автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование переноса растворенного метана океаническими течениями

На правах рукописи

МАЛАХОВА Валентина Владимировна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА РАСТВОРЕННОГО МЕТАНА ОКЕАНИЧЕСКИМИ ТЕЧЕНИЯМИ

05.13.18 — математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск, 2006

Работа выполнена в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН

Научный руководитель кандидат физико-математических наук,

доцент Щербаков Александр Валентинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Залесный Владимир Борисович

доктор физико-математических наук, профессор Чубаров Леонид Борисович

Ведущая организация: Институт водных и экологических проблем

СО РАН

Защита состоится 3 октября 2006 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.061.02 при Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.

Автореферат разослан 30 августа 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.061.02 доктор физико-математических наук

Сорокин С.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли. Современные представления о механизмах глобального потепления атмосферы за последние 150 лет отводят на долю метана 15 % прироста средней температуры вследствие парникового эффекта. Хотя это в четыре раза меньше аналогичной оценки для углекислого газа, соответствующей 61%, тем не менее, потенциальный вклад метана в глобальное потепление (удельное поглощение • метаном теплового излучения Земли) в 21 раз больше, чем потенциал углекислого газа. Увеличение концентрации метана в атмосфере составляет 1-2% в год, что превышает рост углекислого газа.

По оценкам поступления метана в атмосферу от разных источников, океаны вносят незначительный вклад в общий баланс, всего 1-2%. Однако потенциально опасный источник метана, который может включиться при повышении температуры, — это гидраты метана, которые обнаружены в большом количестве в донных осадках морей и океанов. В целом по результатам исследования керна, геофизическим и другим данным на акваториях морей и океанов было выделено свыше 60 районов распространения газовых гидратов в поддонных отложениях. Природные газовые гидраты - это такой компонент геосферы, который может серьезно влиять па климат и экологическую ситуацию за счет неконтролируемых выбросов и утечек большого количества метана в атмосферу. Колебания уровня океана или рост температуры поверхности океана может вызвать разложение гидратов, а освобождающийся при этом метан приведет к дальнейшему потеплению. После открытия природных газовых гидратов возникла необходимость всесторонней оценки их роли в приповерхностных слоях геосферы, особенно в связи с возможным влиянием их на процессы, приводящие к глобальным климатическим изменениям. Цель работы.

Дать количественную и временную оценку возможного процесса разложения метангидратов Мирового океана с помощью математической модели, которая описывает перераспределение тепла в системе океан -осадочный слой морского дна. Опираясь на фактическую информацию о размещении залежей метангидратов, задавая определенный сценарий потепления атмосферы определить временной масштаб проникновения этого потепления через роды океана в донный, осадочный слой океана и оценить его Дестабилизирующее воздействие. Оценить временной

масштаб начала разложения и объемы метана, которые могут поступить в

океан, частично раствориться в его водах, а частично достичь атмосферы.

Основные задачи.

1. Использование экономичной вычислительной модели, удовлетворительно воспроизводящей основные черты крупномасштабной структуры Мирового океана, пригодной для проведения численного интегрирования на большой срок по времени.

2. Построение математической модели переноса растворенного метана океаническими течениями в результате разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием глобального потепления.

3. Моделирование пространственного распределения газогидратов в осадочном слое океана, как возможных источников метана.

4.Оценка объемов и временных масштабов притока метана в атмосферу в результате возможных климатических изменений.

Научная новизна.

1. Получила дальнейшее развитие квазигеострофическая модель термогидродинамики океана (Щербаков, 1989). В результате реализован вариант модели, который удовлетворительно воспроизводит основные макроциркуляционные системы, меридиональный перенос тепла в высокие широты и термохалинную структуру океана.

2.Проведено исследование влияния на моделируемый климат океана учета следующих факторов: рельефа дна, солености, нелинейного уравнения состояния, Арктического бассейна, параметризации Средиземного моря, горизонтальной турбулентной вязкости.

3.Трехмерная квазигеострофическая модель динамики Мирового океана соединена с моделью переноса тепла в донном слое осадков для изучения процесса распространения теплового сигнала в глубь океана и в осадочный слой. Исследована реакция Мирового океана на изменчивость температуры поверхностных вод векового масштаба и масштаба нескольких тысячелетий.

4. Разработана математическая модель переноса растворенного метана океаническими течениями от потенциально возможных источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием глобального потепления.

5.Модель реализована в виде программного комплекса.

6. Получено модельное распределение газогидратов метана и глубина их залегания в осадочном слое океана с учетом геотермического градиента и пористости осадочного слоя океанского дна.

7. В результате численных экспериментов получены оценки возможного потока метана в атмосферу и временного масштаба разложения газогидратов метана в зависимости от способа учета глубины их

залегания в осадочном слое океанского дна, а также от задаваемого сценария климатических изменений. Методы исследования.

При построении математической модели использовались методы геофизической гидродинамики, вычислительной математики. Для решения поставленных задач применялись методы программирования на языке Фортран, расчеты были выполнены с использованием пакета «Compaq Visual Fortran».

Научно-практическая значимость.

Используемая линеаризованная трехмерная численная модель гидротермодинамики Мирового океана может применяться для проведения численных экспериментов по изучению долгопериодной изменчивости океана с модельным временем до нескольких десятков тысяч лет. Проведенные исследования по переносу растворенного метана от источников в виде дестабилизирующихся газогидратов могут служить основой для разработки региональных моделей. Полученные результаты имеют фундаментальный характер и направлены на исследование изменений климата Земли.

Достоверность полученных результатов и выводов определяется применением разработанных численных методов, использующихся при решении многочисленных задач динамики океана, а также сравнением с данными натурных измерений и численными расчетами других авторов. Апробация работы.

Результаты работы по мере их выполнения докладывались на Конференциях молодых ученых ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск, 1997, 1998, 2001 гг.; Международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошных сред", Новосибирск, 1996 г.; на 2-м и 3-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНИПРМ96, ИНИПРМ98), Новосибирск, 1996, 1998 гг.; Международной конференции, Новосибирск, 24 - 29 июня 2001 г. - "Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика"; Аэрозолях Сибири - VIII, XI, XII Рабочие группы, Томск -2001, 2004, 2005 гг.; Международной конференции "Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования", Ханты-Мансийск, 12 - 14 апреля - 2005 г.; Сиб-Гео-2006, 24-28 апреля 2006 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено: в 20 печатных работах без учета тезисов докладов, в том числе две работы в ведущем рецензируемом журнале из перечня ВАК. В работах, выполненных в соавторстве, вклад диссертанта заключался в непосредственном участии во всехэтапах

исследований: в постановке численных экспериментов, написании программных комплексов, анализе результатов численного моделирования. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы состоящего из 174 наименований и трех приложений. Работа содержит рисунки и таблицы, которые расположены непосредственно в тексте диссертации, а также в трех приложениях.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, дается обзор работ, непосредственно примыкающих к теме диссертации, формулируются цель и задачи исследования, приводится краткое содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена описанию математической модели гидротермодинамики океана. Эта глава является общей для всей работы. Систему уравнений гидродинамики океана рассматриваем в полигональной области Мирового океана, включающей Арктический бассейн.

Уравнения движения:

Л, ^ , 1 дР д ди

ар0 sin в дЛ dz dz

1 дР д ди Л '

-tu + A(p) =--—+ —V —, (2)

ар0 дв dz dz

Уравнение неразрывности:

1 f ди до sin в} dw „

- -+- +-= о (3)

аътвудЛ дв ) dz

Уравнение гидростатики в интегральной форме:

z

P = -gpC + g¡pdz, (4)

0 о

Уравнения переноса тепла и соли:

дТ и дТ и дТ дТ д дТ ц кГГ

— +--+--+ w— = — к— + ~АТ, (5)

8í a sin в дЛ а дв dz dz dz а

as и dS и dS dS д dS ц

— H---+--+ w— = — к— +

dt a sin в дЛ а дв dz dz dz а

Уравнение состояния морской воды:

P=f(T,S) (7)

Использованы следующие обозначения: и, О, W компоненты вектора скорости по направлениям А, в, z, где Л - долгота, в - дополнение широты до 90°, и ось г направлена вертикально вниз; t - время; Р -давление; р0,р- среднее значение и аномалия плотности;

Рат / gp0 - приведенный уровень; Рат - атмосферное давление;

z = G) - уровенная поверхность океана; А(и), А(и) - горизонтальная турбулентная вязкость или eS параметризация; у - коэффициент вертикальной турбулентной вязкости; к, ¡л - коэффициенты вертикальной и горизонтальной турбулентной диффузии тепла, соли и растворенного метана; £ = 2&>cos(9 - параметр Кориолиса; a,d),g- соответственно радиус, угловая скорость и ускорение силы тяжести Земли;

I д2 I д . . д , „

Д=—;--г-+--sin у— - лапласиан в сферической системе

sin2 в дЛ2 sinddd 89 координат.

К системе уравнений (1) - (7) добавляются граничные и начальные условия. На поверхности океана задан сезонный ход напряжения трения ветра в виде условия Неймана для горизонтальных компонентов течений, и в виде условий Дирихле для температуры и солености из данных Левитуса. На дне и твердой боковой границе заданы отсутствия потоков тепла и соли и условия обтекания.

Представленная численная модель крупномасштабной циркуляции Мирового океана является дальнейшим развитием модели, разработанной Щербаковым А.В., основанной на квазистационарных линеаризованных уравнениях движения и полном уравнении переноса тепла и соли. Эта модель принадлежит классу так называемых "planetary geostrophic" моделей, успешно применяемых для изучения переноса трассеров, палеоциркуляции, формирования глубинных вод океана и т.д. Упрощения полных уравнений движения сделаны с целью получения эффективной экономичной численной модели, пригодной для проведения серии численных экспериментов по формированию качественного гидродинамического и климатического состояний Мирового океана, для дальнейшего изучения на их основе переноса растворенного метана в океане.

Развитие модели заключается в учете следующих факторов при построении численной модели.

• Учет солености, которая ранее была постоянна или учитывалась только косвенно.

• Использование в модельных расчетах нелинейного уравнения состояния в форме Мамаева, либо рекомендованной Юнеско.

• Учет Арктического бассейна в модели, при использовании обычной широтно-долготной сетки. При построении численной модели учитываются особенности, связанные с определением шаблона конечно-разностных схем вблизи Северного полюса.

• Учет реальной топографии дна.

В § 1.2 описан метод нахождения поля течений из уравнений динамики океана, когда используется выделение баротропной компоненты вектора скорости. Задача по определению баротропных компонент поля течений в океане сводится к определению вспомогательной функции тока. Компоненты вектора скорости определяются га линейных уравнений движения через интегральную функцию тока и найденные температуру и соленость, входящие в уравнение плотности.

Акватория Мирового океана аппроксимируется на равномерной сетке с шагом пять градусов по долготе и широте со смещением относительно экватора и боковой границы на 2.5°. Северная граница расчетной области поднята до Северного полюса так, что первые расчетные точки лежат на круге широты 87.5°с.ш. В Южном полушарии область ограничена кругом 72.5°ю.ш. Модельный шаг по времени составил 10 суток. Для более подробного описания слоя термоклина, в вертикальном направлении вводим неравномерную сетку со сгущением узлов у поверхности океана.

Для аппроксимации адвективного переноса в адвективно-диффузионных уравнениях переноса тепла, соли и растворенного метана используется девятиточечная разностная схема, полученная в результате применения экстраполяции Ричардсона к пятиточечной схеме с разностями против потока, (Щербаков, Моисеев, 1985).

В §1.4 предложены методы повышения порядка точности с использованием экстраполяции Ричардсона при решении адвективно-диффузионных уравнений [1,14]. На примере модельной задачи описывающей вращение кругового конуса, показано, что в результате применения девятиточечной разностной схемы, используемой для аппроксимации адвекции в уравнениях переноса тепла, соли и метана, уменьшается фазовая ошибка и лучше сохраняется форма сигнала.

Во второй главе представлены эксперименты по численному моделированию термохалинной циркуляции Мирового океана. При разработке численной модели термохалинной циркуляции использовалось постепенное усложнение для выяснения её возможностей при различных

вариантах постановок. В данной главе обсуждаются результаты численного моделирования при нескольких вариантах постановок задачи: при постоянном и переменном рельефе дна, при учете параметризации Средиземного моря, учете бокового турбулентного обмена в уравнениях движения и его параметризации и т.д. Такой подход дает возможность исследовать необходимый уровень сложности модели для решения поставленных задач при оптимальных затратах. Ключевым параметром при этом является вычислительная эффективность модели для проведения интегрирования на сроки по времени несколько тысяч лет.

Численные эксперименты, описанные в §2.2 и проведенные для акватории Мирового океана с плоским дном, показали, что учет солености, нелинейного уравнения состояния, включение в модель сезонного хода поверхностных данных и холодных полярных вод Арктического бассейна качественно улучшили результат, [2, 5, 7, 8]. Во-первых, появилась холодная глубинная вода в высоких широтах северного полушария. Во-вторых, сильное влияние оказал учет солености на меридиональную циркуляцию, причем произошли не только количественные изменения, но и изменилась структура циркуляционных ячеек. В-третьих, были получены разумные количественные параметры меридионального переноса тепла от экватора к полюсам. При уменьшении коэффициента вертикальной турбулентной диффузии сформировался близкий к наблюдаему главный термоклин и получилась разумная температура глубокого океана.

Включение в модель реального рельефа дна (§2.3), и, следовательно, учет совместного эффекта бароклинности и рельефа дна, привело к уменьшению влияния баротропной компоненты скорости. О выходе решения (т.е. полей течений, температуры и солености) на установившийся режим можно судить по изменению средней температуры океана. Через время порядка 2500 лет получено установившееся решение. Поскольку по вертикальной координате используется разностная схема первого порядка аппроксимации содержащая схемную вязкость, ее влияние на решение оценивается уменьшением шага сетки по вертикали. Исследована зависимость климатических полей температуры и солености от вертикального разрешения, проведены численные эксперименты с 12, 24, 36 и 72 расчетными уровнями, [9]. В слое от 100 до 1000 м разница оказывается небольшой между решениями на всех сетках. Для глубокого океана уменьшение схемной вязкости оказывается более значимым.

Модель воспроизводит качественно реалистичный термоклин. Численные эксперименты показывают (п.2.3.4), что модель воспроизводит распространение промежуточных антарктических вод на глубине 500-1500 метров вплоть до экватора, если на поверхности вблизи побережья

Северной Америки и Гренландии имеется достаточно холодная вода. Параметризация средиземноморских вод усиливает этот процесс и делает качественно верным вертикальный профиль средней солености Мирового океана, рис.1.

Рисунок 1. Зонально-среднее поле температуры и солености в Мировом океане, полученное в численном эксперименте

Итак, используемая экономичная вычислительная модель, удовлетворительно воспроизводит основные черты крупномасштабной структуры Мирового океана, рис.1, она пригодна для проведения численного интегрирования на большой срок по времени, [11]. Вариант модели гидротермодинамики океана представленный в п.2.3.4, дополненный уравнением переноса растворенного метана, берется за основу при дальнейших расчетах переноса метана океаническими течениями и климатических изменений на поверхности океана.

В третьей главе представлены результаты численных экспериментов по переносу растворенного метана океаническими течениями в акватории Мирового океана от потенциально возможных источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием климатических изменений.

Кратко опишем структуру разработанной модели переноса растворенного метана в океане от источников в виде дестабилизирующихся газогидратов метана в осадочном донном слое. На первом этапе определяется начальное термохалинное состояние океана, поле тепла в донном осадочном слое и распределение растворенного метана в океанских водах.

• Климатическое состояние океана было получено из трехмерной линеаризованной модели динамики Мирового, океана, включающей сезонную изменчивость, с учетом реальной топографии дна и Арктического бассейна. Задача решалась в полигональной области

Мирового океана на пятиградусной сетке с 24 вертикальными уровнями до достижения квазистационарного состояния через время порядка нескольких тысяч лет, рис. 1.

• Далее, для каждой точки широтно-долготной сетки было рассчитано климатическое поле тепла в донном осадочном слое толщиной 1000 м с помощью решения одномерного уравнения теплопроводности с шагом 20 м по вертикали. В качестве граничных условий на верхней границе осадочного слоя, совпадающей с дном океана, задана температура придонной воды, которая получена из модели динамики океана, на нижней границе осадочного слоя задан геотермический поток тепла. Океанская модель (1) - (7) дополняется одномерной термической моделью донного осадочного слоя.

дТ я дТ

_£ = -£-* —А (8)

Э/ Зг 1 дг

дТ

Где к^ ~10'2 см2/с - коэффициент температуропроводности осадочного

слоя; О, - геотермический поток тепла; Г . - решение стационарного X |У) с1

уравнения (8) с климатической температурой ^ = Г(Я, в, Н) из задачи (1)-(7).

• Распределение растворенного метана получено из трехмерной модели динамики Мирового океана, дополненной адвективно-диффузионным уравнением переноса метана, [3,4].

дС и дС V дС дС д дС ц .„

-+--+--+ ы— = —к—С (9)

Э* дбтв дА а дв дг дг дг а

На поверхности океана: С = С* (0) = (1+соз(^))-50ррЬ.

дС л * г Л На дне океана: К-= 0 , на боковой поверхности: -= 0.

дх дп

Заданные на поверхности значения концентраций метана изменяются зонально от 50 ррЬ в южных высокоширотных областях океана до 100 ррЬ в северных высокоширотных областях. Заданные граничные условия на дне и материковом склоне соответствуют случаю отсутствия процессов разложения метангидратов.

На втором этапе моделируется процесс дестабилизации газогидратов метана. Предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое на дне и материковом склоне всюду, где выполняются термобарические условия их существования. Как только потепление от поверхности океана достигает глубины залегания метангидрата и увеличивает их температуру на определенную величину - допуск, начинается дестабилизация метангидратов. Это означает, что в данной точке граничное условие Неймана заменяется на граничное условие Дирихле. При этом задается концентрация метана в 100 раз превосходящая среднее фоновое значение

С0 = 5 • 10~5 мл/л, либо учитывается скорость разложения гидрата с учетом изменения температуры в осадочном слое океана. В дальнейшем исследуется перенос растворенного метана океаническими течениями в акватории Мирового океана от разлагающихся поддонных метангидратов и рассчитывается поток метана в атмосферу при различных сценариях атмосферных климатических изменений.

Данные о палеоклимате говорят о том, что климатические изменения носят периодический характер. Потепления сменяются похолоданиями, и периоды этих колебаний изменяются от десятков до тысяч лет. В работе моделируется реакция Мирового океана на изменчивость температуры поверхностных вод векового масштаба [13] и масштаба нескольких тысячелетий, [17]. При проведении численных экспериментов предполагается, что изменения температуры поверхностных вод океана следуют за изменениями температуры атмосферы всюду, кроме полярных областей покрытых льдом. Сценарии климатических изменений, описанные в § 3.2, используются для оценки временного и количественного масштаба дестабилизации поддонных метангидратов и потока метана в атмосферу.

Поток метана через поверхность океана вычисляем по следующей формуле:

д£ ^ 82

ст.

2 = 0

Где 9 = 0.7169-10" - удельный вес метана. Определяем поток метана в Тг = 1012г. При этом предполагается, что весь метан растворяется в морской воде, и пузырьки метана непосредственно атмосферы не достигают.

В § 3.3 рассматривается задача о возможных последствиях дестабилизации метангидратов, которые контактируют с придонной водой. Предполагается, что метангидраты существуют на дне и

материковом склоне всюду, где выполняются термобарические условия их существования. Оказалось, что при этих предположениях время от начала нагревания поверхностных вод до начала возможной дестабилизации невелико, порядка нескольких лет, поскольку в высоких широтах потепление от поверхностных вод за счет конвективного перемешивания быстро достигает придонных вод. Возможная дестабилизация газогидратов в разных экспериментах дает потоки метана в атмосферу до 14 Тг в год, [6,10,12].

. Данные о распределении океанских метангидратов показывают, что их выход на поверхность океанского дна хотя и существует, но достаточно редок, прямое бурение показывает, что, как правило, метангидраты залегают в осадочном слое на поддонных глубинах порядка сотен метров. Поэтому, для разложения метангидратов необходимо проникновение потепления не только до дна, но еще и в осадочный слой, что требует большего времени по сравнению со случаем метангидратов, контактирующих непосредственно с водой. В § 3.4 трехмерная квазигеострофическая модель динамики Мирового океана соединяется с моделью переноса тепла в донном слое осадков (8) для изучения процесса распространения теплового сигнала в глубь океана и в осадочный слой. Как и ранее, предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое всюду, где выполняются термобарические условия их существования. В каждом эксперименте находится время до начала дестабилизации метангидратов, определяется, какая часть дна содержит такие источники, находится диффузионный поток метана в атмосферу.

6

I

500

1000

1500

2000

Рисунок 2. Поток метана в атмосферу при потеплении 1.5° за 50 лет, полученный в численных экспериментах. Гидрат1 - глубина залегания гидратов 100-300 м в осадочном слое океана, Гидрат2 - распределение газогидратов соответствует рис.3, ГидратЗ - учет скорости разложения гидрата

Время до начала дестабилизации в экспериментах с погребенными гидратами увеличилось до 76 лет, при глубине залегания метангидратов 100 - 300м в осадочном слое океанского дна.

При этом поток метана в атмосферу составил 1 - 9 Тг/год, в зависимости от сценария численного эксперимента, рис.2 (Гидрат1). Анализ рассчитанных концентраций растворенного метана в океане показывает, что в первую очередь после начала потепления дестабилизируются метангидраты расположенные на глубине до 1000м в высоких широтах в Гренландском море и вблизи берегов Северной Америки, у побережья Антарктиды и в Арктическом бассейне [15, 16].

Проведенные сценарные эксперименты показали, что для оценки масштаба дестабилизации метангидратов важным является модельный параметр глубина залегания гидрата. В § 3.5 моделируется пространственное распределение газогидратов метана и глубина их залегания в осадочном слое океана с учетом геотермического градиента и пористости осадочного слоя океанского дна. Предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое всюду, где выполняются термобарические условия их существования, которые рассчитываются по формуле Т11аЬ~1 = 3.79 х 10'1 - 2.83 х 10"4 18 , где ТмЬ и р^аЬ температура и давление стабильности газогидратов. Кривая

равновесных условий гидратообразования метана накладывается на линию естественного распределения температур и давлений в исследуемой области. По точкам пересечения этих двух линий определяются верхняя и нижняя границы зоны стабильности газогидрата.

300 метров под дном океана

Толщина газогидратной зоны сильно зависит от вертикального температурного градиента в осадках, который задается различным для 22 регионов океана, от 30°С/км до 87°С/км. Мы принимаем простое

уменьшение пористости с поддонной глубиной по экспоненте, полученное из эмпирических данных. Гидратонасыщенность отложений, т.е. процент порового пространства, занятого газогидратами, была принята равной 50% порового пространства непосредственно у подошвы зоны стабильности и плавно уменьшающейся до нуля в направлении морского дна. Такой подход основан на модели гидратообразования Хидмана и Девиса, [Hydman, Davis, 1992]. В результате получено распределение глубины залегания метангидратов от 20 до 320 м в осадочном слое под океанским дном, рис.3, [18].

В численном эксперименте дестабилизация начинается уже через 10 лет от начала потепления поверхностных вод океана. Источники "включились" на площади не более 6% дна океана и обеспечили максимальный поток метана 2 Тг/год через 500 лет модельного времени, рис.2 (Гидрат2). На рис. 4 приведено распределение растворенного метана в океане на глубине 250 метров через 100 лет от начала эксперимента. Можно видеть, что через 100 лет климатических изменений начинают дестабилизироваться метангидраты Арктического шельфа, у берегов Гренландии, а также в дальневосточных морях, прилегающих к России и Японии. Через 400 лет, площадь декомпозиции гидратов увеличивается, начинают разлагаться метангидраты у берегов Индии и в Южном океане. Наиболее насыщенным метаном оказывается более проветриваемый системой течений Атлантический океан, [20].

Рисунок 4. Изолинии растворенного метана на глубине океана 250 м через 100 лет после начала климатических изменений в эксперименте «Гидрат2» в ррЬ. Максимальная концентрация метана составила 2400 ррЬ

В данной работе также предпринята попытка оценить поток метана в атмосферу в случае изменения температуры поверхностных вод океана на протяжении нескольких тысячелетий. Численный эксперимент показал, что длительное потепление может привести к масштабной дестабилизации метангидратов, существующих в осадочном слое Мирового океана.

Полученный максимальный поток метана в атмосферу составил 18 Тг/год, [19].

В §3.6 представлен вариант модели переноса метана от источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов с учетом скорости разложения гидрата. Мощность источника теперь зависит от изменения температуры и различна для всех модельных точек. Это привело к увеличению концентрации метана в зонах, подверженных более сильному проникновению теплового сигнала до дна океана. Как и ранее, наиболее подвержены процессу разложения в результате потепления метангидраты Северной Атлантики и Арктического шельфа. Максимальный поток метана составил 1.5 Тг/год через 200 лет модельного времени. При этом последующие 300 лет происходит уменьшение потока метана до первоначальных значений, рис.2 (ГидратЗ).

Таким образом, модель дает разумные значения потока метана в атмосферу от дестабилизированных метангидратов, которые лежат в пределах имеющихся в литературе оценок, [Kvenvolden, 1993; Gornitz, 1994; Cicerone, 1998]

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации:

1. Получила дальнейшее развитие трехмерная численная квазигеострофическая модель гидротермодинамики Мирового океана, [Щербаков, 1989]. Развитие заключается в учете следующих факторов: Арктического бассейна, солености, нелинейного уравнения состояния, реальной топографии дна и др. Модель может использоваться для проведения численных экспериментов по изучению долгопериодной изменчивости Мирового океана с модельным временем до нескольких десятков тысяч лет.

2. Модель воспроизводит основные черты океанского климата. В том числе достаточно реальный термо- и халоклин, среднюю температуру и температуру глубокого океана, основные макроциркуляционные системы, меридиональный перенос тепла в высокие широты.

3.Разработана математическая модель переноса растворенного метана океаническими течениями от потенциально возможных источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием глобального потепления.

4.На базе фактической информации о размещении залежей метангидратов, получено модельное распределение газогидратов метана и глубина их залегания в осадочном слое океана с учетом геотермического градиента и пористости осадочного слоя океанского дна.

5.Рассчитано пространственное распределение растворенного метана в океане на основе трёхмерной модели термохалинного состояния океана

в результате переноса метана океаническими течениями от потенциально возможных источников.

6. С помощью сценарных экспериментов произведена оценка объемов и временных масштабов возможного притока метана в атмосферу от разлагающихся метангидратов. Модель дает разное время от начала потепления поверхностных вод до начала дестабилизации поддонных метангидратов, которое изменяется от 10 до сотен лет, в зависимости от сценария эксперимента.

7. Получено, что увеличение температуры поверхности океана вследствие глобального потепления за сравнительно короткий срок может прогреть донный осадочный слой высоких широт и дестабилизировать метангидраты. Однако увеличение потока метана в атмосферу незначительно. В зависимости от условий сценария величина потока метана принимает значения от нескольких единиц до 18 Тг в год, что лежит в пределах имеющихся в литературе оценок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Щербаков А.В., Синяговская В.В.(Малахова В.В.) Экстраполяция Ричардсона на неравномерной сетке в задаче адвективно-диффузионного переноса // Труды ВЦ СО РАН, Сер. Численное моделирование в задачах атмосферы, океана и окружающей среды. -1993. -№1.~ С. 47-59.

2. Щербаков А.В., Малахова В.В., Анцыз Е.Н. Численная модель Мирового океана с учетом Ледовитого океана II Препринт ВЦ СО АН СССР. - № 1055.-1995.-29 с.

3. Scherbakov А.V., Malakhova V.V. Numerical model of methane transport by the océan current // Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph. - Océan and Environment Studies. - 1996. - Issue 2. - P.69-82.

4. Щербаков A.B., Малахова В.В. Численная модель переноса метана океанскими течениями // Препринт ВЦ СО АН СССР. - № 1106. — 1997.-21 с.

5. Малахова В.В. О параметризации горизонтальной турбулентной вязкости // Тр. конференции молодых ученых. - Новосибирск. - 1997. -Вып.З. - С. 136 -146.

6. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. Mathematical simulation of methane inflow into the atmosphère from decomposed subbottom methanehydrates // Bull. Nov. Сотр. Center, Num. Model. in Atmosph. Océan and Environment Studies - 1998. - Iss.4. -P.77-82.

7. Щербаков A.B., Малахова B.B., Непомнящий В.Г. О стационировании решений линеаризованной задачи о климате Мирового океана // Препринт ИВМиМГ СО РАН. - 1998. - №1141. -13 с.

8. Малахова В.В. О влиянии ветра на формирование климата Мирового океана // Труды конференции молодых ученых. - Новосибирск. - 1998. - С.120 -128.

9. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. On the sensitivity The World ocean model to the vertical resolution // Bull. NCC. Ser. Num. Mod. Atmosphere, Ocean and Environment Studies. - 1999. - Iss.5. - P. 41-53.

10. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. Mathematical simulation of the methane inflow into the atmosphere from the ocean methanhydrates // Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph. - Ocean and Environment Studies. -2000.-Issue 6.-P.63-71.

11. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. On the deep water formation in the World Ocean model // Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph., Ocean and Environment Studies. - 2000. - Iss. 6. - P. 73-78.

12. Малахова В.В. О возможной дестабилизации метангидратов под действием климатических изменении // Труды конференции молодых ученых. - Новосибирск. - 2001. - С.162-168.

13. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. Simulation the global ocean response to warming and cooling the surface waters of the century scale // Bull.NCC. Seri Num. Model. Atmosph., Ocean and Environment Studies. - 2001. -Issue 7. - P.69-76.

14. Scherbakov A.V., Malakhova V.V., Eremeev F.A. Richardson's extrapolation without interpolation in problems of advective-diffusive transport // Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph., Ocean and Environment Studies. - 2001. - Issue 7. - P.77-85.

15. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. On possible increase of the methane flux into the atmosphere from the destabilized methane-hydrates under changes of the ocean surface temperature // Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph., Ocean and Environment Studies. - 2002. - Iss.8. - P. 51-58.

16. Щербаков A.B., Малахова В.В. Математическое моделирование потока метана в атмосферу в результате разложения метангидратов Мирового океана // Оптика атмосферы и океана. - 2005. - Том 18. -№5-6. - С.485-489.

17. Щербаков А.В., Малахова В.В. Моделирование отклика глобального океана на изменение климата // Материалы Международной конф. "Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования", Ханты-Мансийск - 2005. - С. 208-215.

18. Malakhova V.V., Scherbakov A.V. Simulation of spatial distribution of the sea bottom methane-hydrates and estimates of the methane fluxes into the atmosphere // Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph., Ocean and

' Environment Studies.-2005. - Issue 10,-P: 29-38! "

19. Щербаков A.B., Малахова B.B. Моделирование разложения метангидратов Мирового океана в результате длительного потепления // Сборник материалов международного научного конгресса "Гео-Сибирь-2006". - 24-28 апреля 2006 г. - Т. 3. - 4.2. - С. 86-92.

20. Щербаков A.B., Малахова В.В. Моделирование пространственного распределения метангидратов Мирового океана и потока метана в атмосферу // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т.19. -№б.- С. 530535.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА РАСТВОРЕННОГО МЕТАНА ОКЕАНИЧЕСКИМИ ТЕЧЕНИЯМИ

Малахова Валентина Владимировна

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Лицензия ИД № 02202 от 30 июня 2000 г.

Подписано в печать 22.08.2006 г.

Формат 60 х 84 1/16

Тираж 100 экз._

Объём 1 п. л., 1 уч. изд. л. Заказ № fojr_

Отпечатано в ООО «Омега Принт» 630090, Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 6

Введение.

Глава 1. Моделирование глобальных процессов динамики океана.

1.1 Линеаризованная постановка задачи гидротермодинамики океана.

1.2 Метод выделения баротропной составляющей вектора скорости.

1.2.1 Вывод уравнений для полных потоков и интегральной функции тока.

1.2.2 Определение градиентов давления и уровня.

1.3 Пространственная аппроксимация уравнений модели.

1.3.1 Неравномерная сетка по вертикали.

1.3.2 Аппроксимация уравнения для функции тока.

1.3.3 Дискретизация уравнений переноса тепла, соли и растворенного метана.

1.4. Исключение схемной вязкости на последовательности вложенных сеток.

1.4.1 Экстраполяция Ричардсона на неравномерной сетке.

1.4.2 Экстраполяция Ричардсона в задачах адвективного переноса.

Глава 2. Эксперименты по численному моделированию термохалинной циркуляции Мирового океана.

2.1 Построение расчетной области, включающей Северный Ледовитый океан.

2.2 Постановка численных экспериментов в приближении плоского дна.

2.2.1 Проблема теплового тренда.

2.2.2 Установившееся решение задачи о климате океана. Роль ветрового воздействия.

2.3 Моделирование климата океана с учётом рельефа дна.

2.3.1 Чувствительность модели к вертикальному разрешению.

2.3.2 Климатическая изменчивость океана.

2.3.3 Параметризации турбулентной вязкости.

2.3.4 Формирование североатлантических глубинных вод океана.

Глава 3. Численное моделирование переноса метана океаническими течениями на основе модели термогидродинамики океана.

3.1 Метангидраты в породах дна морей и океанов.

3.2 Реакция океана на потепление и похолодание поверхностных вод.

3.3 Моделирование переноса растворённого метана океанскими течениями от источников в виде газогидратов, контактирующих с водой.

3.4 Модель возможной дестабилизации поддонных метангидратов под действием климатических изменений. щ 3.5 Учет зависимости глубины залегания метангидратов от пористости осадочного

3.6 Учет скорости разложения метангидратов.

Актуальность проблемы. Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли, [3]. Современные представления о механизмах глобального потепления атмосферы за последние 150 лет отводят на долю метана 15% прироста средней температуры вследствие парникового эффекта. Хотя это в четыре раза меньше аналогичной оценки для углекислого газа, соответствующей 61%, тем не менее, потенциальный вклад метана в глобальное потепление, удельное поглощение метаном теплового излучения Земли, в 20-27 раз больше, чем потенциал углекислого газа, [1,8,149]. Увеличение концентрации метана в атмосфере составляет 12% в год [112], что превышает рост углекислого газа. Так за последние сорок лет концентрация метана увеличилась примерно на 30% и в настоящее время составляет 1770 ppb, [1].

Суммарные оценки поступления метана в атмосферу от разных источников, как результат обобщения литературных данных, приведены в таблице 1, в соответствии с [1]. Авторами выполнена оценка глобального поступления метана в атмосферу на основе наблюдаемого ежегодного прироста его содержания, [1]. Как видно, океаны вносят незначительный вклад в общий баланс, всего 1-3%. Однако потенциально опасный источник метана, который может включиться при повышении температуры, - это гидраты метана, которые обнаружены в большом количестве в донных осадках морей и океанов. Природные газовые гидраты - это такой компонент геосферы, который может серьезно влиять на климат и экологическую ситуацию за счет неконтролируемых выбросов и утечек большого количества метана в атмосферу [64, 114-119, 127]. По различным оценкам, [1], возможный выход метана в атмосферу из залежей газогидратов с учетом их термодинамического равновесия составляет 5-200 Тг/год, таблица 1.

Прогнозируемые в результате возможных климатических изменений повышение уровня океана и рост температуры поверхности Земли на 1-3°С в течение столетия, безусловно, могут вызвать глобальную перестройку в сложнейшей системе циркуляции потоков в атмосфере и гидросфере планеты, определяющей климат, [18,48].

После открытия природных газовых гидратов возникла необходимость всесторонней оценки их роли в приповерхностных слоях геосферы, особенно в связи с возможным влиянием их на процессы, приводящие к глобальным климатическим изменениям.

Таблица 1

Мощность естественных и антропогенных источников метана по [1]

Глобальный поток метана в атмосферу, в г/год источники метана Литературные Результаты обобщения данные авторов

Естественные источники

Биогенные

Болота 105-300 300

Термиты 37-150 150

Почва 10-80 80

Тундра 1-13 13

Всего 153-543 «540(18%)

Литосферные и гидросферные

Океаны 3-50 50

Пресноводные водоемы 2-10 10

Вулканы 0,2 0,2

Газо гидраты 5-100 «200

Метаморфизм, СОХ и др. -500

Месторождения природного газа ~500

Нефтяные месторождения 10

Угольные пласты ~100

Грязевые вулканы 1-3

Всего 10-160,2 -1360(45%)

Антропогенные источники

Сельское хозяйство 250-780 -780(26%)

Промышленность и энергетика 43,7-182 «320(11%)

Общее количество 457-1665,2 «3000

Цель работы. Дать количественную и временную оценку возможного процесса разложения метангидратов с помощью математической модели, которая описывает перераспределение тепла в системе океан - осадочный слой морского дна. Опираясь на фактическую информацию о размещении залежей метангидратов, задавая определенный сценарий потепления атмосферы, определить временной масштаб проникновения этого потепления через воды океана в донный осадочный слой океана. Оценить его дестабилизирующее воздействие, оценить временной масштаб начала разложения и объемы метана, которые могут поступить в океан, частично раствориться в его водах, а частично достичь атмосферы.

Обзор литературы и решаемых задач по проблеме. Газовые гидраты -твердые кристаллические соединения газа и воды, образующиеся при определенных термобарических условиях, в которых молекулы газа (обычно метана) размещаются внутри молекул воды, приобретая вид снега. При этом объем метана в газогидрате уменьшается почти в 200 раз. При разрушении газогидрата, а происходит это при уменьшении давления или увеличении температуры, выделяется большой объем газа. Газовые гидраты относятся к так называемым клатратным соединениям или соединениям включения [8, 12, 14], поскольку молекулы газов ("гости") внедряются в молекулярные полости льдоподобного каркаса ("хозяина"), образованного молекулами воды посредством водородных связей. Структура гидрата метана описывается формулой СН4-5.75Н20, она содержит 46 молекул воды и до 8 молекул метана, [29, 115, 117]. Так в 1 м3 гидрата может содержаться 170 м3 метана при нормальных условиях, при этом объем занимаемый газом в гидрате не превышает 20%, [147]. Общие сведения о газовых гидратах приведены в работах [7,14, 29].

В природных условиях газогидраты метана обнаружены в донных осадках морей и океанов. Для их образования необходимо наличие водной среды, достаточное количество газа и определенное соотношение давления и температуры, [114, 116, 100]. Например, газогидрат может образоваться в донных осадках при давлении 25 атмосфер и температуре 0°С. Если температура выше, то для образования газогидрата необходимо увеличение давления. Предположение о том, что на глубине нескольких сотен метров ниже морского дна находится зона, содержащая газогидраты, впервые было высказано российскими океанологами, [30]. Позднее оно было подтверждено геофизиками многих стран. С конца 70-х годов в рамках международных океанологических программ начались целенаправленные исследования океанического дна. В итоге обнаружены многочисленные свидетельства наличия газогидратов в придонной части осадочной толщи океанов, [12, 44, 92, 93,117,118, 128].

В океанах и морях газогидраты обычно встречаются на глубинах от 300-400м до 1000-1200 м и более. Они насыщают верхний двухсотметровый слой донных осадков, содержатся в поровом пространстве в виде прослоек, линз, в рассеянном состоянии и составляют 10-20% от общего объема осадков, [78, 85, 170]. Имеются сведения о более чем ста выявленных газогидратных залежей [30, 44, 46, 118]. Возникший сейчас во всем мире интерес к этому виду энергоресурсов определяется, прежде всего, тем, что запасы природного газа, преимущественно метана, в газогидратном состоянии весьма велики. В некоторых публикациях [27, 29, 118] приводятся оценки содержания метана в газовых гидратах, на порядки превосходящие запасы природного газа в свободном состоянии. Оценки количества метана, заключенного в субмаринных метангидратах, колеблются в очень широких пределах [46, 118]: от 0.2 • 10,5м3 , [44], до 7600-10,5м3 ,[82]. В обоих случаях это значительно превышает суммарное количество метана в

19 атмосфере, оцениваемое величиной 4600 - 5000 Тг (Тг = 10 г), [3, 112]. Поэтому дестабилизация хотя бы 0.23% от минимальной оценки удваивает содержание метана в атмосфере, что в результате парникового эффекта может поднять среднюю температуру атмосферы в ближайшие 40-50 лет на 0.3-0.4К, [149]. Сегодня запасы метана в газогидратном виде в среднем л оцениваются как около 2-10 м [И8]. Освобождение этого парникового потенциала имело бы страшные последствия для человечества. Потепление может вызвать разложение гидратов, а освобождающийся при этом метан приведет к дальнейшему потеплению. Таким образом, может начаться самоускоряющийся процесс [114].

Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состоянии, и подвергаются опасности разложения при небольшом повышении температуры (порядка одного - нескольких градусов) - это, прежде всего метангидраты в зонах вечной мерзлоты и особенно отложения континентальных арктических шельфов [45, 117]. Вследствие отклика на современное потепление, [18], уже происходит либо начнет происходить разрушение некоторой части океанических метангидратов, как свидетельствуют некоторые модельные расчеты, [64, 114, 127]. В модельных расчетах представлены три механизма способствующих началу разложения газогидратных залежей: увеличение поверхностной температуры океана в полярных областях, [127, 145], повышение температуры воды в донных слоях, [74, 96, 100, 139], и понижение уровня океана и, как следствие, понижение давления, [119, 127].

Метангидраты Мирового океана залегают в осадочном слое на сравнительно небольшой поддоной глубине, начиная с нескольких метров, и даже могут выходить на поверхность дна. По сравнению с метангидратами вечной мерзлоты, которые изолированы от тепловых воздействий атмосферы слоем мерзлого грунта порядка 200 м, поддонные метангидраты Арктического бассейна, зона стабильности которых начинается с морских глубин 200-250 м, более подвержены тепловому воздействию. Возникающая в высоких широтах осенне-зимняя конвекция способна быстро транспортировать потеплевшие поверхностные воды на большие глубины и вызывать разложение поддонных метангидратов, как считает Нисбет, [145], в течение нескольких лет после начала потепления. Квенволден, [114], также считает, что залежи поддонных метангидратов Арктического бассейна наиболее подвержены тепловому воздействию, но оценивает временной масштаб в несколько столетий.

Количественный масштаб возможного выделения метана неизвестен, так как залежи метангидратов слабо изучены, но он может быть огромен, как считают эксперты Гринпис, [5]. Моделируемое глобальное потепление на 1°С донных вод океана, [74], может привести к выделению порядка 90 Гт метана за период в несколько десятилетий. Возможное увеличение температуры воды у дна во всей акватории океана на 2°С, [96], и как результат разложение слоя метангидратов толщиной 1метр, способствует потоку метана в атмосферу 7- 45 Тг/год в течении 100- летнего периода. С другой стороны, большинство существующих оценок возможного разложения метангидратов более оптимистичны, например, Квенволден [114] считает, что поступление метана от поддонных газогидратов будет порядка 2-4 Тг/год, т.е. менее 1% ежегодного поступления метана в атмосферу от всех источников.

Если океан рассматривается как стационарная среда с постоянным термическим градиентом, то время возможного разложения поддонных метангидратов по моделям теплопроводности оценивается в 3000-4000 лет, [101]. В более поздней работе [89] этих же авторов время до возможного начала разложения метангидратов оценивается периодом в 1000 лет. Оценка в 104 года получена в рамках двумерной модели, которая применялась для исследования стабильности поддонных метангидратов на шельфе Аляски, [150]. В двумерной модели [50] для океана и берегового осадочного слоя было получено, что через 5-10 лет после начала потепления тепловой сигнал с поверхности океана проникнет в осадочный слой и может начаться разложение метангидратов.

Глобальное присутствие газогидратов метана в поддонных областях Мирового океана и в вечной мерзлоте, [92], и результаты исследования пузырьков воздуха из ледяных кернов Гренландии и Антарктиды, [19, 20, 21], натолкнули ряд исследователей на гипотезу о доминирующем влиянии разложения газогидратов метана на изменение климата Земли и, в частности, на завершение последнего ледникового периода, [79, 81, 111, 127, 144, 146].

Анализ ледяных кернов говорит о том, что повышение температуры и рост концентрации метана и диоксида углерода в атмосфере шли в ту эпоху параллельно друг другу. К сожалению, точность таких определений недостаточна для установления последовательности событий: что возникло раньше - повышение температуры, вызвавшее разложение газогидратов, или наоборот.

Метан, как и многие другие примеси, исчезает из атмосферы, в основном в реакции с радикалом ОН: ОН + Cbi}= Н20 + СН3. Предполагается, что весь освобожденный метан будет выведен всего за 10 лет. Проведенное моделирование [140], показало, что, когда быстро и значительно увеличивается количество метана в атмосфере, молекулы кислорода и водорода не в состоянии моментально вступить в реакцию со всем количеством метана в атмосфере, разлагая его постепенно. В результате, оставшийся в чистом виде метан задерживается в атмосферных слоях на сотни лет, вызывая достаточно сильное потепление климата.

В работах [113, 109, 166] приведено описание математических моделей диссоциации газовых гидратов, сосуществующих с газом в пластах. В целом, применение математического моделирования при исследовании газовых гидратов не получило пока широкого распространения.

Океан, покрывающий более чем на 70% поверхность земного шара, является сложной системой, в которой формируются мощные планетарные течения, происходит перенос тепла из одних районов Мирового океана в другие. Предположение, что океан меняется очень медленно, оказалось неверным. Так в субтропиках за последние 45 лет вода на глубине 1100 м нагревалась на 1°С за столетие, что обуславливалось смещением вертикальной структуры океана. Напротив, вода Северной Атлантики за последнее десятилетие охладилась на 1.15°С и опреснилась, [9].

Математическое моделирование в физической океанографии всегда связано с решением нелинейных уравнений термогидродинамики. Решение таких задач в полной постановке аналитическими методами невозможно. и

Прогнозирование реальных явлений, имеющих место в Мировом океане возможно на основе использования численных методов с учетом физических процессов, [35, 36, 43]. Поэтому создание численных моделей динамики океана является актуальной задачей современной океанографии.

В настоящее время существует несколько численных моделей крупномасштабной циркуляции Мирового океана. Это как более сложные, полные модели, [6, 10, 26, 65, 66, 75, 99], так и упрощенные, линеаризованные, более грубые, но экономичные модели, [84, 102, 130, 151, 152, 153, 174]. Современные модели успешно воспроизводят климатическое распределение температуры и солености, а также их изменчивость. По своей «физической структуре» они близки друг к другу: используют одинаковую исходную систему уравнений. Для практической реализации уравнения моделей заменяются конечномерными аналогами, так что вычисляемые поля представляются на некоторой сетке точек, покрывающей Мировой океан. При решении задач долгопериодной динамики океана обычно в моделях используется невысокое пространственное разрешение - шаг сетки по горизонтали составляет 3-5 градусов широты и долготы и 10-20 уровней по вертикали, [11]. Это связано с тем, что для анализа квазиустановившейся циркуляции океана необходимо проводить расчеты на большой срок по. времени - порядка нескольких тысячелетий.

К настоящему времени в моделировании процессов океанской изменчивости достигнуты определенные результаты как с точки зрения понимания физических основ и особенностей явлений, так и с точки зрения численного воспроизведения основных закономерностей крупномасштабной термодинамики. Численные эксперименты последнего времени с моделями циркуляции Мирового океана выявили ряд задач. К ним можно отнести несколько направлений, связанных с вычислительным экспериментом, [10]. • Выяснение роли и вкладов процессов диффузии и конвекции в формировании основных крупномасштабных особенностей полей океанских характеристик, [39, 63, 68, 72, 77, 87,103,105].

• Изучение вопросов, связанных с чувствительностью модельного решения к заданным на поверхности океана внешним источникам, [130, 69-71, 120, 141,171].

• Рассмотрение вопросов связанных с существованием множественных квазиравновесных модельных режимов циркуляции океана при одинаковом внешнем воздействии, [106, 167, 169, 173]. Это направление представляет значительный интерес с точки зрения исследования палеоклиматических изменений, где океан, возможно, играл ведущую роль.

• Восстановление общей структуры и изучение сезонной и межгодовой изменчивости климатических полей с помощью физически полных трехмерных моделей. При этом в моделях большое внимание уделяется максимальному приближению к действительным условиям, а именно: более точному описанию источников, геометрии океанского бассейна, уточнению физической параметризации, повышению сеточного разрешения модели, [75, 88,132, 141,163, 168].

• Изучение внутренней временной 10-100-летней изменчивости океана, [11, 83,136,143, 172,173].

Поставленные и решаемые задачи.

1. Использование экономичной вычислительной модели, удовлетворительно воспроизводящей основные черты крупномасштабной структуры Мирового океана, пригодной для проведения численного интегрирования на большой срок по времени.

2. Построение математической модели переноса растворенного метана океаническими течениями от потенциально возможных источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием глобального потепления.

3. Моделирование пространственного распределения газогидратов в осадочном слое океана, как возможных источников метана.

4. Оценка объемов и временных масштабов притока метана в атмосферу в результате возможных климатических изменений. Представленная в настоящей работе численная модель крупномасштабной циркуляции Мирового океана является дальнейшим развитием модели, разработанной Щербаковым [51-52], основанной на квазистационарных линеаризованных уравнениях движения и полном уравнении переноса тепла и соли с пространственным разрешением пять градусов. Развитие заключается в учете следующих факторов при построении численной модели.

• Учет солености, которая в [52] была постоянна или учитывалась только косвенно. В моделировании крупномасштабной динамики океана все большее внимание начинает уделяться эффектам солености, их влиянию на формирование глобальной структуры гидрологических полей. Особую роль эффекты солености могут играть в акваториях высоких широт и в приполярных областях, [169].

• Использование в модельных расчетах нелинейного уравнения состояния Мамаева либо в форме рекомендованной Юнеско, [34, 36]. Показано, что использование линейного уравнения состояния в [52] завышает бароклинную компоненту вектора скорости и интегральную меридиональную циркуляцию, что наряду с другими факторами приводит к тепловому тренду, [62].

• Учет Арктического бассейна в модели, при использовании обычной широтно-долготной сетки. При построении численной модели учитываются особенности, связанные с определением шаблона конечно-разностных схем вблизи Северного полюса. Включение Арктического бассейна способствовало учету в модели холодных поверхностных вод Северной Атлантики и Ледовитого океана. Также включение Арктики обусловлено предполагаемым наличием здесь залежей метангидратов на сравнительно небольшой глубине порядка 100-200 метров.

• Учет реальной топографии дна. В работе [62] высказывалось предположение, что в моделях с плоским дном влияние баротропной ветровой компоненты скорости завышено, и получить реальный океанский климат невозможно. Включение в модель реального рельефа дна, а следовательно учета совместного эффекта бароклинности и рельефа дна (СЭБИР), [36, 43], как предполагалось, приведет к уменьшению влияния баротропной компоненты скорости.

• Учитывается параметризации теплового и солевого обмена со средиземноморскими водами, что приводит к повышению солености глубокого океана, распространению промежуточных антарктических вод вплоть до экватора и делает качественно верным вертикальный профиль средней солености Мирового океана. На поверхности задается сезонный ход температуры, солености из данных Левитуса и напряжения трения ветра.

• Трехмерная линеаризованная модель динамики Мирового океана соединяется с моделью переноса тепла в донном слое осадков для изучения процесса распространения теплового сигнала в глубь океана и в осадочный слой. Так как данные о распределении океанских метангидратов показывают, что они, как правило, залегают в осадочном слое на поддонных глубинах порядка сотен метров.

В работе исследуется зависимость климатических полей температуры и солености от вертикального разрешения, проведены численные эксперименты с 6, 12, 24, 36 и 72 расчетными уровнями. Модель позволяет варьировать коэффициенты турбулентной диффузии тепла и соли, которые задаются постоянными или изменяющимися с глубиной. Проводятся расчеты с учетом горизонтальной турбулентной вязкости в уравнениях движения.

Кратко опишем структуру разработанной модели переноса растворенного метана в океане от источников в виде дестабилизирующихся газогидратов метана в осадочном донном слое.

На первом этапе определяется начальное термохалинное состояние океана, поле тепла в донном осадочном слое и распределение растворенного метана в океанских водах.

• Климатическое состояние океана было получено из построенной трехмерной линеаризованной модели динамики Мирового океана, включающей сезонную изменчивость, с учетом реальной топографии дна и Арктического бассейна. Задача решалась в полигональной области Мирового океана на пятиградусной сетке от 72,5°ю.ш. до 87,5°с.ш. с 24 вертикальными уровнями до достижения квазистационарного состояния через время порядка нескольких тысяч лет.

• Далее, для каждой точки широтно-долготной сетки было рассчитано климатическое поле тепла в донном осадочном слое толщиной 1000 м с помощью уравнения теплопроводности с шагом 20 м по вертикали. В качестве граничных условий на верхней границе осадочного слоя, совпадающей с дном океана, задана температура придонной воды, которая получена из модели динамики океана, на нижней границе осадочного слоя задан геотермический поток тепла.

• Распределение растворенного метана получено из трехмерной модели динамики Мирового океана, дополненной адвективно-диффузионным уравнением переноса метана. Заданные на поверхности значения концентраций метана изменяются зонально от 50 ppb в южных высокоширотных областях океана до 100 ppb в северных высокоширотных областях.

На втором этапе моделируется процесс дестабилизации газогидратов метана. Предполагается, что метангидраты существуют в осадочном слое на дне и материковом склоне всюду, где выполняются термобарические условия их существования. Как только потепление от поверхности океана достигает глубины залегания метангидратов и увеличивает их температуру на определенную величину - допуск, начинается дестабилизация метангидратов. В модели дестабилизация задается как увеличение концентрации метана в придонной расчетной точке, либо как скорость разложения гидрата с учетом изменения температуры в осадочном слое океана. В дальнейшем исследуется перенос растворенного метана океаническими течениями в акватории Мирового океана от разлагающихся поддонных метангидратов и рассчитывается поток метана в атмосферу при различных сценариях атмосферных климатических изменений.

Построенная трехмерная численная модель гидротермодинамики Мирового океана, дополненная уравнением переноса метана и осадочным донным слоем достаточно экономична: на один год (36 шагов по времени) требуется на Pentium IV (1.8 Gg) 12 сек при 24 вертикальных уровнях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит рисунки и таблицы, которые расположены непосредственно в тексте диссертации, а также в трех приложениях.

Заключение

1. Получила дальнейшее развитие трехмерная численная квазигеострофическая модель гидротермодинамики Мирового океана, [5152]. Развитие заключается в учете следующих факторов: Арктического бассейна, солености, нелинейного уравнения состояния, реальной топографии дна и др. Модель может использоваться для проведения численных экспериментов по изучению долгопериодной изменчивости Мирового океана с модельным временем до нескольких десятков тысяч лет.

2. Модель воспроизводит основные черты океанского климата. В том числе достаточно реальный термо- и халоклин, среднюю температуру и температуру глубокого океана, основные макроциркуляционные системы, меридиональный перенос тепла в высокие широты.

3. Разработана математическая модель переноса растворенного метана океаническими течениями от потенциально возможных источников, обусловленных процессами разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием глобального потепления.

4. На базе фактической информации о размещении залежей метангидратов, получено модельное распределение газогидратов метана и глубина их залегания в осадочном слое океана с учетом геотермического градиента и пористости осадочного слоя океанского дна.

5. Рассчитано пространственное распределение растворенного метана в океане на основе трехмерной модели термохалинного состояния океана в результате переноса метана океаническими течениями от потенциально возможных источников.

6. С помощью сценарных экспериментов произведена оценка объемов и временных масштабов возможного притока метана в атмосферу от разлагающихся метангидратов. Модель дает разное время от начала потепления поверхностных вод до начала дестабилизации поддонных метангидратов, которое изменяется от 10 до сотен лет, в зависимости от сценария эксперимента. 7. Основной вывод заключается в том, что увеличение температуры поверхности океана вследствие глобального потепления за сравнительно короткий срок может прогреть донный осадочный слой высоких широт и дестабилизировать метангидраты. Однако увеличение потока метана в атмосферу незначительно. В зависимости от условий сценария величина потока метана принимает значения от нескольких единиц до 18 терраграмм в год, что лежит в пределах имеющихся в литературе оценок.

Полученные результаты имеют фундаментальный характер и направлены на исследование изменений климата Земли.

1. Адушкин В.В., Соловьев С.П., Турунтаев С.Б. Соотношение антропогенной и природной составляющей в потоке газов в атмосферу // Глобальные изменения природной среды - 2001. - Новосибирск. - Из-во СОРАН. - 2001. - С.249-265.

2. Анцыз Е.Н. Включение Арктического бассейна в модель Мирового океана // Труды конференции молодых ученых. Новосибирск. - 1995. - С. 3-16.

3. Бажин Н.М. Метан в атмосфере // Соровский образовательный журнал. 2000.- Том 6.-№3.-С. 52- 57.

4. Большаков A.M., Егоров А.В. Результаты газометрических исследований в Карском море // Океанология. -1995. Том 35. - №3. - С.399-404.

5. Глобальное потепление. Доклад Гринпис. Под ред. Дж.Леггета. М.: Изд-во МГУ, 1993.-272с.

6. Голубева Е.Н., Иванов Ю.А., Кузин В.И., Платов Г.А Численное моделирование циркуляции Мирового океана с учетом верхнего квазиоднородного слоя // Океанология. 1992. - Том 21. - С.1470-1493.

7. Гройсман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. Новосибирск: Наука. -1985.-94с.

8. Дядин Ю.А., Гущин A.JI. Газовые гидраты // Соровский образовательный журнал. -№3.- 1998.-С. 55-64.

9. Заварзин Г.А., Котляков В.М. Стратегия изучения Земли в свете глобальных изменений // Вестник РАН. 1998. - Т.68. - №1. - С.23-29.

10. Залесный В.Б. Численное моделирование термохалинной циркуляции Мирового океана // Метеорология и гидрология. 1998. - № 2. - С. 54-64.

11. Залесный В.Б. Мошонкин С.Н. Равновесный термохалинный режим модельной глобальной циркуляции океана // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1999. -Том 35. - №3. - С.371-398.

12. Зубова М.А.Гидраты природных газов в недрах Мирового океана. Обзорная информация ВНИИ эконом, минер, сырьевых геологоразвед. Работ, сер.Морская геология и геофизика. - 1988.- Вып.2. - С.1-63.

13. Ильин В.О. Анализ конечноразностных схем численного решения уравнения адвекции // Метеорология и гидрология. -1983. № 6. - С. 13-23.

14. Истомин В.А. Якушев B.C. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра. -1992. - 236с.

15. Каменкович В.М. Об интегрировании уравнений морских течений в неодносвязных областях // Докл. АН СССР. -1961. Том 138. - №5. - С.1076-1079.

16. Каменкович В.М. Основы динамики океана. Л.: Гидрометеоиздат. - 1973. - 240с.

17. Климок В.И., Кочергин В.П. О равномерной сходимости метода направленных разностей // Численные методы механики сплошной среды. 1973. - Т. 4. - № 4. - С. 37-43.

18. Кондратьев К.Я. Глобальные изменения на рубеже тысячелетия. Вестник РАН.2000. Т.70, №9.-с. 788-796.

19. Котляков В.М. Глобальные изменения природы в «зеркале» ледяного керна // Природа, 1992. № 7. - С.59-68 .

20. Котляков В.М. Скважина на станции Восток рассказывает о прошлом климате Земли. ГНТП // Глобальные изменения природной среды и климата. Избранные научные труды под ред. Лаверова Н.П. -Москва. - 1997. - С.281-291.

21. Котляков В.М. Четыре климатических цикла по данным ледяного керна из глубокой скважины «Восток» в Антарктиде // Изв.РАН. Сер. Геогр. 2000.- №1. - С.7-19.

22. Кочергин В.П. Введение в теорию и методы расчета океанических течений. Курс лекций. - Новосибирск. -1971. - 101с.

23. Кочергин В.П. Теория и методы расчета океанических течений. Москва: Наука. -1978,- 127с.

24. Кочергин В.П., Щербаков А.В. Исследование разностных схем для эллиптического уравнения с малым параметром при старших производных // Численные модели океанической циркуляции. Новосибирск. -1972. - С.7-24.

25. Кочергин В.П., Щербаков А.В. Численное моделирование термохалинной циркуляции Мирового океана // Вопросы динамики океана. JI. - 1984. - С. 43-50.

26. Кузин В.И., Моисеев В.М. Модель циркуляции северной части Тихого океана // Труды ВЦ СО РАН. Числ. модел. в задачах атмосферы и т.д. Новосибирск. - 1993. -№ 1. - С. 19-46.

27. Кузнецов Ф.А., Дядин Ю.А., Родионова Т.В. Газовые гидраты неисчерпаемый источник углеводородного сырья // Российский химический журнал. - 1997. - №6. -С.28-34.

28. Леин А.Ю., Вогт П., Крейн К.и др. Геохимические особенности газоносных (СН4) отложений подводного грязевого вулкана в Норвежском море // Геохимия. 1998. -N 3. - С. 230-249.

29. Макогон Ю.Ф. Природные гидраты: открытие и перспективы // Газовая Пром-сть.2001.-№5. -С.10-16.

30. Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Рос. Хим. жур. 2003. - Т. XLVII. - №3. - С.'70-79.

31. Малахова В.В. О влиянии ветра на формирование климата Мирового океана // Труды конференции молодых ученых. Новосибирск. - 1998. - С.120 -128.

32. Малахова В.В. О возможной дестабилизации метангидратов под действием климатических изменений // Труды конференции молодых ученых. Новосибирск. -2001.-С.162-168.

33. Малахова В.В. О параметризации горизонтальной турбулентной вязкости // Тр. конференции молодых ученых. Новосибирск. - 1997. - Вып.З. - С. 136 -146.

34. Мамаев О.И. Термохалинный анализ вод Мирового океана JI.: Гидрометеоиздат. -1987.-296с.

35. Марчук Г.И., Дымников В.П., Залесный В.Б. Математические модели в геофизической гидродинамике и численные методы их реализации. Д.: Гидрометеоиздат. -1987. - 296с.

36. Марчук Г.И., Саркисян А.С. Математическое моделирование циркуляции океана. -М.: Наука.-1988.-304с.

37. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука. -1977. - 456с.

38. Марчук Г.И. Повышение точности разностных схем. М.: Наука. -1979.

39. Обжиров А.И. Газогеохимические поля придонного слоя морей и океанов. М.: Наука.-1993.- 139с.

40. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир. - 1980. - 616с.

41. Самарский А.А., Андреев В.Б. Разностные методы для эллиптических уравнений. -М.: Наука. -1976.

42. Саркисян А.С. Численный анализ и прогноз морских течений. Д.: Гидрометеоиздат. - 1977.

43. Соловьев В.А. Газогидроносность недр Мирового океана. // Газовая промышленность. ~ 2001. №12. - с.19-23.

44. Соловьёв В.А., Гинсбург Г.Д., Телепнев Е.В. и др. Криогеотермия и гидраты природного газа в недрах Северного Ледовитого океана. JL: Севморгеология. -1987. - 150с.

45. Соловьев В.А. Природные газовые гидраты как потенциальное полезное ископаемое // Рос. Хим. жур. 2003. - Т. XLVII. - №3. - С.59-69.

46. Степанов В.Н. Мировой океан. Динамика и свойства вод. М., «Знание», 1974,256с.

47. Сценарии выбросов. Специальный доклад рабочей группы III МГЭИК. 2000. Межправительственная группа экспертов по изменению климата.

48. Шокин Ю.И., Яненко Н.Н. Метод дифференциального приближения. Применение к газовой динамики. Новосибирск: Наука. -1985,- 364с.

49. Щербаков А.В. О возможной дестабилизации поддонных метангидратов под действием глобального потепления // Вычислительные технологии. 1996. - Том 1. -№3.-С.106-117.

50. Щербаков А.В. Численная модель климата океана // Математические модели в исследовании динамики океана. Новосибирск. - 1988. - С.31-47.

51. Щербаков А.В. Эксперименты с численной моделью климата Мирового океана. -Препринт СОАН СССР. ВЦ. Новосибирск. -1989. - №859. - 59с.

52. Щербаков А.В., Малахова В.В. Математическое моделирование потока метана в атмосферу в результате разложения метангидратов Мирового океана // Оптика атмосферы и океана. -2005. Том18. - № 5-6. - С.485-489.

53. Щербаков А.В., Малахова В.В. Моделирование пространственного распределения метангидратов Мирового океана и потока метана в атмосферу // Оптика атмосферы и океана. 2006. - Том19. - № 6. - С.530-535.

54. Щербаков А.В., Малахова В.В. Численная модель переноса метана океанскими течениями // Препринт ВЦ СО АН СССР. № 1106. - 1997. - 29с.

55. Щербаков А.В., Малахова В.В., Анцыз Е.Н. Численная модель Мирового океана с учетом Ледовитого океана // Препринт ВЦ СО АН СССР. № 1055. -1995. - 29с.

56. Щербаков А.В., Малахова В.В., Непомнящий В.Г. О стационировании решений линеаризованной задачи о климате Мирового океана // Препринт ИВМ и МГ СО РАН.-1998.-№1141.-13с.

57. Щербаков А.В., Моисеев В.М. Разностная схема для адвективно-диффузионного уравнения // Препринт ВЦ СО АН СССР.- № 631. 1985. - 17с.

58. Щербаков А.В., Непомнящий В.Г. Установившееся решение задачи о климате Мирового Океана // Препринт ИВМ и МГ СО РАН. -1997. №1108. -15с.

59. Adamec D. The treatment of mixing processes in advective models // Advanced Phys. Oceanogr. Numerical Modelling. 1986. - P. 495-510.

60. Brewer, P.G. Gas hydrates and global climate change. In: Holder, G.D., Bishnoi, P.R.

61. Eds.), Gas Hydrates: Challenges for the Future. Ann. N.Y. Acad. Sci. 2000. - Vol. 912. -P. 195-199.

62. Bryan F. Parameter sensitivity of primitive equation ocean circulation model // J. Phys. Oceanogr. 1987. - V.17. - P.970-985.

63. Bryan K. A numerical method for the study of the circulation of the World Ocean // J. Comput. Phys. 1969. - V. 4. - P. 347-376.

64. Buffett В., Archer D. Global inventory of methane clathrate sensitivity to changes in the deep ocean // Earth and Planetary Science Letters.- 2004. No.227 - P. 185-199.

65. Cai W. Circulation driven by observed surface thermohaline fields in a course resolution ocean general circulation model // J.Geoph.Res. 1994. - V.99. - No.C5. - P.1016310181.

66. Cai W. Surface thermohaline forcing conditions and the response of the present-day global ocean climate to global warming//J.Geoph.Res. 1996. - V.101. - No.Cl. - P.1079-1093.

67. К 71. Cai W. Surface heat flux parameterizations and the variability of thermohaline circulation

68. J.Geoph.Res. 1995. - V.100. - N0.C6. - P.10,679-10,692. 72. Cessi P. Convective adjustment and thermohaline excitability // J. Phys. Oceanogr. - 1996. -V.26.-P.481-491.

69. Cicerone R. J., Oremland R. S. In Global Biogeochem. Cycles. 1998. - № 2. - P. 299327.

70. Chamberlain J.W., Foley H.M., MacDonald G.J., Ruderman M.A. Climate effects of minor atmospheric constituents U In: Clark W.C. (Ed.), Carbon Dioxide Review, Oxford Univ. Press, New York. -1983 P.255- 277.

71. Cox M.D. An idealized model of the world ocean. Part 1: The global-scale water masses. // J. Phys. Oceanogr. 1989. - V.19. -P.1730-1752.

72. Cox M.D. A primitive equation, 3-dimensional model of the ocean. GFDL Ocean Group Tech. Rep. -1984. - No. 1. - 143p.

73. Cummins P., Holloway G., Gargett A.E. Sensitivity of the GFDL ocean circulation model to a parameterization of vertical diffusion // J. Phys. Oceanogr. 1990. - V.20. - P.817-830.

74. Davie M.K., Buffett B.A. A numerical model for the formation of gas hydrate below the sea floor // Journal of Geophysical Research. 2001. - Vol.106. - P. 497-514.

75. Dickens G. R. A methane trigger for rapid warming? // Science. 2003- Vol.299.- P 1017.

76. Dickens G.R. The potential volume of oceanic methane hydrates with variable external conditions // Org. Geochem. 2001. - No. 32. - P.l 179-1193.

77. Dillon W. P., Max M. D. Oceanic gas hydrate // In M. D. Max (Ed.), Natural gas hydrate in oceanic and permafrost environments. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. 2000. -P.61-76.

78. Dobrynin V.M., Korotajev Y.P., Plyuschev D.V. Gas hydrates a possible energy resources // In: Long-term energy resources. Eds R.F. Meyer, J.C.Olson. Boston: Pitman, 1981.-P.727-729.

79. Drijfhout S., Heinze C., Latif M. et al. Mean circulation and internal variability in an ocean primitive equation model // J. Phys. Oceanogr. 1996. - V.26. - P.559-580.

80. Drijfhout S.S., Maier-Reimer E., Mikolajewicz U. Tracing the conveyor belt in the Hamburg large-scale geostrophic ocean general circulation model // J. Geophys. Res. -1996. -Vol. 101.-No.C10.-P.22563-22575.

81. Egeberg P.K., Dickens G.R. Thermodynamic and pore water halogen constraints on gas hydrate distribution at ODP Site 997 (Blake Ridge). Chemical Geology. 1999. - Vol.153. - P.53-79.

82. Ehhalt D.H. The atmospheric cycle of methane // Tellus. 1974. - Vol. 26. - № 1-2. -P.58-70.

83. England M.H. On the formation of the global-scale water masses in ocean general circulation models // J. Phys. Oceanogr. 1993. - V.23. - P. 1523-1552.

84. Folland C.K., Parker D.E. Correction of instrumental biases in historical sea-surface temperature data // J. Roy. Meteor. Soc. No. 121. - P.319-367.

85. Fung I., John J., Lerner J. et al. Three- Dimensional Model Synthesis of the Global Methane Cycle // Journal Geoph. Res. -1991. Vol.96. - No.D7.- P.13033-13065.

86. Ginsburg G.D., Kvenvolden K.A., Soloviev V.A. Worldwide distribution of subaquatic gas * hydtates // Geo-Marine Letters. 1993. - V.13. - P.32-40.

87. Ginsburg G.D., Soloviev V.A Submarine gas hydrate estimation: Theoretical and empirical approaches // 27th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas. 1995. -P.513-518.

88. Glasby G.P Potential impact on climate of the exploitation of methane hydrate deposits offshore // Marine and Petroleum Geology. 2003. - V.20 - P. 163-175.

89. Gordon A.L. Interocean exchange of thermocline water // J. Geoph. Res. 1986. - V.91. -No.C4. - P.5037-5046.

90. Gornitz V., Fung I. Potential distribution of methane hydrates in the world's oceans // Global Biogeochem. Cycles. 1994. - Vol. 8. - P.335-347.

91. Halpert M.S., Bell G.D. Climate assessment for 1996 // Bull. Amer. Meteor. Soc. No.78. -P. 1-49.

92. Han H., Il'in V. P., Kellog R. B. Flow directed iteration for convection dominated flow// Proc. BAILV Conf. Boole Press. 1988. - P. 7-17.

93. Han Y.-J. A numerical world ocean general circulation model. Part 1: Basic design a barotropic experiment. Part 2: A baroclinic experiment // Dyn. Atmos. Oceans. 1984. -No.8. -P.107-172.

94. Harvey L.D.D., Huang Z. Evaluation of the potential impact of methane clathrate destabilization on future global warming // J. Geophys. Res. 1995. - V. 100(D2).1. A P.2905-2926.

95. Hatzikiriakos S.G., Englezos P. The relationship between global warming and methane gas hydrates in the earth // Chemical Engineering Science 1993. - V.48. - №.23. - P.3963-3969.

96. Hasselmann К. An ocean model for climate variability studies // Progr. Oceanogr., -1982. No. 11.- P.69-92.

97. Hirst A.C., Cai W. Sensitivity of a World Ocean GCM to Changes in Subsurface Mixing Parameterization // J. Phys. Oceanogr. 1994. - Vol.24. - P. 1256-1279,

98. Holbrook W. S., Hoskins H., Wood W. Т., Methane Hydrate and Free Gas on the Blake Ridge from Vertical Seismic Profiling // Science. Vol.273. - Is. 5283 - 1996. - P.1840-1843.

99. Hu D. On the sensitivity of thermocline depth and meridional heat transport to vertical diffusivity in OGCMs // J. Phys. Oceanogr. -1996. V.26. - P.1480-1494.

100. Huang R.X., Chou L. Parameter sensivity study of the saline circulation // Climate Dyn. -1994.-Vol.9.-P.391-409.

101. Hyndman R.D., Davis E.E. A mechanism for the formation of methane hydrate and seafloor bottom-simulating reflectors by vertical fluid expulsion // J. Geophys. Res. -1992- V.97-P.7025-7041.

102. Intergovernmental panel on climate change: Policy Makers Summary. United Nation. March 12,1990.

103. Jamaluddin A.K., Kalogerakis N., and Bishnoi P.R. Modeling of Decomposition of a Synthetic Core of Methane-Gas Hydrate by Coupling Intrinsic Kinetics with Heat-Transfer Rates // Canad. J. Chemical Engineering, December 1989, V.67, P.948-954.

104. Kamath V. A., Holder G. D., Angert P. F. Three phase interfacial heat transfer during the dissociation of propane hydrates// Chemical Engineering Science. -1984 -Vol. 39, No. 10. -P.1435-1442.

105. Kennett J., Cannariato K.G., Hendy I.L., Behl R.J. Carbon isotopic evidence for methanehydrate instability during Quaternary interstadials // Science. 2000. - NO. 288. - P. 128133.

106. Khalil M.A.K., Rasmussen R.A. Sources, sinks and seasonal cycles of atmospheric methane//J. Geophys. Res. 1983. - 88(C9). -P.5131-5144.

107. Kim H.C., Bishnoi P.R., Heidemann R.A and Rizvi S.S.H. Kinetics of Methane Hydrate Decomposition // Chemical Engineering Science. -1987 V.42. - No. 7. - P.1645-1653.

108. Kvenvolden K.A. Gas hydrates geological perspective and global change// Reviews of A Geophysics. - 1993.-№ 31. - P. 173-187

109. Kvenvolden K.A., Claypool G.E. Gas hydrates in oceanic sediment // U.S.Geolog.Surv. Open-File Rep. 1988. - P.88-216.

110. Kvenvolden К.A. Methane hydrates and global climate // Global biogeochemical cycles. 1988. - Vol.2. - №3. - P.221-229.

111. Kvenvolden, K.A. Methane hydrate-a major reservoir of carbon in the shallow geosphere?// Chem. Geol. -1988. № 71. - P. 41-51.

112. Kvenvolden, K.A. Potential effects of gas hydrate on human welfare// Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1999. - No. 96. - P. 3420-3426.

113. Kvenvolden, K.A., Barnard, L.A., Hydrates of natural gas in continental margins. // In: Watkens, J.S., Drake, C.L. (Eds.), Studies in Continental Margin Geology. Am. Assoc. Pet. Geol. Mem. 1983. - Vol. 34. - P.631-640.

114. Large W.G., Danabasoglu G., Doney S.C. et al. Sensitivity to surface forcing and boundary layer mixing in a global ocean model: Annual-Mean Climatology // J.Phys.4~ Oceanogr. 1996. - Vol. 26. - №7к> - P.l 129-1141.

115. Lawrimore J. H., Halpert M. S., Bell G. D. et al. Climate Assessment for 2000 // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 2001. Vol. 86, N 6. - P. SI- S55.

116. Levitus, S. Climatological Atlas of the World Ocean// NOAA Prof.Paper.- 1982. 13, U.S. Govt. Printing Offoce, 173p.

117. Levitus S., Antonov J. I., Wang J., et al. Delworth Anthropogenic warming of Earth's climate system// Science. 2001. Vol. 292, N 5515. - P. 267-270.

118. Linke P., Suess E., Torres M.et al. In situ measurement of fluid flow from cold seeps at active continental margins // Deep-Sea Res.-1994. V.41 - P.721-739.

119. MacDonald, G.J., 1982. The Long-term Impacts on Increasing Atmospheric Carbon Dioxide Levels. Ballinger, Cambridge, MA.

120. MacDonald G.J. Role of methane clathrates in past and future climates // Clim. Change. -1990.-V. 16.-P. 247-281.

121. Max, M. D., Lowrie, A. Oceanic methane hydrates: a frontier gas resource. Journal of Petroleum Geology. 1996. - V.19. - P. 41-56.

122. Maclver, R. D. Role of naturally occurring gas hydrates in sediment transport.// Bulletinof the American Association of Petroleum Geologists. 1981. - Vol.66. - P.789-793.

123. Maier-Reimer E., Mikolajewicz U., Hasselmann K. Mean circulation of the Hamburg LSG OGCM and its sensitivity to the thermohaline surface forcing // J. Phys. Oceanogr. -1993.-V.23.-P. 731-757.

124. Marotzke J. Boundary mixing and the dynamics of three-dimentional thermohaline circulations // J. Phys. Oceanogr. -1997. V.27. - P.1713-1728.

125. Maslin M.A., Burns S.J. Reconstruction of the Amazon basin effective moisture availability over the last 14,000 years // Science. 2000. - V. 290. - P.2285-2287.

126. Maslin M.A, Thomas E. Balancing the deglacial global carbon budget: the hydrate factor // Quaternary Science Reviews. -2003. -No.22. P. 1729-1736.

127. Mienert J., Andreassen K., Posewang J. et al. Changes of the Hydrate stability zone of the Norwegian margin from Glacial to interglacial times // Annals of the New York Academy of Sciences. 2000. - Vol. 912. - P. 201 -210.

128. Mikolajewicz U., Maier-Reimer E. Internal secular variability in an ocean circulation model// Report № 50, Max-Planck-Institut fur Meteorologie, Hamburg 1990. - 13p.

129. Mikolajewicz U., Santer В., Maier-Reimer E. Ocean response to greenhouse warming // Report № 49, Max-Planck-Institut fur Meteorologie, Hamburg 1990. - 13p.

130. Milkov A.V., Sassen R. Thickness of the gas hydrate stability zone, Gulf of Mexico continental slope //Marine and Petroleum Geology. 2000. - No.17. - P. 981-991.

131. Milkov A.V., Sassen R. Two-dimensional modeling of gas hydrate decomposition in the northwestern Gulf of Mexico: significance to global change assessment // Global and Planetary Change. 2003. - No. 36. - P. 3 M6.

132. Methane explosion warmed the prehistoric earth, possible again // http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/20011212methane.html 2001.

133. Moore A.M., Reason C.J.C. The response of a Global Ocean General Circulation model to climatological surface boundary conditions for temperature and salinity // J. of Physical Oceanogr. -1993. V.23. - № 2. - P. 300-328.

134. Moridis G.J. Numerical Studies of Gas Production From Methane Hydrates // SPE Journal. 2003. - V. 32(8). - P. 359-370.

135. Nisbet E.G. The end of the ice age // Canadian Journal of Earth Sciences. 1990. - V. 27, P.148-157.

136. Nisbet E.G. Some northern sources of atmospheric methane: production, history, and future implications // Canadian Journal of Earth Sciences. 1989. - V. 26. - P. 1603-1611.

137. Nisbet E.G. Sources of atmospheric CH4 in early postglacial time // Journal of ^ Geophysical Research. 1992. - V.97. - P. 12859-12867.

138. Nixdorf J., Oellrich L. R. Natural gas hydrates: From bane to boon? // Natural Resources Development. -1998. Vol. 47. - P.83-98.

139. Obzhirov A., Suess E., Salyuk A. et al. Methane Flares of the Ohkotsk Sea // Abstracts book of VI International conference on "Gas in marine sediments". St.-Peterburg. -2000.-P. 104.

140. Rasmussen R.A., Khalil M.A. Atmospheric methane (CH): trends and seasonal cycles // J. Geophys. Res. -1981. Vol.86 (CIO). - P.9826-9832.

141. Romanovsky V. E., Osterkamp Т. E. Gas hydrate stability zone dynamics and global climate change // Global Glimpses, Center for Global Change and Arctic System Research, University of Alaska Fairbanks. -1996. Vol. 4. - No. 2. - P. 4-5.

142. Salmon R. The thermocline as an "internal boundary layer" // J. Mar. Res. Vol. 48. -P.43 7-469.

143. Samelson R.M. Large-Scale circulation with locally enhanced vertical mixing // J. of Phys. Ocean. 1998. - Vol. 28. - P.712-726.

144. Seidov D. An intermediate model for large-scale ocean circulation studies // Dinamics of atmospheres and ocean. 1996. - V. 25. - P. 25-55.

145. Scherbakov A.V. Block iterative process for a difference advective-dififusive equation on sphere. Proceedings of the International Conference on Computational Mathematics.

146. Novosibirsk, ICM&MG Publisher, 2002. Part I. - P. 124-129.

147. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. Numerical model of methane transport by the ocean current // Bull.NCC. Ser. Num. Model. Atmosph. Ocean and Environment Studies. -1996.- №4.- P.69-82.

148. Scherbakov A.V. and Malakhova V.V. Mathematical simulation of methane inflow into the atmosphere from decomposed subbottom methanehydrates. Bull. Nov. Сотр. Center, Num. Model, in Atmosph. Ocean and Environment Studies Iss.3. -1998. - P.77-82.

149. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. On the sensitivity The World ocean model to the * vertical resolution // Bull. NCC. Ser. Num. Mod.Atmosphere, Ocean and Environment

150. Studies. -1999. Iss.4. - P. 53-72.

151. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. Mathematical simulation of the methane inflow into the atmosphere from the ocean methanhydrates // Bull.NCC. Ser. Num. Model. Atmosph. -Ocean and Environment Studies. 2000. - Iss. 5. - P.63-68.

152. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. On the deep water formation in the World Ocean model// Bull.NCC. Ser. Num. Model. Atmosph. Ocean and Environment Studies. - 2000. - Iss. 6. - P. 73-78.

153. Scherbakov A.V., Malakhova V.V. Simulation of the Global ocean response to warming and cooling the surface waters at century scale // Bull. Nov. Сотр. Center, Num. Model, in Atmosph. Ocean and Environment Studies. Iss.7.-2001. - P.69-76.

154. Scherbakov A.V., Malakhova V.V., Eremeev F.A. Richardson's extrapolation without interpolation in problems of advective diffusive transport // Bull. Nov. Сотр. Center, Num. Model, in Atmosph. Ocean and Environment Studies. - Iss.7. - 2001. - P.77-85.

155. Suess E., Torres M. E., Bohrmann G. et al. Gas hydrate destabilization: enhanced dewatering, benthic material turnover and large methane plumes at the Cascadia convergent margin // Earth and Planetary Science Letters. 1999. - V.170. - P.l-15.

156. Trofimuk A. A., Chersky N. V., Tsarev V. P. The role of continental glaciation and hydrate formation on petroleum occurrences // In: Future Supply of Nature-Made Petroleum and Gas. Ed. Meyer, R. F. New-York: Pergamon Press. -1977. -P.919-926.

157. Tsypkin G.G. Regimes of dissociation of gas hydrates coexisting with a gas in natural strata // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2001. - Vol. 74. - No. 5. -P.1083-1089.

158. Vellinga M. Multiple equilibria in ocean models as a side effect of convective adjustment //J. Phys. Oceanogr. 1998. - V. 28. - No. 4. - P.621-633.

159. Weaver A., Sarachik E.S. On the importance of vertical resolution in general circulation models // J. Phys. Oceanogr. 1990. - V. 20. - P.600-609.

160. Weaver A., Sarachik E.S. The role of mixed boundary conditions in numerical models of the ocean's climate // J. Phys. Oceanogr. 1991. - V. 21. - P.1470-14939.

161. Xu W., Ruppel C. Predicting the occurrence, distribution, and evolution of methane gas hydrate in porous marine sediments // Journal of Geophysical Research. 1999. - Vol.104. -P.5081-5095.

162. Xu, W., Greatbatch R.J., Lin C.A. The sensitivity of an eddy-resolving model to the surface thermal boundary conditions // J. of Geoph. Res. 1995. - Vol.100. - NO.C8. -P.15899-15914.

163. Yin F.L., Sarachik E.S. Interdecadal thermohaline oscillations in a sector ocean general circulation model: advective and convective processes// J. of Phys. Oceanography. 1995. -V.25.-No. 11.- P.2465-2484.

164. Zalesny V.B. Variability and equilibrium states of the world ocean circulation // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 1997. - Vol. 12. - No. 6. - P. 547-567.

165. Zhang S., Lin C.A., Greatbatch R. A Thermocline model for ocean-climate studies // J. Mar. Res. -1992. -No.50. -P.99-124.