CC BY
36
УДК 681.322.05
ПОТОКИ МЕТАНА ЗАБОЛОЧЕННОЙ ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ С.Ю. Золотое, А.И. Надеев
В статье описывается методика расчета потоков метана, выделяемых болотами Западной Сибири. Регистрация потоков происходит с помощью автоматизированной системы. С учетом некоторых физических особенностей данной системы вводится более точная формула преобразования величины потока метана из размерности напряжения в обычную физическую размерность.
Введение
Около половины Западно-Сибирской равнины занимают болота. По данным отчета о состоянии российского леса [1] заболоченная территория составляет 29 млн га в Тюменской области; 8,6 - в Томской области; 1,8 - в Новосибирской области; 1,1 - в Омской области, что составляет около одной трети общего количества площади болот в России. Во всем мире считается, что в Западно-Сибирском регионе находятся самые большие площади земли, которые занимают болота. Непосредственно болота являются источником парникового газа метана (СН4). При оценке потоков метана приходится сталкиваться с немногочисленными и разными о них данными [2, 3]. Недостаток этой информации особенно ощущается при полевых наблюдениях разных типов заболоченной территории и растительного покрова, например на больших площадях Западной Сибири. Предыдущие исследования территории Западной Сибири [4, 5] показали существенную как пространственную (даже на небольшой площади 200 м2), так и временную (около одного месяца) изменчивость потоков метана.
Наличие продолжительных по времени рядов наблюдений потоков метана должно помочь в адекватной оценке их ежегодного выброса с большой территории. Для этой цели в районе д. Плотниково (Томская область) была установлена автоматическая система регистрации потоков метана. В состав данной системы входят шесть камер, микропроцессор, подводящие трубки, источник питания, разнообразные механические устройства и датчики. Место для установки было выбрано таким образом, чтобы установить камеры на разные типы почв и растительности. Данная система функционирует с 1998 года [6].
Методика измерений
Для обмена данными между человеком и системой (микропроцессором) используется переносной персональный компьютер. Порядок автоматической работы системы задается человеком с помощью программы на собственном языке микропроцессора (похож на ассемблер). Сами величины потоков метана микропроцессором не вычисляются, а записываются в текстовый
файл в виде значений напряжения на детекторе газа.
Микропроцессор записывает данные с каждой камеры поочередно в течение шести часов (один час на каждую камеру). После этого данный цикл повторяется. Каждая камера оборудована специальными крышками для ее полного открытия/закрытия. В момент закрытия происходит накопление газа из почвы, а в момент открытия - проветривание камеры. Соответственно в моменты открытия происходят измерения текущего фона метана. Так как физически дете^ор метана находится не в камере, то содержимое камеры подается на детектор по подводящим
трубкам, а затем обратно в камеру. Для калибровки метанового детектора в течение часа в камеру делают две инъекции по 13 см" (оис. 1).
Цикл камеры
ЗакрыТо
5 г
Первая инъекция
Открыто
Закрыто
V
Вторая инъекция
Открыто
Время, мин
Рис. 1 - Цикл работы камеры
Зависимость между регистрируемым детектором напряжением и концентрацией метана выражается формулами [6]:
5(0Г1-ехр i-aCk(i))
а F -
[1-ехр(-уО] + ХСГ ехр[-у(г-г)]в(г-г/)
(1) (2)
У -I
где V{t) - напряжение на детекторе метана, мВ;
t - текущее время, мин;
B{t) - базовая линия, не зависит от времени и определяется регулировками усилителя (в действительности зависимость базовой линии от температуры, времени и т.д. не изучалась);
S(t) - чувствительность детектора (60-120 мВ/ррт). Она должна быть постоянной, однако ее поведение со временем неизвестно;
а - коэффициент детектора (0,03-0,06 1/ррт );
Ck(t) - концентрация метана в камере, ррт;
С0(Г) - фоновая концентрация метана, ррт;
F - скорость возрастания концентрации за счет эмиссии метана (0-3 ррт!мин);
у - скорость утечки метана в закрытой камере (0-0,02 l/мин);
С" - концентрация метана, вызванная /-й инъекцией, ррт;
t} - время впрыскивания z-й инъекции;
0(f) - функция единичного скачка (равна нулю при t < 0 или единице при t > 0 ).
Недостаток формулы (2) заключается в том, что она не учитывает ни время задержки (необходимое для попадания содержимого камеры на детектор и обратно), ни реакцию самого детектора на изменение концентрации метана.
Для того чтобы учесть реакцию детектора на изменение концентрации метана, необходимо знать его реакцию на единичный скачок 0(0. Для этого нами была получена следующая
формула:
где А(0 ~ реакция детектора метана на единичный скачок;
G - скорость утечки метана из-за качества соединений подводящих трубок и их герметичности (0-5 1/мин).
Теперь регистрируемую детектором концентрацию метана находим из следующего выражения:
I
С(0= \Ck(t-t:--z)Ä(x)dT
о
или
C(t) = CQ(t) + Flux(t) + Inj(t)
Flux{t) = _ ^ ) + (1 _ [, (3)
у 7 У(У -G)
Injit) = ¿С {X-é^^it-t-Q
где C(t) - концентрация метана на детекторе в момент времени t ; t. - время задержки, мин;
/0 - время предстоящего (относительно текущего времени) открытия камеры (равно 17 или 47 мин);
tv - время прошедшего (относительно текущего времени) закрытия камеры (равно 2 или 30 мин).
Соответственно вместо выражения (1) запишем формулу
(4)
а
К(0 = Ж0 + — [1-ехр(-яС(/))]
Расчет потоков метана
Для практического применения формул (3), (4) необходимо сделать предположение, что величины 5(0, 5(Г), С0(0 являются неизвестными константами в течение одного часа. Также
неизвестны константы я у, G и F . Для их поиска по методу наименьших квадратов составляется выражение, сводящее к минимуму невязку между реальными значениями напряжения на детекторе метана (в течение одного часа работы активной камеры) и расчетным напряжением (4). Таким образом, мы получаем величины 5(0, S(t), CQ(t), которые зависят от времени с дискретностью в один час, и величины а, у, G , F , которые зависят от конкретного экземпляра камеры и конкретного типа почвы.
На рис. 2 представлен результат подбора неизвестных величин 6 июня 2000 года с 20:00 до 21:00: F = 0,28 ррт/тт ; 5 = 1087,44 мВ; 5 = 120 мВ¡ррт\ а = 0,04 \/ррт\
С0 = 1 ррт; у = 0,02 1/мин; в = 0,4 1/мин .
6 июня 2000 года
1 1 00 Г—I--1-'-1-1-'-'-'-Г—!-.-т-1-1-'-i-1-г-
400 L-1—L 1 ' ' J—L—1—i—1--1-—'—'—■—l—i—L—L—J—'—i—J—
0 2 4 6 8 1012141618202224262830323436384042444648505254565860
Время, мин
Рис. 2 - Напряжение детектора метана, реально измеренное (сплошная линия) и расчетное (пунктир)
за время с 20:00 до 21:00 6 июня 2000 года
Анализ данных за продолжительный период времени (весь 2000 год) показал, что величина базовой линии B(t) со временем сильно меняется. Это сильно затрудняет корректный поиск остальных неизвестных и особенно такой величины, как фоновая концентрация метана.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alexeev V.A., Birdsey R.A. Carbon in ecosystems of forests and peatlands of Russia. -Skachev Institute for Forest Research: Krasnoyarsk, 1994. - 171 p.
2. Andronova J.A., Karol I.L. The contribution of USSR sources to global methane emission // Chemoshere, No. 26, 1993. - pp.11-126.
3. Zelenev V.V. Assessment of the average annual methane flux from the soils of Russia // NASA Working Paper, WP-96-51: Laxenburg, 1996. - 45 p.
4. Panikov N.S., Glagolev M.V., Kravchenko I.K., Mastepanov M.A., Kosych N.P., Mironycheva-Tokareva N. P., Naumov A.V., Inoue G., Maksyutov S. Variability of methane emission from West-Siberian wetlands as related to vegetation type // Ecological Chemistry, No. 6, 1997. - pp. 59-67.
5. Inoue G., Takahashi Y., Maksyutov S., Sorokin M., Panikov N. Methane emission rate from wetlands in West Siberia and controlling factors // Proceedings of the Fifth Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Russia and Japan in 1996: NIES, Tsukuba, 1997. - pp. 34-39.
6. Maksyutov S., Inoue G., Sorokin M., Nakato Т., Krasnov O., Kosych N., Mironycheva-Tokareva N., Vasiliev S. Methane fluxes from wetland in West Siberia during April-October 1998 // Proceedings of the Seventh Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Russia and Japan in 1998: Sapporo, 1999. - pp. 115-124.
