БИОФИЗИКА И БИОСФЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Из выступления члена-корреспондента РАН директора Института
биофизики СО РАН А.Дегерменджи на научной сессии Общего собрания
СО РАН 15 декабря 2002 года.
Выступающий представил оригинальную математическую модель
возможного кризиса биосферы, разработанную в Институте биофизики.
В настоящее время принято в областях науки, связанных с изучением
"системы Земли", упоминать о резком нарушении нормального
функционирования биосферных процессов, связанном с антропогенной
деятельностью: содержание СО2 (ответственен за 60% "парникового
эффекта") до 1750-го года было почти неизменно, а после
возрастает по экспоненциальному закону (данные обсерватории
Мауна-Лоа, Гавайи), ежегодно увеличиваясь на 0.4%, т. е. в 1,004
раза или около 4 ГтС/год сейчас; рост потребления углеродных
топлив, которое до последнего времени удваивалось каждые десять
лет (5-6 ГтС/год); поток углерода при дефорестиризации
составляет 1-2 ГтС/год; средняя температура земной поверхности с
1860-го года поднялось на величину около 0,5°С (при этом за 10000
лет после последнего ледникового периода температура Земли
повысилась всего на 5°С, т.е. скорость увеличения температуры
возросла на порядок. Авторитетная комиссия IPCC предсказывает
увеличение на 1.5-4.5°С при удвоении концентрации СО2).
По сути "конкурируют" два подхода к объяснению этих явлений.
Первый — наблюдаемые глобальные изменения никак не связаны с
человеческой деятельностью и вызваны естественными причинами.
Изменение концентрации CО2 в атмосфере может быть простой
флуктуацией, и в геологических масштабах довольно незначительно
(палеоклиматическое направление). И второй подход — ради
сохранения существующих природных и климатических условий
необходимо резкое снижение антропогенного воздействия на
глобальные биогеохимические циклы, в частности, уменьшение
выбросов СО2 в атмосферу. Второй подход в течение 70-90-х годов
ХХ века вызвал к жизни значительное количество глобальных моделей
биосферы, основанных на имитационном принципе.
Основные цели и задачи моделирования биосферы следующие: оценка
антропогенного влияния на биосферу, проблемы изменения климата,
взаимодействие атмосферы и наземных (океанических) экосистем,
изменение биоты под действием глобальных изменений биосферы в
конкретных регионах, эволюция углеродного цикла и др. В качестве
примера крупных моделей можно привести: BIOME2/3, OBM (Osnabruck
Biosphere Model), TsuBiMo (A biosphere model of CО2 fertilization
effect), CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach Biosphere model),
HYBRID, TEM (Terrestrial Ecosystem Model), BIOME-BGC
(BioGeochemical Cycles), CENTUARY и др. Основной "дефект" этих
моделей — имитационный характер описания процессов, что не
позволяет выделить существенные гипотезы, и проверить ключевые
механизмы и параметры устойчивости биосферы.
Отличительная особенность представленной модели — простота
("малоразмерность"), что делает ее "прозрачной" для исследования
связи антропогенного потока углерода с границами устойчивости
биосферы. Биотические резервуары разделены на широтные
компартменты: тропические, южные и северные. На старте модель
замкнута по углероду за счет круговорота. Учтены основные
резервуары углерода: атмосфера (740 Гт), земная биота (550 Гт),
почвенные слои — гумус (1200 Гт) и океан (900 Гт). В морские
компартменты включены автотрофы (фитопланктон), поглощающие СО2,
и гетеротрофы, источники СО2. В модели учитывается различие
температурных оптимумов для роста растений и деструкторов. Для
моделирования процесса сжигания топлива в модель вводится
антропогенный источник углекислого газа, нарушающий замкнутость
системы.
Результаты теоретических расчетов по модели земной биоты
удовлетворяют данным обсерватории Мауна-Лоа измерений
концентрации СО2 лишь при повышенном сжигании топлива.
При этом результаты океанской модели говорят о том, что роль
морской биоты в динамике незначительна (уступает земной на два
порядка).
Показано, что в принципе существует критическая дата (2107 год; в
предположении увеличения температуры на 2°С при удвоении
концентрации СО2) после которой наступают необратимые
последствия: двукратное увеличение температуры, экстремальная
концентрация СО2, разрушение биоты. Важна не сама критическая
дата, а факт ее "теоретического" существования. При прекращении
сжигания топлива, хотя бы за два года до критической даты,
катастрофы можно будет избежать: состояние биосферы
стабилизируется, и ее параметры выйдут на новый стационар.
Полученные результаты верны только лишь в рамках современных
взглядов на функционирование биосферы. Неучтенные или
слабоизученные параметры могут оказать сильнейшее влияние на ход
климатической истории, повернуть события в ту или иную сторону.
Для уточнения модели необходимо привлечь "модельеров" СО РАН
(климатологов, химиков, экологов леса; экспериментальную систему
БИОС и др.) с целью конкретизации: модели "парникового эффекта",
описания карбонатной системы океана, скорости сжигания топлива,
температурных оптимумов роста и деструкции гумуса, "вклада"
биоразнообразия, динамики СО2 в замкнутой системе
"растения-почва" при подъеме температуры и многое другое. Пока
модель "не указала" противовес мощному антропогенному источнику
углерода, близкого по мощности стока. Ни земная, ни океаническая
биота, ни сам океан "не справляются" со все увеличивающимся
потоком СО2. Как бы то ни было, представляется крайне интересным
и актуальным продолжить изучение динамики биосферы, оставаясь на
"минимальном" уровне сложности модельного описания.
стр. 6
|
