Новости и комментарии

22.06.03. Потепление глубинных слоев Северного Ледовитого океана

Исследователями из Акустического института им. акад. Н.Н. Андреева и Института Океанологии им. П.П. Ширшова в середине 90-х годов были получены весьма интересные результаты измерений температуры глубинных слоев Северного Ледовитого океана. Методом акустической термометрии (основанным на зависимости скорости распространения звука в воде от ее температуры) было выявлено потепление атлантического слоя глубинных вод на 0,2 градуса по сравнению с 70-ми годами. Как выяснилось несколько позже, подобное потепление было зафиксировано и измерениями, проводимыми посредством традиционных методик канадскими и американскими экспедициями в 1993 и 1994 гг.

Подробнее… (либо кликайте сюда, если предыдущая ссылка не работает - здесь коротко о том же, а чуть подробнее - тут)

Комментарий: "Потепление глубинных вод Мирового океана и стабильность метангидратов".

Иващенко О.В.

Показано, что уже через несколько десятилетий, благодаря происходящему потеплению глубинных вод Мирового океана и смещению зоны стабильности для метангидратов на большие глубины, может быть разрушено до 1/10 части современных запасов метангидратов, что окажет очень сильное воздействие на климат.

Атлантический слой глубинных вод Северного Ледовитого океана формируется за счет того, что относительно теплые воды поступающие в Северный Ледовитый океан из Атлантики посредством поверхностных течений, в районе Шпицбергена попадают в водную среду с меньшей плотностью и соленостью нежели они сами (распреснение происходит за счет стока сибирских рек и таяния льдов), за счет чего и тонут, опускаются на глубину, формируя относительно теплый слой (с положительной температурой, доходящей до +1,45 °С), отграниченый от других, холодных слоев (с отрицательной температурой, доходящей вверху до -1,7 °С, а внизу до -0,5 °С), глубинами приблизительно в 200 сверху и 700 м снизу (1).

Зафиксированное потепление этого слоя на 0,2 градуса за срок примерно в 20 лет – это весьма интересный результат, хотя однозначную трактовку дать ему нельзя.

Прежде всего, он может свидетельствовать об  интенсивном прогреве поступающих в Арктику атлантических вод, происходящем до момента погружения этих вод на глубину в районе Шпицбергена. А значит, может свидетельствовать и об интенсивно идущем процессе глобального потепления. Причем идущим действительно интенсивно – так, в работе Сабинина (2), которая может послужить неплохим объяснением зафиксированного потепления, при дополнительном притоке тепла из атмосферы около 2 Вт/м2  (общепринятая оценка радиационного форсинга к концу ХХ века) и времени обновления атлантического слоя около 46 лет (это, пожалуй, верхнее значение, основано оно на минимальной оценке расхода этих вод), средняя скорость потепления этого слоя должна составить всего 0,024 °С/10 лет, что почти в 4 раза ниже измеренного значения (0,2 °С приблизительно за 20 лет).

Но скорость потепления будет зависеть и от скорости оттока вод атлантического слоя из Арктики – при большей скорости, и соответственно, меньшем времени обновления атлантического слоя, его воды успеют отдать меньше тепла, меньше будут охлаждаться, а значит и потепление этого слоя будет более выражено. В той же работе (2) даются основанные на изотопном анализе оценки времени жизни слоя атлантических вод в Северном Ледовитом океане, составляющие около 23 лет.

Ближе всего к измеренному значению потепления атлантических вод получается результат (2), в котором учтены и меньшее время обновления вод атлантического слоя, и более высокая интенсивность прогрева – при нагреве Западно-Шпицбергенского течения (это фактически окончание Гольфстрима) со скоростью около 0,05 °С/год (как указано выше, именно в районе Шпицбергена атлантические воды в последний раз контактируют с атмосферой перед погружением на глубину) и времени обновления атлантического слоя около 23 лет, как раз и получается скорость повышения средней температуры атлантического слоя около  0,1 °С/10 лет.

Более интенсивный прогрев атлантических вод до погружения их на глубину вполне объясним на фоне ярко выраженого потепления в высоких широтах – как известно из палеоклиматических данных, при потеплениях земного климата разница температур между экватором и полюсами существенно уменьшалась, изменения температур в высоких широтах были много больше изменений  в нижних широтах (которые вообще менялись очень слабо как минимум последнюю сотню миллионов лет). Это наблюдается и в современности – на фоне слабого потепления в приэкваториальных областях порядка 0,1°С/10 лет, происходит мощное потепление в высоких широтах, доходящее местами до 0,8-1,0°С/10 лет (3). Происходит этот процесс из-за работы ряда факторов, увеличивающих приток тепла в высокие широты – таяние льдов и уменьшение площади снежного покрова уменьшает альбедо, увеличивая поглошение солечной энергии в этих районах; то же сокращение площади оледенения Северного Ледовитого океана позволяет повысить теплообмен между атмосферой и океаном (лед, да еще и покрытый снегом служит неплохой теплоизолирующей прослойкой, мешающей теплообмену между атмосферой и океаном); увеличение свободной ото льда площади океана увеличивает испарение воды в атмосферу, что усиливает парниковый эффект в этих районах и уменьшает отвод поступающего тепла (над большими ледяными массивами парниковый эффект водяного пара, самого главного парникового газа, практически не заметен из-за малого содержания последнего в воздухе данных регионов);  и наконец, повсеместное увеличение испарения, происходящее при потеплении климата, дает дополнительный приток конденсационного тепла в высоких широтах (на фоне дополнительного отвода его из низких широт).

Но Сабинин (2) не связывает определенно потепление слоя атлантических вод Северного Ледовитого океана с процессом глобального потепления, сводя наблюдаемое повышение к естественной изменчивости и упоминая, что в 50-х – 70-х годах наблюдалось как раз понижение температуры этого слоя на сходную величину, что не вполне согласуется с постоянно растущим в последние столетия содержанием парниковых газов в атмосфере и, соответственно, парниковым эффектом.  Однако, тут стоит заметить, что как раз в период 40-х – начала 70-х годов,  на планете  наблюдалось некоторое похолодание, происходившее на фоне не прекращающегося роста содержания парниковых газов атмосфере. Похолодание это было вызвано ростом содержания сульфатных аэрозолей в атмосфере (они увеличивают альбедо, отражают часть солнечной энергии обратно в космос) (4) – после некоторого затишья в предыдущие несколько десятилетий, опять активизировалась вулканическая деятельность, и вырос поток соединений серы, поступающий в атмосферу. И даже при происходящем росте содержания парниковых газов в атмосфере, антипарниковый эффект от увеличившегося выброса сульфатных аэрозолей в атмосферу был весьма ощутим – похолодание глобального климата составило тогда почти 0,4°С за описываемый период (4). Это как раз и могло привести к временному похолоданию слоя атлантических вод. А значит, вероятно, все таки можно признать изменение температуры атлантического слоя Северного Ледовитого океана индикатором глобального изменения климата, во всяком случае на ближайшее прошедшее и будущее время.

Конечно, в общем случае температура поверхностных вод (а именно пока они находятся на поверхности, до погружения на глубину, североатлантические воды получают еще запас тепловой энергии от атмосферы и солнечного излучения) может меняться отнюдь не в том же направлении, что и общее изменение климата – так, например, вблизи Гренландии при потеплении должно присходить похолодание поверхностных вод – они распресняются и охлаждаются дополнительным притоком талой воды гренландского ледника. Однако это не наш случай – в районе погружения остатков Гольфстрима, а именно Западно-Шпицбергенского течения, на глубину перед дальнейшим распространением по Арктике (начиная с Баренцева моря), изменения температуры поверхностных вод хорошо коррелируют со средними глобальными изменениями температуры в нижней атмосфере (4) – а именно состоянием атлантических вод в данном районе определяется их дальнейшее состояние после погружения и распространения по Северному Ледовитому океану. Да и в других районах, например у берегов Флориды, наблюдается то же самое (4).

Что же может принести потепление глубинных вод океана?

Неоднократно многими авторами указывалось на опасность разложения метановых газогидратов, огромные залежи которых открыли в Мировом океане и на суше в районах вечной мерзлоты в 70-х годах ХХ столетия. Метановые газогидраты – это твердые кристаллические соединения, практически тот же лед, в котором в каркасах молекул воды за счет действия ван-дер-ваальсовских сил присутствуют еще и молекулы метана, что в определенных условиях становится более энергетически выгодным, чем раздельное существование смеси из воды и метана. Для образования метангидратов требуются низкие температуры и относительно высокое давление – так, при 0 °С давление, позволяющее образоваться метангидрату и обеспечивающее его устойчивость, должно достигать порядка 25 бар – такое давление, достигается, например в океане на глубине около 250 м. Метангидраты могут существовать и при несколько больших положительных температурах, но, соответственно, при большем давлении. При низких давлениях для их устойчивости необходима весьма низкая температура, доходящая до -80 °С при давлении, равным атмосферному. Однако, метангидраты все же могут довольно долго существовать в условиях низких давлений и при более высокой температуре, но обязательно отрицательной – в этом случае они находятся в метастабильном состоянии, их существование обеспечивает эффект самоконсервации – при разложении метангидраты покрываются ледяной коркой, что мешает дальнейшему разложению (5).

Итак, как мы видим, в современном Мировом океане, глубинные воды которого достаточно холодны (последние несколько миллионов лет их температура повсеместно всего на несколько градусов выше нуля), существуют условия для образования и хранения огромных масс метангидратов на глубинах, начиная с нескольких сотен метров. А в районе Северного Ледовитого океана и у побережья Антарктиды, где температура воды на относительно небольших глубинах отрицательна, выполняются условия, при которых метангидраты могут находится в метастабильном состоянии (в этом состоянии, кстати, находятся и большие запасы метангидратов, залегающих на суше в районах вечной мерзлоты).

Подсчитанные запасы метангидратов действительно огромны – метана в них порядка 104 Гт, в пересчете на углерод (6), что больше нынешнего содержания метана в атмосфере (около 5 Гт (7)) в пару тысяч раз. Разрушение даже относительно небольшой части метангидратов и выделение метана в атмосферу может чрезвычайно сильно сказаться на земном климате, учитывая что способность поглощать тепловое излучение у метана значително выше (в 21 раз на единицу массы) чем у углекислого газа. Так, сейчас считается, что резкое потепление в конце палеоцена, произошедшее около 55 млн. лет назад и продлившееся почти 200 000 лет, было вызвано именно значительными выбросами метана при разрушении метангидратов, которое происходило вначале от имевших место тогда активных подвижек плит земной коры, сопровождавшихся землетрясениями, а впоследствии – уже благодаря и начавшемуся потеплению. Установлено, что температура поверхностных вод Мирового океана поднялась тогда на 8 °С, а глубинных вод – на 5 °С (8). Выделение метана из разлагающихся метангидратов предположительно было практически полным (разрушены были все имевшиеся тогда метангидраты), и составило около 1200 Гт в пересчете на углерод – это примерно одна десятая часть современных запасов метана в метангидратах. Причем выделение это, и соответствующее ему потепление, происходили постепенно в течении нескольких тысяч лет. Несколько тысяч лет – довольно большой срок при учете того, что метан в атмосфере живет относительно недолго, выводится из нее в результате некоторых химических реакций с участием радикала OH, и конечно, произошедшее тогда потепление было бы значительно сильнее выражено, если бы все эти запасы метана были высвобождены в атмосферу быстрее, за более короткие сроки – тогда единовременно в атмосфере находилось бы большее количество метана.

Тут еще стоит заметить, что само время жизни метана в атмосфере может значительно изменяться при изменении содержания метана в ней. К примеру, современное время жизни молекулы метана в атмосфере – около 10 лет. За этот срок молекула метана успевает вступить в реакцию с радикалом OH, постоянно образующимся в нижней атмосфере. Однако при увеличении поступления метана в атмосферу, по сравнению с нынешним, молекулы радикала ОН будут сильнее изыматся из атмосферы, их не будет хватать на окисление всего поступающего метана, время жизни метана в атмосфере увеличится, а значит будет дополнительно расти и его концентрация (9). Вероятно, время жизни молекул метана в атмосфере в период описанного выше потепления конца палеоцена достигало сотен лет (10).

Итак, вернемся к потеплению глубинных вод – как мы видим, это потепление должно привести к разложению части стабильных метангидратов, а именно части тех, которые уже находятся в области положительных температур, либо теперь попадают в нее – при росте температуры зона стабильности будет сдвигаться вниз, на большие глубины, где обеспечиваются большие давления.

Что же касается метастабильных океанических метангидратов, то как ни странно, их изменения должны быть поначалу относительно невелики – разрушение метастабильных океанических метангидратов, т.е. тех, которые требуют небольших давлений, но обязательно отрицательных температур, будут идти медленне, чем может показаться на первый взгляд (ситуация с метастабильными метангидратами суши, находящимися в зоне вечной мерзлоты, иная, но ее анализ выходит за рамки данной статьи). Океанические метастабильные метангидраты сосредоточены в высоких широтах, в Арктике и у берегов Антарктиды на небольших глубинах, где температура воды как раз отрицательна – там она опускается приблизительно до -1,7°С. Однако теплообмен (а именно конвективный теплообмен) между поверхностными водами и глубинными в этих регионах весьма затруднен благодаря резкому градиенту плотности, наблюдаемому в промежуточном слое между ними – вверху находятся распресненные стоком рек и тающим льдом поверхностные воды, а внизу соленые. А дальнейшее таяние льда и увеличение стока рек при потеплении, должны только усиливать этот градиент. Кроме того, тормозить потепление вод на небольших глубинах будет и само таяние льда.

Насколько сильным может быть разрушение метангидратов при потеплении в будущем? Так как метангидраты в Мировом океане сосредоточены в основном на глубинах приблизительно от 500 до 2000 м (за исключением высоких широт, где они есть и на значительно меньших глубинах), то согласно их фазовой диаграмме (5), для разрушения наиболее глубоко залегающих метангидратов, необходимо повышение температуры на максимальных глубинах приблизительно до +17-18 °С. Однако стоит заметить, что значительная часть метангидратов Мирового океана находится не непосредственно в водной среде, а в донных породах, залегая несколько ниже океанического дна. А как показывают современные исследования (11), параметры фазового перехода метангидратов, залегающих в поровом пространстве дисперсных пород, смещаются в область более высоких давлений и низких температур, по сравнению с метангидратами, находящимися непосредственно в воде. Причем это смещение довольно существенно, и для нашего случая глубинных метангидратов сдвиг значения температуры, при котором начинается разрушение метангидратов, может составлять несколько градусов. Как мы видим, с учетом того, что глубинные воды Мирового океана и так имеют положительную температуру порядка 3-4 °С (за исключением высоких широт), в реальности достаточно прогрева на максимальных глубинах залегания океанических метангидратов всего лишь порядка 20 °С, чтобы разрушены были почти все запасы океанических метангидратов, и метан из них поступил в атмосферу.

Уже такие осторожные прогнозы будущего потепления климата, как прогнозы IPCC, дают возможную оценку потепления климата к концу нынешнего столетия от 1,4 до 5,8  °С (3), а значит возникнут условия для разложения очень значительной части всех метангидратов. Даже с учетом тепловой инерции океана, благодаря которой подобная температура воды на большой глубине установится позже на многие десятилетия, а то и первые сотни лет, все равно к концу столетия должна быть разрушена весомая часть метангидратов. Однако надо заметить, что в расчетах, на которых базируются прогнозы IPCC, не учитываются некоторые положительные обратные связи, которые должны значительно усиливать потепление. Это прежде всего обсуждаемое постепенное разрушение метангидратов и выделение метана в атмосферу, а также уменьшение растворимости углекислого газа в воде при потеплении, приводящее к дополнительному поступлению углекислого газа в атмосферу. Последний фактор, причем, тоже может быть весьма значительным – в океане растворено более чем в 50 раз больше углекислого газа, нежели его содержится в атмосфере, а коэффициент растворимости его при повышении температуры с 5 до 10 °С уменьшается с 1,42 до 1,19 ((12), данные для пресной воды).

Стоит заметить, что сама скорость прогрева глубинных вод может значительно поменяться при изменении современной крупномасштабной океанической циркуляции, первые признаки чего мы, возможно уже наблюдаем (см. на этом сайте заметку «Изменение океанической циркуляции начинается?»). В случае Северного Ледовитого и Атлантического океанов, оно может проявится, например, в отключении таких важнейших для формирования современного океанического конвейера течений как Лабрадорское течение и Гольфстрим. Прекращение или значительное уменьшение поступления соленых атлантических вод в Северный Ледовитый океан должно привести к уменьшению градиента плотности между глубинными и подповерхностными водами, а значит создаст условия для усилений сезонной конвекции и теплобмена между различными водными слоями. А уменьшение поступления холодных вод из высоких широт в глубины Атлантического океана, должно привести к усилению прогрева этих глубин.

Как мы видим, потепление глубинных вод Северного Ледовитого океана, даже на величину в 0,2 °С за период с 70-х до 90-х годов ХХ столетия – уже достаточно тревожный сигнал. К настоящему моменту существуют и другие исследования изменения температуры вод Мирового океана, показывающие тенденцию к потеплению средней температуры воды в слое 0-3000 м (именно до глубин в 3 км) порядка 0,47 градуса за столетие (13), хотя и на фоне  увеличивающейся контрастности между холодными и теплыми водами. С учетом того, что потепление климата значительно усилилось и стало наиболее ярко выражено совсем недавно, в последней четверти ХХ столетия, можно предположить, что уже через несколько десятилетий (вероятно во второй половине текущего столетия), когда потепление глубинных вод Мирового океана может достигнуть приблизительно 1-2 °С,  возникнут предпосылки для разрушения порядка 1/10 части океанических метангидратов, вследствии смещения зоны стабильности для метангидратов на большие глубины. Воздействие на климат, которое было вызывано разрушением примерно такого количества метангидратов в конце палеоцена, было описано выше, тогда потепление земного климата составило около 7-8 °С. Причем, в настоящее время, эффект от разрушения такого количества метангидратов, должен быть выражен значительно сильнее – потепление происходит в десятки раз быстрее чем в верхнем палеоцене (примерно сотня лет против нескольких тысяч), а значит интенсивность поступления метана и его накопление в атмосфере должны быть выше.


Примечания:

1) Мишанина Е.И. "Особенности течений морей северо-восточной части Арктики" // Курс лекций, отделение метеорологии ДВГУ.

2) Сабинин К.Д. "Океанологические аспекты акустической термометрии Северного Ледовитого океана" // УФН, июль 1995г., том 165, №7

3) IPCC, "Climate change 2001: Synthesis report".

4) Будыко М.И., "Климат в прошлом и будущем" // Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

5) Дядин Ю.А., Гущин А.Л., "Газовые гидраты" // СОЖ, №3, 1998 г.

6) Валяев Б.М., "Углеводородная дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений" // "Геология нефти и газа", № 9, 1997 г.

7) Бажин Н.М., "Метан в атмосфере" // СОЖ, №3, 2000.

8) "Earth 's ancient heat wave gives a taste of things to come" // New Scientist, 07 December 2002

9) Ларин И.К. "Химия парникового эффекта " // Химия и жизнь, №7-8, 2001

10) "Выброс метана, нагревший доисторическую Землю, возможен снова. и тогда глобальное потепление продлится в течение сотен лет"  //  SciTecLibrary.com

11) http://www.geol.msu.ru/deps/cryology/sci_h_ru.htm

12) "Справочное руководство гидрогеолога" // Том 2. Под ред. В.М. Максимова, «Недра», 1967.

13) "Потепление Мирового океана в течение ушедшего века" // http://www.nature.ru

 


ПОИСК  На сайте В Яndex  

Copyright © Poteplenie.Ru, 2003