Метеорологические и геофизические исследования

Из анализа распределения ранга теплых лет для станций, расположенных в различных частях Антарктики, следует, что последнее десятилетие, включающее период МПГ, является наиболее теплым для станций, характеризующихся выраженной тенденцией к потеплению (ср. данные таблицы 1 и рис. 3, 4, 6). Этот вывод совпадает с оценками изменения средней глобальной температуры (http://www.ncdc.noaa.gov/ (http://www.ncdc.noaa.gov/)), согласно которым период 2001–2008 гг. был самым теплым на планете за все 130 лет инструментальных наблюдений (1880–2009 гг.).

Рис. 6. Распределение средних годовых значений температуры воздуха на станциях Беллинсгаузен (а) и Фарадей (б) за период инструментальных наблюдений по убыванию величины

Климатический режим свободной атмосферы Южной полярной области характеризуется рядом специфических особенностей по сравнению с состоянием тропосферы и стратосферы других климатических зон. К таким особенностям относятся мощные весенние стратосферные потепления, уникальный динамический режим мощного циркумполярного вихря, максимальные на планете запасы доступной потенциальной энергии, особые условия радиационного энергообмена и физико-химических превращений в атмосфере. Тогда как нижняя атмосфера нагревается в ответ на увеличение концентрации парниковых газов, верхняя атмосфера выхолаживается в условиях сокращения общего содержания озона в атмосфере и вышеуказанного роста содержания парниковых газов (Marshall, Lagun, Lachlan-Cope, 2002, Jagovkina, Lagun, 2004).

Рис. 7. Межгодовые изменения средних годовых значений температуры воздуха (°С) на уровнях 500 гПа (а) и 100 гПа (б) на российских антарктических станциях за период 1957–2009 гг.

Основными источниками данных (таблица 2) о состоянии свободной атмосферы над Антарктидой в ГИС «Антарктика» являются (по степени уменьшения приоритета):

• фонды ААНИИ (после преобразования данных в электронную форму и выполнения контроля качества данных) за период 1956–2009 гг., http://www.aari.aq (http://www.aari.aq/);

• архив АЭРОСТАБ, подготовленный во ВНИИГМИ-МЦД, за период 1978–2009 гг.;

• национальные архивы стран-операторов в Антарктике;

• данные, распространяемые по глобальной телекоммуникационной сети (GTS) в виде телеграмм, за период 1973–2009 гг.;

• исчерпывающий архив аэрологических данных CARDS (Comprehensive Aerological Reference Data Set, США);

• архив средних месячных значений аэрологических данных MONADS (MONthly Aerological Data Set), подготовленный во ВНИИГМИ-МЦД на основе архива CARDS.

Таблица 2. Список антарктических аэрологических станций, данные которых включены в базу данных проекта МПГ COMPASS

Детальный анализ исторических аэрологических данных в Антарктике и информации, собранной в период МПГ, позволил установить (Turner at al., 2006), что в Южной полярной области происходит крупнейшее на планете региональное потепление в средней тропосфере (см. рис. 7). Обработка этих данных показала (Turner at al., 2006), что в последние три десятилетия наибольшее на планете потепление в средней тропосфере (на уровне 500 гПа) наблюдается над Южной полярной областью и составляет 0,006 ± 0,001 °С/год. Причины такого потепления в настоящее время неясны.

Данные рис. 8 и результаты расчета оценок сезонных трендов (Алдухов и др., 2006) показывают, что потепление в верхней тропосфере над станцией Беллинсгаузен за тридцатилетний период 1969–1999 гг. является крупнейшим на планете. Последнее обстоятельство является важным аргументом в пользу восстановления программы регулярного аэрологического зондирования на станции Беллинсгаузен в самое ближайшее время, поскольку изучение указанного феномена может открыть путь к пониманию действительных причин наблюдаемых глобальных климатических изменений.

Рис. 8. Изменение с высотой линейного тренда среднегодовых значений температуры воздуха над станцией Беллинсгаузен за период 1969–1999 гг.

В результате выполнения проекта МПГ COMPASS создана многопользовательская база метеорологических и аэрологических данных антарктических станций, которые впервые стали доступны для антарктического сообщества. Указанные данные, прошедшие процедуру контроля качества, используются для обеспечения транспортных операций в Южной полярной области, заложены в предпроектные предложения по строительству нового морского флагмана Российской антарктической экспедиции, использованы при проектировании строительства сооружений, ветроэнергетических установок и аэродромов в Антарктиде, а также использованы для совершенствования региональных моделей прогноза погоды и составления международного руководства по метеорологическим прогнозам в Антарктике.

Изменения на Антарктическом полуострове: проекты CLICOPEN и ANTPAS

Район Антарктического полуострова характеризуется изменением параметров облачности. Здесь отмечен заметный рост количества облаков (суммарной и нижней облачности (см. (Chernykh, Alduchov, 2005, Данилов, Лагун, 2009) и http://www.aari.aq (http://www.aari.aq/)), уменьшение высоты нижней границы облачности, рост числа облачных слоев (Aldukhov, Lagun, Chernykh, 2003) увеличение влажности воздуха и температуры поверхности грунта. Эти процессы привели в последние десятилетия к сокращению местного покровного оледенения, морского льда, периода ледостава и, как следствие, к вымыванию осадочных пород, изменению солености и содержания растворенного кислорода в морской воде, распаду шельфовых ледников (например, Larsen B), росту повторяемости айсбергов и деградации вечной мерзлоты. При этом приспособление местных морских и береговых экосистем к новым абиотическим и биотическим условиям проявилось в изменении видового состава, пищевых цепей и структуры биологических сообществ. Потепление в районе Антарктического полуострова способствует также росту периода жизнедеятельности экосистем из-за повышения доступности влаги на вновь освобождаемых ото льда территориях, увеличения продолжительности экспозиции грунтов. Количественное изучение всех вышеназванных процессов стало задачей междисциплинарного кластера МПГ CLICOPEN (impact of CLImate induced glacial melting on marine and terrestric COastal communities on a gradient along the Western Antarctic PENinsula, http://classic.ipy.org/development/eoi/ (http://classic.ipy.org/development/eoi/)), объединившего 40 инициативных проектов из 15 стран на 14 антарктических станциях.

Российская часть кластера проектов МПГ CLICOPEN заключалась в создании исчерпывающего набора климатической информации для обеспечения гидробиологических и ботанических исследований в районе Антарктического полуострова, в восстановлении регулярных прибрежных гидрологических измерений, в изучении сезонной и межгодовой динамики растительных и биологических сообществ в условиях локального потепления, в оценке современного уровня биологически активной ультрафиолетовой радиации в регионе.

В период МПГ на станции Беллинсгаузен восстановлены стандартные гидрологические наблюдения, прерванные в 1987 году. Изучен поверхностный распресненный слой морской воды, формирующийся благодаря процессам таяния/замерзания ледяного покрова в период ледообразования в районе острова Кинг Джордж (Ватерлоо). Локальное потепление привело к значительному сокращению периода ледостава и средней толщины морского льда в бухте Ардли. Для изучения сезонной динамики снежного покрова использована круглогодичная фотофиксация снеговой линии, ранее испытанная на острове Дисепшен (Smith et al., 2003), а также морского ледяного покрова. Аналогичные ледовые наблюдения по согласованной программе проводятся в заливе Адмиралти немецкими учеными на станции Джубани. Указанные прибрежные ледовые наблюдения позволяют количественно оценить влияние потепления на динамику морского льда в зоне контакта ледяных массивов, сформированных на акватории Тихого и Атлантического океанов.

Начаты систематические исследования сезонной динамики мезопланктона в бухте Ардли, изучение фито-, бактерио– и микрозоопланктона береговой зоны, а также пресноводного планктона в озере Китеж на острове Кинг Джордж. Выполнен цикл изучения индивидуального потребления кислорода и интенсивности питания доминантных видов зоопланктона. Обобщены результаты факультативных наблюдений за морскими млекопитающими и пингвинами. Отмечено падение численности пингвинов Адели в районе острова Кинг Джордж.

Влияние потепления на растительные сообщества Субантарктики изучено с помощью оценки гумусообразования в литоземах острова Кинг-Джордж на примере состояния почв, формирующихся под щучкой антарктической (Deshampsia аntarctica) и лишайником (Usnea aurantiaco-atra) (Абакумов и др., 2009). Выявлено влияние дополнительного увлажнения при таянии мерзлых грунтов на процессы трансформации органического вещества почв под щучкой. Показано, что высшие растения способствуют процессу формирования корневых структур. В почвах под щучкой скорость образования гумуса выше, чем в почвах под лишайником. Это выражается в накоплении суммы гуминовых и фульвокислот и способствует наблюдаемой экспансии высших растений на Антарктическом полуострове в режиме регионального потепления. Для всех островных литоземов характерна относительно низкая степень гумификации органического вещества, невысокая доля гумусовых кислот, связанных с минеральной частью почв.

Вечная мерзлота Антарктиды и субантарктических островов формирует уникальный раздел земной криосферы, информация о котором, включая распространение, мощность залегания, возраст, физико-химические и механические свойства, крайне ограничена или отсутствуют для большей часть материка. Сведения о режиме и динамике мерзлых грунтов служат надежным индикатором реакции вечной мерзлоты и почв на текущие климатические изменения, а также демонстрируют особенности развития местных экосистем.

В период Международного полярного года 2007–2009 гг. выполнено два крупных проекта, посвященных изучению вечной мерзлоты в Южной полярной области:

1) «Обсерватория по изучению вечной мерзлоты: Вклад в термическое состояние вечной мерзлоты (TSP)» как полевая компонента Глобальной наземной сети наблюдений за вечной мерзлотой (GTN-P), входящей в международную программу CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring);

2) «Антарктическая и субантарктическая вечная мерзлота, перигляциал и почвенная среда (ANTPAS)», направленный на обобщение исторических и современных данных о распространении, толщине, возрасте, физических и геохимических свойствах вечной мерзлоты и почвы Антарктиды и субантарктических островов.

Основные задачи проекта МПГ ANTPAS (программы CALM-S) сводились к следующему:

• формирование базы данных о характеристиках вечной мерзлоты и почвы, доступной для антарктического сообщества;

• создание циркумполярной сети геокриологического мониторинга CALM-S для оценки реакции вечной мерзлоты на изменение климата;

• создание сети буровых скважин для наблюдений за вертикальным профилем ключевых параметров мерзлых грунтов и свойствами почвы, регистрация палеоклиматических условий;

• производство тематических карт по распространению вечной мерзлоты и почв в Антарктике.

На рис. 9 показаны основные районы исследований по проекту ANTPAS. При построении рис. 9 учтены данные Я. Боэлхуверса и http://www.udel.edu/ (http://www.udel.edu/).

Рис. 9. Сеть мониторинга деятельного слоя почвы в Южной полярой области в период МПГ. В легенде дано обозначение основных программ наблюдений: 1 – геокриологические полигоны CALM, 2 – бурение скважин для определения возраста вечной мерзлоты, 3 – определение свойств мерзлых грунтов, 4 – изучение перигляциальных процессов

В реализации проекта МПГ ANTPAS (http://earth.waikato.ac.nz/antpas/ (http://earth.waikato.ac.nz/antpas/)) приняли участие ученые из Австралии, Аргентины, Бразилии, Канады, Китая, Франции, Германии, Италии, Японии, Новой Зеландии, Португалии, России, Испании, Южной Африки, Швеции, Швейцарии и США. Российская часть проекта выполнялась специалистами Росгидромета и РАН при логистической поддержке РАЭ.

В районе российской антарктической станции Беллинсгаузен с 2006 года выполняются регулярные измерения толщины слоя сезонного протаивания мерзлых грунтов на стационарном геокриологическом полигоне. При выборе площадки для полигона, расположенного на побережье пролива Дрейка (бухты Биологов) и в долине Валле Гранде, учтены рекомендации И.А. Репиной. Вид полигона, получившего регистрационный номер А18 в сети CALM-S, показан на рис. 10.

Рис. 10. Вид геокриологического полигона на острове Кинг Джордж (Ватерлоо) вблизи российской антарктической станции Беллинсгаузен

На рис. 11 представлены результаты систематических измерений параметров вечной мерзлоты на стационарном геокриологическом полигоне «Беллинсгаузен». Увеличение толщины деятельного слоя почвы на субантарктических островах в результате регионального потепления демонстрирует тенденцию к деградации вечной мерзлоты (переход от многолетней мерзлоты к ее прерывистой форме).

Рис. 11. Пространственное распределение толщины слоя сезонного протаивания грунта (см) на геокриологическом полигоне вблизи российской антарктической станции Беллинсгаузен в 2006 г. (наблюдатели Лагун В.Е., Харитоненков В.С.) – а); в 2007 г. (наблюдатели Шмарин А.В., Артамонов А.Ю.) – б); в 2008 г. (наблюдатели Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В) – в); в 2009 г. (наблюдатели Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В.) – г).

Несмотря на значительное внимание к изучению состояния вечной мерзлоты в Антарктике, которое ранее уделялось в рамках программах САЭ/РАЭ, систематические площадные измерения динамики деятельного слоя грунта начались только при выполнении проекта МПГ ANTPAS. Помимо измерения толщины деятельного слоя грунта в сезон 51 РАЭ выполнены градиентные измерения в приземном слое атмосфере и в поверхностном слое для оценки компонентов теплового и водного баланса мерзлых грунтов и оценки влияния растительного покрова на сезонное протаивание почвы. Показано, что реакция деятельного слоя на атмосферное потепление различна для разных форм антарктических ландшафтов. Измерены приземные концентрации парниковых газов (углекислого газа и метана) над геокриологическим полигоном.

В период сезонных работ 2008–2009 гг. измерения параметров мерзлоты кроме станции Беллинсгаузен проведены на полигонах в районах российских антарктических станций Новолазаревская (площадка А24) и Прогресс (площадка А23).

Таким образом, в период МПГ создана национальная стационарная геокриологическая сеть в Антарктиде как часть международной циркумполярной сети.

Выводы

Основные результаты рассмотренных выше работ в период МПГ 2007–2009 гг. сводятся к следующему:

– восстановлена российская циркумполярная сеть метеорологических измерений в Антарктике, состоящая из 8 станций. Начаты регулярные геокриологические наблюдения на трех станциях (Беллинсгаузен, Новолазаревская, Прогресс), прибрежные гидрологические и планктонологические наблюдения на острове Кинг Джордж, позволившие оценить воздействие текущего изменения климата на развитие местных экосистем;

– построен наиболее полный набор метеорологических данных отечественных и зарубежных антарктических станций, основанный на текущей синоптической информации, которая прошла единый контроль качества данных и впервые стала доступна для антарктического сообщества. Исторические и текущие данные российских антарктических станций размещены на Интернет-сайте ААНИИ (http://www.aari.aq (http://www.aari.aq/)) и обновляются ежедневно;

– выполнены оценки трендов климатических параметров Южной полярной области за период инструментальных наблюдений. Расчеты показали, что, несмотря на заметные проявления потепления в Западной Антарктике, метеорологический режим Антарктиды в целом характеризуется естественной изменчивостью атмосферных процессов;

– обнаруженный сигнал потепления в средней тропосфере Южной полярной области является наибольшим на планете и требует специального исследования. Один из максимумов сезонного тропосферного потепления зафиксирован на станции Беллинсгаузен, что обусловливает необходимость восстановления программы радиозондирования атмосферы на этой станции.

Успех метеорологических проектов SCAR READER и IPY COMPASS, объединивших национальные архивы стран-операторов в Антарктике, обусловил появление новых информационных ресурсов READER Ice, READER Ocean и READER Aerosol, что позволило существенно улучшить понимание формирования климатообразующих процессов в Антарктике и их влияния на глобальный климат.

Литература

Абакумов Е.В., Власов Д.Ю., Горбунов Г.А., Козерецкая И. А., Крыленков В.А., Лагун В.Е., Лукин В.В., Сафронова Е.В. Содержание и состав органического вещества литоземов острова Кинг-Джорж, Западная Антарктика // Вестник Санкт-Петербургского Университета. Серия 3, Биология. 2009. Вып. 2. С. 124–137.