УДК 551.510.43
ОЦЕНКА ГЛОБАЛЬНОГО ПОТОКА МЕТАНА В АТМОСФЕРУ И ЕГО СЕЗОННЫХ ВАРИАЦИЙ
© 2013 г. В. В. Адушкин, В. П. Кудрявцев
Институт динамики геосфер РАН 119334, Москва, Ленинский проспект, 38, корп. 1 E-mail: adushkin@idg.chph.ras.ru Поступила в редакцию 17.10.2011 г., после доработки 16.11.2011 г.
Предложен новый метод оценки глобальных потоков метана в атмосферу Земли, который учитывает весь спектр его источников независимо от места их расположения и позволяет рассчитывать сезонные изменения потоков метана. Численные расчеты количественных поступлений метана в атмосферу предлагаемым методом подтверждаются данными, полученными при проведении натурных наблюдений. Максимум концентрации СН4 в СП в осенний период связан с действием в арктическом регионе не учитываемых ранее источников метана. Для соблюдения условия баланса между поступлением метана в атмосферу и его стоком полная мощность источников в СП составляет не менее ~530 Тг/год, в ЮП ~470 Тг/год. Проведенные расчеты и анализ закономерностей поведения концентрации и массы метана в полусферах Земли показал, что глобальный поток метана с поверхности литосферы и океана в атмосферу может составлять более ~1000 Тг/год.
Ключевые слова: поток, метан, атмосфера, сезонные вариации.
Б01: 10.7868/80002351513020028
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных проблем прогнозирования климатических изменений является корректный учет интенсивности и пространственно-временной изменчивости потоков парниковых газов в атмосферу Земли. Температурный режим атмосферы в значительной степени регулируется распределением содержания малых газовых составляющих, интенсивно поглощающих и рассеивающих излучение. Поэтому такие газовые компоненты атмосферы, как С02, СН4, Н20, 03 и М20, имея сравнительно малые концентрации, могут существенно изменять этот режим в зависимости от естественных и антропогенных причин и влиять на потоки радиации и температуру в различных частях атмосферы. По степени влияния на радиационный баланс атмосферы, и развитие парникового эффекта метан является третьим по значимости (после паров воды и двуокиси углерода) парниковым газом. Согласно современным представлениям, доля метана в приросте средней глобальной температуры атмосферы составляет 13— 15% от суммарного парникового эффекта, а изменения средней глобальной температуры атмосферы обусловлены усилением парникового эффекта и, в частности, увеличением в ней концентрации метана. Благодаря его способности поглощать инфракрасное излучение, большей, чем у угле-
кислого газа в 21 раз (на единицу массы), а также быстрому росту содержания в атмосфере, его влияние заметно возрастает. К 2000 г. радиационный форсинг от повышения его концентрации составил 0.5 Вт/м2, т.е. треть от радиационного форсинга углекислого газа (1.5 Вт/м2) [1]. За последние 150 лет концентрация метана и его масса в атмосфере удвоились [2]. Результаты наблюдений показывают, что в настоящее время его средняя глобальная концентрация равна 1.78 рршу а полное содержание в атмосфере составляет 5200 Тг [1]. Однозначных представлений о причинах возрастания концентрации метана в атмосфере в настоящее время нет. Выяснение причин изменения концентрации СН4 в атмосфере Земли ограничивается сложностью мониторинга в различных регионах мира, значительной неопределенностью оценки мощности источников и их пространственно-временной изменчивостью на региональном уровне, а также невысокой точностью информации о глобальном распределении гид-роксила, взаимодействие с которым является основной причиной стока метана в атмосфере [3].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Обобщение результатов анализа многих работ различных авторов по источникам метана, пред-
ставленных в работе [4], дают величину глобального потока метана в атмосферу в среднем порядка ~650 Тг/год. Оценки мощности источников согласно [5] указывают величину ~600 Тг/год. При этом многие источники метана в различных регионах мира из-за неопределенности их мощности и сложности измерений не включены в официальные таблицы бюджета метана (1РСС). Кроме того, проводимые различными авторами измерения эмиссии метана из одних и тех же источников дают отличные потоки. Например, оценки общего вклада эмиссии метана из болотных экосистем Западной Сибири отличаются на порядок, в диапазоне от 1.6 до более чем 20 Тг/год [6]. В работах [7, 8] глобальный поток метана из грязевых вулканов оценивается от 6—9 до 33 Тг/год. В последние годы пересматривается возможность выделения значительных масс абиогенного метана из геологических источников. Установлено влияние геотектонических условий на атмосферные концентрации и потоки метана [7—9]. Обнаружена также связь распределения приземной концентрации метана с нефтегазоностью недр [10]. Авторы работ [11] оценивают эмиссию метана в атмосферу Земли при разработках нефти и угля в 45 и 35 Тг/год соответственно. В работах [12—16] содержатся данные, которые позволяют предположить, что роль Мирового океана и, в частности, Северного Ледовитого океана существенно недооценена. Авторы работ [17—19] установили, что в арктической зоне при оценке потока метана следует учитывать его повышенную эмиссию из зон вечной мерзлоты. Деградация вечной мерзлоты в арктическом регионе приводит к увеличению эмиссии метана в атмосферу, поскольку подводная мерзлота мелководной части шельфа уже не играет роль запорного клапана залежей метана [14]. Выделение значительных масс метана также часто связывают с выбросами его из газогидрат-ных залежей [20—22]. Качественные оценки величины глобального потока метана в атмосферу с учетом абиогенной составляющей показывают, что его величина может достигать ~2000 Тг/год [23]. Отмеченная выше неопределенность вклада многочисленных источников в бюджет метана, в первую очередь, связана с тем, что существуют значительные сложности проведения круглогодичного мониторинга указанных выше источников метана, характеризующихся к тому же сезонными изменениями. Поэтому при традиционных оценках глобального потока метана в атмосферу, заключающихся в пересчете данных наблюдений эмиссии метана из конкретных источников с помощью различных методик на всю поверхность Земли, не удается охватить весь спектр источников биогенного и абиогенного происхождения.
В данной работе используется новый метод оценки глобального потока метана в атмосферу, заключающийся по существу в решении обрат-
ной задачи, а именно, его расчета по совокупности известных из многолетнего мониторинга пространственно-временных распределений концентрации метана. При этом учитываются условия сохранения баланса метана, который определяется поступлением его из литосферы и океана, стоком в атмосфере и наблюдаемым пространственно-временным изменением его массы.
В связи с этими соображениями оценка глобального поступления метана была начата с численных расчетов среднемесячной интенсивности и сезонных изменений полной массы метана в атмосфере с использованием результатов наблюдений его концентраций в атмосфере Земли, приведенных на сайте CDIAC [24], где представлены также методы измерений и координаты станций. Были использованы широтные зависимости концентрации метана по данным работ [25—27]. Для того чтобы исключить влияние циркуляции атмосферы на поведение массы метана, были рассчитаны скорости изменения полной массы метана отдельно в СП и ЮП. Используя результаты измерений концентрации метана, его полную годовую массу Мт в СП и ЮП можно оценить из выражения:
И = £ И, = Иа£ 5,(Б^Б) ци/цв (Тг),
где 5,- — объемное отношение смеси метан/воздух (ррЪу); Ыа = 5.3 х 109 Тг — масса атмосферы; Б/Б — отношение площади рассматриваемой зоны (с заданным 5 ) к площади поверхности всей Земли; цт/цв — отношение молярных весов метана и воздуха. Результаты расчета ежемесячного и сезонного изменения массы метана в атмосфере Земли (йЫ/Л, Тг/месяц) в ЮП и СП в 2000 г. представлены на рис. 1.
Из расчетов следует, что в течение 2000 г. увеличение массы метана в атмосфере составило в ЮП 3.2 Тг/год, а в СП — 16.1 Тг/год, т.е. в общей сложности масса метана в атмосфере возросла на 19.3 Тг/год, что находится в удовлетворительном соответствии с данными 1РСС (~20 Тг/год). При этом из рис. 1 видно, что увеличение массы метана в атмосфере СП значительно выше, чем в ЮП, а сезонные изменения его массы более интенсивные. Расчеты показывают, что в СП с декабря по март масса метана в атмосфере практически не изменяется, несмотря на то, что некоторый минимальный его сток существует, а начиная с августа, когда заметно возрастает сток метана, наблюдается значительное увеличение его массы в атмосфере. Это дает повод предполагать, что в СП имеется ряд мощных источников метана с различной сезонной зависимостью их активности, причем наиболее сильное их действие наступает в самом начале осени и постепенно снижается с наступлением зимы. В ЮП, где концентрация метана и ее сезонные вариации не зависят от широты,
Я
О
3
о о св
20 15 10 5 0 -5 10 15 20
Южное полушарие Северное полушарие
Ш = 3.2 Тг
34.5
-31.3
246
Ш = 16.1 Тг
51.7
35.6
20 15 10 5 0 -5 10 15 20
8 10 12 2 4 Время, мес.
6 8 10 12
Рис. 1. Сезонная зависимость скорости изменения массы метана в атмосфере Южного и Северного полушарий Земли в 2000 г.
изменения массы метана, очевидно, определяются в основном сезонным циклом солнечного излучения.
Определяющим фактором наблюдаемого постоянного увеличения полной массы метана в атмосфере Земли является величина его стока. Сток метана в атмосфере зависит от пространственно-временного распределения температуры, концентраций метана и гидроксила. Распределения температуры и концентраций метана в атмосфере достаточно хорошо известны. Основным элементом, окисляющим метан и обеспечивающим до 85% его стока, является гидроксил (ОН). Зная пространственно-временное распределение концентрации гидроксила, можно рассчитать фотохимическое разрушение метана. Средний глобальный сток метана в атмосфере Земли за счет реакций с радикалами ОН можно оценить из выражения:
Е = |[СИ4 ][ОИ]К{Т)йУ,
где интегрирование производится по всему объему атмосферы. Здесь [СИ4], [ОН] — конце
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.