Введение к работе
Актуальность проблемы
Примерно в середине XX века было закончено изучение основных черт пространственного распределения гидрохимических характеристик вод Мирового океана. Основные усилия начинают сосредотачиваться на исследованиях мезо и микроструктуры распределения гидрохимических параметров, особенностей их динамики. Временная и пространственная изменчивость свойственна для всех гидрохимических характеристик вод (биогенные элементы и растворенные газы и компоненты основного солевого состава), но исследование изменчивости карбонатного равновесия представляет наибольший интерес.
Во-первых, геохимическая роль углерода очень велика, по словам В.И.Вернадского (1934) его значение в земной коре «несоизмеримо велико по сравнению с количеством атомов в ней находящихся» и его геохимический цикл неразрывно связан с историей развития Земли и её биосферы.
Во-вторых, это связано с очень большой динамичностью карбонатной системы, её элементы - угольная кислота (Н2СО3), карбонат- (СОз) и бикарбонат- (НСОз) ионы, свободная углекислота (СОг), величина рН реагируют практически на любые изменения биохимических и физических параметров среды.
В-третьих, геохимический цикл углерода в Мировом океане подвергается в настоящее время сильному антропогенному давлению. В результате деятельности человека в атмосферу поступает значительное количество углерода, и воздействие человечества на его цикл становится сравнимым с природными процессами.
И, главное, карбонатная система представляет собой одну из наиболее сложных многокомпонентных равновесных систем природных вод, определяющих стабильность кислотно-восстановительных условий океана. В то же время она и наиболее хорошо изучена. Её исследование опирается на математический аппарат термодинамической теории карбонатного равновесия, сформулированный в работах К.Буха и Д.Лимана, и совершенствующийся вплоть до настоящего времени. Это даёт большие возможности для исследования, в частности моделирования процессов, ретроанализа и прогностических расчетов. Привлекая данные о содержании других гидрохимических параметров, уравнения карбонатного равновесия широко применяются для исследования интенсивности биохимических процессов, процессов переноса и трансформации вод.
Для изучения изменчивости условий карбонатного равновесия вод Мирового океана есть несколько важных причин, имеющих не только чисто научное значение:
Во-первых, для оценки степени воздействия человека на естественные геохимические циклы в океане необходимо уметь разделять изменения, связанные с естественными причинами от, вызванных антропогенным вмешательством. Для этого надо знать основные закономерности и масштабы природной изменчивости гидрохимических параметров.
Во-вторых, сильная изменчивость гидрохимических параметров (особенно растворенных СОг и Ог) приводит к тому, что каждое конкретное определение характеризует только мгновенное состояние системы. Неравномерность распределения наблюдений во времени может сказаться на достоверности получаемой картины распределения их по акватории. Для получения реальной картины распределения растворенной СОг, общего содержания растворенного неорганического углерода (Ctot) и других, связанных с ними параметров, необходимо учитывать их временную динамику.
В-третьих, изучение изменчивости гидрохимических параметров в верхнем деятельном слое морей и океанов даёт ценную информацию о величине биологической активности тех или иных районов Мирового океана. Обобщение достоверной информации о карбонатном равновесии в комплексе с другими гидрохимическими данными явится основой экологической гидрохимии океана, поможет реально оценить продуктивность отдельных регионов и судить о причинах ее ограничения.
В-четвертых, соотношение между временными и пространственными масштабами естественной изменчивости гидрохимических параметров в различных районах Мирового океана необходимо изучать для более рациональной организации контроля состоянии окружающей среды в районах предполагаемой или уже осуществляемой хозяйственной деятельности.
В-пятых, знание особенностей естественной изменчивости карбонатного равновесия различных временных и пространственных масштабов необходимо как для понимания истории развития климата и биосферы Земли, так и для прогноза климатических изменений в будущем. Особенно актуально это в связи с, ведущейся в настоящее время, дискуссией о роли парниковых газов в глобальном климате Земли, и о направленности возможных изменениях климата в ближайшем будущем.
Цели и задачи исследования
Цель данной работы - обобщение данных по изменчивости карбонатного равновесия вод Мирового океана различных масштабов.
Основные задачи данной работы:
Показать, что для каждой точки Мирового океана в каждый отдельный момент времени содержание Ctot и СОг представляет собой результат наложения многих разномасштабных периодических и случайных вариаций и многолетних трендов.
В мозаичности неоднородностей карбонатного равновесия вод наметить наиболее общие черты и выявить причины изменений, вызванные как естественными причинами, так и антропогенным вмешательством в природный цикл углерода. Оценить относительный вклад тех или иных факторов в формировании неоднородностей карбонатного равновесия различных пространственных размеров и масштабов времени.
Показать наиболее значимые временные и пространственные масштабы изменчивости карбонатного равновесия для различных структурных зон Мирового океана.
Рассмотреть изменения условий карбонатного равновесия в прошлом Земли и на основании этого сделать прогноз возможных изменений в будущем.
Научная новизна
В данной работе впервые рассмотрены все временные и пространственные масштабы изменения условий карбонатного равновесия и совместное их влияние на круговорот углерода в водах Мирового океана. Основной акцент работы сделан не на специфику физико-химических процессов изменения карбонатного равновесия, а на географические аспекты проявления этих изменений.
Разработан метод реконструкции условий карбонатного равновесия вод Мирового океана в геологическом прошлом, совмещающий балансовые расчеты и уравнения термодинамической теории карбонатного равновесия. Этот метод позволил охватить временной диапазон изменений условий карбонатного равновесия от десятков тысяч до сотен миллионов лет.
Построены карты сезонной изменчивость величин рН, общей щелочности (Alk), рСОг, Ctot и содержания растворенного Ог для поверхностных вод Мирового океана от 65 с.ш. до 65 ю.ш. И впервые для всей этой акватории оценен относительный вклад физических и биохимических процессов в формирование сезонной изменчивости параметров карбонатной системы.
В ходе работы было показано, что изменения содержания растворенной СОг соответствуют только 10 - 15 % от общего количества растворенного неорганического углерода извлекаемого в процессе продуцирования органического вещества (ОВ). При разложении ОВ доля изменение содержания растворенной СОг так же не превышает 10 -15 % в изменении величины Ctot, Показана связь величины суточной и сезонной изменчивости карбонатного равновесия с продуктивными характеристиками района.
4 Методы исследования и материалы
Исследование природных процессов может быть осуществлено двумя путями, которые взаимно обогащают и дополняют друг друга. Это анализ данных полевых наблюдений или натурных экспериментов, когда, рассматривая особенности распределения и изменчивости параметров, можно предположить, какими процессами они вызваны, и моделирование, когда напротив, предполагая, что набор процессов известен, их формально параметризируют и строят модель, которая воспроизводит картину распределения и изменчивости параметров. Для исследования изменчивости параметров карбонатного равновесия необходимо сочетать оба этих метода.
Источниками фактического материала были: банк данных "Гидрохимия Мирового океана" Лаборатории биогидрохимии Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН; данные ВНИИГМИ-МЦД Росгидромета; «World Ocean Atlas 2005» Лаборатории климата океана Национального центра океанографических данных Национального агентства по исследованию океана и атмосферы (США); данные центра CDIAC (Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA); результаты экспедиционных исследований и лабораторных экспериментов, выполненных сотрудниками Лаборатории биогидрохимии ИО РАН с 1973 по 2009 г.г.
Для задания граничных условий, при моделировании геологических масштабов изменчивости карбонатного равновесия, использовались: для времени архея и протерозоя - модель эволюции Земли О.Г.Сорохтина, из которой были взяты данные о температуре, атмосферном давлении и скорости дегазации мантии; для эпохи фанерозоя - оценки осаждения углерода из работ (Будыко, Ронов, 1979; Закруткин, 1993; Романкевич, Ветров, 1977), скорость дегазации мантии из модели О.Г.Сорохтина и содержание кальция в воде по работе (Berner, 2004); для четвертичного периода данные по температуре и содержанию СОг в атмосфере, полученные из антарктических кернов льда (Petit et.al., 1999) и положения орбитальной теории климата В.А.Большакова (2003).
Практическая значимость
Результаты представляют собой основу для долгосрочного прогноза глобальных изменений климатических характеристик Земли.
Оценка величины естественной изменчивости поможет выделить потенциально наиболее продуктивные районы Мирового океана.
Основные закономерности и масштабы природной изменчивости необходимо учитывать для выделения антропогенной составляющей и определения районов Мирового океана с максимальной степенью антропогенного воздействия на естественные геохимические циклы.
Данные по значимости различных временных и пространственных масштабов изменчивости для различных районов Мирового океана необходимы для выбора оптимальных масштабов для организации мониторинга гидрохимических параметров и при выборе основных районов для изучения реакции экосистем на возрастающее антропогенное воздействие.
Личный вклад автора
Автором была создана база данных по состоянию карбонатного равновесия в поверхностных водах Мирового океана, куда вошли определения величин рН, Alk, рСОг, Ctot, данные по содержанию растворенного Ог и сопутствующие им определения температуры (Т) и солености (S). Проведена проверка и выбраковка данных, разработаны алгоритмы, и написаны программы, позволяющие объединить эти данные, провести их статистическую обработку. Всего, в базу внесено 178554 определений величины растворенного 02, 53292 - рН, 10825 - Alk, 78769 - рС02 и 7797 - Ctot.
На основании созданной базы данных автором построены карты среднемесячных величин рСОг , рН, Ctot и содержания растворенного Ог, рассчитана величина их сезонной изменчивости в поверхностных водах Мирового океана (от 65 с.ш. до 65 ю.ш.) и рассчитан относительный вклад физических и биологических параметров в сезонную изменчивость карбонатного равновесия вод для всей этой акватории.
Созданы реконструкции условий карбонатного равновесия для архейского океана и протерозоя (Маккавеев, Сорохтин, 2005), для фанерозоя и для плейстоцена (Маккавеев, 2008), Получены характеристики кислотно-восстановительных условий вод древнего океана, динамика содержания в водах СОг и Ctot- Проведена оценка скорости накопления карбонатов в осадках для различных геологических эпох.
Автором разработана методика оценки вклада различных по генезису вод в формировании тех или иных неоднородностей распределения гидрохимических параметров, для N водных масс при использовании (N-1) гидрологических и гидрохимических параметров. Разработана методика оценки вклада биохимических параметров в зонах смешения вод различного происхождения. Эти методики были успешно применены для анализа генезиса поверхностных распресненных вод в Карском море и при работах в устьевых областях рек.
Автором написаны программы расчета компонентов карбонатной системы для океанских вод, вод с составом, отличающимся от средних океанских условий, расчета компонентов Alk для вод Черного моря и для зон смешения морских и речных вод. Апробация этих программ проходила на примере вод сероводородной зоны Черного моря, вод Северного Каспия, приустьевых районов рек Обь, Енисей, Северная Двина, Волга и
другие. Эти, постоянно обновляемые программы успешно применялись в экспедициях НО РАН и ЮО и СЗО ИОРАН, Института экологических проблем севера УрО РАН, Кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Под руководством автора и при его личном участии в Лаборатории биогидрохимии ИОРАН поставлены лабораторные эксперименты по изменению химического состава вод при образования льда и химического состава пресных льдов, по влиянию условий отбора и времени хранения проб на достоверность результатов определения величины Alk.
Значительное количество фактического материала получено лично автором в 9 океанских рейсах на судах ИО РАН и более чем 30 морских и прибрежных экспедициях на Черном, Каспийском, Белом, Баренцевом и Карском морях, реках Обь, Енисей, Северная Двина и Волга в период с 1980 по 2009 г.
Апробация работы
Результаты по теме диссертации систематически обсуждались на коллоквиумах и семинарах лабораторий ИО РАН. Отдельные этапы работы докладывались на отечественных и международных конференциях, в том числе на совещаниях рабочей группы по проблеме СОг межправительственной океанографической комиссии (Intergovermental Oceanographic Commission. СОг Panel Meeting) с 1996 по 1998 г.г. Так же на 12-м Советско-Японском симпозиуме по проблемам энергетики (Токио, 1991) на международных совещаниях проекта LOIRA в 2004 и 2005 г.г., Международной конференции. PACON 99 (г.Москва, 1999), отчетных сессиях по Проекту Президиума РАН «Проблемы зарождения биосферы Земли и её эволюция» (г.Москва, 2006 г.; Терскол, 2007 г.). В полном варианте работа докладывалась на коллоквиумах Лаборатории биогидрохимии ИОРАН и Ученом совете сектора экологии морей и океана ИОРАН. Основные результаты работы были опубликованы в более чем 60 работах (них 40 статей в российских и зарубежных журналах и сборниках), в том числе 16 в реферируемых журналах из списка ВАК, рекомендованных для докторских диссертаций и 2 главах в монографиях (Маккавеев и др.,2003; Маккавеев, 2008).
Основной результат работы
Рассмотрены наиболее типичные проявления неоднородностей распределения содержания компонентов карбонатной системы с размерами от сантиметров до, сравнимых с размером Мирового океана и масштабом по времени от минут до миллионов лет. Выделены наиболее значимые группы процессов, формирующих те или иные составляющие изменчивости карбонатного равновесия вод океана.
На основании анализа изменений состояния карбонатного равновесия в прошлом Земли сделан прогноз изменения климатических условий в ближайшем (с геологической
7 точки зрения) будущем, 500 - 1000 лет.
Оценена значимость тех или иных масштабов времени естественной изменчивости карбонатной системы для различных структурных зон Мирового океана, показано, какие из них наиболее важны для исследования динамики гидрохимической структуры вод.
Защищаемые положения
Содержание компонентов карбонатной системы и величины рН в любой точке Мирового океана есть результат наложения многих периодических и случайных вариаций, многолетних трендов и изменений геологического масштаба времени.
При изучении изменчивости карбонатного равновесия необходимо учитывать как процессы, проходящие за первые десятки секунд, так и процессы геологического масштаба времени, длящиеся десятки тысяч и миллионы лет. Временную и пространственную иерархию изменчивости карбонатного равновесия можно построить на иерархии динамических процессов в океане, но необходимо добавить и «глобальный» масштаб, описывающий процессы осадконакопления на дне океана, трансформации углерода в осадках и эволюцию условий карбонатного равновесия
В изменениях малого масштаба определяющим следует считать пространственные размеры неоднородностей распределения компонентов карбонатного равновесия, временные рамки проявления этих неоднородностей определить сложно. Достоверно можно судить только о нижнем пределе времени их проявления, который совпадает с временем реакции карбонатного равновесия на изменение внешних условий.
Для пространственных неоднородностей распределения карбонатного равновесия среднего масштаба степень их воздействия на карбонатное равновесие будет определяться временем существования этих неоднородностей. При рассмотрении изменений, превосходящих по времени сезонные, становятся несущественными пространственные масштабы процесса, поскольку эти изменения захватывают не только всю толщу океана, но и другие геосферы.
Из периодических изменений состояния карбонатного равновесия можно выделить суточные и сезонные, которые определяются цикличностью биохимических процессов и изменениями температуры. В долгопериодных изменениях выделяются циклы 20 - 30 тыс.лет и 90 - 100 тыс.лет, определяемые изменениями орбитальных параметров Земли. Квазипериодические изменения с периодом 150 - 200 млн.лет, предположительно связанная с ритмами циклов конвекции вещества в мантии Земли. Наиболее длительные и масштабные изменения карбонатного равновесия, связаны с планетарными процессами эволюции Земли и дегазации мантии. Эту составляющую, начиная с протерозоя можно характеризовать, как постоянное уменьшение содержания углерода в системе океан -
8 атмосфера.
Анализ естественных циклов изменения карбонатного равновесия в четвертичное время, позволяет предположить, что можно ожидать скорой остановки роста как величины рСОг, так и глобальной температуры земной поверхности.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и приложений, содержит 316 страниц, включая 97 рисунков, в списке литературы 334 наименования.
