CC BY
12
www.volsu.ru
ГЕОГРАФИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА
о
(N
<сг
DOI: https://doi.org/10.15688/jvolsu11.2017.3.6
UDC 502.51:677.027.15 LBC 26.221
RESEARCH OF REGULARITY OF LATITUDE DISTRIBUTION OF LEVEL OF OCEANS WATER ACIDIFICATION DUE TO INCREASE OF PERCENTAGE
OF CO2 IN ATMOSPHERE
Hikmet Gamid ogly Asadov
National aerospace Agency, Baku, Azerbaijan
Sima Azhdar gyzy Askerova
National aerospace Agency, Baku, Azerbaijan
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 are also decreasing which in total is presented as acidification of oceans water. According to huge number of researches devoted to acidification of oceans surface water due to effect of atmospheric СО2 the fact of decrease of Ph of ocean water can be considered as a well proved fact. But regularities of spatial distribution of this process is studied non sufficiently. 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. Some scientific works state that Ph increases with geographic latitude while other ones claim contradicting results. In the paper this question is analyzed and comparison of theoretically derived results with results of known experiments is carried out. 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.
Kea words: absorption, acidification, ocean water, geographic latitude, model, functional, optimization.
УДК 502.51:677.027.15 ББК 26.221
I ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ | СТЕПЕНИ ПОДКИСЛЕНИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОД ИЗ-ЗА РОСТА
^ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ СО В АТМОСФЕРЕ
кч 2
X' «
о
Хикмет Гамид оглы Асадов
Национальное аэрокосмическое агентство, г. Баку, Азербайджан
Сима Аждар гызы Аскерова
Национальное аэрокосмическое агентство, г. Баку, Азербайджан
Аннотация. Хорошо известно. что в результате поглощении антропогенного СО2 океаническими водами уменьшается рН океанических вод концентрация карбонатных ионов, а также уменьшается насыщенное состояние биологически важных минералов - кальцита и арагонита , что представляется как окисление океанических вод. Согласно многочисленным исследованиям по подкислению поверхностных океанических вод из-за воздействия атмосферного СО2 факт уменьшения рН океанических вод из-за поглощения углекислого газа можно считать вполне доказанным явлением. Однако, закономерности пространственного распределения этого явления изучены недостаточно. Детальный анализ соответствующей научно-технической литературы позволило обнаружить противоречие в качественной характеристике зависимости рН поверхностных океанических вод от географической широты. В ряде работ утверждается наличие роста рН по географической широте, в то время как в некоторых других утверждается противоположное. В настоящей статье проанализирован указанный вопрос и осуществлено сравнение теоретически полученных результатов с результатами известных экспериментальных исследований. В результате проведенного 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, подкисление, океанические воды, географическая широта, модель, функционал, оптимизация.
Согласно работе [3], начиная с промышленной революции в 18-м веке антропогенная деятельность привела к увеличению концентрации СО2 в атмосфере от 280 ррт до 387 ррт. При этом половина этого роста произошла в последние три десятилетия. Рост концентрации СО2 в атмосфере сопровождается ростом температуры атмосферы. Согласно работе [8], океан в течение индустриальной эры поглотил почти одну четверть суммарной антропогенной эмиссии СО2, что позволил несколько снизить концентрацию СО2 в атмосфере. Вместе с тем, при поглощении антропогенного СО2 океаническими водами, происходят определенные химические реакции, вследствие чего: (а) уменьшается рН океанических вод; (Ь) уменьшается концентрация карбонатных ионов (СО 32"); (с) уменьшается насыщенное состояние биологически важных минералов СаСО3: кальцита (йСа) и арагонита (^А), что в сумме обозначается как «окисление океанических вод» [2]. К настоящему времени рН океанических поверхностных вод уже уменьшился на величину 0,1 и продолжает уменьшаться со скоростью 0,0018 год-1 [1]. Ожидается, что к концу 21-го века концентрация СО2 в атмосфере достигнет величины 200 ррт [4], в результате чего рН поверхностных вод уменьшится еще на величину 0,3. Согласно [3] процесс увеличения концентрации СО2 в ат-
мосфере может быть описан регрессионным уравнением
у = 1,811* - 3252,4;
где у - концентрация СО2 в атмосфере (ррт); х -годы.
При этом уменьшение рН соответствует регрессионному уравнению
у = - 0,00188* + 11,842
Таким образом, согласно [1-3, 4, 8], а также многочисленным источникам по окислению поверхностных океанических вод из-за воздействия атмосферного СО2 факт уменьшения рН океанических вод из-за поглощения углекислого газа можно считать вполне доказанным явлением. Вместе с тем, закономерности пространственного распределения этого явления изучены недостаточно. В ряде работ (см. например [6], утверждается наличие роста рН по географической широте, в то время как в других работах (см. например [7]), утверждается противоположное. В настоящей статье мы проанализируем указанный вопрос и сравним теоретически полученные результаты с результатами известных экспериментальных исследований. Прежде всего, детально проанализируем ре-
Быепсе Journal of У01Би. ЫаШга1 Sciences. 2017. У01. 7. N0. 3
47
ГЕОГРАФИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА
зультаты экспериментально-модельных исследований в работе [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. 1).
Далее, рассмотрим вопрос о пространственном (широтном) распределении атмосферного СО2. Согласно данным, приведенным в [7], по годам наблюдается устойчивый рост концентрации СО2 по географической широте. Эти данные, согласно [7], демонстрируют следующие процессы:
- очевидный факт, заключающийся в том, что СО2 в основном генерируется в Северном Полушарии;
- транспортировка СО2 в южное полушарие.
Далее, рассмотрим известные результаты исследований зависимости рН от парциального давления атмосферного СО2. Согласно работе [5], для открытых систем, в частности для поверхностных океанических вод имеет место следующее приблизительно равенство
pH « 3,9 -Ilog PCOi где pco 2 - парциальное давление СО2.
(1)
Как было отмечено выше, согласно [6], рН поверхностных океанических вод имеет общий тренд роста с увеличением географической широты. Математически эта зависимость может быть представлена в виде многочлена
pHl = pH 0 + kjL
(2)
где рН0 = const; L - географическая широта;
Ц = const.
Далее, как это было отмечено выше, согласно работе [7], концентрация СО2 в атмосфере растет с увеличением географической широты, то есть в первом приближении имеет место зависимость
CO2 = CO20 + k2 L
(3)
где СО2 0 = const; k2 = const.
Покажем, что соотношения (1) -(3) позволяют вычислить точную качественную характеристику зависимости рН от L.
С учетом выражений (1) и (3), учитывая следующее соотношение между и СО2
Po = K(COx, + к L)
(4)
8.4
7.8-]_
i i I 1 ¡ ¡ I i
80S 60S 40S 20S 0 2CM 40 N 60N 80N
Рис. 1. Распределение значений рН поверхностных океанических вод по географической широте и по годам [6]. Жирная линия соответствует уровню 1880 г. Пунктирная линия соответствует прогнозному уровню 2100 г. Кружочки показывают усредненные за 1991-1998 гг. значения рН:
1 - тренд увеличения по южной широте; 2 - тренд увеличения по северной широте
где k3 = const, получим
1
рН * 3,9 - къ(СОх, + к2L)] (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 [6].
При этом, выражение (5) получен на основе модели, синтезированной на базе результатов, полученных в [5] 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
рН 0 = а1 рН + а2 рН 0 (6)
где а1 + о^ = 1.
С учетом выражений (2), (5), (6) получим
рн 0 = «1[3,9 - к3(со20 + к^)]]+
2 (7)
+ а2[ рН 0 + кхЬ]
Далее исследуем рН0 на экстремум от географической широты. Имеем:
d ( pH о)
dL
« • k2 • k3
2 • k3(CO20 + k2 L)
+ «2 k1 (7)
d ( pH 0)
Приравнивая —— к нулю из (7) получим
выражением (7) в точке, определяемой выражением (8) достигает минимума.
Для проверки теоретически полученного результата о наличии минимума в зависимости рН0 = /(Ь) полезно проанализировать экспериментальные кривые, приведенные на рисунке 1. Как видно из кривых, приведенных на рисунке 1, здесь имеются 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.
В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования.
1. Обзор соответствующей научно-технической литературы позволило 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 полученной модельной величин рН от географической широты. Приведено экспериментальное подтверждение этого вывода.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
L -
COn,
2 ■ а2 ■ k1 k2
(8)
Таким образом, при географической широте, определяемой выражением (8) рН0 достигает экстремальной величины. Для определе-
d 2( рН 0)
ния типа экстремума вычислим знак —0 .
Имеем
dL1
d 2( pH 0)
dlL
« • k
2(CO20 + k2 L)2
Как видно из выражения (9),
d 2( pH 0) dL2
(9)
все-
гда положительна, то есть рН0, определяемая
1. Bates, N.R. Interannual variability of the oceanic CO2 sink in the subtropical gyre of the North Atlantic Ocean over the last 2 decades/ N.R. Bates // Journal of Geophysical Research. - 2007. - Vol. 112 (C09). - (doi: 10.1029/2006JC003759)
2. Broecker, W. A dramatic Atlantic dissolution event at the last glaciations / W. Broecker, E. Clarke //Geochemistry Geophysics Geosystems. - 2001. -Vol. 2 (11). - (doi: 10.1029/2001GC000185)
3. Feely, R.A. Acidification / R.A. Feely, S.C. Doney, S.R. Cooley // Oceanography. №> 4. Vol. 22. 2009. p. 37-47.
4. Friedlingstein, P. Climate - carbon cycle feedback analysis: Results from the C4MIP model intercomparison. / P. Friedlingstein, P. Cox, R. Betts,
Science Journal of VolSU. Natural Sciences. 2017. Vol. 7. No. 3
49
ГЕОГРАФИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА
C. Jones, W. Von Bloh, V Brovkin, P. Cadule, S. Doney, M. Eby, D. Matthews // Journal of Climate. - 2006. -Vol. 19. - pp. 3337-3353.
5. Lower, S.K. Chem Environmental Chemistry. Carbonate equilibria in natural waters / S.K. Lower -Simon Fraser University, 1999. - 26 p.
6. Mcneil, B.I. Climate change feedbacks on future oceanic acidification / B.I. Mcneil, R. J. Matear // Tellus. 2007. - 59B. - pp. 191-198.
7. Ruzmaikin, A. Om the Relationship between Atmospheric Carbon Dioxide and Global Temperature / A. Ruzmaikin, A. Byalko // American Journal of Climate Change. 2015. 4, pp. 181 - 186. - Published online June 2015 in SciRes. - http://www.scrip.org /journal/ajcchttp://dx.doi.org/10.423 6 /ajcc.2015.43014.
8. Sabine, C. L. The oceanic sink for carbon dioxide / C.L. Sabine, R. A. Feely, D. Reay , N. Hewitt, J. Grace, K. Smith // Greenhouse Gas Sinks -Oxfordshire, UK: CABI Publishing, 2007. - pp. 31-49.
REFERENCES
1. Bates N.R. Interannual variability of the oceanic CO2 sink in the subtropical gyre of the North Atlantic Ocean over the last 2 decades, Journal of
Geophysical Research, 2007, Vol.112 (C09), (doi: 10.1029/2006JC003759)
2. Broecker W., Clarke E. A dramatic Atlantic dissolution event at the last glaciations, Geochemistry Geophysics Geosystems, 2001, Vol. 2(11), (doi:10.1029/ 2001GC000185).
3. FeelyRA., Doney S.C., Cooley S.R Acidification, Oceanography, vol. 4, iss. 22, 2009, p. 37-47.
4. Friedlingstein P., Cox P., Betts R., Jones C., Von Bloh W., Brovkin V, Cadule P., Doney S., Eby M., Matthews D. Climate - carbon cycle feedback analysis: Results from the C4MIP model intercomparison, Journal of Climate, 2006, Vol. 19, pp. 3337-3353.
5. Lower S.K. Chem Environmental Chemistry. Carbonate equilibria in natural waters, Simon Fraser University, 1999, 26 p.
6. Mcneil B.I., Matear R. J. Climate change feedbacks on future oceanic acidification, Tellus, 2007, 59B, pp. 191-198.
7. Ruzmaikin A., Byalko A. Om the Relationship between Atmospheric Carbon Dioxide and Global Temperature, American Journal of Climate Change, 2015, vol. 4, pp. 181 - 186.
8. Sabine C.L., Feely R.A., Reay D., Hewitt N., Grace J. and Smith K. The oceanic sink for carbon dioxide, Greenhouse Gas Sinks. CABI Publishing, Oxfordshire, UK, 2007, pp. 31-49.
Information about the Authors
Hikmet Gamid ogly Asadov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department, Research Institute of Aerospace Informatics, National Aerospace Agency, S.S. Ahundova St., 1, AZ 1106 Baku, Azerbaijan, asadzade@rambler.ru.
Sima Azhdar gyzy Askerova, Ph. D. Candidate, Senior Researcher, Institute of Ecology, National Aerospace Agency, S.S. Ahundova St., 1, AZ 1106 Baku, Azerbaijan, asadzade@rambler.ru.
Информация об авторах
Хикмет Гамид оглы Асадов, доктор технических наук, профессор, начальник отделения НИИ Аэрокосмической информатики, Национальное аэрокосмическое агентство, ул. С.С. Ахундова, 1, AZ 1106 г. Баку, Азербайджан, asadzade@rambler.ru.
Сима Аждар гызы Аскерова, диссертант, старший научный сотрудник НИИ Экологии, Национальное аэрокосмическое агентство, ул. С.С. Ахундова, 1, AZ 1106 г. Баку, Азербайджан, asadzade@rambler.ru.
