Одно из наиболее значимых
воздействий на биосферу и ее
подсистемы, связанные с
антропогенной активностью, —
глобальное потепление. Оно
проявляется в изменении климата и
биоты: изменении продукционного
процесса в экосистемах, сдвиге
границ растительных формаций,
изменении урожайности
сельскохозяйственных культур.
Особое значение эти воздействия
имеют для высоких и средних широт Cеверного
полушария. Эти регионы оказываются
одними из главных источников и
одновременно объектов подобных
воздействий. Здесь глобальное
потепление проявится особенно
сильно: по расчетам, температура
атмосферы наиболее значительно
повысится именно в высоких и
средних широтах. Кроме того, природа
высоких широт особенно
восприимчива к различным
воздействиям и крайне медленно
восстанавливается. С другой стороны,
процессы в Арктике могут оказать
заметное влияние на глобальные
изменения. Это, например, динамика и
оптические свойства снега и льда,
участие вечной мерзлоты в
биогеохимических циклах и т.д.
Оценка роли Арктики в формировании
глобальных изменений должна
учитывать взаимодействия следующих
факторов: биота и глобальный цикл
диоксида углерода, гидрологический
режим, вечная мерзлота, снежный
покров и ледники, прибрежные
процессы, циркуляция океана и
структура донных вод, динамика,
тепловой баланс и состав атмосферы,
солнечные и геомагнитные
воздействия. Все это
свидетельствует о важности
математического моделирования
климата и крупномасштабных
процессов в экосистемах высоких и
средних широт Северного полушария.
Мы попытаемся рассказать о
моделировании природных процессов,
основанном на разработке и
модификации системы различных
математических моделей.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА
В последние десятилетия созданы
различные модели, с помощью которых
можно оценить влияние на климат
изменений состава атмосферы. Это
способствовало пониманию
механизмов предстоящих изменений
климата. Для расчетов в таких
моделях необходимо вычислять
перенос солнечного и теплового (длинноволнового)
излучения в атмосфере при различных
соотношениях ее компонентов.
Наряду с этим требуется описать
обмен энергией между радиационно-активной
турбулентной атмосферой и
неоднородными поверхностями суши,
океана и криосферы. Система
взаимодействующих элементов очень
сложна, и до сих пор не существует
моделей, которые могли бы полностью
учесть всю совокупность
естественных процессов переноса в
атмосфере и у поверхности Земли.
Существуют относительно простые и
более сложные модели. Самыми
сложными оказываются климатические
модели, учитывающие общую
циркуляцию атмосферы и океана.
Кроме того, нужны модели, отражающие
эволюцию морского льда и различные
процессы на суше (образование и
изменение снежного покрова,
содержание влаги в почве и ее
испарение растительностью).
Модель климата, разработанная в
Вычислительном центре РАН, включает
блок, описывающий процессы в
атмосфере с пространственным
разрешением 4х5°, и океанский блок,
представляющий собой интегральную
модель деятельного слоя океана с
заданным распределением течений. Moдель
удовлетворительно описывает
основные сезонные и географические
характеристики глобального климата.
В этой модели рассчитаны, в
частности, распределения по высоте
изменений температуры воздуха у
поверхности Земли при удвоении
содержания СО2 в атмосфере.
Максимальное потепление составит 4°С,
сильнее скажется над материками, а
наиболее сильно проявится зимой в
Азии. Это связано с неизбежным
сдвигом границы снежного покрова к
северу. Изменение количества
осадков имеет «пятнистую»
структуру. Увеличение количества
осадков обусловлено более
интенсивным испарением с
поверхности океана и последующим
выпадением на суше. Однако
существуют области, где осадков
станет меньше.
ЭКОСИСТЕМЫ ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ
Отмечаемые ныне и прогнозируемые
на ближайшие десятилетия повышение
содержания СО2 в атмосфере и
потепление ведут к серьезным
изменениям в таежных и тундровых
экосистемах Арктики и Субарктики:
изменению продуктивности, смене
видового состава, сдвигу границы
между лесом и тундрой. Авторы
предприняли попытку с помощью
модели оценить, как повлияют
изменения климата на продукционный
процесс в лесной экосистеме и
насколько сдвинутся северная и
южная границы лесных экосистем
умеренной зоны Северного полушария.
Модель продукционного процесса
экосистем хвойного леса описывает
динамику углерода и воды, а также
основные биотические и
абиотические факторы в них. В модели
учтены следующие процессы,
протекающие в растениях: фотосинтез,
дыхание, рост и отмирание органов,
распределение усваиваемых
питательных веществ между органами.
Модель учитывает динамику
влажности почвы и потока воды по ее
профилю, интенсивность осадков и
испарения, гидродинамическое
сопротивление и водный потенциал
почвы, действие гравитации на
транспорт воды. После проверки
модели по результатам наблюдений
над ельниками в южной тайге на
Валдае и другими участками в хвойно-широколиственных
лесах и северной тайге ее
использовали для описания
глобальных процессов в высоких и
средних широтах Северного
полушария.
В частности, оценивалось влияние
возможных изменений климата на
продукционный процесс экосистем
еловых лесов в различных
климатических зонах (на разных
широтах и меридианах). Было получено
распределение изменений годовой
продукции и испарения воды в
экосистемах при условии, что
температура воздуха в течение
вегетационного периода выше на 1°С.
Оказалось, что продукция еловых
лесов увеличивается севернее 60° (с
широтой все больше — у 66° рост
достигает 3%) и уменьшается южнее
этой широты. С ростом количества
осадков продуктивность экосистем
повышается, причем к югу — все
сильнее. Так, увеличение количества
осадков на 6% на широте 62° влечет за
собой рост продуктивности на 0,1%, а
на широте 58° – 3,4%.
СДВИГ ПРИРОДНЫХ ЗОН
Различные изменения в экосистемах
в результате изменения климата
оценивались не раз. Здесь мы обсудим
сдвиг границ системы природных зон
«тайга — тундра». В используемой
модели заложены разделяемые
большинством специалистов
представления о том, что в
постоянных климатических условиях
экосистема в своем развитии
неизбежно приходит к устойчивому
состоянию — климаксу. Иными словами,
при постоянных условиях в данном
месте экосистема пребывает в
единственно возможном устойчивом
положении равновесия, например «тундра»
или «тайга».
Предположим, содержание диоксида
углерода в атмосфере вдвое выше
современного. Чтобы проследить за
перемещением северной границы леса,
разобьем ее на участки в широтном
направлении, на каждом из которых
положение границы определяют
температура, рельеф, речной сток и
вечная мерзлота (перечень факторов
заимствован из публикаций и
экспертных оценок). Результаты
модельных расчетов свидетельствуют,
что зона тайги сдвинется к северу
преимущественно на 100–200 км. Кое-где
этот сдвиг будет гораздо меньше или
его не будет вовсе.
ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ НА
АРКТИЧЕСКИЙ БАССЕЙН
Арктический бассейн — весьма
специфический объект для
математического моделирования
общей циркуляции из-за ряда важных
отличий от остальной части Мирового
океана. Во-первых, он почти
повсеместно и постоянно покрыт
льдом. При этом потоки тепла, влаги и
импульса из атмосферы в океан в
значительной мере определяются
состоянием морского льда: его
толщиной, сплоченностью и т.д. Во-вторых,
распределение плотности воды в
Северном Ледовитом океане
обусловлено распределением ее
солености, а не температуры, как в
других океанах. В-третьих,
значительная доля океана
приходится на мелководные
окраинные моря, а дно его
глубоководной части изрезано
высокими подводными хребтами. В
Вычислительном центре РАН была
разработана многослойная гибридная
модель общей циркуляции океана.
Вычисления выполнялись в точках,
расположенных в узлах сетки с шагом
2° по широте, т.е. около 220 км. По
вертикали толща воды в океане
делилась на 6 слоев. Соленость
соседних слоев различалась
примерно на 0,8%. Рельеф дна задавался
в самом общем виде, однако сохранял
все основные особенности
природного. Учитывались стоки
основных рек, впадающих в океан.
Дополнительный береговой сток
распределялся равномерно по всей
границе области.
Результаты расчетов позволили
выявить реакцию океана на
парниковый эффект.
Средневзвешенное по всей глубине
океана потепление составило около
1,5°С, что меньше, чем в целом по
Северному полушарию. Это вызвано
тем, что верхний слой океана
оказался сильно распресненным из-за
таяния льда и увеличения речного
стока. Более теплая, пресная и, стало
быть, менее плотная вода,
скапливаясь в верхнем слое,
препятствует проникновению тепла в
нижние слои. Таяние морского льда из-за
потепления оказалось столь сильным,
что его площадь в летние месяцы
уменьшилась бы на 80%. Нарушение
вертикальной конвекции океанских
вод (наибольшее потепление в
верхнем слое) вызывает перестройку
всей циркуляции океана. В частности,
увеличиваются скорости дрейфовых
течений, что наряду с уменьшением
толщины льда ведет к росту
торосистости. Такие изменения
климатического режима неизбежно
будут иметь последствия не только
непосредственно в акватории, но и в
прибрежных областях. Так, подъем
уровня океана за счет потепления
составит от 0,1 до 0,2 м, что может
привести к затоплению устьев
крупных рек, особенно в Сибири.
В целом можно сказать, что климат
Арктического бассейна станет более
теплым и влажным, резко усилятся
штормовые ветры, а в самом океане
сократится площадь льдов, летом
почти до нуля.
ИЗМЕНЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ И СДВИГ
ЗОНЫ ЛЕСОВ
Чтобы оценить влияние увеличения
концентрации СО2 и потепления
на климат, экосистемы и урожайность,
мы выполнили численные расчеты на
климатической модели. Модели,
описывающие динамику экосистем, и
экспертные оценки позволили
определить смещение границ лесов
при соответствующем изменении
климата. Это ведет к изменению
альбедо (отражающей способности) и
влажности земной поверхности, что, в
свою очередь, повлияет на
глобальный климат. Конечно,
заметное смещение растительных зон
произойдет только через 100–200 лет,
однако указанный эффект может
проявляться как тенденция
изменения климата. Основные
изменения состоят в смещении зоны
лесов на север. Естественно, что это
больше всего скажется на климате
полярных и приполярных областей.
Численные эксперименты
проводились на климатической
модели Вычислительного центра РАН.
В качестве граничных условий
задавались новые значения альбедо в
тех областях, где лес замещается
другими растительными сообществами.
Результаты расчетов предвещают
заметное похолодание (на 1–2°С)
в северных регионах Европы и Азии
из-за ослабления нагрева земной
поверхности вследствие увеличения
альбедо. Таким образом, сдвиг
природных зон частично
компенсирует общее потепление,
вызванное парниковым эффектом в
Европе и Северной Азии.
Итак, результаты расчетов
предсказывают значительные
изменения климата и биотических
процессов в Арктике, а также
перестройку общей циркуляции в
Северном Ледовитом океане за счет
парникового эффекта. Эти изменения
будут иметь экономические и
экологические последствия
планетарного масштаба и должны
вызвать адекватную реакцию
человечества. Это тем более важно в
свете возрастающей роли севера
России как сырьевой базы (нефть,
природный газ, цветные металлы,
древесина) и важнейшей транспортной
магистрали. Освобождение
поверхности Северного Ледовитого
океана от льда позволит превратить
его в важнейшую круглогодичную
транспортную артерию, однако
увеличение влажности, усиление
туманов и штормов потребует больших
вложений в обеспечение
безопасности морского и воздушного
транспорта. Затопление устьев рек
повлияет на планы размещения
промышленных и жилых зон, а также
транспортных терминалов. Изменение
продуктивности и видового состава
тундровых и таежных экосистем
скажется на биоте всего региона,
поэтому необходимо развернуть
работы по сохранению уникальной
природы Арктического бассейна. Для
анализа возможной ситуации и
определения адекватных
превентивных мер, способных
предотвратить (а если надо, то и
использовать) последствия
парникового эффекта в данном
регионе, необходимо дальнейшее
развитие и совершенствование
математических моделей и методов,
насыщение их новыми натурными
данными.
назад