ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 8, с. 943-951
= ФИЗИКА ПОЧВ =
УДК 631.4
ПОТОКИ МЕТАНА В ХОЛОДНОЕ ВРЕМЯ ГОДА: РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И МАССОПЕРЕНОС В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ БОЛОТ
© 2015 г. А. В. Смагин1, 2, 3, Н. А. Шнырев1
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
е-таП: smagin@list.ru
2Институт экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Институт лесоведения РАН, 143030, пос. Успенское Московской обл., Советская улица, 21
Поступила в редакцию 04.07.2014 г.
Приведены материалы полевых исследований потоков метана и его профильного распределения в снежном покрове в различных ландшафтных элементах западносибирского олиготрофного болота (полигон "Мухрино", Ханты-Мансийский автономный округ) в холодное время года. Предложены простые модели для описания распределения метана в инертной снежной толще, сочетающие транспорт газа и источник постоянной мощности на поверхности почвы. Оценены темпы формирования стационарных профилей метана в снежном покрове (характерное время 1 сут). Выведены теоретические уравнения, позволяющие по параметрам стационарного профильного распределения, данным о пористости снега и эффективном коэффициенте диффузии метана в снежной толще рассчитать малые эмиссионные потоки из болот в атмосферу. Расчетные величины эмиссии метана, как правило, существенно (от 2—3 до нескольких десятков раз) превышали измеренные в полевых условиях методом закрытых камер (0.008—0.25 мг С/(м2 ч)), что указывает на возможность недооценки холодного периода в годовом эмиссионном цикле болотного метана.
Ключевые слова: математическое моделирование, эмиссия, диффузия, конвективный транспорт, зимние наблюдения.
Б01: 10.7868/80032180X15080080
ВВЕДЕНИЕ
Газообмен с почвами признается в настоящее время одним из наиболее мощных природных факторов регуляции состава и состояния атмосферы, а его нарушение при антропогенной деятельности может быть одной из причин глобальных климатических изменений. Вместе с тем механизмы, отвечающие за проявление газовой функции почв по отношению к атмосфере, исследованы недостаточно, что в свою очередь осложняет адекватную количественную оценку и моделирование этого явления [4]. Отдельный интерес и малую изученность представляет эмиссия метана, как второго по значимости парникового газа, в зимнее время, чья оценка затруднена по причинам методического характера. Как показано ранее [6], существует принципиальная возможность количественной оценки потоков метана в холодное время по данным о профильном распределении СН4 в снежной толще на базе интегральных аналитических решений соответствующих моделей диффузионного газообмена в стационарном состоянии. То же следует из анализа известных зарубежных публикаций [8, 10—12], в которых в отли-
чие от наших исследований использовалась обычная дифференциальная форма закона Фика с расчетом потоков по градиенту концентраций и эффективному коэффициенту диффузии газов, и лишь в случае [11] — численные методы интегрирования для нестационарных и стационарных задач диффузионного массопереноса. Вместе с тем эксперименты указывают на наличие нелинейных профильных распределений метана в снежной толще, стационарная форма которых не может быть объяснена моделью диффузии с постоянным коэффициентом. В настоящей работе преследуется цель обобщенного количественного описания линейных и нелинейных распределений метана в снежном покрове болот на базе простых физически обоснованных моделей, сочетающих различные механизмы массопереноса и источник постоянной мощности на поверхности почвы, в связи с задачей оценки эмиссионных потоков этого газа в холодное время года.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Предметом количественного исследования и моделирования послужило явление профильного
распределения метана в толще снега на поверхности типичных элементов болотного ландшафта (рямов, гряд, мочажин, топей) в связи с оценкой эмиссии этого газа в холодное время года. Экспериментальные исследования проводили в 2010 и 2011 гг. в период с октября по май в зоне средней тайги Западной Сибири на стационаре Югорского государственного университета "Мухрино" (Ханты-Мансийский автономный округ, 60о53'20" с. ш., 68о42'10" в. д.). Они включали измерения потоков метана с поверхности снега в атмосферу методом камер [4], мощности снежной толщи и плотности ее сложения [1], а также вертикального распределения концентраций метана в снежном покрове. Образцы газовой фазы метана аккуратно отбирали из снега с заданной глубины шприцами 20 мл (IMP, США; SFM, Германия) с удлиненной иглой-насадкой в 3-10-кратной повторности, герметизировали и транспортировали в лабораторию стационара. Концентрацию метана в пробах определяли на газовом хроматографе Кристалл-5000.1 (Хро-матэк, Россия) с пламенно-ионизационными детекторами. Из каждого шприца (индивидуальная проба) в прибор последовательно вводили по три дозы отобранного воздуха; стандартное отклонение для повторных измерений не превышало 0.03 ppm. Синхронно программируемыми датчиками DS1922 (Dallas Semiconductor, США) фиксировали температура на разных глубинах в толще снега. При помощи метеостанции стационара измеряли температуру и влажность воздуха (на высоте 1.5 м) датчиком HygroClip S3 (ROTRONIC, Швейцария), барометрическое давление датчиком Baro-Diver DI500 (Schlumberger Water Services, Нидерланды). Расчет концентрации метана в газовой фазе (С, г/м3) осуществлялся по следующему уравнению [4]:
C = 0.012Х рртД = RT '
(1)
где Х ppm — измеряемая величина объемного содержания метана, ppm, Д — барометрическое давление, кПа, T — абсолютная температура, K, R — универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль K).
Статистическую обработку измерений, а также аппроксимацию данных профильного распределения, математические расчеты потоков метана, построение графических иллюстраций проводили с использованием программ S-Plot 9 и Microsoft Excel 2003 с помощью стандартных пакетов функций и авторских макросов. В качестве отдельного метода исследования использовали имитационное математическое моделирование процесса эмиссии и транспорта газообразного метана через снежною толщу. Модели представлены дифференциальными уравнениями в частных производных с соответствующими граничными и начальными условиями. Полученные в
работе аналитические решения стационарных вариантов моделей позволили осуществить расчеты интенсивности источника (эмиссионного потока) метана из торфяной болотной почвы, находящейся в зимний период под толщей снега. Для численного решения полного варианта модели использовали среду компьютерного моделирования МА1ЬАВ-7 [2].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Эмиссионные (положительные) потоки метана, измеренные традиционным методом камер, сильно варьировали как по срокам наблюдений, так и по элементам болотного ландшафта (рис. 1). Предварительно из выборки были исключены отрицательные значения потоков (поглощение метана из камеры), доля которых составила 22% измерений. Их генезис окончательно не ясен, но, предположительно, может быть связан с физико-химическими механизмами поглощения метана снежной толщей в неравновесных условиях, а в весеннее и осеннее время с активностью метано-трофных микроорганизмов в тающем снеге и на твердофазных включениях в нем. В целом исследуемые положительные величины характеризовались небольшими значениями, редко превышающими 0.2 мг С/(м2 ч). Минимальные значения были свойственны наиболее холодным месяцам (февралю, марту) и составляли для рямов 0.008 ± ± 0.004-0.017 ± 0.004, гряд 0.017 ± 0.012-0.043 ± ± 0.019, мочажин 0.007 ± 0.003-0.024 ± 0.013 и топи 0.015 ± 0.006 мг С/(м2 ч). В более теплые месяцы (май, октябрь) со спорадическими положительными температурами воздуха, эмиссия метана была выше и характеризовалась следующими средними значениями: для рямов 0.026 ± 0.015— 0.033 ± 0.020, гряд 0.020 ± 0.005-0.043 ± 0.014, мочажин 0.249 ± 0.026-0.213 ± 0.042 и топи 0.060 ± ± 0.014-0.140 ± 0.046 мг С/(м2 ч). Переувлажненные элементы (топь, мочажины) имели в теплые месяцы на порядок большие значения потоков метана по сравнению с грядами и рямами, достигавшими 0.15-0.25 мг С/(м2 ч).
На фоне характерных значений эмиссии метана из западносибирских болот в летний период порядка 5-10 мг С/(м2 ч) [7] полученные выше оценки для зимнего периода оказываются пренебрежимо малыми, и их вклад в общую годовую эмиссию, даже с учетом доминирования холодного периода не превышает 1-3%. Однако есть некоторые основания считать эти величины заниженными. Для решения вопроса обратимся к альтернативной методике оценки с использованием данных снежной съемки, которая запечатлевает следы выхода метана из торфяника в виде соответствующих распределений его концентраций в снежном покрове.
О, мг С/(м2 ч) 0.25
А
0.20 0.15 0.10 0.05
Н
'д л
0
0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
20
40
60 5
80 100 Б
120 140 160 180
д
55
О О 0 о.
°ос?0 _|_|_
Оо1
_I_
0 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 £ 0.02
0 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
20
40
60
80
100
120
В
20
40
60
80 Г
100
120
140
а а т 0
Юолпоой
ао
о Уаа а
140
160
Л 1 и
°°оа а оо^оо
оо
А Ч
ДА /?Д)д-
д
о
0
50 100
Число точек измерения
о1 о 2 д3 л4
150
200
Рис. 1. Эмиссионные потоки метана в различных элементах болотного ландшафта в холодное время года (оценка методом камер): А — рямы; Б — топь; В — гряды; Г — мочажины; 1 — март, 2 — май, 3 — октябрь, 4 — февраль; вертикальные планки — стандартные отклонения.
На рис. 2 приведены типичные концентрационные распределения метана в снежном покрове. По форме профиля их можно сгруппировать в три основных типа: прямолинейные (А), нелинейные вогнутые (Б) и нелинейные выпуклые (В). Чаще всего тип А свойственен рямовым парцеллам, типы Б и В — мочажинным и грядовым. Поскольку форма распределений отражает процессы их образования и динамики, в ряде случаев существует
принципиальная возможность количественной оценки интенсивностей данных процессов методом обратной задачи по моделям стационарных распределений веществ [3, 4]. Для этого, очевидно, необходимо получить подобные физически обоснованные модели, дающие в виде стаци
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.