АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 6, с. 638-644
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 550.3550.4551.46534.6681.883
АКУСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В ВОДНОЙ ТОЛЩЕ В ОБЛАСТЯХ ЕГО ПУЗЫРЬКОВОЙ РАЗГРУЗКИ
© 2014 г. А. С. Саломатин*, В. И. Юсупов*, **, О. Ф. Верещагина*, Д. В. Черных*, **
*Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43 Тел.: (423) 231-21-17, Факс: (423) 231-25-73 E-mail: salomatin@poi.dvo.ru **Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050 Томск, просп. Ленина 30 Поступила в редакцию 04.02.2014 г.
Представлен дистанционный акустический метод оценки потока метана в воду от всплывающих пузырьков. С помощью предложенного метода и данных гидроакустических измерений в Охотском море рассчитан профиль концентрации растворенного в водной толще метана в областях его пузырьковой разгрузки. Сравнение полученного профиля концентрации метана с результатами прямых измерений показало хорошее количественное и качественное соответствие. Это подтверждает приемлемую точность предложенного акустического метода и указывает на преобладающую роль пузырькового транспорта в формировании концентрации растворенного метана в водной толще в таких областях.
Ключевые слова: акустическая оценка, метан, водная толща, пузырьки. DOI: 10.7868/S032079191405013X
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время значительно вырос интерес к изучению потоков метана в водную толщу и атмосферу, который во многом связан с наблюдаемым ростом содержания метана в атмосфере и увеличением его вклада в глобальное потепление [1]. В качестве одного из источников поступления метана в водную толщу рассматривается осадочный слой океана, запасы метана в котором превышают 7 х 1013 т [2], откуда 0.7—2 х 107 т ежегодно поступает в атмосферу [3]. Поступающий из морского дна растворенный или газообразный метан переносится в верхние слои водной толщи в результате диффузии, с конвективными потоками, а также при растворении всплывающих пузырьков и газогидратов [4—8]. Профиль концентрации растворенного в водной толще метана в общем случае определяется механизмами его переноса, характеристиками течений, а также источников и стоков метана. Водная толща, расположенная ниже приповерхностного хорошо перемешанного слоя, является эффективным барьером на пути диффузного поступления метана в верхние водные слои и атмосферу, поскольку характерное время окисления метана в воде значительно меньше характерных времен перемешивания глубинных водных масс [9]. Поэтому в случае преоб-
ладания диффузного механизма в условиях низкого вертикального коэффициента турбулентной диффузии повышенные концентрации растворенного метана должны регистрироваться только в достаточно узком придонном слое. Так, если этот коэффициент составляет ~10-4 м2/с [10, 11], то для образования придонного слоя с повышенной концентрацией метана толщиной 30 м потребуется ~ 100 дней [12]. Однако прямые измерения, проведенные в различных областях мирового океана, показали, что в местах газовыделения область со значительным превышением фоновых концентраций метана в водной толще нередко простирается до нескольких сотен метров от дна [13, 14]. Механизм формирования такого распределения растворенного метана может быть связан с пузырьковым транспортом, который для глубин ниже приповерхностного перемешанного слоя является наиболее эффективным инструментом доставки метана из осадочного слоя океана в верхние слои водной толщи и атмосферу [4]. На сегодняшний день области пузырьковой разгрузки метана зарегистрированы повсеместно от Мексиканского залива, побережий Тихого океана, Северного, Черного, Охотского морей до морей Арктики [5, 6, 15—19]. Прямые измерения показали, что в составе газовых пузырьков преобладает метан
[16—18]. Всплывающие со дна пузырьки часто образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации — газовые "факелы" (ГФ), вертикальные размеры которых могут достигать километра и более [15, 20]. Скорости всплытия пузырьков в ГФ достаточно высоки и составляют около 0.2 м/с [15, 18], следовательно, они за один час способны доставить метан на высоту более 700 м от поверхности дна. Поэтому в водной толще на всем протяжении ГФ за счет растворения всплывающих пузырьков должна формироваться область повышенной концентрации растворенного метана.
Чрезвычайно полезными при исследовании ГФ являются дистанционные акустические методы, основанные на регистрации обратного рассеяния звука (ОРЗ). В настоящее время они широко используются для обнаружения и исследования ГФ на всем их протяжении от поверхности моря, в том числе и в ледовом покрове, до дна [15, 18, 20, 21]. Целью работы являлась разработка методики расчета по данным акустических наблюдений за ГФ профиля концентрации растворенного в воде метана, обусловленного растворением всплывающих пузырьков, и сравнение полученного профиля с результатами прямых измерений концентрации растворенного метана в водной толще.
2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА
Акустические наблюдения проводились с помощью комплекса, основу которого составляют эхолоты ELAC и Сарган-ЭМ (рабочие частоты 12 и 20 кГц, ширина диаграммы направленности 12° и 10° соответственно), система глобального позиционирования и система цифровой регистрации эхо-сигналов [22]. Измерение концентрации метана в водной толще осуществлялось путем отбора на станциях проб воды на заданных горизонтах с последующим газохроматографическим анализом на борту судна [23].
Для расчета концентрации растворенного метана в водной толще воспользуемся простейшей моделью. Пусть в горизонтальный слой воды единичной толщины, двигающийся с постоянной скоростью Уи находящийся на высоте к над горизонтальной поверхностью обширной области разгрузки метана на дне, поступает метан с постоянным по всей области потоком в воду с единицы площади Fs(к). В этом случае концентрация метана С(к) в этом слое воды над областью разгрузки в направлении течения будет линейно возрастать:
С(к) = ¥(к)Ь/У, (1)
где Ь — расстояние от края области разгрузки вдоль направления течения до места измерения. Таким образом, для определения искомого профиля концентрации метана нужно найти профиль по-
тока метана, поступающего в единицу водного столба, и скорость глубоководных течений.
Скорости глубоководных течений на полигоне определялись по результатам гидроакустической съемки ГФ дистанционным акустическим методом [24]. Метод основан на определении углов наклона ГФ в пространстве, которые определяются соотношением между скоростью всплытия пузырьков и скоростью течения. Такой метод, так же как и акустические методы, основанные на до-плеровском эффекте [25], позволяет определять течения на ходу судна, однако на километровых глубинах этот метод обладает более высокой чувствительностью, до одного см/с.
Традиционные методы измерения потока метана, основанные на установке специальных ловушек газа [26] или оптическом наблюдении за всплывающими пузырьками [27], оценивают поток по суммарному объему пузырьков, пересекающих горизонтальную плоскость в единицу времени (поток метана вверх). Однако для построения искомого профиля растворенного в воде метана требуется знание не потока метана вверх, связанного с вертикальным переносом метана всплывающими пузырьками, а потока метана в воду, связанного с растворением пузырьков. Поток метана в воду можно определить, взяв производную по глубине от профиля потока метана вверх. Построение такого профиля путем постановки ловушек или оптического наблюдения требует проведения серии измерений на различных глубинах, что на практике оказывается чрезвычайно трудозатратным и потому малопригодным. Применение дистанционных акустических методов с этой точки зрения является предпочтительным. Традиционные методики дистанционного определения потока метана в ГФ [15, 28], основанные на оценке по уровню ОРЗ объема метана, переносимого пузырьками, также определяют поток метана вверх. При этом для проведения такой оценки кроме акустических данных требуются дополнительные сведения о функциях плотности распределения пузырьков по скоростям всплытия, размерам и форме на каждом горизонте. Получить такие сведения на нескольких горизонтах и при значительном расстоянии от дна крайне затруднительно. Кроме того, дифференцирование профиля потока метана вверх, необходимое для получения профиля потока в воду, вносит дополнительные ошибки. Покажем, что искомый профиль потока метана в воду можно оценить по сигналу ОРЗ без применения процедуры дифференцирования и при неизвестных распределениях пузырьков по размерам и скоростям всплытия.
а/г2 104
102 =
10
10
10-4 10-3
10
10-
10°
кг
Рис. 1. Зависимость нормированного сечения ОРЗ сферического пузырька от значения кг. Отрезками показаны участки с квадратичной зависимостью ст от г. Над соответствующими областями кг (для частоты 20 кГц) условно показаны возможные формы всплывающих пузырьков.
2.1. Методика оценки потока метана в воду от ГФ
Методика основана на измерении профиля сечения ОРЗ от ГФ на частотах выше резонансной частоты пузырьков, образующих ГФ. Поток метана в воду связан с его диффузией через поверхность пузырьков. Следуя [29], для величины этого потока в грамм-молях в секунду от единицы высоты столба ГФ получим выражение
Ек = 4п \к„зг2 (С - Рь1Н)Ш(г)йг. (2)
о
Здесь кв — индивидуальный для каждого пузырька коэффициент, характеризующий скорость обмена метана через его поверхность; ж — отношение площадей поверхности пузырька и сферы того же объема; г — эффективный радиус пузырька, равный радиусу сферы того же объема; С — концентрация метана в воде; Рь — парциальное давление метана в пузырьках; Н — постоянная Генри; N — количество пузырьков на единицу высоты ГФ, п(г) — функция плотности распределения пузырьков по размерам. Для глубоководных ГФ (глубина больше 400 м) выражение (2) можно значительно упростить. Из-за высокого гидростатического давления Р можно пренебречь, во-первых, поверхностным натяжением и, во-вторых, процессом встречной диффузии в пузырек растворенных в воде газов — азота, кислорода и др. Учитывая та
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.