CC BY
12
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.464
КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ПОДКИСЛЕНИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОД ИЗ-ЗА РОСТА ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ СО2 В АТМОСФЕРЕ
Х. Г. Асадов, С. А. Аскерова
Национальное аэрокосмическое агентство, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация
Хорошо известно, что в результате поглощения антропогенного СО2 океаническими водами снижается рН океанических вод, концентрация карбонатных ионов, а также уменьшается насыщенное состояние биологически важных минералов — кальцита и арагонита, что представляется как окисление океанических вод. Анализ соответствующей научно-технической литературы позволил обнаружить противоречие в качественной характеристике зависимости рН поверхностных океанических вод от географической широты. В результате выполненного модельного исследования получена обратная нелинейная зависимость между рН и географической широтой. Проведенное теоретико-модельное исследование показало наличие минимума в функциональной зависимости линейно-взвешенной суммы теоретических и полученной модельной величин рН от географической широты. Приведено экспериментальное подтверждение этого вывода. Ключевые слова:
поглощение, окисление, океанические воды, географическая широта, модель, функционал, оптимизация.
QUALITATIVE ANALYSIS OF EXTREME FEATURES OF SPATIAL DISTRIBUTION OF LEVEL OF OCEANS WATER ACIDIFICATION DUE TO INCREASE OF PERCENTAGE OF CO2 IN ATMOSPHERE
Hikmet H. Asadov, Sima A. Askerova
National Aerospace Agency, Baku, Azerbaijan Republic
Abstract
It is well known that due to absorption of anthropogenic CO2 by ocean water the PH of ocean water decreases. At the same time the concentration of carbonate ions, the saturated condition of biologically significant minerals calcite and aragonite which in total is presented as acidification of oceans water. The carried out analysis of scientific-technical literature make it possible to reveal the contradiction in qualitative characteristics of dependence of PH of ocean water on geographic latitude. As a result of held model research the inverse non-linear dependence between pH and geographical latitude is derived. The carried out model research does show the presence of minimum in functional dependence of linearly weighted sum of model values of PH on geographic latitude. The experimental confirmation of this regularity is given.
Keywords:
absorption, acidification, ocean water, geographic latitude, model, functional, optimization.
Согласно работе [1], антропогенная деятельность начиная с промышленной революции в XVIII в. привела к увеличению концентрации СО2 в атмосфере от 280 до 387 ррт. При этом половина этого роста произошла в последние три десятилетия. Увеличение концентрации СО 2 в атмосфере сопровождается ростом температуры атмосферы. Океан в течение индустриальной эры поглотил почти четверть суммарной антропогенной эмиссии углекислого газа, что позволило несколько снизить его концентрацию в атмосфере [2]. Вместе с тем, при поглощении антропогенного СО2 океаническими водами происходят определенные химические реакции, вследствие чего уменьшается:
а) рН океанических вод;
б) концентрация карбонатных ионов ();
в) насыщенное состояние биологически важных минералов СаСО3 — кальцита (йСа) и арагонита (йдг), что в сумме обозначается как «подкисление океанических вод» [3].
К настоящему времени показатель рН океанических поверхностных вод уже уменьшился на 0,1 и продолжает снижаться со скоростью 0,0018 год-1 [4]. Ожидается, что к концу XXI в. концентрация СО2 в атмосфере достигнет 200 ррт [5], в результате чего рН поверхностных вод снизится еще на 0,3. Согласно работе [1], процесс увеличения концентрации СО 2 в атмосфере может быть описан регрессионным уравнением:
у = 1,811х - 3252,4, где у — концентрация СО2 в атмосфере (ppm); х — годы.
При этом уменьшение рН соответствует регрессионному уравнению
у = -0,00188х + 11,842.
Таким образом, согласно работам [1-5], а также многочисленным источникам по окислению поверхностных океанических вод из-за воздействия атмосферного СО2, факт снижения рН океанических вод из-за поглощения углекислого газа можно считать вполне доказанным явлением. Вместе с тем, закономерности пространственного распределения этого явления изучены недостаточно. Следует отметить, что с учетом цели настоящей статьи — проведение качественного анализа экстремальных свойств пространственного распределения степени подкисления океанических вод — достаточно выработать методику для одной координаты (например, для широты), так как для другой координаты методика почти не изменяется. В ряде работ (см., например, [6]) говорится о наличии роста рН по географической широте, в то время как в других работах [7] утверждается противоположное.
В настоящей статье авторы рассматривают указанную проблему путем сравнения теоретически полученных результатов с итогами известных экспериментальных исследований. Прежде всего, детально проанализируем результаты экспериментально-модельных исследований [6]. Так, согласно работе [6], значения зонально усредненных величин рН поверхностных вод растут по географической широте и в то же время уменьшаются по годам в течение 1880-1995 гг. (рис.).
Далее рассмотрим вопрос о пространственном (широтном) распределении атмосферного СО2. Согласно данным, приведенным в работе [7], по годам наблюдается устойчивый рост концентрации СО2 по географической широте, что подтверждают следующие процессы:
• очевидный факт, заключающийся в том, что СО2 в основном генерируется в Северном полушарии;
• транспортировка СО2 в Южное полушарие.
100
kolasc.net.ru/russian/news/vestnik1.html
Качественный анализ экстремальных свойств пространстранственного распределения.
Распределение значений рН поверхностных океанических вод по географической широте и по годам [6]. Вверху: сплошная линия соответствует 1880 г.; пунктирная показывает тренды за 1880 г. (1, 2 — тренды увеличения по южной и северной широте соответственно). Внизу: прогнозные кривые на 2100 г., полученные на базе контрольного эксперимента (полужирный пунктир) и эксперимента по изменению климата светлый пунктир). Кружочки показывают усредненные за 1991-1998 гг. значения рН
Далее рассмотрим известные результаты исследований зависимости рН от парциального давления атмосферного СО2. Согласно работе [8], для открытых систем, в частности для поверхностных океанических вод, имеет место следующее приблизительно равенство:
pH - 3,9 -ilogРСОг (1)
где Рсо2 — парциальное давление углекислого газа.
Как было отмечено выше, согласно работе [6], рН поверхностных океанических вод имеет общий тренд роста с увеличением географической широты. Математически эта зависимость может быть представлена в виде многочлена:
pH=pH0 + k1L, (2)
где рН0 — const; L — географическая широта; к1 — const.
Согласно работе [7], концентрация СО2 в атмосфере растет с увеличением географической широты, т. е. в первом приближении имеет место зависимость:
CO2= CO2,o + k2L, (3)
где СО2,0 — const; к2 — const.
Покажем, что соотношения (1)-(3) позволяют вычислить точную качественную характеристику зависимости рН от L.
С учетом выражений (1) и (3) и исходя из следующего соотношения Рсо^ и СО2:
Po = *з(СО2,0 + k2 L), (4)
где k3 — const, получим:
pH « 3,9 -^log^CO^ + k2L)]. (5)
Отметим, что выражения (2) и (5) показывают качественно разные зависимости рН от географической широты. При этом выражение (2) в основном имеет экспериментальный характер, так как основывается на результатах измерений, изложенных в работе [6].
При этом выражение (5) получено на основе модели, синтезированной на базе результатов, полученных в [8] и [7]. С учетом качественных различий происхождения выражений (2) и (5) можно предложить новый показатель — экспериментально-модельное значение рН0, определяемое в качестве линейно-взвешенной суммы:
pHo= ajPH + a2PH! , (6)
где ai + a2 = 1.
С учетом выражений (2), (5), (6) получим:
pHo = aJ3,9 -1log[k(CO2 0 + KL)]] + a2[pHo + ВД. (7)
Далее исследуем рН0 на экстремум от географической широты. Имеем:
d(pHo)_ aik2k3
dL 2k (CO20 + k2L)
d(pHo)
+ a2k.
Приравнивая- к нулю из (7), получим:
dL
I = (8)
2а2кг к2
Таким образом, при географической широте, определяемой выражением (8), рН0 достигает
экстремальной величины. Для определения типа экстремума вычислим знак -—. Имеем:
1 7"2
d2(pHo) _ ak2
dL2 2(CO2, + k2 L)
2. (9)
Как видно из выражения (9), -1 2 o всегда положительна, т. е. рН0, определяемое
d2_(pHo)
выражением (7), в точке, определяемой выражением (8), достигает минимума.
Для проверки теоретически полученного результата о наличии минимума в зависимости рН0 = f(L) полезно проанализировать экспериментальные кривые, приведенные на рисунке. Как видно из кривых (см. рис.), здесь имеется, по меньшей мере, два минимума в области северной географической широты. Таким образом, можно заключить, что проведенное теоретико-модельное исследование позволяет пояснить наличие минимума в зависимости рН0 от географической широты.
102
http://www. kolasc.net.ru/russian/news/vestnik1.html
Качественный анализ экстремальных свойств пространстранственного распределения... Выводы
1. Обзор соответствующей научно-технической литературы позволил обнаружить противоречие в качественной характеристике зависимости рН поверхностных океанических вод от географической широты.
2. В результате проведенного модельного исследования получена обратная нелинейная зависимость между рН и географической широтой.
3. В результате проведенного теоретико-модельного исследования показано наличие минимума в функциональной зависимости линейно-взвешенной суммы теоретических и полученных модельных величин рН от географической широты. Приведено экспериментальное подтверждение этого вывода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Feely R. A., Doney S. C, Cooley S. R. Acidification.Oceanography. 2009. Vol. 22, No. 4. P. 37-47. 2. Sabine C. L., Feely R. A. The oceanic sink for carbon dioxide // Greenhouse Gas Sinks. 2007. P. 31-49. 3. Broecker W, Clarke E. A dramatic Atlantic dissolution event at the last glaciations.Geochemistry Geophysics Geosystems// Paper number. 2001. 2(11). 4. Bates N. R. Interannual variability of the oceanic CO2 sink in the subtropical gyre of the North Atlantic Ocean over the last 2 decades // J. Geophys. Res. 2007. 112. P. 1-26. 5. Climate — carbon cycle feedback analysis: Results from the C*MIP model intercomparison / P. Friedlingstein [et al.] // J. Climate. 2006. 19(14). P. 3337-3353.
6. Mcneil B. I., Matear R. J.Climate change feedbacks on future oceanic acidification // Tellus. 2007. 59 B. P. 191-198.
7. Ruzmaikin A., Byalko A. Om the Relationship between Atmospheric Carbon Dioxide and Global Temperature // American J. Climate Change, 2015. 4. P. 181-186. URL: http://www.scrip.org/journal/ajcc. 8. Chem A., Lower S. K. Carbonate equilibria in natural waters. URL: www.chem1/com/acad/webtext/pdf/c3carb.pdf.
Сведения об авторах
Асадов Хикмет Гамидович — доктор технических наук, профессор Национального аэрокосмического агентства, г. Баку, Азербайджанская Республика E-mail: asadzade@rambler.ru
Аскерова Сима Аждар гызы — диссертант Национального аэрокосмического агентства, г. Баку, Азербайджанская Республика E-mail: abiyeva_s@mail.ru
Author Affiliation
Hikmet G. Asadov — Dr. Sci. (Engineering), Professor at the National Aerospace Agency, Baku, Azerbaijan Republic
E-mail: asadzade@rambler.ru
Sima A. Askerova — Dissertator of the National Aerospace Agency, Baku, Azerbaijan Republic E-mail: abiyeva_s@mail.ru
Библиографическое описание статьи
Асадов, Х. Г. Качественный анализ экстремальных свойств пространстранственного распределения степени подкисления океанических вод из -за роста процентного содержания СО2 в атмосфере / Х. Г. Асадов, С. А. Аскерова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 3 (9). — С. 99-103.
Reference
Asadov Hikmet H., Askerova Sima A. Qualitative Analysis of Extreme Features of Spatial Distribution of Level of Oceans Water Acidification Due to Increase of Percentage of CO2 in Atmosphere. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 3 (9), pp. 99-103. (In Russ.).
