1. Актуальность исследования

В настоящее время серьезную озабоченность вызывают возможные последствия парникового эффекта, влияние которого на планету постоянно возрастает [1]. Основная роль в парниковом эффекте отводится атмосферным парниковым газам. Парниковые газы по их влиянию на температуру планеты можно выстроить в следующем порядке: двууглекислый газ, метан, фреоны и т.д.. Влияние метана в настоящее время составляет примерно 30% от влияния СО₂. Каждый процент прироста содержания метана в атмосфере вызывает в ~25 раз больший эффект, чем 1% прироста СО₂. Поэтому к источникам метана приковано внимание ученых – экологов, так как понимание природы источников позволяет надеяться на их регулирование. Основных источников метана – три (в порядке иерархии): водоемы (болота, озера и т.д.), крупный рогатый скот и рисовые поля. Эти источники ответственны примерно за 60 % поступления метана в атмосферу. Наиболее сложным из источников для его теоретического описания являются водоемы. Эмиссия метана из осадков водоемов происходит тремя путями: посредством молекулярной диффузии, пузырьками и через растения. Так как наряду с эмиссией в водоемах существует потребление метана метанотрофными бактериями, то для результирующего выделения метана не безразличен механизм транспорта метана. С другой стороны создание теории эмиссии позволяет объяснить различные экспериментальные данные, которые остались необъясненными ввиду отсутствия теории. Однако несмотря на существование довольно солидных по объему трудов, [2], не найдено подходов к решению задачи о транспорте метана и других газов в осадках. С другой стороны, решение задачи имеет и более общее физико-химическое значение, например, для реакторов с выделением газов в результате химических реакций. Установление механизмов эмиссии метана из водоемов позволит оценить их вклад в эмиссию в настоящем и в будущем.

1. К.Я.Кондратьев, К.С.Демирчян "Климат Земли и протокол Киото", Вестник РАН, т.71,
№ 11, с. 1002-1009 (2001)

2. Boudreau Bernard P., "Diagenetic Models and Theier Implementation. Modelling Transport and
Reaction in Aquatic sediments" Springer Verlag, 1997 –414 p.

2. Новизна используемого подхода.

В результате проведенной работы удалось написать нелинейные дифференциальные уравнения, описывающие диффузионную подвижность газов в присутствии пузырей. Ранее делались попытки в этом направлении, но они сводились к введению эффективных коэффициентов диффузии [1]. В нашей работе мы исходили из первых принципов физической химии и не использовали ни одного подгоночного параметра.

1. Kipphut G.W., Martens, Biogeochemical cycling in organic-rich coastal merine basin 3.
Dissloved gas transport in methane saturatuted sediments, Geochimica and Cosmochimica
Acta 46, 2049-2060, 1982.
 

  3. Полученные результаты и их значимость.

Развита теория транспорта метана, азота и других атмосферных газов в осадочных (активных) слоях болот и озер, а также в почве рисовых полей. Для этого выведены нелинейные дифференциальные уравнения для описания диффузионной подвижности растворенных в осадках газов в присутствии пузырей. Проведено сравнение теории с экспериментальными данными и показано удовлетворительное согласие между ними. Теория развита на основе первых принципов физической химии и не использует подгоночных параметров. В ней используются только растворимость газовых молекул, коэффициент диффузии и скорость генерации генерации газа внутри осадочного слоя. Все величины могут зависеть от глубины. В теории применяются безразмерные координаты, которые позволяют резко сократить многообразие рассматриваемых ситуаций за счет масштабирования. В качестве модели, приближенной к экспериментальным условиям, используется представление об экспоненциальном затухании скорости генерации метана с глубиной. Показано, что эта модель позволяет описать большинство экспериментальных данных. Известно, что пузыри образуются на некоторой глубине в активном слое. Это связано с расходованием кислорода в верхней части активного слоя Положение верхней границы образования пузырьков позволяет оценивать скорость генерации метана. Скорость генерации метана можно оценивать и из глубины, при которой концентрация метана равна половине от концентрации на большой глубине. Параметр масштабирования можно найти, изучая зависимость концентрации метана от глубины, состав пузырьков. Найдена теоретическая зависимость, связывающая интенсивность пузырькового потока с содержанием метана в пузырях. Рассмотрен вопрос о влиянии растительности на концентрации растворенного метана и на его потоки. Показано, что теория и эксперимент согласуются между собой.

4. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Впервые удалось создать адекватную физико-химическую модель транспорта растворенных газов в осадочных слоях водоемов, которая позволила описать экспериментальные данные.

Участие в конференциях:
Устные доклады на семинарах и конференциях:
1. Теория эмиссии метана из осадочных слоев.
    Семинар университета г. Неушатель, Швейцария, апрель 2001
2. Теория эмиссии метана из осадочных слоев.
    Международная конференция "Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и   настоящее." Август 2001, Ноябрьск, Россия.
3. Физико-химическая модель эмиссии метана из донных отложений.
   39 Конгресс ИЮПАК, Оттава, август 2003, Канада.
4. Эмиссия метана из влажных почв.
    Семинар по эмиссии метана. Институт почв, Китай, Нанкин. Апрель 2004
5. Эмиссия метана  из болот и озер.
    Семинар по эмиссии метана. Центр экологических исследований, Пекин, Китай. Апрель 2004
6. Теория эмиссия метана из природных источников.
    Мемориальный семинар, посвященный 65 летию со дня рождения К.И.Замараева, Новосибирск. Май 2004.
7. Теория эмиссия метана из влажных почв.
    Международная конференция по измерениям и моделированию окружающей среды. Томск, Июль 2004.
8. Эмиссия метана из болот.
   Третья научная школа "Болота и биосфера", Томск. Сентябрь 2004.

Список прилагаемых статей.
1. Bazhin N.M.,
Gas transport in a residual layer of a water basin, Chemosphere Global Change Science, 3, 33-40, 2001.

2. Bazhin N.M.,
Theoretical consideration of methane emission from sediments,Chemosphere, 50, 191-200, 2003.

3. Bazhin N.M.,
Influence of plants on the methane emission from sediments, Chemosphere, 54, 209-215, 2004