Роль эндогенных поступлений воды в изменении уровня океана за последние 140 лет

Более 300 лет ведутся наблюдения за изменением уровня Мирового океана — начиная с футштоков в Амстердаме (1682 г.) и Кронштадте (1804 г.). В последние годы эти наблюдения ведутся непрерывно на более 2000 водомерных постах, расположенных на берегах морей и океанов. Одновременно с этим проводятся непрерывные измерения приземной температуры на континентальной суше. С середины 50-х гг. XX столетия ведутся исследования динамики ледяного покрова Антарктиды, а несколько позднее стал осуществляться спутниковый мониторинг шельфовых ледников. Американские исследователи, подводя итоги этих 25-лет-них наблюдений, в начале 1980-х гг. оценили объем ежегодно откалывающихся айсбергов от шельфовых ледников Антарктиды в 250 км3/год, что соответствует 0,69 мм/год по уровню [27]. На первый взгляд, приведенные цифры можно было бы принять в качестве вклада ледового стока в океан, однако большая часть краевых шельфовых ледников Антарктиды находится на плаву. Поэтому они уже включены в объем вод океана и не могут влиять на его изменение. В связи с этим представляется интересным изучить современный вклад Антарктиды в ежегодный ледово-айс-берговый сток в океан. По данным В.М. Котлякова [27], баланс антарктического ледникового покрова составляет: 2230±280 км3 — приход, 2335 ±490 км3 — расход, т. е. отмечается небольшой отрицательный ба ланс, порядка 100 км3. Наблюдаемый откол айсбергов составляет 1940 км3 [27]. Р.К. Клиге приводит несколько иную оценку объема поступления айсбергов — от 300 до 1000 км3/год [26]. Вокруг Антарктиды постоянно плавают до 15 000 км3 многолетних и свежих айсбергов [27].

В арктическом секторе океана основная масса льда находится также на плаву. Поставщиком материкового льда является преимущественно Гренландия. Объем попадающих в океан материковых айсбергов, по-видимому, невелик и не превышает нескольких десятков км3 [44]. Таким образом, точное количество впервые попавшего в океан льда остается неизвестным.

Как было установлено автором [44], постоянный вклад в изменение уровня океана вносят эндогенные поступления воды в объеме 289 км3/год, или 0,8 мм/год — по уровню (см. рис. 9, с. 59), образующейся в результате дегидратации низов земной коры, суммарное проседание которой в астеносферу за последние 70 млн лет составило 8 км. Кроме того, в структуру уровня должны быть включены: твердый сток рек в океан — 7 км3, или 0,02 мм/год; подводный вулканизм — 3 км3, или 0,01 мм/год; потери на фотолиз — 9 км3, или 0,03 мм/год по уровню. В итоге на долю ледового стока приходится 0,7 мм по уровню, или 253 км3 по объему. В результате средняя скорость подъема уровня океана на начало 80-х гг. прошлого столетия составила:

(0,8 + 0,7 + 0,01 + 0,02 - 0,03) мм = 1,5 мм/год,

или 542 км3 по объему. (IV.9)

В структуре изменения уровня океана эндогенная составляющая должна присутствовать всегда, так как процесс опускания дна океана и поступление эндогенной воды установился много миллионов лет назад (см. рис. 9, с. 59) и его внезапные изменения в ту или иную сторону невозможны [48]. Полученное значение ледового стока (0,7 мм/год) совпадает с данными Института водных проблем СССР, определенными на начало 1980-х гг. До последнего времени автор предполагал, что эндогенная составляющая в балансе воды будет постоянной величиной. Однако, если бы это было так, то возникла бы заманчивая возможность количественной оценки ежегодного объема ледово-айсбергового стока. Как это следует из уравнения водного баланса, данный параметр в нем стал бы единственной переменной:

Е - Р - R - F + Т = L, при Е - Р - R ~ 0, тогда Т + А = L, (IV. 10) где Р — осадки, Е — испарение, R — речной и подземный стоки в океан, Т — внутриземные поступления воды, А — ледово-айсберговый сток [48].

Однако эта надежда не оправдалась, так как при анализе многолетнего изменения уровня океана оказалось, что эндогенная составляющая (Т) также подвержена значительным изменениям.

Рассмотрим результаты наблюдения за изменением уровня Мирового океана за последние 140 лет (рис. 10) [25; 26]. Прежде всего, отмечается общая тенденция возрастания уровня начиная с 1870 г., суммарная величина которого к 2008 г. составила более 200 мм, а его средняя скорость — 1,43 мм/год. Однако за этой средней цифрой скрывается по меньшей мере три продолжительных периода, когда скорость существенно (в 2—4 раза) отличалась от среднего значения. Так, с 1870 по 1920 г. средняя скорость подъема уровня на протяжении 50 лет составляла всего 0,8 мм/год и фактически совпадала со значением эндогенных поступлений воды, т. е. ледо-во-айсберговый сток практически отсутствовал из-за общего похолодания климата.

1880 1900 1920 1940 1960 1980 Годы

б

Рис. 10. Изменение обобщенного уровня Мирового океана (а) за последние 140 лет [25] и приземной температуры на средних широтах (б) за 100 лет [88]

С 1920 по 1960 г. подъем уровня увеличился до 3,0 мм/год, и эта скорость не менялась в течение 40 лет.

С 1959 по 1972 г. наблюдалось, наоборот, значительное падение уровня со скоростью -3,6 мм/год. Однако с 1980 г. по настоящее время (2008 г.) уровень океана стал опять подниматься со средней скоростью 2,6 мм/год (рис. 10).

Сравнение изменения уровня Мирового океана с наблюдениями за изменением приземной температуры на континентальной суше в средних широтах [88] обнаруживает общую тенденцию возрастания температуры по мере подъема уровня океана, которая в целом за первые 70 лет (1870—1940) составила 0,8 °C (рис. 10). Однако, несмотря на продолжающийся до 1960 г. подъем уровня, в последующие 40 лет (с 1940 по 1980 г.), приземная температура непрерывно падала и в среднем суммарное падение составило 0,25 °C. Эта картина подтверждается наблюдениями за среднезимней и среднелетней температурой воздуха в арктических широтах (60 N — 80 N) [18]. Здесь после максимума в начале 1940-х гг. среднее значение температуры падало до 1980 г., после чего вновь начался устойчивый подъем, составивший к 2000 г. 1,5—2 °C. В это же время, особенно в промежутке между 1960 и 1982 г., поведение уровня было хаотическим. Наблюдалось как стремительное его падение на значительную амплитуду и так и стремительное возрастание (рис. 10).

В целом можно выделить три продолжительных цикла подъема уровня океана длительностью 40—50 лет. Последний цикл, начавшийся в 1980 г. (вероятно, еще незавершенный), длится уже 28 лет, а скорость уровня возросла до 2,6 мм/год. Как видно из рисунка 10, циклы разделены короткими эпизодами (в 2—3 года) стремительного возрастания и последующего резкого падения уровня с большими амплитудами (40—70 мм). Замечательно, что после каждого такого катастрофического падения уровня наступает достаточно длительный период (цикл) его медленного возрастания. В таблице 5 приведены данные расчетов среднегодовых объемов воды, поступавшей в океан в течение каждого из этих продолжительных циклов, и общий ее объем за весь цикл.

Таблица 5

Изменение уровня океана и объемов воды в последние 140 лет

Годы наблюдений

Изменение уровня (мм/год)

Объем поступившей воды (км3/год)

Общий объем за период (км3)

1870—1920

0,8

288

14400

1920—1960

3,0

1083

43320

1981—2008

2,6

938

25326

Итого за 140 лет

Суммарное повышение уровня за 120 лет (время подъема) ~230 мм

Ср. в год — 770 км3

Суммарный объем воды, поступившей при повышении уровня, — 85 000 км3

Одновременно были выполнены расчеты сокращения объема воды в моменты быстрого падения уровня, которые сопоставлены с событиями сильных землетрясений (табл. 6).

Таблица 6

Кратковременное падение уровня оксана, изменение объемов воды и опускание дна

Годы

Амплитуда падения уровня (мм)

Измененный объем воды (км3)

Вероятная площадь опустившегося дна океана (км2)

Амплитуда опускания дна (м)

События: землетрясения, вулканизм и др.

1870—1883

65

23465

- 3-106или -3-Ю5

  • - 10 или
  • - 100

Взрыв вулкана Кракатау, гигантское цунами (М-9)

1918—1920

51

18411

1,8-105

- 100

Землетрясение

М > 8,6

1959—1962

70

25270

3106 или 3-Ю5

  • — 10 или
  • - 100

Чилийское землетрясение (М*9)

1979—1981

75

27075

3106 или

ЗЮ5

  • — 10 или
  • - 100

Землетрясение

М > 8,6

2005

-3-1 о6

- 10

Землетрясение в

Зондской островной дуге

(М > 8,0)

Итого:

Суммарное падение уровня -260 мм

Суммарное сокращение объема воды 94221 км3 (-95000 км3)

Приведенные данные показывают, что сокращение объема воды во время коротких циклов нередко оказывается сопоставимым с объемом воды, поступившей за 40—50 лет предыдущего продолжительного цикла.

Из 140 лет, в течение которых проводились наблюдения, 120 лет уровень Мирового океана поднимался, и около 20 лет ушло на кратковременные циклы его падения. При этом общий подъем за 120 лет составил -230 мм;

за это же время в океан поступило около 85000 км3 воды. За 20 лет падения уровня его суммарная амплитуда составила 260 мм, а объем уменьшения воды при этом (вследствие увеличения емкости впадин) ~95 000 км3. Таким образом, наблюдается удивительное совпадение баланса поступления и поглощения (за счет падения уровня) объемов воды. С другой стороны, если бы не было этого поглощения, то за последние 140 лет суммарный подъем уровня составил бы не 230 мм, а в 2 раза больше: 490 мм, или около 0,5 м.

В связи с этим возникает вопрос: в чем причина таких колебаний в изменении уровня океана?

Большинство исследователей, не вдаваясь ни в какие детали, объясняют повышение уровня океана общим потеплением климата. Однако, как мы видели, это повышение не всегда сопровождалось потеплением: наоборот, на фоне повышения уровня с 1940 г. началось длительное падение среднегодовой температуры на средних широтах Северного полушария и заметное похолодание.

Отметим еще одну закономерность — быстрому и даже катастрофическому падению уровня океана чаще всего предшествует столь же быстрый и высокоамплитудный подъем уровня (см. рис. 10, с. 77). Проведенный выше анализ бюджета динамики антарктического ледникового покрова — как одного из главных поставщиков льда в океан — показывает, что даже если бы весь годовой ледово-айсберговый сток в объеме 2300 км3 обрушить в океан, то он поднял бы уровень всего на 6,7 мм. Поэтому айсберги не являются причиной кратковременных циклов падения или подъемов уровня. Что же касается климата, то он чаще всего следует за изменением уровня океана, а не предшествует ему. Однако, несмотря на большую инерционность климатической машины Земли, отмечается стремительное падение приземной температуры одновременно с резким падением уровня (см. рис. 10, с. 77).

Быстрое похолодание может быть следствием крупных вулканических извержений, увеличивающих непрозрачность стратосферы и тем самым уменьшающих солнечную радиацию (табл. 7). Однако вулканическое извержение, если оно не сопровождается мощным землетрясением в области океана, не оказывает влияние на резкое изменение уровня. Таким образом, остается единственная причина резких падений уровня океана, имевших место на рубеже двух веков. Это — тектонический фактор. Быстрое увеличение емкости океана может произойти только в одном случае — при стремительном опускании блоков земной коры и океанического дна, что происходит обычно во время сильных землетрясений (см. табл. 6).

Таблица 7

Вулканическая активность за последние 100 лет

Показатель

Период вулканических извержений

1883—1892

1893—1902

1903—1912

1913—1922

1929—1932

1933—1942

1943—1952

1953—1962

1963—1972

1973—1982

Число извержений

5

3

4

2

5

1

3

2

7

8

Сумма выбросов в стратосфере (в Мт)

53,7

13,8

17,4

5.4

10,4

2,4

6,3

6,1

26,0

15,3

Сумма отклонений от нормы прозрачности атмосферы после извержений (%)

27,4

11,7

17,7

2,6

7,8

0,0

5,5

1,7

6,0

8,2

Важно отметить, что многим сильным землетрясениям (с магнитудой порядка 8,6—9) предшествует подъем крупных блоков земной коры. Такой подъем может вытеснить значительный объем океанской воды (до 12— 15 тыс. км3), не сравнимый ни с какими айсбергами, но по достижении лимита прочности горных пород происходит разрыв их сплошности и резкий сброс поднимающихся и соседних блоков земной коры. При этом обнаруживается интересная закономерность: после каждого катастрофического падения уровня начинается новый цикл длительного его подъема. Обычно этот цикл длится 40—50 лет. Так было после быстрого падения в 1878—1883, 1920—1922, 1958—1960 гг. ив 1981 г. (см. рис. 10, с. 77). Современный значительный подъем уровня начался после особенно сильного и быстрого его падения (на 65 мм) в 1980—1985 гг. Тектоническая причина таких стремительных изменений емкости гигантской впадины Мирового океана очевидна. Становится понятным, что после землетрясения и быстрого опускания одного из участков дна океана возрастает интенсивность дегидратации низов коры, что вызывает увеличение массы выносимой в океан эндогенной воды, сопровождающееся подъемом уровня.

Из приведенного следует очень важный вывод: глобальное изменение уровня Мирового океана происходит не вследствие потепления климата, а в результате продолжающегося проседания различных участков дна океана и возрастания объемов воды, выносимой в океан вследствие усиления процессов дегидратации низов коры. Наблюдаемое потепление климата в рассматриваемом историческом периоде времени вызвано именно этим процессом. Многие исследователи, изучающие изменение уровня океана, к сожалению, не учитывают эндогенный фактор, как и фотолитические потери воды. Но от этого они не исчезают в реальности и влияют на структуру изменения уровня океана, так как Земля является открытой термодинамической системой, где вода поступает из недр по глубинным разломам, а часть ее (в объеме 9 км3) теряется при фотолизе и диссипирует в космическое пространство.

Продолжающаяся океанизация Земли — главный регулятор этого процесса. Что же касается увеличения содержания атмосферного ССЬ и его возможного парникового эффекта, то его можно рассматривать в качестве одного из второстепенных факторов потепления климата, поскольку извержение одного среднего вулкана приводит к выбросу такой массы СО?, которая может быть соизмерима с многолетним антропогенным ее поступлением. Парниковый эффект СО? более чем в 4 раза меньше парникового эффекта, создаваемого парами воды. Поэтому возрастание объема испарений будет продолжаться вследствие повышения увлажненности поверхности Земли, а не из-за роста объема атмосферного ССЬ, который при его увеличении будет интенсивнее ассимилироваться карбонатной системой Мирового океана и зелеными растениями суши.

Нельзя также забывать при этом и не учитывать значительный вклад урбанизации территорий, иссушение и засоление земель, с которых исчезает растительность, участвующая в фотосинтезе и утилизации атмосферного СО?. Поэтому повсеместное восстановление зеленых насаждений является одним из необходимых путей уменьшения этого газа в атмосфере Земли.

Возникает вопрос: каковы ближайшие перспективы изменения уровня океана и связанных с ним климатических изменений?

Исследованный здесь ряд наблюдений слишком короток, чтобы получить достаточно обоснованный прогноз на будущее. Тем не менее общая тенденция направленности изменения всей исследуемой системы вполне определилась. Уровень Мирового океана в целом поднимается, что вызывает изменение соотношения площади суши и моря, а вместе с ним — повышение увлажненности и потепление климата. Этот процесс возник не вчера, а почти 70 млн лет назад, вместе с образованием Мирового океана современных размеров и глубины. Проседание дна океана продолжается, увеличивая емкость океанических впадин, но одновременно с этим активизируются процессы дегидратации коры и возрастает вынос на поверхность все больших объемов эндогенной воды. Можно говорить, по-видимому, о цикличности изменения скорости подъема уровня. Продолжительность циклов в 40—50 лет, очевидно, отражает предел прочности океанической коры и тем самым определяет периоды крупных ее подвижек, сопровождающихся мощными землетрясениями.

Настоящий цикл, начавшийся в 1980 г., длится еще только 28 лет, следовательно, до его завершения пройдет еще по меньшей мере 12 лет. Начиная с 2020 г. следует ожидать новых крупных землетрясений в океаническом секторе, в основном по периферии Тихого океана, в зонах Антильской, Южно-Сандвичевой и Зондской островных дуг Атлантического и Индийского океанов. Одним из признаков предстоящих сильных землетрясений является первоначально резкий подъем уровня океана, а затем быстрое его падение. Обычно оно сопровождается глобальным понижением температуры в Северном полушарии на величину порядка 0,2 °C. Например, после последнего сильнейшего землетрясения в районе Зондской островной дуги зимой 2005 г. и резкого падения океанского уровня на следующий год в Северном полушарии наблюдалась долгая и чрезвычайно морозная зима с необычайно низкими температурами (-35.. .-40°C).

В динамике уровня океана (моря) совместно с изменением приземной температуры обнаруживается прогностический потенциал по предупреждению сильных землетрясений, а также грядущих значительных, хотя и кратковременных, климатических изменений, особенно на средних широтах в Северном полушарии. Появляется возможность по амплитуде быстрого изменения уровня рассчитать изменения объема поступления или сокращения воды и сделать оценку адекватной ему амплитуды и площади опусканий дна морей или океана в районе эпицентра.

В связи с этим представляется актуальной необходимость создания сети водомерных постов (футштоков) на берегах бесприливных морей (например, Балтийского, Черного, Каспийского, оз. Байкал), а также на Тихоокеанском побережье с целью оперативного мониторинга региональной сейсмичности.

Сильное землетрясение в западной части Восточно-Европейской платформы с магнитудой 5,4 по шкале Рихтера, случившееся в сентябре 2004 г., заставило пересмотреть укоренившиеся представления о слабой сейсмичности платформенных структур и искать пути перехода от пассивной регистрации событий в этих областях к предупреждению сейсмической опасности. Одним из таких инструментов может быть мониторинг характера изменения уровня моря (в данном случае Балтийского), для чего необходимо сооружение водомерного поста (футштока) на побережье Калининградской области.

Ввиду больших различий в размерах океанических бассейнов, инерционности их водных масс возникает вопрос: насколько реально отражает картину анализируемый обобщенный график изменения уровня Мирового океана? Согласно наблюдениям, скорость изменения уровня в каждом из океанов меняется неодинаково [26]. Однако общая тенденция его повышения сохраняется везде.

В заключение остановимся на проблеме изменения уровня во время последних материковых оледенений плейстоцена. Как следует из рисунка 9 (с. 59), современная скорость поступления эндогенной воды после завершения деградации валдайского (вюрмского, висконсинского) оледенения Северного полушария составляет в среднем 1 мм/год. В период оледенения, длившегося 100 тыс. лет, уровень океана поднялся на 100 м, что, несомненно, способствовало значительному потеплению климата наряду с орбитальным фактором Миланковича. Этим объясняется быстрая деградация материковых льдов. В итоге в океан в течение 5—7 тыс. лет добавилось 44 млн км3 воды по объему, или 120 м по уровню, что привело к затоплению 25 млн км2 прилегающей низменной суши материков. Таким образом, общий подъем уровня океана в течение последнего оледенения и последующей его деградации составил не 120 м, как это считается в литературе, а 220 м. Отсюда следует, что во время предыдущего — днепровского (рисского, иллинойского) — оледенения (120—220 тыс. лет назад) уровень моря стоял ниже современного еще, по меньшей мере, на 200— 220 м, т.е. шельфы перед днепровским оледенением не были затоплены и представляли собой обширную сушу. Но днепровское оледенение было самым холодным, ледники доходили до широты Крыма и покрывали Альпы. Причина этого похолодания очевидна — оно было вызвано значительным сокращением площади Мирового океана (более чем на 25 млн км2). Этот факт позволяет предположить, что грядущее в конце нынешнего тысячелетия новое оледенение не будет таким жестоким, как все предыдущие, благодаря более высокому стоянию уровня океана, который будет продолжать подниматься со скоростью 1 м/1000 лет. Это значительно сгладит влияние фактора Миланковича, так что оледенение может и не состоятся, а возникнет только длительное похолодание в Северном полушарии. Что касается современного потепления, то оно происходит на фоне чрезвычайно быстрого подъема уровня Мирового океана, которое с 1,5 мм/год за последние 140 лет (начиная с 1980 г.), возросло до 2,6 мм/год. Это значительное ускорение вызвано увеличением объемов поступления эндогенной воды, главным образом через рифты срединно-океанических хребтов. Климатический фактор — явление вторичное и зависит, прежде всего, от соотношения площади суши и моря. При увеличении площади океана климат становится более влажным и, следовательно, более мягким. И наоборот: при уменьшении площади океана климат будет более суровым и холодным.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >