БИОФИЗИКА И БИОСФЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Из выступления члена-корреспондента РАН директора Института биофизики СО РАН А.Дегерменджи на научной сессии Общего собрания СО РАН 15 декабря 2002 года.

Выступающий представил оригинальную математическую модель возможного кризиса биосферы, разработанную в Институте биофизики.

В настоящее время принято в областях науки, связанных с изучением "системы Земли", упоминать о резком нарушении нормального функционирования биосферных процессов, связанном с антропогенной деятельностью: содержание СО₂ (ответственен за 60% "парникового эффекта") до 1750-го года было почти неизменно, а после возрастает по экспоненциальному закону (данные обсерватории Мауна-Лоа, Гавайи), ежегодно увеличиваясь на 0.4%, т. е. в 1,004 раза или около 4 ГтС/год сейчас; рост потребления углеродных топлив, которое до последнего времени удваивалось каждые десять лет (5-6 ГтС/год); поток углерода при дефорестиризации составляет 1-2 ГтС/год; средняя температура земной поверхности с 1860-го года поднялось на величину около 0,5°С (при этом за 10000 лет после последнего ледникового периода температура Земли повысилась всего на 5°С, т.е. скорость увеличения температуры возросла на порядок. Авторитетная комиссия IPCC предсказывает увеличение на 1.5-4.5°С при удвоении концентрации СО₂).

По сути "конкурируют" два подхода к объяснению этих явлений. Первый — наблюдаемые глобальные изменения никак не связаны с человеческой деятельностью и вызваны естественными причинами. Изменение концентрации CО₂ в атмосфере может быть простой флуктуацией, и в геологических масштабах довольно незначительно (палеоклиматическое направление). И второй подход — ради сохранения существующих природных и климатических условий необходимо резкое снижение антропогенного воздействия на глобальные биогеохимические циклы, в частности, уменьшение выбросов СО₂ в атмосферу. Второй подход в течение 70-90-х годов ХХ века вызвал к жизни значительное количество глобальных моделей биосферы, основанных на имитационном принципе.

Основные цели и задачи моделирования биосферы следующие: оценка антропогенного влияния на биосферу, проблемы изменения климата, взаимодействие атмосферы и наземных (океанических) экосистем, изменение биоты под действием глобальных изменений биосферы в конкретных регионах, эволюция углеродного цикла и др. В качестве примера крупных моделей можно привести: BIOME2/3, OBM (Osnabruck Biosphere Model), TsuBiMo (A biosphere model of CО₂ fertilization effect), CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach Biosphere model), HYBRID, TEM (Terrestrial Ecosystem Model), BIOME-BGC (BioGeochemical Cycles), CENTUARY и др. Основной "дефект" этих моделей — имитационный характер описания процессов, что не позволяет выделить существенные гипотезы, и проверить ключевые механизмы и параметры устойчивости биосферы.

Отличительная особенность представленной модели — простота ("малоразмерность"), что делает ее "прозрачной" для исследования связи антропогенного потока углерода с границами устойчивости биосферы. Биотические резервуары разделены на широтные компартменты: тропические, южные и северные. На старте модель замкнута по углероду за счет круговорота. Учтены основные резервуары углерода: атмосфера (740 Гт), земная биота (550 Гт), почвенные слои — гумус (1200 Гт) и океан (900 Гт). В морские компартменты включены автотрофы (фитопланктон), поглощающие СО₂, и гетеротрофы, источники СО₂. В модели учитывается различие температурных оптимумов для роста растений и деструкторов. Для моделирования процесса сжигания топлива в модель вводится антропогенный источник углекислого газа, нарушающий замкнутость системы. Результаты теоретических расчетов по модели земной биоты удовлетворяют данным обсерватории Мауна-Лоа измерений концентрации СО₂ лишь при повышенном сжигании топлива.

При этом результаты океанской модели говорят о том, что роль морской биоты в динамике незначительна (уступает земной на два порядка).

Показано, что в принципе существует критическая дата (2107 год; в предположении увеличения температуры на 2°С при удвоении концентрации СО₂) после которой наступают необратимые последствия: двукратное увеличение температуры, экстремальная концентрация СО₂, разрушение биоты. Важна не сама критическая дата, а факт ее "теоретического" существования. При прекращении сжигания топлива, хотя бы за два года до критической даты, катастрофы можно будет избежать: состояние биосферы стабилизируется, и ее параметры выйдут на новый стационар. Полученные результаты верны только лишь в рамках современных взглядов на функционирование биосферы. Неучтенные или слабоизученные параметры могут оказать сильнейшее влияние на ход климатической истории, повернуть события в ту или иную сторону.

Для уточнения модели необходимо привлечь "модельеров" СО РАН (климатологов, химиков, экологов леса; экспериментальную систему БИОС и др.) с целью конкретизации: модели "парникового эффекта", описания карбонатной системы океана, скорости сжигания топлива, температурных оптимумов роста и деструкции гумуса, "вклада" биоразнообразия, динамики СО₂ в замкнутой системе "растения-почва" при подъеме температуры и многое другое. Пока модель "не указала" противовес мощному антропогенному источнику углерода, близкого по мощности стока. Ни земная, ни океаническая биота, ни сам океан "не справляются" со все увеличивающимся потоком СО₂. Как бы то ни было, представляется крайне интересным и актуальным продолжить изучение динамики биосферы, оставаясь на "минимальном" уровне сложности модельного описания.

стр. 6