CC BY
56
УДК 551.465+519.63
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКА МЕТАНА В АТМОСФЕРУ ИЗ ВОД ВОСТОЧНОСИБИРСКОГО ШЕЛЬФА
Валентина Владимировна Малахова
Институт вычислительной математики и математической геофизики, 630090, г. Новосибирск, Проспект Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. 8913-892-7069, e-mail: malax@sscc.ru
Елена Николаевна Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики, 630090, г. Новосибирск, Проспект Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник тел. 8(383)330-64-50, e-mail: elen@ommfao.sscc.ru
На основе крупномасштабной модели гидротермодинамики Северного Ледовитого океана рассматривалась модельная задача о выносе растворенного метана в Арктический океан со стоком сибирских рек. Для оценки вклада речного стока в общую эмиссию метана, были рассчитаны его интегральные потоки для всей области моделирования. Получено, что поток метана в атмосферу может составить от 800 до 1600 тонн в год в зависимости от рассматриваемого периода. Показано, что окисление метана обеспечивает его эффективный сток в пределах зоны распространения и способствует уменьшению потока метана в атмосферу.
Ключевые слова: перенос метана, поток метана, окисление метана, ВосточноСибирский шельф.
MODELLING OF A METHANE EMISSION IN ATMOSPHERE FROM WATERS OF THE EAST-SIBERIAN SHELF
Valentina Vladimirovna Malakhova
Kandidat (PhD) of Physical and Mathematical Sciences, Researcher Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, Novosibirsk, Russia, Pr. Acad. Lavrentieva, 6, Novosibirsk, 630090, Russia, tel. 8-913-892-7069, e-mail: malax@sscc.ru
Elena Nikolaevna Golubeva
Doctor (PhD) of Physical and Mathematical Sciences, Researcher Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, Novosibirsk, Russia, Pr. Acad. Lavrentieva, 6, Novosibirsk, 630090, Russia, tel. 8(383)330-64-50, e-mail: elen@ommfao.sscc.ru
On the basis of the climatic picture of circulation the modelling problem about carrying out of the dissolved methane in the Arctic Ocean with a drain of the Siberian Rivers is considered. The regional large-scale ocean model, developed in ICMMG the SB RAS is used. For an estimation of the river drain contribution, its integrated flux for area of dissolved methane maximum have been calculated. It is received, that the methane emission in atmosphere can make from 800 to 1600 tons a year depending on the considered period. It is shown, that methane oxidation controles CH4 release to the atmosphere.
Key wrds: methane transport, methane flux, methane oxidation, East Siberian shelf.
1. Введение
В ряде работ [1-4] показано, что роль Северного Ледовитого океана (СЛО) в глобальном цикле метана существенно занижена. Так, в результате экспедиционных исследований 2003-2008 гг. в Восточно-Сибирском море и море Лаптевых были выявлены шлейфы высокого содержания растворённого метана, [3, 4]. Экспериментально установлено, что придонный слой вод в указанных районах перенасыщен метаном относительно его содержания в атмосфере высоких широт северного полушария на 2 200-3 000%, а поверхностные воды - до 700-2000%. Концентрации растворенного метана в поверхностном слое воды в эстуариях сибирских рек колебались в пределах от 7 до 700 нмоль/л, [5].
Часть этих аномалий ассоциируют с наземными источниками, поставляющими метан с помощью речного стока [5]. Действительно, водосборы сибирских рек находятся на территории с наличием многолетней мерзлоты, хранящей огромные запасы органического углерода. Обогащенные метаном озера Колымо-Индигирской низменности также соединены с реками многочисленными протоками. С другой стороны, сибирский шельф доступен для прямой разгрузки метана посредством подмерзлотного стока. Также исследователи допускают наличие морского источника, а именно возможность разгрузки метана из газогидратных структур [4]. В этой связи становится актуальным выявление вклада пресноводных и морских арктических экосистем как источников метана на арктическом шельфе.
2. Описание численного эксперимента
В данной работе рассматривается распространение растворенного метана, поступающего со стоком сибирских рек в воды шельфовой зоны СЛО. Исследование проводится на основе численных экспериментов с региональной моделью СЛО - Северная Атлантика, разработанной в ИВМиМГ СО РАН.
В результате работы численной модели с использованием данных реанализа NCEP/NCAR была восстановлена система взаимодействия водных масс Северной Атлантики и СЛО, включая циркуляцию вод в морях сибирского шельфа [6]. На основе полученной климатической картины циркуляции рассматривалась модельная задача о выносе растворенного метана в Арктический океан со стоком сибирских рек. Распределение растворенного метана (C) в морской воде получено как решение адвективно-диффузионного уравнении для примеси. дС
--ь u • VC = Diffusion + Cox
dt
где u - скорость морских течений, Diffusion - описывает процесс горизонтальной и вертикальной диффузии метана на основе операторов второго порядка. Cox - описывает сток метана, в частности, за счет его окисления.
На боковой границе области в точках, соответствующих дельтам рек Обь, Енисей, Лена, Яна, Колыма, Индигирка, задавались значения концентрации растворенного метана, соответствующие данным измерений. На участках боковых границ, соответствующих местам впадения рек, используются данные
о среднеклиматическом сезонном изменении стока рек Арктического региона (информация доступна на сайте международного проекта AOMIP http://www.whoi.edu/page.do?pid=29836). Задание расхода рек сопровождается заданием притока пресной воды (с нулевой соленостью) и концентрации метана с помощью следующего граничного условия:
—/ ((С + (u • n)С = Q s dn
где Q = — CLl n - нормаль к границе, через которую осуществляется
A
приток, un ={u • n) - скорость в этом направлении, Tr - величина расхода
реки, A - площадь боковой поверхности равная произведению длины участка
границы и глубины бассейна на этом участке, / - коэффициент горизонтальной
s
диффузии.
В рамках описанной численной модели был реализован численный эксперимент для временного интервала с 2001 по 2009 год. Источники растворенного метана задавались в эстуариях сибирских рек в пределах от 30 до 300 нмоль/л, в соответствии с данными измерений [5]. При этом для эстуария Оби была принята величина - 30 нмоль/л; Енисея -70 нмоль/л, Лены - 300 нмоль/л, Индигирки, Колымы и Яны - 200 нмоль/л.
В морских водах при наличии кислорода имеет место дополнительный биохимический процесс - окисление метана, что обеспечивает его эффективный сток. Различные параметризации этого процесса в настоящее время обсуждаются в литературе [7-9]. В численном эксперименте процесс окисления метана был реализован на основе подхода, предложенного в работе [7]. Был введен термин «turnover times» (время жизни), как мера, характеризующая время существования метана в растворенном виде в морской воде. Результаты измерений концентраций метана в районе его поддонной разгрузки, приведенные в работе [7], показывают, что его «время жизни» в морской воде относительно постоянно: примерно 1.5 года для глубоких слоев океана с высокой концентрацией CH4 и порядка десятилетий на небольших глубинах, где его концентрация существенно ниже.
Подобная параметризация была рассмотрена в работе [10]: сток метана в модели задавался с учетом его времени жизни [7], которое составляло 1.5 года на глубине свыше 370 м и 10 лет для более мелкого океана. В эксперименте мы использовали аналогичный подход, а именно, рассматривали
1.5 года при z > 370 м
10 лет при z < 370 м
3. Результаты моделирования
Результаты численного эксперимента показали, что сток реки Лены вносит весомый вклад в формирование аномально высоких концентраций метана в шельфовых водах моря Лаптевых. В соответствии с динамикой речного стока максимальные концентрации (до 70 нмоль/л) появляются в мае. Дальнейшее
Cox = С/т, где т =
распространение происходит в соответствии с системой течений в циклоническом направлении, определяемой действующей системой ветров и отклоняющим вправо эффектом силы Кориолиса. Полученные высокие концентрации метана сохраняются только в районе речного стока Лены, и к сентябрю происходит их распространение к проливу Дм. Лаптева, однако максимальные значения уменьшились и составили только около 22 нмоль/л.
Перенасыщение поверхностных вод растворенным метаном позволяет рассчитать поток метана в атмосферу. Расчет эмиссии метана проводился по методологии, описанной в [11]. Поток метана из шельфовых вод в атмосферу был рассчитан как функция разницы концентрации растворенного метана в поверхностном слое воды (С№ , нмоль/л) и равновесной с атмосферой концентрации метана (Са, нмоль/л, для данного региона получена от 3 до 4.5 нмоль/л), скорости ветра (V, м/с) и числа Шмидта ^с).
^ = 0.31Г2
' 5с V0'5
-)
V 660у
Число Шмидта характеризует свойства метана при различной температуре воды (Т, °С ) и определяется по формуле,
5с = 2039.2 -120.31 • Т + 3.4209 • Т2 - 0.040437 • Т3
Были рассчитаны потоки метана вода-атмосфера с учетом поля концентраций метана в морской воде, полученного в численном эксперименте.
1П 9
Потоки составили от 0 до 40-10" г(СН4)/см час для сентября 2003 года, от 0 до
10 2
20-10 г(СН4)/см2час для сентября 2004 года, что сопоставимо с данными наблюдений. Полученный максимальный поток метана определяется в шельфовых водах моря Лаптевых в районе дельты реки Лены, рисунок 1. В соответствии с данными измерений [3] средний поток метана в атмосферу из
1П 9
восточно-сибирского шельфа составил в - 4.86-10 г(СН4)/см2 час в сентябре 2003 года и 3.0210-10 г(СН4)/см2час в сентябре 2004 года.
Для оценки вклада речного стока в общую эмиссию метана, были рассчитаны интегральные потоки метана для всей области моделирования. На рисунке 2 приведены диаграммы с полученными оценками для всего летнего периода, когда отсутствует ледовый покров. Получено, что эмиссия метана в атмосферу могла составить от 800 до 1600 т (СН4) в зависимости от рассматриваемого года. Так в 2003 году получен возможный поток метана 1600 т, в 2004 году - 1360 т. Подобные оценки для этих периодов, полученные на основе данных измерений, приведены в работе [12]. Эмиссия метана из восточно-сибирского шельфа могла составить 5700 т (СН4) в 2003 году и 1570 т в 2004 году.
3
ь
Задан сток р.Лена | и
х10
140
35 30
20 15 10
-5
__ш
15
-10
5
Рис. 1. Поток метана в атмосферу (в г(СН4)/см в час), полученный в численном
эксперименте для сентября 2003 года
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Рис. 2. Суммарный поток метана в атмосферу в тоннах, полученный для летнего
периода
4. Выводы
В результате численного моделирования получено, что сток реки Лены может вносить весомый вклад в формирование аномально высоких концентраций метана в воде в море Лаптевых. В соответствии с динамикой речного стока получено, что видимые значения метана появляются в мае, дальнейшее распространение происходит в соответствии с системой течений, и к сентябрю максимальные значения определяются у пролива Дм. Лаптева. Что соответствует данным измерений.
Показано, что окисление метана в толще воды обеспечивает эффективный сток в пределах зоны распространения растворенного газа, что может уменьшать его поступление в атмосферу. Получено, что поток метана в атмосферу может составить от 800 до 1600 тонн в год в зависимости от рассматриваемого периода.
Работа выполнена при поддержке междисциплинарного ИП СО РАН №109, проекта РФФИ № 11-05-01075-а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. McGuire A. D., Anderson L. G., Christensen T.R., Dallimore S., Guo L., Hayes D. J., Heimann M., Lorenson T. D., Macdonald R. W. and Roulet N. Sensitivity of the carbon cycle in the Arctic to climate change // Ecological Monographs. - 2009.- V.79(4). - P. 523-555.
2. Damm E., Mackensen A., Budeus G., Faber E., and Hanfland C. // Pathways of methane in seawater: plume spreading in an Arctic shelf environment (SW-Spitsbergen) //Continental Shelf Research 2005. - V.25. - P.1453-1472.
3. Shakhova N., Semiletov I. Methane release and coastal environment in the East Siberian Arctic shelf // Journal of Marine Systems. - 2007. - № 66. - P. 227-243
4. Шахова Н.Е., Сергиенко В.И., Семилетов И.П. Растворенный метан в шельфовых водах Арктических морей // Доклады Академии наук. - 2005. - Том. 402. - №4. - С. 529-533
5. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Бельчева Н.Н. Великие Сибирские реки как источники метана на Арктическом шельфе // Доклады Академии наук. - 2007. - Том. 414. -№5. - С. 683-685
6. Голубева Е. Н., Платов Г. А. Численное моделирование отклика Арктической системы океан-лед на вариации атмосферной циркуляции 1948 - 2007 гг. //Известия РАН, серия ФАО. - 2009. - Том.45. - № 1. - С.145 -160.
7. Valentine, D.L., Blanton, D., Reeburgh, W.S., Kastner, M. Water column methane oxidation adjacent to an area of active hydrate dissociation, Eel River Basin // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 2001. -Vol. 65. - No. 16. - P. 2633-2640
8. Elliott S. Maltrud M, Reagan M., Moridis G., Cameron-Smith P. Marine methane cycle simulations for the period of early global warming // J. of Geophysical Research.- 2011.- V.16.-G01010. doi:10.1029/2010JG001300
9. Griffiths R.P.,et al Field Observations of Methane Concentrations and Oxidation Rates in the Southeastern Bering Sea// Applied and environmental microbiology.- 1982.- Vol. 44.- No. 2.-P. 435-446
10. Yamamoto A., Yamanaka Y., Tajika E. Modeling of methane bubbles released from large sea-floor area: Condition required for methane emission to the atmosphere // Earth and Planetary Science Letters. - 2009.- V.284.- P.590-598
11. Wanninkhof R.. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean. Journal of Geophysical Research. - 1992.- V.97.- NO.C5 - P.7373-7382.
12. Shakhova N., Semiletov I., Panteleev G. The distribution of methane on the Siberian Arctic shelves: Implications for the marine methane cycle // Geophysical Research Letters. - 2005. - V.32. -L09601, doi:10.1029/2005GL022751
© В.В. Малахова, Е.Н. Голубева, 2012
