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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Метан в морях восточной арктики

-- [ Страница 2 ] --
  1. Шельфовые воды МВА являются источником СН4 в атмосферу Арктического региона; по результатам многолетних исследований (2003-2007 гг.) ~80% придонных и ~50% поверхностных проб морской воды, отобранных в районе работ, перенасыщены растворенным метаном.
  2. Основным источником СН4 в водную толщу МВА являются донные отложения СН4 (биогенные и термогенные источники), сформированные в доголоценовые эпохи; вклады современной продукции СН4 в осадках, латерального переноса реками и продукции в водном столбе не являются значимыми;
  3. Эмиссия СН4 в атмосферу определяется вкладами территориального, сезонного и транспортного компонентов. Мощность ежегодной современной эмиссии СН4 из акватории МВА составляет ~81012 г-СН4, что соизмеримо с ежегодной суммарной эмиссией СН4 из всех окраинных морей Мирового океана, которая, по разным оценкам, составляет от 51012 г-СН4 до 201012 г-СН4 (IPCC, 2001; Bange et al., 1994; Reeburgh, 2007).
  4. В МВА выделяются две пространственно-временных моды эмиссии: равномерная, обусловленная диффузионным переносом СН4 и неравномерная (резкие, иногда массированные выбросы), обусловленная пузырьковым транспортом СН4. Максимальная расчетная мощность диффузионных потоков достигала 50 мг-СН4/м2/сут; максимальная зарегистрированная мощность пузырьковых потоков изменялась от 44 г-СН4/м2/сут (расчет снизу) до 1.8105 г-СН4/м2/сут (расчет сверху).
  5. Ведущим фактором, ответственным за формирование пространственно-временной изменчивости и мощности потоков СН4 является геологический фактор, а именно - состояние подводной мерзлоты, которое определяется наличием или отсутствием таликов в ее структуре. Сквозные талики формируются под влиянием комплекса факторов, в числе которых степень минерализации осадка, доля незамерзшей воды в его структуре, сложное строение осадочной толщи и влияние процессов термокарста имеют важное значение.

Фактический материал. В основу работы положены данные 8 экспедиций (6 летних рейсов, 1 зимней экспедиции и 1 вертолетной экспедиции), выполненных в период с 2003 по 2008 гг.; всего проанализировано >5000 проб растворенного СН4, отобранных на >1000 океанографических станций; выполнены многосуточные непрерывные, а также дискретные измерения концентраций СН4 в приводном слое атмосферы (судовые измерения) и в более высоких слоях атмосферы (вертолетные измерения) до высоты 1800 метров. Также включены некоторые результаты, полученные в экспедиции 2009 г. Район исследования включал море Лаптевых, Восточно-Сибирское море и российскую часть Чукотского моря от береговой линии до шельфового склона, общей площадью 2.1106 км2. Более детальная информация по фактическому материалу приведена ниже в кратком описании Главы 2 и разделе Личный вклад автора. Настоящая работа выполнялась в рамках национальных проектов, финансируемых РФФИ, по Программе фундаментальных исследований РАН и Президиума РАН (№ 13, 17, направление 7), Президиума ДВО РАН (2003-2005 гг), а также в рамках российско-американского сотрудничества по совместным проектам с IARC UAF (2003-2008 гг.), по грантам NOAA и NSF (2003-2008 гг).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследования, раскрыта научная новизна, практическая значимость полученных результатов, их достоверность и обоснованность, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 дано краткое описание факторов, определяющих роль МВА в современном цикле СН4 и глобальной климатической системе и кратко приведена история изучения этого вопроса российскими учеными. Сформулированы основные достижения и проблемы, касающиеся развития современных научных представлений о динамике пост-трансгрессионных трансформаций и современного состоянии криолитозоны Арктического шельфа. Глава состоит из четырех разделов. В разделе 1.1 выполнен анализ литературных данных, характеризующих СН4 как компонент глобального цикла углерода и эффективный парниковый газ, показана его климатообразующая роль в различные климатические эпохи. Все возрастающий интерес к изучению этого компонента атмосферы объясняется тем, что радиационная активность СН4 значительно выше, а темпы увеличения атмосферных концентраций примерно в 2-4 раза выше, чем у СО2 – парникового газа номер один в современной климатологии (IPCC, 2001; 2007). Подчеркнуто, что в холодные климатические эпохи концентрации СН4 в атмосфере Земли составляли 0.3-0.4 ррм, в то время как в теплые климатические эпохи они устойчиво фиксировалось на уровне 0.6-0.7 ррм (Заварзин и Кларк, 1987; Steele et al., 1987). В нарушение этой закономерности, которая прослеживалась по крайней мере в течение последних четырех климатических циклов (~400 тыс. лет), в последние 200 лет концентрации СН4 в атмосфере Земли значительно возросли и достигли 1.7 ррм в средних широтах и 1.85 ррм в атмосфере Арктического региона. Это произошло в результате почти троекратного увеличения эмиссии метана в атмосферу (Рис.1).

Более того, последняя оценка вклада СН4 в потенциал глобального потепления, рассчитанная для ближайших 100 лет с включением ранее неучитываемых обратных связей в климатической системе, показала что ранние оценки недоучитывали климатическую роль СН4 примерно на 20-40% (Shindell et al., 2009). Это значит, что суммарный радиационный форсинг от 1 кг СН4, превышает аналогичную величину для СО2 примерно в 35 раз, а не в 25 раз как было принято считать до недавнего времени.

Рис.1. Глобальный рост эмиссии СН4 за период 1850-2000 гг. (Stern & Kaufmann, 2003).

В разделе 1.2 показана особая роль северных экосистем в современном цикле СН4, который является неотъемлемой частью глобального цикла углерода. Известно, что в почвах северных экосистем сосредоточено более 30% всего органического углерода планеты, при этом подавляющая его часть законсервирована в мерзлоте. В осадочных бассейнах Северного Ледовитого океана (СЛО) также сосредоточен огромный пул органического углерода, преимущественно в форме углеводородов, названный «гигантским Арктическим суперпулом» (Грамберг и др. 1983).

Существует мнение, что прирост концентраций СН4 в атмосфере, который ежегодно составляет 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) Арктический максимум СН4 поддерживается круглогодично; 3) Арктический максимум СН4 в атмосфере существует не над умеренными широтами (в полосе 20°-60° с.ш., где сжигается свыше 90% ископаемого топлива), а над Арктикой/Субарктикой (Заварзин и Кларк, 1987; IPCC, 2001; Steele et al., 1987), где антропогенная активность относительно невелика (менее 5% добываемого ископаемого топлива сжигается между 60° и 70° с.ш.) и он не может быть объяснен циркуляцикй воздушных масс. Это означает, что в межледниковые периоды в северных широтах существует мощный природный источник СН4 и этим источником не могут быть наземные экосистемы, поскольку единственным предполагаемым круглогодичным источником СН4 на суше являются термокарстовые озера, площадь которых чрезвычайно мала, к тому же в зимние месяцы пресный лед является непреодолимой преградой для газообмена. В то же время, межклиматическое потепление оказывает мощное влияние на состояние подводной мерзлоты, которая претерпевает более значительные изменения термического режима, по сравнению с наземной мерзлотой.

Рис. 2. Увеличение сезонных температур воздуха в 2000-2005 гг. по сравнению с сезонными температурами, зарегистрированными в 20-м веке (а, по данным NOAA); б) данные ботиметрии СЛО глубины <50 м показаны оттенками красного цвета.

Кроме того, в Арктическом регионе наблюдается потепление климата, которое проявляется в росте сезонных температур воздуха и воды (Рис. 2а); сокращении морского и пресного льда; уменьшении толщины снега; таянию ледников; изменении температурного режима мерзлоты (ACIA, 2004). В этой связи, изучение МВА как возможного источника СН4 в атмосферу Арктического региона является чрезвычайно актуальным.

В разделе 1.3 МВА рассмотрены как важная часть углеводородного пула СЛО. Благодаря исследованиям российских ученых (Григореьв, 1963; Соловьев, 1981; Грамберг, 1983; Лисицын 1993; Богданов и Хаин, 1995; Драчев, 1995; Имаев, 1998; Павлидис, 2000; Лаверов и Грамберг, 2001; Дмитриевский, 2005) установлено, что шельф МВА характеризуется уникальными литологическими и седиментологическими условиями, определяющими характерные особенности цикла углерода и создающими благоприятные условия для продукции и накопления СН4 в донных отложениях (Романкевич, 1984; Романкевич и Ветров, 2001; Vetrov & Romankevich, 2004). Коротко освещены вопросы геологии и рифтогенеза МВА, особенности формирования донных отложений и формирование условий метаногенеза, газо- и гидратообразования и формирования резервуаров метана. Освещены вопросы современного осадкообразования и формирования условий для бактериального метаногенеза. Показано, что в условиях пассивной континентальной окраины в осадочных бассейнах МВА создаются исключительно благоприятные условия для продукции метана на всех стадиях трансформации органического вещества (ОВ) - в диагенезе, катагенезе и на стадии метаморфизма.

С другой стороны, являясь исключительно мелководным (Рис. 2б), шельф МВА в холодные климатические эпохи обнажается и становится частью наземных северных экосистем. В результате глубокого промерзания на шельфе-суше формируется мерзлота, которая ограничивает продукцию СН4 областями сезонно-талого (активного) слоя. При последующей смене холодных климатических периодов на теплые, происходит потепление температуры поверхности Земли в среднем на 6-7С (Houghton, 1997), в то вермя как а в Арктических регионах потепление может достигать 20С (например, в Гренландии, Cuffey et al., 1995). Потепление сопровождается интенсивным развитием процессов термокарста. Сезонная продукция СН4 сменяется круглогодичной, которая происходит в подозерных таликах после достижения озером глубины 2 м. Дальнейшее потепление приводит к таянию ледников и росту уровня океана. В результате происходит обратное затопление обнаженного шельфа МВА. При этом, термический режим погруженной мерзлоты, которая становится подводной, изменяется гораздо более существенно, по сравнению с наземной мерзлотой, поскольку среднегодовая температура морской воды теплее температуры поверхности Земли в холодные эпохи более чем на 15С. Тем не менее, в течение сотен и тысяч лет подводная мерзлота не только препятствуют восходящему движению СН4 из донных отложений, но и ограничивают современную продукцию СН4 областями преимущественного накопления осадков (т.н. депо-центры), а также областями формирования таликов в структуре мерзлоты (Романовский и др. 2000; 2001; 2005; Касымская, 2005; Гаврилов, 2008).

В Разделе 1.4 изложена история изучения арктического криолитогенеза и современные взгляды ведущих ученых по вопросу о возможном распространении подводной мерзлоты в МВА. Проанализирована палеогеографическая история шельфа МВА, связанная с гляцио-эвстатическими колебаниями уровня океана при смене климатических циклов. Показано, что в холодные климатические эпохи, когда уровень океана падает на 100-120 м, обширный (2.1106 км2) и мелководный шельф МВА (средняя глубина <50 м) обнажается и становится частью сибирской приморской низменности. В результате глубокого промерзания здесь формируется мерзлота и создаются благоприятные условия для формирования зоны стабильности Арктических газгидратов, которые, в отличие от океанических газгидратов характеризуются: высокой концентрацией в пространстве, большей мощностью залегания пластов, высоким процентом насыщения газгидратами порового пространства осадка (20-80% в отличие от 1-2% в океанических газгидратах), более высокой чувствительностью к изменениям температурного режима (для дестабилизации газгидрата, образованного при температуре <0С требуется в 3 раза меньше энергии, чем для газгидрата, образованного при температуре >0С, Makogon, 2007). Кроме того, зона стабильности Арктических газгидратов определяется стабильностью мерзлоты.

При смене субаэральной обстановки на субмаринную происходит закономерное изменение термического режима подводной мерзлоты и сокращение зоны стабильности газгидратов. При нарушении целостности мерзлоты свободный газ из разрушенных газгидратов может поступать в водную толщу и далее в атмосферу. Показано, что на шельфе МВА находится основная часть мелководных Арктических газгидратов, поскольку >80% предполагаемой подводной мерзлоты прогнозируется именно на шельфе МВА (Рис. 3).

 Предполагаемые области распространения мелководных Арктических газгидратов-2

Рис. 3. Предполагаемые области распространения мелководных Арктических газгидратов (а, Соловьев, 1999) и подводной мерзлоты (б, ACIA, 2004).

В Главе 2 дано детальное описание района работ, методов, использованных в настоящем исследовании, а также приведены основные характеристики приборов и оборудования. В Разделе 2.1 описан метод измерения СН4 в водном столбе и расчета концентраций растворенного СН4. Парофазный статический газохроматографический анализ был выполнен с использованием газового хроматографа (ГХ) MicroTech-8160 оборудованного пламенно-ионизационным детектором, ПИД (Таб. 1). В качестве газа-носителя использовался гелий. Калибровка прибора осуществлялась с использованием стандартых газовых смесей с содержанием метана 1.98 ррм, 99.6 ррм и 997.8 ррм (Air Liquide, USA). Концентрации растворенного СН4 расчитывались в соответствии с методикой, описанной в работе Wiesenburg и Guinasso (1979), основанной на использовании коэффициентов растворимости СН4 (коэффициент Бунзена). В Разделе 2.2 описаны методы измерения метана в приводном слое атмосферы. Измерения выполнялись двумя методами: с использованием ГХ MicroTech-8160 (2003-2005 гг.) и с in-situ использованием высоточного быстрого метанового анализатора (2005-2007) HAFMA (DLT-100, http://www.lgrinc.com ). Время ответа составляло <0.05 секунды, ошибка измерений <1% при измерениях в диапазоне от 1010-3 ррм до 25 ррм на частоте 10-12 Гц (Таб. 1). Измерения в приводном слое атмосферы выполнялись в двух режимах: на борту судна (Ауга, ТБ-12) и во время вертолетной съемки (МИ-8) в 2006 г.

В Разделе 2.3 описаны методы измерения микро-метеорологических параметров, которые использовались для расчета турбулентных потоков СН4, а также приборы, использованные для этих измерений. Пакет состоял из следующих приборов (Таб 1): HAFMA, с помощью которого производились измерения концентраций СН4 в атмосфере; 2 соник-анемометра/термометра, с помощью которых производились трехмерные измерения векторов скорости ветра и измерения температуры (Y81000, и Windmaster PRO); портативные метеостанции (Li-Cor 1401 и Furuno BP-100), с помощью которой производились измерения влажности воздуха и оперативная информация о скорости и направлени ветра; инфракрасный газовый спектрометр Li-Cor-7500 был использован для записи температуры воздуха, концентраций СО2 и паров воды; пульсационные непрерывные измерения концентраций СО2 выполнялись с помощью газового анализатора Li-Cor-820; измерения 6 компонентов движения судна выполнялсиь с помощью датчика движения Crossbow.

В Разделе 2.4 описаны методы расчета потоков СН4. Диффузионные потоки расчитаны по методике Wanninkhof (1992) в модификации, применимой для кратковременных рядов скорости ветра, измеренного в реальном времени (actual wind). Учет основных параметров газообмена осуществлялся путем расчета числа Шмидта, основанном на экспериментальных параметризациях. Расчет турбулентных потоков выполнен по методике Baldocchi (2003). В Разделе 2.5 описаны гидро-акустические и геофизические методы, использованные в настоящей работе. Сейсмопрофилограф высокого разрешения был использован на частоте 3.5 КГц при движении судна со скоростью 4-8 узлов. Для определения местоположения судна использовалась навигационная система GPS (Global Positioning System, Model 120 XL). Совместное использование судового эхолота (Atlas Deso 10) и локатора бокового обзора позволило зарегистрировать мощные скопления газонесущих пузырьков в водной толще. Основные характеристики приборов приведены в Таб.1.

Таблица 1.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.