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 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Метан в морях восточной арктики

-- [ Страница 3 ] --
Название прибора Год вып. Страна произво -дитель Измеряемые параметры Основные хар-ки Точность измерений
Seabird SBE-19+ 2003 США Температура соленость мутность (-5С):(35С) 0-9 S/m 0.1-5000 мг/л 0.005С 0.005 S/m 0.1 мг/л
MicroTech-8160 2002 США СН4, С2+ ПИД ~1%
HAFMA (DLT-100) 2005 США СН4 10-20 Гц, 50ppb-25ppmv 10 ppb, воспроиз водимость ~1%
Y81000 2002 США 3 вектора скорости ветра, акустическая температура 10-25 Гц, 0-35м/сек, (-30С):(50С) <2.0%, 0.02С
Windmaster PRO 2007 Англия 3 вектора скорости ветра, акустическая температура 10-32 Гц, 0-65м/сек, (-30С):(50С) <1.5%, 0.01С
Furuno BP-100 Li-Cor 1401 2007 2001 США США направление и скорость ветра, температура, влажность, давление 0-360 0-30 м/сек (-40С):(60С) 0-100% 650-800 торр 1%
Li-Cor-7500 2002 США СО2, пары воды, температура 0-3000 µМ/М 0-42 г/м3 (-30С):(50С) 0.16 ррм 0.067 ppt 0.01C
Li-Cor-820 2003 США СО2 0-20000 ррм <1 ppm
Crossbow 2007 США датчик движения >100 Гц 400 сек <0.2
GeoPulse Sub-bottom Profiler 2007 Англия Сейсмопрофилирование высокого разрешения 3.5 кГц разрешение 10-30 см
Atlas Deso 10 1973 Германия обнаружение акустических неоднородностей 30 кГц (аналоговый) 11кГц (цифровой)
Локатор бокового обзора 2004 Россия обнаружение акустических неоднородностей (вода, дно) 85 кГц, дальность однару- жения 750 м
Многолучевой Эхолот Imagenex-Delta T 2008 США детектирование и количественная оценка пурырько- вого переноса 260 кГц, 120 лучей радиус обнаружения равен удвоенной глубине

В Разделе 2.6 дано описание основных методов и приборов, использованных для измерения гидрологических параметров (температура воды, соленость), которые были использованы для расчетов концентраций растворенного СН4 в водном столбе. Измерения выполнялись in situ с использованием гидрологического зонда Seabird-19+. Раздел 2.7 посвящен описанию изотопных методов. Изотопный состав углерода метана (13С, Н, 14С) испольовался для разделения возможных источников СН4 в водной толще МВА. В Разделе 2.8 описана критерии и методы статистической обработки и графического представления данных.

В Главе 3 представлен анализ пространственно-временной и сезонной изменчивости концентраций растворенного СН4 в водной толще МВА, факторов, ее определяющих, а также дана характеристика источников СН4 в МВА. В Разделе 3.1 показано, что в период открытой воды концентрации растворенного СН4 в водном столбе превышают равновесные концентрации относительно атмосферы, которые изменялись в диапазоне от 3.5 до 4.0 nM (Шахова и др., 2005). В качестве средней концентрации атмосферного СН4 в расчетах принято средне-широтное значение (latitude specific monthly mean, LSMM) равное 1.85 ррм (http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/insitu.html). На основании полученных данных показано (2003-2007 гг.), что как придонные так и поверхностные пробы воды были значительно перенасыщены СН4, более 50% изученной акватории являлось источником СН4 в атмосферу региона (Рис. 4).

Рис. 4. Положение океанографических станций в районе исследования (а); распределение концентраций растворенного СН4 в придонном слое воды (б); распределение концентраций растворенного СН4 в поверхностном слое воды (в); диффузионные потоки СН4 (г).

Пространственное распределение концентраций отличалось выраженной мозаичностью и наличием резких пространственных градиентов (Шахова и др. 2007а; 2008). Выделялись локализованные области, в которых перенасыщение воды растворенным СН4 достигало 900-18000%. Такие области составляли около 10% изученной акватории и были выделены как области плюмов.

В работах российских ученых (Lein et al., 2007; Savvichev et al., 2007) было показано, что в отдельных районах МВА (Чукотское море) скорости процессов окисления СН4 в осадках низкие даже летом, когда температуры придонной воды самые высокие, и изменяются в пределах от 0.03 nM СН4/сут до 0.1 nM СН4/сут. Эта величина хорошо согласуется со скоростям окисления, ранее зарегистрированными в Карском море (Namsaraev et al. 1995). Если принять допущение о том, что эти скорости окисления можно распространить на все осадки МВА, то за 265 дней эта величина может достигает от 8 nM СН4 до 26.5 nM СН4. Это означает, что концентрации растворенного СН4, измеренные в зимнее время подо льдом, должны быть существенно ниже, чем летние. Тем не менее, сравнение результатов летних и зимних измерений, выполненных в северо-западной части губы Буор-Хая (море Лаптевых) показало превышение зимних концентраций над летними до 10 раз (до 5 µМ). Характерно, что вертикальное распределение СН4 в водном столбе в летнее и зимнее время совпадали - максимум находился в поверхностном слое воды, что свидетельствует о доминирующей роли пузырькового транспорта при наличии мощного донного источника (Шахова и др., 2009 а, б).

В Разделе 3.2 рассмотрены особенности вертикального распределения СН4 в водном столбе. Выделено три типа распределения СН4 в водном столбе, характерные как для летнего, так и для зимнего периода: первый тип - распределение с наличием придонного максимума растворенного СН4; второй тип - распределение с наличием поверхностного максимума, и третий тип - распределение с отсутствием градиента концентрации в пределах водного столба (Рис.5). Показано, что перенос СН4 в водном столбе осуществляется двумя способами – диффузионным и в форме пузырьков.

Рис. 5. Вертикальный разрез, совмещающий профили второго и третьего типов (апрель 2007 г).

В пользу диффузионного переноса свидетельствует первый тип распределения растворенного СН4 в водном столбе, в пользу пузырькового переноса – второй и третий типы (Shakhova et al., 2010). Пузырьковый перенос подтвержден акустической регистрацией больших скоплений пузырей в водной толще и геофизической их регистрацией в осадках (Рис.6). Кроме того, пурызи были визуально зафиксированы в составе морского льда зимой (Рис. 7).

 Результаты обработки сейсмических и гидро-акустических данных: а) пузыри св-5

Рис. 6. Результаты обработки сейсмических и гидро-акустических данных: а) пузыри св составе осадков и в толще воды; б) скопления пузырей в водной толще по данным судового эхолота; в) пузыри, выходящие из дна по данным локатора бокового обзора.

Для оценки межгодовой изменчивости был разработан и реализован количественный метод интегральной оценки запаса растворенного СН4 в водном столбе и потенциальной эмиссии СН4, представленный в Разделе 3.3. Сущность метода заключалась в следующем. На основе имеющихся данных, полученных на различных горизонтах, выполнялась горизонтальная и вертикальная линейная интерполяция данных для получения суммарного значения для области сравнения. Расчет осуществлялся по формуле:

А=

где s=s(x,y), z - соответственно горизонтальные и вертикальные координаты, S – площадь исследуемого района, H(s)-глубины, соответствующие горизонтам отбора проб, and A(s,z)- пространственное распределение концентраций СН4. Расчеты были выполнены для летнего сезона на основе данных 2003 и 2004 гг. Показно, что межгодовая изменчивость интегрального запаса растворенного СН4 и, соответственно, потенциальная эмиссия, может достигать >5 раз, в то время как средние концентрации растворенного СН4 в поверхностных водах изменялись только на 30% (Shakhova et al., 2005). Это свидетельствует о том, что количественные оценки диффузионных потоков, основанные на принятых параметризациях, не могут дать реальной картины существующих потоков СН4 в системе «дно-водная толща-приводный слой атмосферы».

Анализ сезонных различий в величинах концентраций растворенного СН4 и объемах интегрального запаса СН4 был выполнен для района Буор-Хая на основе летних данных 2005 г и зимних данных 2007 г.

Показано, что концентрации растворенного метана в летнее время в этом районе изменялись в придонном слое пределах от 2.1 до 651 nM, а в поверхностном слое от 2.9 до 298 nM. В зимнее время самые высокие концентрации растворенного метана, измеренные подо льдом в поверхностном слое воды достигали 5000 nM, а в придонном слое – 2500 nM (Шахова и др., 2008). Таким образом, сезонная изменчивость максимальных концентраций достигала 8-10 раз. При этом, в составе морского льда были зарегистрированы пузыри, диаметром до 30 см (Рис.6). Расчет интегральных запасов метана в водном столбе изучаемого района (принятой площадью 103 км2) показал, что в летнее время он составил 7.6 x 107 г СН4, в то время как в зимнее время достиг 60.1 x 107 г СН4.

 Распределение концентраций растворенного СН4 в водном столбе в районе Буор-Хая,-7

Рис. 7. Распределение концентраций растворенного СН4 в водном столбе в районе Буор-Хая, измеренные подо льдом в апреле 2007: а) поверхностный слой воды; б) придонный слой воды; в) пузыри, включенные в состав льда.

В Разделе 3.4 обсуждаются возможные источники СН4 в водную толщу в МВА. Великие Сибирские реки интегрируют растворенный СН4, поступающий из наземных источников, расположенных в водосборах рек и выносят остаточные количества на шельф МВА. В частности, это проявляется в увеличении концентраций растворенного СН4 в устьевых районах рек (Шахова и др., 2007; Shakhova and Semiletov, 2007). Для выявления значимости стока рек в балансе прибрежной зоны МВА были рассчитаны интегральные величины запаса растворенного метана, солености, и общего минерального углерода в водном столбе, которые показали, что повышенные концентрации растворенного СН4 коррелируют с параметрами, характеризующими морскую воду (Shakhova and Semiletov, 2007; Semiletov et al., 2007), в то вермя как речные воды не играют значимой роли в динамике растворенного СН4 на акватории МВА. Для уточнения роли латерального переноса метана речным стоком в сентябре 2006 г была выполнена специализированная экспедиция, задачей которой было проследить, как изменяются концентрации растворенного СН4 вниз по течению реки Лены до выхода речных вод на шельф. В результате исследования было показано, что концентрации растворенного СН4 при выходе речных вод на шельф снижаются до незначимых (Рис.8).

Рис. 8. Динамика растворенного СН4 вниз по течению реки ены в Быковской протоке (сентябрь 2006): а) придонные концентрации; б) поверхностные концентрации.

Показано также, что особенности пространственного и вертикального распределения растворенного метана, а также сезонная динамика не могут быть объяснены современной продукцией СН4 в донных осадках. Территориальное распределения растворенного СН4 в придонном слое воды в изучаемом районе не коррелирует с распределением концентраций органического углерода (Сорг) в донных осадках. Например, в проливе Дмитрия Лаптева, где концентрация Сорг минимальна и составлет <0.5%, устойчиво ( по данным 2004 и 2005 гг.) регистрируется устойчивая аномалия растворенного СН4 (до 154 nM), равномерно распределенного в водном столбе. В то же время, установлена корреляция аномалий растворенного метана с положением рифтовых зон.

Как было показано в исследованиях российских ученых (Романкевич, 1984; Романкевич и Ветров, 2001; Vetrov and Romankevich, 2004), высокая несбалансированность цикла углерода в морях Российской Арктики является одной из наиболее ярких особенностей полярного литогенеза и состава захороняющегося органического вещества (ОВ). Согласно оценкам приведенным в работе Романкевича и Ветрова (2001), размеры анаэробных диагенетических потерь ОВ составляет ~5-7%, часть которого может поступать в воду-атмосферу в форме СН4. Это означает, что при условии диагенетической трансформации 7% от всего количества ежегодно осажденного ОВ, которое оценивается в размере 91012 г-С (9 Tg-С) для всех арктических морей России (АМР), в МВА, составляющие ~50% площади АМР, в результате диагенеза может попасть не более чем 0.31012 г-СН4. Здесь важно отметить, что от 70 до 100% ОВ поверхностных осадков Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых являются наземными по происхождению (Ветров и др., 2008; Semiletov et al., 2005; Stein et al., 1999), поэтому только ~1% ОВ может выступать субстратом для метаногенеза на ранних стадиях диагенеза (водно-экстрагируемый органический углерод или water-extractable organic carbon или WEOC, Wagner et al., 2005). Из сказанного следует, что <0.0031012 г-СН4 может быть результатом современной продукции в осадках МВА.

Окисление СН4 в водном столбе ведет к значительному понижению концентраций растворенного СН4, вплоть до концентраций ниже равновесных с атмосферой, что и происходит на основной части акватории Мирового океана (Ivanov et al., 1993; Reeburgh, 2007). Этот процесс работает в глубоком океане как биологический барьер, препятствующий выходу СН4 из разрушающихся океанических газовых гидратов и других геологических источников в водную толщу и, далее, в атмосферу (Лейн, 2004; 2009; Naudts et al., 2006). В работах Лейн (2004; 2009) и Лейн с соавторами (2004; 2007), посвященной детальному исследованию биогеохимических процессов в Чукотском море, показано, что на некоторых станциях скорости метанобразования в поверхностных осадках были ниже, чем скорости окисления метана. По мнению авторов, это свидетельствует о наличии внешнего источника СН4, не связанного в современной продукцией в осадках. В пользу этого предположения свидетельствуют также работы Арэ (2001), Лаверова и Грамберга (2000), в которых было показано, что из толщи осадков на шельфе АМР неоднократно наблюдались мощные прорывы газовых струй, которые поднимались в воздух на несколько десятков метров. В более ранних работах описан случай, когда при поведении взрывных работ для навигационных целей в проливе Дмитрия Лаптева, воздух надо льдом горел синим пламенем, что предположительно свидетельствует о выбросе природного газа из донных залежей (Зубов, 1938).

Далее показано, что продукция СН4 в водном столбе на шельфе моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря маловероятна по целому ряду причин. Во-первых, в изученных районах этих морей водная толща является аэробной средой (насыщение О240%), поэтому продукция СН4 может иметь место исключительно в анаэробных микрозонах взвеси (пеллеты) на нижней границе пикноклина, которые обнаружены в морях с высокой/умеренной первичной продукцией. Во-вторых, в изученном районе первичная продукция резко ограничена недостатком света (светопроницаемость в некоторых районах составлет не более 40 см) и в среднем на 1-2 порядка ниже, чем в типичных морских экосистемах. В-третьих, глубина пикноклина в морях, где зарегистрирован феномен продукции СН4 в водном столбе, обычно составлет 100-150 м. Это позволяет достаточному для поддержания метаногенеза количеству органического вещества аккумулироваться в анаэробных микрозонах (пеллеты). В МВА глубина пикноклина изменяется от 2-3 м до 20 м, а на значительной площади Восточно-Сибирского моря стратификация вообще отсутствует.

Это означает, что в условиях МВА создание подходящих условий и накопление достаточного количества субстрата для продукции СН4 в водном столбе маловероятно. Исключение может составлять Чукотское море, которое в настоящем исследовании было изучено в наименьшей степени. Аэробная продукция метана в водном столбе МВА в данной работе не обсуждается, т.к. вопрос о возможности такой продукции до сих пор остается дискуссионным (Е. Damm, 2009, личное сообщение). В любом случае, максимальные концентрации растворенного СН4, которые могут ассоциироваться с продукцией СН4 вводном столбе не могут превышать 9 nM (Ward et al., 1993; Sasakawa et al., 2006). Из этого следует, что этот источник пренебрежимо мал в условяих МВА, где концентрации растворенного СН4 летом достигают 970 nM, и зимой 20000 nM (Shakhova et al., 2010; Semiletov, 1999).

Для идентификации возможных источников СН4 был выполнен изотопный анализ углерода (13С-СН4) и водорода (D-СН4) метана. Кроме того, был выполнен изотопный анализ благородных газов (3Не/4Не) с целью подтверждения гипотезы о проницаемости подводной мерзлоты для мантийных газов. Данные показали, что изотопная формула СН4 в изученном районе наилучшим образом характеризует смесь различных источников, в числе которых могут быть как биогенные, так и термогенные (Рис. 9). Диапазон изменчивости 13С-СН4 составил (-68.3‰):(-50.9‰), в то время как для D-СН4 он составил (-196.1‰):(-47.5‰).

Рис. 9. Диаграмма, характеризующая взаимосвязь 13С-СН4 и D-СН4 в изотопной формуле метана в МВА (по Whiticar, 1999).

Характерная особенность распределения изотопных характеристик в водном столбе состояла в отсутствии тенденции к утяжелению изотопной формулы СН4 при его движении к поверхности воды. Напротив, самые легкие значения как для 13С-СН4 так и для D-СН4 регистрировались в поверхностном слое воды, при этом концентрации растворенного СН4 в поверхностном слое воды на этих станциях были максимальными (до 5 µМ), а во льду регистрировались массивные включения пузырей (Рис. 7). Самым тяжелым значениям 13С соответствовали самые тяжелые значения 13С-СН4 и более низкие, хотя и высокие, концентрации растворенного СН4 (970 nM).

 Изотопная формула растворенного СН4, проанализированная с использованием-10

Рис. 10. Изотопная формула растворенного СН4, проанализированная с использованием методики «keeling plots» (соотношение изотопных данных и 1000/концентрация метана в газовой фазе): а) данные по 13С-СН4; б) данные по D-СН4.



Pages:     | 1 | 2 || 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.