Глобальный сток метана в составе атмосферных осадков и его влияние на формирование концентраций метана в водных экосистемах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глобальный сток метана в составе атмосферных осадков и его влияние на формирование концентраций метана в водных экосистемах

Гарькуша Д.Н.

Аннотация

В настоящей работе рассмотрены вопросы, касающиеся особенностей формирования концентраций метана в атмосферных осадках; дана оценка глобального стока метана в составе атмосферных осадков и влияния последних на уровень содержания метана в водных экосистемах. Количество газа в объеме атмосферных осадков, ежегодно выпадающих на поверхность земного шара, составляет менее 0.53 Тг/год или 0.2% от минимальной величины его глобального стока. Показано, что выпадение в большом количестве атмосферных осадков на поверхность акваторий и поступление паводковых дождевых, а также талых снеговых вод с поверхности водосбора будет способствовать, главным образом, понижению уровня концентраций метана в воде береговой зоны водных объектов, вследствие разбавляющего эффекта. В целом непосредственная роль атмосферных осадков в балансе изучаемого газа не только в водных экосистемах, но и в атмосфере Земли незначительна.

Ключевые слова: метан, тропосфера, атмосферные осадки, эмиссия, глобальный сток, водные экосистемы.

In this paper the author considers the questions regarding peculiarities of formation of methane concentrations in precipitation; estimation of the global flow of methane in the composition of atmospheric precipitation and the effect of the latter on the level of methane in aquatic ecosystems. The amount of gas in the volume of precipitation that annually falls on the surface of the earth, is less than 0.53 Tg/year or 0.2% of the minimum value of the global runoff. It is shown that the loss in large quantity of atmospheric precipitation on the surface of the waters and the arrival of the flood of rain and melted snow water from the surface of the catchment will contribute mainly to the decrease in the level of methane concentrations in the water of the coastal zones of water bodies, due to the dilution effect. In General direct the role of atmospheric precipitation in the balance study of gas not only in aquatic ecosystems, but also in the Earth's atmosphere is insignificant.

Keywords: methane, troposphere, precipitation, emission, global flow, water ecosystems.

На современном этапе развития цивилизации одной из актуальных экологических проблем является глобальное изменение климата. Основной причиной наблюдаемых климатических пертурбаций, по мнению большинства ученых, является увеличение содержания в атмосфере Земли парниковых газов (диоксида углерода, метана, закиси азота, галоидуглеродов, в том числе хлорфторуглеродных; некоторые исследователи относят к ним и пары воды), среди которых, вторым по значимости является метан [1]. Как известно, природная составляющая этих газов содержится в атмосфере в количестве менее 1%. Однако этого достаточно, чтобы создать «естественный парниковый эффект», который позволяет сохранять на планете температуру примерно на 30°С выше той, которая была бы в случае его отсутствия. Это исключительно важно для земной жизни в той форме, в которой она существует [1]. Подчеркнем, что авторы не являются приверженцами какого-либо одностороннего подхода к объяснению причин глобального изменения климата и стоят на позиции, согласно которой этот феномен рассматривается как отклик глобальной экосистемы Земли на аддитивное однонаправленное воздействие на неё природных и антропогенных факторов и процессов [2].

Хотя большинство источников и процессов, ответственных за потоки и стоки метана идентифицированы [3-5 и др.], их относительный вклад в уровень содержания метана в атмосфере является весьма неопределенным, что обусловлено различием в методических подходах к расчетам его эмиссионных и стоковых потоков. Так, по различным оценкам величина глобальной эмиссии метана отличается в 3 раза - от 330 до 910 Тг/год, в среднем составляя 593 Тг/год (см. обобщающую работу [6]). Интенсивность процессов стока метана примерно равна скорости его поступления в атмосферу [4, 5], что обуславливает стабильность уровня концентрации газа в ней. Считается [3-5 и др.], что основным каналом вывода метана из атмосферы является его фотохимическое окисление, меньшее значение (до 10-15%) имеет потребление метана почвенными микроорганизмами и диссипация газа в стратосферу. Что касается величин стока метана из тропосферы в составе атмосферных осадков, то такая оценка на настоящий момент не проведена. Помимо выше сказанного, актуальность такой оценки выражается в том, что атмосферные осадки являются одним из факторов формирования уровня содержания метана в водных экосистемах [6], влияние которого также не изучено. В настоящей работе авторами дана оценка глобального стока метана в составе атмосферных осадков и влияния последних на содержание метана в водных экосистемах.

Материалы и методы

В основу работы положены данные измерений концентраций метана в пробах атмосферных осадков, отобранных на европейской территории России. Отбор и анализ проб на метан осуществляли в соответствии с методикой [6]. Помимо атмосферных осадков отобраны также пробы ливневых стоков, снега и талых вод для определения содержания метана в них. Определение метана выполнено в лаборатории ФГБУ «Гидрохимический институт» методом фазово-равновесной дегазации на хроматографе “Хроматэк-Кристалл 5000.2” с пламенно-ионизационным детектором [6]. Нижний предел обнаружения метана в воде составляет 0.1 мкл/л, суммарная погрешность определения - 5-10%.

Результаты и их обсуждение

Основными компонентами атмосферных осадков являются растворимые соли и растворенные газы [7]. Количество газов в жидких атмосферных осадках зависит от их содержания в тропосфере и растворимости. Растворение газов во взвешенных каплях можно представить как двухступенчатый процесс [7]. На первой ступени происходит перенос газа из ат-мосферы к поверхности капли, а на второй - его перемешивание внутри капли. Процессы переноса в газовой фазе обычно счи-таются быстрыми, так что скорость переноса лимитируется перемешиванием внутри капли. Если газ переносится через погра-ничный слой газовой фазы достаточно быстро, то может насту-пить равновесие между поверхностью капли и газовой фазой. Дальнейшее растворение газа в капле будет происходить лишь после того, как уже растворенный газ переместится по направлению от поверхности капли к ее центру. В падающей капле это может произойти путем конвективного перемешивания, а в не-подвижной жидкости за счет более медленных диффузионных про-цессов. Расчет диффузионного переноса газов внутрь сферы показывает [7], что для многих растворимых газов (в том числе метана), 50%-ное насыщение наступит за время 0.3 секунды. Это свидетельствует о достаточно высокой скорости установления равнове-сия между каплями воды и атмосферными газами. В более круп-ных дождевых каплях равновесие может устанавливаться дольше, однако, если капля перемешивается омывающими поверхность потоками воздуха во время падения, равновесие наступает быстро.

В настоящее время средняя тропосферная концентрация метана оценивается в 1.8 млн-1 (ppmv) [1] или 1281 мкл/м3, а в целом тропосфера содержит ~5.1·1015 г (7.3 трлн. м3) метана и характеризуется существенной пространственно-временной неоднородностью его распределения и, особенно в ее приземных слоях. В Южном полушарии средняя концентрация метана приблизительно на 0.1 ppmv (100 ppbv) меньше, чем в Северном полушарии [8]. Наибольшее содержание метана наблюдается над средними широтами Северного полушария, южнее 30є северной широты, по мере приближения к экватору оно снижается, достигая величины типичной для Южного полушария. В Южном полушарии концентрация метана в меньшей степени зависит от широты, в целом она плавно снижается, достигая минимума в районе Южного полюса, то есть над ледниковым щитом Антарктиды. Такое распределение метана в атмосфере связывают с тем, что основные источники метана, как природные, так и антропогенные расположены на материках и сконцентрированы преимущественно в Северном «континентальном» полушарии, в котором так же проживает основная часть населения Земли и расположено до 90% всех производственных мощностей мировой экономики. Градиент концентрации метана между полушариями сохраняется и остаётся примерно постоянным, что объясняется [8] существованием внутритропической зоны конвергенции, системы мощных восходящих потоков воздуха в области экватора, существенно замедляющей скорость газообмена между полушариями.

Вследствие низкой концентрации метана в атмосфере, как правило, содержания метана в атмосферных осадках гораздо ниже, чем в воде большинства континентальных водоемов и водотоков [6, 9]. Это подтверждается данными по содержанию метана в атмосферных осадках различных географических зон ЕТР (табл. 1). При этом отмечается уменьшение концентрации метана в дождевых водах некоторое время спустя после начала дождя, что вероятно обусловлено «вымыванием» метана и снижением его концентрации в воздухе [9]. Поэтому выпадающие непосредственно на поверхность водных объектов атмосферные осадки обычно уменьшают содержание метана в поверхностных слоях воды, как за счет разбавления, так и за счет насыщенности атмосферных вод кислородом, с одной стороны, подавляющим образование метана метаногенами, а с другой, способствующим его окислению метанотрофами. Кроме этого, выпадение жидких атмосферных осадков приводит к снижению температуры воды и, как следствие, уменьшению скорости образования метана [9].

Таблица 1 - Содержание метана в дождевых водах, ливневом стоке и снежном покрове

метан атмосферный осадок вода

Как показали сезонные наблюдения за динамикой метана в воде и донных отложениях нижнего течения р. Дон [9], период весенних проливных и осенних затяжных дождей сопровождается достаточно резким снижением содержания метана в отложениях, что, в первую очередь, связано со спадом температуры и поступлением обогащенных кислородом паводковых вод; в то же время жаркая сухая погода способствовала возрастанию его концентраций. Отмечено также, что уменьшение концентрации метана вследствие выпадения дождевых осадков в летний период более кратковременно, чем при поступлении талых снеговых вод. Следует отметить, что непосредственный вклад процесса разбавления атмосферными осадками в снижение концентраций метана в воде незначителен и, главным образом, сказывается на поверхностных горизонтах воды, а также водной толще прибрежных участков, куда с поверхности водосбора поступают дождевые воды. Ориентировочные расчеты на примере Таганрогского залива показали [9], что даже если принять единовременное выпадение на поверхность акватории залива всего годового объема атмосферных осадков (2.36 км3), при концентрации в них метана от 1.0 до 6.0 мкл/л, то концентрация метана в воде залива уменьшится с 10.0 мкл/л (среднее содержание) до 9.2-9.6 мкл/л, то есть всего на 0.35-0.79 мкл/л.

При выпадении дождя на земную поверхность количество метана в дождевых поверхностных стоках несколько увеличивается - до 3.5-12.0 мкл/л (см. табл. 1). Это обусловлено растворением почвенного метана и его выносом с частицами почвы, обычно содержащими низкие концентрации этого газа [9-11 и др.]. Значительное увеличение концентрации метана фиксируется в загрязненных ливневых стоках промышленных зон [6], которые, как правило, подлежат очистке на очистных сооружениях, а поэтому заметного влияния на уровень содержания метана в поверхностных водах они не оказывают. В случае сброса ливневых вод в водные объекты без очистки, возможно локальное повышение содержания метана в поверхностных водах в районах их поступления [6].

Падающие снежинки, несмотря на их большую площадь сорбционной поверхности, содержат незначительное количество метана, поскольку этот газ обладает очень слабой сорбционной способностью. В снежном покрове его содержание может быть более высоким за счет депонирования метана, поступающего из почв, а также поглощением (хотя и несущественным в естественных условиях) атмосферного метана. Так, исследования, проведенные в конце зимнего периода (март) на территории г. Архангельск и его окрестностей, показали, что содержание метана в снежном покрове варьирует в пределах от < 0.1 до 2.8 мкл в литре растопленного снега [12] (см. табл. 1). Это несколько превышает значения, измеренные в пробах снега Северной части Баренцева моря - 0.08 мкл/л [13]. Прямого влияния гг. Новодвинск и Архангельск на распределение концентраций газа в снежном покрове не установлено. Однако более высокие содержания метана в пробах снега района исследования по сравнению с пробами, отобранными в Северной части Баренцева моря [13] могут косвенно указывать на определенную роль антропогенного фактора. Последнее подтверждается также определением еще более высоких содержаний метана (18.8-21.7 мкл/л) в пробах лежалого снега, отобранных в г. Ростове-на-Дону возле автомобильной дороги с интенсивным движением, что вероятно связано с депонированием метана, поступающего не только из почвенного покрова, но и из загрязненной выхлопными газами атмосферы в течение продолжительного времени. В талых водах, вытекающих из под этого загрязненного снега, содержание газа снижается до значений близких к дождевым поверхностным стокам (см. табл. 1).

Если за среднее содержание метана в атмосферных осадках, выпадающих на поверхность земного шара, принять 1.3 мкл/л (мл/м3), что соответствует средней тропосферной концентрации метана, т.е. 1.8 млн-1 (по [1]), то его количество в годовом объеме выпадающих на поверхность земного шара атмосферных осадков будет равно 750 млн. м3 или 0.53 Тг/год (табл. 2). Данная величина составляет 0.01% от суммарного содержания метана в тропосфере Земли, 0.09% от средней величины его глобального стока (см. выше) и всего в 1.5 раза выше суточного расхода метана на его окисление в воде и эмиссию в атмосферу для Мирового океана в целом [14].

Таблица 2 - Годовой объем атмосферных осадков, выпадающих на поверхность земного шара (по [15]), и количество в них метана *

Подобный расчет был проведен также для атмосферных осадков, выпадающих в течение года на территории бывшего СССР, поделенной по бассейнам морей (табл. 3). Как видно из таблицы 3, сток метана из атмосферы вместе с атмосферными осадками составляет 15.2 млн. м3 или 0.011 Тг/год, что соответствует всего 0.05% от минимальной величины эмиссии метана (21.7 Тг/год) в атмосферу естественными и антропогенными источниками бывшего СССР, приведенной в работе [16].

Таблица 3 - Годовой объем атмосферных осадков, выпадающих на поверхность территории бывшего СССР (по [15]), и количество в них метана

Заключение

Выпадение в большом количестве атмосферных осадков на поверхность акваторий и поступление паводковых дождевых, а также талых снеговых вод с поверхности водосбора в начальный период времени будет способствовать, главным образом, понижению уровня концентраций метана в воде береговой зоны водных объектов, вследствие разбавляющего эффекта. Снижение будет тем значительнее, чем больше паводковых вод поступит в водный объект. При больших объемах поступления паводковых вод, как правило, насыщенных кислородом, возможно последующее уменьшение его содержания вследствие ингибирования метаногенеза в верхнем горизонте донных отложений кислородом. В целом с увеличением размера водного объекта и объема заключенного в нем воды роль атмосферных осадков, выпадающих непосредственно на поверхность акватории, и паводковых вод, поступающих в прибрежную зону с поверхности водосбора, в формировании уровня содержания метана в водном объекте, будет снижаться. Необходимо отметить, что в тех случаях, когда количество метана в верхних слоях воды океанов, морей и крупных озер ниже равновесного с атмосферой, а атмосферные осадки принесены с суши, возможно увеличение содержания метана в поверхностном слое воды при выпадении атмосферных осадков.

Проведенные расчеты показали, что сток метана из атмосферы в составе атмосферных осадков очень мал (менее 0.2% от его минимальной величины глобального стока), а, следовательно, их непосредственная роль в балансе изучаемого газа не только в водных экосистемах, но и в атмосфере Земли незначительна. Однако опосредованное воздействие атмосферных осадков (через влияние на другие факторы: температуру, окислительно-восстановительный потенциал и т.д.) на концентрацию метана в водных и наземных экосистемах, а, значит, и его эмиссию в атмосферу в целом существенно.

Литература

1. МГЭИК, 2007: Изменение климата, 2007 г.: Обобщающий доклад / Под ред. Р.К. Пачаури, А. Райзингера. МГЭИК, Женева, Швейцария, 2007. 104 с.

2. Fedorov Yu.A., Gar'kusha D.N., Shipkova G.V. Methane emission from peat deposits of raised bogs in Pskov oblast // Geography and Natural Resources. 2015. Vol. 36, № 1. P. 70-78.

3. Khalil M.A.K., Rasmussen R.A. Sources, sinks and seasonal cycle of atmospheric methane // Geophys. Res. 1983. Vol. 88, № 9. P. 5131-5144.

4. Frankenberg C., Meirink J., van Weele M., et al. Assessing methane emissions from global space-borne observations // Science. 2005. Vol. 308. Р. 1010-1014.

5. Kirschke S., Bousquet P., Ciais P., et al. Three decades of global methane sources and sinks // Nature Geoscience. 2013. № 6. P. 813-823.

6. Фёдоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в водных экосистемах. 2-е изд., перераб. и доп. Ростов-на-Дону - Москва: ЗАО «Ростиздат», 2007. 330 с.

7. Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы: Пер. с англ. М.: Мир, 1998. 352 с.

8. Сывороткин В.Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. М.: ООО Геоинформцентр, 2002. 250 с.

9. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в устьевой области реки Дон. Ростов-на-Дону - Москва: ЗАО «Ростиздат», 2010. 181 с.

10. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A. Distribution of Methane Concentration in Coastal Areas of the Gulf of Petrozavodsk, Lake Onega // Water Resources. 2015. Vol. 42, № 3. P. 331-339.

11. Gar'kusha D.N., Fedorov Y.A. Methane in Water and Bottom Sediments of the Mouth Area of the Severnaya Dvina River during the Winter Time // Oceanology. 2014. Vol. 54, № 2. P. 160-169.

12. Sawichev A.S., Rusanov I.I., Pimenov N.V., et al. Microbiological explorations in the Northern part of the Barents Sea in early winter // Microbiology. 2000. Т.69, № 6. С. 698-708.

13. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A., Tambieva N.S. Emission of Methane from the Soils of Rostov Oblast // Arid Ecosystems. 2011. Vol. 17, № 4(49). P. 36-44.

14. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A., Tambieva N.S. Computing the Methane Cycle Elements in the Aquatic Ecosystems of the Sea of Azov and the World Ocean Based on Empirical Formulae // Russian Meteorology and Hydrology. 2016. Vol. 41, № 6. P. 410-417.

15. Соломенцев Н.А., Львов А.М., Симиренко С.Л., Чекмарев В.А. Гидрология суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 432 с.

16. Бажин Н.М. Метан в атмосфере // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6, № 3. С. 52-57.

Размещено на Allbest.ru