CC BY
67
УДК 551.465+519.63
A.В. Щербаков
Югорский НИИ информационных технологий, Ханты-Мансийск
B.В. Малахова ИВМиМГ, Новосибирск
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗЛОЖЕНИЯ МЕТАНГИДРАТОВ МИРОВОГО ОКЕАНА В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ
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].
Глобальное присутствие газогидратов метана в поддонных областях Мирового океана и в вечной мерзлоте, [2], и результаты исследования пузырьков воздуха из ледяных кернов Гренландии и Антарктиды, [3], натолкнули ряд исследователей на гипотезу о доминирующем влиянии разложения газогидратов метана на изменение климата Земли и, в частности, на завершение последнего ледникового периода, [4]. 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 -углекислого газа и метана в атмосфере и изменений климата на протяжении всего климатического цикла, [3].
Подобная корреляция изменений температуры и содержания парниковых газов на протяжении всего ледниково-межледникового цикла, очевидно, свидетельствует о наличии причинно-следственной связи. К сожалению, точность таких определений недостаточна для установления последовательности событий: что возникло раньше - повышение
температуры, вызвавшее увеличение количества парниковых газов, или наоборот. Некоторые специалисты, [4] 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, [5]. 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,
вызванные любой из возможных причин. Оценки возможного поступления метана в атмосферу в периоды ледниково-межледникового цикла различны. Так, по результатам моделирования получено, что 1500-2700 Гт метана могло поступить в атмосферу в результате разложения газогидратов 120 тысяч лет назад и порядка 800 Гт - 55.5 тысяч лет, [6].
В данной работе на основе модели термогидродинамики океана моделируется поток метана в атмосферу при изменении поверхностной температуры океана масштаба нескольких тысячелетий, [7].
На основе данных об изменении климата на протяжении последних 420 тысяч лет [3], которые были получены при изучении ледяных кернов из
Антарктиды и Гренландии, по средним температурам атмосферы
установлены четыре долговременных климатических цикла состоящих из чередования периодов оледенения и потепления, которые происходили с периодичностью в 90-120 тыс. лет. Для всех четырех циклов характерным является быстрое потепление, когда средняя температура атмосферы сравнительно быстро за
10 тыс. лет практически монотонно увеличивается на величину порядка 10 градусов, и сравнительно долго, за время порядка 70-100 тыс. лет
немонотонно уменьшается на эту же величину, рис.1. Каждому периоду предшествовало длительное немонотонное похолодание. Температурная кривая показывает, что за весь период в 420 тысяч лет средняя температура была ниже современной на 4-5 градусов.
Рис. 1. Изменения температуры атмосферы в прошлом по результатам исследования ледяного керна, [19-20]
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 от 72,5°ю.ш. до 87,5°с.ш. с 24 вертикальными уровнями до достижения квазистационарного состояния за время порядка нескольких тысяч лет, [8].
Далее, для каждой точки широтно-долготной сетки было рассчитано климатическое поле тепла в донном осадочном слое толщиной 1000 м с помощью уравнения теплопроводности с шагом 20 м по вертикали. 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, [9].
Распределение растворенного метана получено как решение адвективнодиффузионного уравнения переноса метана.
ôC u ôC vôC ôC ô7ôC ß
— +-----------+------+ w— = — к— + ^-ÀC, (1)
ôt asin0 ôÀ a ô6 ôz ôz ôz a2
с граничными условиями:
z=0: C = C*(À, 0,0) ; ôC
z=H: к----= 0; (2)
ô z
ôC
На Г : ß— = 0.
ôn
*
Здесь С - концентрация растворенного метана, C (À,0,0) - заданные значения концентраций метана на поверхности океана, которые изменяются зонально от 50 ppb в южных высокоширотных областях океана до 100 ppb в северных высокоширотных областях, 1ppb = 10-6 ml/l. Также использованы следующие обозначения: u, v, w компоненты вектора скорости по
координатам À, 0, z, где À долгота, 0 дополнение широты до 90°, z направлена вертикально вниз; t - время; H (À,0) рельеф дна.
Начиная с установившегося климатического состояния Мирового океана [8], были проведены два эксперимента, [7]. В эксперименте "Похолодание5000" сезонно изменяющаяся поверхностная температура океана в каждой точке широтно-долготной сетки, за исключением областей покрытых льдом, уменьшается линейно со скоростью 1 градус в 1000 лет в течение 5000 лет. При этом отрицательные значения температуры ограничены значением - 2 градуса.
Следующий эксперимент «Потепление10000» начинается с предыдущего эксперимента «Похолодание5000». Аналогичным образом температура поверхностных вод увеличивается линейно, с такой же скоростью на 1 градус в 1000 лет в течение 10000 лет. Наличие льдов учитывается неявно севернее 80 градусов северной широты и южнее 70 градусов южной широты, за счет нулевых напряжений трения ветра и сохраняющихся отрицательных температур поверхностной воды. В экспериментах с потеплением предполагается, что в областях со льдом температура поверхностных вод не подвержена увеличению, то есть таяния льдов не происходит.
Далее моделируется процесс дестабилизации газогидратов метана. Предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое на дне и материковом склоне всюду, где выполняются термобарические условия их существования. Для оценки масштаба дестабилизации метангидратов
важным модельным параметром является глубина залегания гидрата в осадках Мирового океана. Поддонная глубина определяется с учетом толщины зоны стабильности метангидратов, геотермального градиента, пористости осадочного слоя и процента осадочных пород, в поровом пространстве которых содержатся газогидраты [10].
Как только потепление от поверхности океана достигает глубины залегания метангидрата и увеличивает их температуру на определенную величину - допуск, начинается дестабилизация метангидратов [9]. Предполагатся, что весь метан при этом полностью растворяется в морской воде и не достигает повехности океана в виде пузырьков. В модели дестабилизация задается как увеличение концентрации метана в придонной расчетной точке до 5000 ppb. Далее рассчитывается перенос растворенного метана океаническими течениями в акватории Мирового океана от разлагающихся поддонных метангидратов и находится поток метана в атмосферу при описанных сценариях атмосферных климатических изменений.
пп
zu 1 о _ )00
I о ГГ 1R .
О 1Ь I— t 1 /1 -
к 14 - 1 п _
ГО I Z X оз 1 п -
н IU ш 5 о _
— О О О _
I- о о I— А
1— ц п _
Z 0 -с
50 Вре 00 юс ;мя эксперимента, гс Ю0 15С ДЫ
Рис.2. Поток метана в атмосферу от разлагающихся метангидратов, полученный в экспериментах «Похолодание5000»+ «Потепление 10000»,
Тг/год
Как было показано в [7], длительное похолодание в эксперименте «Похолодание5000» привело к уменьшению температуры главного термоклина, в то время как температура промежуточных слоев и глубокого океана возросла. Это в свою очередь привело к дестабилизации метангидратов. Действительно, на рис.2 можно видеть, что через время порядка 2500 лет похолодания поток метана в атмосферу составил 1 Тг/год и увеличился до 4 Тг/год к концу эксперимента через 5000 лет. Средняя концентрация растворенного метана в океане увеличилась примерно в 14 раз и составила 700 ppb.
Эксперимент «Потепление10000» привел к существенному потеплению всей толщи океана, особенно в высоких широтах, где сосредоточены источники метана в виде газогидратов. В результате увеличилась на 28% площадь океанского дна, под которым дестабилизируются метангидраты, и это привело к росту потока метана в атмосферу до 18 Тг/год, рис.2. Средняя концентрация растворенного метана увеличилась до 2050 ppb. При этом источники метана включились на всех глубинах, где возможно существование газогидратов метана, увеличивая концентрацию метана во всех океанах, рис.3.
Проведенные эксперименты показали, что изменения концентрации метана в результате разрушения части залежей метангидратов может являться как причиной, так и прямым следствием температурных изменений. При этом длительное потепление может привести к масштабной дестабилизации метангидратов, существующих в осадочном слое Мирового океана. Полученный максимальный поток метана в атмосферу составил 18 Тг/год.
Рис.3. Изолинии растворенного метана через 10000 лет после начала климатических изменений в эксперименте «Потепление10000», на глубине 250м. Масштабный множитель для значений на изолиниях 50 ppb.
Полученное максимальное значение концентрации метана 3750 ppb.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kvenvolden K.A. Gas hydrates - geological perspective and global change// Reviews of Geophysics. - 1993. - № 31. - P.173-187.
2. Ginsburg G.D., Kvenvolden K.A., Soloviev V.A. Worldwide distribution of subaquatic gas hydtates // Geo-Marine Letters. - 1993. - V.13. - P.32-40.
3. Котляков В.М. Четыре климатических цикла по данным ледяного керна из глубокой скважины «Восток» в Антарктиде // Изв.РАН. Сер. Геогр. - 2000.- №1. - С.7-19.
4. Kennett, J., Cannariato, K.G., Hendy, I.L., Behl, R.J. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials.// Science. - 2000. - NO. 288. -P.128-133.
5. Maslin M.A, Thomas E. Balancing the deglacial global carbon budget: the hydrate factor // Quaternary Science Reviews. - 2003. - No.22. - P.1729-1736.
6. Glasby G.P Potential impact on climate of the exploitation of methane hydrate deposits offshore // Marine and Petroleum Geology. - 2003. - V.20 - P.163-175.
7. Щербаков А.В., Малахова В.В. Моделирование отклика глобального океана на изменение климата // Материалы Международной конф. "Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования", Ханты-Мансийск -12 - 14 апреля. -2005. - C.208-215.
8. 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.
9. Щербаков А.В., Малахова В.В. Математическое моделирование потока метана в атмосферу в результате разложения метангидратов Мирового океана // Оптика атмосферы и океана. - 2005. - Том18. - № 5-6. - С.485-489.
10. Malakhova V.V., Scherbakov A.V. Simulation of spatial distribution of sea bottom sediment depths of the methane-hydrates environments and estimates of the methane fluxes into the atmosphere // Bull. NCC. - Ser. Num. Model. Atmosph., Ocean and Environment Studies. -2005. - Issue 10. - P. 29-38.
© А.В. Щербаков, В.В. Малахова, 2006
