Введение к работе
Актуальность темы. Ч последние годы значительно возрос интерес к исследованиям глобального круговорота"углерода. Вызвано это беспрецедентным ростом концентрации углекислого газа в атмосфере и возможными климатическими последствиями данного проиесса. Как отмечалось в многочисленных исследованиях (Бах, ItbO; Ьудыко,IS72; ііанабе, ItbC), при удвоении концентрации СОр в атмосфере, которое отадается уже в 2030-2С5С гг, может произойти увеличение средней планетарной температуры воздуха нэ 1.5 - 4.5 С. Глобальное потепление способно привести к повышению уровня океана, существенно изменить гидрологический режим и, таким образом, оказать огромное влияние нэ климат, глобальные экосистемы, сельское хозяйство, водные ресурсы.
Прогнозы дальнейших изменений содержания СО^ в атмосфере является сложной междисциплинарной проблемой, одним из центральных звеньев которой является исследование механизмов и интенсивности переноса углерода в системе резервуаров подвижного фонда (атмосфера - океан - биота).
Поверхностные воды океана находятся в состоянии, близком к равновесию с атмосферой и способны активно взаимодействовать с ней. В связи с этим безусловно актуальными являются опенки способности океана поглощать дополнительные антропогенные выбросы углерода, времени релаксации резервуаров подвижного фонда углерода при интенсивных выбросах СО?. Важным является также выяснение роли состояния поверхности раздела вода - воздух на скорость переноса газа между контактирующими резервуарами.
Поток СОп через водную поверхность определяется помимо градиента концентрации на границе раздела целым комплексом физико-химических факторов: скоростью ветра, характером волнения, обрушением волн, образованием пузырьков в толще воды и брызг над поверхностью, наличием на границе раздела пенных образований, поверхностно-активных веществ. Поскольку проведение натурных измерений наталкивается зачастую на значительные сложности технического и методического характера, представляется весьма продуктивным изучение указанных механизмов переноса в условиях лабораторного эксперимента .
Результаты проведенных ранее работ по лабораторному моделированию процессов газообмена, а также определению скорости газо-/- /5(
переноса в натурных условиях весьма противоречивы. Эпизодичность прямых определений скорости обмена и различие в методиках ее расчета по косвенным параметрам в натурных и лабораторных условиях затрудняют анализ полученных результатов и определение вклада различных механизмов переноса. Слабо изучены вопросы о влиянии характера волнения, интенсивности обрушения волн, наличия на поверхности пены на обмен СО^.
Цель работы. Целью данной работы является экспериментальное изучение процессов газообмена при различных состояниях поверхности раздела вода - воздух, определение реакции системы атмосфера-океан - биосфера на характер обмена С0У через границу вода -воздух.
Основные задачи исследования:
провести экспериментальное исследование процессов газообмена между водой и воздухом в аэрогидроканале при различных условиях ветрового воздействия и характера волнения;
провести измерения компонентов карбонатной системы в реальных морских акваториях (Каспийское море), а также расчеты потоков ОС, в системе море - атмосфера на основе результатов лабораторного моделирования;
создать экспериментальную установку для исследования переноса CG-) через границу раздела при наличии на водной поверхности пенных пленок (в отсутствие ветрового воздействия);
провести экспериментальное исследование в аэрогидроканале влияния обрушения волн, образования брызг, пузырьков и пены на интенсивность газопереноса;
провести математическое моделирование реакции системы атмосфера - океан - биосфера на изменение интенсивности переноса ССо через границу вода - воздух в условиях интенсивных антропогенных выбросов углекислого газа.
Научная новизна. Впервые на основании экспериментальных результатов исследован характер зависимости скорости газообмена от параметров волнения для широкого диапазона скорости ветра. Показано, что переход от гравитационно-капиллярного волнения к гравитационным волнам сопровождается существенным изменением величины скорости газообмена. Полученные экспериментальные резуль таты позволили провести опенки потоков СС9 в системе море - ат-
мосфера для обширных прибрежных акваторий Каспийского моря. При этом было проведено подробное и тщательное измерение элементов карбонатной системы в указанных районах, их пространственная, и _... временная-изменчивость. Впервые былг экспериментально исследована интенсивность газообмена через границу вода - воздух не только при наличии брызг над поверхностью и пузырьков в толще воды, но и при образовании полосовой пень; различной мощности. Показано, что пена на поверхности так же, как брызги и пузырьки усиливает скорость газопереноса, причем рост толщины пенного покрова увеличивает интенсивность газообмена.
Научно-практическая ценность. Экспериментальные результаты работы важны для понимания процессов и механизмов, обеспечивающих перенос ООо через границу вода - воздух при различных состояниях поверхности раздела. Полученные выводы могут быть использованы при практических расчетах интенсивности газообмена и суммарных потоков CO., между резервуарами углеродного цикла. Результаты экспериментальных и теоретических исследований интенсивности переноса ССо представляют безусловный интерес при изучении реакции резервуаров подвижного фонда на антропогенные выбросы углекислого газа.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на lii Всесоюзном симпозиуме "Физические основы теории климата", (г.Обнинск, КЬ7 г.), школе - семинаре молодых ученых "Современные проблемы естествознания. Прикладные вопросы неравновесной термодинамики и тепло- и массообмена" (Краснодар. К'9С г.), научных семинарах кафедры физики моря и вод суши физического факультета І.іГ'У, семинарах лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета ЖУ.
По тема диссертации опубликовано 5 научных работ.
Нэ защиту выносятся следующие положения:
I. Интенсивность переноса СО^.через границу раздела вода -воздух зависит помимо скорости воздушного потока от параметров волнения. Скорость эвазии углекислого газа из воды в воздух при наличии на поверхности гравитационных волн возрастает в 2 -4 раза по сравнению с интенсивностью газопереноса в случае гррвиташонно-капиллярных волн на поверхности при одних и тех 'вд скоростях ветра.
2. На интенсивность переноса СО- через поверхность раздела
г- /ли
_ 4 -
вода - воздух в штормовых условиях значительное влияние оказывают не только брызги и пузырьки, но и устойчивые пенные образования типа полосовой пены. Б условиях ветроволнового перемешивания пена на поверхности способна увеличить газообмен на 25 - 30%. Рост толщины пенного слоя на поверхности приводит к интенсификации газопереноса.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 171 страниц текста, включая 43рисунков и 4 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 2,0:7назЕэний.