Кухарский А.В.,
Люшвин П.В.
Фитогенные аномалии температуры поверхностных вод
Аннотация
В кругообороте углекислого газа, связанного с
фотосинтезом, имеется энергетическая составляющая, связанная с синтезом и
деструкцией глюкозы, преобразованием солнечной энергии в химическую и обратно. Эта
энергия, в условиях, нескомпенсированных изменений синтеза и деструкции глюкозы,
способствует образованию фитогенных температурных аномалий в поверхностных
водах Тихого океана. В приводном воздухе повсеместно год от года стабильно
увеличиваются концентрации углекислого газа. В воде концентрации более изменчивы
в пространстве и времени, но в целом также растут. В районах активной
сейсмической деятельности межгодовой прирост концентраций углекислого газа в
воде в разы превышает атмосферный.
Ключевые слова: углекислый газ,
фотосинтез, хлорофилл, глюкоза, энергия, аномалии температуры воды.
Введение
В годовом ходе концентраций
углекислого газа в приводной атмосфере и в поверхностной воде северо-западной
части Тихого океана имеются существенные различия [1]. В воздухе минимумы
концентраций приурочены к августу - октябрю, в воде - к апрелю-июню (рис.1).
Обусловлено это массовым использованием углерода при фотосинтезе, сопровождающимся
преобразованием солнечной энергии в химическую и обратно, а также особенностями
радиационных, динамических и трофических процессов в средах. Упрощенные
уравнения фотосинтеза, с аккумулируемой при синтезе глюкозы и выделяемой при её
деструкции энергии, имеют вид:
6СО2
+ 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 -
2815,8 кДж, (1).
С6Н12О6 +
6О2 = 6СО2 + 6Н2О +2815,8 кДж. (2)
Локальные вегетационогенные
снижения концентрации СО2 в атмосфере быстро перемешиваются.
Устойчивые снижения концентраций образуются, когда массовая вегетация охватывает
континенты и океаны. В водной среде вегетационные минимумы углекислого газа наблюдаются
там, где увеличивается разница между синтезом и деструкцией глюкозы. Напротив,
при некомпенсированном увеличении объемов деструкции, идет повышенный возврат
углекислого газа в среду.
Рис.1. Внутригодовой ход концентраций
углекислого газа в северо-западной части Тихого океана в приводной атмосфере (а)
и в поверхностной воде (б).
Межгодовые и площадные тренды концентраций
углекислого газа
В приводном воздухе северо-западной части
Тихого океана повсеместно с конца 60-х годов ХХ века наблюдается увеличение
концентраций углекислого газа. Величина прироста (тренда) составляет ≈0,4%
в год (рис.2). Отклонения фактических данных от тренда редко превосходят 3%. В
воде тренд СО2 в целом также положителен, но имеет большую временную
и региональную изменчивость. Рост отклонений от трендов максимален в зонах
повышенной первичной продуктивности. Для выявления причин различий межгодовых
трендов в средах были привлечены сейсмические данные [2]. Оказалось, что в сейсмоспокойных
акваториях величины трендов в воде в целом идентичны атмосферным. Вне
прибрежных акваторий отклонения текущих концентраций от трендовых редко
превосходят 5%. Акватории, где величины трендов СО2 в воде в разы превышают
атмосферные, - сейсмоактивны. В этих водах отклонения концентраций от трендовых
часто превышают 5%. Исходя из того, что с конца 60-х годов ХХ века ежегодный
тренд числа землетрясений в северо-западной части Тихого океана составляет
6÷7%, а их суммарной энергии >2% в год, следует, что одним из стоков
углекислого газа в атмо- и гидросферу является сейсмодегазация Земли.
Рис.2. Временной ход концентраций СО2
в воздухе (а) и воде (б) по данным измерений в 10-и градусных
квадратах северо-западной части Тихого океана и соответствующие линейные тренды
с уравнениями регрессии. Величина коэффициента линейного тренда концентраций СО2
(в). Эпицентры землетрясений с
магнитудами свыше 4,5 (г).
Фитогенные аномалии температуры воды
Величина
синтеза первичной продукции в фотическом слое Тихого океана достигает ≈1
гС/м3 и более [3,4]. Нескомпенсированные из-за радиационных,
динамических или трофических причин изменения синтеза глюкозы, по сравнению с
её деструкцией способствуют образованию дефицита (излишек) углекислого газа и
тепла. При массовой вегетации это порой приводит к взаимообусловленным вариациям
температуры и содержания СО2 в воде. Аномалии концентраций
углекислого газа достигают 70% (200 ррм), ТПВ – 3ºС (рис.3,4).
Рис.3. Ночные аномалии
ТПВ в японском регионе 4 мая 1999 г. [5], маршрут судна, эллипсами оконтурены
отрицательные аномалии температуры (а).
ТПВ и концентрация углекислого газа во время рейса (б). Концентрация хлорофилла 2 мая 1999 г. [6] (в).
Рис.4. Ночные
аномалии ТПВ 13 мая 2000 г., маршрут судна дан серыми линиями (указан черной стрелкой)
[5] (а). Судовые измерения ТПВ и
концентрации СО2 (б).
Аномалии концентраций СО2 и ТПВ 12 - 16 мая 2000 г. (в), те же аномалии с 10 до 20 час. GMT (г).
В
тропических широтах во время зимнего муссона с ноября по февраль также
наблюдаются устойчивые связи между температурой воды и содержанием углекислого
газа. В воде рост температуры – увеличение СО2, в воздухе ситуация
обратная (рис.5).
Рис.5.
Соотношения между температурой воды и концентрациями СО2 в воде (а) и в воздухе (б), а также зависимости между последними (в) с соответствующими трендами и уравнениями регрессии между этими
характеристиками.
Выводы
1.
Межгодовой тренд концентраций углекислого газа в приводной атмосфере и поверхностной
воде северо-западной части Тихого океана во многом связан с активизацией
региональной сейсмической деятельности.
2.
Различия внутри годовых трендов концентраций СО2 в воздухе и воде
обусловлены особенностями вегетационных, радиационных, динамических и трофических процессов в средах.
3. Нескомпенсированные изменения синтеза и деструкции
глюкозы в воде, способствуют образованию фитогенных температурных аномалий в
поверхностных водах Тихого океана.
Литература
1. http://gaw.kishou.go.jp/wdcgg/
2. http://www.ncedc.org/anss/catalog-search.html
3. Океанология. Химия океана //М:Изд.
«Наука», Т.1. 1979. 518 с.
4. Гидрометеорология и гидрохимия морей.
Берингово море //Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001.Т.Х. Вып.2. 235 с.
5. http://www.osdpd.noaa.gov/ml/ocean/sst/anomaly.html/
6. http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl?sen=am