авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Метан в морях восточной арктики

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

На правах рукописи

ШАХОВА Наталья Евгеньевна

Метан в морях Восточной Арктики

Специальность 25.00.28 – Океанология

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Москва - 2010

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, Евгений Александрович Романкевич, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН;

доктор геолого-минералогических наук,

профессор, Николай Никитич

Романовский,

Московский Государственный Университет;

имени М.В. Ломоносова

доктор физико-математических наук,

Александр Самуилович Гинзбург, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

Ведущая организация: Институт Мерзлотоведения имени академика П.И..Мельникова СО РАН

Защита диссертации состоится «___» апреля 2010 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.239.03 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Отзывы на диссертацию и автореферат (в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « ___ » ________________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.б.н. Т.А.Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метан (СН4) является вторым по значимости парниковым газом, концентрации которого в атмосфере Земли продолжают расти: за последние 150 лет эмиссия возросла более чем в 2.5 раза (Stern & Kaufmann, 2003). Все возрастающий интерес к изучению этого компонента атмосферы объясняется тем, что радиационная активность метана значительно выше, а темпы прироста средне-планетарных концентраций в атмосфере примерно в 2-4 раза выше, чем у двуокиси углерода (СО2) – важнейшего парникового газа (IPCC, 2001; 2007). Более того, последняя оценка вклада СН4 в современный потенциал глобального потепления, рассчитанная для ближайших 100 лет с включением ранее не учитываемых обратных связей в климатической системе, показала что ранние оценки недоучитывали климатическую роль СН4 примерно на 20-40% (Shindell et al., 2009). Это означает, что суммарный радиационный форсинг от 1 кг СН4, превышает аналогичную величину для СО2 примерно в 30-35 раз, а не в 25 раз как было принято считать.

Максимально высокие концентрации (на 8-10% выше фоновых) регистрируются в атмосфере Арктического региона (т.н. Арктический максимум СН4). До недавнего времени предполагалось, что в формировании Арктического максимума СН4 участвуют исключительно наземные северные экосистемы, в то время как вклад Арктических морских экосистем не рассматривался. В области исследования газообразных компонентов морского цикла углерода, и в частности, цикла СН4, сложилась парадоксальная ситуация: с одной стороны, ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что Северный Ледовитый океан (СЛО), как часть Арктической экосистемы, чувствителен к глобальным изменениям климата (ACIA, 2004); а, с другой стороны, вклад СЛО в морской цикл углерода, включая его газообразные компоненты (СО2 и СН4), международным научным сообществом практически игнорируются (Feely et al., 2001; Sabine and Hood, 2003; Takahashi et al., 2002). Более того, в работе Feely et al. (2001) СЛО даже не упоминается как часть Мирового океана.

Согласно палео-климатическим данным, в результате роста температуры, сопровождающего смену климатических эпох, эмиссия СН4 и, соответственно, атмосферные концентрации, увеличиваются от 0.3-0.4 ррм (холодные эпохи) до 0.6-0.7 ррм (теплые эпохи). Тем не менее, рост эмиссии СН4 за последние два столетия привел к беспрецедентному увеличению атмосферных концентраций СН4 в атмосфере Арктического региона до 1.85 ррм. Существует мнение, что данный прирост, который составляет ежегодно 0,3-1,2%, ассоциирован с антропогенной деятельностью. Тем не менее, обращает на себя внимание тот факт, что: 1) Арктический максимум СН4 существует исключительно в теплые климатические эпохи; 2) в эти эпохи он поддерживается круглогодично; 3) атмосферный максимум СН4 регистрируется не над умеренными широтами (между 20°с.ш. и 60° с.ш., где сжигается >90% ископаемого топлива), а над Арктикой/Субарктикой, где антропогенная активность минимальна (между 60° с.ш. и 70° с.ш. сжигается <5% ископаемого топлива); 4) существование Арктического максимума не может быть объяснено циркуляцией воздушных масс (Steele et al., 1987); 5) эмиссия СН4 из наземных Арктических экосистем также недостаточно велика для круглогодичного поддержания Арктического атмосферного максимума СН4 (Shakhova and Semiletov, 2009).

Это означает, что в межледниковые периоды в северных широтах существует дополнительный мощный природный источник СН4, роль которого до настоящего времени не оценивалась. Таким источником могут служить донные залежи СН4, вовлечение которых в современный биогеохимический цикл определяется геологическим фактором - состоянием реликтовых многолетних мерзлых толщ (далее по тексту - подводная мерзлота), которая претерпевает более значительное изменение термического режима, по сравнению с наземной мерзлотой, в геологическом масштабе времени (>5-10 тыс. лет). Кроме этого, в Арктическом регионе наблюдается потепление климата, которое проявляется в росте среднегодовых температур воздуха и воды, сокращении площади морского и пресного льда, уменьшении толщины снега и таянии ледников, изменении температурного режима мерзлоты (ACIA, 2004). В этой связи, изучение шельфа морей Восточной Арктики (МВА), который представляет собой самый обширный (2.1106 км2) и мелководный шельф (средняя глубина <50 м) Мирового океана, где предположительно находится более 80% существующей подводной мерзлоты, в и под которой законсервирован огромный резервуар углеводородов, как возможного источника СН4 в атмосферу Арктического региона является чрезвычайно актуальной задачей.

В основу данной работы положено использование междисциплинарного подхода, который заключается в комплексном использовании океанографических, геохимических, гидро-акустических, геофизических, изотопных и математических методов для изучения процессов и факторов, оказывающих влияние на распределение растворенного СН4 в водном столбе и формирование современной пространственно-временной изменчивости потоков СН4 в структуре годового баланса. В работе приводятся результаты анализа новых данных, основанных на фактическом материале, касающемся наименее изученного вопроса о вкладе шельфа МВА в современную эмиссию СН4 в атмосферу Арктического региона, а именно: 1) карто-схемы межгодовой изменчивости распределения растворенного СН4 в придонных и поверхностных водах МВА; 2) количественные оценки диффузионных, пузырьковых и суммарных потоков в системе «дно-водная поверхность-приводный слой атмосферы»; 3) количественные оценки отдельных компонентов в структуре суммарной годовой эмиссии СН4 из акватории МВА в атмосферу Арктического региона; 4) результаты моделирования современного состояния подводной мерзлоты, полученные в результате включения в ранее предложенный алгоритм (Романовский и др., 1998; 2001; 2004; 2005; Гаврилов, 2008) таких ранее не учитываемых факторов, как влияние процессов термокаста, сложной структуры донных отложений, минерализации донных отложений и содержания незамерзшей воды. При изучении пространственно-временной изменчивости потоков СН4 обеспечивалось использование унифицированных методов и временных графиков, позволяющих выполнять исследования в режиме мониторинга. Достоверность результатов моделирования была протестирована данными натурных наблюдений. Контроль качества полученных данных обеспечивался соблюдением международного протокола отбора проб, инструментального анализа, статистической обработки и графического представления данных.

Цель настоящей работы состояла в выявлении вклада МВА в современную эмиссию СН4 в атмосферу Арктического региона на основе изучения и количественной оценки отдельных компонентов годовой эмиссии, а также ведущих факторов, определяющих их формирование и пространственно-временную изменчивость.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Выявление сезонной и межгодовой изменчивости в распределении растворенного СН4 в шельфовых водах МВА;
  2. Выявление территориальной дифференциации в распределении растворенного СН4 в шельфовых водах МВА и факторов, ее определяющих;
  3. Выявление вклада различных механизмов транспорта (диффузионный и пузырьковый транспорт) в формирование запаса растворенного СН4 и потоков газообразного СН4 в атмосферу;
  4. Выявление особенностей вертикального распределения растворенного СН4 в границах водного столба и факторов, их определяющих;
  5. Анализ возможных источников СН4 в водную толщу МВА;
  6. Количественная оценка диффузионных потоков СН4 в системе «водная поверхность-приводный слой атмосферы» и оценка их пространственно-временной изменчивости;
  7. Разработка методических подходов к оценке пузырькового компонента потоков СН4 и выявление их пространственно-временной изменчивости;
  8. Разработка концептуальной модели потоков и расчет годового бюджета эмиссии СН4 в системе «водная поверхность-приводный слой атмосферы»;
  9. Выявление факторов геологического контроля, оказывающих первостепенное влияние на интенсивность потоков метана в МВА;
  10. Моделирование современного состояния подводной мерзлоты на основе улучшенного алгоритма, основанного на представлениях о гляцио-эвстатических колебаниях уровня океана.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность результатов определялась современным уровнем аналитического оборудования и методов анализа. Наряду с традиционными методами, одним из которых, например, является метод газовой хроматографии, использованный в настоящем исследовании для измерения растворенного СН4 и атмосферных концентраций СН4 в приводном слое атмосферы, был использован новейший метод прямых измерений, основанный на использовании высокоточного скоростного СН4-анализатора (HAFMA, DLT-100, USA), а также метод измерения турбулентных потоков (eddy-correlation technique) СН4 с использованием специального комплекса приборов в дополнение к HAFMA: соник-анемометры (Y81000, Campbell Scientific Inc., and Windmaster PRO, PP Systems), портативные метеостанции (Li-Cor 1401 и Furuno BP-100), газовый анализатор с открытой ячейкой Li-Cor 7500 (для измерения паров воды и двуокиси углерода), 6-компонентные датчики движения судна (Crossbow) (см. подробнее в разделе Глава 2). Для оценки пузырькового транспорта СН4 в водном столбе были одновременно использованы современные гидро-акустические и геофизические методы: сейсмика высокого разрешения (GeoPulse Sub-bottom Profiler, GeoAcoustics Limited, England), однолучевой бортовой эхолот (Atlas Deso 10, Германия), многолучевой эхолот (Imagenex-Delta T, США) и локатор бокового обзора (производства России). Комплекс этих измерений позволил получить репрезентативные оценки газообмена СН4 в системе «дно-водная толща-водная поверхность-приводный слой атмосферы», разработать методику количественной оценки пузырькового компонента эмиссии СН4 и включить этот компонент в концептуальную модель ежегодной эмиссии. Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки данных, выполненной с использованием современных пакетов прикладных аналитических программ, используемых в мировой научной практике (Statistika 7.0; Grapher 5; Surfer 8.0; ODV, Matlab 7.1 и др.).

Научная новизна результатов. Впервые в МВА выполнены многолетние, в том числе всесезонные, широкомасштабные площадные съемки, в результате которых достигнуто покрытие более 50% МВА (>1000 океанографических станций) и получен большой массив высоко-кондиционных и репрезентативных данных, характеризующих содержание концентраций СН4 в водной толще и приводном слое атмосферы. На основании полученных данных составлены карто-схемы распределения СН4 в шельфовых водах МВА, карто-схемы потоков метана в системе водная поверхность - приводный слой атмосферы. Впервые показано, что МВА являются источником метана в атмосферу Арктического региона. На основе количественной оценки основных компонентов годовой эмиссии (сезонный, территориальный и транспортный компоненты) расчитана суммарная годовая эмиссия СН4 и показано, что вклад МВА в современную эмиссию СН4 является значительным – он соизмерим с ежегодным суммарным вкладом всех шельфовых морей Мирового океана.

Установлено, что основным источником СН4 в водную толщу являются донные отложения, в то время как роль современной продукции СН4 в осадках, водном столбе и роль латерального переноса из наземных источников незначительна. Показано, что подводная мерзлота является ведущим фактором геологического контроля эмиссии метана в МВА и что термический режим подводной мерзлоты определяется сложным комплексом факторов. Из числа ранее неучтенных факторов были учтены следующие: степень минерализации осадка, доля незамерзшей воды в его структуре, сложное строение осадочной толщи и влияние процессов термокарста. Тестирование результатов математического моделирования, выполненных на примере пролива Дмитрия Лаптева данными натурных наблюдений (данные бурения, результаты измерения растворенного СН4 и атмосферных концентраций в приводном слое), показало, что формирование путей восходящей миграции газов (сквозных таликов) в данном районе хорошо согласуется с результатам моделирования.

Научная новизна подтверждена публикациями в ведущих реферируемых российских и зарубежных научных изданиях, представлением докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах РАН (общеакадемическая программа №17), ДВО РАН, Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), Национального Научного Фонда США (NSF), Национального Агенства по Атмосрфере и Океану США (NOAA), Национального Полярного Секретариата (Швеция), МеждународногоАрктического Научного Центра Университета Аляска, Фэрбэнкс (IARC UAF) и других научных организаций в России и за рубежом.

Практическое значение работы. Выявленная новая положительная обратная связь «потепление-деградация подводной мерзлоты и арктических мелководных газгидратов- эмиссия СН4 в атмосферу-потепление» в климатической системе была включена в отчет Всемирного Фонда Дикой Природы (WWF) и представлена для обсуждения на Конгрессе Всемирного Метеорологического Общества в сентябре 2009 г в Женеве и на Саммите ООН в Копенгагене в декабре 2009 г. Полученные результаты позволят усовершенствовать современные математические модели, восстанавливающие динамику подводной мерзлоты в прошлом и прогнозирующие современное состояние подводной мерзлоты. Данные, полученные в ходе настоящего исследования могут быть положены в основу разработки и усовершенствования климатических моделей за счет включения в них положительной обратной связи в системе «дестабилизация подводной мерзлоты/газгидратов–эмиссия СН4 в атмосферу – потепление». Разработанные автором методические подходы и оригинальные авторские методы могут стать основой для разработки стратегии дальнейших исследований в Арктических морях с целью изучения их роли в глобальном цикле метана и вклада в современные климатические процессы.

Личный вклад автора. Все данные, использованные в настоящей работе, получены в ходе выполнения проектов, в которых автор являлась руководителем целого проекта или его соответствующего раздела в период 2003-2008 гг. (проекты ДВО РАН, РФФИ, NOAA, NSF, IARC UAF). Вклад автора включал: 1) разработку научной стратегии и методологии, обоснование целей, задач и инструментального обеспечения настоящего исследования; 2) анализ и обработку оригинальных и литературных данных, 3) обоснование и разработку оригинальных количественных методов оценки ежегодной эмиссии СН4, структуры годового баланса потоков метана и его отдельных компонентов; 4) обоснование параметров для улучшения алгоритма математической модели современного состояния подводной мерзлоты, реализованного в настоящей работе; 5) статистический анализ и графическое представление данных; 6) написание статей, настоящей диссертации и представление основных результатов на научных конференциях регионального, общероссийского и международного уровня.

Публикации и апробация работы. Результаты, обсуждаемые в диссертационной работе, легли в основу 21 научных статей, 16 из которых опубликованы в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук (в 11 статьях – в качестве первого автора), а также представлены в материалах более 30 российских и международных конференций, основные из которых: ежегодные конференции (2004-2009) American Geophysical Union, AGU (San Francisco, CA) и General Assembly of the European Geophysical Union (Vienna, Austria); International conference: Bridges of science between North America and the Russian Far East, 14-16 September 2004, Vladivostok, Russia; 2004 Ocean Sciences Meeting, AGU, Honolulu, Hawaii, April 2004; 11th Seoul International Conference on Polar Sciences, Jeju, Korea, 8-9 September 2004; The 15th Global Warming International Conference, San Francisco, USA, April 20-22, 2004; 2005 International Research Conference, Paris, June 5-10; the summer meeting of the American Society of Lymnology and Oceanography (ASLO), Santiago de Compostella, Italy, June 19-24; Gas transfer at water surface. the 37th International Liege Colloquium on Ocean Dynamics, Liege, Belgium, May, 2-6, 2005; the 5th Arctic Coastal Dynamics International Workshop. October 13-16, 2004, Montreal, Canada; UAF-JAMSTEC Conference in Farbanks/Alaska, GCCI-2007, April 2007.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 190 наименований, в том числе 85 иностранных источников. Она содержит 175 страниц текста, 40 рисунков, 15 таблиц. Общий объем диссертации составляет 200 страниц.

Благодарности. Автор выражает благодарность академикам В.И. Сергиенко, Г.С. Голицыну, В.А. Акуличеву, П.Я. Бакланову за постоянную поддержку; проф. Г. П. Пантелееву, О. Густаффсону, А. Лейферу, д.г.н. И. П. Семилетову, к.м.н. Д. А. Никольскому, к.ф.-м.н. А.Н. Салюку, к.ф.-и.н. В.И. Юсупову за совместное решение научно-методических задач; к.б.н. Н.А. Бельчевой, к.г.-м.н. О.В. Дудареву, Д.А. Космачу, А. Н. Чаркину и другим сотрудникам лаборатории геохимии полярных регионов ТОИ ДВО РАН за многолетнее сотрудничество в проведении экспедиционных исследований и участие в обработке полученных материалов; Е.Б. Моисеевской за помощь в оформлении данной работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.