ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 4, с. 472-483
УДК 551.510.41:551.510.43
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫБРОСОВ МЕТАНА ИЗ АРКТИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ НА РЕГИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ © 2015 г. С. П. Смышляев*, **, Е. А. Мареев**, В. Я. Галин***, П. А. Блакитная*, **
*Российский государственный гидрометеорологический университет 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98 **Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 ***Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина,8 E-mail: smyshl@rshu.ru Поступила в редакцию 26.03.2014 г., после доработки 22.07.2014 г.
Численное моделирование с использованием глобальной химико-климатической модели нижней и средней атмосферы показало, что вклад выбросов метана из арктических газовых гидратов в глобальную продукцию в настоящее время, скорее всего, недооценивается. Увеличение выбросов метана в результате потепления Арктики может привести к уменьшению концентрации гидроксила и возникновению положительной обратной связи с содержанием метана в районе выбросов. Зоны изменения содержания озона при этом не совпадают с зонами увеличения содержания метана, а увеличение концентрации озона с ростом содержания метана носит нелинейный характер, замедляясь при больших значениях потоков метана. Это может быть связано с уменьшением содержания гид-роксила при увеличении выбросов метана и возникающими обратными связями, компенсирующими дополнительную продукцию озона.
Ключевые слова: нижняя атмосфера, химический состав, метан, моделирование атмосферных процессов, обратные связи.
DOI: 10.7868/S0002351515040124
ВВЕДЕНИЕ
Метан — один из важнейших атмосферных малых газов, по оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (1РСС) обеспечивающий радиационное воздействие около 0.48 Вт/м2 [1], что позволяет считать его вторым по значимости после углекислого газа антропогенным парниковым газом. Кроме того, метан активно участвует в химических реакциях в атмосфере, в значительной степени определяя локальную продукцию озона в тропосфере и существенно влияя на содержание водяного пара в стратосфере [2]. Метан не образуется в атмосфере, и его содержание в ней определяется потоком с земной поверхности, химическим разрушением и атмосферным переносом [3]. Среднее время жизни метана в атмосфере составляет около 10 лет [1, 4], что приводит, во-первых, к его интенсивному перемешиванию и выравниванию его отношения смеси, особенно в тропосфере, и, во-вторых, к интегральному влиянию источников метана, расположенных в
разных регионах, на его содержание в нижней и средней атмосфере.
По данным 1РСС глобальная мощность источников метана составляет около 550 Тг/год с неопределенностью около 25% [1]. Среди поверхностных источников метана важнейшими для глобальной продукции являются болота, промышленные выбросы, свалки, животные, рисовые плантации и сжигание биомассы (таблица). Выбросы метана из арктических газовых гидратов, по данным 1РСС, составляют 4—5 Тг/год, или около 1% от его глобальных выбросов. По другим оценкам поток метана из арктических гидратов доходит до 20 Тг/год [5] (около 4% от глобального потока), что, однако, все еще находится внутри погрешности оценки глобальной продукции. Вместе с тем, по некоторым оценкам запасы метана только в газовых гидратах Российской Арктики составляют около 540 Пг (более 5 х 10 Тг) [6], что равняется примерно 1000-летней норме глобальных выбросов метана в атмосферу. Если даже некоторая часть накопленного в газовых гидратах метана попадет в атмосферу, это
может привести к значительному возмущению ее радиационного режима и газового состава.
Газовые гидраты нестабильны при повышении температуры и понижении давления [7], что может привести к высвобождению значительной части накопленного в них метана при потеплении климата. В результате этого масштабы выбросов метана из газовых гидратов могут стать сравнимыми с выбросами от других глобально значимых источников, или даже превзойти их. Результаты измерений последних десятилетий показывают, что содержание метана в арктической тропосфере уже превосходит его содержание в других широтах на 10—15% [8, 9], что связано, скорее всего, с большей, чем ранее полагалось, ролью арктических источников метана даже в настоящее время. В будущем, при повышении температуры, роль Арктических газовых гидратов как источника метана в глобальном масштабе может только увеличиваться, что вызывает необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований для оценки мощности потоков метана из газовых гидратов и последствий их влияния на изменения климата и состава атмосферы.
Вместе с тем, несмотря на определяющую роль интегральных источников метана в глобальном масштабе, в регионе интенсивных выбросов метана, таких, как арктическая зона, локальные химические процессы могут иметь свои особенности. Если вклад газовых гидратов в глобальную продукцию метана по разным оценкам на современном уровне составляет от 1 до 4% [3, 4], то в арктическом регионе (севернее 66° N потоки метана из газовых гидратов составляют около 50% от суммарного потока, а севернее 75° N поток метана из газовых гидратов является единственным источником [10]. Для территории Российской Федерации поток метана из Арктических газовых гидратов составляет порядка 15—20%. Таким образом, даже в наше время потоки метана из газовых гидратов вносят существенный вклад в его продукцию в Арктике и Субарктике, а их увеличение в будущем при более теплом климате может существенным образом повлиять на региональный состав атмосферы и климат.
Проводимые в последние годы экспериментальные исследования показали, что содержание метана в арктической зоне действительно увеличилось, местами превышая двукратные фоновые значения [9]. Теоретические модельные исследования продемонстрировали, что при существенном увеличении выбросов метана из газовых гидратов в атмосферу его влияние на парниковый эффект может стать заметным [11—13]. Однако роль региональных экологических и климатических последствий выбросов метана в Арктике, а также возникающих химических и физических обратных связей еще недостаточно изучена. Настоящее исследование направлено на детальное изучение именно региональных эффектов и роли
Глобальные оценки источников атмосферного метана (на основе [1])
Источник Поток, Пределы изменчи-
Тг/год вости, Тг/год
Природные
Болота 150 92-232
Термиты 20 2-22
Океаны 4 0.2-4
Газовые гидраты 5 0.4-12.2
Геологические 14 12-36
Природные пожары 2
Всего природные 195
Антропогенные
Животноводство 81 65-100
Рисовые плантации 60 25-90
Газовые месторождения 30 25-50
Добыча угля 46 15-64
Сжигание топлива 30 6-60
Сжигание биомассы 50 27-80
Переработка отходов 61 40-100
Всего антропогенные 358
Все источники 553 410-660
обратных связей в изменении химического состава нижней тропосферы Арктики и Субарктики, что должно качественно и количественно прояснить степень возможного влияния высвобождающегося из газовых гидратов Арктики метана на изменения окружающей среды и климата.
МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ МЕТАНА НА СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Атмосферный метан, помимо того, что вносит существенный вклад в парниковый эффект [1], является химически активным газом, определяя эффективность тропосферного образования озона и влияя на содержание основных окислителей тропосферы — гидроксильных радикалов [2, 3, 12]. При окислений одной молекулы метана гид-роксилом ОН в результате цепочки химических реакций образуется до четырех молекул озона при наличии достаточного количества окислов азота [4]. При этом увеличение содержания метана в зоне его повышенных выбросов может привести к уменьшению содержания ОН, так как метан, наряду с угарным газом СО, является одним из основных атмосферных разрушителей ОН [2]. В свою очередь, разрушение метана также происходит в основном за счет химического взаимодействия с ОН:
ОН + СН4 ^ Н2О + СН3.
(1)
Таким образом, в области увеличения выбросов метана в атмосферу создается потенциал для воз-
никновения химической положительной обратной связи, в результате чего содержание метана может еще больше увеличиться, а содержание гид-роксила уменьшиться. В результате время жизни метана в атмосфере увеличивается, и он влияет не только на региональную химию, но за счет трансграничного переноса воздействует на химические процессы в соседних регионах.
Химическая положительная обратная связь между увеличением содержания метана и уменьшением содержания гидроксила в регионе выбросов метана может привести не только к еще большему увеличению содержания метана, но и к увеличению содержания других экологически вредных газов, для которых реакция с гидроксилом является основным стоком. Среди таких газов наибольшее значение имеют окись углерода (угарный газ СО) и неметановые углеводороды [7]. Для Арктики с ее достаточно чистым воздухом эта проблема может показаться не столь актуальной, как для промышленных регионов, однако в районах добычи углеводородных полезных ископаемых и в зонах интенсивного судоходства, вызванное повышенным содержанием метана, уменьшение концентрации гидроксила может привести к существенному ухудшению экологической обстановки.
Кроме химических обратных связей, в регионе выбросов метана из газовых гидратов необходимо учитывать и физико-химические обратные связи, возникающие в результате влияния метана на содержание водяного пара, так как за счет химической реакции (1) в верхней тропосфере и стратосфере метан является одним из основных источников водяного пара [2]. С одной стороны, водяной пар является парниковым газом и его увеличение из-за дополнительных выбросов метана из газовых гидратов усиливает первичный эффект, т.е. вклад собственно метана в усиление парникового эффекта, а с другой стороны, изменение радиационного баланса атмосферы в результате увеличения содержания метана и водяного пара влияет на температуру атмосферы и региональные особенности атмосферной циркуляции, приводя к изменению содержания не только метана и водяного пара, но и других химически связанных с ними
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.