Статья: Сравнительный анализ процессов обмена метана на границе раздела вода-атмосфера на акватории окраинных морей

Сравнительный анализ процессов обмена метана на границе раздела вода-атмосфера на акватории окраинных морей

В.Ф. Мишуков,

Г.И. Мишукова,

Р.Б. Шакиров

Аннотация

Приведены результаты изучения процессов тепло-, массообмена на границе раздела вода-атмосфера для окраинных морей. Были обработаны экспериментальные данные и проанализированы динамические процессы газообмена на акватории Охотского, Японского и Южно-Китайского морей. Выявлены характерные особенности пространственного распределения потоков метана и пересыщения метаном пелагических вод морей для осеннего сезона. Парные коэффициенты корреляции показывают, что в открытом море преобладают процессы массообмена, обусловленные не молекулярной диффузией, а процессами перемешивания, определяющее влияние на которые оказывает скорость ветра. На профилях через глубоководные акватории Курильской котловины Охотского моря, Центральной котловины Японского моря при повышенных скоростях ветра в осенний период на величину потоков метана (средние значения 8 ± 4 и 5 ± 3 моль/(км 2 * сут) соответственно) оказывают влияние обрушение волн и схлопывание газовых пузырьков. На маршруте по центральному профилю в ЮжноКитайском море среднее значение потока составило 3 ± 1 моль/(км 2 * сут) и было в два раза ниже, чем в Охотском и Японском морях.

Ключевые слова: скорость газообмена, потоки метана на границе раздела вода-атмосфера, концентрации метана, Курильская котловина, Центральная котловина, Охотское море, Японское море, Южно-Китайское море.

Abstract

The article presents the results of the research of heat-mass exchange processes on the water-atmosphere interface of the marginal seas. The experimental data were processed and the analysis of the dynamic processes of gas exchange in the waters of the Seas of Okhotsk, Japan and South China Sea was carried out. The analysis revealed the unique features of the spatial distribution of methane fluxes and methane supersaturation in the pelagic waters for the autumn season. Paired correlation coefficients revealed the predominance of mass transfer processes in the open sea; these processes are not caused by molecular diffusion, they result from mixing processes, influenced by wind speeds. At the profiles through the deep-water areas of the Kuril Basin of the Sea of Okhotsk and the Central Basin of the Sea of Japan, the methane flux with an average value of 8 ± 4 mol/(km2 * day) and 5 ± 3 mol/(km2 * day) was influenced by wave and bubble collapse during increased wind speeds in the autumn. Along the central profile of the South China Sea, the average flux value was 3 ± 1 mol/(km2 * day) which was two times lower than for the Sea of Okhotsk and the Sea of Japan.

Key words: gas exchange rate, methane fluxes on the water-atmosphere interface, methane concentrations, Kuril Basin, Central Basin, Sea of Okhotsk, Sea of Japan, South China Sea.

Введение

Океаны являются источником значительного поступления метана в атмосферу. Оценки этой эмиссии крайне немногочисленны и весьма неопределенны (млн т/год): 11-18 [13], 5-25 [20], 6-12 [24]. Ввиду сильной площадной и временной изменчивости оценка масштабов эмиссии метана в атмосферу окраинными морями остается невыясненной. Для сравнительного анализа потока метана на границе вода-атмосфера нами использовано 10 градаций (моль/(км ² ¦ сут)): сильный сток от -6 до -1, слабый сток от -1 до -0,01, равновесие от -0,01 до 0,01, эмиссия слабой интенсивности от 0,01 до 1, эмиссия умеренной интенсивности от 1 до 4, эмиссия средней интенсивности от 4 до 10, эмиссия высокой интенсивности от 10 до 20, эмиссия очень высокой интенсивности от 20 до 30, эмиссия аномальной интенсивности от 50 до 150, ураганные значения эмиссии от 150 до 500 [3]. Расчет потоков метана на границе вода-атмосфера для каждой точки отбора проб морской воды и изучение их распределения на акваториях Охотского, Японского и Южно-Китайского морей показали, что величина потоков с морской поверхности изменяется в широких пределах как по акватории моря, так и во времени от сильного стока - 6 моль/(км ² ¦ сут) до ураганных значений эмиссии 500 моль/(км ² ¦ сут). При этом локальные области с повышенным потоком метана с поверхности моря существуют как в шельфовой, так и в глубоководной зоне [4, 6-8, 10, 21]. Экспериментально установлено, что эмиссия метана с акватории Охотского и Японского морей определяется пространственным распределением и активностью подводных источников метана, а также связана с сезонными изменениями гидрологических и гидрохимических параметров морской воды и структурой течений [11, 19]. Осенью в результате сезонной конвекции вод и больших средних скоростей ветров метан, накопленный в промежуточных водах, выносится в атмосферу [4, 5, 9].

Цель работы - провести сравнительный анализ распределения потоков метана на границе раздела вода-атмосфера, рассчитанных для каждой точки отбора проб воды на основе экспериментальных данных, проанализировать динамические процессы переноса метана на акваториях окраинных морей - Охотского, Японского, Южно-Китайского, определить факторы, контролирующие изменчивость потоков метана в осенний сезон.

Объекты и методы исследования

Изучение распределения потоков метана проводилось на акваториях Охотского, Японского и Южно-Китайского морей по экспериментальным данным о концентрациях растворенного метана, температуре, солености в поверхностном слое морской воды, содержании метана в приводном слое атмосферы, реальных скоростях ветра, полученным лабораторией газогеохимии ТОИ ДВО РАН в научно-исследовательских морских экспедициях НИС "Академик М.А. Лаврентьев" в сентябре-октябре 2010 г. (LV52) и октябре- ноябре 2019 г. (LV88). В статье рассмотрены два профиля (LV52) через Курильскую котловину Охотского моря, один профиль (LV52) через Центральную котловину Японского моря, один профиль (LV88) через глубоководную акваторию Южно-Китайского моря. По всем профилям из обработки были исключены данные со станций, глубина которых была меньше 500 м.

Отбор проб, их подготовка и аналитические исследования соответствовали сертифицированной методике, принятой в лаборатории газогеохимии ТОИ ДВО РАН (Свидетельство Росстандарта № 41 к Паспорту лаборатории ПС 1.047-18). Метеорологические измерения проводили на портативной метеостанции Davis Vantage Pro2 (USA), гидрологические измерения температуры и солености поверхностного 4-метрового слоя воды - с помощью термосолинографа SBE45 (USA).

Потоки метана F на границе раздела вода-атмосфера определяли для каждой точки отбора проб воды согласно методологии, описанной в работах [4, 18, 23]:

где ДС = С - С* - разность между измеренной и равновесной концентрациями метана, К - коэффициент газообмена на границе вода-воздух.

Степень пересыщения N (%) вычисляли для каждой пробы по формуле:

В качестве основы для расчета течений использовали трехмерную нестационарную, нелинейную численную базовую модель POM (Princeton Oceanic Model A three-dimensional, primitive equation, numerical ocean model) [17]. Она учитывает плотностные u_den(x,y,t) и ветровые u (x,y,t) течения. Кроме этого, принимаются во внимание приливо-отливные u_tJx,y,t) и турбулентные ujx,y,t) течения. Общая формула расчета горизонтальных составляющих течений выглядит так:

Поля течений для северо-западной части Тихого океана, включая Японское и Охотское моря, определяли на сетке 15 х 20 км. Шаг по времени составлял 10 мин.

Каждые 6 ч в расчет вводили новые экспериментальные значения метеопараметров на прибрежных метеостанциях с учетом измерений в ходе рейса (скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, давление), которые для Японского и Охотского морей интерполировались в узлы расчетной сетки. Начальные значения распределения температуры и солености были взяты из электронных атласов [12, 15, 16].

Представленная модель решается численно. Результаты расчета полей течений в узлах сетки осредняются за 6 ч и заносятся в массив поля течений, который затем используется для расчета распространения маркеров на акватории.

Для Южно-Китайского моря схема течений была взята из работы [2].

Схемы районов работ и результаты расчетов приведены на рисунке и в табл 1.

Результаты и обсуждение

На рисунке приведен расчет поверхностных течений на акваториях Японского и Охотского морей. Для этих морей маршрут рейсов проходил по периферии вихрей, в которых водные массы движутся по спирали с внешней стороны вихря в центр. Таким образом, приповерхностные воды задерживаются в данном районе на некоторое время до момента погружения, причем за счет испарения увеличивается соленость морской воды с образованием ядра более соленых вод [1] и дегазацией приповерхностных вод при уменьшении концентрации метана в морской воде и его потока в атмосферу. Подобная картина наблюдается и в Южно-Китайском море при циркуляции поверхностных вод по данным [2]. Таким образом, образование вихревых структур в поле течений на рассматриваемых акваториях определяет время контакта поверхностных вод с атмосферой для данных районов и интенсивное перемешивание, а следовательно, способствует воздействию процессов тепло-, влаго- и газообмена на соленость воды и концентрацию метана в морских приповерхностных водах.

В табл. 1 приведены результаты расчета потоков метана с поверхности моря на изучаемых акваториях, полученные в рейсах НИС "Академик М.А. Лаврентьев" (LV52 и LV88).

Таблица 1

Осредненные характеристики потоков метана на границе вода-атмосфера и сопутствующих гидрологических параметров по профилям в Охотском, Японском, Южно-Китайском морях

Примечание. Здесь и в табл. 2: F, моль/(км ² ¦ сут) - величина потока метана; С, нмоль/л - измеренная концентрация метана в 4-метровом поверхностном слое воды; t, °С - температура в 4-метровом поверхностном слое воды; S, %о - соленость в 4-метровом поверхностном слое воды; С*, нмоль/л - равновесная концентрация метана; ДС = С - С*, нмоль/л; N, % - показатель пересыщения вод метаном; U, м/с - скорость ветра; CH₄air, ppm - концентрации метана в приводном слое атмосферы.

Схема станций отбора проб воды и распределение потоков метана на границе раздела вода-атмосфера: а - Охотское море, б - Японское море, в - Южно-Китайское море. Стрелками на а, б показана схема поверхностных течений. Стрелки на в - направление циркуляций течений по [2]. На врезке (а) приведены величины потоков метана, моль/(км ² * сут)

Сравнительный анализ пространственного распределения потоков метана на границе раздела вода-атмосфера для Охотского, Японского и Южно-Китайского морей показал значительную изменчивость от равновесия (0 моль/(км ² ¦ сут)) до эмиссии высокой интенсивности (14 моль/(км ² ¦ сут)). На всех профилях, выполненных в пелагических водах, существуют локальные области с повышенным потоком метана с поверхности моря. Среднее значение потоков метана на профиле на центральной акватории в Южно-Китайском море было почти в 2,5 раза ниже, чем на охотоморских профилях, и в 1,5 ниже, чем на япономорском, и составило 3 ± 1 моль/(км ² ¦ сут). По предложенной нами градации [3] (см. Введение) такая эмиссия является умеренно интенсивной, как и эмиссия пелагических районов северо-восточной части Тихого океана, а также его северо-восточной тропической части (соответственно 2,9 и 0,9-3,5 моль/(км ² ¦ сут)) [14, 22]. Кроме того, в пелагических водах Охотского и Японского морей на изучаемых профилях есть участки с эмиссией средней и даже высокой - 12 и 14 моль/(км ² ¦ сут) - интенсивности. Концентрации метана в поверхностном слое на всех профилях превышали равновесные с атмосферой значения, самые низкие зафиксированы в Южно-Китайском море. Средняя степень пересыщения в Южно-Китайском море была выше (см. табл. 1), чем в Охотском и Японском. Среднее, а также максимальное и минимальное значения температуры поверхностного слоя воды в Южно-Китайском море были выше, чем в Японском и Охотском. Этот фактор, на фоне сопоставимых уровней солености и измеренных концентраций метана в приводном слое атмосферы во всех изучаемых морях, обусловил в Южно-Китайском море пониженные равновесные концентрации метана и более высокие значения показателей пересыщения. Средние значения скорости ветра были самыми высокими в Охотском море, а самыми низкими в Южно-Китайском.

В табл. 2 приведены парные коэффициенты корреляции (Q) изучаемых величин для Охотского, Японского и Южно-Китайского морей.

Таблица 2 Коэффициенты корреляции между величинами потоков метана на границе вода-атмосфера и сопутствующими гидрологическими параметрами на акваториях Охотского, Японского и Южно-Китайского морей Курильская котловина Охотского моря, LV52