Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Межгодовая изменчивость максимального и минимального среднемесячных значений концентрации углекислого газа показана: на станциях «Южный полюс» — крестиками.

Эффект локального выброса углекислого газа. Изменение концентрации СО₂ в прилёдном слое атмосферы на дрейфующей станции «Северный полюс-35», измеренное 18 октября 2007 года в период с 19.00 до 24.00 часов по Гринвичу.

Маршрут дрейфа ледовой станции «Северный полюс-33» с 9 сентября 2004 года по 23 марта 2005 года пролегал над котловинами и подводными хребтами Северного Ледовитого океана.

Концентрация углекислого газа в атмосфере меняется в течение года на всех широтах земного шара. Наименьшие колебания наблюдаются над южным полюсом в Антарктиде. Размах этих изменений — разностей максимального и минимального среднемесячного значений концентрации СО₂ в годовом цикле — составляет там 2 млн^-1. С продвижением на север он увеличивается и на экваторе достигает 5 млн^-1.. В северном полушарии размах продолжает расти, достигая наибольших значений на побережье и островах Северного Ледовитого океана — 15—20 млн^-1.!

Но что удивительно, как показали наблюдения на дрейфующих станциях «Северный полюс-33, -34» («СП-33, -34») в 2004—2006 гг. и измерения береговых станций «Цепелин», «Алерт», «Барроу», сезонный размах в центре Северного Ледовитого океана чуть ли не в два раза больше, чем на берегу, и достигает значений 35 млн^-1.. Учёные Арктического и антарктического научно-исследовательского института Росгидромета (ААНИИ, Санкт-Петербург), анализировавшие эти данные, сделали предположение, что источник сезонных колебаний концентрации двуокиси углерода находится в Северном Ледовитом океане. Последний отличается от других океанов наличием морского льда и расположением на широтах полярной ночи и полярного дня. Поэтому если источник и сток СО₂ находятся в нём, то логично предположить, что именно морской лёд, нарастающий в холодное время года и быстро тающий в летние месяцы, является этим источником и стоком, обуславливая самые большие на земном шаре сезонные колебания углекислого газа.

Короткий вдох
и длинный выдох

Сезонный цикл в Северном Ледовитом океане подобен дыханию живого организма, когда в летний период он производит короткий «вдох» и затем продолжительный «выдох» с большей концентрацией СО₂. В среднегодовом масштабе Северный Ледовитый океан — источник СО₂, поскольку продолжительность «выдоха» в три-четыре раза длиннее «вдоха». Затухающий отклик глобальной атмосферы на это «дыхание» Арктики отмечается вплоть до экватора.

Этот довольно нетривиальный вывод в корне меняет традиционное представление о том, что холодные воды Северного Ледовитого океана в среднегодовом масштабе поглощают СО₂ больше, чем выделяют.

Ряды наблюдений на современных дрейфующих станциях и научно-экспедиционных судах пока очень короткие. Однако наблюдения на береговых станциях «Алерт», «Цепелин», «Барроу» проводят более десяти лет, а на станциях, расположенных в низких широтах, более сорока лет, так что уже можно говорить о тех или иных временнЫх тенденциях. Учёные заметили, что размах сезонных колебаний СО₂ за эти годы испытывает тенденцию к увеличению, которое происходит из-за более быстрого роста максимальных значений углекислого газа, наблюдаемых в зимнее время. Причём подобная межгодовая тенденция отмечается только в Северном полушарии. На экваторе и в южных широтах она не прослеживается.

Начало формирования относительно продолжительного максимума концентрации СО₂ в зимнее и весеннее время совпадает с началом периода стабилизации толщины морского льда и его объёма. В этот период, обычно в декабре, достигается близкая к равновесной толщина (~3 м) и близкие к максимальным сплочённость и общая площадь льда. Одновременно стабилизируются процессы генерации двуокиси углерода во льду и значение его концентрации в прилёдном слое атмосферы — на уровне, компенсирующем его рассеяние в атмосфере (за пределы площади распространения морского льда) и в подлёдные слои океана.

Модель океана
в морозильной камере

Чтобы проверить свою гипотезу о том, что источником и стоком углекислого газа является морской лёд, учёные Арктического и антарктического института провели эксперименты в морозильной камере ледового бассейна института.

В бассейне с морской водой солёностью 33‰, то есть 33 промилле (1 промилле — это 1 грамм вещества, содержащегося в 1 кг морской воды), при понижении температуры воздуха до отрицательных значений отмечалось интенсивное поглощение углекислого газа. После образования льда поглощение замедлялось и затем прекращалось. Однако, если лёд подвергали механическим деформациям, наблюдались выбросы СО₂ в атмосферу (амплитуда импульса концентрации СО₂ составляла 50 млн^-1.). Было замечено, что двуокись углерода поступала в атмосферу после образования трещин во льду. Это, как считают экспериментаторы, указывает на то, что генерация двуокиси углерода происходит на границе контакта льда с морской водой. В аналогичных экспериментах с пресной водой подобный эффект не наблюдался.

Секрет дыхания

Но каков механизм образования углекислого газа во льдах Северного Ледовитого океана? В открытом от морского льда океане (в более низких широтах) в балансе СО₂ подавляющую роль играют биогенные процессы, в которых активно участвуют ионы кальция. Однако в Северном Ледовитом океане в условиях полярной ночи (когда отсутствует фотосинтез) и низких температур, да и на поверхности тающего льда летом, биогенные процессы крайне замедленны. Это упрощает исследование механизмов генерации СО₂ в данном регионе, сводя анализ к сравнительно простым химическим реакциям.

Крайне интересный и неожиданный результат дали наблюдения изменения концентрации СО₂, выполненные на российских ледовых дрейфующих станциях «Северный полюс-33, -34, -35». Во временнóм масштабе с периодом от 1 минуты до нескольких часов впервые наблюдался эффект локального выброса СО₂ (главным образом над материковым склоном и над склонами подводных хребтов Ломоносова, Гаккеля, Менделеева) при деформациях нарастающего льда и наличии участков открытой воды.

Один из таких выбросов случился в самом начале дрейфа станции «СП-35» (в октябре 2007 г.). В момент деформации льда произошёл выброс с высокой амплитудой — 110 млн^-1.. Он занял менее одной минуты, а это означает, что запасы СО₂ уже существовали на границе контакта льда и морской воды. Морская вода в Северном Ледовитом океане, как правило, не насыщена СО₂ и не может быть его регулярным источником. Источником двуокиси углерода в таком случае может быть слой намерзающего льда на нижней кромке ледяного покрова, откуда она поступает при деформации морского льда — как в воду, так и в атмосферу — через трещины, разводья и каналы во льду.

Время перемешивания СО₂ в атмосфере (характерное время диффузии) на два-три порядка больше, чем в морской воде, из-за значительной разности плотности воды и воздуха. Поэтому атмосферный прилёдный слой почти мгновенно аккумулирует углекислый газ, а морская вода, если есть участки открытой воды, поглощает его уже из воздуха в течение двух-трёх часов.

Это подтвердили и проведённые лабораторные эксперименты с морским льдом в ледовом бассейне ААНИИ, где была получена аналогичная зависимость изменения концентрации СО₂ в процессе его генерации и поглощения.

В рассматриваемом случае морская вода полностью поглощает поступивший в атмосферу СО₂, но при более интенсивном понижении температуры воздуха вода покрывается льдом быстрее, чем океан успевает поглотить весь выброшенный морским льдом СО₂. Так экранируется дальнейшее его поглощение водой, и часть углекислого газа остаётся в прилёдном слое атмосферы. В результате осенне-зимнего понижения температуры воздуха и всё более быстрого образования льда процесс поглощения двуокиси углерода прерывается при всё более её высокой концентрации в прилёдном слое атмосферы, так что процесс «накачки» углекислого газа в атмосферу становится интенсивнее.

Химия во льдах

Механизм образования СО₂ связан, вероятнее всего, с образованием нерастворимого кристаллогидрата карбоната кальция при замерзании воды в морском льду. В процессе нарастания льда снизу морской лёд захватывает часть морской воды с солёностью порядка 32 промилле. Во льду некоторая доля пресной воды вымерзает, так что в нём образуется рассол, который мигрирует к нижней поверхности льда. Концентрация ионов кальция в солевом растворе Ca2+ достаточно высока, чтобы в результате химической реакции выделялось большое количество двуокиси углерода:

Ca²⁺ + 2(HCO₃) = (CaCO₃ + H₂O + CO₂↑) → CaCO₃∙ 6(H₂O)

Таким образом, на каждую молекулу кристаллогидрата приходится одна молекула СО₂ .

Летом при небольшой положительной температуре идёт другая химическая реакция (на верхней ледовой поверхности) — взаимодействие «известковой воды» с углекислым газом, сопровождающееся его поглощением.

Имеющийся запас ионов кальция в морской воде (0,4 г/кг) способен образовать ~2 г/кг кристаллогидратов солей кальция. При этом может выделиться порядка 6 Гт СО₂ в год (1 Гт=10⁹ т) — в пересчёте на весь объём вновь образовавшегося льда в океане (~14,5 км³). Если учесть поглощение диоксида углерода летом на участках открытой воды, то в годовом цикле в атмосфере остаётся не менее 3 Гт СО₂. Для сравнения: количество антропогенного выброса углекислого газа в глобальную атмосферу составляет 23,1 Гт в год (по данным 2000 года) без учёта поглощения Мировым океаном.

В изменениях концентрации СО₂ наблюдаются колебания с периодами, характерными для океанических приливов: 12 часов; 6 часов. Они впервые были отмечены на станции «СП-33». Деформация льда, появление трещин в ледяном покрове также происходят с периодичностью полусуточного прилива.

Изменение режима деформации морского льда приводит к изменению режима поступления СО₂ в прилёдный слой атмосферы в холодный период года. Деформационные возможности морского льда зависят от его физико-механических свойств — упругости, пластичности, вязкости, которые меняются с температурой и солёностью морского льда. Например, при температуре –22,9°С бóльшая часть содержащихся в нём солей выпадает в осадок, в результате чего происходит скачкообразное опреснение морского льда. Это ведёт к скачкообразному изменению его механических свойств — от преобладания вязких и пластических свойств лёд становится упруго-пластическим. Это означает, что ледовый покров становится склонным к образованию многочисленных разрывов — трещин и каналов. Обычно подобные изменения происходят в марте, а в случае мягких зим — в апреле. В это же время наблюдается локальный максимум концентрации СО₂ — по данным как береговых станций, так и дрейфующих ледовых.

Интенсивность деформаций дрейфующего льда связана также с особенностями морских течений и пульсаций ветра, действующих на верхнюю границу льда. Наибольшие градиенты горизонтальных течений и вертикальных скоростей локализованы над резкими перепадами глубин материкового склона и подводных хребтов. Именно в этих районах наблюдаются значительные выбросы СО₂, например над хребтом Ломоносова — по данным измерений на «СП-33» и над материковым склоном — по данным «СП-35», с амплитудой флуктуаций до 100 —150 млн^-1..

Численное моделирование циркуляции Северного Ледовитого океана показало, что в районе дрейфа «СП-35» над материковым склоном в октябре-ноябре 2007 года и над склонами хребтов абсолютная величина горизонтальных скоростей на поверхности океана на порядок больше, чем за пределами резких перепадов глубин. Это может быть причиной интенсификации процессов деформации морского льда и увеличения амплитуды выброса двуокиси углерода.

Но почему «не дышит» Южный океан? И холод, и солёная вода, и лёд — казалось бы, есть всё, что и в Северном Ледовитом океане.

В Южном океане морской лёд нарастает преимущественно сверху — в результате выпадения снега из циклонов, движущихся по периферии южной полярной области, и вследствие так называемого конжеляционного льда (это лёд, образующийся в глубинах переохлаждённых вод), так что выделившийся СО₂ успевает раствориться в морской воде, не достигнув атмосферы. Да и сам Южный океан расположен не в центре южной полярной области, которая занята материковым льдом Антарктиды. Так что роль биогенных процессов в отсутствие полярной ночи существенно возрастает.

***

Концентрацию углекислого газа в атмосфере принято измерять количеством его частиц в объёме, содержащем миллион частиц воздуха (млн^-1. или ppm — parts per million).

Сплочённость льда определяется как доля единицы, пропорциональная площади льда в обозримом участке наблюдений. Например, если в поле обозрения всё покрыто льдом, то сплочённость равна 1, но если только половина площади занята льдом, то сплочённость равна 0,5. Таким образом, сплочённость может меняться от 0 до 1.

Кристаллогидраты, или твёрдые гидраты — продукты присоединения воды (гидратации) к молекулам, атомам или ионам.

***

Литература

Голубев В. Н. и др. Влияние арктического ледяного покрова на внутригодовые колебания содержания СО₂ в атмосфере Северного полушария // Материалы гляциологических исследований, вып. 101. М., 2006, 49-54. (ISSN 0130-3686)

Израэль Ю. А., Назаров И. М., Нахутин А. И. Об оценке антропогенной эмиссии и стока парниковых газов // Метеорология и гидрология, 2003, № 5, с. 5—12.

Нагурный А. П., Г. В. Алексеев, В. Т. Соколов, Г. Н. Войнов. Значительный выброс двуокиси углерода в прилёдный слой атмосферы в районе хребта Ломоносова в 2004—2005 гг. // Метеорология и гидрология, 2006, № 12, с. 61—64.

Нагурный А. П. О роли льда Северного Ледовитого океана в сезонной изменчивости концентрации двуокиси углерода в северных широтах // Метеорология и гидрология, 2008, № 1, с. 65—71.

Семёнов С. М. Парниковые газы и современный климат Земли. — М.: Изд. центр «Метеорология и гидрология», 2004. 175 с.

Semiletov I. P. at all. Atmospheric CO2 balance: role of Arctic sea ice. — Geophys. Research. Letters, v. 31, L05121, 2004, doi: 10.1029/2003GL017996.

№9, 2009