Оценка потоков углекислого газа через поверхность Черного моря по результатам численного моделирования

Полный текст

Введение

Изучению карбонатной системы Черного моря и, в частности, потока углекислого газа через поверхность посвящено большое количество работ (например, [1–7]). Эти исследования базируются в основном на данных измерений. Недостатком этих данных является ограниченность по пространству и времени. Для получения пространственных распределений и временной эволюции компонентов карбонатной системы необходимо использовать численные трехмерные модели морской среды. В последнее время получило широкое распространение численное моделирование морских экосистем, в том числе моделирование экосистемы Черного моря [8–11]. В качестве примера модели для всего Мирового океана можно упомянуть модель PISCES [12]. Численные модели экосистемы описывают эволюцию биологических и гидрохимических полей, а также элементов карбонатной системы. Их преимуществом является возможность получения последовательности параметров морской среды на регулярной сетке. Разумеется, результаты моделирования не могут заменить натурные измерения, но они могут экстраполировать их результаты во времени и на более широкие пространственные области. В данной работе представлены предварительные результаты оценки потоков углекислого газа между Черным морем и атмосферой на основе численного моделирования.

Метод исследования

Количественная оценка потоков углекислого газа через поверхность раздела море – атмосфера является одной из основных задач в исследовании цикла углерода. В данной работе решение этой задачи осуществляется с помощью численного моделирования. Основным уравнением является трехмерное эволюционное уравнение переноса – диффузии для концентрации растворенного неорганического углерода

$\frac{\partial С}{\partial t}+\frac{\partial \left(uC\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(vC\right)}{\partial y}+\frac{\partial \left(wC\right)}{\partial z}=K_h{\nabla }^{2}C+\frac{\partial }{\partial z}\left(K_v\frac{\partial C}{\partial z}\right)+R$,   (1)

где u, v, w – компоненты скоростей течений; k_h, k_w – коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии соответственно. Эти поля, представляющие собой коэффициенты уравнения (1), обеспечиваются моделью циркуляции Черного моря. Слагаемое r в правой части уравнения (1) имеет вид r = rеs – upt + Ox, где rеs описывает поступление углекислого газа вследствие дыхания всех видов планктона; – upt описывает уменьшение растворенного неорганического углерода в результате фотосинтеза при производстве первичной продукции, Ox – поступление его за счет окисления взвешенного органического вещества [13]. 

Для вычисления этих величин используется существующая трехмерная модель нижнего уровня пищевой цепи экосистемы Черного моря [14, 15]. Биогеохимическая часть модели представляет собой с математической точки зрения систему пятнадцати (по числу переменных состояния) уравнений переноса – диффузии, однотипных с уравнением (1). Слагаемые в правых частях этой системы описывают биогеохимические взаимодействия между переменными состояния модели экосистемы. Вид этих источников для модели экосистемы представлен в работе [15]. Перевод единиц измерения переменных из азота в углерод происходит с помощью соотношений C:N для Черного моря, взятых в работе [16].

Связь модели циркуляции с биогеохимической частью в данной работе является односторонней. То есть поля скоростей течений, температура, соленость и коэффициенты турбулентной диффузии, полученные по гидродинамической модели заранее, используются затем для вычисления параметров биогеохимической модели и в уравнении (1). Расчетная область для уравнения (1) и биогеохимической части модели по горизонтали совпадает с соответствующей областью для модели циркуляции (соответственно совпадают шаги сетки, равные 4.8 км), а по вертикали занимает верхний 200-метровый слой Черного моря. При этом расчетные горизонты соответствуют моделям циркуляции. В качестве гидродинамических полей в данной работе использовались результаты 28-летнего физического реанализа полей Черного моря (1993–2020 гг.) [17].

Для получения начальных полей был проведен расчет для 2017 г. в цикле, в котором входные параметры модели экосистемы (поля скорости течений, температуры и солености за 2017 г.) брались из реанализа. После того как биохимические поля выходили на стационарный режим, счет заканчивался и полученные поля использовались в качестве начальных для основного расчета. 

Концентрация растворенного углекислого газа CO₂ рассчитывалась по полученным полям растворенного неорганического углерода по формуле

$\left[DIC\right]=\left[{\text{CO}}_2\right]\times \left\{1+\frac{K_1}{\left[{\text{H}}^{+}\right]}\left.+\frac{K_1{K}_2}{\left[{\text{H}}^{+}\right]\left[{\text{H}}^{+}\right]}\right\}\right.$,

где эффективные константы диссоциации угольной кислоты К₁, К₂ зависят от температуры и солености морской воды. Затем по концентрации растворенного углекислого газа с помощью коэффициента Генри К₀ определяется его равновесное парциальное давление по формуле [CO₂] = К₀ pCO₂ [18]. Коэффициент Генри не является константой, а зависит от температуры и солености морской воды.

Для расчета концентрации растворенного углекислого газа по общей концентрации неорганического углерода в воде необходимо знать, помимо коэффициентов К₁, К₂, концентрацию ионов водорода. Для оценки потоков углекислого газа через поверхность моря необходимы только поверхностные значения концентрации углекислого газа. В данной работе параметр рH не рассчитывался по модели, а аппроксимировался по времени и по пространству согласно данным атласа ¹⁾, где представлены карты распределения рH на поверхности Черного моря для четырех сезонов.

Парциальное давление углекислого газа в приводном слое атмосферы считалось постоянным и равным 410 мкатм. Поток углекислого газа между морем и атмосферой рассчитывался по формуле F = Tr (pCO_2w – pCO_2a), где Tr – коэффициент передачи углекислого газа между морем и атмосферой; pCO_2w и pCO_2a – парциальное давление в воде и в атмосфере. Значение коэффициента Tr выбиралось равным 0.5 гС×м⁻²×мкатм⁻¹×мес⁻¹ (среднее значение по Мировому океану согласно [19]).

Результаты

Основной расчет проводился на четыре года с 2017 по 2020 г. На рис. 1 представлена изменчивость средних по площади бассейна концентрации углекислого газа у поверхности моря и его равновесного парциального давления, полученных по результатам моделирования. Зависимость от времени носит выраженный сезонный характер. Значения давления растворенного углекислого газа имеют минимум примерно в январе – феврале и максимум примерно в июне – июле. Когда парциальное давление растворенного в морской воде углекислого газа превышает давление в атмосфере, поток через свободную поверхность направлен из моря в атмосферу, и наоборот. Таким образом, из графика изменения pCO₂ следует, что в холодное время (примерно с октября по апрель) в среднем по акватории Черного моря наблюдается инвазия, потому что парциальное давление CO₂, растворенного в море, ниже парциального давления в атмосфере. И, наоборот, в теплое время (примерно с апреля по октябрь) в среднем наблюдается эвазия. 

Максимумы и минимумы на графике временной изменчивости концентрации углекислого газа в поверхностном слое Черного моря не совпадают с соответствующими экстремумами на графике для давления. Они сдвинуты примерно на три месяца. Это вызвано тем, что константа Генри, связывающая значения концентрации CO₂ в море и его равновесного парциального давления, зависит в том числе от температуры морской воды, которая значительно меняется в течение года. При этом размах колебаний средней по площади бассейна концентрации углекислого газа (примерно 25 % от максимального значения) существенно меньше размаха колебаний давления. На графиках (рис. 1) четко проявляется и обратная зависимость концентрации растворенного углекислого газа от парциального давления: в те периоды времени, когда поток CO₂ направлен из атмосферы в море, концентрация CO₂ растет, и наоборот, когда поток направлен в атмосферу, концентрация падает.

 

Рис. 1. Эволюция средних по площади бассейна концентрации углекислого газа у поверхности моря (a) и его парциального давления (b), полученных по результатам моделирования. Прямая линия показывает парциальное давление CO₂ в приводном слое атмосферы

Fig. 1. Evolution of the average over the basin area concentration of carbon dioxide at the sea surface (a) and its partial pressure (b) obtained from simulation results. The straight line shows the CO₂ partial pressure in the atmospheric surface layer

 

На рис. 2, а представлен график зависимости от времени среднего по площади моря значения коэффициента Генри. При расчете значения коэффициента в каждой точке сетки использовались поля температуры и солености, полученные в реанализе гидродинамических полей Черного моря. Изменчивость коэффициента Генри также носит выраженный сезонный характер и находится почти в противофазе с изменением парциального давления углекислого газа (см. рис. 1, b). В течение года среднее по площади значение коэффициента Генри меняется почти в два раза. На рис. 2, b представлен график изменения поверхностной температуры моря. Эти два графика меняются в противофазе, и можно сделать вывод, что изменение среднего по площади моря значения коэффициента Генри определяется главным образом температурой морской воды. То есть основной вклад во внутригодовую изменчивость парциального давления CO₂ в поверхностном слое моря вносят гидрологические факторы (в основном температура воды). При понижении температуры воды парциальное давление уменьшается, а при увеличении температуры – растет. Соответственно, пока давление растворенного CO₂ больше атмосферного, поток через поверхность моря направлен в атмосферу, что сопровождается уменьшением концентрации растворенного CO₂, затем, когда давление растворенного газа становится меньше атмосферного, поток через поверхность меняет направление, при этом увеличивается концентрация растворенного углекислого газа.

 

Рис. 2. Эволюция средних по площади моря значений коэффициента Генри (a) и температуры поверхности моря (b)

Fig. 2. Evolution of sea area averaged values of the Henry coefficient (a) and sea surface temperature (b)

 

Рис. 3. Пространственное распределение коэффициента Генри (мкмоль/л/мкатм) для января и июня 2017 г.

Fig. 3. Spatial distributions of the Henry coefficient (µmol/L/µatm) for January and June 2017

 

На рис. 3 представлено пространственное распределение коэффициента Генри. Летом распределение коэффициента Генри почти равномерно по всей акватории за исключением мест впадения рек, где вода сильно распреснена. Зимой значение коэффициента выше летнего. Кроме того, хорошо видно повышение значений коэффициента на северо-западном шельфе (СЗШ) и вдоль западного берега Черного моря. Это вызвано тем, что на СЗШ зимой самая холодная и распресненная вода. А интенсивное в зимнее время Основное Черноморское течение переносит эту воду вдоль западного берега.

Представление о пространственном распределении парциального давления углекислого газа в поверхностном слое Черного моря дает рис. 4, a, b. На нем изображены среднемесячные карты для двух месяцев: января и июня 2017 г. (что соответствует минимуму и максимуму на рис. 1, b). Пространственные распределения pCO₂ для обоих месяцев похожи: максимумы наблюдаются в центре бассейна и на СЗШ (причем в январе только в северной его части). Однако средний уровень существенно разнится. В январе на всей акватории поверхностное парциальное давление растворенного углекислого газа ниже атмосферного (410 мкатм), а в июне почти на всей акватории оно выше.

Биологические процессы также влияют на распределение давления растворенного углекислого газа. На рис. 4, c, d представлены для тех же месяцев среднемесячные карты поверхностного распределения величины r = rеs – upt + Ox, описывающей поступление растворенного углекислого газа вследствие дыхания планктона и окисления органики и его убыль во время фотосинтеза. 

В январе почти на всей акватории эта величина имеет отрицательные значения (за исключением небольшой области в Каркинитском и Тендровском заливах). На карте распределения pCO₂ (рис. 4, a) в этом месте выделяется локальный максимум. То есть за счет биологических процессов в январе преобладает поглощение углекислого газа над его выделением. В июне большая часть области имеет положительные значения, за исключением центральной части моря, где она близка к нулю.

 

Рис. 4. Пространственное распределение парциального давления углекислого газа в поверхностном слое Черного моря (a, b) и среднемесячные карты поверхностного распределения величины r = rеs – upt + Ox (c, d) для января и июня 2017 г. (белым цветом на рис. 4, d обозначена нулевая изолиния)

Fig. 4. Spatial distribution of partial pressure of carbon dioxide in the surface layer of the Black Sea (a, b) and monthly average maps of the surface distribution of the r = rеs – upt + Ox value (c, d) for January and June 2017 (the white line in Fig. 4, d indicates the zero isoline)

 

Преобладание поглощения углекислого газа над его производством биологическими процессами или наоборот связано напрямую с концентрациями планктона в верхнем слое моря. На рис. 5 представлены для тех же двух месяцев поверхностные концентрации фитопланктона (рис. 5, a, b) и суммарные концентрации всего планктона (рис. 5, c, d).

В январе поверхностная концентрация фитопланктона достаточно велика по всей акватории Черного моря (рис. 5, a), в том числе и в глубоководной части. Суммарная концентрация всего планктона также имеет высокие значения (рис. 5, c), но в основном за счет фитопланктона. Соответственно на рис. 5, c преобладает поглощение углекислого газа в процессе фотосинтеза.

В июне концентрации и фитопланктона, и всего планктона в глубоководной части моря низки, а на СЗШ высоки (рис. 5, b, d). Причем биомасса суммарного планктона на СЗШ существенно больше биомассы фитопланктона. Соответственно на рис. 4, d в западной части Черного моря, особенно на СЗШ, преобладает выделение CO₂, вызванное дыханием планктона. 

Полученные результаты численного моделирования сравнивались с данными наблюдений, которых, к сожалению, не так много, и они носят локальный характер. На рис. 6 показаны карты распределения pCO₂, построенные по данным наблюдений (рис. 6, a) [20] и по результатам моделирования (рис. 6, b). Левая карта (рис. 6, a) – это результат обработки проб, взятых на 132 станциях, выполненных в 95-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий» с 14 июня по 4 июля 2017 г.

 

Рис. 5. Пространственное распределение поверхностных концентраций фитопланктона (a, b) и суммарных концентраций всего планктона (c, d) для января и июня 2017 г.

Fig. 5. Spatial distribution of surface phytoplankton concentrations (a, b) and total plankton concentration (c, d) for January and June 2017

 

Рис. 6. Карты распределения pCO₂, построенные по данным наблюдений (a) и результатам численного моделирования (b)

Fig. 6. pCO₂ distribution maps based on observational data (a) and numerical simulation results (b)

 

В целом значения равновесного парциального давления CO₂ возле поверхности моря, полученные по результатам моделирования, достаточно близки к данным измерений. Пространственное распределение давления на двух картах не совпадает, однако на обеих картах наблюдается характерное понижение значений давления возле Южного берега Крыма и Севастополя. Следует также отметить, что карта, полученная по модели, относится к конкретной дате (26 июня), а съемка, по результатам которой построена левая карта (рис. 6, a), длилась больше двух недель.

На рис. 7 представлены графики внутригодовой изменчивости средних по акватории Черного моря значений равновесного парциального давления углекислого газа pCO₂, полученные по результатам измерений и по результатам моделирования, осредненным за четыре года. Левый график (рис. 7, a) любезно предоставлен отделом биогеохимии моря ФГБУН ФИЦ МГИ. Он построен на основе обработки данных, полученных в 2015–2021 гг. в ходе выполнения экспедиционных исследований ФГБУН ФИЦ МГИ на НИС «Профессор Водяницкий». Схема расположения станций приведена в работе [7, с. 871]. Оба графика довольно близки. Таким образом, внутригодовая изменчивость среднего по акватории Черного моря равновесного парциального давления растворенного углекислого газа в поверхностном слое моря хорошо воспроизводится моделью.

 

Рис. 7. Внутригодовая изменчивость pCO₂ по данным наблюдений (a) и результатам численного моделирования (b)

Fig. 7. Intra-annual variability of pCO₂ from observational data (a) and numerical simulation results (b)

 

Выводы

На основе результатов численного моделирования был получен временной ход и пространственное распределение таких элементов карбонатной системы, как концентрация растворенного углекислого газа в поверхностном слое моря и его равновесное парциальное давление. Временной ход этих параметров носит выраженный сезонный характер.

Показано, что в период времени примерно с октября по апрель, т. е. в холодный период, в среднем по акватории Черного моря наблюдается инвазия, потому что равновесное парциальное давление углекислого газа CO₂, растворенного в море, ниже парциального давления в атмосфере. В теплое время года, примерно с апреля по октябрь, когда pCO₂ в воде в среднем выше, чем в атмосфере, наблюдается эвазия.

При постоянном парциальном давлении CO₂ в атмосфере (согласно атласу ¹⁾ оно по данным измерений в 2017 г. менялось в течение года на 5 %) на направление потока углекислого газа через поверхность Черного моря основное влияние оказывает температура морской воды. Когда она понижается, равновесное парциальное давление растворенного газа уменьшается, при увеличении температуры – растет. Пока давление CO₂ в воде больше атмосферного, поток через поверхность моря направлен в атмосферу, что сопровождается уменьшением концентрации растворенного CO₂. Когда давление растворенного газа становится меньше атмосферного, поток через поверхность меняет направление, что сопровождается увеличением концентрации растворенного углекислого газа.

На поток углекислого газа через свободную поверхность моря также влияют биологические процессы. Зимой почти на всей акватории Черного моря преобладает поглощение углекислого газа над его выделением благодаря высокой концентрации фитопланктона у поверхности Черного моря. Летом же на большей части акватории преобладает выделение углекислого газа вследствие дыхания планктона.

Равновесное парциальное давление растворенного углекислого газа, полученное в результате моделирования, сравнивалось с данными гидрохимических съемок. Сравнение показало достаточно хорошее соответствие результатов численного моделирования данным измерений.

¹⁾ Атлас охраны природы Черного и Азовского морей. ГУН и О, Санкт-Петербург, 2006. 436 с.

Об авторах

Виктор Львович Дорофеев

Морской гидрофизический институт РАН

Email: viktor.dorofeev@mhi-ras.ru
SPIN-код: 7144-1950
ResearcherId: G-1050-2014

ведущий научный сотрудник, отдел динамики океанических процессов, кандидат физико-математических наук

Россия, Севастополь

Лариса Ивановна Сухих

Морской гидрофизический институт РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: l.sukhikh@gmail.com
SPIN-код: 6168-6090
ResearcherId: M-4381-2018

научный сотрудник, отдел динамики океанических процессов

Россия, Севастополь

Список литературы

Дополнительные файлы