математическое моделирование глобальных биогеохимических

ЕЖДУНАРОДНАЯ НЕПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ «ФОРУМ»
АГЕНТСТВО БИОИНФОРМАТИКИ И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА
На правах рукописи
УДК 577.1+519.6
ТАРКО Александр Михайлович
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ГЛОБАЛЬНЫХ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ
УГЛЕРОДА И АЗОТА
Специальность 03.00.16 — экология
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук в форме научного доклада
МОСКВА
1002
Работа выполнена в Вычислительном центре АН СССР
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор В. В. Алексее:
доктор физико-математических наук А. Н. Кузнецов
доктор технических паук С. Л. Пегое
Ведущая организация—• Научно-исследовательский
тельный центр АН СССР, г. Пущнио
вычис
1992
г. в
п Гк^
-/^ час.
Защита состоится « /V
/7 ^»^ ГЮРЪЬ{Х.А^
(реЬ^О^А:^.
1992 г.
заседании спецнализироваппого совета Д. 170.01.01 при Агенте
биоинформатнки и экологии человека Международной кепра
тельстненной организации «Форум» по адресу: 117342 Моек
ул. Бутлерова, 15
Автореферат разосла и «
Jj<J}a.JDS. 1992 г.
Ученый секретарь
специализированного совета,
доктор физико-математических наук
С. Н. Цобряь
I.,-. ,, ^ " •* I
ОБЩАЯ ХАРАКГЕРИСГГИКА РАБОТЫ
" А К Т У А Л Ь Н О С Т Ь ТЕМЫ- Активная хозяйственная деятельность
человека приводит к резкому глобальному изменению в
складывавшемся тысячелетиями круговороте веществ в биосфере.
Происходит глобальное увеличение количества двуокиси
углерода в атмосфере, антропогенное изменение климата Земли,
нарушается функционирование экосистем, идет вырубка лесов,
эрозия почв. Все это уаэ сейчас приводит к необходимости
изменения стратегии развития экономики и использования
ресурсов биосферы. Проблема исследования и прогнозирования
возможных последствий взаимодействия человека и биосферы и
задача рационального использования природных ресурсов
требуот изучения крупномасштабных процессов в биосфере.
Современная математика является плодотворным средством
изучения динамических систем. Данная работа посвящена
теоретическому исследованив методами системного анализа
процессов дЕнемики вещества в биосфере на отрезках времени
до сотен лет.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Построение в анализ математических моделей
глобальных биогеохимических циклон, характеризухсшх процессы
трансформация органического ж неорганического вещества в
биосфере (углерода, азота), в исследование на моделях
реакции биосферы в ее подсистем на различные антропогенные
воздействия я управления.
НАУЧНАЯ НСВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработана концепция
моделирования
8K0Jюгичвcкиx
щхщессов
как
создание
соввршенствупцейся, развивалцейся систв1Ш математических
моделей. Разработана
система математических
моделей
гоюбальннх биогеохимических циклов углерода и азота в
биосфере. Рагработзны точечные модели глобального цикла
углерода, углерода в азота, а твкхе пространственно
распределенная модель цикла углерода в система атмосфера растения - почва (АРП). Разработана точечная модель цикла
' углерода в азота, а такха зонально распределенная модель
цикла углерода в системе атмосфера-океан (10). Синтезированы
модели циклов углерода в азота, а также углерода в системе
атмосфера - растения - п о ч в а - океан (АРПО) в получены
-
4
-•
долгосрочные прогнозы изменения кояцентращш двуокиси
углерода в атмосфере, температуры' атмосфэры, а TEKI:2
изменения параметров функционирования 30 осыоышх типов
экосистем на суше на географической сетке 4x5°.
Рассчитан баланс антропогенного выделения двуокиси
углерода в атмосфере и биотического поглощения для разных
стран и регионов,
Исследована способность биосферы к ее подсистем
ослаблять различные, в том числе антропогенные воздействия,
т.е. отвечать на воздействия в соотввтств]ш с принципом
Ле-Шателье. Сделана интерпретация и его формализация для
случаев изменения
количества
углерода
в биосфере,
разогревания атмосферы, вырубшшя растительности, действия
атмосферных загрязнений на экосистемы сусш и др. Показано,
что принцип Ле-Шателье - более кесткое условие, чем
устойч1шость по Ляпунову.
Показано, что для случаев антропогенных выбросов COg в
атмосферу ь результате сашгания ископаемых органических
топлив и загрязнения экосистем суши Ч11ин1^итт Ле-Шателье в
биосфере выполняется до определенного порога, после
достижения которого эффект воздействия начинает усиливаться.
В настоящее время нет данных, подтвэрвдащих способность
системы АРП ослаблять тепловые воздействия на биосферу, что
означает необходимость более точного измерения некоторых
динамических параметров этой системы.
В рамках разработанных моделей показано, что наличие
азотного цикла усиливает способность биосферы компенсировать
антропогенные воздействия.
Впервые показана глобальная роль лесных экосистем
в поглощении выбросов СО2 в атмосферу и в стабилизации
климата: они способны быстрее и в большей степени, чем
травяные экосистемы, поглощать антропогенные выбросы СО2.
Этот результат не зависит от различия параметров
функционирования экосистем.
Сделаны оценки последствий "ядерной зимы": рассчитаны
гибель и восстановление растительности на планете, получен
прогноз долговременного изменения климата.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Результаты работы могут
- 5 Оыть использованы: ,
1. Для получения прогнозов динамики Оиосфврных
процессов
при
различных
сценариях
темпов
роста
производительных сил и энергетики, развития научнотехнического прогресса;
2. При выборе стратегий рационального природопользова­
ния;
3. Для определения пределов экологически допустимых
воздействий на окрухапцую среду;
4. Для расчетов и сравнения балансов антропогенного
выделения и поглоцения СОд разных стран и регионов.
СпосоОность биосферы и ее подсистем
ослаОлять
результаты антропогенных воздействий может Оыть принята в
качестве одного из критериев нахоадения биосферы в области
гоиэостаз'Л. Разработанные модели могут быть использованы как
I !:,с:^!;э н системе глобального космического ?,юниторинга
?.'.йл:)гл"ч,зских процессов. Выявленные
закономерности
и
разработанные подходы могут быть использованы при построении
искусственных замкнутых экосистем.
Работа выполнена в Щ АН СССР в соответствии с темой
НИР "Разработка методов исследования устойчивости в моделях
экологических систем" (НГР:.0182.Э 043954).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались па
зсесоюзных (всес.) п иедународных (мевд.) конфервнцп?'х
(конф.), създах, семинарах (сем.), симпозиумах (симп.),
.школах (шк.), в Москве (М.), Ленинграде (Л.), Пущино (П.).
Звенигорода (Зв.) и т.д., в том числе:
1976: - 71 всас. шк. по математическоглу моделированию в
биологии - Зв,
1978: - 1 всес. кон}. ЫГУ "Проблемы взаимодействия
общества и природы" - М. ,
1980: - всес. конф. "Моделирование климата, его изме­
нений и колебаний" - И., - всес. шк.-сем. "Модели экосистем
и связанные с ними задачи оптимизации" - Душанбе, - всес.
шк. "Динамическое моделирование в агрометеорологии" Тбилиси,
I
1981: - У111 всес. шк. по математическому моделированию
слогЕых биологических систем - П. , - Совтско-финский симп.
- 6 по математическому моделированию акономических и екологических реиональных процессов - Душанбе,
19 8 2 : - всес. шк. "Программа и методы биогеоценологиеских исследований" - Зв., - шк.-сем. "Оптими­
зационные задачи проектирования систем управления" - Киев,
1983: - межд. снмп. Института Ш з н и "Коэволпция чловека
биосефры" - Хельсинки, СРшишндия, - и всес. конф. по
применению математических методов и ЭВЫ в почвоведении - П.,
- семпо меад.
проекту "Динамика экосистем .пере­
увлажненных земель" - Таллин,
1984: - всес. шк. "Влияние промышленных предприятий на
окружахщую среду" - Зв., - всес. конф. по информатике - Ы.,
- Советско-американский симп. по малым газовым примесям Вильнюс, - Советско-финский симп. "Ыодели живых систем" Хельсинки, Финяндия,
1885: - Главное годичное заседание Физического общества
Ш > - Лейпциг. TIP, - всес. совещание по проблемам изменения
климата - Л., - всес. шк. "Математическое шэделироание в
биогеоценологии" - Петрозаводск,
1986: - II всес. совещание "Ооще проблемы биогео­
ценологии" - Ы., - всес. симп. "Научные основы оптимизации,
прогноза и охраны природной среды" -II., - И всес. шк. по
теории управления и исследованию операций - Черновцы,
1987: - тттт ежегодный съезд Ыеддународного общества
системных исследований - Будапешт. Венгрия, - всес. шк.-сем.
"Использование аэрокосмичвской ввформащш при изучении
энергомассообмена вкосвстем" - Суздаль, - всес. сем. "Экспертно-моделирупцие системы" - Нальчик, - сем. "Суйюдели
анерго- в нассообмзна системы почва - растительность в
моделировании климата" - Тыравере,
1988: - межд. сем. (ЖОПЕ "Последствия ядерноА войны для
окруапцей среды" - Ы., - Пленум Научного совета Ш ГПСР по
проблемам биогоцнологии и охраны природы - Махачкала, шк.-сем. "Теория в методы географического прогнозирования" Зв., - совещание "Уотойчивость-в8" - Минск, - р е с п у б ­
ликанский сем. "Экотоксикология в охрана природы" - Рига,
1989: - межд. сем. по проекту "Ейрочернобыль" - Киев, шк.-сем. "Анализ в моделирование вколого-вкономических
-7 систем" - Иркутск, - V всес. симп. по кинетике и динамике
геохимических процессов - Черноголовка,
1990: - мевд. конф. Института Жизни "Дилеммы гло­
бального потепления" - Довиль, Франция, - шк.-сем. "Про­
гнозирование
региональных
геоэкологических
проблемных
ситуаций" - Зв., - II всес. шк. "Современные проблемы
взаимодействия человека и биосферы" - Обнинск,
1991: - совещание секции "Методология системных
исследований и математичское моделирование экосистем"
Программы биосферных и экологических исследований АН СССР
"Проблемы математического моделирования окруапцей среды и
климата" - П;, - симп. "Геофизические аспекты медународной
геосферно-биосферной программы Глобальные изменения"
Прага, Чехословакия, - мехведомственное совещание по
проблеме использования геоинформационных систем (ГИС) для
решения вопросов охраны окруапцей среды - М., - V Всесоюзная
конф.
"Геохимические
пути
миграции
искусственных
радионуклидов в биосфере" - П.
Помимо этого результаты работы регулярно докладывались
на заседаниях Комиссии по применвшао математики в биологии
Московского общества испытателей природы в 1975-1990 гг., а
такага ни научных семинарах ВЦ АН СССР. ИГ АН СССР, ЛАМ, ИФА
АН СССР, ИТЭ» АН СССР, ИЛ АН СССР, ДЕЛИ (Владивосток). ГИНРО
(Владивосток), Д1У (Душанбе).
Основное содержание диссертации изложено в девяти раз. делах данной работы, в которой обобщены результаты трех
монографий. Всего по теме диссертации опубликовано более 50
работ, из них 7 за рубежом.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. ЫАТШАТИЧВСКОЕ ОПИСАНИЕ БИОСФЕРЫ И ЕЕ ПОДСИСТЕМ
В работе математическое моделирование экологических
процессов рассматривается как разработка системы совершенствупдихся, развиваниилея моделей.
Модели одного объекта, разработанные для различных
целей оказываются различными. Например, при оценке
1-3
- 8 воздействия кислотных дождей или при действии низких
температур в случав ядерной зимы на одни и те se акосистекш
процессы, опредедящив нарушения в экосистемах, оказываются
различными. Соответственно различными оказываются модели.
Поэтому необходимо создавать основанную на конкретных
разработках систему моделей воздействия антропогенных
факторов на экосистемы.
Наличие системы моделей позволяет выбрать для квхдой
подвергаемой воздействиям экосистемы, для которой нужно
получить прогноз, подходящую модель При атом нэ исключено,
что такой модели нет, и ее надо разрабатывать. Система
моделей пополнится еще сдаой моделью.
В связи с тем, что имитационные модели в экологии
основаны на разных гипотезах и функциональных зависимостях,
различные авторы и коллективы разрабатывают различающиеся
модели или системы моделей.
Дня исследования биосферных процессов используют данные
о Оиогеохимических циклах элементов - углерода, азота и др.
При анализе глобальных биосферных процессов особую роль
играет цикл углерода. Углерод, о одной стороны, является
количественным индикатором процессов в акосистемах и
характеризует динамику органического вещества в них в их
обмен двуокисью углерода с атмосферой. С другой стороны,
находясь в атмосфере в основном в виде парникового газа двуокиси углерода, углерод характеризует климат планеты.
Другой
угдеродосодержа1ций
парниковый
газ
атмосферы
биологического происхождения - метан.
Азот также является индикатором биосферных процессов.
Помимо этого он характеризует наличие питательных элементов
растений в почве и в морской воде.
Сделаны расчеты, из которых следует, что на отрезках
времени десятки и сотни у.ет никские разрушения лесов или
почвы, а также сжигание ископаемых органических топлив не
могут привести к заметному аамэлению концентрации кислорода
в атмосфере: если бы можно было сжечь всю фатомассу
биосферы, все мертвое оргвничэс;<оа вещество почвы
и все
ископаемое тошмво, то при этом концентрация 0^ в атмосфере
снизилась бы от значения 21X до 20,5*.
- 9 2. МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОГО КРУГОВОРОТА УГЛЕРОДА В
СИСТШЕ АТМОСФЕРА-РАСТШШ-ПОЧВА ,
(АРП-1). ПРИНЦИП ЛБ-ШЛТЕЯЬЕ
Рассматриваемая нижо модель АРП-1 была построена для
того, чтобы исследовать поведение системы атмосфера растения - почва (АРП) при действии на нее различных (п
первую очередь, антропогенных) воздеЗствий и определить ее
реакции на эти воздэГствия. С этой целью был рзссмотреп
круговорот углеродг в системе АРП. Обмен СОр
мевду
атмосферой и oicr.sEa;' считался постоянным или измоняипимся
известным образом.
Ка отрезках вртмчви,
рассматриваемых в
модели
(десятки и сотни лет), ясжно счгггать, что в отсутствие
возмущапцих факторов количество
углерода в системе ' не
меняется. При этом могно считать, что система в
доантропогенный период (за который обычно принимают период
до 1860 г.)
находилась в стационарном состоянии. В
некоторых случаях' современное состояние биосферы тага»
могно считать незначительно отличапцимся от стационарного.
Система АРП представлена в виде суммы двух подсистем:
травяной экосистемы и лесной (рис. 1 ) .
Описание модели приводятся в терминах системной
динамики Дж.Форрестера. Содэрхание углерода в уровнях,
изображенных на рис. 1, будем обозначать через Г^, где 1 •номер соответствующего уровня (f = 2,...,8), С^ -количество
углерода в виде COg в атмосфере. Темп поступления углерода
из уровня
(
в. уровень
/
обозначим
Vj.,
начальные значения С,, У^ и 7^.
обозначим С^, Tj и
7^J. AT - отклонение средней глобальной телшературы воздуха
у поверхности 2<;,.1ли от современного значения. Единица
вр9:гешЕ - 1 год.
Зависимость температур! от содержания
СО
в
атмосфере (парниковый эффект) была принята согласно расчетам
Л;Р. Ракиповой и О.Н. Вишняковой.(1973).
Приведем выражения для потоков. Скорость потребления
углерода атмосферы (в виде СО ) растениями (годичная про-
1-4
-10-
Ттльрол жквоА
Дштсмаосн
Углерод млахоК
фвтсмяоон
Угмрод дрвможнн
к Kojuiel
хжжз р«ствхж2
Тхшврод водспикк
а «DpHvaux
/
\
Углерод
ттмгеа
\
Углерод оодсплза
I коряевих '
остатков
Уч
£SS!L \
.Углерод
ПКГоа
I
J
Рис. 1. Схема цикла углерода в модели АИ1-1
дукция) вырахается соотношением:
(2.1)
[fe,n,. F, > &,V^,
I = 2.5
Здесь индексы
f = 2,5 относятся соответственно к
травяной и лесной системам; f^ и /g - продуктивности этих
систем при современных температуре и концентрации СО в
-патмосфере; S^
и ^^ - относительные значения площадей.
Коэффицканты а^ и 0^ показывают, на сколько процентов по
сравненаг. с современным значением увеличится продтстивность
при уЕэллчении соответственно теютературы на 1°С и
концентрации атмосферного СО, на 105. Коэффициенты ft,
определягт границу лрвде-чьяого увеличения продуктивнвсти.
Значения коэфТшщентов лежат в диапазоне 1 $ 0_, О, $ 9;
-Л ^ а^, а^ $ ^5. AT - отклонение температурыСкорость отмирания древесины и корней в лесной системе
равна
67
'56-
^б ^ * б ^
•
где коэф&щиант
м
означает удельную интенсивность
отмирания древесины и корней, коэффициент
к
означает
п|-эдвльно возмоиное увеличение биомассы древесины и корней.
Соответствующие скорости разложения гумуса можно
записать а виде (I = 4,8 - травяная и лесная системы
соатввтстве:ша):
f"
fin О 1
fin Q 1
f = 4, 8
^1
(2.3)
fIn Q I
где /^ и /g - удельные интенсивности разложения гумуса
травяной и лесной систем в современных условиях; Q коэффициент, указывающий, во сколько раз изменится скорость
разложения при изменении температуры на 10°С. Наблюдавшиеся
значения лежат в диапазоне 1.6 $ Q $ 2,9. Коэффициенты tt^
задают те предельные значения температур, выше которых
скорость разложения не увеличивается.
Поток 7 описывает поступление углерода в атмосферу из
индустриальных источников (сжигание ископаемых органических
топлив).
1-5
- 12 То обстоятельство, что характерные времена отмирания
зеленой фитомассы и разложения подстилки составляют около 1
года и намного меньше характерных времен, рассматриваемых в
модели, позволило уменьшить размерность модели: считать
переменные У^, У^. У^, У^ квазистационарными, исключить• их
из числа переменных модели и полагать в соответствупцих
уровнях сумму входных потоков равной сумме выходных.
Чтобы
полностью
описать
модель,
сформулируем
дополнительную гипотезу: если поток углерода, выходящий из
некоторого функщонального блока (уровней с номерами 3, 5,
7),
разделяется на два потока, то отношение их
;штенсивностей остается практически постоянным.
Учитывая высказанные предположения и используя выра­
жения для потоков V^g, y^g, Vg^, V Q ^ , 7^^
, поведение
системы АРП можно описать системой четырех обыкновенных
дифференциальных уравнений для С^, У^, Уц, Уд.
При 7 = 0 выполнявтся С^ + У^ + Уц + Уд = if = const.
Исследование устойчивости (по Ляпунову) и других
характеристик системы АРП было проведено в следующем
порядке:
1. Качественное исследование модели АРП-1 при условии,
что система АРП занята только травяной растительностью (S^ «
1, S = 0 ) . Будем называть такую систему травяной. В этом
cj:^ae система переходит в систему с двумя переманннкш.
Учитывая закон сохранения, размерность модели мохно
сократить на единицу и описать динамику углерода в замкнутой
травяной системе одним уравнением.
,2. Качественное исследование модели АРП-1 при условии,
что система АРП занята только лесной растительностью (S^ •= о,
S^ = 1 ) . Будем называть такую систему лесной. В этом случав
система уравнений переходит в систему с тремя переменныыи.
Учитывая закон сохранения, размерность модели можно
сократить на единицу и описать динамику углерода в замкнутой
лесной системе двумя дифференциальными уравнениями.
3. Имитационное моделирование ответов только травяной,
только лесной и полной системы АРП на различные воздействия.
Для этого модель была реализована на ЭВМ. Дифференциальные
уравнения аппроксимировались по схеме Эйлера с постоянным
-13 шагом.
Показано, что при 7 - 0 в широком диапазоне количеств
углерода в системе АРП (от вдвое большего
до вдвое
меньшего) и реальных значениях параметров положения
равновесия системы устойчивы и колебания отсутствуют.
Определены области значений параметров, при которых возможны
колебания в система.
Исследовалась способность системы ослаблять результаты
различных воздействий на нее, то есть отвечать на
воздействия в соответствии с принципом Ле-Шателье.
Воздействие может представлять или изменение количества
вещества в система, или быть равносильным изменению
параметров системы. "Принцип" понимается как свойство сис­
темы, которое в отличие от закона может выполняться или нет.
Рассмотрим условие выполнения принципа Ле-Шателье в
системе в случав изменения количества вещества. Пусть
поведение замкнутой по веществу системы описывается
п
обыкновенными дифференциальными уравнениями с непрерывными и
дифференцируемыми правыми частями с переменными х^ -(( =
1,2,...,71). Условие замкнутости означает, что в отсутствие
воздействий количество вещества в системе постоянно:
п
и = 2 ^t = const.
(2.4)
t=i
Пусть в система в некторой односвязной области для
каждого К существует
единственное ненулевое устойчивое
положение равновесия
х*
(£ = 1,2,...,л). Тогда можно
говорить, что параметр М задает п функций х*(*) (£ =
1,2....,п).
Пусть в результате воздействия значение 1-й переменной
было мгновенно изменено на (Л .
Нас интересует, каким
будет•изменение стационарного значения этой переменной Дх*.
Примем за выражение принципа Ле-Шателье в этом случав
условие
О < dx'/cflf^ < 1 .
Можно
1-6
показать,
(2.5)
. что
это
условие
эквивалентно
-14
-
следупцвму:
О < dij/cflf < 1 ,
(2.6)
Естественно обобщить принцип Ле-Шателье для' всей
системы как выполнение условия (2.5) для каждой переменной
I « 1,2,....п. Можно показать, что условие
dTj/cflf > О, £ = 1
п ,
(2.7)
эквивалентно выполнению условия (2.5) для каждой переменной
(Z = 1,2,.-.,п) и, следовательно, является выражением
принципа Ле-Шателье для всей систекг:,
Такая трактовка принципа Ле-Шателье позволяет опреде­
лить его выполнение в системах с большим количеством
переменных,
для которых
аналитическое
вычисление
соответствухщих производных практически невозможно, при
помощи простых вычислительных експериментов: необходшло
мгновенно изменить значение лобой из переменных системы и
определить знаки приращений переменных в новом стационарном
состоянии.
Легко показать, что последнее условие эквивалентно
условии:
dx*/dx* > С,
и
»1
п, i > J .
(2.8)
Например, для п = 2 условие (2.8) принимает вид
I- > О ,
(2.9)
т.е. линия равновесных состояний в плоскости переменных
{х^,х^)
должна быть возрастапцей функцией.
Отметим, что в данной трактовке принцип Ле-Шатслье более сильное требование, чем устойчивость по Ляпунову: сис­
тема может быть устойчивой, а принцип при атом не
выполняться.
В исследуемой системе Щ1ин1щп Ле-Шателье выполняется
для ка^^дой переменной. Например, система поглощает часть
- 15.выбросов СО2 в атмосферу. При этом вызванное увеличением
количества COg повышение температуры несколько ослабляется.
Показано, что общее уменьшение продуктивности в системе
АРП в результате прекращения роста растений на участко
территории
частично
компенсируется
увеличением
продуктивности на других участках.
Условие, при котором система способна ослаблять зфф^кт
тепловых воздействий имеет вид:
Гаг^/адт] ^ < 0.
(2.io)
в
этом случае разогревание
атмосферы вызывает
уменьшение концентрации СО в атмосфере, что в свою очередь
(из-за парникового эффекта) должно привести к сниженип
температуры и ослаблению температурного воздействия. Когда
знак неравенства
противополокннй, разогревание атмосферы
должно сопрововдаться увеличением концентрации СО^ и еще
большим повышением температуры.
Однако это условие выполняется не во всем диапазоне
реальных параметров системы, и в настоящеее время нет
данных, подтверхдапцих способность системы ослаблять
тепловые воздействия на атмосферу.
На рис. 2 представлены результаты отклика травяной и
лесной систем на мгновенное увеличение количества СО» на
10Ж. Динамика изменения атмосферного С0_ представлена в
относительных единицах - по отношении к современной
концентрации. Видно, что лесная система обладает большей,
чем травяная, способностью поглощать избыток атмосферного
СО^: в этом случав компенсация воздействия происходит
значительно быстрее, а степень компенсации больше.
Вычислительные эксперименты показали, что характерное
время' поглощения выбросов СО, в атмосферу, за которое при­
нимается время поглощения половины выброса, составляет 10-16
лет для лесной в 60-90 лет для травяной системы.
Из модели следует ваяная роль лесов. Единица ш1оща,-плесной системы способна быстрее и в большей степени
поглощать выбросы COg в атмосферу, обладает большп:.;, чем'
травяная система, диапазоном возможностей в компенсации
1-7
-16 -
(в
«в
W
(К
Ш
MV
JW
Atf
'*]
«к
о*
(«
га
ut
га
*а
ш
i—
Рис. 2. Изменение температуры (ДТ) и концентрации атмоаЗЕерного COg в ответ на мгновенное увеличение коли­
чества COg в атмосфере на 10%: 1 - трубка траекторий
травяной системы, полученная при варьировании коэ()>фициентов Og = Og = а в диапазоне [-4,15], 2 - то же
для лесной системы
тепловых воздействий. Этот результат не зависит от различий
в параметрах продукционного процесса лесной и травяной
систем, а связан с динамикой накопления углерода в древесине
и корнях лесной системы.
•
- 17 -
3. МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОГО КРУГОВОРОТА УГЛЕРОДА И
АЗОТА В СИСТШЕ АТМОСФЕРА-РАСТЕНИЯ-ГОЧВА
(АРП-2)
Рассмотрим модель АРП-2 взаимодействия циклов углерода
и азота в системе АРП. Эта модель позволяет качествейно и
количественно оценить роль минерального питания растений в
реакциях глобальной системы АРП.
Переменные модели (уровни в терминологии Форрестера):
содержание углерода в атмосфере Ст, в растительности С2, в
гумусе Сд. содержание азота в растительности N^, в гумусе, в
усвояемой растениями форме N.. Через
7С
и
ТУ
обозначим темпы поступления углерода и азота из уровня I в
уровень J.
Начальные значения уровней и темпов обозначим
С^, /Г^, С^^ , УЛ^,;
AT - 0ТКЛ0Н9ЕК9 средней глобальной
температуры атмосферы от современного значения. Через
7
обозначим поступление углерода в атгюсфэру от сжигания
тошшв. Через
7
обозначим приход азота в усвояемую
форму.Через 7
обозначим уход усвояемого азота из системы
АРП, причем ^р = ^д + ^в • ^^^
^л ~ ^ ^ ° ^ азота в
результате денитрифпсации в атмосферу, 7
- вынос азота в
океан. Единица времени - 1 год.
С достаточной точностью можно считать, что отношение
количества углерода к количеству азота в растениях
сохраняется постоянным.
Приведем уравнения потоков. Потребление углерода на
формирование
годичной
продукции
растений
выражается
уравнением
Здесь Р^ - годичная продукция растений в начальном
состоянии. А - приход азота в усвояемую форму.
А°
значение А в начальный момент времени.
Функции
/^, /g» /3
выражают зависимость годичной
продукции от температуры, содержания углерода'в атмосфере я
прихода азота в усвояемую форму. Принят нелинейный вид фуанциональных зависимостей, т.е. рассматриваются воздействия
1-8
-18 Оольшей величины, чем в модели АРП-1 :
а
г
/,(АГ) - 1 +
ЛГ (1
'
100
1
rj-^
=1+
^IC^ J
rJ-41
L A°J
АГ 1
. •
zr^J
f—^ - ll .
10 LC^
(3.2)
J
ii/ii=
(1 - 7) J^A° + 7
Здесь коэффициенты a, в и 7 выражают зависимость
годичной продукции соответственно от температуры, содержания
COg в атмосфере и прихода азота в усвояемую форму; Т^^ температура, при которой годичная продукция максимальна при
условии постоянства других факторов.
Считаем, что интенсивность отмирания растений
пропорциональна биомассе растений.
Полагаем, что отношение потоков углерода, переходящих
из растений в атмосферу и гумус, постоянно и что постоянно
отношение потоков азота, переходящих из растений в гумус и
усвояемую форлу.
. Считаем, что разложение углерода и азота гумуса
происходит независимо с разными удельными скоростями п
подчиняется закону Вант-Гоффа:
fin Q
1
(3.3)
fIn Q
1
где К z К - удельные скорости разложения углерода и
азота гумуса, а коэффициент Q имеет тот жэ смысл, что и в
модели АРП-1.
Считаем, что при 7 = 0 количество углэрода в системе
- 19АРП постоянно: С^ + Cg + Со - Jf^ = const. Зависимость ДГ от
С, принята такой хв. как в модели АРП-1.
Используя уравнения для потоков, поведение системы АРП
опишем системой четырех
обыкновенных дифференциальных
уравнений.
С помощью аналитического исследования упрощенных
вариантов и вычислительных экспериментов с полной моделью
показано, что при
7 = 0
в широком диапазоне количеств
углерода в системе АРП (от вдвое большего
до вдвое
меньшего) и реальных значениях параметров положения
равновесия системы устойчивы и колебания отсутствуют.
Аналитическое исследование упрощенных вариантов и
вычислительные эксперименты показали, что дополнительный
учет круговорота азота по сравнению с моделью только
круговорота углерода расширяет диапазон возможных значений
параметров ,
при которых система АРП способна поглощать
выбросы
COg
в атмосферу и ослаблять разогревание
атмосферы. Наличие цикла азота способствует усилению
поглощения выбросов СО в атмосферу.
Вычислительные эксперименты показали, что при доста­
точно больших выбросах поглощение СО
системой растения 'почва должно прекратиться. Оценки показывают, что система
растения - почва может поглотить не более 30-50* углерода по
сравнению с современным содержанием.
Можно говорить о существовании' критической величины
• теплового воздействия Е^^, при повышении которой система не
в состоянии скомпенсировать воздействие.
4. ПРОСТРАНСТВЕННО РАСПРВДЕЯПНАЯ МОДЕЛЬ
ГЛОБАЛЬНОГО КРУГОВОРОТА УГЛЕРОДА В СИСТЕМЕ
АТМОСФЕРА-РАСТЫШЯ-ПОЧВА (АРП-3)
Модель разработана для того, чтобы определить послед­
ствия антропогенных воздействий на отдельные экосистемы суши
и- оценить, в какой степени отдельные экосистемы способны
ослаблять результаты антропогенных воздействий.
В модели АРП-3 вся территория планеты разделена на
ячейки размером 5° по "географической долготе на 4° по
1-9
- 20 шфоте. Каждая ячейка суши считается принадлекащей одному из
30 типов растительных формаций в соответствии с класси­
фикацией, принятой в работе Н.И. Базилевич и др.(1968) или
не имещей растительности (Антрактида, часть Гренландии и
др.).
Модель описывается системой обыкновенных дифферен­
циальных уравнений. В каждом участке суши с номером f (1 «=
1,...I) экосистема характеризуется количеством углерода на
единицу площади в биомассе живых растений В
и в rj-Myce
почвы D . Площадь участка обозначим через о . Климат в
данном участке характеризуется среднегодовой температурой
воздуха у поверхности земли Т^ • и количеством осадков за
год Р . Концентрация СО в воздухе считается одинаковой
во всех участках. Количество углерода в атмосфере обозначим
через С. Начальные значехшя В , D , Т^, F^ а О обозначим
через В°, if^ , 7^ , 1^ и С°. . Значения
Т^ и Р^ для
каадого участка суши в зависимости от количества углекислого
газа в атмосфере расчитываются с помощью климатической
модели общей циркуляции атмосферы и океана Щ АН СССР (В.В.
Александров и др, 1983).
Будем считать, что годичная продукция, количество
гумуса в стационарном состоянии и удельная интенсивность
разложения гумуса не зависят явно от типа экосистекш.
Динамику углерода в системе АИ1 опишем следущей
системой уравнений:
- 21 О
B^ = F(T^.P^)
(С
10 L С°
D^ = emjB, - H{T^.P^)D^ .
JJ
^ ^
£= 1
1 .
(4.1)
У ffpcr .р )fi + — f - s - ^11
tf-, U
*
' L
10 L C°
JJ
- (1 - e)m^B^ - H^T^.P^)D^U^] + 7 .
Г
Здесь
a r c
ii
Ф = ?(Г,,Р,)(1 +
\—-pr - к
- годичная
' *I
10 I C°
JJ
продукция на единицу площади растений, т^, е, О - коэф­
фициенты. 7 - антропогенное поступление
углерода от
сжигания топлиз.
При 7 = 0 выполняется:
С +z; (В. + D,)
(=1 ^
'
conet.
Зависимости годичной продукции Р(Г,Р) и количества
гумуса D'^{T,P)
от температуры и осаадков были получены в
табличной форла путем статистической обработки экспе­
риментальных данных.
В модели возможно использовать минимальное количество
результатов измерений для определения начальных значений
переменных и вида функциональных зависимостей. Примем за
начальный момент времени в системе уравнешй начало
индустриального
периода.
Тогда
согласна
гипотезам
справедливы соотношения:
I-IO
- 22m, =
^
(4.2)
Они задают значения коэффициентов ш
при условии, что
известны начальные значения В° и фу1пщия Р(Г,Р),. Будем
считать, что эти соотношения определяют функцию
Н(!Г,Р) =
EF{T,P)/D°{T,P)
Д Л Я любого момента времени.
Также рассматривался модифицированный вариант модели
АРП-3 М. В этом варианте зависимость годичной продукции и
начальных значений фитомассы лесных экосистем умеренной зоны
Северного
полушария
выражалась
уравнениями
линейной
регрессии, полученными на основе статистического анализа
большого количества натурных измерений (около 7(Х) точек).
Зависимость годичной продукции и начальных значений
фитомассы экосистем определена от трех климатических
факторов: температуры, осадков и солнечной радиации.
Модель содержит около 1500 переменных. Она была реали­
зована на ЭВМ. Дифференциальные уравнения интегрировались
м&тодом Эйлера с постоянным шагом. Время расчета динамики-на
100 лет занимает около 30 минут на IBM PC/AT (38S).
На рис. 3 представлена карта годичной продукции,
расчитанная на ЭВМ согласно принятой в модели зависимости F
от среднегодовой температуры и осадков местности при
современных климатических условиях.
Сравнение наблюдавшихся значений годичной продукции в
отдельных точках Земли и расчитанных значений для
соответствупцих участков на принятой здесь • географической
сетке, показало, что различив не превышает тгчности
измерений.
Из рис. 3 видно, что карта адекватно воспроизводит
распределение годичной продукции. Наибольшие ее значения
достигаются во влажных тропических, субтропических лесах
W
-180
•г*
H
•^
-150
-120
-90
-60
-30
I n I. I I I I I 1 1 1 1 .
+4+. . I m i l I I I I .
111. 1111
0
4+
IIIIIIH.
.... 2222.
211.1.1112.... 1-H-H
4
33. 44344333333322222.. 23.. 443... 4.
55
44434444444332... 3
3
55.
4... 44444444a .. 333.
6... 5
6544444444. 4444.
66. 655
6444444444444. 4.
6656
4444455. 5555.
66666
4434466666
54.. 66
433446666
54.... 5
33346667.
4422.
34346. .7.
2111111
344.
111111
54... 6
1111111
667... 5.
2222221
8a
6544443
a 46
7777766
778a
76387
8098a
07
78998897
777
5898807746
7
98008664.
6
56777767.
6
4677767.
4
246777.
33
24677.
2
3466
3466.
345.
733
73
83.
...a
Рис. 3. Компьютерная карта годичной про
1,2
9 означают градации переменной
3: >0.3; 4: >0.5; 5: >0,8; 6: >1,2; 7:
-24 Пашой Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. Наименьшие
значения годичной продукции насЗлидагггся в арктических
пустынях и тундрах Северной Америки и Северо-Восточной Азии,
а также в субтропических.и тропических пустынях Африки.
Рассчитанная на ЭВМ карта количества гумуса адекватно
воспроизводит его распределение на Земле. Максимальные '
значения гумуса наблюдаются в районах, содержащих черноземы.
Сравнение значений годичной продукции, полученных в
основном варианте модели и в модифицированном показало
близкое соответствие данных.
Основной характеристикой способности экосистем погло­
щать излишки COg из атмосферы является изменение общего
количества органического вещества. Показано, что наибольшее
изменение общего органического вещества и соответственно
способность поглощать ' СО
атмосферы в наибольшей степени
свойственна лесным экосистемам умеренных широт Северного
полушария. Второе место в этом отношении занимают леса
тропических широт.
Указанное
обстоятельство
является
еще
одним
подтверждением важной роли лесов в в стабилизации режима COg
атмосферы и климата.
5. МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА УГЛЕРОДА В СИСТМЕ
АТЫОСФЕРА-РАСТШШ-ПОЧВА С УЧЕТОМ ДШСТВИЯ
П Р О Н Ш Ш Ш Ш Х ЗАГРЯЗНЕШЙ (АРП-4)
Исследуем совместное влияние двух главнейших глобальных
антропогенных воздействий на биосферу: выбросов СО^ в ат­
мосферу и антропогенных атмосферных загрязнений.
Рассмотрим модель круговорота углерода в глобальной
системе атмосфера - лесная растительность - почва АРП-4.
Вся территория, занимаемая лесной растительностью,
делится на две части с площадями S^ и Sg. Предполагаем,
что загрязнения действуют только на площадь S^. Они харак­
теризуются одним комплексным показателем Р, измеряющимся в
баллах. Значение Р = О
соответствует отсутствию загряз­
нений, Р = 10 - максимальной наблюдаемой величине за­
грязнений.
- 25 Фазовые переменные
модели следующие: количество
углерода в атмосфере Z^,
в древесине и корнях деревьев
загрязняемой 2^ и незагрязняемой Z
части территории,
оодерхание углерода в гумусе на загрязняемой
Z
и
незагрязняемой Z^ территории. Обозначим через 7^
- поток
углерода из уровня I в уровень J. 2^, 7^, - начальные
значения переменных и потоков соответственно. Единица
времени в модели - 1 год.
Считаем, что в отсутствие выбросов СО2 в атмосферу 7
(7. =« 0) количество углерода в системе постоянно.
В модели учтены , следующие эффекты
воздействия
загрязнений на экосистему: уменьшение годичной продукции
деревьев, уменьшение интенсивности разложения гумуса,
увеличение опада, смыв гумуса в результате нарушения
корневой системы растений под действием
загрязнений,
уменьшение количества питательных весеств в почва.
Лэдичная продукция на загрязняемой и незагрязняемой
территории задается соотношениями:
^12 =
^3 =
1 *з7?з .
-^3 > *3^3 '
где Ф(2)
ф(2) -- функция, отражающая влияние СО^ атмосферы и
температуры на годичную продукцию. В модели рассматриваются
изменения количества
С0_
в атмосфере и температуры
большей, чем в модели ifll-l величины. Здесь возможно
уменьшение годичной продукции при сильном увеличении
значений температуры или количества углерода в атмосфере.
Функция Н^ (Р) имеет вид:
г a-f-P/»"^ - а
1
Я,1 ( Л = mail
, 01 .
J
I-E
- 26гдв а, Ь - коэффициенты.
Функция Ь(2д) имеет вид:
1(Г„) = mai fmlnfl + с|—|- - 1(. 7I.0] ,
где с, 7i (Т > 1) - коэффициенты.
Считается, что интенсивность отмирания древеашы
и
корней пропорциональна биомассе соответствующего органа.
В условиях загрязнения интенсивность разложения гумуса
замедляется, что описывается функцией Я„(Р) = 1 - d„P^.
о
о
Соответствупдий поток имеет вид:
где /„, Q, d_
о
- коэффициенты.
о
Интенсивность разлокения гумуса в естественных условиях
пропорциональна его количеству и зависит от температуры
воздуха.
Влияние загрязнений на динамику гумуса выражается также
в увеличении его смыва. Предполагается, что живые корни
препятствуют эрозии почвы. Смыв почвы определяется
нелинейным образом величиной биомассы живых корней.
Динамика системы описывается пятью обыкновенными
дифференциальными уравнениями с дополнительным условием
постоянства количества углерода в отсутствие выбросов СО, в
атмосферу.
Модель была численно реализована на ЭВМ. Исследовано
действие на систему выбросов СО, в атмосферу и загрязнений.
Для случая воздействия загрязнений принцип Ле-Шателье
можно интерпретировать так: в замкнутой по углероду системе
последствия действия постоянного загрязнения (такие, как
уменьшение годичной продукции, замедление разложения гумуса,
увеличение его смыва) проявляются в меньшей степени, чем в
незамкнутой системе.
Если загрязнения невелики, то все указанные последствия
- 27 проявляются- в меньшей степени, чем в отсутствие замкнутости.
Воздействие частично компенсируется, это связано с тем, что
в результате действия загрязнения увеличивается количество
COg в атмосфере, повышается температура атмосферы. Оба
данных фактора препятствуют уменьшению годичной продукции.
Если загрязнэ1шя более сильные, то принцип Ле-Шателье
не выполняется, происходит усиление воздействия: годичная
• продукция, биомасса растений, количество гумуса становятся
меньше, чем было бы в отсутствие замкнутости системы.' Тагам
образом, при действии загрязнения на систему АРП проявл-.этся
пороговый характер выполнения принципа Ле-Шателье.
Способность системы АРП поглощать часть выбросов С0_
зависит как от количестйа углерода в системе, так и от
величины загрязнений. При этом проявляется пороговый эффект.
Чем больше загрязнения, тем меньше величина, порога.
Чем больше площадь загрязняемой территории, тем при
более низких уровнях Р рассматриваемая система перестает
удовлетворять принципу Ле-Шателье.
6. МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОГО КРУГОВОРОТА УГЛЕРОДА И АЗОТА
В СИСТШЕ АТМООФЕРА-ОКЕАН (АО-1)
Примем разбиение океана на два слоя по глубине:
поверхностный и глубинный, примем глубину поверхностного
слоя 200 м.
Введем обозначения. Через С^ обозначим количество
углерода в атмосфере. Углерод и азот, имеюощеся в поверх­
ностном слое, разделим на углерод и азот, входящий в хивую
биомассу (Cg, ffg), углерод и азот мертвого органического
вещества (MOB) (С,^* ^7^' рэстворенный неорганический углг-хзд
и азот (Cg, Я5). Глубинный слой содержит только MOB (Cg. HQ)
и неорганический углерод и азот (Cg, NQ).
Потоки углерода и азота из уровня £ в уровень J
.обозначим через VC^
и ^ ( , - Начальные значения будем
обозначать С°, У^, VCf^j и ^jПпиход несрггш:ческого азота из системы АРП в верхний слой океана ос5ознз-с2/.
через
7 ; 7
- поступление углерода в атмосфе;;у от
сжигания топлив. Обозначим через ЛГ и АГ
отклснен^сз
- 28 средней глобальной температуры атмосферы и температуры
поверхностного слоя океана от значений в доиндустриальный
период. Будем считать, что система АО находилась в
доиндустриальный период в положении равновесия. Примем это
состояние за начальное состояние модели. Зависимость АГ от
С^ принята такой ке, как в модели АРП-1.
Запишем уравнения потоков. Продуктивность биоты океана
выразим соотношениями
W „ = P.fl + ^ ДГJfl + Т^ f-|- - ill ,
(6.1)
^^56
Считаем, что постоянно отношение количества углерода к
количеству азота в живом веществе
(С./У, = К, = const).
о
о
о
Коэффициенты а и т
вырахаот зависимость продуктивности
от температуры воды и от неорганического азота верхнего
слоя океана, F^ - продуктивность живого вещества океана в
начальный момент времени.
Будем интерпретировать AT как отклонение температуры
поверхностного слоя океана в части акватории, где
сосредоточены основные скопления живого вещества. Можно
считать, что на интересуицих нас отрезках времени LT » ДГ.
Интенсивности разложения углерода и азота MOB
подчиняются закону Вант-Гоффа аналогично 3.3.
Здесь р^, q^ и коэффициенты. Коэффициент Q
имеет
тот же смысл, что и коэффициент Q в моделях АРП-1 и АРП-2.
Значения остальных потоков (за исключением потоков
углерода между атмосферой и океаном) будем считать
пропорциональными количеству вещества в уровне, из которого
поток исходит.
•
•
Перенос 7 ^ углекислого газа через границу атмосфераокеан пропорционален разности парциальных давлений СО, в ат­
мосфере на уровне океана
р и
растворенного СО, в
поверхностном слое океана р ' .
- 29 -
Парциальное давление углекислого газа в атмосфере ла
уровне океана пропорционально общей массе углерода в
атмосфере, причем коэфф!щиент пропорциональности зависит от
температуры.
Используя
уравнение состояния для СО, и то, что
концентрация COgHe меняется с высотой, получим соотношение:
р^ = йд С^ (273 + Гц + ДГ), где Гц - средняя глобальная
те1лпература атмосферы (°С).
Парциальное давление углекислого газа в поверхностном
слое океана пропорционально концентрации растворенного в
воде СО^: Рд = [COgl/a^, где квадратные скобки означают
концентрацию, а^ - коэффициент.
Углекислый газ присутствует в океане как элемент
карбонатной системы. Поэтоад р
мокло рассматривать как
сложную функцию общего количества неорганического углерода в
поверхностном слое океана. Для выражения этой завистюсти
используем методику Килинга (CD. Keeling et al., 1973), при
этом учтем зависимость от температуры.
Учитывая сказанное, динамику системы АО опишем системой
десяти обыкновенных дифференциальных уравнений с допол­
нительным условием постоянства количества углерода в
отсутствие выбросов СО, в атмосферу. Система в начальном
состоянии, находится в положении равновесия (доиндустриальный
период).
Вычислительные эксперименты показали,что выбоосы (Х)^
в атмосферу поглощаются океаном. Принцип Ле-Шателье выпол­
няется' в системе АО. Разовые выбросы СО^ через 2СЮ лет
посла воздействия распределяются следугщим образом: атчо- .
сфера - 57,3% выброса, поверхностный слой - 10,7% , глубин­
ный слой - 32S. Эти данные слабо зависят от величины
выброса.
Показано, что роль биотн оке^ча в поглощении выбросов
С0_ из атмосферы невелика. Она ок: ;ывается более значи­
тельной. .если наряду с выбросом СО^ в атмосферу происходит
увеличение потока неорганического азота в океан с cjiia. Ес^:
- 30 в отсутствие дополнительного притока азота в океан
поглощается 42,7* выброса, то при наличии дополнительного
притока азота, составляицего 100* естественного потока,
этозачение возрастает до 48,2Ж. При этом увеличивается
количество углерода в MOB. В МОЕ может сосредоточиться до
4,2% выброса:
Вычислительные эксперименты показали, что система АО
не способна скомпенсировать разогревание атмосферы. Эффект
воздействия усиливается. Однако рост COg и дополнительное
увеличение температуры атмосферы при тепловом воздействии
сравнительно невелики.
7. ЗОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА УГЛЕРОДА В
СИСТЕМЕ АТМОСФЕРА-ОКЕАН С УЧЕТОМ СЕЗОННОЙ
ДИНАМИКИ (АО-2)
В модели АО-2 Мировой океан мевду 70° с.ш. и 66° ю.ш.
разделен на 14 зон по 10° графической широты.
По гл1'бине океан разделен на три слоя: 1- верхний
квазиоднородный слой (ВКС), 2- термоклин и 3- глубокий
океан. Глубина ВКС изменяется в течение года, причем в
разных зонах ее зависимость от времени различная. Граница
между термоклином и глубоким океаном фиксирована.
Таким образом, всего в океане выделено 42 блока.
Единица времени - 1 месяц.
Выбраны следупцие переманные: С^^. С^, С^ - молярные
концентрации углерода в ВКС, терлоклине и глубоком океане
соответственно, где i (i = 1,...,14) -номер зоны.
Для каждой зоны • выделены следуицие характеристики:
температура воздуха и температура воды на уровне моря,
толщина ВКС. Атмосфера в модели описывается одной переменной
С - содержанием в ней углерода в виде С0_.
Для определения зависимости температуры атмосферы от
содержания в ней углекислого газа были усреднены по
зонам результаты расчетов i проведенных в ВЦ АН СССР на модели
общей циркуляции атмосферы и океана. Изменение температуры
воды на уровне моря при варьировании содержания СО^ в
атмосфере считалось равным изменешш температуры воздуха.
- 31 Значения толщины ВКС для какдой зоны и каждого месяца
вычислялись на основе расчетов А.В. Ганопольского и др.
(1987).
Зададим уравнения потоков углерода. Как и в модели АО-1
примем, что поток углекислого газа через границу атмосфера - •
океан
У^
пропорционален разности парциальных давлений
COg в атмосфере А^ и растворенного в поверхностном слое
воды ffj: Y^ = к(А^ - W^), где k - коэффициент, t - номер
зоны.
В рассматриваемой модели Л, зависит от температуры
атмосферы и определяется так же, как в модели АО-1, причем
расчет делается для каждой зоны в соответствии со значением
температуры этой зоны.
Определение
Jf^ производится так же, как в модели
АО-1: ff
рассчитывается как элемент карбонатной системы
океана с учетом зависимости констант химических реакций от
температуры воды (для какдой зоны отдельно).
В соответствии с Б.А. Каганом и В.А. Рябчиковым (1981)
предполагается, что обмен углеродом между ВКС и термоклином
осуществляется за счет сезонного поднятия и опускания
границы между ними. Потоки углерода из ВКС в термоклин 7^'
и обратно 7j° в каждой зоне описываются следущим образом:
at
^ ^ Ч at
an.
о .
—^.
at
(7.1i
I
0 .
—^>o.
rit
I at
где hAt)
*.'*-»«
- толщина ВКС
i-го блока, зависящая от времени
- 32 (t - 1
U).
Потоки углерода из термоклина в глубокий океан и обратно
продорциональны разности, концентраций углерода в термоклине
и глубоком океане.
Перенос углерода в океане осуществляется также в про­
цессе циркуляции водных масс: в ВКС существует поток воды от
экватора к полюсам, в глубоком океане - обратный поток от
"ПОЛЮСОВ к экватору; между 40° с.ш. и 40° ю.ш. вода медленно
поднимается (апвеллинг), севернее 40° с.ш. и южнее 40° ю.ш.
вода медленно опускается. В модели задается скорость
апвеллинга V , скорости опускания воды V в северном и
южном полушариях определялись из условия неразрывности и из
условия независимости циркуляции воды в Северном и Южном
полушариях.
В результате сезонная динамика содержания углерода в
системе АО описывается системой 43-х нелинейных неавто­
номных обыкновенных дифференциальных уравнений.
Как и в предыдущих моделях, здесь принято, что в от­
сутствие антропогенных поступлений
COg
в. атмосферу
количество углерода в системе постоянно:
2 (Cj + С^ + С^) + С = if = const.
(7.2)
Таким образом, мы имеем задачу Коши. За начальное
состояние
принимается
состояние
в
доантропогешшй
период. Модель была реализована на ЭВМ. Система 43-1
дифференциальных уравнений решалась методом Рунге-Нутта
4-го порядка точности.
Было получено решение системы с условием (7.2), при
V = о , которое с приемлемой точностью можно интерпретировать
как периодическое. Для этого было задано начальное общее
количество углерода в системе М = М и начальные значения
переменных, интегрирование системы уравнений продолжалось до
выхода решения на периодический режим.
Производилось интегрирование , системы при различных
начальных значениях переменных, таких, что для них
выполнялось условие постоянства общего количества углерода в.
системе Ы = )Р. При этом траектории системы выходили на
один и тот же периодический режим. Это позволяет
предположить асимптотическую устойчивость полученного
-33 периодического решения. Увеличение или уменьшение величины
if приводило к изменению значений переменных в периодическом
решении, но не изменяло указанного характера устойчивости.
В указанных вычислительных экспериментах в результате
увеличения if значения переменных в периодическом режиме
становились больше первоначальных, а в результате у>л9ньшенкя
и - значения переменных уменьшались. Обобщая условия
выполнения приншша Ле-Шателье при изменении количества
вещества, можно сделать вывод, что прзшцип Ле-Шателье в
случав изменения количества вещества выполняется для
рассматриваемой системы.
Анализ годового хода переменных показывает, что
сезонная изменчивость углеродного щ ж л а в океане ярче всего
выражена в высоких широтах Северного полушария,что связано с
большой амплитудой сезонных колебаний толщины ВКС и
температуры атмосферы в высоких северных широтах. Это
соответствует данным измерений. Концентрация углерода в
тер.мокл!шв и глубоком океане во всех блоках практически не
подвержена сезонным колебаниям.
Из расчетов видно, что значение концентрации углерода в
океане возрастает от экватора к полюсам на 10Ж,что
соответствует данным измерений.
Рассчеты показывают,что максимум содержания
COg
в
аетлосферо приходится на летние месяцы, а минимум - на
зизлние. Это объясняется влиянием на ход СО^ в атмосфере
сезонной изменчивости количества углерода в ВКС высоких
широт Северного полушария - наиболее сильной изменчивости из
всех зон.
По данным измерений концентрации' COg в атмосфере на
разных станциях (Барроу, "М", Оснабрпк, Мауна Лоа я до.)
максимум наблюдается в январе-мае, а минимум - в авгус-гесентябре. Можно сделать вывод, что обмен СО^ с сушей имеет
большее, чем обмен с океаном, значение в формировашт
.максимума и мини?лумп сезонного хол'' СО^ в атмосфере.
Исследована динамика системы гг'\ мгновенных вибросгх
СО
в атмосферу, соответствупцих 10$ и 50% от дс;кдустриального значения содержания
СО^
в ат?<ос1ере. 3
первые 15 лет после десятипроцентного выброса и 11 лет пост;
-34 пятидесятипроцентного - поглощается половина выброса. Далее
поглощение замедляется.
Анализ зонального распределения углерода, поглощенного
океаном при пятидесятипроцентном мгновенном выбросе, пока­
зывает, что после выброса
в наибольшей степени углерод
поглощается в зоне 30° - 40° как в Северном, так и в Юкном
полушарии, в наименьшей - на экваторе и в высоких широтах.
В случае разогревания'атмосферы принцип Ле-Шателье для
системы АО не выполняется.
В количественном отношении
дополнительное разогревание атмосферы и увеличение кон­
центрации • СО, в ат!лосферв соответствует расчетам на модели
АО-1 и расчетам Э.К. Бютнер (1986).
8. СИНТЕЗ МОДЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ ШИЛОВ ЭЛБМЕНТОВ В
БИОСФЕРЕ. ПРОгаОЗЫ ДИНАМИКИ БИООФЕРНЬИ
ПРОЦЕССОВ
8.1. Модели глобального цикла углерода и азота в сис­
теме атмосфера-растения-почва-океан (АРПО).
На базе моделей АРП-1, АРП-2 и АРП-З были синтезированы
модели глобальных биогеохимических циклов в системе атмо­
сфера - растения - почва - океан (АРПО).
Моделью АРПО-1 глобальных циклов углерода и азота яви­
лось обьединение моделей циклов углерода и азота в системе
АРП (модель АРП-2) и в системе АО (модель АО-1).
Осуществим синтез модели АРПО-2 глобального цикла
углерода в системе АРПО на основе модели АРП-1, а модели
АРПО-3 на основе модели АРП-З. Цикл 00^ в системе АО в обоих
случаях описан моделью Чена (Y.H. Chan et al., 1979). Будем
считать, что в модели АРПО-2 Og = fig = 0.
Общее количество углерода в системе АРПО в отсутствие
антропогенных поступлений считаем постоянным. Считаем, что в
доантропогенный период система АИ10 находилась в полокении
равновесия.
1. Мгновенные выбросы 00^ в атмосферу.
Характерное время поглощения выбросов СО2 в атмосфееру
составляет для моделей АРПО-1 и АРПО-2 20-25 лет в зави­
симости от значений коэффщиентов и мало зависит от величины
- 35 выброса.
Учет азотного цикла в модели АИ10-1 существенно влияет
на распределение углерода между атмосферой, биотой суши и
океаном. Например, при в = 5 и отсутствии зависимости го­
дичной продукции от азотного питания (т = 0) в атмосфере.
океане и биоте суши к концу 2СЮ-летнвго пер^'ода сосредо­
тачивается соответственно 31 Ж,, 28% и 41% выброса, а при
сильной зависимости ( 7 = 1 ) - соответственно 16,6Ж, 17S и
66,4%.
Поглощение СО системой АРП сильно зависит от величины
коэфф;щиента С. В модели AFII0-2 при 0 = 1 и C L = a g = 3
одна система АРП без океана поглощает через 25 лет 7%
выброса, а при 0 = 9 - 4335. При О = 1 и а^ = а^ = 1 через 25
лет суша поглощает 3% выброса, а океан - 22Х.
Таким образом, соотношение поглощения СО^ из атмосферы
сушей и океаном может быть как в пользу суши, так и в пользу
океана в зависимости от коэффициента 0. Коэф^кг'лэнты а_ и
C3L имеют меньшее значение.
2. Тепловые воздействия на атмосферу.
При разогревании атмосферы океан становится источником
СО . Поэтому возмокность поглощения атмосферного COg и
ослабления воздействия может быть обеспечена только за счет
биоты суши. Эксперименты на 3Blf показали, что эта
способность проявляется не при всех значениях параметров.
В случае компенсации данного воздействия увеличивается
количества углерода экосистемах суши и уменьшается - в
океане. Изменение значений переменных невелико, не превышает
нескольких процентов.
8.2.Прогнозы изменения биотических и климатических
параметров.
Калибровка (идентификация параметров) моделей системы
АРПО производилась для каждого сценария воздействий.
Эначения коэффициента О (О и 7 в модели АРПО-1) подбиралось
таким, чтобы с 1860 г. по 195^ г. концентрация СО^ в
атмосфере изменялась в соответствии ч, данными измерений: в
1860 г. - одна точка (результаты радиоизотопного измерения
концентрации СО, в ледовых кернах из Антарктиды), в 1958
- другая точка (прямые измерения). Далее до 1988 г.
- 36 оценивалась
точность
совпадения
теоретических
и
экспериментальных данных
(ежегодные прямые измерения
концентрации), которая составляла около 3 млн~^ или 0,9%.
С помощью модели АРПО-1 получим два прогноза изменения
количества СО в атмосфере. В обоих прогнозах применение
удобрений после 1976 г. задается линейной экстраполяцией
имеющихся данных. .
Поступление 00^ в атмосферу от сжигания топлцв в случае
первого прогноза задано формулой, предложенной Е.П. Борисенковым и И.В. Алтуниным (1983) (умеренный прогноз).В
случае второго прогноза будем считать, что происходит рост
выбросов COg на 3,2% в год после 1976 г. (сильный прогноз).
Первый прогноз заключается в том, что рост содержания
COg в атмосфере по сравнению с 1980 г. будет в 1,08-1,11
раза к 2000 г. и в 1,45-1,54 раза к 2050 г. Температура
атмосферы по сравнению с 1980 г. увеличится к 2000 г. на
0,16-0,21°С, а к 2050 г. - на 0,77-0,89°С.
Второй прогноз заключается в том, что рост содержания
COg в атмосфере по сравнению с 1980 г. будет в 1,09-1,12
раза к 2000 г. и в 2,05-2,08 к 2050 г. Температура по
сравнению с 1980 г. повысится к 2000 г. на 0,17-0,23°С, а к
2050 г. - на 1,44-1,47°С.
8.3. Прогнозы с учетом индустриальных выбросов СО^,
вырубки лесов и эрозии почв.
С помощью модели АРПО-2 рассмотрим последствия индус­
триальных выбросов СО^ в атмосферу (от сжигания ископаемых
органических тошшв), эрозии почв, вырубки лесов. Будем
ориентироваться на оценки Волина (в. Bolin, 1986). В
качестве нижней оценки эрозии почв и вырубки лесов примем
данные К.И. Кобак (1988).
Примем следующий базовый сценарий. С 1860 г. по 1988 г.
происходят индустриальные выбросы COg с интенсивностью V,
после. 1988 г. темпы роста выбросов составляют К^ % в год.
Выбросы COg не могут быть более 2Q Гт С/год. С 1950 г. по
2050 г. идет вырубка лесов. В год уничтожается V^, = const
углерода их биомассы, пропорционально этому уменьньшается их
площадь. Задается сумма эрозии почв и вырубки лесов - в.
Считаем, что с 1860 г. по 1980 г. интенсивность эрозии Vg
- 37 увеличивается линейно, далее до 2050 г. эрозия сохраняется
постоянной. Углерод, вырубленных лесов и ушедший из почвы
поступает в виде СО в атмосферу.
Были проведены машинные расчеты и получены прогнозы при
различных значениях В, V^,, К^. и V^: В = 75-150 Рг С; V^ =
0.8-1,6 Гт С/год; К^ = 1,9-3,2Ж в год, Vg = 1,03-2,08 Гт
С/год в 1980 г.
Наибольшее увеличение количества СО в aт^racфepв к 2050
г.. будет в 2,04 раза, а наименьшее - в 1,61 раза. Эти
значения близки к дву1<! прогнозам на 2050 г., полученным на
модели АРПО-1.
Согласно прогнозам, соответствувдим сценарию Б. Воли­
на, суша, несмотря на вырубку лесов и эрозиг почв, поглощает
углерод в период 1980-2000 гг., но в период 2000-2050 гг.
становится источником COg. Согласно прогнозу по сценарию
К.И. Кобак суша является стоком СО^ до 2050 г.
8.4. Прогнозы с учетом роли стран и регионов в
поглощении выбросов COg.
На основе агрегирования ячеек модели АРПО-З возмохно
выделение большого количества стран на поверхности суши. Для
анализа были выделены следующие страны и регионы: СССР,
Европа (без СССР), Ш А , Канада, тропические леса.
Моделировалась динамика биосферы с 1860 г. по 2000 г.
Был пршшт следупций сценарий. Антропогенное поступление cOg
в атмосферу происходит в результате индустриальных выбро­
сов, вырубки лесов, эрозии почв. С 1981 г. по 2000 г. темпы
роста индустриальных выбросов составляют 3* в год.
Для количественного задания вырубки лесов и эрозии почв
использовались упомянутые оценки Б. Болина. Согласно сцена­
рию в период 1860-1980 гг. от вырубки лесов и эрозии почв в
атмосферу поступило 150 Гт С .
Вырубались только тропические леса в период 1950-2000
гг. с постоянной интенсивностью 1,6 Гт С/год. Величина
вырубки на единицу площади одинакова во всех ячейках. На
освободившихся территориях появляются травяные экосистемы.
Считаем, что эрозии (связанной, превде всего, о
сельскохозяйственным использованием земель) подвергекы
территорий следующих растительных сообществ: cyбтpGПИчecк:^i
- 38леса, ксерофитные редколесья и кустарники, лесостепи, степи,
пампы и травянистые саванны, влажные вечнозеленые и
поременновлакные тропические леса, тропические ксерофитные
редколесья, тропические саванны.
Эрозия начинается в 1860 г. и линейно увеличивается до
2000 г. В период 1860-1980 гг. в результате эрозии почв в
атмосферу поступило 102 Гт С. Величина эрозии на единицу
площади во всех ячейках предполагается одинаковой.
Данные расчетов на ЭВМ представлены в табл. 8.1. Видно,
что на территории всех выбранных стран в 1950-1980 гг. и
1981-2000. гг. происходило поглощение СОр (несмотря на
уменьшение количества гумуса). При этом наибольшее коли­
чество СОр поглощено территорией СССР. Отметим, что
тропические леса в 1950-1980 гг. были источником 00^.
В поглощении СОр разными странами особенно заметна роль
лесных экосистем умеренной зоны Северного полушария. В
1950-1980 гг. и В 1981-2000 гг. леса этой зоны в кавдой из
рассматриваемых стран поглощают больше COg, чем вся
территория соответствущей страны. Это обьясняется тем, что
в других экосистемах этих стран происходит выделение cOg.
Соотношение потоков СОр для выбранных стран и
соответ.ствущих индустриальнных выбросов в 1980 г. Дано в
табл. 8.2. В наилучшем положении в смысле соотношения
1^ыделения и поглощения сОо находится Канада, территория
которой поглотила со, больше, чем выделила индустриальных
.выбросов. Баланс СО, таков, что весь мир в целом и
территории указанных стран поглощают выбросы COj.
Рассмотрим баланс потоков со, в мире в 1980 г. (Гт
С/год): индустриальные выбросы - 5,26; вырубка лесов - 1,60;
эрозия почв - 1,85; поглощение экосистомали с у ш - 4,80;
поглощение океаном - 1,10; остается в атмосфере - 2,81.
Последнее значение составляющей баланса означает, что 53* от
индустриальных выбросов со, остается в аткгасфере. Это
соответствует данным измерена!.
Важно отметить роль увеличения годичной продукхдаи
растительности, связанную с ростом со, в атмосфере.
Согласно расчетам увеличение годичной продукции составило в
период 1860-1980 гг. 18*. Если бы продуктивность не
- 39 Таблица 8.1
Изменение количества углерода
в резервуарах стран и регионов.
Размерность - Гг С/период
Л - период 1950-1980 гг.
1 1
I 1
11 1 CCCF
12 1Европа
1 . 1(без СССР)
13 1США
14 1Канада
15 1Тропические
1 1 леса
16 1 Весь мир
Фитомасса
Гумус
Фитомасса+гумус I
Ь.Ы
3,82
-1,J7
-0,43
4,14
3,39
1
1
4.25
3,31
0.97
-2,ЗБ
-0.58
-8,19
1,85
3.26
-7,22
1
1
1
4.84
1
31.64"
-26.8
Б - период 1931-2000 гг.
i 1
1 1
Фитомасса Гумус Фитомасса+гумус 1
11 1
12 1Европа
СССР)
1 1 (без
А
13 1Ш
14 1Канада
15 1Тропические
леса
1 1 Весь
мир
7,04
4,86
-О.ЬЭ
-0,13
5.45
. 4,73
1
1
5.31
4.27
26.39
-1.58
0.25
-4.97
3,72
4.52
21.45
1
1
1
64.69
-16,09
48.61
1
16 1
Таблица 8 . 2 .
Соотношение потоков двуокиси углерода над территорией
стран и регионов и индустриальных выбросов двуокиси
углерода в атмосферу в 1980 г . Размерность - Гт С/год
Продуктивность Продуктивность йдустри- 1
минус
минус разложение альнне
1
разложение
минус эрозия
выбросы 1
минус выруб;са
<TRENDS'90)I
1 1
1
)
1
1
1
1
1
)
йй№
и 11 Б&ропа
12
1 1 (без ОЗСР)
П 1 США
14 1 Канаде
15 1 Весь 3Cv5b
и,аз
0.21
0.26
0,19
4,80
'
0.24
0,18
О.ЬЭ
0.99
1
1
0.13
0.17
1,51
1.26
0.11
5,26
1
1
1
увеличилась из-за роста COg, то Ситомаоса суши потеряла бы в
1950-1980 г г . 48 Гг С. Суша, начиная с 1860 г . , стала бы
источнике»! COg. Если в Уоде.'З! 0 = С, тс 3i!CTeva АРГС не в
соотоянин поглотить зсе реа.тьно поглощенные ры^рссн ССо
"2-
-40 Расчеты показали значительное ослабление способности
биоты суши поглощать выбросы СОр после 2000 г. В резульате
усиления
антропогенных
воздействий
суша
становится
источником СОо между 2000 г. и 2030 г. Конкретный год, когда
суша становится источником cOg, зависит от параметров
воздействий.
9. ПРОгаОЗЫ ДИНАМИКИ БИОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ НА
ОСНОВЕ АНАЛИЗА БИОГЮХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ
9.1.• Прогнозы гибели растительности в результате
действия ядерной зимы
При анализе возмокных экологических последствий крупно­
масштабной ядерной войны мы исходили из сценария ядерной
войны нурнала А Ш Ю (1982). Для оценки падения температуры и
освещенности при ядерной зиме были использованы результаты
расчетов на модели общей циркуляции ап.!осфвры и океана ВЦ АН
СССР.
Рассмотрим два крайних случая. Первый - когда ядерный
конфликт происходит в июле, второй - в январе.
1. Показано, что в Северном полушарии в связи с быстрым
и сильным уменьшением освещенности растения не успеют
накопить достаточного количества ассимилятов и перехода в
состояние физиологического покоя не произойдет. Последущее
действие отрицательных низких температур в течение более
трех месяцев неизбежно приведет к гибели растений.
Вымерзнут растения, у которых переход в состояние покоя
происходит в связи с наступлением сухого периода. В
тропических влажных лесах освещенность
будет выше
компенсационной , ' но поскольку растения этих лесов .не
обладают способностью переходить в состояние покоя и
закаливаться, то они погибнут от действия низких температур.
В В ш о м полушарии в июле - зиме, в широтной зоне 0-12°
ю.ш. в целом погибнет около 50% растений. В широтной зоне
южнее 12°с.ш. уменьшение температуры и освещенности не
вызовет значимых повреадений растений.
2. В январе растения северной и средней полосы нахо-
- 41 дятся в в состоянии покоя. Поэтому переносимость ими ядерной
зимы,будет определяться величиной морозов.
Для кавдого участка суши, сравнивая обычные температуры
зимой, температуры во время ядерной згалы, соотношение пород
деревьев и используя' данные наблюдений гибели деревьев в
аномальные зимы, моаяо было оценить процент гибели деревьев.
Эта процедура осуществлялась экспертны?л методом. Были
сопоставлены процент гибели растений в обычные зимы,
ооответствупций средним многолетним условиям, и процент
габели pacTeinifl в аномальные зимы с длительными морозами.
Данные о проценте гибели растений под действием морозов
ядерной зимц были получены путем линейной экстраполяции.
В связи с разными значениями температур в обычную зиму
и разным падением температуры при ядерной зиме степень
гибели одних и тех же растений в Европе, Сибири и Северной
Амер5же будет различной. Данные о гибели растений трех
регионов представлены в табл. 9.1. Была разработана
картосхема гибели растительных сообществ.
Таблица 9.1
Гибель растительности в некоторых типах
растительных сообществ (ядерная война
начинается в январе)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
п ш растительности
1 Гибель растительности (*)|
1 Европа (лоирь северная!
1
Берика 1
Арктические пустыни, тундра
|
Лесотундра, северотаехные леса I
Среднетаехные, ютотаежные леса!
Широколиственно-хвойные, широ- 1
колиственные субтропические
I
леса
1
Степи
1
25
25
50
100
ю
10
25
100
25
50
75
100
90
90
90
Переносимость тропической и субтропической расти­
тельностью, а такте растениятш П Е Я О Г О полушария факторов
ядерной зимы будет такой хв, как и в случае, когда ядерный
конфликт произойдет в июле.
1
I
1
I
1
1
1
9.2. Долговрбмо.1лыв
- 42 - •
климатические последствия
зимы
ядерной
Используем прогаозы гибели растительности в результате
ядерной войны для расчетов с помощьв модели ДРПО-1 изменьтхя
атмосферного' COg и средней глобальной температуры поолз
окончания войны.
Основной поток углерода в атмосферу поола войны будет
определяться разложением мертвой органики, погибшей во время
ядерной зимы, а также разложением гумуса. Через 30 лет
количество СО- в атмосфере увеличится в 1,6 раза, а
температура (за счет парникового эф|екта) поднимется на
1,3°С. Затем начнется медленный спад, который будет
продолжаться 100-150 лет. Аналогичные результаты б ш с
получены на модели АРПО-3.
9.3. Цикл метана в биосфер*.'
За год количество метана в атмосфере увеличивается на
1-1,5%, т.е. значительно быстрее, чем двуокиси углерода
Рассмотрим ис1очники метана, связанные с хозяйственной
деятельностью. Рисовке поля, ферментация в кишечнике
домашних животных добыча полезных ископаемых даот около 50Х
выделений метана в атмосферу.
Сделаны расчеты динамики метана в атмосфере на основе
рбыкновенного дифференодального уравнения, в котором учтены
темпы роста антропогенных выбросов метана в атмосферу и
характерное время пребывания метана в атмосфере, из которых
следует, что современный рост концентраоди метана в
атмосфере может быть объяснен хозяйственной деятельностью.
9.4. Глобальная роль болотных гкосистем в биосфере
Болота являются, источником двуокиси углерода и метана
атмосферы - газов, которые определяют парниковый эффект и,
следовательно, в этом отношении болота ответственны за
климат Земли.
Согласно умеренным прогнозам может быть осушено около
-43 20* болот. В результате в атмосферу • поступит 22 Гт углерода
в виде COg. При этом СО^ в атмосфере повысится на 3*. а
температура возрастет на 0,С16°0. Это приведет к
незначительным изменениям климата.
Оценим способность болот поглощать антропогенные
выбросы С0_ в атмосферу. Пусть согласно рассмотренному выше
прогнозу
содержание СО^ в атмосфера вдвое больше
современного. Расчет на модели цикла углерода в системе
атмосфера - болотная растительность - торф показал, что торф
поглотит 22 Гт С атмосферы. Эта величина составляет лишь 3%
современного содержания COg в атмосфере.
Рассмотрим, как изменится выделение метана из болот в
результате потепления климата. Рассчитаем, как изменится
температура на разной глубине некоторого "усредненного"
болота при повышении среднегодовой температуры воздуха.
Воспользуемся уравнением теплопроводности. Запишем граничное
условие на поверхности болота в виде синусоиды, у которой
период соответствует годичному циклу температуры.' В случав
установившихся колебаний решение уравнения записывается в
явном виде.
Пусть согласно прогнозу количество СО2 в атмосфере
удвоилось и амплитуда колебаний температуры на поверхности
болота увеличилась на 2°С. Рассмотрим установившиеся
колебания температуры. Выразим зависимость интенсивности
образования метана от температуры уравнением Вант-Гоф1а.
Показано, что в этом случав наибольшее увеличение выделения
метана из болот составит 7% от исходного значения, и общее
количество выделений метана в атмосферу увеличится на 1,4%.
Это приведет к везначительнсму увеличенш) количества метана
в атмосфере и слабсилу разогреву атмосфер!.
ВЫВОДЫ
1. Разработана концепция моделирования экологических
процессов как создание совврЕвнгтвупцвйся, развиващейся
системы математических моделей.
2. Разработана система математических моделей гло­
бальных биогеохимических циклов углерода и азота в биосфере.
3.Разработаны
точечные модели глобального цикла
-44 углерода, углерода и азота, а также пространственно
распределенная модель цикла углерода в системе атмосфера растения - почва. Разработана точечная модель цикла углерода
и азота, а также зонально распределенная модель цикла
углерода в система атмосфера-океан. Синтезированы модели
циклов углерода и азота* а также углерода в системе
атмосфера - растение - почва - океан.
4. На базе моделей получены долгосрочные прогнозы
изменения концентрации двуокиси углерода в аплосфере,
температуры атмосферы, а также изменения параметров
функциошфования 30 основных типов экосистеми на суше на
географической сетке 4x5° при различных сценариях хозяй­
ственной деятельности.
Рассчитан баланс антропогенного
выделения двуокиси углерода в атмосферу в результата
индустриальных выбросов COg. вырубки лесов, эрозии почв и
биотического поглощения для разных стран и регионов.
5. • Исследована способность биосферы и ее подсистем
ослаблять антропогенны?» воздействия, т.е. отвечать на воз­
действия в соответствии с принципом ЛеЧПателье. Сделана
интерпретация и его форлализахщя для случаев изменения
количества углерода' в биосфере, разогревания атмосферы,
вырубания растительности, действия ат?,10сфврных загрязнений
на экосистемы суши.
6. Показано, что для случаев антропогенных выбросов СО2
в атмосферу и загрязнения экосистем суши принцип Ле-Шательа
в биосфере выполняется до определенного порога, после
достижения которого эффект воздействия начинает усиливаться.
В рамках разработанных моделей показано, что наличие
азотного цикла усиливает способность биосферы компенсировать
антропогенные воздействия. В настоящее время нет данных,
подтверждающих способность биосферы ослаблять тепловие
воздействия на биосферу.
7. Показана глобальная роль лесных экосистем в
поглощении выбросов . СО2 а
атмосферу и в стабилизации
клигиата: они способны быстрее и в большей степени, чем
травяные экосистемы, поглощать антропогенные выбросы COg.
Ьтот р-эзультат не зависит от различия параметров
ф>ыкцио1шройгш11я экосистем.
- 45 8. Сделаны оценки последствий "ядерной зимы": рассчита­
ны гибель и восстановление растительности на планете, полу­
чен прогноз долговременного изменения климата.
9. На основе математических моделей показано, что сов­
ременные темпы роста метана в атмосфере могут Опт;, объяснены
хозяйственной деятельностью. Показано, что болстс; в насто­
ящее время не способны существенно повлиять ::а АИН1:.ПЖУ
двуокиси углерода и метана в атмосфере.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров Г.А., Арманд А.Д., Свирежев Ю.М., Тарко
A.M. и др. Математические модели экосистем. Экологические и
демографические последствия ядерной войны // Под ред.
А.А.Дородницына. - М.: Наука, 1986.- 176 С.
2. Крапивин В.Ф.,
Свирехев D.M.,
Тарко A.M. !<1атематическое моделирование глобальных биосферных процессов. М.: Наука.- 1982. - 272 С.
3. Моисеев Н.Н., Александров В.В., Тарко A.M. Человек
и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с
моделями. - М.: Наука.- 1985..- 272 С.
4. Моисеев Н.Н., Нрашшпн В.Ф., Свирежев С М . , Тарко
A.M. Системный анализ динамических процессов биосферы. На
пути к построению модели динамических процессов в биосфэро
// BecTsi. АН СССР.- 1979.- N 10.- С. 88-104.
5. Новичшшн Е.П., Тарко A.M. Моделирование глобвльпих
биогеохимических циклов углерода в азота в системе
атмосфера-растения-почва // Изв. АН СССР, сер. Еиол.- 1984.Ы 2.- С. 273-281.
G. Свирежев D.H., Крапивин В.Ф., Писаренко Н.Ф., Тарко
A.M., Новохацкий В.Н. О влиянии болотных акосостем на
глобальный климат // Моделирование процессов экологического
развития.- М.: ВНИИСИ.- 1984.- Вып. В.- С. 78-85.
7. Свирежев D.M., Тарко А.Ы. Моделирование глобального
Оиогеохимического цикла углерода // В зтн. АН СССР.- 1979»N 12.- с. 95-109.
8.
Тарко А.Ы. Глобальная роль системы атмосферарастекия-почва в компенсации воздействий на биосферу // ДАН
- 46 СССР.- 1Э77.- Т. 237.- N 1.- С. 234-237.
9. Тарко A.M. Устойчивость наземных экосистем и задача
оптимального использования природных ресурсов // Пакеты
прикладных программ для решения задач исследований операций.
- Киев: Знание.- 1977.- С. 33-38.
10. Тарко А.Ы. Модели глобальных биогеохимических
циклов углерода и .азота // Доклады М О Ш . Общая биология.М.: Наука.- 1980.- С. 94-96.
11. Тарко A.M.'Математическое моделирование глобального
биогеохимического цикла углерода // Математические модели в
экологии и генетике.- М.: Наука.- 1981.- С. 75-89.
12. Тарко A.M. Моделирование глобальных биосферных
процессов в система атмосфера-растения-почва // Динамическое
моделирование в агрометеорологии. Под ред. Ю.А.Хваленского.
- Л.: Гидрометеоиздат.- 1982.- С. 8-16.
13. Тарко A.M., Богатырев Б.Г., Кириленко А.П.,
Коновалова Б.И., Писаренко Н.Ф., Удалкина М.В. Моделирование
глобального цикла двуокиси углерода.- М.: ВЦ АН СССР.1988.- 43 С. .
14. Тарко A.M.. Богатырев Б.Г., Кириленко А.П.,
Удалкива М.В. Моделирование глобальных и региональных
изменений цикла углерода в биосфере. - М.: ВЦ АН СССР.1989.- 40 С.
15. Тарко A.M., Ведшкин Н.Ф., Писаренко Н.Ф.,
Татаринов Ф.А. Моделирование воздействия промышленных
•загрязнений на лесные экосистемы. - ВЦ АН СССР.- 1987.-19 С.
16. Удалкина М.В., Базилевич Н.И., Богатырев Б.Г.,
Кириленко А.П., Тарко A.M. Исследование продукционного
процесса лесных экосистем умеренной зоны Северного полушария
на основа базы данных // Проблемы экологического мониторинга
и моделирования экосистем. Л.: Гидрометеоиздат.- 1988. - Т.
11.- С. 80-89.
17. Moieeev N.H., Aletaandrov Y.V., Krapivin V.P.,
Lotov A.v., Svirealxev Yu.M., Tarko'A.M. Global nradelB, the
bioBpherio approach; Theory of the Nooephere. - IIASA.1983.- СР-83-ЭЗ.- 50 pp.
18. Parkhomenko V.P., Tarko A.M., Bogatyrev B.C.,
Kirilenko A.P. Modelling of the global and regional olimatio
- 47 and blospherlo ргооееввев.- Moeoow: Computer Center, USSR
Aoad. Sol. - 1990.- 34 pp.
19. Svirezhev, Yu.II., Krapivln, V.P., and Tarko, A.M.
Modelling of the main bioepherio oyoles // Global Changes.
Ed. by T.P. Malone, J.G. Roderer.- 1985.- pp. 171-186.
20. Svirezhev Yu.M., Tarko A.M. The global role of the
biosphere in attabilization of atmospherio
CO2
and
temperature // Carbon cyole modelling. SCOPE 16.- N.V.:
«llley.- 1981.- pp. 355-364.
21. Tarko A.M. Impact of global COo-induoed warming
on agriculture and forests // Les Dilemmes du reohauffement
de la terre.- Conference Internationale.- Deauville: Inst.
de la Tie.- 12-16 November, 1990.