CC BY
56
УДК 556.02.637
ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭМИССИЮ МЕТАНА ИЗ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ (ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ)
© 2012 г. Ю.А. Федоров, Д.Н. Гарькуша, М.Л. Крукиер
Федоров Юрий Александрович - доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: fedorov@sfedu. т.
Гарькуша Дмитрий Николаевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт; старший преподаватель, кафедра физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: [email protected].
Крукиер Михаил Львович - аспирант, кафедра физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: [email protected].
Fedorov Yury Aleksandrovich - Doctor of Geographical Science, Professor, Head of Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: [email protected].
Garkusha Dmitry Nikolaevich - Candidate of Geographical Science, Senior Scientific Researcher, Hydrochemical Institute; Senior Lecturer, Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e -mail: gardim1 @yandex. ru.
Krukier Mikhail Lvovich - Post-Graduate Student, Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e -mail: [email protected].
Впервые на основе экспериментального и математического моделирования получены формулы, связывающие концентрацию метана с его потоком в системе вода — атмосфера для мелководных морских и пресноводных водоемов. Они могут быть использованы для прогностических расчетов объемов эмиссии метана не только из водных объектов, но и очистных сооружений.
Ключевые слова: эмиссия метана, математическое моделирование, экспериментальное моделирование, поток, метан.
For the first time on the basis of experimental and mathematical modelling obtained formulas relating the concentration of methane, with its flow in the water — atmosphere for the shallow marine and freshwater bodies. They can be used for predictive calculations of the volume of methane emissions not only from water bodies and sewage treatment plants.
Keywords: methane emission, mathematical modeling, experimental modeling, flow, methane.
Проблеме оценки потоков метана уделяется большое внимание, обусловленное использованием показателя «метан» в качестве возможного индикатора при поиске и разведке нефтегазовых месторождений, уровня загрязнения водных объектов, а также значимым вкладом этого газа в образование парникового эффекта [1-5]. Российская Федерация подписала ряд международных соглашений об ограничении эмиссии метана в атмосферу Земли, что накладывает определенные политические и экономические обязательства на нашу страну. Относительно причин наблюдаемого изменения климата, сопровождающегося повышением глобальной температуры воздуха, существуют две диаметрально противоположные точки зрения. Согласно доминирующей гипотезе, повышение температуры воздуха в планетарных масштабах вызвано антропогенным воздействием на окружающую среду, приведшее к образованию парникового экрана. При этом главная роль в его формировании отводится так называемым green gases, среди которых важное место занимает метан. Другая менее популярная гипотеза связывает рост глобальной температуры исключительно с природными пертурбациями. Не вдаваясь в дискуссию, поскольку наша статья не ориентирована на доказательство справедливости одной из гипотез, отметим,
что авторы стоят на позиции, согласно которой изменение климата рассматривается как отклик экосистемы Земли на аддитивное однонаправленное воздействие природных и антропогенных факторов и процессов.
В этом аспекте приобретают важное значение исследования, направленные на количественную оценку природной эмиссии парниковых газов, включая метан, с поверхности суши и воды. Наши исследования в данном направлении проводятся уже более 20 лет, что позволило получить новые оригинальные экспериментальные результаты и вплотную приблизиться к разработке моделей, адекватно описывающих связи между концентрацией газа и объемами его эмиссии из болот, почв, станций аэрации, донных отложений и воды неглубоких водных резервуаров [1, 4-11].
Одним из значимых источников атмосферного метана являются водные экосистемы [5], где в верхних горизонтах донных осадков протекают аэробно -анаэробные процессы, которые с глубиной сменяются на анаэробные. Метан является одним из конечных продуктов анаэробной деструкции органических веществ, поэтому его максимум в большинстве случаев наблюдается в донных отложениях на некоторой глубине от границы раздела дно - вода. Для большинства изученных нами водных объектов содержание метана
в поверхностном слое отложений (0-5 см) водных объектов в среднем в 1,3-3,5 раза ниже, чем в подповерхностном (5-10 см). В водной толще содержание метана на один-два порядка меньше, чем в верхнем пятисантиметровом слое осадков [1]. В результате неравномерного распределения содержания метана в толще отложений и на границе раздела дно - вода возникают и поддерживаются градиенты концентраций. Это, а также давление, создаваемое образующимся в основном биохимическим путем газом, определяют как миграцию метана в самих донных отложениях, так и его эмиссию из них в придонную воду. Подтверждением служит наличие тесной связи между концентрациями метана соответственно в придонном слое воды и донных осадках [1, 6, 7]. Из донных отложений в воду и атмосферу метан может поступать посредством молекулярной диффузии, конвекции газовых пузырьков (пузырьковый транспорт) и выделения через высшую водную растительность. В настоящее время обоснованно считается, что наибольшее значение в балансе метана в системе донные отложения - вода - атмосфера имеют два первых механизма [1].
Экспериментальные исследования по определению потоков метана на границах раздела сред донные отложения - вода и вода - атмосфера [1, 6], выполненные на станциях Таганрогского залива, рек Дон, Темерник и Мертвый Донец, показали существенное различие их абсолютных величин для водных объектов и их участков, имеющих различный трофический уровень. Так, наибольшие потоки метана были зафиксированы на участках, где происходит активная аккумуляция в донных отложениях органических веществ, поступающих в первую очередь из антропогенных источников. В таких местах наряду с существованием в системе донные осадки - вода - атмосфера повышенных потоков метана за счет молекулярной диффузии визуально наблюдаются выходы газовых пузырьков различного размера из донных отложений в воду и затем в атмосферу, что приводит к существенному возрастанию (на один и более порядков) величин потоков метана. Минимальные величины потоков газа отмечаются на тех участках, где донные отложения содержат, как правило, низкие концентрации органического вещества природного и антропогенного происхождения [1, 6]. С научной и прикладной точек зрения было важно увязать уровни концентрации метана с величиной его эмиссии, что и было впервые осуществлено в работах [1, 6], а также выявить влияние температуры на генерацию биогенного метана и, как следствие, его содержание и потоки [8]. К сожалению, не всегда представляется возможным выполнить прямые измерения эмиссионных потоков метана экспериментальным путем в натурных условиях, поэтому актуальной является проблема получения достоверной информации косвенным путем, используя метод математического моделирования. Сопоставление данных по сезонной динамике температуры воды и содержания метана в воде указывает на проявление между ними тесной прямой экспоненциальной зависимости в период весна - осень и существенное снижение коэффициентов корреляции в уравнениях регрессии зимой [1]. Зимой даже в безлёдный период
наблюдается уменьшение величин потоков газа, что обусловлено низкой температурой воды и, как следствие, падением темпов микробной и химической деструкции органических веществ, в том числе с образованием метана, а также снижением коэффициента диффузии газа на границах раздела сред донные отложения - вода и вода - атмосфера. Однако относительно низкие температуры воды полностью не подавляют метаногенез, о чем свидетельствуют результаты, впервые полученные для экосистемы озера Байкал [10]. Понижение температуры может оказывать и прямо противоположное влияние на уровень содержания метана - его относительное увеличение концентраций, связанное с ростом растворимости газа в воде. Но роль этого эффекта при формировании эмиссионных потоков метана проявляется менее контрастно, поскольку нивелируется снижением темпов образования пузырьков метана и их транспорта.
В работе [6] по данным сезонных наблюдений была получена прямая экспоненциальная зависимость содержания метана в воде от её температуры в диапазоне 0,9-25,0 °С. Формула, описывающая зависимость содержания метана в воде от её температуры, имеет следующий вид:
ССЩ = 12,042 • е0,062Т (г = 0,88; Р < 0,01), (1) где ССН - содержание метана в воде, мкл/л; Т - температура воды, °С.
В результате серии экспериментальных измерений [1, 6] потоков метана в системе вода - атмосфера также была получена формула (2), аппроксимирующая связь между концентрациями метана в поверхностном слое воды и его потоками в атмосферу.
Формула, описывающая эту взаимосвязь в температурном интервале от 20 до 25 °С, имеет вид
¡Е РСН4 = 1,0758 • ¡я ССН4 - 1,5698 (2)
(г = 0,92; Р < 0,01), где ^ ¥СНа - логарифм потока метана, мг/м2 ч; ¡Я ССН - логарифм содержания метана в воде, мкл/л.
Полученное уравнение регрессии (2) адекватно отражает связь содержания метана в воде с его потоками в атмосферу и может быть использовано для прогностических оценок его эмиссии не только из водных объектов, но и для расчета количества метана, выделяющегося с очистных сооружений [9].
Используя формулы (1) и (2), можно получить формулу, описывающую изменение концентрации метана в поверхностном слое воды в зависимости от ее температуры. Для этого выполним простые преобразования формулы (2) и получим формулу
Рсщ = Сся4и0758/101,5698, (3)
связывающую концентрацию метана с его эмиссионным потоком в атмосферу явным образом.
Затем используем формулу (1), и, подставив ее в формулу (3), получаем формулу, связывающую поток газа с температурой воды
ЕсЩ = (12,042 • е°,°62Т )1,0758/101,5698. (4)
Проведем в этом уравнении простые вычисления и получим формулу, связывающую концентрацию метана в поверхностном слое воды ¥сн с температурой воды Т:
Рсщ = 0,3916 • е°,°667Т. (5)
Полученные формулы требуют корректировки в натурных условиях в более широком диапазоне температур. Проведение натурных экспериментов, сбор и обработка таких данных будут выполнены в ближайшее время, что позволит провести верификацию предлагаемых моделей.
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов НШ-5658.2012.5, РФФИ № 12-05-00420 и Г/К 14.A18.21.0641.
Литература
1. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в водных экосистемах. Ростов н/Д; М., 2005. 329 с.
2. Израэль Ю.А. Изменения глобального климата, их причины и последствия // Глобальные экологические проблемы на пороге XXI века : материалы науч. конф., посвящ. 85-летию акад. А.Л. Яншина. М., 1998. С. 49 - 68.
3. Кокорин А.О., Остромогильский А.Х. Оценка возможных изменений глобального баланса метана // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л., 1988. Т. XI. С. 224 - 232.
4. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. Влияние природных и антропогенных факторов и процессов на распределение концентрации метана в воде и донных отложениях Ладожского озера // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2006. № 5. С. 412 - 424.
5. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. Метан как показатель экологического состояния пресноводных
Поступила в редакцию
водоемов (на примере озер Валдай и Ужин) // Метеорология и гидрология. 2004. № 6. С. 88 - 96.
6. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. Оценка эмиссии метана в системе «донные отложения - вода -атмосфера» по экспериментальным данным // Тез. докл. науч. конф. по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах-участниках СНГ (Санкт-Петербург, 23-26 апреля 2002). СПб., 2002. С. 113 - 115.
7. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Хромов М.И. Метан в воде и донных отложениях устьевой области Северной Двины (Белое море) // Океанология. 2010. Т. 50, № 4. С. 534 - 547.
8. Федоров Ю.А., Гарькуша Д.Н., Крукиер М.Л. Об учете влияния температуры на формирование потоков и концентраций метана в системе «донные отложения-вода-атмосфера» (по результатам экспериментального и математического моделирования) // Современные проблемы математического моделирования : материалы XIV Всерос. молодежной конф.-школы, 12-17 сентября 2011 г. п. Абрау-Дюрсо. Ростов н/Д, 2011. С. 358 - 361.
9. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Плигин А.С. Эмиссия метана на основных этапах технологического цикла очистки сточных вод канализации Ростовской станции аэрации (по экспериментальным данным) // Метеорология и гидрология. 2011. № 7. С. 40 - 48.
10. Федоров Ю.А., Никаноров А.М., Тамбиева Н.С. Первые данные о распределении содержания биогенного метана в воде и донных отложениях оз. Байкал // Докл. АН РАН. 1997. Т. 353, № 3. С. 394 - 397.
11. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Эмиссия метана из почв Ростовской области // Аридные экосистемы. 2011. Т. 17, № 4 (49). С. 44 - 52.
25 октября 2012 г.
