научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫБРОСОВ МЕТАНА ИЗ АРКТИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ НА РЕГИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫБРОСОВ МЕТАНА ИЗ АРКТИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ НА РЕГИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ»

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.

Показать целиком