Ру
EnНовосибирские ученые реализуют проект по моделированию процессов потепления в Арктике
В течение двух лет продолжается сотрудничество двух организаций СО РАН: Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) и Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука (ИНГГ) в рамках проекта «Разработка системы моделирования для анализа современного состояния и оценки тенденций будущих изменений природной среды сибирских шельфовых морей», поддержанного Российским Научным Фондом. Руководителем проекта является ведущий научный сотрудник ИВМиМГ СО РАН д.ф.м-н. Елена Николаевна Голубева, а ответственным исполнителем от ИНГГ СО РАН – заведующий лабораторией многоволновых сейсмических исследований д.ф.-м.н. Владимир Альбертович Чеверда.
– Метод математического моделирования в дополнение к анализу данных наблюдений в настоящее время признается одним их наиболее важных инструментов изучения климата Земли, позволяющим исследовать причинно-следственные связи между его компонентами: атмосферой, океаном, криосферой, биосферой, – рассказывает Елена Николаевна Голубева. – В ИВМиМГ СО РАН в течение многих лет разрабатываются и совершенствуются методы численного моделирования природных процессов. Созданная в институте трехмерная численная модель океана и морского льда описывает изменения температуры, солености, скорости течений океана, процессы формирования и таяния льда, его дрейф, изменение температуры осадочного слоя, происходящие как реакция на атмосферное воздействие.
По словам Е.Н. Голубевой, физические механизмы, которые управляют изменчивостью Северного Ледовитого океана, очень сложны и неоднозначны, а потому моделировать океан и лед чрезвычайно сложно. В данный момент это работа очень важна для исследования процессов в Северном Ледовитом океане и его шельфовых морях в связи с происходящими климатическими изменениями. Повышение температуры атмосферы, наиболее быстро происходящее в северных полярных широтах, получившее название «полярное усиление», и усиление ветровой активности приводят к тому, что шельфовые моря раньше освобождаются ото льда и позже становятся под лед. Увеличение продолжительности безледного периода сопровождается повышением температуры моря, что, в свою очередь, влияет на условия существования биологических сообществ, способствуя процветанию одних видов и гибели других.
В донных отложениях шельфа сибирских арктических морей в ледниковый период в результате снижения уровня моря сформировались многомерзлые породы, где возможно образование газогидратных залежей. Как показывает численная модель осадочного слоя, разработанная к.ф.-м.н. В.В. Малаховой, после затопления шельфа вплоть до настоящего времени происходит постепенное таяние субаквальной мерзлоты и нарушаются условия устойчивости газовых гидратов. Происходящее потепление в придонном слое воды может ускорить этот процесс и привести к усилению эмиссии метана в водную толщу с последующим его выходом в атмосферу.
– Проблема, которой мы занимаемся, связана с тем, что в донных отложениях арктических морей могут быть сосредоточены довольно существенные объемы газогидратов, – отмечает д.ф.-м.н. Владимир Альбертович Чеверда. – При потеплении эти газогидраты тают и в атмосферу в больших объемах выходит метан. Образуется замкнутая цепочка: потепление приводит к выделению метана – повышается парниковый эффект – потепление усиливается – и еще больше усиливается выделение метана. При этом скопления газа могут выходить на поверхность в районах с оживлённым судоходством и другой активной деятельностью человека, в частности, связанной с разработкой залежей углеводородов.
Исследования, проводимые на основе численных моделей в ИВМиМГ, позволяют выявить основные физические механизмы, определяющие современную климатическую изменчивость природной среды арктических шельфовых морей. Поставив сценарные численные эксперименты, включающие возможные вариации состояния атмосферы, ученые могут промоделировать последующие изменения в морях арктического шельфа, в том числе изменения в состоянии субаквальной мерзлоты. В рамках этого проекта РНФ в ИНГГ СО РАН прорабатывается методика, позволяющая не только отделять скопления газогидратов от других геологических объектов, но и оценивать их состояние, в частности, диагностировать начало растепления. В итоге проекта ученые представят модель таяния газогидратов и примерно опишут, когда и в каких объемах оно будет происходить при сохраняющейся тенденции потепления.
В дальнейшем этот проект можно будет перенести на другие регионы, не только на шельфовые районы арктических морей. Грант РНФ заканчивается в этом году, и его авторы намерены подать заявку на продолжение проекта еще на два года. В случае успеха, в ИНГГ и ИВМиМГ СО РАН будет разработана методика и создано специализированное программное обеспечение, ориентированное на использование современных вычислительных систем с параллельной архитектурой для контроля и анализа ситуации с таянием газогидратов, вызванного глобальным потеплением.
Иллюстрации к результатам численных экспериментов
Рис.1. Сокращение площади ледового покрова во втором десятилетии 21 столетия по результатам численного моделирования на основе модели океана и морского льда SibCIOM, разработанной в ИВМиМГ СО РАН. Концентрация льда представлена для сентября 2019 г. Красная линия показывает линию ледового покрова, осредненную за 2000-2010 гг.
Рис. 2. Изменение среднемесячной температуры морей, осредненной по мелководному шельфу в поверхностном (слева) и придонном слое (справа). Результат численного моделирования.
Рис. 3. Изменение температуры придонного слоя сибирских арктических морей в период 2000-2020 гг. по результатам численного эксперимента. Представлены поля разности среднегодовой температуры, осредненной за пятилетний период, и начальный период шести лет расчета 2000-2006 гг. В выделенных точках морей Лаптевых и Карского показан сезонный ход температуры в поверхностном (красный) и придонном (черный) слоях.
Рис. 4. А) Рассчитанная по результатам численного моделирования мощность зоны стабильности гидратов метана (в м). Б) Глубина залегания верхней границы зоны стабильности гидратов метана под морским дном (в м).