eng
Выпуск #4/2023
Г. И. Долгих, М. А. Бовсун; С. Г. Долгих, В. А. Чупин, А. В. Яцук
Аппаратно-программный комплекс для исследования мелкомасштабных вариаций парниковых газов
Аппаратно-программный комплекс для исследования мелкомасштабных вариаций парниковых газов
Просмотры: 801
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.4.294.306
Для изучения природы вариаций парниковых газов создан аппаратно-программный комплекс, состоящий из 52,5‑метрового лазерного деформографа, 17,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и мобильной лаборатории НИС «Профессор Гагаринский», состоящей из атмохимического измерительного комплекса (газоанализатор Picarro), комплекса метеорологических приборов на верхней палубе мостика, судовой газоаналитической лаборатории и проточной судовой системы. При обработке экспериментальных данных по вариациям деформаций верхнего слоя земной коры и вариациям атмосферного давления на м. Шульца, а также при анализе вариаций метана, углекислого газа и паров воды в приводной атмосфере на шельфе Японского моря на удалении около 2 км от м. Шульца установлены общие закономерности в поведении изучаемых параметров верхнего слоя земной коры и приводного слоя атмосферы в инфрагравитационном диапазоне. Выделены общие мощные колебания с периодами от 7 мин 59,1 с до 7 мин 45,5 с, 28 мин 28,8 с, от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1, с первоисточник которых может быть связан как с атмосферными процессами, так и с основным (радиальным) тоном собственных колебаний Земли 0S0.
Для изучения природы вариаций парниковых газов создан аппаратно-программный комплекс, состоящий из 52,5‑метрового лазерного деформографа, 17,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и мобильной лаборатории НИС «Профессор Гагаринский», состоящей из атмохимического измерительного комплекса (газоанализатор Picarro), комплекса метеорологических приборов на верхней палубе мостика, судовой газоаналитической лаборатории и проточной судовой системы. При обработке экспериментальных данных по вариациям деформаций верхнего слоя земной коры и вариациям атмосферного давления на м. Шульца, а также при анализе вариаций метана, углекислого газа и паров воды в приводной атмосфере на шельфе Японского моря на удалении около 2 км от м. Шульца установлены общие закономерности в поведении изучаемых параметров верхнего слоя земной коры и приводного слоя атмосферы в инфрагравитационном диапазоне. Выделены общие мощные колебания с периодами от 7 мин 59,1 с до 7 мин 45,5 с, 28 мин 28,8 с, от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1, с первоисточник которых может быть связан как с атмосферными процессами, так и с основным (радиальным) тоном собственных колебаний Земли 0S0.
Теги: atmospheric fluctuations atmospheric pressure carbon dioxide deformation of the earth’s crust hardware and software complex methane water vapor аппаратно-программный комплекс атмосферное давление деформация земной коры колебания атмосферы метан пары воды углекислый газ
Аппаратно-программный комплекс для исследования мелкомасштабных вариаций парниковых газов
Г. И. Долгих, М. А. Бовсун; С. Г. Долгих, В. А. Чупин, А. В. Яцук
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
Для изучения природы вариаций парниковых газов создан аппаратно-программный комплекс, состоящий из 52,5‑метрового лазерного деформографа, 17,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и мобильной лаборатории НИС «Профессор Гагаринский», состоящей из атмохимического измерительного комплекса (газоанализатор Picarro), комплекса метеорологических приборов на верхней палубе мостика, судовой газоаналитической лаборатории и проточной судовой системы. При обработке экспериментальных данных по вариациям деформаций верхнего слоя земной коры и вариациям атмосферного давления на м. Шульца, а также при анализе вариаций метана, углекислого газа и паров воды в приводной атмосфере на шельфе Японского моря на удалении около 2 км от м. Шульца установлены общие закономерности в поведении изучаемых параметров верхнего слоя земной коры и приводного слоя атмосферы в инфрагравитационном диапазоне. Выделены общие мощные колебания с периодами от 7 мин 59,1 с до 7 мин 45,5 с, 28 мин 28,8 с, от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1, с первоисточник которых может быть связан как с атмосферными процессами, так и с основным (радиальным) тоном собственных колебаний Земли 0S0.
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, деформация земной коры, атмосферное давление, метан, углекислый газ, пары воды, колебания атмосферы
Статья поступила: 30.03.2023
Статья принята: 18.05.2023
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время, особенно в последние двадцать лет, в широких кругах общественности, да и в научных кругах, муссируется проблема глобального изменения климата, связанного с повышением температуры, что, в свою очередь, приводит к деградации вечной мерзлоты, увеличению доли парниковых газов в атмосфере, к которым относятся метан и углекислый газ. В соответствии с работой [1] принято считать, что примерно 40% метана поступает в атмосферу из природных источников (болота, термиты и другие) и 60% приходятся на антропогенные источники (сельское хозяйство, энергетика и добыча горючих ископаемых, свалки и др.).
В данной статье мы не будем обсуждать проблемы глобального изменения климата и связанные с этим процессы, а обратим внимание только на проблему изучения мелкомасштабных вариаций концентрации в приводной атмосфере метана, углекислого газа и паров воды и выяснение природы данных вариаций. Для исследования природы этих вариаций необходимо создание комплекса, состоящего из установок, измеряющих вариации метана, углекислого газа и паров воды, а также установок, измеряющих вариации деформаций земной коры, колебаний атмосферного давления и метеостанций. Именно исследования, направленные на изучение природы колебаний вариаций вышеуказанных параметров, могут пролить свет на динамику более глобальных процессов, влияющих на концентрацию парниковых газов в атмосфере. Конечно, для исполнения замкнутого цикла выделения/поглощения парниковых газов необходимо привлечение химических, биологических и геодинамических процессов. Но без учёта солнечной составляющей эти исследования не имеют решающего значения, особенно при резких колебаниях температуры в холодный и теплый периоды наблюдений. При определенных условиях, даже без учета химических, биологических и геодинамических составляющих, может наблюдаться обратный процесс: вместо глобального потепления наступит глобальное похолодание. Но нас эти процессы в настоящее время не интересуют. Нас интересуют процессы значительно меньших временных масштабов и приборные комплексы, способные изучить влияние этих мелкомасштабных процессов на динамику парниковых газов.
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
Аппаратно-программный комплекс состоит из лазерно-интерференционных установок для измерения деформации земной коры и вариаций атмосферного давления, расположенных на м. Шульца, а также метеорологического оборудования и газоаналитического оборудования, расположенных на научно-исследовательском судне «Профессор Гагаринский». При проведении эксперимента НИС «Профессор Гагаринский» стояло на якоре на шельфе Японского моря в 1,8 км от места расположения лазерного деформографа (см. рис. 1).
Комплекс метеорологического оборудования, установленный на судне, состоит из метеокомплекса Vaisala Weather Transmitter WXT520 (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра, уровень осадков), радиометра Kipp&Zonen CNR4 Net Radiometer (общая, коротковолновая, длинноволновая, отраженная и эффективная радиация, альбедо и др. параметры), датчика фотосинтетической радиации LICOR LI190SB PAR Quantum Sensor (измерение фотосинтетической радиации (ФАР)), даталоггера CR1000, Campbell Scientific (коммутация всего метеорологического оборудования и запись в непрерывном режиме с 1 мин осреднением и сохранением на отдельный компьютер).
Газоаналитическое оборудование состоит из: газоанализатора Picarro G2311‑f для высокоточных непрерывных измерений углекислого газа, метана, паров воды в приводном слое атмосферы, хроматографического газового комплекса «КРИСТАЛЛЮКС 4000М» для дискретных измерений содержания метана, углеводородных газов, углекислого газа, азота, кислорода в атмосфере и толще морских вод.
Атмохимические измерения проведены с использованием лазерного анализатора Picarro G2311‑f (Picarro, США), основанного на системе WS-CRDS (Wave LengthScanned Ring Down Spectroscopy) – спектроскопия поглощения света в многопоточных неаксиальных кюветах при сканировании по длинам волн) [1–2]. Скорость измерения – 10 Гц. Диапазон измерений для СО2 составляет 300–500 ppm, а для СН4 соответственно составляет 1–3 ppm [2–3]. Анализатор способен в автоматическом режиме проводить коррекцию влияния воды на измерения и оценивает влияние спектральных интерференций. Калибровка прибора проводилась ежегодно в течение 2018–2022 гг., а также непосредственно до рейса с использованием сертифицированных газовых стандартов для СО2 в диапазоне 360–500 ppm и СН4 1–3 ppm.
Газоанализатор был размещен в лаборатории верхней палубы, снабжен вакуумным насосом для непрерывного покачивания забортного воздуха и оборудован воздухозаборными устройствами собственной разработки (рис. 2). Воздухозаборная камера анализатора располагалась на выносной штанге в передней части судна на высоте 10 м над уровнем моря.
В результате проведенных измерений получен массив непрерывных данных с частотой записи 10 Гц за 42 дня экспедиции. Все первичные данные отфильтровывались с учетом влияния выхлопных газов судна. Совместный анализ концентраций СО2, курса судна и направления ветра (истинное направление ветра) позволяет эффективно проводить подобную отбраковку данных. Далее весь массив данных усреднялся за 1 и 5 мин промежутки времени и совмещался с метеопараметрами.
На м. Шульца расположены лазерный нанобарограф, лазерные деформографы с длинами измерительных плеч 52,5 и 17,5 м (см. рис. 3). Лазерный нанобарограф создан на основе равноплечего интерферометра Майкельсона с использованием частотностабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot, обеспечивающего стабильность частоты в девятом знаке, блока анероидных коробок с зеркальным напылением, цифровой системы регистрации и блока передачи полученных экспериментальных данных в базу экспериментальных данных. Он имеет следующие технические характеристики: рабочий диапазон частот от 0 (условно) до 10 кГц, точность измерения вариаций атмосферного давления 50 мкПа [4].
На м. Шульца на глубине 3–5 м от поверхности земли смонтированы два лазерных деформографа неравноплечего типа. Один лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 52,5 м расположен под углом 18° относительно линии «север-юг», а другой лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 17,5 м расположен под углом 92° относительно лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 52,5 м. Все лазерные деформографы созданы на основе интерферометра Майкельсона неравноплечего типа с применением в качестве источника света частотностабилизированных гелий-неоновых лазеров со стабильностью частоты в 9–12 знаках. Это позволяет достичь следующих технических характеристик: точность измерения смещений участка земной коры – 10 пм, рабочий диапазон частот – от 0 (условно) до 1 000 Гц [5].
Недалеко от лабораторного помещения (поз. 3 на рис. 3) на мачте расположена метеостанция, измеряющая различные метеорологические параметры.
Все данные с измерительных систем м. Шульца в режиме реального времени заносятся на пишущий компьютер, где после предварительной обработки (фильтрация и децимация) заносятся в ранее созданную базу экспериментальных данных. Все данные «привязываются» к часам точного времени с помощью GPS TRIMBLE 5700, которые призваны обеспечить точность временных отсчётов на уровне не хуже 1 мкс.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Экспериментальные исследования проходили в различных погодных условиях, что приводило к некоторому искажению полученных экспериментальных данных, поэтому для обработки и анализа был выбран ограниченный ряд данных длительностью от 13 ч 50 мин 22 ноября до 3 ч 37 мин 29 ноября. На судне измерялись вариации концентрации метана, углекислого газа и паров воды, а на м. Шульца – деформации земной коры с помощью лазерных деформографов и вариации атмосферного давления с помощью лазерного измерителя вариаций гидросферного давления. На рис. 4 приведены почти синхронные экспериментальные данные по вариациям концентрации метана, углекислого газа, паров воды, микродеформаций земной коры, измеренные 17,5‑метровым лазерным деформографом, и вариаций атмосферного давления, измеренные на м. Шульца лазерным нанобарографом.
При визуальном осмотре данных графиков можно отметить, что в записях вариаций концентрации углекислого газа есть много аномальных выбросов, которые могут быть связаны с влиянием жизнедеятельности на судне, вариации паров воды и деформации верхнего слоя земной коры плохо коррелируют с вариациями других параметров. В поведении вариаций атмосферного давления и вариаций концентрации метана наблюдаются почти синхронное аномальное поведение. Резкое изменение атмосферного давления коррелирует с резким пиком метана. При резком изменении атмосферного давления около 6 700 Па величина импульса пика метана составила 0,19 ppm, что почти в 4 раза больше фонового значения. Можно тоже отметить, что эти резкие повышения концентрации метана и скачок атмосферного давления коррелирует с резким уменьшением влажности около 25%.
Далее проанализируем изменения помещенных на рис. 4 параметров в инфрагравитационном диапазоне частот, т. е. в диапазоне периодов от 1 до 50 мин. Проанализируем поведение колебаний в различных диапазонах периодов. В диапазоне периодов от 1 до 10 мин в начальный период наблюдения (22 ноября) при спектральной обработке лазерных деформографов и лазерного нанобарографа наблюдаются мощные спектральные составляющие на периоде 7 мин 59,1 с, который иногда понижается до периода 7 мин 52,6 с и 7 мин 45,5 с. В качестве характерного примера на рис. 5 приведены спектры, полученные при обработке синхронных записей лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 52,5 м, лазерного нанобарографа и лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 17,5 м. На спектре, полученном при обработке записи 52,5‑метрового лазерного деформографа, первый пик соответствует периоду 7 мин 59,1 с, хотя максимальным является пик с периодом 6 мин 55,1 с. На спектре, полученном при обработке записи лазерного нанобарографа, выделяется максимальный пик с периодом 7 мин 59,1 с. На спектре, полученном при обработке записи 17,5‑метрового лазерного деформографа, наблюдается максимальный пик с периодом 9 мин 28,9 с, а второй по величине пик относится к периоду 7 мин 59,1 с. При сравнении полученных спектров, приведенных на рис. 5, можно утверждать, что все три прибора, расположенные на м. Шульца, зарегистрировали колебания с периодом около 7 мин 59,1 с. Хотя, как говорилось выше, величина периода данных колебаний со временем изменяется в некоторых пределах, что может быть связано как с естественными природными процессами, например с явлением неизохронизма, так и с эффектом обработки, когда более низкочастотные процессы большой амплитуды, да и тренды, могли оказать влияние на точное определение периодов указанных колебаний.
Ближе к концу эксперимента (28 ноября) мощные спектральные составляющие в этом диапазоне периодов наблюдались не на м. Шульца, а в районе размещения НИС «Профессор Гагаринский». На рис. 6 приведены спектры, полученные при обработке синхронных участков записей по вариациям концентраций метана, углекислого газа и паров воды, где выделяются мощные спектральные составляющие на периодах 7 мин 45,5 с, 7 мин 38,5 с и 7 мин 38,5 с, соответственно. В этот же период наблюдения в этом диапазоне периодов из записей лазерных деформографов и лазерного нанобарографа выделяются пики на периоде 8 мин 40,7 с. Непонятная такая трансформация периодов колебаний. Получается, что колебания с более высокочастотными периодами в течение нескольких суток были вытеснены более низкочастотными процессами с территории м. Шульца. Как видно из графиков 6а, 6b и 6c везде выделяется мощный пик с периодом около 7 мин 45,5 с и 7 мин 38,5 с. Учитывая то, что при обработке ряда длительностью 512 точек и при частоте дискретизации 0,016(6) Гц в спектре, полученном на основе быстрого преобразования Фурье, гармоники с периодами 7 мин 45,5 с и 7 мин 38,5 с находятся рядом, то можно утверждать, что это один и тот же пик, относящийся к одному и тому же природному процессу. Учитывая это обстоятельство, а также графики, приведенные на рис. 5, можно предположить, что данные колебания вариаций деформаций верхнего слоя земной коры на м. Шульца, колебания атмосферного давления на м. Шульца, а также колебания концентрации метана, углекислого газа и паров воды в море, в нескольких километрах от м. Шульца, вызваны одними и теми же процессами, которые, скорее всего, можно приписать атмосферным колебаниям инфрагравитационного диапазона. Можно, тем не менее, отметить, что не всегда данные колебания наблюдаются одновременно на установках, расположенных в одном месте. Так, на рис. 7 приведены спектры, полученные при обработке синхронных записей концентрации метана, углекислого газа и паров воды. При сравнении графиков, приведенных на рис. 7а и 7b, наблюдается мощный пик с периодом 7 мин 45,5 с, но на графике концентрации паров воды нет такого пика, а пик наблюдается на периоде 6 мин 44,2 с. Т.е. не всегда инфрагравитационные колебания вызывают синхронно соответствующие колебания измеряемых параметров геосфер.
Рассмотрим далее более низкочастотные диапазоны. В диапазоне периодов от 10 до 20 мин можно выделить колебания на периодах 18 мин 17,1 с в записях 52,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и концентраций углекислого газа, 17 мин 39,1 с в записях в основном концентраций метана, а концентраций углекислого газа, паров волы и вариаций атмосферного давления на м. Шульца иногда, 17 мин 04,0 с в записях лазерного нанобарографа и паров воды, В диапазоне периодов 20–30 мин выделяются мощные пики на максимуме, соответствующем периоду, 20 мин 28,8 с. Эти пики выделяются при обработке записей обоих лазерных деформографов и лазерного нанобарографа, большие пики с этим периодом выделяются при обработке записей концентрации паров воды. Можно отметить и близлежащие максимумы с периодами 21 мин 19,1 с, которые наблюдаются в отдельные промежутки времени на спектрах, выделенных при обработке записей 52,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа, записей концентрации метана и углекислого газа. Колебания с периодом 25 мин 35,1 с выделяются из записей лазерных деформографов лазерного нанобарографа и паров воды. Колебания с периодом 28 мин 26,7 с выделяются из записей лазерных деформографов, лазерного нанобарографа, концентраций метана, углекислого газа и паров воды. В более низкочастотном диапазоне при обработке записей всех приборов выделяется максимум с «гуляющим» периодом от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1 с, которые обнаруживаются как в спектрах концентраций метана, углекислого газа и паров воды, так и в спектрах записей лазерных деформографов и лазерного нанобарографа. При этом в спектрах концентраций метана, углекислого газа и паров воды их интенсивность заметно большая, см., например, рис. 8. Для спектров, полученных при обработке данных концентраций метана и паров воды, пик с периодом 31 мин 59,1 с имеет максимальное значение, а в спектре углекислого газа он второй по величине.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При анализе данных, полученных по вариациям деформаций земной коры и атмосферного давления на м. Шульца, а также по вариациям концентраций метана, углекислого газа и паров воды установлены следующие закономерности:
Резкое изменение атмосферного давления коррелирует с резким пиком метана. При резком изменении атмосферного давления около 6 700 Па величина импульса пика метана составила 0,19 ppm, что почти в 4 раза больше фонового значения. Можно также отметить, что эти резкие повышения концентрации метана и скачок атмосферного давления коррелирует с резким уменьшением влажности на величину около 25%.
В спектрах записей лазерных деформографов и лазерного нанобарографа наблюдаются мощные «блуждающие» пики с периодами от 7 мин 59,1 с до 7 мин 45,5 с, которые через некоторое время выделяются в записях вариаций концентраций метана, углекислого газа и паров воды, в это же время в спектрах деформаций земной коры и атмосферного давления на м. Шульца выделяются пики с немного большими периодами. Можно предположить, что данные колебания вызваны некоторой атмосферной депрессией, которая в течение нескольких суток медленно смещалась от м. Шульца к месту расположения НИС «Профессор Гагаринский», атмосферные неоднородности в которой в пространстве увеличивались по размерам.
Происхождение колебаний в более низкочастотном диапазоне (10–30 мин) тяжело объяснить без выполнения дополнительных экспериментов. Тем не менее можно предположить, что максимум с периодом 20 мин 28,8 с может быть обусловлен сфероидальным тоном 0S0, который в соответствии с работой [6] вызывает колебания атмосферного давления аналогичного периода.
Колебания больших периодов (от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1 с) ранее выделялись в записях колебаний уровня моря при прохождении над Японским морем атмосферного импульса, возникшего в результате взрыва вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, [7]. Происхождение этого колебания сначала было объяснено возбуждением одной из сейш Японского моря, но впоследствии было установлено, что эти колебания вызываются собственными колебаниями тропосферы, т. е. волнами Лэмба. Изменение периодов данных колебаний связано с изменением размеров соответствующих слоёв тропосферы.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ» при выполнении темы ТОИ ДВО РАН «Разработка методов комплексного газогеохимического мониторинга дальневосточных морей, обобщение газогеохимической изученности и современного уровня концентраций и источников парниковых газов в системе дно-океан-атмосфера», а также при частичном финансировании по теме № АААА-А20-120021990003-3 (получение экспериментальных данных на м. Шульца).
REFERENCES
Saunois, M., A. R. Stavert, B. Poulter et al. 2019: The Global Methane Budget 2000–2017. Earth System Science Data. https://doi.org/10.5194/essd‑2019–128.
Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS). Picarro. 2019. URL: https://www.picarro.com/company/technology/crds.
CO2, CH4 and H2O Dual Mode Greenhouse Gas Analyzer. – Santa Clara: Picarro, 2018. – P 2. URL: https://www.picarro.com/support/library/documents/g2311_f_analyzer_datasheet_data_ sheet.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Novikova O. V., Ovcharenko V. V., Okuntseva O. P., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. A laser nanobarograph and its application to the study of pressure-strain coupling. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2004; 40(8): 683–691.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при его изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004;8:82–90.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I.A., and Ovcharenko V. V. A Two-Coordinate Laser Strainmeter. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 1998: 34(11): 946–950.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. Физика Земли. 1998;11:76–81.
Shved G. M., Ermolenko S. I., Karpova N. V., Wendt S., Jacobi C. Detecting global atmospheric oscillations by seismic instruments. Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2013;49(2): 278–288.
Швед Г. М., Ермоленко С. И., Карпова Н. В., Вендт З., Якоби К. Регистрация глобальных осцилляций Атмосферы сейсмическими приборами. Физика Земли. 2013;2:131. DOI: 10.7868/S0002333713010134
Dolgikh G., Dolgikh S., Ovcharenko V. Initiation of Infrasonic Geosphere Waves Caused by Explosive Eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcano. Journal of Marine Science and Engineering. 2022; 10(8):1061. DOI 10.3390/jmse10081061.
АВТОРЫ
Долгих Г. И., академик РАН, д. ф.‑м. н., dolgikh@poi.dvo.ru, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Бовсун М. А., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-1916-3566
Долгих С. Г., д. т. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Чупин В. А., к. ф.‑м. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Яцук А. В., к. г.‑м. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-3975-5438
Г. И. Долгих, М. А. Бовсун; С. Г. Долгих, В. А. Чупин, А. В. Яцук
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия
Для изучения природы вариаций парниковых газов создан аппаратно-программный комплекс, состоящий из 52,5‑метрового лазерного деформографа, 17,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и мобильной лаборатории НИС «Профессор Гагаринский», состоящей из атмохимического измерительного комплекса (газоанализатор Picarro), комплекса метеорологических приборов на верхней палубе мостика, судовой газоаналитической лаборатории и проточной судовой системы. При обработке экспериментальных данных по вариациям деформаций верхнего слоя земной коры и вариациям атмосферного давления на м. Шульца, а также при анализе вариаций метана, углекислого газа и паров воды в приводной атмосфере на шельфе Японского моря на удалении около 2 км от м. Шульца установлены общие закономерности в поведении изучаемых параметров верхнего слоя земной коры и приводного слоя атмосферы в инфрагравитационном диапазоне. Выделены общие мощные колебания с периодами от 7 мин 59,1 с до 7 мин 45,5 с, 28 мин 28,8 с, от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1, с первоисточник которых может быть связан как с атмосферными процессами, так и с основным (радиальным) тоном собственных колебаний Земли 0S0.
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, деформация земной коры, атмосферное давление, метан, углекислый газ, пары воды, колебания атмосферы
Статья поступила: 30.03.2023
Статья принята: 18.05.2023
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время, особенно в последние двадцать лет, в широких кругах общественности, да и в научных кругах, муссируется проблема глобального изменения климата, связанного с повышением температуры, что, в свою очередь, приводит к деградации вечной мерзлоты, увеличению доли парниковых газов в атмосфере, к которым относятся метан и углекислый газ. В соответствии с работой [1] принято считать, что примерно 40% метана поступает в атмосферу из природных источников (болота, термиты и другие) и 60% приходятся на антропогенные источники (сельское хозяйство, энергетика и добыча горючих ископаемых, свалки и др.).
В данной статье мы не будем обсуждать проблемы глобального изменения климата и связанные с этим процессы, а обратим внимание только на проблему изучения мелкомасштабных вариаций концентрации в приводной атмосфере метана, углекислого газа и паров воды и выяснение природы данных вариаций. Для исследования природы этих вариаций необходимо создание комплекса, состоящего из установок, измеряющих вариации метана, углекислого газа и паров воды, а также установок, измеряющих вариации деформаций земной коры, колебаний атмосферного давления и метеостанций. Именно исследования, направленные на изучение природы колебаний вариаций вышеуказанных параметров, могут пролить свет на динамику более глобальных процессов, влияющих на концентрацию парниковых газов в атмосфере. Конечно, для исполнения замкнутого цикла выделения/поглощения парниковых газов необходимо привлечение химических, биологических и геодинамических процессов. Но без учёта солнечной составляющей эти исследования не имеют решающего значения, особенно при резких колебаниях температуры в холодный и теплый периоды наблюдений. При определенных условиях, даже без учета химических, биологических и геодинамических составляющих, может наблюдаться обратный процесс: вместо глобального потепления наступит глобальное похолодание. Но нас эти процессы в настоящее время не интересуют. Нас интересуют процессы значительно меньших временных масштабов и приборные комплексы, способные изучить влияние этих мелкомасштабных процессов на динамику парниковых газов.
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
Аппаратно-программный комплекс состоит из лазерно-интерференционных установок для измерения деформации земной коры и вариаций атмосферного давления, расположенных на м. Шульца, а также метеорологического оборудования и газоаналитического оборудования, расположенных на научно-исследовательском судне «Профессор Гагаринский». При проведении эксперимента НИС «Профессор Гагаринский» стояло на якоре на шельфе Японского моря в 1,8 км от места расположения лазерного деформографа (см. рис. 1).
Комплекс метеорологического оборудования, установленный на судне, состоит из метеокомплекса Vaisala Weather Transmitter WXT520 (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра, уровень осадков), радиометра Kipp&Zonen CNR4 Net Radiometer (общая, коротковолновая, длинноволновая, отраженная и эффективная радиация, альбедо и др. параметры), датчика фотосинтетической радиации LICOR LI190SB PAR Quantum Sensor (измерение фотосинтетической радиации (ФАР)), даталоггера CR1000, Campbell Scientific (коммутация всего метеорологического оборудования и запись в непрерывном режиме с 1 мин осреднением и сохранением на отдельный компьютер).
Газоаналитическое оборудование состоит из: газоанализатора Picarro G2311‑f для высокоточных непрерывных измерений углекислого газа, метана, паров воды в приводном слое атмосферы, хроматографического газового комплекса «КРИСТАЛЛЮКС 4000М» для дискретных измерений содержания метана, углеводородных газов, углекислого газа, азота, кислорода в атмосфере и толще морских вод.
Атмохимические измерения проведены с использованием лазерного анализатора Picarro G2311‑f (Picarro, США), основанного на системе WS-CRDS (Wave LengthScanned Ring Down Spectroscopy) – спектроскопия поглощения света в многопоточных неаксиальных кюветах при сканировании по длинам волн) [1–2]. Скорость измерения – 10 Гц. Диапазон измерений для СО2 составляет 300–500 ppm, а для СН4 соответственно составляет 1–3 ppm [2–3]. Анализатор способен в автоматическом режиме проводить коррекцию влияния воды на измерения и оценивает влияние спектральных интерференций. Калибровка прибора проводилась ежегодно в течение 2018–2022 гг., а также непосредственно до рейса с использованием сертифицированных газовых стандартов для СО2 в диапазоне 360–500 ppm и СН4 1–3 ppm.
Газоанализатор был размещен в лаборатории верхней палубы, снабжен вакуумным насосом для непрерывного покачивания забортного воздуха и оборудован воздухозаборными устройствами собственной разработки (рис. 2). Воздухозаборная камера анализатора располагалась на выносной штанге в передней части судна на высоте 10 м над уровнем моря.
В результате проведенных измерений получен массив непрерывных данных с частотой записи 10 Гц за 42 дня экспедиции. Все первичные данные отфильтровывались с учетом влияния выхлопных газов судна. Совместный анализ концентраций СО2, курса судна и направления ветра (истинное направление ветра) позволяет эффективно проводить подобную отбраковку данных. Далее весь массив данных усреднялся за 1 и 5 мин промежутки времени и совмещался с метеопараметрами.
На м. Шульца расположены лазерный нанобарограф, лазерные деформографы с длинами измерительных плеч 52,5 и 17,5 м (см. рис. 3). Лазерный нанобарограф создан на основе равноплечего интерферометра Майкельсона с использованием частотностабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot, обеспечивающего стабильность частоты в девятом знаке, блока анероидных коробок с зеркальным напылением, цифровой системы регистрации и блока передачи полученных экспериментальных данных в базу экспериментальных данных. Он имеет следующие технические характеристики: рабочий диапазон частот от 0 (условно) до 10 кГц, точность измерения вариаций атмосферного давления 50 мкПа [4].
На м. Шульца на глубине 3–5 м от поверхности земли смонтированы два лазерных деформографа неравноплечего типа. Один лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 52,5 м расположен под углом 18° относительно линии «север-юг», а другой лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 17,5 м расположен под углом 92° относительно лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 52,5 м. Все лазерные деформографы созданы на основе интерферометра Майкельсона неравноплечего типа с применением в качестве источника света частотностабилизированных гелий-неоновых лазеров со стабильностью частоты в 9–12 знаках. Это позволяет достичь следующих технических характеристик: точность измерения смещений участка земной коры – 10 пм, рабочий диапазон частот – от 0 (условно) до 1 000 Гц [5].
Недалеко от лабораторного помещения (поз. 3 на рис. 3) на мачте расположена метеостанция, измеряющая различные метеорологические параметры.
Все данные с измерительных систем м. Шульца в режиме реального времени заносятся на пишущий компьютер, где после предварительной обработки (фильтрация и децимация) заносятся в ранее созданную базу экспериментальных данных. Все данные «привязываются» к часам точного времени с помощью GPS TRIMBLE 5700, которые призваны обеспечить точность временных отсчётов на уровне не хуже 1 мкс.
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Экспериментальные исследования проходили в различных погодных условиях, что приводило к некоторому искажению полученных экспериментальных данных, поэтому для обработки и анализа был выбран ограниченный ряд данных длительностью от 13 ч 50 мин 22 ноября до 3 ч 37 мин 29 ноября. На судне измерялись вариации концентрации метана, углекислого газа и паров воды, а на м. Шульца – деформации земной коры с помощью лазерных деформографов и вариации атмосферного давления с помощью лазерного измерителя вариаций гидросферного давления. На рис. 4 приведены почти синхронные экспериментальные данные по вариациям концентрации метана, углекислого газа, паров воды, микродеформаций земной коры, измеренные 17,5‑метровым лазерным деформографом, и вариаций атмосферного давления, измеренные на м. Шульца лазерным нанобарографом.
При визуальном осмотре данных графиков можно отметить, что в записях вариаций концентрации углекислого газа есть много аномальных выбросов, которые могут быть связаны с влиянием жизнедеятельности на судне, вариации паров воды и деформации верхнего слоя земной коры плохо коррелируют с вариациями других параметров. В поведении вариаций атмосферного давления и вариаций концентрации метана наблюдаются почти синхронное аномальное поведение. Резкое изменение атмосферного давления коррелирует с резким пиком метана. При резком изменении атмосферного давления около 6 700 Па величина импульса пика метана составила 0,19 ppm, что почти в 4 раза больше фонового значения. Можно тоже отметить, что эти резкие повышения концентрации метана и скачок атмосферного давления коррелирует с резким уменьшением влажности около 25%.
Далее проанализируем изменения помещенных на рис. 4 параметров в инфрагравитационном диапазоне частот, т. е. в диапазоне периодов от 1 до 50 мин. Проанализируем поведение колебаний в различных диапазонах периодов. В диапазоне периодов от 1 до 10 мин в начальный период наблюдения (22 ноября) при спектральной обработке лазерных деформографов и лазерного нанобарографа наблюдаются мощные спектральные составляющие на периоде 7 мин 59,1 с, который иногда понижается до периода 7 мин 52,6 с и 7 мин 45,5 с. В качестве характерного примера на рис. 5 приведены спектры, полученные при обработке синхронных записей лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 52,5 м, лазерного нанобарографа и лазерного деформографа с длиной измерительного плеча 17,5 м. На спектре, полученном при обработке записи 52,5‑метрового лазерного деформографа, первый пик соответствует периоду 7 мин 59,1 с, хотя максимальным является пик с периодом 6 мин 55,1 с. На спектре, полученном при обработке записи лазерного нанобарографа, выделяется максимальный пик с периодом 7 мин 59,1 с. На спектре, полученном при обработке записи 17,5‑метрового лазерного деформографа, наблюдается максимальный пик с периодом 9 мин 28,9 с, а второй по величине пик относится к периоду 7 мин 59,1 с. При сравнении полученных спектров, приведенных на рис. 5, можно утверждать, что все три прибора, расположенные на м. Шульца, зарегистрировали колебания с периодом около 7 мин 59,1 с. Хотя, как говорилось выше, величина периода данных колебаний со временем изменяется в некоторых пределах, что может быть связано как с естественными природными процессами, например с явлением неизохронизма, так и с эффектом обработки, когда более низкочастотные процессы большой амплитуды, да и тренды, могли оказать влияние на точное определение периодов указанных колебаний.
Ближе к концу эксперимента (28 ноября) мощные спектральные составляющие в этом диапазоне периодов наблюдались не на м. Шульца, а в районе размещения НИС «Профессор Гагаринский». На рис. 6 приведены спектры, полученные при обработке синхронных участков записей по вариациям концентраций метана, углекислого газа и паров воды, где выделяются мощные спектральные составляющие на периодах 7 мин 45,5 с, 7 мин 38,5 с и 7 мин 38,5 с, соответственно. В этот же период наблюдения в этом диапазоне периодов из записей лазерных деформографов и лазерного нанобарографа выделяются пики на периоде 8 мин 40,7 с. Непонятная такая трансформация периодов колебаний. Получается, что колебания с более высокочастотными периодами в течение нескольких суток были вытеснены более низкочастотными процессами с территории м. Шульца. Как видно из графиков 6а, 6b и 6c везде выделяется мощный пик с периодом около 7 мин 45,5 с и 7 мин 38,5 с. Учитывая то, что при обработке ряда длительностью 512 точек и при частоте дискретизации 0,016(6) Гц в спектре, полученном на основе быстрого преобразования Фурье, гармоники с периодами 7 мин 45,5 с и 7 мин 38,5 с находятся рядом, то можно утверждать, что это один и тот же пик, относящийся к одному и тому же природному процессу. Учитывая это обстоятельство, а также графики, приведенные на рис. 5, можно предположить, что данные колебания вариаций деформаций верхнего слоя земной коры на м. Шульца, колебания атмосферного давления на м. Шульца, а также колебания концентрации метана, углекислого газа и паров воды в море, в нескольких километрах от м. Шульца, вызваны одними и теми же процессами, которые, скорее всего, можно приписать атмосферным колебаниям инфрагравитационного диапазона. Можно, тем не менее, отметить, что не всегда данные колебания наблюдаются одновременно на установках, расположенных в одном месте. Так, на рис. 7 приведены спектры, полученные при обработке синхронных записей концентрации метана, углекислого газа и паров воды. При сравнении графиков, приведенных на рис. 7а и 7b, наблюдается мощный пик с периодом 7 мин 45,5 с, но на графике концентрации паров воды нет такого пика, а пик наблюдается на периоде 6 мин 44,2 с. Т.е. не всегда инфрагравитационные колебания вызывают синхронно соответствующие колебания измеряемых параметров геосфер.
Рассмотрим далее более низкочастотные диапазоны. В диапазоне периодов от 10 до 20 мин можно выделить колебания на периодах 18 мин 17,1 с в записях 52,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и концентраций углекислого газа, 17 мин 39,1 с в записях в основном концентраций метана, а концентраций углекислого газа, паров волы и вариаций атмосферного давления на м. Шульца иногда, 17 мин 04,0 с в записях лазерного нанобарографа и паров воды, В диапазоне периодов 20–30 мин выделяются мощные пики на максимуме, соответствующем периоду, 20 мин 28,8 с. Эти пики выделяются при обработке записей обоих лазерных деформографов и лазерного нанобарографа, большие пики с этим периодом выделяются при обработке записей концентрации паров воды. Можно отметить и близлежащие максимумы с периодами 21 мин 19,1 с, которые наблюдаются в отдельные промежутки времени на спектрах, выделенных при обработке записей 52,5‑метрового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа, записей концентрации метана и углекислого газа. Колебания с периодом 25 мин 35,1 с выделяются из записей лазерных деформографов лазерного нанобарографа и паров воды. Колебания с периодом 28 мин 26,7 с выделяются из записей лазерных деформографов, лазерного нанобарографа, концентраций метана, углекислого газа и паров воды. В более низкочастотном диапазоне при обработке записей всех приборов выделяется максимум с «гуляющим» периодом от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1 с, которые обнаруживаются как в спектрах концентраций метана, углекислого газа и паров воды, так и в спектрах записей лазерных деформографов и лазерного нанобарографа. При этом в спектрах концентраций метана, углекислого газа и паров воды их интенсивность заметно большая, см., например, рис. 8. Для спектров, полученных при обработке данных концентраций метана и паров воды, пик с периодом 31 мин 59,1 с имеет максимальное значение, а в спектре углекислого газа он второй по величине.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При анализе данных, полученных по вариациям деформаций земной коры и атмосферного давления на м. Шульца, а также по вариациям концентраций метана, углекислого газа и паров воды установлены следующие закономерности:
Резкое изменение атмосферного давления коррелирует с резким пиком метана. При резком изменении атмосферного давления около 6 700 Па величина импульса пика метана составила 0,19 ppm, что почти в 4 раза больше фонового значения. Можно также отметить, что эти резкие повышения концентрации метана и скачок атмосферного давления коррелирует с резким уменьшением влажности на величину около 25%.
В спектрах записей лазерных деформографов и лазерного нанобарографа наблюдаются мощные «блуждающие» пики с периодами от 7 мин 59,1 с до 7 мин 45,5 с, которые через некоторое время выделяются в записях вариаций концентраций метана, углекислого газа и паров воды, в это же время в спектрах деформаций земной коры и атмосферного давления на м. Шульца выделяются пики с немного большими периодами. Можно предположить, что данные колебания вызваны некоторой атмосферной депрессией, которая в течение нескольких суток медленно смещалась от м. Шульца к месту расположения НИС «Профессор Гагаринский», атмосферные неоднородности в которой в пространстве увеличивались по размерам.
Происхождение колебаний в более низкочастотном диапазоне (10–30 мин) тяжело объяснить без выполнения дополнительных экспериментов. Тем не менее можно предположить, что максимум с периодом 20 мин 28,8 с может быть обусловлен сфероидальным тоном 0S0, который в соответствии с работой [6] вызывает колебания атмосферного давления аналогичного периода.
Колебания больших периодов (от 30 мин 07,6 с до 31 мин 59,1 с) ранее выделялись в записях колебаний уровня моря при прохождении над Японским морем атмосферного импульса, возникшего в результате взрыва вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, [7]. Происхождение этого колебания сначала было объяснено возбуждением одной из сейш Японского моря, но впоследствии было установлено, что эти колебания вызываются собственными колебаниями тропосферы, т. е. волнами Лэмба. Изменение периодов данных колебаний связано с изменением размеров соответствующих слоёв тропосферы.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ» при выполнении темы ТОИ ДВО РАН «Разработка методов комплексного газогеохимического мониторинга дальневосточных морей, обобщение газогеохимической изученности и современного уровня концентраций и источников парниковых газов в системе дно-океан-атмосфера», а также при частичном финансировании по теме № АААА-А20-120021990003-3 (получение экспериментальных данных на м. Шульца).
REFERENCES
Saunois, M., A. R. Stavert, B. Poulter et al. 2019: The Global Methane Budget 2000–2017. Earth System Science Data. https://doi.org/10.5194/essd‑2019–128.
Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS). Picarro. 2019. URL: https://www.picarro.com/company/technology/crds.
CO2, CH4 and H2O Dual Mode Greenhouse Gas Analyzer. – Santa Clara: Picarro, 2018. – P 2. URL: https://www.picarro.com/support/library/documents/g2311_f_analyzer_datasheet_data_ sheet.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Novikova O. V., Ovcharenko V. V., Okuntseva O. P., Shvets V. A., Chupin V. A., Yakovenko S. V. A laser nanobarograph and its application to the study of pressure-strain coupling. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2004; 40(8): 683–691.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Новикова О. В., Овчаренко В. В., Окунцева О. П., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный нанобарограф и его применение при его изучении баро-деформационного взаимодействия. Физика Земли. 2004;8:82–90.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I.A., and Ovcharenko V. V. A Two-Coordinate Laser Strainmeter. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 1998: 34(11): 946–950.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. Физика Земли. 1998;11:76–81.
Shved G. M., Ermolenko S. I., Karpova N. V., Wendt S., Jacobi C. Detecting global atmospheric oscillations by seismic instruments. Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2013;49(2): 278–288.
Швед Г. М., Ермоленко С. И., Карпова Н. В., Вендт З., Якоби К. Регистрация глобальных осцилляций Атмосферы сейсмическими приборами. Физика Земли. 2013;2:131. DOI: 10.7868/S0002333713010134
Dolgikh G., Dolgikh S., Ovcharenko V. Initiation of Infrasonic Geosphere Waves Caused by Explosive Eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcano. Journal of Marine Science and Engineering. 2022; 10(8):1061. DOI 10.3390/jmse10081061.
АВТОРЫ
Долгих Г. И., академик РАН, д. ф.‑м. н., dolgikh@poi.dvo.ru, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Бовсун М. А., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-1916-3566
Долгих С. Г., д. т. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Чупин В. А., к. ф.‑м. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Яцук А. В., к. г.‑м. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-3975-5438
Отзывы читателей
