Динамика подкисления Северного Ледовитого океана в 1993–2021 гг. и ее прогноз на конец 21-го века

С использованием данных GLODAP v.2021 и реанализа Global Ocean Biogeochremistry Hidcast GOBH по параметру рН проведены численные оценки динамики подкисления вод Арктического региона (60–90° с.ш.) за период 1993– 2021 гг. и выявлены тенденции подкисления океана (ПО) в свете проекций климата Арктики до конца 2100 года. Будущие тенденции ПО были рассчитаны по моделям CMIP6 для четырех сценариев Shared Socioeconomic Pathways (SSP), в которых представлены разные уровни социально-экономического и сельскохозяйственного развития и эмиссии парниковых газов: SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP3–7.0 и SSP5–8.5.

Тенденции снижения рН, определенные по in situ данным GLODAP за период 1993–2019 гг. и по данным реанализа за 1993–2021 гг., составили, соответственно: –0,9% (от 8,18–8,11) и –0,7% (от 8,10–8,05). Таким образом, годовая скорость подкисления, оцененная по обоим источникам данных, составила –0,03%.

На основе метода перцентилей сравнены исторические сценарии pH моделей CMIP6 с данными реанализа, и на этой базе установлены четыре лучшие модели: MPI-ESM1–2-LR, NorESM2-MM, NorESM2-LM и CMCC-ESM2. Результаты прогнозирования указывают на то, что подкисление вод Арктики будет продолжаться до конца этого столетия. Наибольшие темпы снижения рН (–4,9% и –6,2%) соответствуют сценариям SSP3–7.0 и SSP5–8.5, предполагающих повышение средней глобальной температуры на 3,6 °C и 4,4 °C соответственно. Сопоставление полученных результатов с численными оценками динамики рН других авторов свидетельствует, что к концу текущего столетия скорость подкисления (т. е. снижения рН) в Арктике следует ожидать выше, чем в среднем по Мировому океану: разница между каждым из SSP сценариев оказалась равной –0,1.

1. Doney S.C., Fabry V.J., Feely R.A., Kleypas J.A. Ocean acidification: The other CO2 problem // Annual Review of Marine Science. 2009. Vol. 1. P. 169–192. doi:10.1146/annurev.marine.010908.163834

2. Xue L., Cai W.-J. Total alkalinity minus dissolved inorganic carbon as a proxy for deciphering ocean acidification mechanisms // Marine Chemistry. 2020. Vol. 222, N 103791. doi:10.1016/j.marchem.2020.103791

3. Mostofa K.M.G., Liu C.-Q., Zhai W. et al. Reviews and syntheses: Ocean acidification and its potential impacts on marine ecosystems // Biogeosciences. 2016. Vol. 13. P. 1767–1786. doi:10.5194/bg-13–1767–2016

4. Feely R.A., Doney S.C., Cooley S.R. Ocean acidification: Present conditions and future Changes in a high-CO2 world // Oceanography. 2009. Vol. 22, N 4. P. 36–47. doi:10.5670/oceanog.2009.95

5. Salisbury J., Green M.L., Hunt C.W., Campbell J.W. Coastal acidification by rivers: A threat to shellfish? // Eos, Transactions American Geophysical Union. 2008. Vol. 89, N 50. P. 513. doi:10.1029/2008EO500001

6. Yamamoto A., Kawamiya M., Ishida A., Yamanaka Y., Watanabe S. Impact of rapid sea-ice reduction in the Arctic Ocean on the rate of ocean acidification // Biogeosciences. 2012. Vol. 9. P. 2365–2375. doi:10.5194/bg-9-2365–2012

7. Yang X., Xue L., Li Y. et al. Treated wastewater changes the export of dissolved inorganic carbon and its isotopic composition and leads to acidification in coastal oceans // Environmental Science and Technology. 2018. Vol. 52, N 10. P. 5590–5599. doi:10.1021/acs.est.8b00273

8. Capelle D.W., Kuzyk Z.A., Papakyriakou T. et al. Effect of terrestrial organic matter on ocean acidification and CO2 flux in an Arctic shelf sea // Progress in Oceanography. 2020. Vol. 185, N 102319. doi:10.1016/j.pocean.2020.102319

9. Keeling R.F., Körtzinger A., Gruber N. Ocean deoxygenation in a warming world // Annual Review of Marine Science. 2010. Vol. 2, N 1. P. 199–229. doi:10.1146/annurev.marine.010908.163855

10. Oschlies A., Brandt P., Stramma L., Schmidtko S. Drivers and mechanisms of ocean deoxygenation // Nature Geoscience. 2018. Vol. 11, N 7. P. 467–473. doi:10.1038/s41561–018–0152–2

11. Riebesell U., Zondervan I., Rost B. et al. Reduced calcification of marine plankton in response to increased atmospheric CO2 // Nature. 2000. Vol. 407. P. 364–367. doi:10.1038/35030078

12. Albright R., Caldeira L., Hosfelt J. et al. Reversal of ocean acidification enhances net coral reef calcification // Nature. 2016. Vol. 531. P. 362–365. doi:10.1038/nature17155

13. Pörtner H.-O. Ecosystem effects of ocean acidification in times of ocean warming: A physiologists view // Marine Ecology Progress Series. 2008. Vol. 373. P. 203–217. doi:10.3354/meps07768

14. Kwiatkowski L., Torres O., Bopp L. et al. Twenty-first century ocean warming, acidification, deoxygenation, and upper-ocean nutrient and primary production decline from CMIP6 model projections // Biogeosciences. 2020. Vol. 17. P. 3439–3470. doi:10.5194/bg-17-3439–2020

15. Zachos J.C., Röhl U., Schellenberg S.A. et al. Rapid acidification of the ocean during the paleocene-eocene thermal maximum // Science. 2005. Vol. 308, N 5728. P. 1611–1615. doi:10.1126/science.1109004

16. Zeebe R.E., Ridgwell A. Past changes in ocean carbonate chemistry // Ocean Acidification, Ed. by Gattuso J.-P. and Hansson L. Oxford University Press, Oxford. 2011. P. 21–40. doi:10.1093/oso/9780199591091.003.0007

17. Raven J., Caldeira K., Elderfield H. et al. Ocean acidification due to increasing atmospheric carbon dioxide. The Royal Society, London, UK, 2005. 68 p.

18. Jiang Z., Song Z., Bai Y. et al. Remote sensing of Global sea surface pH based on massive underway data and machine learning // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, N 10:2366. doi:10.3390/rs14102366

19. Bindoff N.L., Willebrand J., Artale V. et al. Observations: oceanic climate change and sea level. // Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of Working Group I / Ed. by: Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L., Cambridge University Press, Cambridge, 2007. P. 385–428.

20. Sabine C.L., Feely R.A., Gruber N. et al. The oceanic sink for anthropogenic CO2 // Science American Association for the Advancement of Science (AAAS). 2004. Vol. 305, N5682. P. 367–371. doi:10.1126/science.1097403

21. Orr J.C., Fabry V.J., Aumont O. et al. Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms // Nature. 2005. Vol. 437. P. 681–686. doi:10.1038/nature04095

22. Bellerby R., Anderson L., Osborne E. et al. Arctic Ocean acidification: an update // AMAP Assessment 2018: Arctic Ocean Acidification. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), Tromsø, Norway, 2018. 187 p. doi:10.25607/ OBP-783

23. Will S. The Arctic in an Earth system context: From brake to accelerator of change // Ambio. 2006. Vol. 35, N 4. P. 153–159.

24. Lauvset S.K., Lange N., Tanhua T. et al. Global ocean data analysis project version 2.2021 (GLODAPv2.2021) (NCEI Accession 0237935). NOAA National Centers for Environmental Information. Dataset. 2021. URL: https://www.ncei.noaa.gov/access/metadata/landing-page/bin/iso?id=gov.noaa.nodc:0237935 (дата обращения: 26.02.2023). doi:10.25921/ttgq-n825

25. Артемьев В.Е. Геохимия органического вещества в системе река — море. М.: Наука, 1993. 204 с.

26. Смирнов M.П. Растворенные органические вещества и минерализация речных вод гор с тундрово-таежными типами вертикальной поясности России // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2015. № 5. С. 54–68. doi:10.15356/0373-2444-2015-5-54-68

27. Rérolle V., Ruiz-Pino D., Rafizadeh M. et al. Measuring pH in the Arctic Ocean: Colorimetric method or SeaFET? // Methods in Oceanography. 2016. Vol. 17. P. 32–49. doi:10.1016/j.mio.2016.05.006

28. Copernicus Marine Environment Monitoring Service: Global ocean biogeochemistry hindcast dataset (GLOBAL_MULTIYEAR_BGC_001_029). URL: https://data.marine.copernicus.eu/product/GLOBAL_MULTIYEAR_BGC_001_029/ (дата обращения: 21.02.2023). doi:10.48670/moi-00019

29. Earth system grid federation portal. URL: https://esgf-node.llnl.gov (дата обращения: 03.03.2023).

30. O’Neill B.C., Tebaldi C., Van Vuuren D.P. et al. The scenario model intercomparison project (ScenarioMIP) for CMIP6 // Geoscientific Model Development. 2016. Vol. 9(9). P. 3461–3482. doi:10.5194/gmd-9-3461–2016

31. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A. et al. (eds.). IPCC, 2021: Climate Change 2021: The physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge: Cambridge University Press, 2023. doi:10.1017/9781009157896

32. Gnatiuk N., Radchenko I., Davy R., Morozov E., Bobylev L. Simulation of factors affecting Emiliania huxleyi blooms in Arctic and sub-Arctic seas by CMIP5 climate models: model validation and selection // Biogeosciences. 2020. Vol. 17(4). P. 1199–1212. doi:10.5194/bg-17-1199–2020