Газопроницаемость морского льда

1
ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ МОРСКОГО ЛЬДА МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПОТОКОВ.
Р.С. Бортковский.
Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова.
rsb@main.mgo.rssi.ru
2
•
ВВЕДЕНИЕ
•
Наблюдаемые изменения ледового режима полярных морей вызывают
повышенный интерес к балансу парниковых газов и кислорода в
Арктике и Антарктике. Натурные измерения более 30 лет назад
показали, что морской лед хорошо пропускает углекислый газ [1, 2], но
мнение о непроницаемости морского льда для газов распространено до
сих пор [3].
Моделируется газоперенос через лед и при росте его толщины, и при
стаивании. Процессы во льду и в подледном слое воды в эти сезоны
существенно различаются. Нарастание льда происходит, в основном, на
его нижней поверхности, стаивание идет и сверху и снизу. При
нарастании льда из него вытекает рассол, и в толще льда остаются
полости, заполненные рассолом и воздухом. При таянии под лед
просачивается пресная вода. В этот период лед оказывается почти
пресным, распресняется и подледный слой моря.
•
3
•
•
Подходы к моделированию и анализу режимов нарастания и таяния
льда почти одинаковы. Численно решается система уравнений
движения, баланса тепла, соли и кинетической энергии
турбулентности. Различаются лишь начальные профили параметров
структуры верхнего квазиоднородного слоя моря и функции
источников-стоков, входящие в уравнения системы. Решение системы
определяет турбулентный перенос субстанций подо льдом,
в
частности, газоперенос.
Ледовый покров - структура, состоящая из пресного льда и каналов,
заполненных газом, либо жидкостью. Фикковская диффузия газов
через морской лед находится с использованием коэффициента
обмена, зависящего от температуры, солености и порозности льда.
4
•
•
•
•
•
•
•
•
Литература
1. Gosink T.A., et al., Nature, v. 263, pp. 41-42, 1976.
2. Kelley J. J., Gosink T.A., Rep. No 14-760331, Inst. Marine Sci.,
Univ. of Alaska, 1979.
3. Ваtes N.R., et al., Geophys. Res. Letters, v. 33, 2006.
4. Бортковский Р.С., ФАО, № 4, 2012.
5.Masaaki Wakatsuchi, Hokkaido Institute of Low Temperature
Science, 1983.
6.Wanninkhof R., J. G. R., V. 97, NO. C5, 1992
7. Semiletov I.., et al., Geophys. Res. Letters, v.31, 2004
5
СВОЙСТВА МОРСКОГО ЛЬДА
Ото льда, образующегося при замерзании пресной воды,
морской лед отличается наличием множества пор,
заполненных либо жидкостью, - рассолом, либо воздухом.
Газопроницаемость пор заметно превышает проницаемость
сплошного, лишенного пор, льда.
•Поры, расположенные на одной вертикали, соединяются друг с
другом, образуя канал, пронизывающий морской лед сверху
донизу. Распределение пор, заполненных рассолом и газом, во
льду по горизонтали неоднородно – в их вытянутых скоплениях
концентрация пор значительно выше, чем во льду в среднем.
6
Вид вертикального разреза морского льда
с полостями, заполненными рассолом и
воздухом (Kovach, 1996)
Микроструктура
однолетнего льда
•(Light et al., 2003)
7
ГАЗОПЕРЕНОС ЧЕРЕЗ ЛЕД
Поток газа через лед определяется как фикковская диффузия через
твердую пластину:
F= -KD(CH –C0)/H
где F – поток, KD - коэффициент газообмена (диффузии), CH и C0 –
концентрации газа на нижней и на верхней поверхностях пластины, H –
толщина пластины. Диффузия газа происходит, в основном, через
полости, заполненные рассолом или газом. Коэффициент диффузии
записывается в форме, [4],
KD=(1-VG –VB)KF+VBKB+VGKG
где VG , VB - относительный объем полостей, заполненных газом и
рассолом, KF, KB, KG - коэффициенты диффузии через пресный
сплошной лед, рассол и газ, соответственно.
8
Зависимости относительных объемов рассола VB и газа VG от средних (по
толщине) температуры и солености льда хорошо известны. Средняя
температура льда находилась как полусумма температуры воздуха у
поверхности льда и температуры замерзания воды у нижней поверхности
льда. Коэффициенты диффузии кислорода и СО2 в воде и в воздухе
при различной температуре приведены во многих источниках.
9
Получены выражения, определяющие коэффициенты диффузии
кислорода и СО2 через морской лед при его известной температуре и
солености [4].
Относительный объем рассола в морском льду, %о, аппроксимирован
выражением
Vb=19.37+38.18SI0.91TI-0.69
а полная порозность определяется как функция Vb:
PF=17.852+0.917Vb
Основные трудности при определении диффузии газов через
морской лед связаны с недостатком экспериментальных данных.
10
МОДЕЛЬ ГАЗООБМЕНА В ВЕРХНЕМ СЛОЕ ОКЕАНА
При моделировании структуры верхнего 200-м слоя океана (ВСО)
методом прогонки реализуется численное решение системы уравнений
ВСО. Система описывает нестационарный процесс, адаптирующийся к
граничным условиям.
Показано, что неучет горизонтальной неоднородности при
определении вертикальных турбулентных потоков в ВСО, как правило, не
приводит к заметным погрешностям. Учитывается плотностная
стратификация ВСО, в частности, условия свободной конвекции.
Присутствие льда учитывалось при задании начальных профилей всех
элементов структуры ВСО.
11
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Рассмотрены условия в центральной части Чукотского моря (74ос.ш.,
166оз.д.) как в период появления и роста льда, так и в период таяния.
Вертикальные профили температуры воды, солёности, содержания
кислорода, скорости и направления ветра как начальные условия взяты из
электронного
атласа
(http://data.oceaninfo.info/atlas/`Chyk/1-1.html.).
Вертикальные профили концентрации СО2 основаны на вычислениях по
данным ААНИИ-ЕСИМО о профилях рН и щелочности морской воды.
При росте льда рассматривалось воздействие на структуру подледного
слоя дренажа рассола, при таянии – стока талой воды с верхней и нижней
поверхностей льда. Профили составляющих скорости течения
определялись по формулам Экмана.
12
.
Определялся диффузионный поток СО2 и кислорода через лед, а на
основе численного решения системы уравнений, описывающей структуру
ВСО, находился турбулентный перенос газов в подледном слое воды.
Направление диффузионного потока через лед определяется знаком
разности между парциальным давлением газа в атмосфере и его
насыщающим давлением подо льдом. Направление турбулентного потока
в воде зависит от знака вертикального градиента концентрации газа в воде.
Направления диффузионного и турбулентного потоков могут не совпадать.
Газоперенос через морскую поверхность при отсутствии льда оценивался
по широко применяемой методике [6].
13
Средние по месяцам толщины льда, потоки
кислорода и СО2 через лед, г/(см2 с)
Жирный курсив – режим таяния
Месяц
толщ. льда, см
О2 х 108
СО2 х1011
1
56
0.80
0.60
2
60
0.76
0.55
3
62
0.74
0.50
4
64
0.72
0.49
5
66
0.70
0.47
6
56
0.81
-1.10
7
35
1.80
-2.50
8
21
4.10
-5.55
9
16
6.00
-7.16
10
22
4.90
2.50
11
28
4.80
2.48
12
32
4.70
2.30
14
Отношение переноса СО2 через лед к переносу через водную
поверхность, % (красная кривая), и толщина льда, см (синяя)
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
месяцы
15
Показано, что поток СО2 через лед толщиной 15 см составляет более 30%
величины потока газа через морскую поверхность, свободную ото льда.
Поток кислорода через такой лед оказывается даже больше, чем через
водную поверхность. Это объясняется тем, что поток через морскую
поверхность сильно зависит от скорости ветра, и при слабом ветре
оказывается очень малым. Поток через лед определяется только
свойствами льда и перепадом концентрации газа между верхней и нижней
поверхностями льда.
Модули потоков через лед закономерно уменьшаются с ростом толщины
льда, видимая зависимость от толщины льда турбулентных потоков в воде
отсутствует. Это понятно – потоки через лед обратно пропорциональны его
толщине, а турбулентные потоки в воде определяются как произведение
коэффициента турбулентного обмена на градиент свойства. Коэффициенты
турбулентности в верхней части квазиоднородного слоя моря растут с
глубиной, градиенты газосодержания могут на разных уровнях иметь
разные знаки.
16
Полученные результаты характеризуют поступление газов из атмосферы в
море, т.е., инвазию, лишь турбулентный поток СО2 в воде направлен из
моря в атмосферу. Различие в направлении газопереносов в воде
определяется тем, что концентрация СО2 растет с глубиной, а кислорода –
убывает. Отмечено, что зимой концентрация СО2 подо льдом растет [7]. С
этим согласуются найденные выше направления газопереноса:
диффузионный, во льду, направлен в море, турбулентный, в воде, - в
атмосферу.
17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе нахождения коэффициентов диффузии СО2 и кислорода через
морской лед, и с использованием численной модели верхнего
квазиоднородного слоя океана, получены оценки потоков этих газов, как в
самом ледовом покрове моря, так и в прилегающем к нижней поверхности
льда слое воды.
Показано, что газоперенос через лед оказывается не всегда пренебрежимо
малым по сравнению с газопереносом через свободную ото льда морскую
поверхность, а при малой толщине льда и малой средней скорости ветра
первый может даже превосходить второй.
Установлено, что направления потоков в воде и во льду могут быть
противоположными, что определяется различиями знаков градиентов
концентрации газов в подледном слое воды и во льду.
18
•
•
•
•
•
•
•
•
Литература
1. Gosink T.A., et al., Nature, v. 263, pp. 41-42, 1976.
2. Kelley J. J., Gosink T.A., Rep. No 14-760331, Inst. Marine Sci.,
Univ. of Alaska, 1979.
3. Ваtes N.R., et al., Geophys. Res. Letters, v. 33, 2006.
4. Бортковский Р.С., ФАО, № 4, 2012.
5.Masaaki Wakatsuchi, Hokkaido Institute of Low Temperature
Science, 1983.
6.Wanninkhof R., J. G. R., V. 97, NO. C5, 1992
7. Semiletov I.., et al., Geophys. Res. Letters, v.31, 2004
19
•
Спасибо за внимание!
20