CC BY
63
УДК 551.465+519.63
В.В. Малахова
ИВМ и МГ, Новосибирск
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗОНЫ СТАБИЛЬНОСТИ ПОДДОННЫХ МЕТАНГИДРАТОВ В ПЕРИОД ЛЕДНИКОВО-МЕЖЛЕДНИКОВОГО ЦИКЛА
Анализ ледяных кернов говорит о том, что повышение температуры и рост концентрации метана и диоксида углерода в атмосфере шли в ту эпоху параллельно друг другу. В данной работе на основе трехмерной квазигеострофической модели термогидродинамики Мирового океана оценивается количество метана, которое могло поступить в атмосферу в результате разложения газогидратов в конце последнего ледникового периода 20 тысяч лет назад.
V.V. Malakhova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Novosibirsk, 630090, Russia
NUMERICAL MODELLING OF SUBBOTTOM METHANEHYDRATES STABILITY ZONE DURING THE LAST GLACIAL CYCLE
The observed synchronicity between temperature and methane concentrations from Greenland and Antarctica ice cores has raised the question of the role of methane in glacial-interglacial climate change. The three-dimensional mathematical climatic model of the ocean is used for the quantitative evaluation of the scale of a possible methane flux into the atmosphere from the decomposed subbottom methanehydrates. Two different equilibrium states were used as reference climates; the first state with observed Levitus ocean data and the second state with last glacial maximum forcing conditions.
Газовые гидраты - твердые кристаллические соединения газа и воды, образующиеся при определенных термобарических условиях, в которых молекулы газа (обычно метана) размещаются внутри молекул воды. Природные газовые гидраты - это такой компонент геосферы, который может серьезно влиять на климат и экологическую ситуацию за счет неконтролируемых выбросов и утечек большого количества метана в атмосферу [1]. По различным оценкам [2] возможный выход метана в атмосферу из залежей газогидратов с учетом их термодинамического равновесия составляет 5-200 млн.т/год.
Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство. За последние два столетия она возросла в два раза, в то время как углекислого газа - только на четверть. Среднее содержание метана в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион) [2].
По результатам исследования керна, геофизическим и другим данным на акваториях морей и океанов было выделено свыше 100 районов распространения газовых гидратов в поддонных отложениях. Глобальное присутствие газогидратов метана в поддонных областях Мирового океана и в
вечной мерзлоте, [3], и результаты исследования пузырьков воздуха из ледяных кернов Гренландии и Антарктиды [4], натолкнули ряд исследователей на гипотезу о доминирующем влиянии разложения газогидратов метана на изменение климата Земли и, в частности, на завершение последнего ледникового периода [5].
Анализ ледяных кернов говорит о том, что повышение температуры и рост концентрации метана и диоксида углерода в атмосфере шли в ту эпоху параллельно друг другу. Это первое прямое доказательство взаимосвязи содержания парниковых газов в атмосфере и изменений климата на протяжении всего климатического цикла, [4]. В течение всего времени, доступного для изучения по кернам полярных льдов, отмечены значительные колебания концентрации метана. Так резкие изменения концентрации метана приходятся на оба ледниково-межледниковых перехода: 150-135 тыс. и 18-9 тыс. лет назад, рис. 1. В эти периоды она резко возрастала (от 0,35 ppm в разгар оледенения до 0,6-0,7 ppm в межледниковые периоды)
[4].
Подобная корреляция изменений температуры и содержания парниковых газов на протяжении всего ледниковомежледникового цикла,
очевидно, свидетельствует о наличии причинноследственной связи. К
сожалению, точность таких определений недостаточна для установления
последовательности событий: что возникло раньше -повышение температуры,
вызвавшее разложение
газогидратов, или наоборот.
Многие специалисты, [6]
считают причиной изменение концентрации метана и углекислого газа.
Наблюдаемые изменения концентраций парниковых газов в прошлом и в современную эпоху могут являться не причиной, а прямым следствием температурных изменений, [7, 8]. Например, даже небольшое повышение средней температуры поверхностного слоя океана приводит к эмиссии огромного объема диоксида углерода за счет изменения его растворимости в морской воде. Одновременно возможен резкий выброс в атмосферу гигантских количеств метана за счет теплового разложения неустойчивых газовых гидратов на морском шельфе и на суше. А сильная положительная обратная связь, реализуемая через механизм парникового эффекта, может многократно усиливать даже небольшие температурные колебания,
0 40 80 120 16(1
годы (тысяч лет)
Рис. 1. Изменения температуры атмосферы и атмосферного метана в прошлом по результатам исследования ледяного керна [5]
вызванные любой из возможных причин. Оценки возможного поступления метана в атмосферу в периоды ледниково-межледникового цикла различны. Так, по результатам моделирования получено, что 1 500-2 700 Гт метана могло поступить в атмосферу в результате разложения газогидратов 120 тысяч лет назад и порядка 800 Гт - 55.5 тысяч лет [9].
В данной работе на основе трехмерной квазигеострофической модели термогидродинамики океана оценивается количество метана, которое могло поступить в атмосферу в результате разложения газогидратов в конце последнего ледникового периода 20 тысяч лет назад. Используемая квазигеострофическая численная модель климата Мирового океана, включающей сезонную изменчивость, с учетом реальной топографии дна и Арктического бассейна, подробно описана в работе [10].
Было проведено два численных эксперимента. Начиная с горизонтально однородной температуры и солености под действием заданных сезонно изменяющихся на поверхности океана температуры, солености из атласа Левитуса, и напряжений трения ветра было рассчитано термохалинное состояние Мирового океана в первом эксперименте - «Climat». Климатического состояния, которое было получено в результате интегрирования глобальной геострофической модели до установления на срок 5 000 лет, рис. 2,а.
Во втором эксперименте («Paleo-Climat»), в граничных условиях на поверхности океана задается зимние и летние значения температуры и солености поверхности океана из палеоклиматических данных [11]. Предполагается, что если температура в поверхностной расчетной точке опускается ниже -2°, то в этой точке появляется ледяной покров и температура поверхностной воды фиксируется на величине -2° и напряжения трения ветра обнуляются. Климатического состояния, также было получено в результате интегрирования глобальной геострофической модели до установления на срок 5 000 лет, рис. 2,б.
Далее, для каждой точки широтно-долготной сетки было рассчитано климатическое поле тепла в донном осадочном слое толщиной 1 000 м, для обоих экспериментов. Океанская модель дополняется одномерной термической моделью донного осадочного слоя [12].
Для оценки масштаба дестабилизации метангидратов важным является модельный параметр глубина залегания гидрата. Пространственное распределение газогидратов метана и глубина их залегания в осадочном слое океана моделируется с учетом геотермического градиента и пористости осадочного слоя океанского дна. Предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое всюду, где выполняются термобарические условия их существования, которые рассчитываются по формуле
Tstab~^ ~ 3.79 х 10_3 — 2.83 х 104 lg pSfa]j , где Tstab и ^^температура и давление стабильности газогидратов [13]. Кривая равновесных условий гидратообразования метана накладывается на линию естественного распределения температур и давлений в исследуемой области. По точкам
пересечения этих двух линий определяются верхняя и нижняя границы зоны стабильности газогидрата и, следовательно, ее толщина А г.
Толщина газогидратной зоны сильно зависит от вертикального температурного градиента в осадках, который задается различным для 22 регионов океана, от 30°С/км до 87°С/км. Мы принимаем простое уменьшение пористости (Р) с поддонной глубиной по экспоненте, полученное из эмпирических данных. Гидратонасыщенность отложений (Н), т. е. процент порового пространства, занятого газогидратами, была принята равной 50 % порового пространства непосредственно у подошвы зоны стабильности и плавно уменьшающейся до нуля в направлении морского дна [14]. В результате получено распределение глубины залегания метангидратов от 20 до 320 м в осадочном слое под океанским дном [15].
Общее количество метана, которое может быть заключено в поддонных метангидратах определяем по следующей формуле
= А гхБхрхнхс, [14]. Здесь Аг и 5 вычисленные толщина и площадь зоны стабильности, р и н - пористость и гидратонасыщенность, с
-5
- объемный множитель, показывающий содержание метана в 1 м газогидрата.
Оценки потенциального объема метана, содержащегося в зоне стабильности газогидрата, были получены для обоих экспериментов. Результаты математического моделирования показывают, что количество метана, которое может быть заключено в газогидратах дна океана в условиях
15 3
современного климата, составило 13,.77-10 м , что сопоставимо с оценками, полученными в работах [1, 3]. Тогда как в условиях моделирования с
15 3
использованием палеоклиматических данных получено 14.74-10 м метана,
12 3 3
что на 970 -10 м или на 696 -10 Мт превышает содержание метана, в первом эксперименте. При этом увеличение объема метана произошло в основном в высоких широтах обоих полушарий на глубине океана порядка 500-1 000 метров, табл. 1.
Итак, в результате математического моделирования получено, что порядка 700 Гт метана могло поступить в атмосферу в результате разложения газогидратов в период конца последнего ледникового периода, от 20 тысяч лет назад до настоящего времени. Если б реализация соответствующего объема метана происходила равномерно на протяжении последних 20 тысяч лет, это было бы эквивалентно потоку метана в атмосферу порядка 35 Тг/год.
Рис. 2. Зонально-средняя температура в Мировом океане в градусах: а -полученная в эксперименте - «Climat», б - полученная в эксперименте -
«Paleo-Climat»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kvenvolden K.A. Potential effects of gas hydrate on human welfare [Текст] / K.A. Kvenvolden // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1999. - Vol. 96. - P. 3420-3426.
2. Адушкин В.В. Соотношение антропогенной и природной составляющей в потоке газов в атмосферу [Текст] / В.В.Адушкин, С.П. Соловьев, С.Б. Турунтаев // Глобальные изменения природной среды - 2001. - Новосибирск. - Из-во СОРАН. - 2001.
- С.249-265.
3. Ginsburg G.D. Worldwide distribution of subaquatic gas hydtates [Текст] / G.D. Ginsburg, K.A. Kvenvolden, V.A. Soloviev // Geo-Marine Letters. - 1993. - V. 13. - P. 32-40.
4. Котляков В.М. Четыре климатических цикла по данным ледяного керна из глубокой скважины «Восток» в Антарктиде [Текст] /В.М. Котляков // Изв. РАН. Сер. Геогр.
- 2000. - № 1. - С. 7-19.
5. Judd A.G. The geological methane budget at Continental Margins and its influence on climate change [Текст] / A.G. Judd, M. Hovland, L. I. Dimitrov, G.Garcia and V. Jukes // Geofluids. - 2002. - V. 2. - P. 109-126.
6. Kennett J. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials [Текст] / J. Kennett, K.G. Cannariato, I.L. Hendy, R.J. Behl // Science. - 2000. -№ 288. - P. 128-133.
7. Maslin M.A Balancing the deglacial global carbon budget: the hydrate factor [Текст] / M.A Maslin, E. Thomas // Quaternary Science Reviews. - 2003. - No. 22. - P. 1729-1736.
8. Малахова В.В. Моделирование разложения поддонных метангидратов в результате климатических изменений с масштабом несколько тысяч лет [Текст] / В.В. Малахова, А.В. Щербаков // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Том 21. - № 6. - С. 540-545.
9. Glasby G.P. Potential impact on climate of the exploitation of methane hydrate deposits offshore [Текст] / G.P. Glasby // Marine and Petroleum Geology. - 2003. - V. 20. - P. 163-175.
10. Щербаков А.В. Численное моделирование глобального климата океана [Текст] /
А.В. Щербаков, В.В. Малахова // Новосибирск: Изд. ИВМиМГ СО РАН, 2008. - 159 с.
11. Paul A. Modeling the water masses of the Atlantic Ocean at the Last Glacial Maximum [Текст] / A. Paul, C. Schafer-Neth // Paleoceanography. - 2003. - Vol. 18. -№ 3. - 1058 doi: 10.1029/2002PA000783.
12. Щербаков А.В. Моделирование пространственного распределения метангидратов Мирового океана и потока метана в атмосферу [Текст] / А.В. Щербаков,
В.В. Малахова // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т. 19. - № 6. - С. 530-535.
13. Mienert J. Changes of the Hydrate Stability zone of the Norwegian margin from gracial to interglacial times [Текст] / J. Mienert, K. Andreassen // Annals of the New York Academy of Science / Gas Hydrates challenges for the future - 2000. - V. 912. - P. 200-210.
14. Hyndman R.D. A mechanism for the formation of methane hydrate and seafloor bottom-simulating reflectors by vertical fluid expulsion [Текст] / R.D. Hyndman, E.E. Davis // J. Geophys. Res. - 1992. - V. 97 - P. 7025-7041.
15. Соловьев В.А. Природные газовые гидраты как потенциальное полезное ископаемое [Текст] / В.А. Соловьев // Рос. Хим. Журнал. - 2003. - Vol. XLVII. - № 3. - С. 59-69.
© В.В. Малахова, 2010
