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 | 3 || 5 | 6 |

Метан в морях восточной арктики

-- [ Страница 4 ] --

В результате анализа изотопных данных, выполненых по методике “Keeling plot”, было также показано, что разнообразие полученных данных не может быть достоверно обьъяснено процессами окисления растворенного СН4. В случаях, когда окисление является ведущим процессом, определяющим динамику изотопных характеристик, все разнообразие значений укладывается в линейный тренд. В действительности, полученные значения в линейный тренд не укладывались, а выделялись в отдельные группы (Рис. 10). Следовательно, разнообразие изотопных характеристик растворенного СН4 определяется вкладом различных источников.

В Главе 4 представлен методических подход и даны количественные оценки эмиссии СН4 в МВА. В Разделе 4.1 проанализированы данные о содержании СН4 в приводном слое атмосферы по данным летней экспедиции 2005 г и вертолетной съемки 2006 г. На основе данных 2005 г показано, что концентрации СН4 в приводном слое атмосферы по маршруту движения судна резко возросли при выходе из Карского моря в море Лаптевых. Средняя концентрация атмосферного СН4 в Карском море составила 2.1±0.02 ррм, в море Лаптевых среднее значение возросло до 2.97±0.15 ррм, а в Восточно-Сибирском море составило 2.66±0.09 ррм. Резкие всплески концентраций достигали в море Лаптевых 8.2 ррм, а в Восточно-Сибирском море - 6.4 ррм (Рис. 11).

Рис. 11. Динамика концентраций СН4 в приводном слое атмосферы: а) при движении судна по маршруту Северного морского пути (2005 г); б) во время вертолетной съемки до высоты 1800 м от поверхности моря (2006 г).

Данные, полученные в результате вертолетной съемки, свидетельсвуют об увеличение атмосферных концтраций СН4 до высоты 1800 м; увеличение достигало 5-10% от величины средней концентрации для данных широт (1.85 ррм). На основе летних измерения 2005 г было также показано, что области повышенных концентраций атмосферного СН4 коррелируют с областями плюмов растворенного СН4 (Рис.12).

В Разделе 4.2 дана характеристика существующего до настоящего времени подхода к оценке потоков СН4 в системе «водная поверхность-атмосфера» в Мировом океане, который основан на однокомпонентных моделях, включающих количественную оценку диффузионного транспорта СН4, в результате которого создается градиент на разделе поверхностей и поток, пропорциональный скорости ветра, направляется из более насыщенной среды в сторону менее насыщенной. Все известные до настоящего времени расчеты основаны на экспериментально установленных параметризациях, которые были получены в лабораторных условяих и протестированы в глубоководных районах Мирового океана (Wanninkhof, 1992), где существуют условия газообмена, принципиально отличающиеся от МВА. В результате проведенного в настоящей работе исследования, был сделан вывод о недостаточности однокомпонентного подхода в расчетах потоков СН4, поскольку такая модель не может адекватно описать все характерные особенности распределения СН4 в водной толще, выявленные в МВА.

Рис. 12. Концентрации СН4 в приводном слое атмосферы (а) вдоль разреза, показанного на рис. (б) в виде пунктирной линии красного цвета; на панели (б) представлены концентрации СН4 в поверхностном слое воды (сентябрь 2005 г).

Предложенная концептуальная модель потоков СН4 в системе водная поверхность/атмосфера в МВА включает 3 основных структурных блока, описывающих наиболее характерным особенности пространственно-временного распределения растворенного СН4 (Рис. 13): сезонный блок, транспортный блок и территориальный блок.

Рис. 13. Концептуальная модель ежегодной эмиссии СН4 в МВА

В результате комбинации парамертов из разных блоков были получены 6 компонентов, количественная оценка которых легла в основу расчета ежегодной эмиссии СН4 в атмосферу региона.

В Разделе 4.3 показано, что для количественной характеристики территориального компонента была выполнена статистическая обработка данных, в ходе которой были обоснованы статистические параметры для выделения областей плюмов. Было показано, что ~90% полученных данных по растворенному СН4 удовлетворительно описывается экспоненциальной кривой, в то время как ~10% случаев рост значений опережает экспоненту. После разделения данных на две коллекции (Рис.14), каждая из них хорошо описывалась кривой лог-нормального распределения, наиболее типичного для биогеохимических данных. Первая коллекция, включающая 90% данных легла в основу расчета потоков для фоновых районов (Fф), вторая коллекция, составляющая 10% данных, характеризующихся максимальными значениями концентраций растворенного СН4, послужила основой для расчета потоков из областей плюмов (Fпл). Расчет средних концентраций растворенного СН4 в каждой коллекции осуществлялся на базе основных статистик лог-нормального распределения.

Рис. 14. Распределение данных, полученное на основании экспоненциальной кривой.

Раздел 4.4 посвящен количественной характеристике транспортного блока заключала в себе выделение вклада диффузионного (Fд) и пузырькового (Fпп) транспорта растворенного СН4 в водном столбе. Пространственное распределение диффузионных потоков представлено на Рис.3, г (описание метода в Разделе 2.4). Среднее значение диффузионного потока в фоновых районах составило 3.67 мг/м2/сут, для районов плюмов среднее значение составило 11.8 мг/м2/сут. Было показано, что концентрации СН4 в приводном слое атмосферы, хотя в основном и коррелируют с аномалиями растворенного СН4 в поверхностном слое воды, тем не менее не могут быть объяснены существующими потоками, расчитанными на основе диффузионного переноса. Кроме того, динамика атмосферных концентраций, включающая резкие повторные всплески (до 8.2 ррм) и снижения концентраций (в течение нескольких секунд) также не характерна для районов, где преобладает диффузионный транпорт метана в водном столбе. Напротив, такая динамика характерна для районов Мирового океана, гда преобладает или играет существенную роль пузырьковый перенос. Таким образом, суммарный поток интегрирует вклад диффузионных потоков и пузырькового переноса. Для выделения вклада пузырькового переноса, были выполнены расчеты суммарных потоков метана в атмосферу на основе прямых (in situ) измерений атмосферных концентраций СН4 и турбулентных потоков атмосферного воздуха (eddy covariance method). Разница между расчетными суммарными потоками и расчетными диффузионными потоками была отнесена за счет пузырькового переноса. Дополнительно для отдельных районов была расчитана минимальная мощность донного источника, необходимая для формирования зарегистрированных концентраций СН4 в приводном слое атмосферы (Шахова и др., 2009 в; Юсупов и др., 2010). Тестирование расчетных данных было выполнено в полевых условиях путем прямых измерений пузырькового потока с помощью погружаемого сонара в сентябре 2009 г (см. Раздел 4.5).

В Разделе 4.5 описан подход к количественной оценке сезонного блока эмиссии. В основу предложенного подхода положены данные летних (2005 г) и зимних (2007 г) измерений в заливе Буор-Хая и в районе к востоку от дельты реки Лены. Максимальные летние концентрации СН4 в этом районе достигали 298 nM и 651 nM соответственно в придонном и поверхностном слое воды. В зимнее время подо льдом максимальные концентрации составили в придонном слое – 2.5 µМ, а в поверхностном - 5.0 µМ. Увеличение максимальных зимних концентраций по сравнению с максимальными летними составило 8-10 раз (Шахова и др., 2009 а,б; Шахова и др., 2008). В зимнее время эмиссия метана ограничена присутствием льда, и метан, накопленный подо льдом, представляет собой сумму диффузионного и пузырькового потока, уменьшенную на величину аэробного окисления СН4 в водном столбе. Так как продолжительность безледного и ледового периода составляет соответственно 100 и 265 дней, нереализованный поток метана, основанный на диффузионном транпорте, должен составлять величину в 2.65 раз превышающую летний диффузионный поток. Остальная часть превышения может быть отнесена за счет нереализованного пузырькового потока, ограниченного льдом.

Таким образом было расчитано, что диффузионный летний поток из фоновых областей составляет 0.691012 г-СН4, а из областей плюмов 0.241012 г-СН4, составляя в сумме 0.931012 г-СН4. Расчитанный турбулентный поток их фоновых областей составил в период открытой воды 1.561012 г-СН4, таким образом разница между турбулентным потоком и диффузионным летним потоком, отнесенная за счет пузырьковых потоков, составила 0.871012 г-СН4. Пузырьковый поток в областях плюмов, равный 0.391012 г-СН4 расчитан как разница между турбулентным потоком (0.631012 г-СН4) и диффузионным потоком (0.241012 г-СН4). Таким образом, суммарный летний поток составил 2.191012 г-СН4. При расчете потенциальной зимней эмиссии было принято, что в зимнее время соотношение вклада дифузионного и пузырькового транпорта остается таким же, как и в летнее время. Нереализованный зимний диффузионный поток, составляющий 2.421012 г-СН4 складывался из потока из фоновых областей равного 1.81012 г-СН4 и потока из областей плюмов равного 0.621012 г-СН4. Пузырьковый поток добавил бы в фоновых областях дополнительно 2.21012 г-СН4, а в областях плюмов 1.171012 г-СН4. Суммарная зимняя эмиссия составила 5.791012 г-СН4. Таким образом, потенциальная ежегодная эмиссиия, суммирующая диффузионные и пузырьковые потоки, составляет 7.981012 г-СН4.

Количественная оценка пузырьковой эмиссии СН4, была выполнена на основе данных, полученных с помощюю многолучевого акустического сонара, размещенного на погружаемой платформе (лэндере) (Leifer et al., 2009). Особенностью использованной методики является то, что сонар работает в двух режимах (3.5 и 200 кГц), а также в вертикальной моде измерений, что, во-первых, позволяет получить трехмерную картину восходящего движения акустических пузырьков и, во-вторых, позволяет отличить движение пузырьков от движения живых морских объектов (Рис. 15).

Рис. 15. Данные, полученные многолучевым акустическим сонаром: а) вид калибровочной кривой; б) трехмерное изображение движения пузырьков из дна до поверхности воды (сентябрь 2009 г.)

Достоинством метода является также и то, что калибровка прибора может осуществляться как в лабораторных условиях, так и в режиме реальных полевых исследований. В ходе выполненных измерений в радиусе действия сонара (площадь ~700 м2, глубина погружения 15 м) были обнаружены 4 холодных сипа, поток СН4 из которых достигал поверхности моря. Минимальный поток СН4, расчитанный на основе выполненных измерений, составил 44 г-СН4 м2 сут.

В Разделе 4.6 обсуждается возможная роль антропогенного фактора в усилении эмиссии СН4 в МВА. Показано, что при анализе динамики атмосферных концентрации, регистрируемых в режиме постоянных измерений (HAFMA DLT-100), превышения концентраций на изученном участке пути достигали 0.2 ррм (10%) и были статистически достоверными (Р0.95). При этом было выделено три типа кривых всплеска: тип 1 – незначительные (1-3%), равномерные во времени и симметричные в пространстве повышения концентраций атмосферного метана; тип 2 – симметричная кривая всплеска, отражающая плавное повышение концентраций до достижения максимального уровня (8-10%) и последующее такое же плавное снижение концентраций до исходного уровня, регистрируемая продолжительность всплеска составляет 20-30 минут (Рис. 16а); тип 3 – ассиметричная кривая всплеска, характеризующаяся резким, в течение 1-2 секунд, повышением концентраций до максимального уровня (8-10%), многократным повторением подобных повышений и последующим относительно плавным (несколько секунд) снижением концентраций до исходного уровня (Рис. 16,б; Шахова и др., 2009в).

 Пример кривых 2-го и 3-го типов, описывающих всплески атмосферных концентраций-16

Рис. 16. Пример кривых 2-го и 3-го типов, описывающих всплески атмосферных концентраций СН4: а) плавный рост и симметричное плавное снижение, время всплеска до 30 минут; б) кратковременные резкие всплески.

Характерным отличием всплесков 2-го типа было то, что они были получены в основном при равномерном движении судна на глубинах, превышающих 20 м. Симметричный характер кривых позволил предположить, что судно входило в области повышенных атмосферных концентраций СН4, а затем выходило из них. Продолжительность движения судна в таких областях (до часа) свидетельствует о том, что размеры пересекаемых облаков аномальных концентраций достигали нескольких километров в диаметре – при скорости движения судна 10 морских узлов (16 км в час) диаметр облака мог достигать 8 км. Поскольку в ходе предыдущих исследований в данном районе были зарегистрированы не только экстремально высокие концентрации СН4 в водной толще как в летний так и в зимний период, но также были обнаружены скопления пузырей большого диаметра, включенные в состав морского льда, было высказано предположение о формировании в этом районе мощных полей пузырьковой эмиссии, обеспеченной потоками метана из донных залежей, предположительно связанной с разрушением мелководных газогидратов.

 Результаты вейвлет-анализа (преобразование типа «Морле»), выполненные для-17

Рис. 17. Результаты вейвлет-анализа (преобразование типа «Морле»), выполненные для всплесков 3-го типа.

Анализ кривых 3-го типа показал, что появление серии коротких всплесков, следует по времени за моментом запуска двигателя и резкого набора судном скорости непосредственно после дрейфа на мелководье (глубины 15 м) с последующим движением по ветру. Сопоставление данного обстоятельства и формы кривой всплеска позволило выдвинуть гипотезу о том, что причиной возникновения всплеска атмосферного СН4 могло явиться само судно. Для анализа всплесков 3-го типа было применено вейвлет-преобразование данных с использованием вейвлета «Морле». Установлено существование ярко-выраженной периодичности: области более высоких величин энергии колебаний (более темные оттенки красного на Рис. 17) были сосредоточены в определенных интервалах периодов (частот), которые по времени соответствовали повторяющимся коротким всплескам концентраций атмосферного СН4. Мощность таких единичных источников, расчитанных на основе простой боксовой модели, может достигать от 0.7 г-СН4/сек до 2.1 г-СН4/сек, что соизмеримо с мощностью эмиссии СН4 из грязевых вулканов и геологических источников, в том числе из разрушающихся газогидратов. Таким образом, результаты анализа подтверждают гипотезу о том, что на мелководных участках ВСШ антропогенный фактор может являться одним из значимых факторов, усиливающих залповую эмиссию СН4 в атмосферу.

В Главе 5 показано, что состояние подводной мерзлоты является ведущим фактором геологического контроля современной эмиссии СН4 в МВА. В разделе 5.1 освещается история изучения подводной мерзлоты в МВА и формирования подходов к моделированию современного состояния подводной мерзлоты. Показано, что вопрос о состоянии подводной мерзлоты в МВА до настоящего времени является предметом научных дискуссий, поскольку результаты моделирования подводной мерзлоты противоречивы, а данные натурных наблюдений ограничены. Существует три точки зрения по вопросу о современном распространении подводной мерзлоты в МВА. Баранов (1958), Григорьев (1962), Арэ (1976) допускали возможность распространения подводной мерзлоты до изобаты 100 м, в то же время, предполагая возможное развитие таликов в зонах влияния теплых атлантических, тихоокеанских вод и речного стока крупных сибирских рек.

Развивая их взгляды, Романовский (1993) выделяет два основных типа криолитозоны: криолитозону внутренней части шельфа (прибрежно-шельфовую) и криолитозону внешней части шельфа (океаническая криолитозона). В результате моделирования современного состояния подводной мерзлоты, Романовский (2005) приходит к выводу о стабильности прибрежно-шельфовой криолитозону до изобаты 50-70 м. В то же время, он рассматривает возможность формирования сквозных таликов в рифтовых зонах. Другой крайней точки зрения придерживается Говоруха (1968). Он считает, что распространене подводной мерзлоты на Российском арктическом шельфе ограничено и встречается она лишь в узкой прибрежной полосе. От приведенных точек зрения отличаются взгляды Данилова и Жигарева (1977). По мнению этих авторов, распространение подводной мерзлоты на восточноарктическом шельфе ограничено; в море Лаптевых она распространена до 35 км от береговой черты, в Восточно-Сибирском море и Чукотском морях – от десятков до первых сотен метров. Для открытого шельфа моря Лаптевых характерно распространение островной (современной и реликтовой) подводной мерзлоты, а в Восточно-Сибирском и Чукотском морях она практически отсутствуют. Мнение этих авторов разделяли Неизвестнов (1981) и Соловьев (1981, 1983).

Несмотря на различия во взглядах, все авторы сходятся во мнении о том, что сплошная мерзлота наиболее вероятно существует в прибрежной полосе и в районах, прилегающих к островам, поскольку эти районы подвергались наиболее длительному промерзанию при обнажении шельфа в ходе регрессии океана. В то же время, результаты натурных наблюдений показали, что даже эта точка зрения требует дополнительного осмысления, поскольку противоречит результатам бурения. Например, при бурении в проливе Дмитрия Лаптева, где наиболее предположительно, мерзлота должна быть сплошной, в одном из кернов, наиболее приближенном к береговой черте о. Большой Ляховский, мерзлая зона бурением не была вскрыта до глубину 53-63 м от уровня моря. При бурении до глубины 86 м в проливе Санникова по трансектам от острова Малый Ляховский до Земли Бунге и вблизи юго-восточной оконечности Земли Бунге ни в одной из 10 скважин мерзлота не была вскрыта. В проливе Геденшторма мерзлые породы были вкрыты всеми шестью скважинами, однако толщина слоев, находящихся в мерзлом состоянии сильно варьировала – от 7 м до 88.8 м.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 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.