Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование глобального цикла метана и исследование его чувствительности к антропогенным источникам метана и к удвоению СО2

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование глобального цикла метана и исследование его чувствительности к антропогенным источникам метана и к удвоению СО2"

РГ6 од

» >* у * \ ~ п

I г..,.о

ИНСТИТУТ ФИЗИИ! АТМОСФЕРЫ РАН

на прапах рукописи УЛК 551.510

АНДРОНОВА Наталия Геннадьевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА МЕТАНА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К АНТРОПОГПШЫМ ИСТОЧНИКАМ МЕТАНА И К У ДВОЕНИЮ С02

(04.00.22 - геофизика)

Авто реферат

диссертации на. соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва. 1993

Работа исполнена в Главной геофшическойобсерватории им. АШВоейкова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор И. Л. Кароль

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А. М. Тарко. кандидат фшшо математических наук Т.

Ведущая организация — Государственный гидрологический институт.

Л ^о

Задета диссертации состоится ..... ...1993 г в Аф... час.

на заседании Специализированного Совета К-003.18.01 Института физики атмосферы РАН.

Адрес Института: 109017, Москва, Ж-17, Пыжевский пер., д. 3. С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИФА РАН.

Автореферат разослан 1993

Ученый секретарь *

Специализированного Совета

к. г. н. Л. Д. Краснокутская

I. ОБЩАЯ ХЛРЛКТНИПКМ'ЛЬОТЫ Дщ^ипосзмг^ми Мотан является парниковым газом, и его присутствием дтмосф^ре плияет на температурный режим планеты Земля. Метан вносит г.торсп по клич I гне поело СО, вклад п предсказываемое будущее потепление Земли. Концентрация метана ватмосфере более чем удвоилась за прошедшие два столетия и продолжает увеличиваться.

Увеличение содержания метана в атмосфере связывается с ростом I поз ления Лемл11. В результате м (троп оге! ¡нон деятель! юст11, такой, ка к сж! 1гание топ липа, разделение крупного рогатого скота, выращивание риса, утилизация отходов, производится значительные количества метана, и эта деятельность продолжает пасширяться с развитием индустрнлшации и ростом населения. Установлено, чтоп настоящее время антропогенные источники метана составляют Ы) '/(!" его ч>до1ЮТО поступления с .«мной поверхности в атмосферу. Остальные 30 - 40 X формируются естественными источниками метана. Из этих оценок видно , что :овременное увеличение атмосферной кониерт»^ции метана может определяется ■нтропогенной деятельностью

С другой стороны, с потеплением климата существует вероятность ,'величепия интенсивности естестветых источников метана, т.к. поступление иотанлот некоторых естественных источников, вчастности, переувлажненных -ерриторийзарлгит от температуры. Таким образом, потепление климата врезуль-ате антропогенной деятельности может быть причиной даЛ1,|[ейиего увеличения кхтуплення метана от естественных систем.

Основной сток атмосферного метана - реакция с радикалом гилрокенлл -1а.чодится в атмосфере, и интенсивность его зависит от концентраций других тмосферных примеоеП. Таким образом, для понимания функционирования лобалыюго ш 1к.та метана необходимо одновременно раесматр! тать две его части: тмосферу и поверхность Земли.

Иль работы, (а) построить модель системы взаимодействий в глобальном цикле (Стана для среднегодовых условий, (б) определить и количественно оценить ►братные сьям в системе атмосфера-источники метана, и (в) изучить чувстви-елмюсть состава атмосферы к антропогенным источникам метана и к удвоению 0,..

Метол 1!Гслол<)»-.я11Ич. Методом исследования выбран метол причинна следстьо!и л>1Т) «Iйлиза линеаризованной системы уравнений в отклонения^ представленной в виде графа. Выбор лого метода обусловлен простотой расчет г-фф-ектов обратных связен в системе и возможностью представленп чуготг.1пгелыгостн злсмо1гтог. системы к шюшмим псодеисгы 1ям через осноппы элементм системы. К достоинствам этого метода также относится воэможност '^Н)уал;глции" моделируемых взаимодействий.

Научная нонг.нл работы (1) разработана системная модель взаимодействии глобальном никло метана для среднегодовых условии, которэя огражае современные представления о фотохимических и радиационных процессах глобальной атмосфере, связанных с метаном, и которая одновременно о этим! процессами вперг.ые включает в себя зависимости поток;« метана от переувлажненных территории и потока влаги с земной поверхности о температуры;

(2) впервые метод причинного - следствен но го анализа применен задачам атмосферной фиянки и химии, с его помощью проанализирован, внутренняя структура, системы, определен интегральный эффект се обратим: связен и подчеркнута роль кчаимодеистр.ип "температура-поляной пар": "температура-переувлажнешше территории" в чувствительности состав, парниковой атмосферы к антропогенным источникам метана.и к удвоению СО-,.

Теоретическое и практическое значение работы. Применение причинно следственного аналнза к системе взаимодействий в глобальном Ц|(кле метал; позволило понять роль взаимодействии "темпер ат у ра ■ г, о д я но и пар" и "температура-переувлажненные территории" в чувствительности состав; парниковой атмосферы к антропогенным источникам метана и к уд рвению С02. *.>п результаты имеют важное теорепгческое значение, поскольку дозволяют дат1 рекомендации по совершенствованию описания атмосферных процессо: ралнахшонно-фотохнмнческимн моделями. используемыми для прогноз; концентраций атмосферных примесей и оценки их чувствительности к внешнии [¡оздеисгвиям. Так, кнализструклурыюаимодейстшй в системе показал, что неуче в моделях взаимосвязи "температура водяной пар" может значительно уменьшит! чувствительность состава модельной атмосферы к внешним воздействиям.

В работе показано. чтоингегралымп петслг» япляется ингари.-итюН характеристикой ( истей ыи может слуллт, пока.зателемотепепн лчнешюи wiichmoctii элементов системы др} г от друг*. Этот результат также имеет ьадное теоретическое значение, поскольку позволяет процессе построения численной модели на основании расчета интегрального :ффекта петель ее линеаризопаиого аналога оценивать "качество" модели и, в соответствие с >гим, проке»лить ее коррекции»

1 !рлкт! (ческя я значимость днссергащюшюп работ определяется ее г,кладом к выполнение плана НИР ГГТ)(тема IV.li.61) и III 11' по хоз. договору ГГОг.Госком "Природа" СССРн Мни. Экологии России по теме: "(.'цепки масштабов биогенного и абиопзнного образования метана на территории ГСП1".

Разработанная процедура определения эффектов петель системы, их интегрального эффекта, ?<]фекта путей воздействия шепинге гтмутении на алементы климатической системы и оценки ее чувствительности к :->тчк( возмущениям внедрена в научный проект 02.03.1 Г( Рабочей Группы \ГШ сопетско-американского сотрудничества п об ласти зщиты окружающей ерздн. .Апробация работы. Oci lor.i!ые результаты работы доклддмвалнсь на С-ог.етеко-Америкялскои симпозиуме по малым атмосферным примесям, клияющим на климат Вильнюс, 1984), на осе!лкй конференции АмерикалскогоГеофтическогоСоизл (Сан-Франциско, США, 19901, на международной конференции по Атмосферному (йоиу (Лснш (град, 1990), на. второй конфере: mini 1 Ii icn пут а Глобады ¡lk Hsmci ra luíi tAcneu, США, i<x)|í, на ИнтсрнлшюналыюмСимпози^сБиогсохишигОкружаютей Среды (Сян-Франииско. США, 1991), m Рабочей ГруппеИАТО по Атмосферному Метану (Портленд, США, 1У9Ц на международной конференции поМеталун Закиси Азота. (Амсфорт, Голандия, 1993), иаВсесоюэнои конференции по Атмосферному Озону (Суздаль, 19031, на. Межведомственном Семпп.-ре по Атмосферному Метану (Ленинград, 19891, на Всесоюзном Семинаре "Диагноз Текущего Климата" (Ленинград, 194)1, («Roi ференц! щ молодых специалистов ГГО (1988), на семинарах лаборатории теории климата ГГ0 (1986 -1991». Bei юс имме на за;;:чту ослом те положения работ] 1.

1. Граф-аналог системы у проеденных гаа имо действии в глобальном ппкле метана для среднегодовых условий.

2 Ра.-r-.нтие метода причинного анализа для задач атмосферной химии

Ч. Модельоцеики поступления метана. от переувлажненных территорий.

4. Количественные характеристики эффектов всех петель, формируемых рассматриваемой системой, к их интегральный эффект.

5. Кол) шестьенные характер»стихи эффектов всех путей воздействия изменения интенсивности антропогенных источников метана и удвоения СОл, формируемых рассматриваемой системой, на ее переменные.

6. Аппроксимация и количественныеоценки коэффициентов чувстви-телы (ости переменных рассматриваемой системы к изменению интенсивности антропогенных источников метана и к удвоения СО? через основные элементы системы.

Личный ккла л автора. Содержать работы опубликовано в 10 статьях. Приведенные в диссертации количественные оценки эффектов всех петель, формируемых рассматриваемой системой, их интегрального эффекта, эффектов всех путей воздействия изменения интенсивности антропогенных источников мегана и удвоения СО-; , формируемых рассматриваемой системой, на ее переменные, и оценки коэффицис! 1тоа чувствительности персма п 1ых ра.ссматр!1васмой системы к изменению интенсивности антропогенных источников метана и удвое-шпо СО;; прошведены непосредственно автором. Автором разработана модель оценки поотуплешш метана с переувлажненных территорий. В статьях, опубликованных в соавторстве, вклад автора заключается в участии в теоретическом развитии метода причинно-следственного анализа в приложении к моделям геоф1сических яплавгй, п развитии системной модели глобального цикл! метана, в проведении численных расчетов и анализе полученных результатов.

Структур'! диссертапиии объем работы. Диссертация состоитю введения, четырех глав, заключены, двух приложений и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 140 страниц, включал 8 рисунков. В списке литературы 81 наименование.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются задачи исследования и пере- числяютсяположения диссертации, имеющие характер новизны и ы.пюсимые автором на защиту. Во введении также указывается

личный вклад алтора в проведи п юе иеледоваш ¡е.

Глава 1. Глобальный цикл атмосферного метал».

Глава носит о (яорный характер и посвящена систематизации эмпирических и модельных данных о глобальном циклеметала.

Во введении к первой главе указывается, что все источники метала находятся «земной поверхности, а все его основные стоки - в атмосфере. Происхождение »тмоеферного метана определяется биохимическими процессами в аиа:-робных зредах на поверхности и геолог ическими миграционными процессами в недрах Земли.

В 1.1 параграфе дается сводка данных, характеризующих наземную часть -лобалыюго цикла метши. Указывается, что биогенное образование метана происходит в результате жизнедеятельности Метялообрдзующих бактерий которые довиваются только в анаэробных (безкислородных) условиях. На земной поверх -10сти такие условия существуют в донных осадках,затопленных (переувлажнение) почвах, желудочных трактах травоядных жнготш>гх и некоторых насекомых, и I полостях земной коры в местах скопления серных и углеродных полезных юкопаемых. Метанообразующие бактерии для своей жизнедеятельности исполь-уют такие органические соединения как, как жирные кислоты, спирты и газы Н-., СО, :оя . Лнтенсивносп. метанообразованиязависит оттеипературы, элементного »става органического вещества и его количества. Процесс метанообразовакия П1>.штнруется присутствием в среде кислорода и конкурирующих за субстрат (икроорганизмов. К абиогенным источникам метана относятся сжигание биомассы 8 основном пожары) и геохим>гческие процессы в недрах Земли. Здесь указывается, 1то более или менее определенные оценки существуют только для сжигания иомаосы. Хозяйственная деятельность человека воздействует на цикл атмосфер-ого метала по двум основным направлениям: (И формирование новых источников, акнх как рисовые поля, домашний скот, сточные воды, сважи, сжигание биомассы, >) ускорение поступления больших объемов ископаемого метана при разработке 1есторождений топлива. НаземтлТ сток метана формируется микробиологическим го окислением в хорошо аэрируемых условиях почв и водных толщ проточных одоемов. Отличить метал биогенного происхождения от абиогенного можно на сновалки изотопного состава его углерода. Шотош еый состав углерода риродных соединений обычно выражается величиной отклонена в прочетах

или промилле содержания ис ю'-чзот принятого международного стандарта, при этом от)ниппельные значении показывают обогащение исследуемого образна »потопом "с отпоете лит стандарта Атмосферным метан по своему тотспному составу соответствует й'-'С = (-Ю0, -47.0гл>о, что лежит на границе между биогенным н абиогенный! метаном н свидетельствует о важности как биогенных, так и аб) югешшх его источников. шествующие оценки назем! 1ых источников и стоков метана указывают, чго его антропогенные источники составляют 60-70" от суммарного наземного источника. Наибольшими антропогенны ми источниками метана являются рисовые поля и месторождения топлива. Биогенные источники состаляют до 70,Т, и: них КЗ? приходится на рисовые поля и переувлажношые территории Остается неопределенным доля биогенного метана в месторождениях полезных ископаемых, в поступлениях метана от свободных водных поверхностей нпрн р&одмешш газогидра гов

Во параграфе I 2 дается сводка данных и модальных результатов, харак-те[ Iвукишха тмосфе| я|ую частьглобалыюго цикля метана. Основ!тым стоком метана в тропос«|оре !./(оЧ0"г) является его химическая реакция с радикалом гндроксила Анализ литературных сведений, приведенных в атом пункте, показал, ч го <ю| очники концентрации гндроксилавобщеи сложности контролируются концентра) ишми слона и водяного пара, а стоки - концепт рациячш ом!сн углерода, метана Интенсивность продукции изона в результате окисления метана и окиси углерода за висит от степени загрязнения тропосферы окислами азота: при достаточно высоких уроинях загрязнения (N0, 8 ррп>) 031111 производится, и наоборот. Существуняцпе данные указывают на высоко: содержание окислов азота в свсЛодпой тропосфере над континентами средних шпрот. Температура играет важную роль в фотохимических преобразованиях состава тропосферы, поскольку от нее зависят скорости химических реакции и интенсивности таких физических процессов, как конденсация водяного пара и испарение влаги. С другой стороны, та кие газы как углекислый газ, озон, метан благодаря своим радиационным «юношам, ^содействуют на температурный режим атмосферы. Скорости всех а гмосферных реакций фотодиссоциаций зависят от общего содержа! и 1я озона во всем столбе атмосферы. До 10% метана от наземного его поступления пс[>епосится в с гратосферу, где он формирует, с одной стороны, главный сток для атома хлора.

¡шляющегося нз1 Люлее реактивной для озона составляющей стратосферы, и. с другой, - является источником водяного пара в сукон стратосфере.

В параграфе 1 3 делается обзор существующих мс>делен глобалыюго никла метана. Атмосферный никл метана включается как важная часть в (¡отохимическпЛ модели атмосферы. С помощью этих моделей, в зависимости от их вида, рассчн -тыкается распределение концентраций примесей 1в том числе и метана) в атмосф:рз по вертикали и горизонтали, п|х>пюзнруется эволюция концентраций, численно определяется чувствительность распределений примесей к гнешннм возмущениям, а также к точности модельных параметров. Лругой тип моделей, используя инверсионный алгоритм, восстанавлпялюгпаземноераспределение общею источника примеси поданным измерений пли гю результатам моделирования ее атмосферной концентрации Ряд моделей глобальных циклов примесей учит! тает зависимость от температуры биосферных источников нетона, вид которой варьируется от модели к модели. Здесь отмечается, что все описанные выше численные модели построены на связи "вчод-выход", и, следовательно, в экспериментах по чувствительности составляющих модели к виелним возмущениям в их задачу не вход] гг ©пределе! п к клк1 гм "путем" В1 гетш !ее воомутценне I га "входе" модел) I передается отперек(ениьй к переменной до ее "выхода". Однако, во многих исследованиях подчерк!шлется важность пот 1мания именно "структуры" и значимости взаимодействий элементов природ! ¡ой системы для задач контроля за существующей глобальной эколол пеской С1гтуа щ !ей.

выводах к главе 1 отмечается, что до настоящего времени не получен отг.ет на три следующих вопроса, важных как для фотохимии атмосферы, так и для глобального цикла метана: (1) какова роль переувлажненных территорий, как естественного источника метана, в возможном потеплении климата, поскольку не определено влияние климата на интенсивность поступления метана от них, 12) какова роль атмосферной обратной связи "температура водяной пар температура." в фотохимических преобразованиях атмосферм, поскольку п современных моделях атмосферы эта кзаикюсвязь (влия1 !не температуры на атмосф-.-рное содержание водяногопара и, обратно), а также влияние увлажнения тропосферы на интенсивность стоков метана, не учитывается, ( П каковотносителып.ш вклад существующих в глобалшом цикле метана обратных связей в преобразование атмосферы.

!>>|.ч% Исследоьашю енотом взмшоденствиП методом лричшшо-

1 :ЛСДС№:Ш ЮГО Д| и лила. ;'о I.ведении к этой гласе отмечается, что сажным моментом интерпретации «.'оделицлч результате! к лмоых псследоелш ых является анализ чувствительности ччодаи.те'омькюанмоде^.тг.иц к внешнимвовмущениям.

излагают сяоспоьнис положения и рсЕнтае метода прнчшшо-ол< а^л1.е| н (ого ал ¡алI ш.сис темы, представленной в виде графа, а также простые 1 н.ны; пр;меры. Указывается, что праенлапричинно-следственного мпллзяпеяволяшоцештгь чуьстштелыюстьузла^квсзмууетий Е^ узла хк по формуле:

= . (1)

•,к= ^ ■ (2)

>., а .«тел клф к, I кип см чувствительности и

п = [(1-ь'н1-ь")...а-ь-)Г (0)

- :-го штсгралыыЛ эффект потери, системы. и уравнениях (2мнЗ) величины Ь\ Ь", ..., Ь" - :->то эффекты отдельных петель системы, определяемых как проилюдеше I; 1.о1[.еч<>ч .!((:хся1^|ольпетл:1, с.л, ... с А - это т путей, по которым ьозмущекиг К проходит через систему к "выходу" Эффект путей определяется аналогично :..:<схту пеюль т.е. произведением ьдолъпутн. Символ * сииачает, чтот выражения должныЬыть исключены эффекты "касающихся"путей,т.етех путей, :.огорые проходят через един и тиже узлы. Обили эффект петель системы Б не мг.н-чгг от внешних возмуще1П1й и является пршнаком только внутренней сфуктури системы. Шурдвнешы 12) следует, чточемзначепне Б ближе к нулю, тем погепцнальнощетет проявляет большую чувствительность к внешнему воздействий а тр»Д\ о г по ¡ее высокий порядок точности ее параметров. Мы показали, что штегрдльнь.:«.", обратных связей графа с п^з-тш, являющегося аналогом

л

алгебраической системы уравнений с п неизвестными, чпслешю равен по абсолютной величине определителю матрицы этой системы. Oí сюда следует, что, с од1 :o:i стороны, существует фюическлянтерпретацня алгебраического разложения определителя системы ургтнснин по ее элементам и их дополнениям, как определение влияния каждого а.чекюнта системы на конечную величину, и, с другой, - математическая интерпретация интегрального эффекта петель системы, как мера линейной за сна ¡мости элементов системы друг от друг?.

В§ 2.2 возможность применения метода прнчтн ю-следственного анализа к исследованию чувствительности системы к малому возмущению ее переменных демонстрируется на фотохимическом цикле Чепмена с предварительной лпкеа-ртацней взаимодействий относительно положения равновесия системы. Исследуется роль предположения о фотохимическом равновесии атомарного и возбужденного кислорода, которое не тменяя порядка величины комитентов чувствительности элементов системы к температуре изменяет структуру взаимосвязей ее компоиещ-ов. Предположение о фотохимическом pací ¡onecí ni в цикле Чепмена увеличивает значен* ie общего аффекта петель системы тяаимодействин, D, от крайне блткого к нулю до порядка даух.

В выводах этой главы утверждается, что к основным преимуществам метода причинно-следственного аналта относится возможность визуалтации моделн-руемых взаимодействий. Простые правила причинного анализа позволяют рассчитывать эффекты обратных связей в линейных системах и оценивать чувствительность систем к внешним воздействиям, определив при этом вклад каждого го звеньев, составляющих систему. Для применения метода причт того аналта к конкретной задаче необходимо первоначально убедиться в корректности линейного подхода или, как в клзсснческихзадачах наследования на чувствительность элементов системы к мальм возмущениям в окрестности равновесия системы, провести линеаризацию исходной системы взаимодействий по всем ее элементам и исследуемым параметрам.

Глава 3. Моделирокнте системы "Атмосфера, - Источники Метана".

Во введении формулируется постановка задачи: динамическая снстемл фотохимических и радиационных взаимодействий в глобальной атмосфере, включающая зависимость потока влаги с земной поверхности и потока метана, с

1М

переувлажненных территории от температуры для среднегодовых у слоги и',, находится и равновесии. Малые возмущениясистемы переводят еев другое ранювесное состояние Требуется определить чувствительность переменных системы к малому возмущению климата и интенсивности антропогенных источником метала, нопределшъпутн формирования этой чур. от га гтелы гхгпI' стр;, ктурой с! ютемных взаимодействий.

Ы)3.1 П[юьод;Iгея сосгавле! ню системы юалмодействий. В качесI не переменныхсистемы, (х,>, рассматрнааются температура (т), общее содержание гаона (Хл) п дне из его составляющих: тропосферный озон Юз,,) и озон стратосферы выше 30 км (о3а0 ; а также концентрации атмосферных газов- окиси углерода (СО), метана ИЛ1д радикала гндрокснял №1Ь и водяного пара ОЬО)

О ^ £СО*1 (2) р- Е2н Иа] 0 р, вв= [СО,]

1с

42 L «13/

[С1141

12О

4Т

1СО]

<74

^ Ь ^г в

-<— [н20]

Б». 1 1ги 1- »68

IX,]

«73 -1

-«1- -и- Г°31гМ

1-37 -,—1

о>

е57

Г') 1С. 1

Па рис.,1 представлен фаф рассматриваемых системных гааимодеПстиШ между не^мепнымн 11чГ]*4^чтр|н1яшследуаднеслг,;!лиеш1я:(П (х-,] = Ах-/хк, Лxj = х- - где х1(, - это начальное положена равновесие системы; »21 ^ з'!ОГ:труктур||Ыйко.«(ппие1гг, кото|я,1й определяет влияние переменном ) нл переменную 1 п имеет стрелку, направленную от переменной 3 к перекгшуж у. Ч'< К, - этопнершеог/этмутценпе перемени' >н 1 с влиянием ц Структурны11 коэффициенты

fjj ""i Трлктуится КйК относительный 14КЛЛД переменной системы j HBHeíKtüX пшмущетп^переметой^пееобдайисточтт!?^, Oiin¡ ОшлисюкК Ohi>¡-0. Алгебраическим аналогом графа, предст.адленном на рне.1. ят*. глетгя система линейных уравнении с постоянными коафиинентамн типа:

у. = > ?..у, + ч.Е , i ¿u IJ J I '

(4)

где у, представляет [СО], [СНД [03tr], [08н1], [ОН], ДТ, [Хя], Ш,01 Чребуется оцешпьзшчештструктурныхкогфшшептов ty и параметр« <•,.

В íi ',12. описывается глобальная модель трансформации органического псщестглпочпы переуг; лаж;teimuy. территории, расположенных п ралличных кл1а(пт.'г-|еск()хзо|1ахзем1юлпот?ркг(остп(гр<-1п1(ческон:.'?0,с т. до т ,

субтропической: 30"-50" с. и к т., суббореальной- í¡0" - 60" с. пил. бс-реальной- W-70" с. и ют, и арктической: 70й - 80" с. и ю.шт л метан. Исходными уравнениями модели ямяются:

q(T, í = v (ioj <4T¡)G(T¡) = {O.OOS-O.OeMTj )G(T, ), <4T¡> = r)n(Ti),

(5)

n(T,)-m\m74,t), k(T¡) = GiTi)/D(T,),

где cjlTj) - поток метана (rICH,)/м?/год| в климатической яоне i, |í - зтг> доля органического углерода в массе опада G(T¡) irCl/м'/тд!, ежегодно переходящего r гумус, oí - зто доля лабильной ча.ст!'. коб^ей массе гумуса, v - ато опюиенне молекулярных bocí>b метана, и углерода, а - это относительная скорость преобрадсадмия лабильной части гумуса в метан, и - это доля давильной части гучусл переходящего Р. метан, я - это ОТМОС.ИТОЛЬНаЯ CKOf>OCTT» обращения opniiii'ünко!о углеродапочвы, Id']4,,.,,) - этослратнаяг.елнчпна рременижтнн оргаиич-ч кг>1'> yi Л'чюл» r почке прмс;!ГП сальной темп ера lype, и хл честно которой принты сред него'к, рая температура тролнчткоЛ климатнческойзоиы. 1ХТ() ■ ето

и

накопленная в почве масса органического углерода (г(С)/м'). Согласно литературным данным, 1пггерв.-зл тменения величии |t н ш перекрывает возможное разнообразие геохимических условий почвы земной поверхности. При помощи построенной модели для различных климатических зон вычислен поток метана с г^эеувлажненных территорий, цшшение которого с экспере ментальными данными показывает хорошее их согласие. В пределах рассматриваемых сред1 югодовых температур климатических зон земной поверхности Те {258, 297}, найдены peí-pecci юнные завн ci i м осп i:

klw = 0.0253 Т - 653 . R2 = 0.976 G = 8.32 Т - 205 х 10 , R2 = 0.953 , (6>

где k^j = ЫТ,р1), которые позволяют оценить чувствительность потока метана с переувлажненных территорий к изменению климата.

В§3.3 проводи-fcsi оценка структурных коэффициентов системы. Указывается, что структурный коэфициент í 2s оценивается с иппольяошишлм модели трансформации органического вещества почвы переувлажнённых территорий в метан. Остальные коэфицнеиты ty и параметры a¡ оцениваются: (1)сиспользовалием уравнения балансадляпрпмеси i с концентрацией c¡ сдальнейпей дифференциацией и линеаршацней его около положения равновесия, c¡„ , и приведения его к опюеительнымедипицам [c¡] = (c¡ - c¡J/cio; (2) с использованием оценок чувствительности переменной! к ыэзмущению переменной j, полученных в результате опубликованных числен! d<ix экспериментов с различными моделями атмосферы.

В5 3.4 отмечается, что построенная система удовлетворительно воспротво-дит чувствительность ее элементов к удвоению С02 в атмосфере твестную ш рюлнчнихчислешилхэксперимеитовсмоделяктатмосферхдпри l2(i =0.

В выводах к главе указывается, что неопределенность значений структурных коэффициентов | у вытекает, во-первих, ю неопределенности используемых данных и модельных оценок, и во-вторых, «о предположений, сделанных в. процессе оцештания. Для того, чтобы уменьшить неопределашостьзначеннй структур«(ых коэффициентов , требуются дополнительные ч!юле1Я1ые эксперименты с фотохн-шгческнми и другими моделями атмосферы по оценкам oti юситслы илх'вкладов

:>ле\!ентов системы в источники и сто»ндру^друга

• 'л.,<гл4. Исследование чувствительности системы "атмосфера наземные

■ источники метала." к аитропоге! «юму воздействию. Но введении указываютсязадачн главы: анализ структуры системы, исследование путей формирования чувствителыюсти системы к тменонпюклпма- та вследствие увеличения в атмосфере антропогенного углекислого газа и к увеличению интенсивности антропогенныхисточников метана, пгследомниз роли си>т?|| ' температура -> переувлажненные территории" г, формироппнин чугхпт.нтелмюпти системы к указанным возмущениям.

В5-11 описыЕ.5ютсяиоцениваются обратные связи рассматриваемом системы взаимодействий. Последовательно от более простой к более сложной рассмотрены "по1Гства четырех систем взаимодействий: (1) "непарниковая"тропосфера !ЬтО'П с >лементам!Х(= [СО], х2= [СН,1 х,= [0Л1Д хя= ГОШ; (2|"непарпим>ГАЯ"атмосфера СМОЛ) с дополнительными к КОТэлементами х.,= [03е,.| и х7 - [К,); "парит(ковля" тропосфера (ОТ) с дополнительным!! к КОТ элементами х,-Л Г и ха= [Н/>|; (II "парниковая" атмосф:ра(ОА)с дополнительными кКОЛ элементами гс6-А [ ¡1 х„= [Н;0]. Получено, что для рассмотренных подсистем справедливы следующие : .ерчвенства:

'\;т- Ецс.т'-* Г^ол

О)

и что интегральный эффект парниковой атмосферы, взаимодействия в кои рои образуют в об:леП слож'носты 30 петел!., с точностью до третьего знака, представляется как:

Ц;д » (1 + + !В2 XI -е6Ч«м XI - Ы7а ), (8)

! 1 зависит только от иестн звеньев системы. Выражения (7)и(8) показывают, что из рассмотренных четырех с1 ют ем юатгодейсты ¡п нопарлп ¡хск.ая атмосфера наименее чувствительна к внешним воздействиям из-за присутствия в ней отрицательноиобратпойсвязи'Уропосферныйозон-ойпнй озон"; патскштель-наяобратная связь "температура - водяной пар" усиливает чувствительность

1с

атмос феры и i («люстры к внешним воздействиям; чувствительность всех систем к внешним воздействиям за висит также от величины влияния метана и окиси углерода на сток радикалагидроксила (звенья {В2 и { 61. соответственно); приближение значения £ 5| к своему верхнему пределу уменьшает значение m 11 erj >ллы ют эффекта петель до нуля, дела я элементы системы лш и«ю зависимыми друг от друга; структурный коэффициент f 57 , задающий влияние о&де-го озона на источник гидроксила (звено [Кз1 ---- ЮН1), ненфает важной роли в нн игральном эффекте нетель; также не играет важной роли в формировании i il и егралы ют эффекта петель системы положительная об^шч 1ая связь "темпе -ратур\- переувлажненные территории", определяемая петлей L-^ , с компонентами f 2lin f .

Bti Л.2 анонсируется чувствительность переменных системы к потеплению климата (через удгоениеССми к антропогенным источникам метана Визуализация структуры системы тадоляет проследить пуп I, по которым возмущение проходит через систему от возмущаемой до анализируемой переменной. Воздействие уьелнчешыСО; па переменные системы рассматриваются через воздействие на соде] >жание стратосферного озона и на тропосферную температуру. Здесь отмелется, что основную роль в формировании чувствительности содержания метана и окиси углерода к увеличению углекислого газа, кроме звеньев, формирующих интегральный эффект петель непарниковой атмосфер»»!, играют звенья, определяющие влияние тропосферного и общего озона m гидрокенл. Определяющую роль в формировании реакции гидроксила на это возмущение ифает слияние на него общего озона. Чувствительность тропосферного озонакувели-че! и ы углекислого газа зависит только от одной петли системы, определяющей взаичоденс п>ие между тропосферным озоном и общим озоном, и одним путем, начинающимся с изменения стратосферного озона и проходящим через тропосферный шоп и общий озон, и не зависит от остальных взаимодействий в системе. Оцонка чун(:птгельносгитропос.ф«рпг>и концентрации метана, окиси углерода, тропосферного озона и гидроксила к увеличению антропогенных источников метана показала, что среди этих примесей концентрация озона наименее чувствительна к увеличению интенсивности антропогенных источников метана и что ни один из приведенных коэффициентов чувствительности не зависят от элементов системы, описывающих парниковую атмосферу, и, следовательно.

тменение интенсивности гсмимодеиствия парниковых газов отемч^рэтурои не влияет на чувств.! гтелытостьэлемептоп систсмикуволт^ниюа^гроиоиеннмх источников метана. Полученная чувствительность а тмос^-српого метана к росту его антропогенных источников и наблюдаемый тренд его тропосферной кощсмтрэцнп, около I" в год, гтродполлпптг рост общего нагтем1югт> источник!« метала со скоростью около 1.15л п год /1ля сравнения, в атом нгргн рас|«?, на основа пни статистических сведений, пророднтся анализ тенденций рост?.антромо-тп1ых источников метана и общего его источника при предположении о неизменности естественной его части. Получено, что наземный источник метана ежегодно увеличивается со скоростью 117"'. Хорошее согласие этого результата с оценкой выше, подтверждает сделанный вмг.од о г.ысокой чувствительности тропоферного метана к возмущению его антропогенных источников. 1$ этом иарафафе обсуждается рользве!¡а, отвечающего за влияние температуры на. тропосферный метан через интенсификацию потока метана, с переувлажненных территории. Указано, что случай 12$ * по-сравнению со случаем - 0, (¡юркшрует дополтггяльмыд значимые путывопдонстг.ня с положительным эффектом температуры на метан и окись углерода при потеплении климата, и идентичен случаю 82в = Одля остальных перемет п,1х системы.

Г) выводах суммируются результаты аналта чувств! гтелыюеш элемаггов спетемы к шмеиению климата и к антропогенны источникам метана, В заключении формулируются основные результаты работы-(I). Представлен фаф рассматриваемых системных взаимодействий в глобальном цикле метана между переменшми: метан, радикал гндрокелла, окись углерода, тропосферный и стратосферный озон, водяной пар, температура и общее содержание озона в столбе атмосферы. Псе связи в системе были оценены в соответствии существующими экспериментальными и модельными данными. Проверена адекватность системы на воспроизведение чувствительности ее переменных к удвоен! по содержа кия углекислого газа в атмосфере сравнением полученных результатов с данными других модельных исследований. (2). Представлена модель трансформации органического вещес тва почвы в метан в заг.нгп(мости о г температуры, использование которой позволило оцепить глобальный поток метала от переувлажненных террптормйземной поверхности и

влияние изменения температуры на (вменение тропосферной концентрации метана, задаваемого структурным коэффициентом системы {2в -

(3). Обоа ювдна и проиллгастрнрова) и возможность приме) 1ашя метода причинно-следственного анализа к задачам атмосферной фотохимии. Цоказано, что к основным пре1!муществам метода причинно-следственного шилша относится возможность визуализации моделируемых взаимодействий. Простые правила причинного а нал! оа. позволяют рассчитывать эффекты обратных связей в л! шейных системах, количественно оценивать чувствительность систем к г.истннм воздействиям, и определять роль в этой чувствительности каждого из звеньев, составляющих систему.

(4). Подчеркнуто, что интегральный (или общий) эффект петель системы Б не зависит от внешних возмущений и является характеристикой только ы (утренней структуры системы. Показано, что чем ближезначение Б к нулю, тем система требует более высокий порядок точности ее параметров. Доказывается, что й = (-1)" (1еЦА)гдеп - это порядок алгебраической системы с квадратней матрицей А и число узлов графической системы с интегральным эффектом петель О, том oa.Mi.iM повволяя коитролирювать результаты по аппроксимации интегрального эффекта петель, через основные петли системы.

(5). С помощью метода причинно-следственного анализа проведены расчеты эффектов всех петель и интегрального эффекта системы, формируемых взаимодействием ее элементов. Получено, что с увеличением вклада метана и окиси углерода в сток гидрокси ла положительная обратная связь "тешература- водяной пар' уменьшает значение интегрального эффекта, тем самым потенцнально увеличивая чувствительность тропосферы к внешним воздействиям, а отрицатель) ия об ран 1ая связь "тропосфер! 1ый озо) I - обц! и! озо) 1" у ве л 11 ч нвает знач ение интегрального эффекта, тем самый потенциально уменьшая чувствительность тропосферы к внешним воздействиям. Положительная обратная связь "температура -переувлажненныетерриторийнеиграет важной роли в формировании интегрального эффекта петел, системы.

(Ы. С помощью методапричишю-следственного анализа оцепенены эффекты всех путей воздействия (вменения интенсивности антропогенных источников метала и удвоения СС^на переменные системы и получены оценки коэффициентов

чувствительности переменных рассматриваемой системы к этим возмущениям через основные ее элементы. Получено, что основную роль в формировании чувствительности содержания метана и окиси углерода к увеличению содержания углекислого газа играет путь, проходящий через общий езонн тдроксил, чтоокись углерода сильнее редп.'рует на увеличение содержания углекислого газа п сравнении с метаном. Чувствительность тропосферного озона к увеличению содержания углекислого газа зависит только от взаимодействия между тропосферным озоном и общим озоном. Чувствительность содержания метана, на увеличение его антропогенных источников обуславливается только взаимодействием между окисью углерода и радикалом шдроксила. Изменение тгтеисивности зз ал модем стен я парниковых газов с температурой (связи типа газ (водяной пар, озон или метан) <=-- температура) не влияет на чувствительность элементов системы к увеличению антропогенных источников метана. Для окиси углерода найден значимый путь ее влияния на температуру атмосферы (через гидроксил и метан), который делает ее косвенно парниковым газом.

(7). С помощью метода причинно-следственного анализа определена роль влияния температуры на тропосферный метан через увеличение потока метана с переувлажненных территорий. Получено, что это звено формирует дополнительные значимые с положительным эффектом пути воздействия изменения климата на содержание метана и окиси углерода. Для метана это означает, что при £26 * О уменьшается значимость Для атмосферы отрицательной обратной связи "увеличение температуры - • увеличение содержания гидроксила -> уменьшение содержания метана -> уменьшение парникового аффекта". Для гидроксила путь, проходящий через звено i 26, создает слабый отрицательный эффект на увеличение содержания 011 в результате парникового потеплетя. Звеносистемы {20 не играет значимой роли в формировании чувсггиггелъности системы к увеличению интенсивности а нтропогенных источ никое метана.

В Приложении Л доказывается. что Б = (-1)° det(A) где п - это порядок алгебра1Г1еской системы совпадающей с числом умов графической систем.!; Д - это квадратная матрица алгебраической системы.

ВПриложенииЬ в виде таблиц приводится география путей воздействия внешних возмущении на переменные системы.

3. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

(1) Андропова II Г., Кароль ПЛ., (19US): Эволюция интенсивности источников атмосферного метана.. - 'Груды ПЧ), Bun. 49-1, с. 70-76.

i2i Андронова Н.Г.. (1986): Сценарии развития антропогенных источников малых газов атмосферы И монографии под ред. И.Л. Кароля: Радиационно-фотохи-мпческие модели атмосферы. Л, Гидрометеоиздат, с. 5-17.

(31 Андреи юваНГ., (isivui: Причинный анализ фотохимических взаимодействии.

АН СССР, серия ФАО, т. 26, № 2, с 150-157

I!) Andronova, N. G., (1990): The role of natural wetlands in the evolution of land sources of methane Eos, Transactions ofthe AGU, 71, n 43, A21B-3.

liii Андронова U Г. (1991): Роль переувлажненных территории и антропогенных источников в шпротном распределении потока СН4 в атмосферу. Метеорология и Гидрология, 8. с. 36-42.

(6) Andronova, N. G , and М. Е. Schlesinger, (1991): The application of Cause-and-Effect analysis to mathematical models of geophysical phenomena: 1. Formulation and sensitivity analysis. J. Geophys. Res., 9G (D1), 941-946.

(7) Andronova, N. G., and M. E. Schlesinger, 1992: The application of Cause-and-Effect analysis to mathematical models of geophysical phenomena: 2. Stability analysis. J. Geophys. Res., 97, 5911-5919.

(8) Андронова II Г., Кароль И.Л. (1992j: Роль парникового аффекта атмосферы в антропогенной трансформации ее химического состава. Изв. АН СССР, серия ФАО, т. 28, С 4, с. 361-369.

(9) Andronova N. G., and I. L. Karol (1993): The contribution of USSR sources to the global methane flux from the earth. Chemosphere, v. 26, No. 1-4, pp. 111-

(10) Andronova, N. G., I. L. Karol and M. E. Schlesinger (1993): Cause-and-Et'fcot Analysis of the photochemical interactions of CH4, CO, O j, and OH in the global troposphere. Chemosphere,v. 26, No. 1-4, pp. 647-674.

12G.

V

P т п. Г Г''0 Л 9.0 . 9 3. о я Л 32. Т. ГОС;. Ее с п л ч т н о