научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИСТОЧНИКОВ МЕТАНА В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ НА МЕЖПОЛУШАРНУЮ АСИММЕТРИЮ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ И НА КЛИМАТ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИСТОЧНИКОВ МЕТАНА В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ НА МЕЖПОЛУШАРНУЮ АСИММЕТРИЮ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ И НА КЛИМАТ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 3, с. 287-294

УДК 551.510.53:551.55

ВЛИЯНИЕ ИСТОЧНИКОВ МЕТАНА В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ НА МЕЖПОЛУШАРНУЮ АСИММЕТРИЮ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ И НА КЛИМАТ

© 2015 г. Е. М. Володин

Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: volodin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 30.09.2014 г., после доработки 22.10.2014 г.

С помощью численных экспериментов с климатической моделью INMCM4 показано, что наблюдаемая десятипроцентная разность концентрации метана в нижней тропосфере между Арктикой и Южным полушарием может быть воспроизведена в климатической модели, в которой учитываются лишь заданное современное пространственное распределение антропогенных эмиссий метана, а также вычисляемые в модели эмиссии из болотных экосистем. При задании дополнительного источника метана в Арктике величиной 50 или 100 Мт в год разность концентраций метана в атмосфере между Арктикой и Южным полушарием получается больше наблюдаемой. Показано, что при введении дополнительного источника метана в Арктике, равного 4000 Мт в год, происходит повышение температуры приземного воздуха в среднем на 1.5 градуса. Пространственное распределение потепления близко к распределению, обусловленному увеличением концентрации углекислого газа, зависит лишь от средней по всей атмосфере концентрации метана и практически не зависит от того, где расположен источник метана.

Ключевые слова: метан, источник, климат, изменение, концентрация.

Б01: 10.7868/8000235151503013Х

ВВЕДЕНИЕ

Метан в атмосфере Земли является одним из основных парниковых газов. Согласно современным представлениям [1] вклад увеличения концентрации метана в атмосфере в увеличение парникового эффекта в XX веке занимает второе место после увеличения концентрации углекислого газа. Поэтому причинам изменения концентрации метана в прошлом, настоящем и будущем уделяется много внимания. Тем не менее некоторые вопросы, связанные с распределением метана в атмосфере и его влиянием на климатическую систему, все еще освещены слабо. Одним из таких вопросов является наблюдаемая межполушарная асимметрия концентрации метана в атмосфере. Наибольшие концентрации в приземном слое воздуха наблюдаются в высоких широтах Северного полушария. Наименьшие концентрации наблюдаются в Южном полушарии (см., например, http://en.wikipedia.org/wi-к^Ато8рИепс_те&апе]). В [2] в качестве причин межполушарного различия рассматривается расположение источников метана преимущественно в Северном полушарии, однако вопрос о том, какой именно величины должен быть источник метана в Арктике, не рассматривается. В [3] высказывается гипотеза о том, что такое распределение ат-

мосферного метана, наблюдаемое лишь в эпохи межледниковья, связано с дополнительным источником метана в высоких широтах вследствие, например, разложения метаногидратов на морском дне в Арктике и/или на суше в районах оттаивания вечной мерзлоты. При этом величина такого источника метана в принципе может в несколько или даже во много раз превышать общепринятую на настоящий момент оценку в 10 Мт в год, приведенную в [4]. Поэтому возникает вопрос о том, при какой эмиссии метана в Арктике межполушарная асимметрия концентрации метана в атмосфере ближе всего к наблюдаемой. Попытка ответить на этот вопрос является предметом данной статьи. Другой вопрос, тесно связанный с первым, — насколько сильно влияет на климат дополнительная эмиссия метана из арктического региона. Речь идет как о глобальном потеплении климата на всем Земном шаре, так и о локальном потеплении непосредственно вблизи источника метана. Выяснение соотношения вероятного локального и глобального потепления особенно важно в связи с обсуждающейся в литературе гипотезе о "метановой бомбе", [5, 6], согласно которой глобальное потепление ускоряет процесс выделения метана из-за разложения гидратов метана на морском дне либо вследствие деградации мерзлоты на суше

и разложения органики почвы, что увеличивает парниковый эффект и приводит к дальнейшему ускорению выделения метана. Катастрофическое влияние на климат такого механизма на временных масштабах порядка столетий названо в [4] маловероятным. Тем не менее в [7] высказывается предположение, что наблюдаемое в последние десятилетия потепление в Арктике с максимумом в Восточно-Сибирском секторе может быть связано с увеличением выброса метана, которое наблюдается именно в этом секторе. Заметное увеличение потока метана вследствие деградации вечной мерзлоты на суше и на море ожидается и согласно работам [8] и [9]. Увеличение потока углеродосодержащих веществ, в том числе и метана, при ожидаемом потеплении в XXI веке, произойдет и согласно [10].

Подчеркнем, что исследование величины возможной положительной обратной связи между глобальным потеплением и скоростью разложения метаногидратов, которая лежит в основе гипотезы метановой бомбы, не является предметом данной статьи. Этому вопросу, по-видимому, будет посвящена отдельная работа. Здесь же попытаемся ответить на вопрос о том, как именно реагирует климатическая система на дополнительный гипотетический источник метана большой величины в Арктике.

МОДЕЛЬ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Для проведения численных экспериментов использовалась модель климатической системы ШМСМ4 [11]. Она имеет разрешение в атмосферном блоке 2 х 1.5 градуса по долготе и широте и 21 уровень по вертикали от поверхности земли до высоты 10 гПа. В океане разрешение модели составляет 1 х 0.5 градуса по долготе и широте и 40 уровней по вертикали. Модель дополнена блоком эволюции метана в атмосфере, который состоит из расчета потоков метана из болот тем же методом, как это сделано в [12]. А именно, географическое распределение болот предписано в модели. В почве болот вычисляется источник метана, а также эволюция метана вследствие диффузии, окисления и всасывания корнями растений. Поток в атмосферу складывается из диффузионного потока и потока в растениях. Кроме того, в модели учитывается предписанное географическое распределение антропогенного потока метана (http://tntcat.iiasa.ac.at/RcpDb/), соответствующего 2000 г., а также гипотетического дополнительного потока из Арктики, переноса метана в атмосфере и его окисления с характерным временем, зависящим от концентрации и температуры аналогично тому, как это сделано в [12]. Дополнительный поток метана в Арктике был задан равномерно распределенным по территории севернее 60° N. Суммарное количество дополнительного метана, выброшенное в атмосферу, составляет в трех экспериментах, где рассматривается межпо-

лушарная асимметрия атмосферного метана, соответственно 0, 50 и 100 Мт в год. Считается, что в современном климате в нижней тропосфере концентрация метана в высоких широтах Северного полушария примерно на 10% выше концентрации метана в высоких широтах Южного полушария (см., например, http://en.wikipedia.org/wi-ki/File:Ch4_surface_color.svg), и полученная в модели разность концентрации метана в Арктике и Антарктике сравнивается именно с этим значением. Поскольку влияние выбросов метана величиной порядка 100 Мт в год на климат невелико, для исследования влияния дополнительных выбросов метана на климат и получения статистически значимого отклика климатической системы был проведен численный эксперимент, где величина дополнительного источника метана в Арктике была задана равной 4000 Мт в год, что примерно в 10 раз больше существующих оценок суммарной эмиссии в конце ХХ—начале XXI века. Дополнительный источник также был распределен равномерно севернее 60° N. Для ответа на вопрос, насколько специфически климатическая система реагирует на источник метана именно в Арктике, был проведен дополнительный численный эксперимент. Он был полностью аналогичен предыдущему, где источник метана в Арктике был задан равным 4000 Мт в год, но при вычислении атмосферной радиации во всех узлах модельной сетки задавалась одна и та же концентрация метана, полученная усреднением модельной концентрации метана по всей атмосфере. Все численные эксперименты были проведены в режиме современного климата, для чего все воздействия на климатическую систему, включая концентрации радиационно активных газов и аэрозолей, соответствовали 2000 г. Продолжительность каждого численного эксперимента составляла 50 лет. Такая продолжительность выбрана исходя из того, что характерное время жизни метана в атмосфере составляет величину порядка 10 лет. Поэтому равновесная концентрация метана и отклик климата на нее устанавливается примерно за 20 лет везде, кроме глубинных слоев океана. В наших численных экспериментах в качестве равновесного состояния рассматривалась концентрация метана и изменения климата, полученные в последние 30 лет каждого 50-летнего численного эксперимента. В начальный момент концентрация метана была задана одинаковой во всей атмосфере и равной 1.8 млн-1.

РАЗНОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА МЕЖДУ СЕВЕРНЫМ И ЮЖНЫМ ПОЛУШАРИЯМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВЫБРОСАХ МЕТАНА В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ

Среднегодовое распределение концентрации метана в эксперименте с нулевой дополнительной эмиссией приведено на рис. 1. В нижней тропо-

Давление, мб

Рис. 1. Среднегодовая концентрация метана (млн 1), осредненная вдоль круга широты в модели с нулевым дополнительным источником метана.

сфере Северного полушария концентрация метана в модели составляет 1.65—1.75 млн-1, в Южном полушарии — около 1.55 млн-1. Это примерно на 5— 10% меньше, чем наблюдалось в конце XX века, и соответствует первой половине 80-х годов прошлого столетия.

Среднегодовое распределение источников метана в проведенных численных экспериментах представлено на рис. 2. Даже при нулевой дополнительной эмиссии метана большая часть источников расположена в Северном полушарии, между 20 и 70 градусами широты. При введении дополнительного источника в Арктике максимум источника вблизи 65-70 градуса широты становится еще более заметным. Величина антропогенного потока, заданная в модели, составляет около 360 Мт/год, а вычисленная эмиссия из болот примерно равна 160 Мт/год. Суммарный поток составляет 520 Мт

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»