Котляков В.М. Итоги Международного полярного года и

ИТОГИ МЕЖДУНАРОДНОГО ПОЛЯРНОГО ГОДА
И ПРОБЛЕМА ИЗМЕНЕНИЙ ОЛЕДЕНЕНИЯ В АРКТИКЕ
Академик Котляков Владимир Михайлович
Руководитель секции океанологии, физики атмосферы и
географии Отделения наук о Земле РАН, председатель
Научного совета РАН по изучению Арктики и Антарктики,
директор Института географии РАН, г. Москва
Опыт проведения крупнейших международных проектов возник еще в
конце XIX века. В 1882–1883 гг. состоялся Первый международный полярный
год, а спустя 50 лет – Второй международный полярный год. В обеих глобальных программах Россия, а затем Советский Союз принимали самое активное
участие. Несколько метеорологических станций было тогда открыто в Арктике.
Основная цель участия России в проведении Международного полярного
года 2007–2008 состояла в получении новых знаний о гидрометеорологических и
геофизических процессах в Российской Арктике и в Антарктиде на основе
значительного увеличения объема синхронизированных, скоординированных и
методически согласованных гидрометеорологических и геофизических
наблюдений, оценок и прогнозов состояния природной среды полярных
регионов в условиях меняющегося климата. Международный комитет по
проведению МПГ отобрал более 200 кластерных проектов, объединяющих
реально более 1000 заявок, поступивших из 52 стран. Были выполнены
скоординированные наблюдения в Арктике и в Антарктике с использованием
современных систем мониторинга, проведены специальные эксперименты на
наземных станциях и морских судах с применением автономных средств
наблюдений и космического зондирования.
В 2007 г. в России было организовано и проведено 87 морских и сухопутных экспедиций, в 2008 г. – 72. Многие экспедиции проходили с участием
зарубежных ученых. Основные экспедиционные работы проведены в Северном
Ледовитом океане, где работали дрейфующие станции «Северный полюс-35» и
«Северный полюс-36», французская яхта «Тара», российские научно-экспедиционные суда «Академик Федоров» и «Михаил Сомов», научно-исследовательские суда «Академик Буйницкий», «Академик Мстислав Келдыш»,
«Фритьоф Нансен», «Иван Петров», «Север», ледокол «Капитан Драницын»,
германский научно-исследовательский ледокол «Polarstern», шведский ледокол
«Oden», американские ледоколы «Healy» и «Amundsen», польское научноисследовательское судно «Oceania» и норвежское – «Yan Mayen» и др.
8
2 августа 2007 г. глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2»,
базировавшиеся на борту НЭС «Академик Федоров», впервые в истории
полярных исследований совершили погружение на Северном полюсе и
установили там Государственный флаг Российской Федерации. В составе
некоторых российских экспедиций работали американские, канадские,
норвежские, шведские, германские, французские, польские, китайские, японские
ученые.
В Российской академии наук, начиная с 2005 г. (еще в период подготовки к
Международному полярному году) несколько институтов работали по двум
академическим программам фундаментальных исследований: «Природные
процессы в полярных областях Земли и их вероятное развитие в ближайшие
десятилетия» (программа президиума РАН) и «История формирования бассейна
Северного Ледовитого океана и режим современных природных процессов
Арктики» (программа Отделения наук о Земле РАН). В 2007–2008 гг. выполнен
широкий комплекс натурных исследований. Тематика работ включала комплексные исследования состояния природной среды, климата и палеоклимата
полярных областей, атмосферы, морской среды, криосферы, литосферы,
околоземного космического пространства, а также экосистем полярных
областей.
Например, по направлению исследований, названному «Почвы, криосфера
суши полярных областей, оледенение и вечная мерзлота» в Российской
Федерации работало 10 организаций РАН, два института Росгидромета и одно
учреждение Минобрнауки. Выполнено 24 национальных проекта в Арктике, три
проекта в Антарктике и два биполярных проекта. Российские ученые приняли
участие в 25 международных проектах по этому направлению.
Обширные исследования были посвящены выяснению закономерностей
выпадения и залегания снежного покрова на территории нашей страны. Важный
результат заключается в том, что в современную эпоху потепления климата
количество выпадающего снега на значительной части территории России
возросло. Вместе с тем снеготаяние сдвинулось на ранние даты и происходит
интенсивнее, и это приводит к более бурному таянию снега и частым
наводнениям.
Много внимания уделялось исследованию многолетней мерзлоты.
Выполнены комплексные исследования реакции криолитозоны на изменения
климата. Установлено, что изменения вечной мерзлоты за последние 30 лет не
носили катастрофического характера и быстрой деградации мерзлоты в
ближайшие десятилетия не ожидается.
На побережьях северных морей происходит быстрое разрушение морских
берегов. Например, на побережье Карского моря разрушению подвержена 1/5
его берегов. Скорости термоабразии и термоденудации морских берегов
значительно выросли с 2000 г. из-за роста летних температур, увеличения
толщины сезонноталого слоя на береговых склонах и усиления осенних штормов. Средние скорости разрушения берегов морей Восточной Сибири составляют около 0,3 м/год, а скорости отступания льдистых берегов в море Лаптевых
превышают 1,9, в Восточно-Сибирском море – 1,6 м/год. Все это приводит
9
Рис. 1. Изменение температуры на земном шаре за последние 150 лет:
а – Северное полушарие, б – Южное полушарие, в – земной шар в целом
к тому, что на берегах восточносибирских морей площадь суши ежегодно
уменьшается на 10 км2 в год, а в целом на берегах арктических морей наша
страна ежегодно теряет до 30 км2 своей территории.
Рассмотрим в этой связи проблему текущих и будущих изменений
оледенения Арктики. В последнее время наша планета действительно переживает эпоху глобального потепления. Эта эпоха началась около 150 лет назад,
сменив так называемый «малый ледниковый период», т.е. период похолодания,
достигший своего максимума где-то в середине XIX века (рис. 1).
10
Рост глобальной температуры воздуха в последнее столетие составил чуть
больше 0,7 оС. Однако за последние 30 лет этот рост усилился, особенно резко –
над континентальными районами Евразии и Северной Америки и больше всего –
в Арктике.
В тот же период отмечено повышение уровня Мирового океана.
Реконструкции положения этого уровня в конце XIX – начале XX веков, а затем
береговые измерения и, наконец, глобальная спутниковая альтиметрия свидетельствуют о росте уровня Мирового океана на 1,7 мм в год в ХХ веке, однако в
последние десятилетия повышение уровня моря усилилось и достигло сейчас
3 мм в год. Причины этого, очевидно, связаны с повышением температуры,
которое, с одной стороны, ведет к расширению теплеющей поверхностной
толщи океана, а с другой – вызывается таянием ледников и тем самым
увеличением прироста воды в океане.
Объяснение этому потеплению ищут в антропогенном воздействии на
глобальный климат, прежде всего во влиянии парниковых газов на повышение
температуры (рис. 2). В последние десятилетия особенно популярно создание
моделей взаимодействия атмосферы, океана и суши, которых насчитываются
уже десятки. Такое моделирование учитывает многие факторы, определяющие
тепловой режим планеты и, в частности, крупные вулканические извержения,
которые на графике отмечены вертикальными линиями; они приводят к
краткосрочным понижениям глобальной температуры. Модельеры утверждают,
что если в модели учитываются лишь естественные факторы, то результаты
расчетов, как это видно на рис. 2,а, не соответствуют наблюдавшемуся ходу
температуры. А если моделирование ведется с учетом антропогенных воздействий (рис. 2,б), то результаты расчетов вполне соответствуют естественному
ходу температуры.
Однако глобальный ход температуры гораздо сложнее в сравнении,
например, с ростом мирового потребления топлива. Очевидно, что мы еще
далеки от понимания всех естественных процессов, которые определяют работу
сложнейшей земной системы и должны быть положены в основу моделирования
прошлых и будущих климатических изменений.
В изменении земной температуры очевидна огромная роль потока
солнечной энергии. На территории севернее 62о с.ш. ход изменений потока
солнечной энергии и средних годовых аномалий температуры воздуха очень
близки, в то время как прямой корреляции с содержанием диоксида углерода не
обнаружено. В самом первом приближении можно сказать, что вклад энергии
Солнца в дисперсию температуры воздуха может составлять 83,5 %, а диоксида
углерода – лишь 2,4 %.
Особенно сильно влияние происходящего в наше время глобального
потепления на природные процессы в Арктической области. Среди угроз
глобального потепления в текущем столетии можно назвать: интенсивное таяние
снежного покрова, морских льдов и ледников, повышение уровня моря и
затопление низменностей, увеличение стока рек и наводнения, протаивание и
разрушение многолетнемерзлых пород, перемещение в сторону полюсов
природных зон и границы леса, изменение условий существования биоты и как
следствие многих природных процессов, ухудшение условий жизни людей.
11
Рис. 2. Моделирование изменений температуры:
а – с учетом только естественных колебаний; б – с учетом антропогенных воздействий.
Вертикальные линии – извержения вулканов Санта-Мария, Агунг, Эль Чичон, Пинатубо
12
Рис. 3. Изменения средних годовых аномалий температуры воздуха в зоне севернее
62о с.ш. и в Северном полушарии (а) и аномалии среднегодовой температуры воздуха
в широтной зоне 70–85о с.ш. за 1900–2007 гг. и их 60-летняя составляющая (б)
Изменение температуры воздуха в северных широтах происходит гораздо
резче, чем в целом в Северном полушарии. Это общий закон природы, до конца
не объясненный (рис. 3, а). Если мы осредним многолетний ход аномалий
среднегодовых температур воздуха в широтной зоне к северу от 70о с.ш.,
то увидим в этой кривой 60-летнюю составляющую (рис. 3, б).
Происходящее потепление самым серьезным образом влияет на состояние
многолетнего ледяного покрова в Северном Ледовитом океане. Еще недавно
тяжелые льды серьезно осложняли судоходство по Северному морскому пути, а
Северо-Западный проход в Канадском Арктическом архипелаге был
13
практически непроходим. В наши дни льды сплоченностью более 7 баллов
сохраняются лишь в приполюсном районе и на севере Канадского архипелага.
Общая площадь ледяного покрова за последние 20 лет неуклонно сокращается.
Сезонный ход ледовитости в Северной полярной области подобен в течение
всех лет наблюдений, однако два последних года (2007–2008 гг.) кромка льда в
течение почти всех месяцев занимает наиболее северное положение.
Зафиксировано уменьшение площади многолетних льдов Арктики за последние
10 лет примерно на 40 %. При этом средняя толщина морских льдов в октябре,
по данным спутниковой лазерной альтиметрии, начиная с 2004 г. уменьшилась
с 2 до 1,4 м, их площадь сократилась на 26 %, а объем – на 50 %.
Однако если суммарная площадь морских льдов в морях Северного
Ледовитого океана демонстрирует регулярные отклонения этой величины от
линейных трендов, то в западном секторе Арктики, где сильно влияние
Гольфстрима, эти колебания носят более резкий характер по сравнению с
восточным сектором. В районе моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и
Чукотского морей изменения происходят гораздо более плавно. Соответственно,
в этих секторах различаются и линейные тренды: довольно резкое уменьшение
площади льда характерно для Гренландского, Баренцева и Карского морей,
а в восточных морях эта тенденция очень слабая.
Если сравнить состояние льдов Северного Ледовитого океана в первую и
вторую половины ХХ века, то в обоих секторах видны существенные различия.
В первой половине ХХ века площадь морских льдов в западных морях
уменьшалась довольно быстро, а в восточной, наоборот, даже несколько
возрастала, тогда как во второй половине ХХ века для обеих частей Северного
Ледовитого океана характерна одинаковая тенденция – сокращение площади
льда, для западных морей гораздо более медленное, чем в начале века.
Таким образом, климатические изменения ледяного покрова арктических
морей в XX веке имели отрицательный линейный тренд, и на этом фоне
происходили циклические колебания продолжительностью около 60, 20 и 10 лет.
В ходе анализа температуры обнаружен сверхвековой цикл продолжительностью около 200 лет, создающий тренд изменений климата. Характерно
уменьшение трендов и амплитуд циклов с удалением от Арктики и их
возрастание над континентами.
Основные черты климатических изменений связаны с колебаниями общей
циркуляции атмосферы, которые зависят от состояния полярного вихря. В эпохи
потепления полярный вихрь углубляется, что ведет к ослаблению арктического
антициклона и усилению зонального потока в атмосфере умеренных широт.
В эпохи похолодания отмечаются противоположные изменения. Эти особенности циркуляции атмосферы объясняются вариациями солнечной активности и
«диссимметрией Солнца», которая может изменяться с периодом около 60 лет
в пределах 2,5 % и оказывать большее влияние в высокоширотных областях, а
также автоколебаниями в системе «атмосфера–лед–океан» и влиянием аэрозолей
и парниковых газов антропогенного происхождения. Но решающая роль
принадлежит все-таки естественным причинам.
В последние годы в разных странах и учреждениях составлены модели
изменения ледовитости на XXI век. Практически все они дают разное, но
14
Рис. 4. Изменение площади распространения арктических морских льдов в сентябре
в XX и XXI вв. по разным данным и моделям.
неизменное уменьшение ледовитости, причем даже в меньшей степени, чем
наблюдающееся в действительности сокращение льдов. На рис. 4 показано
изменение состояния льдов для сентября по разным моделям до 2100 г., а
коричневая линия дает реальные наблюдавшиеся изменения до 2008 г. включительно. Резкие изменения ледовитости определяются не только температурой
воздуха, важными факторами служат сама толщина льда, изменения в
поступлении теплых вод в Арктику, положительные обратные связи с альбедо
поверхности.
На фоне глобального потепления за последние полтора столетия хорошо
видны внутривековые периоды похолодания в 1910–1920-х и 1960–1970-х гг.
прошлого века, которые своим происхождением, очевидно, обязаны
цикличности природных процессов и в первую очередь, 60-летнему циклу.
В настоящее время арктические ледники и ледниковые купола на
высокоширотных арктических архипелагах занимают площадь почти 250 тыс.
км2, в том числе более 150 тыс. км2 в Канадском Арктическом архипелаге,
36 тыс. км2 на Шпицбергене и более 55 тыс. км2 на трех архипелагах,
принадлежащих России. Однако основные массы льда находятся в Гренландии,
где ледниковый покров занимает площадь более 1,7 млн км2, и, кроме того,
отдельные ледники и ледниковые купола покрывают еще около 50 тыс. км2.
В целом в Арктике находятся огромные массы льда на площади более 2 млн км2.
В исследованиях Гренландии сейчас применяются совершенно новые
высокотехнологические дистанционные методы: радарная альтиметрия со
спутника ERS, спутниковая гравиметрия со спутника GRACE и дистанционная
15
лазерная альтиметрия со спутника ICEsat. Первые результаты этих исследований
за 10 лет уже опубликованы и сильно различаются. Уместно отметить, что в
настоящее время происходит активное внедрение принципиально новых
методов, и кажется, что они приносят реальный прорыв и позволяют решить до
сих пор не решенные проблемы. На самом деле мы находимся в самом начале
пути и получаем совершенно новые, еще недостаточно апробированные данные,
которые, вероятно, далеки от реальных. Во всяком случае, для десятилетнего
периода наблюдений в конце прошлого века полученные результаты дают даже
разный знак изменений масс льда: от прироста в 75 км3/год до потери в
70 км3/год.
Спутниковые изображения в разных диапазонах волн позволяют определить области ледникового покрова, где летом происходит таяние. За последние
годы область таяния на Гренландском ледниковом покрове неуклонно
расширяется, за четверть века прирост этой площади составил 54 %.
Наши наблюдения свидетельствуют об уменьшении толщины выводных
ледников Новой Земли. За вторую половину ХХ века, со времени
Международного геофизического года, когда мы вели здесь детальные
исследования, ледники стали на 30–100 м тоньше. Если это полустолетие
поделить на три периода, то оказывается, что в 70-е и 80-е годы ледники
отступали медленнее, чем в предыдущие 50-е и 60-е годы и последующие 90-е
годы и в наше время (см. таблицу). Это вполне соответствует глобальному ходу
температуры, отличающемуся похолоданием 1960–1970-х гг.
Ледники Российской Арктики за последние 50 лет сократились как
минимум на 725 км2, в том числе на Земле Франца-Иосифа на 375 км2, на Новой
Земле на 284 км2 и на Северной Земле на 65 км2. Это равно убыли всей площади
оледенения на 1,3 %.
Современное состояние оледенения определяется балансом массы
ледников. Поверхностный баланс массы, т. е. разность между приходом и
расходом льда на поверхности, в полярных ледниках еще недавно был
положительным, происходил прирост массы, а потери шли за счет откалывания
айсбергов. С 1960-х до середины 1990-х гг. баланс массы ледников был выше
его средних многолетних значений; перелом в сторону более низких величин
начался в Арктике в 1997 г., причем в отдельных районах начиная с 1992 г.,
а в некоторых – с 2000 г.
Таким образом, в целом баланс массы наземного оледенения Арктики
сейчас отрицателен. Трудно сказать окончательно, насколько типичны и,
Изменение оледенения на островах Российской Арктики за 1952–2001 гг.
Показатель
1952–1973 гг.
1973–1988 гг.
1988–2001 гг.
Изменение площади ледников, км2
–133
–67
–84,2
Изменение объема ледников, км3
–70,4
–35,4
–44,5
Скорость изменения площади, км2/год
–6,3
–4,5
–6,5
Скорость изменения объема, км3/год
–3,4
–2,4
–3,4
16
главное, долговременны обнаруженные балансовые и динамические изменения
баланса массы полярных ледниковых покровов, поскольку период инструментальных наблюдений за ними охватывает всего несколько лет. Тем не менее есть
все больше свидетельств тому, что ледниковые покровы динамически гораздо
более изменчивы, чем это считалось ранее.
Ледники, находящиеся не на арктических островах, а в прилегающей части
континента, также отступают. Под нашим наблюдением вот уже более полувека
находятся ледники Полярного Урала. Они продолжают отступать, но, несмотря
на свои малые размеры, сохраняются. Однако если их деградация продолжится
современными темпами, не исключено, что они могут исчезнуть уже через 20–
30 лет.
Изменения климата Земли в ХХ в. происходили в основном под влиянием
естественных причин. Изменение концентрации парниковых газов в атмосфере
не всегда согласуется с изменениями климата. Климатические изменения имеют
полициклический характер; периоды его основных внутривековых компонент
составляют приблизительно 10, 20 и 60 лет. Один из недостатков объединенных
моделей атмосферы и океана, используемых для анализа и прогноза климатических изменений, заключается в том, что для верификации отклика на
антропогенное воздействие в моделях используются данные, характеризующие в
основном естественные изменения за короткий период, которые прямо не
связаны с влиянием парниковых газов. Поэтому сценарии изменения температуры воздуха в XXI веке порой расходятся почти на порядок.
Если теперь обратить внимание на голоцен, то оказывается, самый теплый
пик уже пройден – это был так называемый «климатический оптимум голоцена»,
случившийся 5–6 тыс. лет назад. После этого глобальная температура продолжала снижаться, и современная эпоха находится на нисходящем отрезке кривой.
Конечно, действительный ход температуры представляет собой сочетание
циклов самой разной амплитуды и продолжительности. Например, в
последнее тысячелетие (рис. 5) самая теплая предыдущая эпоха приходится на
Рис. 5. Осредненные по разным реконструкциям величины аномалий среднегодовой температуры воздуха Северного полушария (а) и чисел Вольфа (N) за последние 1200 лет (б)
17
Рис. 6. Цикличность
природных явлений:
а – колебания ледников Альп в ХХ в.;
б – изменения температуры и
содержания парниковых газов
по данным ледяного керна
из глубокой скважины
на станции Восток
за два климатических цикла
X – XI века н.э., когда викинги плавали далеко на Север и открыли Гренландию.
Затем, в XVI и XVII веках, была холодная эпоха, хорошо заметная в истории
Европы и ярко отраженная в русских летописях. Это время называется «малым
ледниковым периодом». В Европе были холодные зимы, и на картинах
фламандских мастеров этого времени всегда видны замерзшие каналы и люди,
катающиеся на коньках.
18
Таким образом, один из главных законов природы – это цикличность ее
развития. Внутривековые циклы ХХ столетия ярко видны на примере колебаний
хорошо изученных ледников в Альпах (рис. 6, а). Природные циклы имеют
разную природу и продолжительность – от сезонных до 100-тысячелетних
(рис. 6, б).
Причины их также различны и до конца не известны. Поэтому популярные
ныне климатические модели имеют значительный разброс, и грядущий климат
прогнозируется с большой долей вероятности.
Подчеркну, что весь современный уклад жизни людей на Земле (инфраструктура, экономика, сельское хозяйство) таков, что любые климатические
изменения (глобальные или региональные потепления, похолодания, увлажнения, иссушения и др.) могут быть для него неблагоприятны, поскольку весь этот
уклад сложился и бурно развивался в очень узкий промежуток времени –
последнее столетие, и тем самым приспособлен только к очень узким
географическим рамкам.
Мы должны строить свои планы, в том числе хозяйственные, принимая во
внимание происходящее потепление, но также мы должны быть готовы и к
иным климатическим переменам, потому что земная система по-прежнему
живет по своим естественным законам, которые антропогенное воздействие
пока, к счастью, не может разрушить.
Первые итоги завершившегося Международного полярного года будут
подведены в самое ближайшее время. Но уже сейчас широко обсуждается идея
организации Международного полярного десятилетия с исследованиями по
широкой научной программе.
19