КЛИМАТ И ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АРКТИКИ Лекция 1. Арктика

КЛИМАТ И ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АРКТИКИ Лекция 1. Арктика в глобальной климатической системе Проф. Г. В. Алексеев

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛЯРНАЯ АКАДЕМИЯ АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОГРАММА дисциплины «Климат и природные особенности Арктики» Санкт - Петербург 2014

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Цель дисциплины – дать представление о сложности и многообразии климатических процессов в полярных областях, их связи с глобальными процессами, методах и изучения и прогнозирования. Основные задачи – составить представление о роли Арктики в глобальной климатической системе, об особенностях строения и процессах в атмосфере, океане и криосфере Арктики, закономерностях и причинах изменений климата, о моделировании полярного климата, о влиянии его изменений на деятельность в Арктике. В результате изучения дисциплины «Климат и природные особенности Арктики» магистрант доложен: Знать о природных особенностях, процессах в атмосфере, океане и криосфере Арктики, причинах изменений климата, о влиянии его изменений на природопользование и экологию в Арктике, об источниках информации об изменениях климата. Уметь пользоваться современными источниками климатической информации, выполнять обработку и анализ климатических данных. Иметь представление о сложности и многообразии климатических процессов в Арктике, их связи с глобальными процессами, о роли Арктики в глобальной климатической системе, о моделировании климата, о методах и изучения и прогнозирования изменений климата. Владеть навыками анализа климатической информации в применении к оценке качества окружающей природной среды.

Разделы дисциплины и виды занятий № Раздел Лекции, Семинары, уч. час. 1 Арктика в глобальной климатической системе 1 4 2 Арктическая атмосфера : климат 1 4 3 Арктическая атмосфера: малые газовые составляющие и аэрозоли 1 4 4 Криосфера в Арктике 1 4 5 Естественные и антропогенные изменения климата Арктики 1 6 6 Региональный климат и природные особенности на примере северной Якутии и п. Тикси 7 Арктика в глобальных моделях климата 1 4 8 Влияние изменений климата на хозяйственную деятельность в Арктике 1 4 Итого 8 34 Самостоятельная работа 102 уч. час.

Содержание разделов дисциплины 1. Арктика в глобальной климатической системе Глобальная климатическая система, ее полярные части и процессы, их объединяющие. Глобальные переносы в атмосфере и океане тепла, пресной воды, соли, их влияние на климат. Роль Арктики в формировании глобального климата. 2. Арктическая атмосфера: климат Система наблюдений за изменениями климата полярных областей. Методы оценки изменений климата Изменения температуры воздуха и осадков Изменения циркуляции атмосферы. 3. Арктическая атмосфера: малые газовые примеси и аэрозоли Вертикальная структура и климатические распределения основных характеристик полярной атмосферы. Малые газовые примеси и аэрозоли. 4. Криосфера в Арктике Ледяные щиты, ледники, вечная мерзлота. Снежный покров. Морской лед. Таяние и рост ледяных щитов и ледников. Деградация вечной мерзлоты. Изменения площади, толщины, возраста морских льдов

5. Естественные и антропогенные причины изменений полярного климата Внеземные влияния на климат: солнечная активность, космические лучи, вращение Земли и др. Естественная изменчивость в климатической системе. Антропогенные воздействия. 6. Региональный климат и природные особенности на примере северной Якутии и п. Тикси. Природные особенности и климат Северной Якутии. История создания и открытия Обсерватории Тикси. Состав наблюдений и оценки изменений характеристик окружающей среды 7. Арктика в глобальных моделях климата Моделирование наблюдаемых изменений климата. Воспроизведение полярного климата глобальными моделями. Проекции будущих изменений климата полярных областей. Проблемы совершенствования моделей и улучшение проекций будущего климата. 8. Влияние изменений климата на хозяйственную деятельность в Арктике Влияние на морскую деятельность и прибрежную инфраструктур. Влияние на строительство и транспорт в зоне вечной мерзлоты. Влияние на окружающую природную среду.

Глобальная климатическая система, основные составляющие и процессы

Распределение притоков и стоков тепла от Солнца

СИСТЕМА АТМОСФЕРА – ОКЕАН -КРИОСФЕРА

Глобальный среднегодовой энергетический баланс Земли В среднем за длительный период количество приходящей солнечной радиации, поглощенной поверхностью Земли и атмосферой балансируется уходящей длинноволновой радиацией

Энергетический баланс системы Земля-атмосфера (1) U - поток уходящей длинноволновой радиации на верхней границе атмосферы; S – поток коротковолновой радиации от Солнца на верхнюю границу атмосферы; M – адвективный приток энергии; So – солнечная постоянна; A – альбедо системы; Ψ – функция времени и координат, отражающая астрономические изменения инсоляции; Ma – адвекция в атмосфере, Mo – в океане.

Локальный энергетический баланс Меридиональные переносы энергии в атмосфере и океане

Северо-атлантическое колебание(NAO) is a major mode of atmospheric variability in the Northern Hemisphere. Source: M. Visbeck Positive NAO index Negative NAO index

Тихоокеанское десятилетнее колебание

Глобальный океанический конвейр Gerdes, 2005 Теплая и соленая вода Холодная промежуточная и донная Опресненная арктическая вода и лед ЦИРКУЛЯЦИЯ ОКЕАНА – ВАЖНЫЙ КЛИМАТОБРАЗУЮЩИЙ ПРОЦЕСС

Глобальный пресноводный цикл Перенос пресной воды в океане Атмосферная циркуляция переносит воду из океанов на континенты и в полярные области. Океаны содержат 96% воды на Земле, на поверхность океанов приходится 86% ланетарного испарения и 78% осадков. . Океаническая циркуляция возвращает пресную воду через систему холодных течений в сторону экватора и меридионального овертонинга в области где испарение превышает осадки.

Арктика в глобальной климатической системе Арктика составляет северную полярную часть глобальной климатической системы, но ее граница не везде совпадает с полярным кругом. Наиболее характерные климатические особенностями Арктики составляют полярная ночь (день) зимой (летом) и постоянное присутствие криосферы в виде ледяных щитов, ледников, многолетних морских льдов и сплошной мерзлоты. Поэтому за границу арктической климатической зоны можно принять южный предел распространения сплошной мерзлоты на суше, многолетних морских льдов в океане и северный полярный круг в тех районах, где к северу от него отсутствуют оба характерных признака арктического климата.

Климат Арктики формируется в условиях значительно меньшего притока тепла от Солнца, чем климат внеполярных областей.

Среднеширотные значения составляющих энергетического баланса Северной полярной области, Вт/м 2 (Хрол, 1992) С. ш. Среднегодовое Январь Июль A U M 90°-80° 0. 67 177 118 - 165 0. 69 207 61 80°-70° 0. 57 179 97 - 157 0. 50 212 -18 70°-60° 0. 46 191 72 0. 78 165 158 0. 39 224 -52 A –альбедо системы; U - поток уходящей длинноволновой радиации на верхней границе атмосферы; M – адвективный приток энергии. Из таблицы следует, что в среднем за год более половины энергии в СПО поступает в результате адвекции из более низких широт. Зимой вклад адвекции возрастает до 100 % в области полярной ночи. В этот период изменчивость приповерхностной температуры воздуха определяются колебаниями адвекции тепла атмосферной циркуляцией.

Адвекция тепла по направлению к полюсу в результате циркуляции атмосферы и океана вносит наибольший вклад в потепление арктического климата по сравнению с климатом, который наблюдался бы в условиях радиационного равновесия при неподвижных атмосфере и океане U = S ( радиационное равновесие) Благодаря адвекции климат Арктики «теплеет» с повышением температуры воздуха на десятки градусов по сравнению с климатом при отсутствии адвекции, в то время как парниковый эффект от присутствия атмосферы повышает приземную температуру на значительно меньшую величину.

Горизонтальный приток энергии в океане (Мо) и в атмосфере (Ма), Вт/м 2 (Хрол, 1992) Широта северная 90°-85° 4 113 3 97 85°-80° 3 112 3 97 80°-75° 7 102 6 94 75°-70° 8 90 8 92 70°-65° 4 85 4 96 95 % адвекции осуществляется атмосферными переносами, и л 5 % адвекции в среднем за год приходится на океан. Летний «океанический» поток направлен в океан и растет за счет уменьшения альбедо вследствие частичного таяния морского» Зимой поток тепла из океана ограничен развитием льда на его поверхности и зависит от толщины льда, . температуры воздуха толщины деятельного слоя океана перед. началом ледообразов

Атмосферная циркуляция и температура воздуха

Атлантическая и арктическая части глобального океанического конвейра Теплая и соленая вода Холодная промежуточная и донная вода Опресненная арктическая вода Морской лед

Распространение АВ в Норвежском и Гренландском морях

Распространение воды атлантического происхождения в Арктическом бассейне

Полярные области занимают сравнительно небольшую часть поверхности земного шара, но их роль в климатической системе Земли весьма значительна. Прежде всего, из-за наличия полярных снежно-ледовых шапок вокруг полюсов – в виде морских льдов в Северной полярной области и антарктического ледникового щита в Южной полярной области. КРИОСФЕРА Полярные части криосферы содержат почти весь запас пресной воды в твердом виде на Земле, являются главным источником полярного влияния на глобальный климат и содержат информацию о его далеком прошлом. В ледяном щите Антарктиды содержится 23 296 630 км³, а в Гренландском 2 431 773 км³ пресной воды. Полное таяния этих ледников привело бы к подъему уровня океана на несколько десятков метров

Арктическая криосфера снег Морской лед

Морской лед в Арктике в сентябре 2008 2009 2010 2011 2012 4. 68 5. 36 4. 90 4. 61 3. 61 Сезонные изменения площади льда в 2007 -2012 гг. (ААНИИ)

Многолетняя мерзлота Распространение мерзлоты в Сев. полушарии Brown et al. (1998) Мерзлота в России (Романовский, 1998)

Если глобальное воздействие на арктическую климатическую систему передается прежде всего через атмосферу, то обратное влияние Арктики на глобальный климат реализуется через океан и, в частности, через его наиболее активную часть — верхний распресненный слой и морские льды

Притоки и стоки пресной воды в СЛО Притоки: Сток с суши 4760 km³/y Берингов пр. 1800 (P-E) on Arctic Ocean ~1000 Всего 7560 km³/y Стоки: Пр. Фрама. 3800 km³/y Дэвиса пр. 3760 P-E Всего 7560 km³/y Ice ~50% Water ~50%

Распределение притоков пресной воды в СЛО Средний приток в km³/year Bering Strait region 305 Chukchi Sea 60. 2 Beaufort Sea 396 Arctic Archipelago 188 Hudson Bay 684 Foxe Basin 86. 1 Hudson Strait 194 Baffin Sea and Southern Greenland 380 Greenland Sea 148 Kara Sea 1330 Laptev Sea 760 East Siberian Sea 229 Всего 4760 Шикломанов, 2003 Приток с островов Канадского арх. и Гренландии вносит более 30% общего притока в СЛО

В Арктике находятся большие запасы нефти и газа

Трассы Северного морского пути ?

Первые измерения в водной толще Арктического бассейна были выполнены участниками Норвежской полярной экспедиции на «Фраме» под руководством Ф. Нансена в 1893 -1896 гг. Идея Нансена заключалась в том, что если удачно выбрать начальную точку дрейфа, то можно пересечь вместе с ледяными полями всю Центральную Арктику, а если повезет, то и пройти через Северный полюс.

21 сентября 1893 г. судно вмерзло в лед на 78° 50´ с. ш. и 133° 37´ в. д. к северо-западу от Новосибирских островов. Начался исторический дрейф «Фрама» через Центральную Арктику

Экспедиция на «Фраме» открыла новую эпоху в изучении высоких широт Северного Ледовитого океана. Оказалось, что околополюсная область Арктики – океан, покрытый дрейфующим льдом, а не «свободное море» как предполагалось ранее. Было установлено наличие в Арктическом бассейне глубины свыше 3000 м. На глубинах 200– 800 м был выявлен промежуточный слой относительно теплой воды атлантического происхождения. Выше этого слоя располагались более холодные распресненные воды. Были собраны сведения о животных организмах, населяющих толщу океана.

После возвращения из экспедиции на «Фраме» Нансен выдвинул идею организации научных станций на льдинах, которая была реализована организацией научной дрейфующей станции «Северный полюс-1» в 1937 году. За время ее дрейфа в 1937 -38 гг. было выполнено 38 серий с измерением температуры и отбором проб воды на гидрохимический анализ на стандартных горизонтах до дна.

Наблюдения в околополюсной области были продолжены с борта л/п «Седов» в 1937 -1940 гг. Дрейф «Седова» , продолжавшийся 812 дней и закончившийся 13 января 1940 г. в Гренландском море проходил несколько севернее траектории дрейфа «Фрама» . Он подтвердил, что генеральное направление дрейфа льдов в Арктическом бассейне, установленное Нансеном, сохранилось и 40 лет спустя.

Вторая мировая война прервала исследования в центральной Арктике, но уже в конце 1940 -х гг. они были возобновлены в беспрецедентных масштабах Высокоширотными воздушными экспедициями «Север» , и дрейфующими станциями. Наблюдения на советских дрейфующих станциях были возобновлены в 1950 году, когда была организована станция «Северный полюс-2» во главе с М. М. Сомовым. Лагерь СП-2, двигаясь по часовой стрелке, описал полный круг, открыв антициклонический круговорот в западной части бассейна.

При организации станций использовались самолеты,

вертолеты,

За время работы советских дрейфующих станции «Северный полюс» с 1950 по 1991 год более 80 траекторий их дрейфа покрыли акваторию Арктического бассейна В итоге более чем 40 летних наблюдений на советских дрейфующих станциях СП были выполнены 3466 океанографических станций, более 38 000 радиозондирований атмосферы, многочисленные измерения характеристик льда и снега.

Большим достижением в исследовании Арктического океана явились океанографические съемки Арктического бассейна с помощью авиации в 1955 и 1956 гг. и в 1973 -1979 гг.

Рекомендуемая литература Александров Е. И. , Брязгин Н. Н. , Дементьев А. А. , Радионов В. Ф. Метеорологический режим Арктического бассейна (по данным дрейфующих станций). Том II. Климат приледного слоя атмосферы Арктического бассейна. – СПб. : Гидрометеоиздат, 2004, 144 с. Алексеев Г. В. , Священников П. Н. Естественная изменчивость характеристик климата Северной полярной области и Северного полушария. – Л. : ГМИ, 1991. – 159 с. Вклад России в Международный полярный год 2007/08. тт. 1 -7. 2011 -2013 гг. Дроздов О. А. и др. , Климатологтя. Л. , Гидрометеоиздат, 1989, 567 с. Захаров В. Ф. Морские льды в климатической системе. – СПб, Гидрометеоиздат, 1996. Макштас А. П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л. , ГМИ, 1984, 67 с. Формирование и динамика современного климата Арктики. СПб, ГМИ, 2005. Фролов И. Е. , Гудкович З. М. , Карклин В. П. , Ковалев Е. Г. , Смоляницкий В. М. Климатические изменения ледяного покрова морей Евразийского шельфа. – Научные исследования в Арктике. Том 2. – СПб, Наука, 2007.

Дополнительная литература: Радионов В. Ф. , Русина Е. Н. , Сибир Е. Е. Специфика многолетней изменчивости суммарной солнечной радиации и характеристик прозрачности атмосферы в полярных областях. Проблемы Арктики и Антарктики, 2007, вып. 76, с. 131 -136. Радионов В. Ф. , Русина Е. Н. , Сибир Е. Е. , Шаламянский А. М. Особенности общего содержания озона в северной и южной полярных областях. Проблемы Арктики и Антарктики, 2007, вып. 75, с. 64 -72 Кашин Ф. В. , Радионов В. Ф. , Гречко Е. И. «Вариации общего содержания окиси углерода и метана в антарктической атмосфере » . Изв. РАН, сер. Физ. атм. и океана, 2007, т. 43, № 4, с. 531 -537 Интернет-ресурсы: http: //ocean 8 x. aari. ru/atlas. html (Климатический атлас Арктики) http: //www. aari. nw. ru/main. (сайт ААНИИ – информация о морских льдах) http: //climatechange. igce. ru/ (Ежегодные доклады о состоянии климата на территории РФ) http: //www. aari. ru/resources/m 0035/gm_review (Ежеквартальные обзоры гидрометеорологических процессов в Северном Ледовитом океане) Презентации лекций в pdf формате

Темы для сообщений на семинарах и рефератов 1. Глобальная климатическая система. 2. Энергетический баланс системы Земля-атмосфера. Переносы энергии в атмосфере и океане. 3. Энергетический баланс Северной полярной области. 4. Обратное влияние Арктики на глобальный климат. 5. Временные масштабы изменений климата. 6. Глобальные изменения климата. 7. Изменения климата Арктики. 8. Естественные причины изменения климата. 9. Антропогенное воздействие на климат. 10. Понятие о моделях климата. 11. Энергобалансовые модели климата. 12. Модели совместной циркуляции атмосферы и океана. 13. Расчеты характеристик наблюдаемого и будущего климата 14. Система наблюдений за изменениями климата в Арктике. 15. Сезонные и многолетние изменения температуры воздуха, осадков, облачности. 16. Аэрозоль в арктической атмосфере. 17. Озон в арктической атмосфере. 18. Углекислый газ и метан в арктической атмосфере.

19. Природные особенности и климат Северной Якутии. 20. История создания и открытия Обсерватории Тикси. 21. Оценки изменений характеристик окружающей среды 22. Арктическая криосфера. Морской лед. 23. Гренландский ледяной щит и ледники. 24. Многолетняя мерзлота. 25. Влияние изменений климата на природопользование и окружающую среду Арктики. 26. Влияние на освоение ресурсов арктического шельфа и судоходство. 27. Последствия для морских экосистем и биоресурсов.