Количественная оценка пузырькового метана, достигающего приводных слоев атмосферы в Арктике

Полный текст

Введение

Газовые факелы (рис. 1, а), или сипы, состоящие из пузырьков, всплывающих из морского дна, зарегистрированы во всех Земных океанах на глубинах от нескольких метров до трех и более километров [1–25]. Установлено, что в составе газа, формирующего всплывающие пузырьки, преобладает метан [7, 21]. Измерения атмосферной концентрации метана (СН₄), непрерывно проводимые в две первые декады XXI в., показали, что его доля в Земной атмосфере увеличилась на 9 %, или на 50 млн т [26]. Согласно мониторингу атмосферной концентрации СН₄, выполняемому с 1984 г., его наибольшие величины наблюдаются в северном полушарии Земли и в последние три года ежегодно обновляют свои максимальные значения [27–29].

 

Рис. 1. а) эхограмма газовых факелов, обнаруженных на территории Восточно-Сибирского шельфа; б) карта района с обнаруженными в 2011 г. газовыми факелами (красные точки) [21]; желтой звездой отмечена гидрологическая станция, на которой были получены видеозаписи цепочек всплывающих пузырьков

Fig. 1. a) image of seeps detected at East Siberian Arctic Shelf; b) study area with seeps detected in 2011 (red dots) [21]; the hydrological station, where the chains of rising bubbles were recorded, marked with a yellow star

 

Роль Арктики, особенно Восточно-Сибирского шельфа (ВСШ), является крайне значимой при климатических изменениях, происходящих на нашей планете. На территории ВСШ сосредоточено более 30 % мирового запаса СН₄ и двуокиси углерода, законсервированных в донных отложениях подводной мерзлотой [30]. При этом постоянно увеличивающийся тренд атмосферной концентрации СН₄ в регионе позволяет предположить наличие механизма его транспортировки из донных отложений в атмосферу. В случае мелководных морей ВСШ таким механизмом могут являться всплывающие пузырьки и сформированные из них сипы.

Установлено, что в морях ВСШ сипы являются индикатором районов, в которых начались процессы деградации подводной мерзлоты и эманации морским дном газообразного СН₄ [30, 31]. В водной толще моря Лаптевых, на глубинах от 1 до 460 м (рис. 1, б) зарегистрировано более 700 сипов. При этом консервативная оценка количества СН₄, переносимого данными сипами, составляет 1,94∙10¹⁰ г∙д⁻¹ [21]. Исходя из изложенного, крайне важно оценить количество СН₄, транспортируемого всплывающими с морского дна пузырьками до приводных слоев атмосферы.

В настоящее время для подобной оценки применяются математические модели, описывающие газообмен между одиночным пузырьком и столбом жидкости, через который данный пузырек всплывает [32, 33]. В работе [34] модель, предложенная в [33], была апробирована для всплывающих с глубин мене 10 м пузырьков и показала хорошее совпадение между результатами расчетов и прямыми измерениями.

Видео- и фотосъёмка сипов, проводимая на глубинах от 10 до 1000 м, позволила установить, что данные явления формируются из постоянно всплывающих в виде цепочек или массированных выбросов пузырьков [21, 22, 34–36]. При этом величина газообмена между одиночными пузырьками, цепочкой пузырьков и массированным выбросом может различаться в зависимости от гидрологических процессов, происходящих в водной среде и неучтенных ни в одной математической модели. Одним из таких процессов является локальный апвеллинг, вызываемый непрерывно всплывающими пузырьками, и как следствие данного процесса – изменение значения скорости всплытия пузырьков. Для определения вклада локального апвеллинга в величину СН₄, транспортируемого пузырьками до приводных слоев атмосферы, авторами был разработан экспериментальный лабораторный стенд, имитирующий в условиях, приближенных к естественным, всплытие пузырьков в виде непрерывной цепочки или массированного выброса.

В представленной работе с помощью данных, собранных как в полевых, так и в лабораторных условиях, получена оценка количества СН₄, транспортируемого двумя разнесенными в пространстве цепочками всплывающих пузырьков, обнаруженных в море Лаптевых в 2012 г.

Оценка количества метана, переносимого цепочками всплывающих пузырьков в воду, с помощью видеозаписей

Во время суточной гидрологической станции, выполненной 16 сентября 2012 г. в северной части моря Лаптевых (рис. 1, б), с помощью подводного телеуправляемого комплекса «ГНОМ» (ПТОК ГНОМ, рис. 2, а) было получено более 2 часов видеозаписей, на которых зафиксированы две разнесенные в пространстве цепочки всплывающих с глубины 72 м пузырьков.

 

Рис. 2. а) подводный телеуправляемый комплекс «ГНОМ»; б) фрагменты видеозаписи всплывающих из морского дна пузырьков

Fig. 2. a) underwater remotely operated vehicle “GNOM”; b) fragments of video recording of bubbles rising from the seabed

 

После определения с помощью полученных видеозаписей поперечных размеров 1081 всплывающего пузырька была построена гистограмма их распределения по размерам. Подробное описание выполненной работы представлено в [21]. На рис. 3 проиллюстрирована гистограмма распределения количества всплывающих пузырьков в зависимости от их радиуса, построенная на основе имеющихся данных. Из анализа данного рисунка следует, что радиус более 40 % всплывающих пузырьков, зарегистрированных в районе работ, составлял 5,0 ±0,5 мм (рис. 3). При этом их средний радиус был равен 4,3 ±0,5 мм.

 

Рис. 3. Гистограмма распределения всплывающих пузырьков по размерам. На высотах столбцов отмечено количество формирующих столбцы всплывающих пузырьков

Fig. 3. Histogram of size distribution of rising bubbles. The number of rising bubbles forming columns is marked at the heights of the columns

 

Для оценки величины СН₄, переносимого одиночными цепочками пузырьков, было использовано два фрагмента длительностью 35 и 10 минут. Выбор данных фрагментов обусловлен двумя факторами:

Для оценки потока СН₄ была использована следующая модель, описывающая цепочки пузырьков:

1. Всплывающие пузырьки поступают из морского дна в воду непрерывно и с постоянной скоростью (интенсивностью), равной 2 и 6 пузырьков в секунду для соответствующих цепочек.
2. Радиус всплывающих пузырьков в среднем составляет 4,0 ±0,5 мм. Пузырьки имеют объем 0,3 см³, или 0,3 мл.
3. Всплывающие пузырьки состоят из 100 % метана.

При интенсивности поступления пузырьков из морского дна в воду 120 ед.∙мин⁻¹ для первой цепочки и 360 ед.∙мин⁻¹ для второй цепочки всплывающих пузырьков количество СН₄, выделяемого из морского дна ежеминутно, с учетом гидростатического давления, составит 206 мг∙мин⁻¹ для первой цепочки пузырьков (рис. 4, а) и 616 мг∙мин⁻¹ для второй цепочки (рис. 4, б). При этом средний поток газа от обнаруженных струй составил 411 мг∙мин⁻¹.

Оценка количества метана, транспортируемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы

Пузырек при всплытии непрерывно отдает часть СН₄ в воду, а из воды в него поступают азот и кислород. Для определения величины СН₄, доставленного всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы, была использована модель, описывающая механизм газообмена между одиночным пузырьком и столбом жидкости, через который он всплывает [33].

 

Рис. 4. Примеры цепочек всплывающих пузырьков, выходящих из морского дна, с интенсивностью: а) 2,0 пузырька в секунду; б) 6,0 пузырьков в секунду

Fig. 4. Examples of chains of rising bubbles floating from the seabed, with an intensity of: a) 2.0 bubbles per second; b) 6.0 bubbles per second

 

Рис. 5. а) графики изменения температуры и солёности; зеленая линия – соленость. красная линия – температура; б) график изменения количества СН₄, содержащегося в пузырьке, при всплытии

Fig. 5. Graphs of changes in: a) temperature and salinity; green line – salinity, red line – temperature; b) CH₄ amount contained in the bubble during rise

 

Предложенная модель учитывает влияние солености и гидростатического давления на величину газообмена между столбом жидкости и всплывающим пузырьком, а также его несферическую форму [33]. Данная модель была успешно верифицирована для глубин менее 10 м [34] и на сегодняшний день применяется для определения величины газообмена между всплывающими пузырьками и водной толщей морских и пресноводных водоемов [2, 7, 13, 37–42]. При моделировании были использованы гидрологические данные, полученные в районе работ в 2012 г. с помощью гидрологического зонда SBE 19+ (рис. 5, а).

В результате проведенного моделирования показано, что с глубины 72 м при температуре придонного слоя 1,317 °С и солёности 33 ‰ до поверхности (приводных слоев атмосферы) со скоростью всплытия 24 см∙с⁻¹ пузырек, имеющий радиус 4 мм, доставляет 33,6 % метана (рис. 5, б). При этом концентрация СН₄ в одиночном всплывающем пузырьке уменьшается на 0,2 %∙с⁻¹. При начальном количестве СН₄, выделяемого морским дном, и величине его потери при всплытии цепочки всплывающих пузырьков, рассмотренные в данной работе, при скорости всплытия пузырьков 24 см∙с⁻¹ транспортируют в приводные слои атмосферы 69 мг∙мин⁻¹ для цепочки на рис. 4, а и 207 мг∙мин⁻¹ для второй цепочки (рис. 4, б).

Вклад локального апвеллинга в величину метана, транспортируемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы

Для определения вклада локального апвеллинга в величину СН₄, транспортируемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы, на разработанном в лаборатории стенде были смоделированы цепочки пузырьков, максимально приближенные к зарегистрированным в море Лаптевых (рис. 6).

 

Рис. 6. Примеры цепочек всплывающих пузырьков, полученных в экспериментальном стенде: а) ~40 мл∙мин⁻¹; б) ~110 мл∙мин⁻¹

Fig. 6. Examples of chains of rising bubbles obtained in an experimental stand: a) ~40 ml∙min⁻¹; b) ~110 ml∙min⁻¹

 

Генерация цепочек осуществлялась с помощью установленного на дно экспериментального стенда одиночного сопла, формирующего пузырьки, радиус которых, согласно пункту 2, составлял 4,0 ±0,5 мм. В работах [33, 43] показано, что основным параметром, влияющим на скорость всплытия пузырьков, являются их поперечные размеры, а величинами температуры и солености можно пренебречь. Исходя из данного допущения экспериментальный стенде был заполнен 125 л пресной воды комнатной температуры.

Локальный апвеллинг может увеличить величину транспортируемого до приводных слоев атмосферы СН₄ двумя способами:

В первом случае локальный апвеллинг проявляется при массированных выбросах всплывающих пузырьков. Подобный эффект характерен для сипов, занимающих большую площадь на морском дне, или для сипов с высокой интенсивностью выходящих из морского дна пузырьков, зарегистрированных как на территории мелководного ВСШ [8, 21, 23, 30, 31, 44], так и в различных районах Мирового океана [18, 20, 45–47].

В работе рассматриваются две отдельные цепочки пузырьков с небольшой интенсивностью, равной ~40 мл∙мин⁻¹ и ~110 мл∙мин⁻¹ (рис. 4). В лабораторных условиях такие цепочки способны инициировать вертикальное движение морской воды к границе пикноклина или к поверхности. Однако при наличии в районе исследований сильных течений, которые могут достигать величин 15 и более см∙c⁻¹ [48], вклад данных цепочек в вертикальное движение придонных слоев морской воды, насыщенной растворенным СН₄, будет минимален и в данном тексте рассматриваться не будет.

Во втором случае для определения скорости всплытия пузырьков в зависимости от величины их потока и оценки времени их взаимодействия со столбом жидкости на разработанном стенде было выполнено два эксперимента общей длительностью 115 минут. В ходе проведения экспериментов в водной среде стенда были сформированы цепочки всплывающих пузырьков с интенсивностью ~40 мл∙мин⁻¹ и ~110 мл∙мин⁻¹ (рис. 6). Суть проводимых экспериментов заключалась в определении скорости всплытия пузырьков, составляющих одиночную цепочку. Для этого определялось время, за которое всплывающий пузырек преодолеет 0,45 м водной толщи (рис. 7, а).

 

Рис. 7. а) графическое представление экспериментов по определению скорости всплытия пузырьков в зависимости от величины их потока; б) графики зависимости скорости всплытия цепочек пузырьков от времени наблюдения. Синяя линия ~40 мл∙м⁻¹, красная линия ~110 мл∙мин⁻¹

Fig. 7. a) graphical interpretation of experiments to determine the rate of bubble velocities depending on the magnitude of their flux; b) graphs of the dependence of the rate of bubbles chains rise on the observation time. Blue line ~40 ml∙m⁻¹, red line ~110 ml∙min⁻¹

 

С помощью формулы (1) была определена скоростью всплытия 546 пузырьков (273 пузырька для потока ~40 мл∙мин⁻¹ и 273 пузырька для ~110 мл∙мин⁻¹ соответственно).

${\mathcal{v}}_{\mathrm{вс}}= \frac{l}{t_{end}-t_{start}}$,                                                                                                          (1)

где ${\mathcal{v}}_{\mathrm{вс}}$ – скорость всплытия пузырька, м∙с⁻¹; l – дистанция, пройденная всплывающим пузырьком, м; t_start – время начала измерения, с; t_end – время завершения измерения, с.

В результате проведенной работы был построен график зависимости скорости всплывающих в одиночной цепочке пузырьков от времени (рис. 7, б). Показано, что средняя скорость всплытия пузырьков, выходящих из морского дна в виде цепочки интенсивностью ~40 мл∙мин⁻¹, составляет 24,5±0,5 см∙с⁻¹, а для цепочки пузырьков с интенсивностью ~110 мл∙мин⁻¹ – 30,4 ±0,5 см∙с⁻¹. При этом значение скорости всплытия пузырьков при потоке ~110 мл∙мин⁻¹ на 38 % выше значения скорости всплытия одиночного пузырька такого же размера, определенной экспериментально в работе [33] и равной 24 см∙с⁻¹.

Выводы

Представлено подробное исследование двух разнесенных в пространстве цепочек пузырьков, поступающих из морского дна в воду, с интенсивностями ~40 и ~110 мл∙мин⁻¹. Воспользовавшись видеозаписями, полученными с помощью ПТОК ГНОМ, авторы оценили поток СН₄, транспортируемый данными пузырьками из морского дна в придонный слой водного столба, который, с учетом гидростатического давления, составивил 206 мг∙мин⁻¹ для первой цепочки пузырьков (рис. 4, а) и 616 мг∙мин⁻¹ для второй (рис. 4, б).

Для оценки величины СН₄, доставляемого данными цепочками до приводных слоев атмосферы, были использованы результаты математического моделирования [33] и экспериментальных исследований, выполненных на специально сконструированном стенде. В результате проведенного моделирования установлено, что с глубины 72 м до поверхности всплывающий со скоростью 24 см∙с⁻¹ пузырек транспортирует 33,6 % метана от изначальных 100 %. При начальном количестве СН₄, выделяемого морским дном, и величине его потери при всплытии цепочки всплывающих пузырьков, рассмотренные в данной работе, транспортируют в приводные слои атмосферы 69 мг∙мин⁻¹ и 207 мг∙мин⁻¹ метана.

Для определения вклада локального апвеллинга количество СН₄, доставляемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы, в лаборатории были смоделированы цепочки всплывающих пузырьков, максимально приближенные к зарегистрированным в море Лаптевых (рис. 6). В результате выполненных экспериментов было показано, что средняя скорость всплытия пузырьков, выходящих из морского дна в виде цепочки интенсивностью ~40 мл∙мин⁻¹, составляет 24,5±0,5 см∙с⁻¹, а для цепочки пузырьков с интенсивностью ~110 мл∙мин⁻¹ – 30,4±0,5 см∙с⁻¹. Во втором случае значение скорости всплытия на 38 % выше значения скорости всплытия одиночного пузырька, определенной экспериментально [33] и равной 24 см∙с⁻¹. Принимая во внимание данный факт и полагая, что величина газообмена между пузырьком и столбом жидкости постоянная и сохраняется в течение всего времени всплытия, количество СН₄, содержащегося во всплывающих с глубины 72 м пузырьках, формирующих первую цепочку (рис. 4, а), в момент их контакта с атмосферой составит 33,6 %. В случае второй цепочки (рис. 4, б) данная величина достигнет 46 %. При этом поток СН₄ из донных отложений до приводных слоев атмосферы, с учетом локального апвеллинга, составит 69 мг∙мин⁻¹ и 286 мг∙мин⁻¹ соответственно.

Воспользовавшись методом дистанционной количественной оценки потока СН₄ в воду, изложенным в [21], было определено количество СН₄, выделяемого сипом, занимающим на морском дне площадь 820 м², в состав которого входят рассмотренные в работе цепочки пузырьков (рис. 8).

 

Рис. 8. Эхограмма газового факела, в границах которого были получены видеозаписи цепочек всплывающих пузырьков

Fig. 8. Echogram of the gas seep, within the boundaries of which the video recordings of rising up bubble chains were obtained

 

Количество СН₄, транспортируемого данной областью в придонные слои водного столба, составляет ~40 г∙мин⁻¹. При допущении, что в среднем каждая цепочка пузырьков транспортирует в придонный слой 0,4 г∙мин⁻¹ СН₄, данный сип должен состоять не менее чем из 100 подобных цепочек. Основываясь на полученных экспериментальных результатах о скорости всплытия пузырьков, сгруппированных в цепочку, предположим, что средняя их скорость составляет 27,5 см∙с⁻¹. Тогда величина СН₄, транспортируемого данным сипом в приводные слои атмосферы с учетом локального апвеллинга, будет достигать 24,5 кг в сутки, или ~9 т в год.

 

***

Благодарности: Работа выполнена при поддержке грантов РНФ (№ 22-67-00025 лабораторные исследования механизмов локального апвеллинга, № 21-77-30001 оценка потока метана из донных отложений в воду), Приоритета 2030 СахГу – СахTech определение величины скорости всплытия пузырьков в зависимости от их интенсивности, Государственного задания № 124022100074-9 вычисление математическими методами величины газообмена, между всплывающим пузырьком и столбом жидкости. Авторы работы выражают благодарность экипажу научно-исследовательского судна «Виктор Буйницкий» за помощь в проведении исследований.

Acknowledgements: The work was supported by grants from the Russian Science Foundation no. 22-67-00025 laboratory studies of the mechanisms of “bubbling” local upwelling; no. 21-77-30001 assessment of the methane release from bottom sediments into the water as well as from the state assignments, Priority 2030 Sakhalin State University – SakhTech determination of the rate of bubble ascent depending on their intensity, no. 124022100074-9 theoretical modeling of the amount of gas exchange between a rising bubble and a water column. The authors of the work express their gratitude to the crew of the research vessel “Viktor Buinitsky” for their assistance in conducting research.

Об авторах

Денис Вячеславович Черных

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: denis.chernykh.vl@gmail.com

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории акустической океанографии, старший научный сотрудник

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Денис Алексеевич Космач

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: den_kosmach@mail.ru

научный сотрудник Лаборатории арктических исследований, старший научный сотрудник

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Наталья Евгеньевна Шахова

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН

Email: nataliaeshakhova@gmail.com

доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Лаборатории арктических исследований, главный научный сотрудник

Россия, 119334, г. Москва, Ленинский пр., 38, корп. 1; 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

Александр Сергеевич Саломатин

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Email: salomatin@poi.dvo.ru

кандидат физико-математических наук, заведующий Лабораторией акустической океанографии

 

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

Анатолий Назарович Салюк

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: san@poi.dvo.ru

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории арктических исследований, ведущий научный сотрудник

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Анна Витальевна Доманюк

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: domaniuk.av@poi.dvo.ru

старший инженер Лаборатории акустической океанографии, старший инженер Международного центра

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Эдуард Альбертович Спивак

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: stilo@poi.dvo.ru

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории арктических исследований, ведущий научный сотрудник

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Елена Владимировна Гершелис

Международный научный центр в области экологии и вопросов изменения климата, Научно-технологический университет “Сириус”

Email: gershelis.ev@talantiuspeh.ru

кандидат геолого-минералогических наук, исполнительный директор Международного научного центра в области экологии и вопросов изменения климата научно-технологического университета «Сириус»

Россия, 354340, федеральная территория «Сириус», Олимпий- ский пр., 1

Олег Викторович Дударев

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: dudarev@poi.dvo.ru

доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Лаборатории арктических исследований, главный научный сотрудник Международного центра дальневосточных и арктический морей им. адмирала С.О. Макарова

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Владислав Александрович Красиков

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: krasikov.va@poi.dvo.ru

старший инженер, Лаборатория перспективных методов морских исследований

 

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Роман Александрович Ананьев

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: corer@mail.ru

старший научный сотрудник, Лаборатория сейсмостратиграфии

Россия, 117997, г. Москва, Нахимовский пр., 36

Игорь Петрович Семилетов

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН; Международный центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, СахTECH – Сахалинский государственный университет

Email: ipsemiletov@gmail.com

член-корреспондент РАН, доктор географических наук, заведующий Лабораторией арктических исследований, научный руководитель

Россия, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43; 693000, г. Южно-Сахалинск, пр. Коммунистический, 33

Список литературы

Дополнительные файлы