Макштасу, А.Гукову, В. Попову, П. Тищенко, Г. Пантелееву за совместное решение научно-методических задач; сотрудникам лаборатории геохимии полярных регионов ТОЙ ДВО РАН (ЛГПР) за многолетнее сотрудничество в проведении экспедиционных исследований, обработку полученных материалов и помощь в техническом оформлении данной работы.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ
1) Термо-абразионное разрушения берегов в МВА является основным процессом, ответственным за транспорт наземного взвешенного вещества, обогащенного органическим биоактивным углеродом, в "системе суша-шельф". Эрозионный углерод играет определяющую роль в цикле углерода и режиме седиментации на шельфе.
2) Речной транспорт является определяющим в транспорте наземного РОУ в системе суша-шельф. Роль речного транспорта в латеральном потоке ВОУ в системе "суша-шельф" мала по сравнению с ролью транспорта эрозионного углерода, обусловленного разрушением берег, сложенных ледовым комплексом.
3) Мелководный шельф Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, подверженный сильному влиянию речного стока и эрозии берегов, является источником парниковых газов (С02 и СН4) в атмосферу, в то время как акватории морей, относительно удаленных от этого влияния (например, Введение Чукотское море), являются стоками для атмосферного С02. В летний период морской лед играет важігую роль в стоке атмосферного С02.
4) Изменчивость элементов углеродного цикла на мелководном шельфе МВА (растворенного органического и минерального углерода, растворенной двуокиси углерода и метана) корреляционно сопряжена с изменчивостью параметров водных масс (соленость, взвешенное вещество), которая обусловлена динамикой гидрометеорологических факторов и состоянием мерзлоты.
5) Положение геохимической фронтальной зоны (ФЗ), выделенное по распределению отношения стабильных изотопов углерода и азота в органическом веществе поверхностного слоя донных осадков (возрастом примерно 500 лет), смещено примерно на 10° долготы на восток по сравнению с "климатическим" положением гидрологической ФЗ, (отражающей доминирование антициклонической моды циркуляции), выделенной по историческим данным (1932-2000), что может свидетельствовать о доминировании циклонической моды атмосферной и океанической циркуляции в масштабе столетий.
6) За период 2003-2004 гг. в прибрежной зоне Восточно-Сибирского моря накоплены значительные дополнительные запасы растворенного С02, что в сочетании с увеличением интегральной взвеси и уменьшением интегральной солености и растворенного неорганического углерода (свидетельствующих об увеличении доли речных вод в зоне сравнения) может свидетельствовать об интенсификации процесса береговой эрозии и накоплении продуктов разрушения ОВ.
7) Основными наземными источниками газообразных элементов углеродного цикла в атмосферу АР являются: для С02 - респирация почв, для СН4 - северные озера и подстилающие их талики.
Фактический материал. В основу диссертации положены результаты научных экспедиций по р. Лене (сентябрь 1995, 1998, 1999, 2003 гг.), в море Лаптевых (сентябрь 1997, 1999, 2000, 2004 гг., апрель 2002); в Чукотское море (сентябрь 1996, 2000 гг..; конец августа - начало сентября 2002 г), в Восточно-Сибирское море (сентябрь 2000, 2003 и 2004 гг..), в различных районах Приморской низменности (1994-1999 гг..) и Колымо-Индигирской низменности (1990-1994 гг.) (рис. 1). Более детальная информация по фактическому материалу приведена в главе 3 и разделе Личный вклад автора. Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов, финансируемых Российским Фондом Фундаментальных Исследований (около 15 инициативных и экспедиционных проектов под научным руководством автора, начиная с 1993 г), ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция" (2000-2004 гг..), по Программе фундаментальных исследований Президиума ДВО РАН (2003-2005 гг..), а также в рамках российско-американских инициативных проектов международного Научного Фонда Сороса (1994-95гг.), ФондаМакАртуров (2000-2001гг.), Международного Арктического научного Центра Университа Аляска Фэрбанкс (2002-2005 гт.) и Национального Научного Фонда США (2003-2004 гг.).
Обмен двуокиси углерода и метана как недоучтенный элемент баланса и круговорота углерода в Российском секторе Арктики
Результаты метеорологических наблюдений, измерений основных парниковых газов, двуокиси углерода (С02) и метана (СН4), в атмосфере и модельных оценок свидетельствуют о том, что климатические изменения, связанные с парниковым эффектом, проявляются не только в повышении среднепланетарной температуры, но и в интенсификации атмосферной циркуляции, особенно в высоких широтах Северного полушария (Serreze et al., 2000; Schubert, 1999). Поэтому, одной из наиболее значимых проблем современной геохимии и климатологии является вопрос об основных v закономерностях миграции С02 и СН4, которые являются наиболее подвижными звеньями в углеродном цикле (Вернадский, 1968). Результаты Антарктика Арктика Антарктика Арктика ис. 2. Межполюсный градиент концентраций а) атмосферного СОТ, б) атмосферного СН4 сравнительного анализа изменчивости содержания С02 и СН4 в атмосфере полярных регионов (прямые измерения и воздушные включения кернов льда) и данные глобального атмосферного мониторинга показали, что планетарный максимум в распределении этих газов находится не над умеренными широтами (в полосе 20-60 с.ш., где сжигается свыше 90% ископаемого топлива), а над Арктикой/Субарктикой (Rasmussen and Khalil, 1982; Steele et al., 1987; IPCC, 2001; www.noaa.gov), где антропогенная активность относительно невелика (менее 5% добываемого ископаемого топлива сжигается между 60 и 70 с.ш.). Это значит, что в северных широтах существует мощный природный источник С02 и СН4 и это проявляется в сущестВОУании межполюсного градиента в меридиональном распределении С02 и СН4: увеличении среднего содержания атмосферного С02 примерно на 3 татм (около 1% от средней величины) и СН4 на 0,15-0,17 татм (8-10% от средней величины) над Арктикой по сравнению с Антарктикой (рис.2).
Вариации содержания атмосферного С02 - основного парникового газа в масштабе 10-103 лет - обычно ассоциируются с изменчивостью обменных процессов между атмосферой, биосферой и океаном, на которые накладывается возрастающая антропогенная эмиссия С02 в атмосферу. До последнего времени большинство исследователей склонялось к мнению о том, что основным стоком "излишнего" антропогенного С02 (до 44-50% от антропогенной эмиссии) является Мировой океан (Алекин, Ляхин, 1984; Гидрохимические процессы..., 1985; Tans et al., 1990). Однако современное состояние изученности процессов обмена С02 в системе океан-атмосфера, несмотря на явный прогресс в области аналитического и экспедиционного обеспечения работ, не дает возможности однозначно выделить акватории, ответственные за нетто-сток /источник С02 . Еще более дискуссионным представляется вопрос об "адсорбционной емкости" океана по отношению к атмосферному С02 антропогенного происхождения. Так, в обобщающих работах по балансу С02 в системе атмосфера-океан можно встретить существенно различающиеся оценки океана как стока для "избыточного" С02 (Алекин, Ляхин, 1984; Гидрохимические проц., 1985; Tans et al., 1990; Бордовский и др., 1995; Global Carbon..., 2003). Отметим, что результаты этих макромасштабных оценок могут быть существенно откорректированы за счет выявленной мезомасштабной пространственно-временной изменчивости вариаций С02 в системе океан-атмосфера (Семилетов и Пипко, 1991). Другим важным фактором в увеличении эмиссии С02 представляется возрастающая в условиях потепления роль северных экосистем, обусловленная расконсервацией органического углерода, иммобилизованного в мерзлотных почвах, в связи с увеличением толщины активного слоя мерзлоты (Зимов и др., 1991; Semiletov et al., 1993; Zimov et al., 1993ab).
Вторым по значимости парниковым газом в атмосфере в настоящее время является метан (СН4), концентрация которого оставляет всего около 0,5% от С02. Все возрастающий интерес к изучению этого компонента атмосферы объясняется тем, что радиационная активность метана в 20 раз выше, а темпы увеличения концентрации примерно в 2-4 раза выше, чем у
C02 (IGAC, 1994; Prinn, 1994). Исходя из выявленной климатической цикличности, в распределении изотопной температуры и состава атмосферы без учета влияния ноосферы, наше время может рассматриваться как стадия глобального похолодания и понижения концентрации С02 и СН4, наступившего после оптимума Голоцена (Будыко, 1980; Имбри, 1988; Lorius et al., 1988, 1990; Robin, 1983; ГРСС, 2001). Однако экспериментальные данные показывают, что в последние десятилетия рост концентрации основных парниковых газов в атмосфере составляет: С02 - 0,4% и СН4 -0,3-1,2% в год, что ассоциируется с антропогенной деятельностью (Prinn, 1994). Антропогенный тренд атмосферного С02 и СН4 накладывается на естественную климатическую изменчивость в содержании этих газов, характерную для межледниковых эпох, что приводит к нарушению природного цикла углерода и проявляется в виде глобального потепления климата. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о механизме формирования планетарного максимума СН4 и С02 в атмосфере, который находится не над средними широтами Северного полушария, где наблюдается максимальная антропогенная активность, а смещен в зону Арктики/Субарктики, что свидетельствует о важной роли северных экосистем (www.noaa.gov; ACIA, 2004; Weller et al., 1998). Данные глубокого бурения покровных ледников Гренландии и Антарктиды свидетельствуют о том, что максимум в распределении атмосферного С02 и СН4, подобный современному, существовал в меэктедпиковые эпохи в позднем плейстоцене, что подтверждает валеную роль северных экосистем в прошлом (Семилетов, 1996,1995,1993аб; Семилетов и др., 1996; Semiletovet al., 2004а; Semiletov, 1999,1993; Rasmussen andKhalil, 1984; Zimov et al., 1997).
Карбонатные осадки и С02 в атмосфере
Выше мы фрагментарно рассмотрели некоторые физические и химические аспекты палеовариаций содержания атмосферного С02 в связи с парниковым эффектом и глобальными изменениями климата. Между тем, согласно концепции В.И.Вернадского, "газы биосферы всегда генетически связаны с живым веществом, и земная атмосфера им определяется в своем основном химическом составе" (Вернадский, 1926). В таком широком понимании наиболее интересен атмосферный С02 как самое подвижное звено } углеродного цикла, которое является наиболее чувствительным и показательным параметром системы «атмосфера-биосфера-криосфера-океан-литосфера». В масштабе ледниковых эпох первостепенное значение имеет обмен С02 между биосферой суши и океанами опосредованно через атмосферу и речной сток. В устойчивом состоянии системы потоки С02 между атмосферой и подсистемами биосферы составляют примерно 100 Гт-С/год (Кольмайер и др., 1987). При этом, несмотря на сезонную неоднородность, общий баланс С02 в постиндустриальную эпоху нарушается благодаря антропогенной эмиссии не более, чем на 0,3-0,4% в год (Revelle, 1982). Данные последних исследований ледяного керна из скважины GISP-2 в Центральной Гренландии показали постоянство концентраций С02 в воздушных включениях за 1550-1800 гг. (Wahlen et. al., 1991), несмотря на малый ледниковый период с экстремумом похолодания в XYII в. (Инбри, 1988). В этом случае асинхронность температурной кривой с изменением содержания атмосферного С02, по-видимому, свидетельствует о региональном характере этого явления.
То же можно сказать о потеплении, предварившем похолодание в раннем дриасе на Британских островах (Atkinson et. al., 1987). В данном случае нас интересует вопрос о том, какие причины, связанные с деятельностью биоты, могли привести к дисбалансу С02, проявившемуся в резком увеличении содержания атмосферного С02 при переходе от холодных эпох к теплым и относительно плавных его понижениях при переходе от теплых эпох к холодным, когда температурная зависимость интенсивности респирации и фотосинтеза приводила к преимущественному накоплению органического вещества экосистемами суши, в первую очередь в бореальной и арктической зонах, где климатические изменения наиболее выражены. Известно, что углеродные резервуары атмосферы, поверхностных вод океана и наземной растительности близки по емкости и составляют примерно 700-800 Гт-С (Revelle, 1982).
При этом общий запас углерода в океане определяется минеральными (приблизительно 40000 Гт-С) и органическими (1000 Гт-С) формами. Учитывая относительно низкую продуктивность вод океана по сравнению с сушей, можно считать, что последняя более интенсивно обменивается С02 с атмосферой. Рассмотрим, каким і образом изменение уровня океана могло бы повлиять на изменение активной углеродной емкости биосферы суши. Относительно океана эта ситуация была оценена с помощью фосфатэкстракционных моделей Брокера, Бергера и Кейра, Мак-Элрой предпочел "азот-экстракционную" модель, а в модели Сармиенто и Тоггвейлера изменение углеродного цикла в океане рассматривается как функция уровня растворенных преформ-биогенов (Broecker and Peng, 1989; Sarmiento and Toggwailer, 1986).
На суше в максимум последнего оледенения, 18 тыс. лет назад, площадь льдов в Северном полушарии составляла (15-20)»10б км2 (в настоящее время 4» 106 км2), а общая площадь ледников и полярных пустынь достигала 35Ч106 км2 (современная площадь Антарктиды примерно 15 106 км2), т.е. вдвое превосходила современную. Границы морских льдов в это время примерно на 15 широты приближались к экватору, до 53 с.ш. и 57 ю.ш., соответственно, в Северном и Южном полушарии, а площадь тундры превышала приблизительно вдвое современные размеры (Bolin, 1980). Исходя из примерного равенства современных запасов углерода в подстилке, гумусе в арктических и умеренных широтах, и принимая, что общий запас составляет примерно 550-600 Гт-С (Кольмайер и др., 1987), можно считать, что значительная часть этих запасов изымается из обменных процессов в эпохи похолодания вследствие обширного покровного оледенения. Результаты расчетов изменения запасов фитомассы на территории России (Величко и др., 1991) показывают, что в оптимум микулинского (рисс-вюрмского) межледниковья запасы фитомассы были выше современных на 50%, а в оптимум голоцена - на 30%. Следовательно, при разрушении постоянного ледникового покрова в высоких широтах, в первую очередь в Северном полушарии, происходит расконсервация запасов углерода, поступающих в обменный фонд с атмосферой. При этом для увеличения концентраций С02 от типично ледниковых, 170-180 ррт, до средних голоценовых, 240 ррт, достаточно дополнительного окисления всего 120-140 Гт-С, что представляется вполне реалистичным и без привлечения океанического блока. Другим фактором, влияющим на дисбаланс С02 , может быть различие между температурными оптимумами фотосинтеза и респирации, что должно приводить к накоплению органики в холодный период, поскольку фотосинтез более эффективен при понижении температуры, чем дыхание (Заварзин, 1984). При потеплении климата микробные и химические процессы деструкции могут вызвать полную минерализацию запасенной органики, что обусловит дополнительную эмиссию С02 в атмосферу. С другой стороны, при глобальном потеплении в Северном полушарии ареалы высокопродуктивных растений смещаются к северу. Например, в поствюрмский период зона бореальных лесов распространяется на север, замещая низкопродуктивную растительность тундры
При глобальном потеплении, сопровождающемся ростом содержания С02, уменьшается транспирация, увеличивается эффективность потребления воды (Кольмайерб 1987), что усиливает общую гумидизацию климата и повышает валовую продуктивность экосистем. Эмиссия С02 в атмосферу, обусловленная дыханием почвы, по-видимому, понижается вследствие переувлажненности и понижения степени аэрации, что приводит к замене высокоэффективного аэробного окисления органики менее эффективной анаэробной деструкцией органического вещества в почвах (Заварзин, 1984). В то же время общее потепление приводит к повышению мощности сезонного слоя оттаивания вечной мерзлоты и расконсервации ранее запасенной органики, которая может эффективно окисляться во время осенне-зимнего промерзания северных почв (Зимов и др., 1991; Zimov et. al., 1993). Оказалось, что в летний период окисление углерода органического вещества замедлено вследствие слабой аэрации переувлажненной почвы, а при морозобойном растрескивании эффективная аэрация приводит к интенсивному биоокислению органики и, как следствие, к саморазогреву в толще деятельного слоя мерзлоты, что существенно продлевает эффективную респирацию в почвах и приводит к зимней эмиссии С02 из почв Севера порядка 102 г-С/м2 (Zimov et. al., 1993). Предполагается, что с этим явлением связано формирование планетарного высокоширотного атмосферного максимума и бимодальное зимнее распределение С02 в Северном полушарии в наше время (Semiletov et. al., 1993). По-видимому, этот механизм биогенерации С02 имел место и в прошлые межледниковья, причем максимумы ее эффективности по времени приближались к температурным оптимумам.
Описание первичных данных, полученных по различным районам
По мнению Антонова (1964), гидрологический режим Быковской протоки отражает все основные особенности других проток дельты р. Лены, поэтому гидрохимические пробы отбирались нами в различные годы и сезоны в основном в этой протоке (Глава 4.1). Исследования вод р. Лены от среднего течения к морю Лаптевых (от г. Якутска до п. Тикси) проводились трижды - в сентябре 1995, 1998 и 1999 гг. (рис. 1). В 1995 г. была выполнена 41 океанографическая станция (поверхностный слой), из них 6 - в бухте Тикси; в 1998 и 1999 гг. - по 10 станций. В 1995 и 1998 гг. на борту т/х «Механик Кулибин», а в 1999 г. на борту т/х «Капитан Пономарев» определялись два параметра карбонатной системы - рН в шкале NBS и содержание общего неорганического углерода (Ст). Кроме рН и Ст в 1995 г. в речных водах определялась температура и хлорность, концентрация кремния и общего органического углерода (Со г). В 1998 г дополнительно определялись температура, соленость и Со г. В 1999 г были также выполнены измерения температуры, солености, концентрации кислорода, нитритов, нитратов, кремния и фосфора в поверхностном слое. Пара измеряемых параметров КС в речных водах - рН и Ст - была выбрана с целью исключения погрешности, вносимой в расчет карбонатного равновесия органической и другой титруемой щелочностью. В 2003г специализированные исследования твердого стока проводились группой ЛГПР ТОЙ ДВО РАН в составе экспедиции Иркутского филиала СО РАН от верхнего течения река Лена (Усть-Кут) до моря Лаптевых по 3700-км маршруту (рис. 1).
В 1999 г. (ГС «Дунай») и в 2000 г. (ГС «Николай Коломейцев») определялись два параметра КС - рН в шкале NBS и содержание общего неорганического углерода (СД В 1997 г. (ГС «Дунай») определялись величины рН в шкале NBS и общая щелочность. Во время работ 2-11 сентября 1997 г. измерения проводились на 35 станциях, 9-24 сентября 1999 г. - на 36 станциях. В сентябре 2000 г. в море Лаптевых выполнено 40 комплексных океанографических станций, из них 27 (30 августа- 6 сентября) - в юго-восточной части. Кроме параметров КС в 1997 г. определялись температура и соленость морской воды, в 1999 и 2000 гг. - температура и соленость морской воды, а также по стандартным гидрохимическим методикам измерялись концентрации фосфатов, нитритов, силикатов и кислорода. Во время указанных экспедиций пробы отбирались с поверхностного и придонного горизонтов, а при глубине более 20 м - с каждого 10-м горизонта.
Восточно-Сибирское море
Работы проводились в Восточно-Сибирском море от пролива Дмитрия Лаптева до пролива Лонга трижды: на борту ГС «Николай Коломейцев»5-11 сентября 2000 г и на борту ГС «Иван Киреев» 12-23 сентября 2003 г и 1-16 сентября 2004 г (рис.1). В 2000 г. океанографические работы проводились на 36 станциях, в 2003 г было выполнено 44 океанологических станции, 41 из которых являлись комплексными, где определялись также и гидробиохимические параметры. В 2004 г общее количество станций, выполненных в ВСМ, равнялось 88, из них 69 - комплексных.
В экспедиции 2000 г определялись величины рН, Ст, концентрации фосфатов, нитритов и нитратов, силикатов и кислорода, а также температура и соленость морской воды. В 2003 и 2004 гг. величина рН измерялась на борту судна, а пробы морской воды для определения щелочности были привезены для анализа во Владивосток. Также проводились измерения парциального давления С02 в приводном слое атмосферы на высоте 10 м. Помимо стандартных гидрологических (Т, S) и гидрохимических параметров (концентрация кислорода), в 2003 и 2004 г. зондом SeaBird 19plus проводились прямые измерения мутности, флюоресценции (colored dissolved organic matter, CDOM) и проникающей фотосинтетически активной радиации (PAR).
В 2003 и 2004 гг. изотопы кислорода и концентрация кремния, фосфатов, нитратов и нитритов определялись в предварительно замороженных пробах воды в лаборатории Международного Арктического Научного Центра на базе Университета Аляска (Фэрбанкс).
Материалы, используемые для анализа динамики карбонатной системы в Чукотском море, получены в кооперации с американскими учеными в экспедиции на НИС "Альфа Хеликс" в августе-сентябре 1996 г., а также в сентябре 2000 г. на ГС «Николай Коломейцев» и в конце августа-сентябре 2002 г. на НИС «Профессор Хромов,4/ (рис. 1).
В 1996 г. работы проводились в восточной части Чукотского моря: от побережья Аляски до российско-американской границы и отБерингова пролива (65 с.ш.) и до кромки льдов (-72-74 с.ш.). Параметры карбонатной системы (рН и Aj.) определялись на 14 разрезах, выполненных в американской части моря, было отобрано более 700 проб морской воды от поверхности до дна. Кроме того, измерялись температура и соленость морской воды, концентрации кислорода, кремния, фосфатов, неорганического азота (нитриты, нитраты и аммонийный азот).
Речной транспорт растворенного и взвешенного углерода в составе наземного вещества в море
Интересно, что экстраполированные на нулевую соленость расчетные значения ТС02 полученные в сентябре в экспедициях 2003 г. (Восточно-Сибирское море) и 2004 г. (Восточно-Сибирское море и юго-восточная часть моря Лаптевых) (см. раздел 4.2.2) оказались существенно ниже, 0,52 мМ и 0,50 мМ, соответственно, чем в различные годы в дельте реки Лены (таб.4). Учитывая, что эти экстраполированные величины интегрируют вклад не только Лены, но и Яны, Индигирки и Колымы, то можно прийти к предварительному заключению о том, что другие реки бассейнов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского содержат минеральный растворенный углерод в относительно низких концентрациях по сравнению с Леной влияние которой в прибрежной зоне прослеживается до восточной части Восточно-Сибирского моря.
Простой расчет показывает, что только воды р. Лены приносят в Северный Ледовитый океан (СЛО) ежегодно более, чем 10 млн. тонн общего углерода (принимая среднее значение ТС02=1 мМ, ТОС=0,7 мМ, W=525 км3/г), при средней концентрации общего растворенного углерода (ТС), поступающего в море, равной 20 мг/л С (или 1,7 мМ). Это означает, что количество углерода, поступившего в море Лаптевых со стоком р. Лены за 45000 лет, эквивалентно содержанию неорганического углерода в Северном Ледовитом океане, 450 Гт \ С (Semiletov et al., 1996), что практически соответствует общему запасу углерода в водах СЛО (мы считаем, что в СЛО ТС02 ТС, т.к. уровень ТОС в СЛО малозначим относительно величины ТС02). Основываясь на данных по транспорту ТС02 и ТОС всеми арктическими реками (Gordeev et al., 1996) и принимая средний речной транспорт ТС в СЛО -50 млн. тонн в год, можно прийти к выводу, что реки могли бы "заполнить" углеродный резервуар СЛО за последние 10 тыс. лет. Поэтому для понимания общих закономерностей цикла углерода в Арктике важно понять, в каких пропорциях перераспределяется поступающий "речной" углерод между морской водой, донными осадками и атмосферой. Заметим, что при экстраполяции морских измерений ТОС и ТС02 на нулевую соленость, мы получили близкие значения для того и другого параметра, которые изменяются в диапазоне 0,6-0,7 мМ. В сумме ТС составил примерно 1,2-1,4 мМ, что значительно ниже величины полученной нами для устьевого района Лены (1,7 мМ). Это означает, что другие реки (Хатанга, Анабар, Оленек, Яна), формирующие резервуар растворенного органического и неорганического углерода в море Лаптевых, имеют исходные величины РОУ и ТС02 ниже, чем Лена.
Распределение стабильного изотопа 813С органической фракции поверхностных донных отложений, отобранных нами в дельте р. Лены (залив Неелова) и юго-восточной части моря Лаптевых в экспедиции на ГС "Дунай" в сентябре 1997 г., указывает на наземное происхождение захороненной в осадках органики (Семилетов, 1999а; Киселев и др., 1998, 2000; Semiletov, 1999; 2000). Величины 513С этих пробах характерны для наземного ОУ и равны -27,70 / Такие же значения (-27,16-г-27,54%о) получены и на разрезе между о. Большой Ляховский и м. Святой Нос, где влияние речного стока на аккумуляцию осадков
Глава малозначимо (Semfletov et. al., 2005). Таким образом, изотопные исследования ОУ донных осадков подтверждают его терригенное происхождение и определяющую роль речного выноса и береговой эрозии (Семилетов, 1999а) в биогеохимии изучаемого региона. Наши результаты по заливу Неелова хорошо согласуются с данными Rachold et al. (1996), которые демонстрируют почти постоянные величины 513С органической фракции взвеси на протяжении реки от Якутска до дельты со средним значением -27,0±0,8%о.
Ниже мы рассмотрим результаты комплексных исследований миграции взвеси выполненных ЛГПР в нижнем течении-дельте Лены в составе экспедиции, организованной Институтом Геологии СО РАН. В данной разделе использованы результаты (концентрация взвеси), полученные совместно с О.Дударевым и А.Чаркиным и проанализированные автором (концентрация ОУ и стабильные изотопы углерода и азота ОВ) в Аналитическом Центре Института Морских Наук Университета Аляска Фэрбанкс (см. главе 3).
