CC BY
44
УДК 551.465+519.63
В.В. Малахова, А.В. Щербаков
ИВМиМГ, Новосибирск; Югорский НИИ ИТ, Ханты-Мансийск МЕТАНГИДРАТЫ КАК ВОЗМОЖНЫЙ ИСТОЧНИК МЕТАНА В ОКЕАНЕ
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 [5]. По различным оценкам [1] возможный выход метана в атмосферу из залежей газогидратов с учетом их термодинамического равновесия составляет 5-200 млн. т/год. В океанах и морях газогидраты обычно встречаются на глубинах от 300-400м до 1000 -1200 м и более. Они насыщают верхний слой донных осадков, содержатся в поровом пространстве в виде прослоек, линз, в рассеянном состоянии и составляют 10-20% от общего объема осадков [6].
В работе представлена модель переноса метана от источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов с учетом скорости разложения гидрата. Кратко опишем структуру разработанной модели. На первом этапе определяется начальное термохалинное состояние океана, поле тепла в донном осадочном слое и распределение растворенного метана в океанских водах.
- Климатическое состояние океана было получено из трехмерной линеаризованной модели динамики Мирового океана, включающей сезонную изменчивость, с учетом реальной топографии дна и Арктического бассейна. Задача решалась в полигональной области Мирового океана на пятиградусной сетке с 24 вертикальными уровнями до достижения квазистационарного состояния через время порядка нескольких тысяч лет, [10].
- Далее, для каждой точки широтно-долготной сетки было рассчитано климатическое поле тепла в донном осадочном слое толщиной 1000 м. Океанская модель дополняется одномерной термической моделью донного осадочного слоя.
д Т д д Т
дк (1)
д ї д 2 я д 2
д Т
г = ЩЛМ Г = Г,ь; г = Н(да: = в(;, = 0: Г = Г,ы(*),
2 2
где к =10 см /с - коэффициент температуропроводности осадочного
$
слоя; ^ - геотермический поток тепла; Т^ ^ - решение стационарного
уравнения (1) с климатической температурой = Т(Я,в,Н). В качестве
граничных условий на верхней границе осадочного слоя, совпадающей с дном океана, задана температура придонной воды, которая получена из
модели динамики океана, на нижней границе осадочного слоя задан геотермический поток тепла.
- Распределение растворенного метана получено из трехмерной модели динамики Мирового океана, дополненной адвективно-диффузионным уравнением переноса метана, [3, 4].
дC и дC v дC дC д дC м ^
---1-----------1------ь w— = —к-------1 “■ AC
дt a sine дЯ a дв дz дz дz a (2)
На поверхности океана: C = С*(в) = (1+cos(в))•50ppb.
На дне океана: кдС = 0, на боковой поверхности: дС = 0.
3z дп
Заданные на поверхности значения концентраций метана изменяются зонально от 50 ppb в южных высокоширотных областях океана до 100 ppb в северных высокоширотных областях. Заданные граничные условия на дне и материковом склоне соответствуют случаю отсутствия процессов разложения метангидратов.
На втором этапе моделируется процесс дестабилизации газогидратов метана. Предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое на дне и материковом склоне всюду, где выполняются термобарические условия их существования. Как только потепление от поверхности океана достигает глубины залегания метангидрата и увеличивает их температуру на определенную величину - допуск, начинается дестабилизация метангидратов. При этом задается концентрация метана в 100 раз превосходящая среднее фоновое значение C0 = 5 • 10-5 мл/л, либо учитывается скорость разложения гидрата с учетом изменения температуры в осадочном слое океана. В дальнейшем исследуется перенос растворенного метана океаническими течениями в акватории Мирового океана от разлагающихся поддонных метангидратов и рассчитывается поток метана в атмосферу.
Данные о палеоклимате говорят о том, что климатические изменения носят периодический характер. Потепления сменяются похолоданиями, и периоды этих колебаний изменяются от десятков до тысяч лет, [2]. В работе моделируется реакция Мирового океана на изменчивость температуры поверхностных вод векового масштаба. Сезонно изменяющаяся поверхностная температура океана в каждой точке широтно-долготной сетки, за исключением областей покрытых льдом, повышается на 0.03 градуса ежегодно в течение 50 лет, а затем также на 0.03 градуса понижается до первоначальных значений в течение 50 лет.
Поток метана через поверхность океана вычисляем по следующей
дC'
dQ ,где q = 0.7169 • 10 - удельный вес метана.
формуле: F = с2 q JJ
к
і_ ді _
^ 2 = 0
Определяем поток метана в Тг = 1012г. При этом предполагается, что весь метан растворяется в морской воде, и пузырьки метана непосредственно атмосферы не достигают.
Данные о распределении океанских метангидратов показывают, что их выход на поверхность океанского дна хотя и существует, но достаточно редок, прямое бурение показывает, что, как правило, метангидраты залегают в осадочном слое на поддонных глубинах порядка сотен метров. Поэтому, для разложения метангидратов необходимо проникновение потепления не только до дна, но еще и в осадочный слой, что требует большего времени по сравнению со случаем метангидратов, контактирующих непосредственно с водой.
Время до начала дестабилизации в экспериментах с погребенными гидратами увеличилось до 76 лет, при глубине залегания метангидратов 100
- 300м в осадочном слое океанского дна, [3]. При этом поток метана в атмосферу составил 1 - 9 Тг/год, в зависимости от сценария численного эксперимента, рис. 1 (Гидрат1). Проведенные сценарные эксперименты показали, что для оценки масштаба дестабилизации метангидратов важным является модельный параметр глубина залегания гидрата.
Рис. 1. Поток метана в атмосферу при потеплении 1.5° за 50 лет, полученный в численных экспериментах. Гидрат1 - глубина залегания гидратов 100-300 м в осадочном слое океана, Гидрат2 - учет распределения газогидратов, ГидратЗ
- учет скорости разложения гидрата
В [4] моделируется пространственное распределение газогидратов метана и глубина их залегания в осадочном слое океана 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 Т3(аЬ— = 3.79 х10_3 - 2.83 х10_41§рр, где Т8ШЪ и Рзыъ температура и давление стабильности газогидратов. 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.
Температурный градиент в осадках задается различным для 22 регионов океана, от 30°С/км до 87°С/км. Мы принимаем простое уменьшение пористости с поддонной глубиной по экспоненте, полученное из эмпирических данных. Гидратонасыщенность отложений, 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, [7]. В результате получено распределение глубины залегания метангидратов от 20 до З20 м в осадочном слое под океанским дном [4].
В численном эксперименте дестабилизация начинается уже через 10 лет от начала потепления поверхностных вод океана. Источники ’’включились” на площади не более 6% дна океана и обеспечили максимальный поток метана 2 Тг/год через 500 лет модельного времени, рис. 1 (Гидрат 2).
В описанных экспериментах источники метана задавались косвенным образом в виде увеличения концентрации растворенного метана в 100 раз в результате таяния метангидрата без учета скорости диссоциации гидрата.
В [9] авторы, показали, что процесс диссоциации газовых гидратов целесообразно рассматривать по аналогии с процессом зародышеобразования пузырьков в жидкостях при закипании. В результате экспериментальных исследований было установлено, что при постоянной температуре и давлении в системе разложение гидрата происходит с неизменной скоростью. В [9] получена следующая зависимость для определения скорости диссоциации газогидратов (моль/час): r = 6,46 -10-4 A ■ (AT)205 , где А - общая площадь диссоциирующего гидрата, см2.
Далее источник метана в модели задается с учетом скорости разложения метангидрата. Это означает, что условие на дне для уравнения переноса метана (2) при разложении метангидратов будет иметь вид:
z = H(Л, в)\ дС = ^ , где qrff = r---------------M------, мл/сек; V - объем
д V , qCH4 РсНа ■ 3600 ; 0
—3 3
сеточной ячейки, M=16г - молярная масса, рсн = 0,717 ■ 10- г/см . При этом A берется в виде A = A ■ P ■ HP , где P пористость, Hp часть порового пространства занятая газогидратами в долях, A - площадь сеточной ячейки.
Процесс образования газогидрата происходит с выделением тепла, а его разложение происходит с поглощением тепла. Учитывается этот процесс в уравнении переноса тепла в осадочном слое (1), в соответствии с [8].
дT д дT L,
~ = _k _____s____■ q
= ^ V ^ qCH.
дt дz s дz pc
p
где Ьа =4.5 106Дж/кг - теплота диссоциации гидрата, pcp
=2.1106Дж/(м3 С°) - эффективная объемная теплоемкость гидрата метана,
[9].
Максимальный поток метана составил 1.5 Тг/год через 200 лет модельного времени. При этом последующие 300 лет происходит уменьшение потока метана до первоначальных значений, рис. 1 (ГидратЗ). Мощность источника теперь зависит от изменения температуры и различна для всех модельных точек. Это привело к увеличению концентрации метана в
зонах, подверженных более сильному проникновению теплового сигнала до дна океана. Как и ранее, наиболее подвержены процессу разложения в результате потепления метангидраты Северной Атлантики и Арктического шельфа, рис. 2.
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
а> б)
Рис. 2. Изолинии растворенного метана через 100 лет после начала климатических изменений в эксперименте «ГидратЗ»:
а) - на глубине 250м; б) - на глубине 900м
Таким образом, модель дает разумные значения потока метана в атмосферу в результате дестабилизации метангидратов, которые лежат в пределах, имеющихся в литературе оценок [5, 7, 8].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адушкин В.В. Соотношение антропогенной и природной составляющей в потоке газов в атмосферу / В.В. Адушкин, С.П. Соловьев, С.Б. Турунтаев // Глобальные изменения природной среды. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - С. 249-265.
2. Котляков В.М. Четыре климатических цикла по данным ледяного керна из глубокой скважины «Восток» в Антарктиде / В.М. Котляков // Изв.РАН. Сер. Геогр. - 2000.- №1. - С.7-19.
3. Щербаков А.В., Малахова В.В. Математическое моделирование потока метана в атмосферу в результате разложения метангидратов Мирового океана / А.В. Щербаков, В.В. Малахова // Оптика атмосферы и океана. - 2005. - Т. 18, № 5-6. - С.485-489.
4. Щербаков А.В. Моделирование пространственного распределения метангидратов Мирового океана и потока метана в атмосферу / А.В. Щербаков, В.В. Малахова // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т.19, №6.- С. 530-535.
5. Kvenvolden K.A. Potential effects of gas hydrate on human welfare// Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. - 1999. - No. 96. - P. 3420-3426.
6. Ginsburg G.D., Kvenvolden K.A., Soloviev V.A. Worldwide distribution of subaquatic gas hydtates // Geo-Marine Letters. - 1993. - V.13. - P.32-40
7. Gornitz V., Fung I. Potential distribution of methane hydrates in the world’s oceans // Global Biogeochem. Cycles. - 1994. - Vol. 8. - P.335-347.
8. Harvey L.D.D., Huang Z. Evaluation of the potential impact of methane clathrate destabilization on future global warming // J. Geophys. Res. - 1995. - V. 100(D2). - P.2905-2926.
9. Kamath V. A., Holder G. D., Angert P. F. Three phase interfacial heat transfer during the dissociation of propane hydrates// Chemical Engineering Science. -1984 -Vol. 39, No. 10. - P.1435-1442.
10. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. On the deep water formation in the World Ocean model// Bull.NCC. Ser. Num. Model. Atmosph. - Ocean and Environment Studies. - 2000. - Iss. 6. - P. 73-78.
© В.В. Малахова, А.В. Щербаков, 2007
