CC BY
56
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОГО ПОТОКА МЕТАНА НА ШЕЛЬФЕ МОРЕЙ ВОСТОЧНОЙ АРКТИКИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕГО РАЗГРУЗКИ ИЗ ДОННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Валентина Владимировна Малахова
Институт вычислительной математики и математической геофизики, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (913)892-7069, e-mail: [email protected]
Елена Николаевна Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. 8(383)330-64-50, e-mail: [email protected]
На основе региональной модели Северный Ледовитый океан - Северная Атлантика, разработанной в ИВМиМГ СО РАН, проведены расчеты по моделированию состояния водных масс СЛО на период с 1948 по 2010 гг. В предположении увеличения газовой проницаемости многолетних мерзлых донных осадков, как следствия климатических изменений, были проведены численные эксперименты по поступлению растворенного метана в воды шельфа из донных резервуаров в виде диффузионных потоков. Из анализа результатов модельных экспериментов следует, что суммарная эмиссия метана на шельфе морей Восточной Арктики может составить до 200 килотонн в год за период открытой воды.
Ключевые слова: перенос метана, поток метана, окисление метана, ВосточноСибирский шельф.
ESTIMATION OF POSSIBLE METHANE FLUXES FROM THE EAST ARCTIC SEAS A RESULT OF ITS DISCHARGE OF A SEDIMENT
Valentina V. Malakhova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Acad. Lavrentieva, 6, kandidat (PhD) of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, tel. (913)892-7069, e-mail: [email protected]
Elena N. Golubeva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Acad. Lavrentieva, 6, doctor (PhD) of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, tel. 8(383)330-64-50, e-mail: elen@ommfao. sscc.ru
Based on the regional model the Arctic Ocean-North Atlantic developed in ICMMG SB RAS the variability of the Arctic Ocean water masses state was simulated for the period from 1948 to 2010. Assuming the increase in the gas permeability of the perennial frozen sediment caused by climate change, the numerical simulation of the dissolved methane transport from the bottom reservoirs in the shelf water was performed. According to our numerical results obtained in the period from 2002 to 2010, the total methane emission in the eastern Arctic shelf waters can be estimated to 200 kilotons per year.
Key words: methane transport, methane flux, methane oxidation, East Siberian shelf.
Введение
Климатические изменения, происходящие в последнее десятилетие в Арктике, наблюдаются в атмосфере, гидросфере, криосфере и наземном покрове. Наиболее ярким индикатором этого процесса является сокращение ледового покрова Северного Ледовитого океана (СЛО). В целом, за десятилетие с 1997 по 2007 г. площадь морских льдов в Арктике сократилась на 26 %, в сибирских арктических морях площадь морского льда в сентябре сокращалась еще более быстрыми темпами и достигла 79 %, [1]. Повышение температуры приводит к разрушение берегового ледового комплекса и подводной мерзлоты. Все это может привести к вовлечению в современный биогеохимический цикл огромного количества метана, законсервированного в мерзлоте.
Данные экспедиционных исследований 2003-2008 гг. демонстрируют масштабную эмиссию метана в атмосферу из мелководной части шельфа в Восточно-Сибирском море и море Лаптевых [2, 3]. Предполагается, что это может происходить в результате высвобождения газа из мелководных арктических шельфовых газгидратов в результате образования сквозных таликов и увеличения проницаемости подводных мерзлых отложений [3, 4].
Основным в работе является вопрос о том, какими могут быть масштабы современной эмиссии метана в атмосферу на шельфе морей восточной Арктики в предположении наличия транспорта газа из донных отложений.
Методы исследования
Для проведения численного эксперимента используется совместная региональная модель гидротермодинамики океана ИВМиМГ СО РАН [5, 6] и морского льда CICE-3.14 (The Los Alamos Sea Ice Model,
http://oceans11.lanl/gov/trac/CICE). Расчетная область включает акваторию Северной Атлантики с южной границей на 200N и СЛО. Разрешение численной сетки для Северной Атлантики выбрано равным 1°. Севернее 65° используется репроективная сетка, максимальное разрешение которой достигается в приполярном районе и составляет 35 км. Минимальная глубина шельфовой зоны задана равной 50 метрам. Начальное распределение полей температуры и солености соответствуют климатическим данным [7] для зимнего сезона. В ходе численных экспериментов использовались характеристики нижней атмосферы, полученные из данных реанализа NCEP/NCAR.
Представленная выше региональная численная модель океана и морского льда, дополненная трассерным блоком, используется для исследования распространения растворенного метана в водах Восточно-Сибирского шельфа. Распределение растворенного метана (C) в морской воде рассматривается как решение адвективно-диффузионного уравнении для примеси с учетом окисления. Учет окисления метана был реализован на основе подхода, предложенного в работе [8], где на основе анализа данных по окислению метана в морской воде предложено эмпирическое соотношение для учета времени существования газа в растворенном виде в зависимости от его концентрации.
Поток метана в атмосферу был рассчитан как функция разницы концентрации растворенного метана в поверхностном слое воды Cw [нмоль/л] и равновесной с атмосферой концентрации метана Ca, (для данного региона от 3 до 4.5
[нмоль/л]), скорости ветра из данных реанализа NCEP/NCAR ^[м/с]), числа Шмидта и сплоченности льда [9].
F = 0.31Г2
г Зе Л'0'5
V 660у
(С - С ) (1)
к м а; 47
Результаты численного моделирования
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 c 1948 по 2010 гг. В соответствии с проведенными расчетами в последние десятилетия получены значительные изменения в системе водных масс СЛО [10]. По результатам расчета поступление аномально теплых атлантических водных масс в Северный Ледовитый океан, начавшееся в конце 80-х годов, привело к повышению придонной температуры на Восточно-Сибирском шельфе, что подтверждается данными экспедиционных наблюдений. Эти результаты, подкрепленные данными измерений [11], дают основание для предположений о росте температур многолетнемерзлых осадков на шельфе морей и, как следствие этого, о возможном увеличении газовой проницаемости субакваль-ной части криолитозоны. С использованием представленной модели были реализованы численные эксперименты по поступлению растворенного метана из донных резервуаров в период с 2002 по 2010 год в соответствии с двумя сценариями.
В первом сценарии С1 предполагалось увеличение газовой проницаемости многолетних мерзлых донных осадков на морских глубинах до 100 м и поступление растворенного метана из донных отложений равномерно по всей области шельфа в виде диффузионных потоков порядка 3 нмоль /м [8].
Перенос растворенного метана по акватории морей Восточной Арктики производится в соответствии с системой течений бассейна и зависит от рассматриваемого периода. Рассчитанное поле течений имеет сложную структуру, изобилующую локальными круговоротами, особенно в западной части моря Лаптевых, характеризующейся значительными неоднородностями рельефа дна. Несмотря на равномерное задание диффузионных потоков метана по всей области мелководного шельфа, в местах круговоротов происходит его накопление, и образуются так называемые плюмы. Районами скопления растворенного метана в численном эксперименте С1 являются места впадения рек, пролив Дмитрия Лаптева, Новосибирские острова и восточная часть Восточно-Сибирского моря, что соответствует данным измерений [2].
Во втором сценарии С2 были заданы потоки из донных резервуаров порядка 1000 нмоль/м в секунду в мелководной области шельфа до 50 м, где по данным 2003 - 2007 гг. зарегистрированы устойчивые аномалии растворенного метана, [2]. Величина потока взята из работы [12], где моделировался процесс разрушения поддонных газогидратных залежей в мелководных арктических областях на основе математической модели.
Результаты моделирования показали, что аномальные концентрации метана до 900 нмоль/л сохраняются в придонном слое воды. Однако вынос в поверхностную часть водной колонки происходит только в районах, где в соответствии с динамикой водных масс формируется циркуляция, способствующая диффузионному переносу метана по всей водной колонке. В дальнейшем в поверхностном слое происходит распространение метана по всей акватории шельфа.
Выполненные сценарные расчеты позволили оценить возможные потоки метана в атмосферу рассматриваемого региона. Расчет эмиссии метана проводился по методологии, описанной в [9], с учетом соотношения (1). Поток метана в атмосферу в зависимости от года может составить от 20 до 90 килотонн в год по результатам эксперимента С1, от 30 до 200 килотонн в год в эксперименте С2 (см. рисунок). Расчет интегральных потоков метана в изучаемом районе показал, что максимальная эмиссия характерна для 2005 и 2007 годов (см. рисунок). Данные наблюдений показывают, что в середине 2000-х годов значения аномалий среднегодовой температуры воздуха в северной полярной области достигли наибольших значений. Наиболее теплыми годами стали 2005 г. и 2007 г. с аномалией температуры 1,8 °С [1]. Формирование уникального теплового состояния поверхностного слоя воды, способствовало прогреву вод арктических морей в летний период и резкому сокращению площади, занимаемой морскими льдами в конце летнего периода. В численных экспериментах также значительно сократилась площадь льда в этот период, что могло способствовать повышенной эмиссии метана в атмосферу в эти годы.
200000 180000
х 160000
03
X
§ 140000
I-
т 120000
Ш
ГО 100000
I—
си
^ 80000
° 60000
о
40000 20000 0
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Рис. Поток метана в атмосферу региона в тоннах, полученный в эксперименте С1 (черный цвет) и эксперименте С2(серый цвет) для всего безледового периода
Заключение
Наблюдаемые климатические изменения в Арктике и их возможное усиление в будущем может оказать влияние на объемы переноса метана в водных системах и его транспорта в атмосферу региона. Существенным здесь
может быть оттаивание субаквальной мерзлоты, а также увеличение продолжительности безледного периода в арктических морях.
В предположении увеличения газовой проницаемости многолетних мерзлых донных осадков, как следствия климатических изменений, были проведены численные эксперименты по поступлению растворенного метана в воды Восточно-Сибирского шельфа из донных резервуаров и путем речного стока. Показано, что причиной скопления растворенного метана в устьевых районах рек, в проливе Дмитрия Лаптева, у Новосибирских островов может быть система течений данного региона, а не локализация источников именно в этой части шельфа.
На основе сценарных расчетов получены оценки потока метана на шельфе морей восточной Арктики. Показано, что эмиссия метана из вод Восточно-Сибирского сектора Арктики может составить до 200 килотонн в год за период открытой воды, что примерно на порядок ниже оценок приведенных в [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алексеев Г.В., Радионов В.Ф., Александров Е.И., Иванов Н.Е., Харланенкова Н.Е. Климатические изменения в Арктике и северной полярной области // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010. Т.84. №1. Стр.67-80
2. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Yusupov V., Kosmach D., Gustafsson O. Extensive methane venting to the atmosphere from sediments of the East Siberian Arctic Shelf // Science. 2010. V.327. Issue 5970. P. 1246-1250.
3. Шахова Н. Е., В. И. Сергиенко, И. П. Семилетов Вклад Восточно-Сибирского шельфа в современный цикл метана // Вестник Российской Академии наук. 2009. Том 79. № 6. С.507-518
4. Shakhova, N., Semiletov, I., Leifer, I., Rekant, P., Salyuk, A., and Kosmach, D.: Geochemical and geophysical evidence of methane release from the inner East Siberian Shelf // J. Geo-phys. Res. 2010. V. 115, C08007, doi:10.1029/2009JC005602.
5. Golubeva E.N., Platov G.A. On improving the simulation of Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean // J.Geoph.Res. - 2007. - Vol. 112. - C04S05
6. Голубева Е.Н. Численное моделирование динамики Атлантических вод в Арктическом бассейне с использованием схемы QUICKEST// Вычислительные технологии. 2008. Т.13. №5. С. 11-24.
7. Steele M., Morley R., Ermold W. PHC: A global hydrography with a high quality Arctic Ocean // J. Climate. 2000. V. 14. № 9. P. 2079-2087
8. Elliott S. Maltrud M, Reagan M., Moridis G., Cameron-Smith P. Marine methane cycle simulations for the period of early global warming // J. Geophysical Research. - 2011. V.16. G01010. doi:10.1029/2010JG001300
9. Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean // Journal of Geophysical Research. 1992. V.97. NO. C5. P.7373-7382.
10. 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. Т.45. № 1. С.145 -160.
11. Обзор гидрометеорологических процессов в Северном Ледовитом океане. 2007 // Санкт-Петербург. ААНИИ. - 2008. 82 стр.
12. Reagan M. T., Moridis G. J. Dynamic response of oceanic hydrate deposits to ocean
temperature change // J. Geophysical Research. 2008. V.113. C12023,
doi:10.1029/2008JC004938.
13. Polyakov I. D., Alekseev G. V., Bekryaev R. V., Bhatt U., Colony R., Johnson M. A., Karklin V. P., Makshtas A. P., Walsh D., and Yulin A. V. Observationally based assessment of po-
lar amplification of global warming // Geophysical research letters. 2002. V. 29. №. 18. 1878, doi:10.1029/2001GL011111. P.25-1 -25-4
Работа выполнена при поддержке междисциплинарного ИП СО РАН №109, проекта РФФИ № 11-05-01075-а
© В.В. Малахова, Е.Н. Голубева, 2013
