авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

«УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РАН МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ БИОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ БАЛАНСА УГЛЕРОДА (ПО НАТУРНЫМ И СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ И С ...»

-- [ Страница 4 ] --

Для иерархического описания экосистемы был применен компартментный подход, полностью поддерживаемый разработанной нами компьютерной онтологией (рис. 7.3.2, па нель Palette) описания макро- и микродинамики экосистем. Каждому из представленных объектов и связей в настоящее время приписываются, полученные в ходе полевых исследо ваний, количественные показатели (концентрация веществ и микроорганизмов) (рис. 7.3.2, панель Attributes), ведется уточнение параметров сетевой модели с целью более подробного описания изучаемой экосистемы и ее дальнейшего анализа.

Используемые источники 1. Брянская А.В., Таран О.П., Симонов В.А., и др. Геохимическая и микробиологическая характеристика содово-соленых экосистем Новосибирской области // Роль микроорганизмов в функционировании живых систем: фундаментальные проблемы и биоинженерные приложения (под ред. Власов В.В., Дегерменджи А.Г., Колчанов Н.А., Пармон В.Н., Репин В.Е.). – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. – С. 168-175.

7.4. Методика изучения структурно-функциональной организации древостоя Одной из актуальных задач экологии и лесного хозяйства является изучение структур но-функциональной организации (СФО) лесного массива, в частности условий роста и вы мирания отдельных деревьев в древостое. Исследователи, работающие в данном направле нии сталкиваются с определенными особенностями такой системы: 1) микро- и макродина мика;

2) ограниченный набор данных;

3) постоянное изменение системы из года в год;

4) внешние факторы: почва, ветер и т.п. Анализ таких многопараметрических систем может быть достаточно затруднен из-за вышеуказанных особенностей.

В данном исследовании мы постарались с использованием минимально доступного ко личества первичной информации изучить динамику СФО конкретного древостоя. Данное исследование справедливо для любого другого бореального древостоя, что может говорить о методике изучения сетевых моделей древостоя.

Программный пакет EcoNetStudio и разработанная нами методика были применены на первичных данных, полученных из Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Кузьми чев И.Н.). Было проведено ознакомление с методом сбора информации о древостое [Крав ченко, 1977].

На рис. 7.4.1 можно ознакомиться с примером рукописной карты, которая послужила основой для оцифровки и визуальной реконструкции сетевой модели. Помимо самой карты для работы были доступны данные на 1965, 1972 и 2003 гг. об атрибутах каждого дерева:

присутствие дерева, диаметр ствола, расстояние до ближайшего дерева и т.п.

Первичные данные были оцифрованы и на их основе реконструирована сетевая модель древостоя, представленная на рис. 7.4.2. Для ускорения процесса оцифровки карт был разра ботан механизм, который позволяет обрабатывать отсканированные изображения карты дре востоя размером до 300 деревьев за один рабочий день.

Рис. 7.4.1. Часть рукописной карты древостоя (277 вершин).

Рис. 7.4.2. Полная сетевая модель древостоя в пик ее роста (1972 г.).

Рис. 7.4.3. Сетевая модель древостоя на 2003 г.

Создание сетевой модели проводилось в рамках ранее представленной компьютерной онтологии описания макро- и микродинамики экосистем [Сергеев и др., 2006, Тимонов и др., 2011]. Были получены относительные координаты каждого дерева, что позволяет точно рас положить их в двухмерном пространстве, что важно для дальнейшего анализа древостоя.

На рис. 7.4.3 показано изображение графа древостоя на 2003 г. На рис. 7.4.4 показан график процентного соотношения прироста/вымирания деревьев с 1965 по 2003 гг.

Исходя из полученных данных, мы можем видеть, что наибольшая активность роста древостоя приходится на 1972 год. После 1972 года идет вымирание древостоя. В виду огра ниченного количества первичных данных, к сожалению, не известна точная динамика древо стоя с 1972 по 2003 гг. По мнению И.Н. Кузьмичева вероятность вымирания деревьев долж на зависеть от густоты древостоя. Однако, зависимость должна быть сложная: хотя идет са моизреживание, но в то же время густой древостой защищает от ветровала, причем все про цессы идут на фоне изменения, минимум, таких атрибутов, как диаметр ствола, расстояние до ближайшего дерева. Было высказано предположение, что ближайшие и дальние соседи должны по-разному влиять на выживание деревьев в древостое, но эмпирических рекомен даций по разграничению ближайших и дальних соседей или разбиению древостоя на участки по тем или иным характеристикам дано не было.

На основе первичных данных для дальнейшего анализа структурно-функциональной организации (СФО) модели нами была взята полная модель графа древостоя на 1972 г. В первую очередь, был проведен процесс кластеризации в программном пакете STATISTICA (http://www.statsoft.ru), который показал наличие от 5 до 15 кластеров. Мы остановились на 10, которые представлены на рис. 7.4.5. Расстояние каждого дерева до центра кластера было ис пользовано в дальнейшей работе.

Рис. 7.4.4. График прироста/вымирания деревьев в древостое с 1965 по 2003 гг.

Рис. 7.4.5. Кластерный анализа графа древостоя (10 кластеров).

Изучение структурно-функциональной организации модели с целью получения крите риев для прогнозирования поведения проводилось посредством дискриминантного анализа.

В качестве первичной экспертной оценки нами были установлены 3 критерия, основанные на дожитии деревьев по данным на каждый год: 1) 1965-2003 – полное дожитие (более 40 лет), 2) 1965-1972 – неполное дожитие (около 20 лет) и 3) только 1965, либо 1972 – нет развития (5-10 лет).

В соответствие с этими критериями было оценено каждое дерево в древостое, с учетом данных с 1965 по 2003 гг. После чего был проведен дискриминантный анализ в пакете STATISTICA, который помогает проследить зависимость определенных параметров с экс пертной оценкой. Для исследования были выбраны следующие параметры деревьев:

Количество деревьев в определенном радиусе (100, 200-300, 400-500 относительных единиц).

Расстояние от центра кластера (за образец было взято разделение на 10 кластеров, как самое удачное).

В результате дискриминантного анализа были получены профили опытных вероятностей, представленные на рис. 7.4.6 и 7.4.7, на основе которых можно судить о возможном влиянии выбранных параметров на развитие и вымирание древостоя. К примеру, видно, что увеличе ние количества деревьев в радиусе 100 единиц – ближайшие соседи (рис. 7.4.6, первый гра фик) - существенно снижает вероятность полного дожития дерева от 70% при отсутствии де ревьев до 25% при наличии 5 деревьев. Это также подтверждает увеличение вероятности бы строй гибели дерева с 4% до 9% по мере увеличения количества его ближайших соседей (рис. 7.4.7, первый график). Напротив, рост количества дальних соседей увеличивает вероят ность выживания дерева по обеим характеристикам. В то же время, вероятность быстрой ги бели дерева по мере отдаления от центра кластера выходит на плато (что говорит о про странственной ограниченности влияния ближайших соседей), тогда как вероятность дожития по мере отдаления продолжает расти.

Рис. 7.4.6. Профили вероятностей полного дожития дерева.

Рис. 7.4.7. Профили вероятностей быстрой гибели дерева.

Из полученных наблюдений можно делать вывод о четкой зависимости дожития де ревьев от количества деревьев вокруг, что подтверждает эмпирические предположения на этот счет. Также, используя эти статистические данные, в будущем можно вывести четкие математические зависимости от расстояний между деревьями и их дожитием.

Используемые источники 1. Сергеев М.Г., Суслов В.В., Мигинский Д.С. и др. Опыт создания базы данных для описания экосистем с использованием сетевых технологий // Биоразнообразие и динамика экосистем (под ред. Шумный В.К., Шокин Ю.И., Колчанов Н.А., Федотов А.М.). – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. – С. 95-116.

2. Кравченко Г.Л. Архитектоника древостоев сосны обыкновенной. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу лесной таксации. – Брянск: Брянский технологический институт, 1977. – 17 с.

3. Тимонов В.С., Суслов В.В., Брянская А.В., Ефимов В.М., Колчанов Н.А. Подход и программные средства для описания макро- и микродинамики экосистем // Вест. Новосибирского гос. ун-та. Сер.: Информацион ные технологии. – 2011. – Т. 9, вып. 1. – С. 38-43.

4. STATISTICA – пакет для всестороннего статистического анализа. URL:http://www.statsoft.ru Часть 8. Пространственно-временное распределение метана при промыш ленных выбросах и его влияние на состояние растительности В данном разделе представлены результаты, полученные в кемеровском филиале ИВТ СО РАН, совместно с сотрудниками Института экологии человека СО РАН и Института оп тики атмосферы СО РАН.

8.1. Оценка эмиссии метана при угледобыче Подземная добыча угля сопровождается выделением метана из угленосных свит, кото рый представляет технологическую опасность. Для обеспечения безопасности на угольных шахтах применяют проветривание горных выработок с выводом разбавленного воздухом ме тана на поверхность, а также дегазацию угольных пластов и выработанных пространств. При добыче угля открытым способом метан выделяется в атмосферу из угольных пластов есте ственным образом.

Около 55 % от объема подземной добычи угля в России приходится на Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс), большая часть которого расположена в Кемеровской области.

При этом в регионе добывается почти 70 % всех коксующихся углей. Обобщенная эмиссия метана из угольных пластов может быть выполнена на основе применения методики МГЭИК. В соответствии с методикой для определения общей эмиссии метана учитываются его выбросы при:

добыче угля подземным способом;

добыче угля открытым способом;

последующей деятельности.

Из суммарной эмиссии метана вычитается объем метана извлеченного и использован ного метана.

Оценка эмиссии метана при подземной добыче угля представляется наиболее важной, т.к. добыча угля этим способом ведется на больших глубинах из угольных пластов, обла дающих высокой газоносностью. Инженерные службы шахт постоянно контролируют мета нообильность для предотвращения загазований горных выработок и обеспечения безопасной работы. Как правило, эти данные доступны в региональных службах Госгортехнадзора. По этому оценка эмиссии шахтного метана может быть получена с высокой точностью, соответ ствующей Ряду 3 методики МГЭИК. Рассмотрим результаты применение методики МГИЭК для оценки эмиссии метана на примере угледобывающих предприятий Кузбасса.

В табл. 8.1.1 представлен фрагмент данных, использовавшихся для оценки эмиссии ме тана при добыче угля подземным способом в Кузбассе в 1998 г. Изменение добычи угля под земным способом и снижение эмиссии метана, в 1990-1998 гг. приведено на рис. 8.1.1.

Табл. 8.1.1. Данные, использовавшиеся для оценки эмиссии метана из угольных шахт Кузбасса в 1998 г.

Шахта Добыча угля, Абсолютная метано- Общая эмиссия Общая эмиссия обильность, м3/мин. метана, м тыс. тонн метана, тыс. тонн Физкультурник 380 0,86 452016 0, Сибирское 550 1,94 1019664 0, Первомайская 750 15,85 8330760 5, Берозовская 495 18,41 9676296 6, Волкова 270 7,03 3694968 2, Кирова 2119 60,4 31746240 21, Кольчугинское 815 6,5 3416400 2, им. 7 Ноября 1048 32,6 17134560 11, Ярославского 480 17,1 8987760 6, Комсомолец 830 85,8 45096480 30, Рис. 8.1.1. Эмиссия метана и добыча угля подземным способом в Кузбассе в 1990-1998 гг.

Эмиссия метана при добыче угля открытым способом оценивалась по формуле:

Эмиссия (Гг СН4) = [Метаноносность (м3 СН4/т) + Предполагаемый коэффициент эмиссии для вмещающих пород (м3 СН4/т)] Объем добытого угля открытым способом (т) Переводной коэффициент (0,67 Гг/10 6 м3)].

Анализ геофизических данных крупнейшей угледобывающей компании региона «Куз бассразрезуголь», в состав которой входит большая часть угольных разрезов Кузбасса, пока зал, что десорбционные свойства угольных пластов, отрабатываемых разрезами, исследова ны недостаточно. Поэтому метаноносность определялась косвенно на основании данных о марочном составе углей, добываемых разрезами, и известном соответствии газоносности ма рочному составу. При отсутствии данных газоносность полагалась равной среднему значе нию, найденному для разрезов Кузбасса – 8,50 м3/тонн.

Табл. 8.1.2. Оценка эмиссии метана при добыче угля открытым способом.

Угольный разрез Добыча угля, Марка угля Газоносность, Эмиссия метана, м3/тонн тыс. тонн тыс. тонн Кедровский 5501,7 C 8,50 31, Моховский Д 1538,5 6,00 6, Сартаки Д 1579,1 6,00 6, Караканский Д 1775,0 6,00 7, Бачатский 6503,9 C 8,50 37, Красный Брод 3235,0 T 9,50 20, Киселевский 1071,2 C 8,50 6, Вахрушевразрезуголь Ж, Д 1612,5 8,50 9, Талдинский Ж, Д 2943,2 8,50 16, Ерунаковский Ж 2311,7 8,50 13, Листвянский 1140,0 T 9,50 7, Калтанский 786,3 T 9,50 5, Осинниковский 1448,8 T 9,50 9, Краногорский 3008,0 T 9,50 19, Томусинский 3223,0 C 8,50 18, Сибиргинский 2469,0 T 9,50 15, Ольжерский Ж,C,T 1303,0 8,50 7, Барзаский Нет данных 219,0 8,50 1, Шестаки 185,0 C 8,50 1, Прокопьевский Нет данных 530,0 8,50 3, Талдинский-Северный Нет данных 487,0 8,50 2, Березовкий Нет данных 141,0 8,50 0, Междуреченский 4003,2 T,C,K 10,00 26, Черниговский 3429,3 C 8,50 19, Задубровский Нет данных 500,0 8,50 2, Рис. 8.1.2. Добыча угля открытым способом и эмиссия метана в Кузбассе в 1990-1998 гг.

В табл. 8.1.2 приведены данные, которые использовались для расчета выбросов метана при добыче угля открытым способом в Кузбассе в 1998 г.

Изменение объемов добычи угля открытым способом и связанное с ним изменение эмиссии метана приведено на рис. 8.1.2.

Эмиссии метана при последующей деятельности оценивалась по формуле:

Эмиссия (Гг СН4) = Метаноносность (м3 СН4/т) Объем угля, добытого подземным способом (т) Доля метана, высвободившегося при последующих операциях (%) Переводной коэффициент (Гг/106 м3).

Вычисления проводились в предположении, что метан из угля, добытого открытым способом, выделился в атмосферу на стадии его извлечения из недр. Доля метана, высвобо дившегося при последующих операциях, принята 31%.

В табл. 8.1.3 приведен фрагмент исходных данных и оценка выбросов метана при по следующей деятельности.

Табл. 8.1.3. Оценка эмиссии метана при последующей деятельности (транспортировка и обогащение угля).

Шахта Газоносность, Добыча угля, Эмиссия метана, Эмиссия метана, м3/тонн м тыс. тонн тыс. тонн Физкультурник 14,5 380 179075 0, Сибирское 12 550 214500 0, Первомайская 25 750 609375 0, Березовская 26 495 418275 0, Волкова 13 270 114075 0, Кирова 21 2119 1446218 0, Кольчугинское 17 815 450288 0, Им. 7 Ноября 16 1048 544960 0, Ярославского 15 480 234000 0, Комсомолец 20 830 539500 0, Рис. 8.1.3. Снижение добычи угля подземным способом и эмиссия метана при последующей деятельности в 1990-1998 гг.

Рис. 8.1.4. Общая эмиссия и каптированный метан в Кузбассе в 1990-1998 гг.

Общая оценка эмиссии метана при последующей деятельности из угля, добытого под земным способом в 1990-1998 гг., приведена на рис. 8.1.3.

В Кузнецком угольном бассейне применяются системы дегазации угольных пластов.

Метан, каптируемый такими системами, имеет высокую концентрацию в метановоздушной смеси (40-90 %) и может быть эффективно использован для производства тепло- и электро энергии. Изменение объемов каптированного метана в Кузнецком угольном бассейне за де вять лет приведено на рис. 8.1.4. Однако в регионе не ведется утилизация метана в промыш ленных масштабах и поэтому объем использованного метана не учитывался при проведении анализа.

Общая оценка эмиссии метана, полученная с учетом выбросов метана при добыче угля подземным и отрытым способами, а также при транспортировке и обогащении угля в 1990 1998 гг. представлена на рис. 8.1.4.

Обобщая приведенные материалы, можно отметить, что общая эмиссия метана, обу словленная деятельностью угольных предприятий, прямым образом зависит от объемов до бычи угля, однако это необходимо подтверждать инструментальными замерами. Кроме этого необходимо также выяснить степень влияния метана на состояние растительного покрова горных предприятий. Однако здесь имеются и чисто методологические трудности, связанные с тем, что замеряемые концентрации каптированного метана обычно невысоки и требуется специализированная аппаратура, с помощью которой можно производить такие замеры. Ин ститутом угля и углехимии совместно с Институтом экологии человека СО РАН и Институ том оптики атмосферы СО РАН в 2006 году была выполнена работа, краткие результаты ко торой приводятся ниже.

8.2. Изучение влияния выброса метана на состояние растительного покрова горных предприятий В полевой сезон 2006 г. выполнялись измерения эмиссии СН4 на горном отводе шахты Комсомолец (рис. 8.2.1) с использованием средств автоматизированного высокоточного кон троля содержания этого газа в атмосфере с помощь современных приборов. Изучено влияние выбросов метана на состояние растительного покрова флористическими и геоботаническими методами. При выполнении работы решались задачи изменения морфометрических и биоло гических особенностей растений, произрастающих вблизи выбросов метана. В качестве объ екта исследования выбран горный отвод шахты «Комсомолец», расположенной в г. Ленинск Кузнецком (Кемеровская обл.).

Эксперимент. Для проведения замеров, осуществляемых на горном оводе шахты «Ком сомолец» использовался современный хроматограф АХТ. Для полноценного проведения эксперимента использовался также GPS-датчик для привязки точек замеров к местности и прибор для измерения скорости ветра Clim Air.

Рис.8.2.1. Расположение источника выброса метана: 1 вакуум-насосная станция;

2 диспетчерский пункт.

Рис. 8.2.2. Схема расположения точек отбора проб воздуха. Значение приземной концентрации и направление ветра с его средней скоростью на ВНС дегазационной установки № 301 шахты «Комсомолец»:

1 вакуум-насосная станция;

2 диспетчерский пункт.

Все замеры приземной концентрации, скорости и направление ветра проводились, как это требовалось для дальнейшего математического моделирования, на высоте 2 м от поверх ности земли. Реперные точки располагались по строго ориентированной оси имеющей юго западное направление. На расстоянии 20 м от непосредственного источника выброса метана, закреплялась реперная точка. Как только GPS датчиком осуществлялась привязка к местно сти, в данной точке проводились одновременно замеры приземной концентрации и средней скорости ветра, а также фиксировалось направление ветра. Расстояние удаления от источни ка выброса метана составляло по 20 метров и далее до каждой точки также по 20 метров как показано на рис. 8.2.2. Данные по замерам скорости ветра (рис. 8.2.3) сведены в табл. 8.2.1.

Судя по направлениям ветра в точках замера концентраций метана и сопутствующих метеопераметров, направление ветра во время проведения экспериментов менялось от юго западного до западного (находилось в секторе 220-270 угловых градусов при отсчете от на правления на север по часовой стрелке).

Скорость ветра на высоте 2 метра была порядка 1.5-2 м/сек, что позволяет заключить, что на высоте флюгера она может быть принята 2,5 м/сек. Наличие возвышения рельефа по направлению ветра показывает, что поправка на рельеф в соответствие с ОНД-86 может быть принята 1.4-1.5.

Состояние устойчивости атмосферы при скорости ветра 2.5 м/сек и умеренной солнеч ной активности (облачность порядка 5 баллов) может быть классифицирована как слабо не устойчивая или нейтральная.

Таким образом, условия переноса примеси из источника метана близки к тем, для кото рых на основе численного решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии разработаны расчетные схемы ОНД-86.

Характеристики источника выброса приведены в табл. 8.2.2. Выбросы получены из ус ловия, что в момент проведения замера из устья вент. трубы выходила газовоздушная смесь с содержанием метана 40%. Таким образом, в объеме 0.67 м3/сек содержалось 0.67*0.4 = 0.268 м3 метана. При плотности 0.68 кг/м3 получаем 0.268*0.68.

Табл. 8.2.1. Единичное и среднее значение скорости ветра для различных замеров для одной реперной точки.

Sветра, м/с Репер № замер №1 замер №2 Sср, м/с 1 2,90 2,44 2, 2 3,00 2,88 2, 3 2,23 2,33 2, 4 0,98 1,74 1, 5 0,63 1,28 0, 6 0,56 1,37 0, 7 1,79 1,66 1, 8 2,35 2,25 2, 9 1,00 1,18 1, Рис. 8.2.3. Скорость ветра для различных замеров для одной реперной точки.

Табл. 8.2.2 - Характеристика источника загрязнения атмосферы.

Номер Количество Параметры Параметры газовоздушной смеси источ- метана, выбрасываемого ника источн. загрязнен. на выходе источника загрязнения в атмосферу загря- Высота Диаметр, Скорость Объемный Температура, Максимальное, Суммарное, знения С м разм.сечен м/с расход, г/с т/год м3/с устья, м 0001 3,0 0,2 21,33 0,67 32 61,841 1950, Результаты расчета представлены на рисунках 8.2.4-8.2.5 и в таблицах 8.2.3-8.2.8. На рисунке 8.2.4 показаны изолинии максимальных приземных концентраций метана при поис ке максимума по направлению ветра в секторе от юго-западного до западного ветра. Рису нок 8.2.5,а иллюстрирует тот факт, что все контрольные точки при незначительном отклоне нии ветра от среднего потока могут быть покрыты областью загрязнения с концентрацией метана более 90 мг/м3, что получилось по результатам замеров в некоторых точках. А ри сунки 8.2.5, а и б показывают, что при скорости ветра 2.5 м/сек факел краткосрочного (разо вого) загрязнения от точечного источника является достаточно узким, и часть контрольных точек может оказаться в зоне с высоким загрязнением, а часть в зоне с практически нулевой концентрацией. Поэтому результаты анализов весьма чувствительны к тому, каково в мо мент проведения замера направление ветра. В таблице 8.2.4 показано, что в пределах сектора направления ветра от западного до юго-западного (от 220 до 270 угловых градусов) можно для каждой точки отбора проб подобрать такое направление вера, при котором расчеты и за меры хорошо согласуются как по значению концентрации метана, так и по оцененному при замере направлению ветра в данной точке (показано на рисунках стрелкой в точке замера).

Таким образом, весьма хорошее для данного класса задач совпадение результатов экспери мента с модельными расчетами показывает, что, скорее всего, параметры источника выброса и условия распространения примеси в атмосфере оценены достаточно качественно.

Рис. 8.2.4. Максимальные концентрации метана при изменении направления ветра в секторе от юго западного до западного, скорость ветра Vср=2,5 м/сек.

а б Рис. 8.2.5. Максимальные концентрации метана при изменении направления ветра в секторе юго-западного (а) и в сектор западного (б), скорость ветра Vср=2,5 м/сек.

Табл. 8.2.3. Характеристика концентраций по реперам. Табл. 8.2.4. Результаты расчетов.

Замеренная концентрация Расчет по направлению ветра Репер № Репер № % ppm mg 240 250 260 270 1 0,0037 37 0 3,27 40,91 89,09 40, 26, 2 0,0007 7 12,15 71,84 83,37 19,72 0, 4, 3 0,0141 141 24,44 91,25 70,18 10,4 100, 4 0,0014 14 5,81 56,58 100,22 37,32 2, 9, 5 0,0054 54 94,64 69,54 9,78 0 38, 6 0,0013 13 23,89 0,95 0 0 9, 7 0,0134 134 0 4,78 51,25 98,88 40, 95, Табл. 8.2.5. Результаты расчетов. Таблица 8.2.6. Результаты расчетов.

Направление ветра при Замеренная концентрация Репер Расчетные максимальной приземной по модели Репер № № значения концентрации метана % ppm mg 1 89,09 270 1 0,0037 37 26, 2 94,45 256 2 0,0007 7 4, 3 99,12 253 3 0,0141 141 100, 4 101,47 259 4 0,0014 14 9, 5 101,39 243 5 0,0054 54 38, 6 100,82 227 6 0,0013 13 9, 7 99,24 269 7 0,0134 134 95, Таблица 8.2.7. Результаты расчетов. Таблица 8.2.8. Результаты расчетов.

Рассчитанное Замеренная концентрация Репер Замеренная Направ Репер по модели на- № % ppm mg концентрация ление № правление по модели ветра 1 0,0037 37 26, ветра 2 0,0007 7 4, 1 28,76 282 3 0,0141 141 100, 2 4,8 4 0,0014 14 9, 3 99,12 5 0,0054 54 38, 4 8,94 276 6 0,0013 13 9, 5 39,38 254 7 0,0134 134 95, 6 8,4 244 7 95,53 267 8.3. Влияние выбросов метана на растительный покров Влияние выброса метана на растительный покров практически ни кем не изучалось.

Причиной является характер самого газа, который значительно легче воздуха и при всплыва нии на поверхность тут же уходит в более высокие слои атмосферы. В работе И.М. Гаджиева с сотр. (2001) авторы пришли к выводу, что попытки разового или даже неоднократного из мерения концентрации метана в припочвенном слое воздуха ни коем образом не может от ражать реальной картины эманации. Влияние метана на растительный покров авторы не рас сматривали.

В.А. Меркулов (1981) пишет: «наблюдениями установлено, что в зонах выхода метана на дневную поверхность почва теряет свою структуру, сильно уплотняется, приобретает се рый цвет, а вся растительность на ней погибает». Но эти наблюдения, очевидно? не были подкреплены конкретными исследованиями и анализами.

Теоретически метан может попадать в открытые устьица растений и под действием окислительных пероксидаз окисляться, образуя ядовитые для растений радикалы, тем самым снижая их продуктивность.

Целью данного исследования явилось изучение влияние постоянных выбросов метана на растительный покров.

Объектом исследования явилась скважина, расположенная на шахтном поле шахты «Комсомолец» в окрестностях г. Ленинск-Кузнецкий на левом берегу в пойме реки Ини.

Особенности рельефа заключались в том, что со стороны реки с северо-восточной экс позиции в 40 м находится довольно высокая дамба – 10.7 м. Поэтому было высказано пред положение, что при сильных юго-западных ветрах метан обязательно будет перемешиваться с воздушными массами и прижиматься к поверхности почвы (рис. 8.3.1). При этом неизбе жен контакт как с древесными так и с травянистыми растениями. Длительность существова ния скважины и роза ветров обеспечивают постоянный контакт выбросов метана с расти тельным покровом в течение нескольких лет существования скважины. Поэтому появилась уникальная возможность оценить аккумулятивный эффект воздействия метана на растения.

Насыпь сложена горельником и покрыта почвенно-плодородным слоем более 20 лет назад. За это время на ней сформировалось простое разнотравно-злаковое сообщество, на ходящееся в определенной сукцессионной стадии. Среди злаков доминирует Elytrigia repens, Poa pratensis, среди разнотравья – Achillea saiatica, Potentilla canescens, Cjnvolvulus arvense, Heteropappus canescens. Встречались одиночные деревья сосны обыкновенной, яблони ягод ной, клена ясенелистного, сосны обыкновенной.

Исследования проводились путем закладки двух трансект по юго-западному склону дамбы. Первая трансекта проходила по направлению рассеивания метана, вторая за предела ми влияния выбросов (контроль). Визуально было обнаружено, что растения, находящиеся в зоне метанового выброса, особенно, сосна имеют худшие показатели роста и жизненности.

Рис. 8.3.1. Возможная схема «прижимания» метана к Рис. 8.3.2. Распределение метанового пятна и места склону дамбы: 1,2,3 – учетные площади;

4 – источник взятия растительных проб: 1,2,3 – учетные площади;

4 – источник метано-воздушной смеси;

5 – скважина.

метано-воздушной смеси;

5 – скважина.

Индикационными показателями выбраны у лиственных пород – площадь листьев, у со сны – длина ширина разновозрастной хвои, вес 100 хвоинок.

На трансектах (рис. 8.3.2) в трех точках: подножье, склон и вершина выполнено по од ному стандартному геоботаническому описанию с закладкой учетных площадок 100 м 2.

Фиксировалось наличие ярусов, определялось общее (ОПП в %) и парциальное проективное покрытие видов. Выявлен флористический состав, измерена высота доминирующих расте ний, сделаны укосы для определения продуктивности.

Площадь листьев изучалась весовым методом с взвешиванием листьев на весах Ains worth CP – 3000 с точностью до 0.01 г. Для яблони ягодной повторность состояла из пяти ли стьев текущего прироста, у клена ясенелистного – по одному листу.

Результаты исследований. Всего на изучаемой площади обнаружено 28 видов на кон трольной трансекте – 19 видов, над действием факела метана – 18 видов (табл. 8.3.1). Наи большей встречаемостью обладают Elytrigia repens, Achillea asiatica, Berteroa incana, Convol vulus arvensis, Heteropappus altaicus, Poa pratensis, Potentilla canescens.

Общее проективное покрытие в контроле 87%, под действием факела метановой сме си – 77%. Эти различия являются, вряд ли достоверными.

Обращает на себя внимание довольно значительное снижение парциального проектив ного покрытия тысячелистника азиатского, который обильно представлен на участках, испы тывающих действие метана и почти полное отсутствие вида в контроле. Этот факт может быть объяснен только более сильными процессами задернения в контроле злаками.

Табл. 8.3.1. Изменение флористического состава под влиянием выброса метана.

подножье склон вершина Виды растений Контр. выброс Контр. выброс Контр. выброс 1 ярус Elytrigia repens 5 20 20 20 Artemisia sieversiana 3 Sisymbrium loselii 2 ярус Achillea asiatica + 30 20 + Arctium tomentosum + Artemisia sieversiana + + + Berteroa incana 5 10 5 + + Convolvulus arvensis 10 + 10 + 5 + Cynoglossum officinalis + + Elytrigia repens + Erigeron acris + Fragaria viridis + Festuca pratensis + Heteropappus altaicus + + + + + Inula Britannica + + + Ktpidium ruderale + Lappula stricta + Linaria vulgaris + + Malus baccata (самосев) + Medicago falcate + + + Phlomis tuberosa + Plantago media + + + Poa pratensis 60 60 + + 30 Polygonum undulatum + Potentilla canescens 20 10 5 10 20 Potentilla elegantissima + Potentilla multifida + + + Sisymbrium loselii + + + Taraxacum officinalis + + + + Vicia cracca + ОПП, % 100 70 70 80 90 Количество видов 16 14 9 13 12 Табл. 8.3.2. Продуктивность растений на дамбе, г/м2 (воздушно-сухой вес).

Контроль Влияние выброса метана Группы Показатель растений основание склон вершина основание склон вершина Злаки Сырой вес,г 35.4 40.8 7.7 18.2 17.1 14. Сырой вес,г 0.9 3.0 3.1 1. Сухой вес, г Бобовые 0.2 1.1 1.3 0. Влажность,% 77.8 63.3 58.1 64. Сырой вес,г 27.4 38.4 22.8 29.0 37.7 33. Разнотра Сухой вес, г 11.4 17.2 12.3 17.3 18.4 17. вье Влажность,% 58.4 55.2 46.0 40.3 51.2 45. Сырой вес,г 62.8 80.1 33.5 50.3 54.8 49. Сухой вес, г Общий вес 31.5 42.1 17.7 30.0 27.7 26. Влажность,% 49.8 47.4 47.2 40.6 49.5 45. Сырой вес,г 58.8 51. Средние Сухой вес, г 30.4 28. показатели Влажность,% 48.1 45. а б Рис. 8.3.3. Состояние хвои сосны обыкновенной: а выброс метана;

б – контроль.

В целом флористический состав, как под действием метана, так и в контроле относится к корневищной стадии сингенетических сукцессий на техногенных землях.

Среди редких растений отмечена находка Potentilla elegantissima, которая раньше для Кемеровской области была отмечена только для окр. г. Гурьевска (Определитель…2001).

Произведенные измерения продуктивности показали, что в целом выбросы метана не сказываются на продуктивности напочвенного покрова. В контроле продуктивность даже несколько выше – 30.4 г/м2, против участка с выбросом метана – 28. 2 г/м2. Однако это раз личие едва ли можно считать достоверным. Продуктивность в контроле могла быть и выше, но на вершине дамбы площадка сильно утоптана и это снизило общую продуктивность (табл. 8.3.2).

Под влиянием постоянно действующего влияния выброса метана жизненное состояние сосны резко ухудшается. Возраст хвои составляет 3 года. В контроле – 4 года (рис. 8.3.3).

Необходимо отметить, что и условия контроля не оптимальны для сосны, поскольку нормальный возраст сосны в антропогенно незагрязненной среде 5-6 лет (Куприянов и др., 2003). Приросты побегов последние 5-6 лет крайне малы и составляют 1-2 см, против 30- см в контроле. Длина хвои в контроле практически в два реза больше, чем у сосны, произра стающей под влиянием метанового облака. Ширина хвои меньше на 24% (табл. 8.3.3).

Воздушно сухая масса хвои под влиянием выброса метана составляет только 39% от контроля (табл. 8.3.4).

Под влиянием метанового выброса площадь листьев изученных деревьев заметно уменьшается у обеих пород: у яблони ягодной на 15%, клена ясенелистного на 39% (табл. 8.3.5).

Табл. 8.3.3. Параметры хвои сосны обыкновенной.

Возраст хвои, № Контроль Выброс метана лет повторности Длина, см Ширина, см Длина, см Ширина, см 1 год 1 5,3 0,9 4,1 0, 2 6,0 0,7 3,8 0, 3 4,0 0,7 4,0 0, 4 6,1 0,8 3,9 0, 5 6,7 1,4 4,0 0, 6 5,9 0,9 4,2 0, 7 6,5 1,3 3,9 0, 8 4,1 0,6 3,4 0, 9 5,8 0,5 3,6 0, 10 6,0 0,7 3,5 0, средняя 5,6 0,85 3,8 0, 2 год 1 6,2 1,2 2,0 0, 2 6,5 1,2 2,1 0, 3 6,1 1,3 1,8 0, 4 6,2 1,3 1,9 0, 5 6,5 1,4 1,8 0, 6 6,5 1,4 2,1 0, 7 6,4 1,4 1,9 0, 8 6,5 1,4 1,9 0, 9 6,4 1,4 1,8 0, 10 6,1 1,4 1,7 0, средняя 6,3 1,34 1,9 0, 3 год 1 6,6 1,3 3,9 1, 2 6,4 1,3 4,5 1, 3 6,2 1,3 4,0 1, 4 6,3 1,2 3,9 1, 5 6,5 1,3 4,5 1, 6 7,1 1,1 4,0 1, 7 6,3 1,2 3,8 1, 8 6,0 1,2 3,9 1, 9 6,4 1,3 4,1 1, 10 7,2 1,4 4,2 1, средняя 6,5 1,26 4,0 1, Общая средняя 6.13 1.15 3.23 0. Табл. 8.3.5. Площадь листьев древесных растений, шт/см2.

Вариант повторность площадь Яблоня ягодная Контрольный участок 1 2 3 Табл. 8.3.4. Воздушно-сухая масса 100 шт хвои Ср сосны обыкновенной, г.

Выброс метана 1 Повторность Контроль Метан 2 1 2,0 1,2 3 2 2,4 1,3 Ср 3 2,7 0,7 Клен ясенелистный 4 2,4 0,6 Контрольный участок 1 Среднее 2,4 0,95 2 3 4 ср Выброс метана 1 2 3 4 Ср Таким образои, влияние метана на растения изучается слабо, поскольку метан, выделя ясь из глубин горных пород, очень быстро улетучивается. Определить места его выброса в естественных условиях чрезвычайно сложно. Поэтому исследуемый объект представляет уникальную модель воздействий метана на растительный покров.

На флористический состав и продуктивность в данном случае выбросы метана оказы вают незначительное влияние. Это связано с тем, что метан, даже «прижимаемый» юго западными ветрами быстро улетучивается. Если бы метан проходил по трещинам в почве эффект был бы во много раз больше.

На древесные растения метан оказывает большое влияние. В частности очень чувстви тельной оказалась сосна обыкновенная, жизненное состояние которой значительно ухудши лось под воздействием метанового выброса (в частности, уменьшился возраст хвои до трех лет, масса и размеры хвои). У лиственных древесных растений достоверно уменьшилась площадь листьев.

8.4. Оценка запасов парникового газа метана в угольных шахтах Выполнена оценка запасов парникового газа метана в угольных шахтах. На основании обработки экспериментальных данных установлено подобие поверхностей распределения метана (газоносности угольных пластов) и его залегания (рис. 8.4.1). Поверхности, рассчи тываемые по основным параметрам (например, поверхность градиента), также демонстри руют аналогичное поведение. С учетом проведенных численных экспериментов, можно де лать прогноз распределения метана в угольных пластах, имея только характеристики залега ния. Установленные закономерности следует подтвердить на основе более представитель ной экспериментальной выборке. Однако это связано с дополнительным шахтным экспери ментом, что потребует значительных финансовых вложений.

Рис. 8.4.1. Поверхности залегания угольного пласта (Hм), природной метаноносности и приведенной энергии для пласта 3 шахты Чертинская 8.5. Измерение выбросов метана из шахт со спутниковых систем Анализ обзора существовавших и существующих спутниковых систем для получения информации об атмосферном метане показывает, что преобладают лимбовые схемы измере ний. Такие схемы эффективно работают в стратосфере и выше. Спутниковые системы, по зволяющие обнаружить метан в тропосфере, немногочисленны: HIRS, IASI, IMG, MIPAS, SCIAMATCHY, TES. Отдельные спутниковые приборы мало пригодны для количественных измерений применительно к поставленной задаче ввиду большого угла поля зрения прибора, что сильно увеличивает пространственные размеры излучающего пиксела на поверхности Земли (более 10 км2). Наиболее подходящий режим измерений – надирный, имеют приборы HIRS (его более поздний аналог MODIS) и TES.

Измеряемые в ходе эксперимента величины связаны с характеристиками поглощения.

Так, например, в задаче измерения собственного излучения Земли и атмосферы эта связь оп ределяется известным уравнением переноса, которое имеет вид [1,2]:

P ( z, h, ) h I (h, ) B (To ) P (ho, h, ) B (T ( z )) dz, (1) z ho h P (ho, h, ) A(, ')P( ', ho, h, )d ' ;

P( ', ho, h, ) exp ( ', z )dz, cos( ) ho где P (ho, h, ) – функция пропускания атмосферы в слое [ho, h] на трассе с зенитным углом ;

A(, ') – аппаратная функция измерительного прибора;

B (To ) – функция Планка;

P(, ho, h, ) – спектральное пропускание на частоте ;

(, h) – объемный коэффициент поглощения газовых составляющих атмосферы:

Ng (, h) Ki (, h) i ( h), (2) i где Ki (, h) – коэффициент поглощения i -ым газом на единицу концентрации;

i (h) – про филь концентрации в атмосфере и N g – число газов.

При прохождении на атмосферных трассах излучения искусственных или естественных источников излучения (Солнце, Луна и др.), уравнение переноса приобретает вид:

A(, ') I ( ) P (h, h, )d ', I ( ) (3) o ' o где I o ( ) – спектральное распределение интенсивности Солнечного излучения на входе в атмосферный канал.

Приведенные выше уравнения (1-3) показывают, что связь концентрации исследуемого газа с измеряемым сигналом разнообразна и определяется схемой проведения эксперимента (трасса вертикальная, наклонная, горизонтальная), источником излучения (монохроматиче ский, широкополосный, и др.), базированием приемной системы и др. Разнообразие схем проведения газоаналитического эксперимента определяет и количество схем обращения дан ных измерений относительно искомых концентраций газов.

Рис. 8.5.1. Пропускание всей толщи атмосферы в полосе поглощения метана при трех ситуациях:

1 – фоновая концентрация (сплошная линия), 2 – в приземном слое 0-1 км концентрация метана увеличена до 10 ppm, 3 – в приземном слое 0-1 км концентрация метана увеличена до 1000 ppm.

Рис. 8.5.2. Пример использования фильтров различной спектральной ширины. 1 – монохроматические измере ний, 2 – ширина фильтра (пунктир) 5 см-1, 3 – ширина фильтра (точка-пунктир) 15 см-1.

Проведено исследование возможности измерения выбросов метана из шахт со спутни ков. Известно, что концентрация метана в районе выброса может достигать 50 мг/м 3 что со ставляет примерно 1500 ppm, согласно формуле пересчета x[ ppm] x[ g / m ] R T 10 / ( Pa ), R 8.314 10, 16, Pa 1. Видно, что примерно в 3 1000 раз величина в эпицентре выброса превышает фоновое значение концентрации метана.

Площадь, охватываемая выбросом, занимает несколько квадратных километров. Высота подъема метанового облака не превышает 500 м. Для этих условий нами было выполнено моделирование пропускания метана по всей толщи атмосферы для трех ситуаций: 1 – фон (1.7 ppm), 2 – 10 ppm и 3 – 1000 ppm. Результаты моделирования приведены на рис. 8.5.1. На рисунке приведено сравнение пропусканий всей толщи атмосферы в полосе поглощения ме тана для трех ситуаций: 1 – фоновая концентрация (сплошная линия), 2 – в приземном слое 0-1 км концентрация метана увеличена до 10 ppm, 3 – в приземном слое 0-1 км концентрация метана увеличена до 1000 ppm.

Из рисунка видно, что первые две ситуации практически не разделимы при измерениях из космоса со спутников. Третья ситуация (1000 ррм) хорошо отличается от первых двух.

Однако, такая концентрация реализуется в крайне небольшом пространственном масштабе (не более 1 км2). Поэтому возможно обнаружения только очага выброса, а его распростране ние обнаружить невозможно (только при значительных концентрация в шлейфе). Также трудно реализовать разделение источников, при их расположении в непосредственной бли зости (до 3 км). В последнее время ведутся работы по созданию приборов относительно вы сокого спектрального (0.1 см-1) и пространственного (менее 1 км2) разрешения. Например, работающий сейчас прибор MODIS имеет 36 спектральных каналов, часть из которых в на дире имеет наземный пиксел 0.250.25 км2.

На рис. 8.5.2 приведен анализ спектрального разрешения спутниковых приборов на возможность обнаружения метана. На рисунке приведены три кривые для различных ширин спектральных фильтров: (монохромат, 5 и 15 см-1) при приземной концентрации метана в 1000 ррм. Видно, что грубое (15 см-1) спектральное разрешение значительно снижает воз можности обнаружения метана на поверхности Земли.

На рис. 8.5.3 приведены реальные данные измерений уходящего излучения с террито рии Кемеровской области с разрешением 1 км2 для трех каналов прибора AVHRR спутника NOAA. Хотелось бы отметить некоторые условия, при которых возможно обнаружение при земного метана с достаточной для практики точностью:

1) КАЛИБРОВКА (спутниковые данные по ходу полета калибруются на эталонный источ ник, однако на Земле создать такой полигон практически сложно. В выражении (1) пер вый член описывает излучение Земной поверхности и первая его компонента, это коэф фициент излучения поверхности, является сильно изменчивой характеристикой, как в пространстве, так и по спектру).

2) ПРИВЯЗКА (На рисунках хорошо видно, что привязка рек, городов проводится не со всем точно из-за того, что земной шар вращается во время полета спутника и передачи информации, что приводит к смещениям реальной информации относительно реперов (русла рек, очертания озер или береговой линии). Поэтому необходимо проводить при вязку получаемой информации по реперам исследуемой территории.

а б Рис. 8.5.3. Реальные данные измерений уходящего излучения на территории Кемеровской области прибором AVHRR спутника NOAA. а – 1-й канал;

б – 3-й канал. Пространственное разрешение 1 км2.

8.6. Методика оценки запасов метана в выработанном пространстве угольной шахты Методика включает расчет диффузии метана в выработанное пространство закрытых угольных шахт по критерию тяжелого и опасного видов состояния промышленных и жилых объектов на поверхности ликвидируемых горных отводов.

На основе теории массопереноса по механизму фильтрации и газовой диффузии произ веден расчет количества свободного метана в пределах горных отводов ликвидированной шахты «Центральная» (2-й район) и закрытой шахты «Северная» (1-й район) до глубины метров от поверхности. Эти районы горных отводов находятся в городской черте г. Кемеро во и по нашим расчетам содержат в свободном состоянии свыше 50 млн. м 3 метана. Резерв ные запасы сорбированного метана в угольных пластах оцениваются в 1292 млн. м3, из них 10% считаются промышленно извлекаемыми.

Усредненное значение концентрации метана в районе измерений – 1.935(0.16) ppm;

1.242(0.102) мкг/м3. В скобках приведено среднеквадратичное отклонение. Относительная ошибка измерений – 8%. Анализ данных из табл. 8.6.1 представлен на рис. 8.6.1.

Табл. 8.6.1. Протокол замера низких концентраций метана.

Время (томское) Условия измерений Развертывание аппаратуры, настройка 7:20-7: Измерения на улице в рядом с домом 7:52-7: Продувка измерительной камеры азотом (калибровка нуля) 7:56-8: Продувка измерительной камеры воздухом (постоянная времени смены пробы 4 мин) 8:03-8: Пробоотборник установлен над открытым погребом дома 8:07-8: Пробоотборник установлен в открытый погреб дома 8:12-8: Пробоотборник установлен над закрытым погребом дома 8:26-8: (К началу измерений погреб д.29 был закрыт ) Пробоотборник установлен в закрытый погреб дома 8:32-8: (наблюдается увеличение концентрации метана) Открыли крышку погреба дома 8:41-8: (в течении 20 мин концентрация метана в погребе уменьшается до атмосферной) Пробоотборник установлен в ранее открытый погреб дома 25, после установки пробоотборника 9:01-9: погреб закрыли. Концентрация метана не изменилась.

Демонтаж аппаратуры 9:15-9: Рис. 8.6.1. Анализ результатов, представленных в табл. 8.6.1.

Часть 9. Тезаурус и исторический экскурс по круговороту углерода 9.1. Понятийно-терминологическая база для задач, связанных с балансом углерода Понятийно-терминологическая база, характеризующая круговорот углерода, отличает ся высокой степенью упорядоченности [Lindeman, 1942;

Беручашвили, Жучкова, 1997;

Бази левич, Титлянова, 2008 и др.]. Основная часть терминов стандартизована, в том числе на ме ждународном уровне, в частности в рамках проекта «Человек и биосфера».

Блоки, в которых в той или иной степени фиксируется углерод: литомассы, педомассы, мортмассы, биомассы, аэромассы и гидромассы (по Беручашвили) – сопряжены друг с дру гом функционально (процессами – продукционным, деструкционным, депонирования), а также в пространстве и во времени. Очевидно, что в большинстве случаев эти блоки целесо образно разбивать на отдельные подблоки (например, по функциональной специфике: те же биомассы объединяют столь разнородные группы организмов, как продуценты, консументы и редуценты). Необходим учет вертикальной структурированности экосистемы, в общем ви де – выделение геогоризонтов, в том числе характеристика взаимодействия между ними.

Взаимодействие между блоками носит – по Ляпунову [Сочава, 1978] – в том числе и сиг нальный характер. Круговорот вещества и энергии внутри геосистемы (экосистемы) можно обозначить как ее метаболизм [Сочава, 1978].

Любая экологическая система (в широком смысле) динамична. Но основная масса имеющихся в распоряжении исследователей характеристик по существу статична. Более то го, данные для различных участков земной поверхности обычно получены в разные периоды.

Вместе с тем – с учетом рассчетного характера большинства имеющихся оценок запасов и потоков углерода – представляется целесообразным в данном случае рассматривать в каче стве отдельных состояний достаточно длительные временные промежутки, ограниченные крупными перестройками на биосферном уровне, в том числе и в результате воздействия со стороны человека. Такой подход в общем виде соответствует определению термина «состоя ние системы» в форме набор числовых значений переменных, зафиксированных для опреде ленного момента времени и в фиксированной точке (части) пространства [см. Арманд, 1992;

Беручашвили, Жучкова, 1997]. Каждое состояние проявляется на каком-то минимальном участке и в пределах какого-то определенного временного промежутка [Сочава, 1978]. Опи сание состояний можно рассматривать как хроноструктуру объекта [Алаев, 1983], которая применительно к круговороту углерода может быть частично описана на основании сущест вующих палеоэкологических карт, а также карт восстановленной растительности.

Создан тезаурус, включающий более 170 терминов, для которых приведены определе ния и характеристики связей между ними (синонимия, включение, соподчиненность и т.п.), а также англоязычные эквиваленты.

В НГУ проведен анализ набора понятий и терминов, используемых для характеристики круговорота углерода. Создан тезаурус, включающий более 130 терминов, для которых при ведены определения и характеристики связей между ними (синонимия, включение, соподчи ненность и т.п.), а также англоязычные эквиваленты. Словарь наиболее употребительных терминов, созданный по данным тезауруса, приведен в табл. 9.1.1.

Табл. 9.1.1. Словарь наиболее употребительных терминов, созданный по данным тезауруса.

Термин Определение агробиогеоценоз биогеоценоз, измененный или созданный в результате земледельческой дея тельности аккумуляция накопление (в том числе накопление [углерода] в виде рыхлых минеральных материалов и органических остатков на поверхности Земли) анаболизм геосистемы преобразование вещества и энергии внутри геосистемы в процессе обмена со средой и деятельности живых организмов и направленное на формирование и поддержание равновесного состояния ее частей анаболизм особи совокупность химических процессов в живой особи, направленных на фор мирование и поддержание ее частей ассимиляция совокупность химических процессов в живой особи, направленных на фор мирование и поддержание ее частей аэромассы сухой воздух в пределах геосистемы баланс разность массы/ энергии на входе и выходе (для блоков) баланс углерода чистый эко- чистая первичная продукция экосистемы (NEP) +/- обмен абиогенным угле системы родом барьер геохимический структура геосистемы, на которой происходит существенное изменение ско рости миграции химического элемента биогеоценоз сформировавшаяся в ходе эволюции элементарная экологическая система, состоящая из функционально взаимосвязанных живых организмов и окру жающей их абиотической среды, характеризующаяся относительной одно родностью, определенным энергетическим состоянием, типов и скоростью обмена веществом, энергией и информацией и не пересекаемая ни одним существенным природным рубежом биогеоцикл биогеохимический круговорот веществ в пределах геосистемы любого биомасса (как мера) суммарная масса живого вещества на единицу площади или объема либо в пределах геосистемы биомассы (как блок) совокупность живых организмов биосфера нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенные живыми организмами и(или) находящиеся под их влиянием биоценоз совокупность взаимосвязанных растений, животных, грибов, простейших и прокариот, населяющих участок земной поверхности с однородными абио тическими факторами бюджет разность массы/ энергии на входе и выходе (для блоков) вещество биокосное совокупность неорганических и неживых органических тел, сформировав шихся в результате взаимодействия живого и косного вещества вещество живое совокупность всех живых организмов на Земле вещество косное совокупность всего неорганического вещества, не связанного по происхож дению с живыми организмами время полное непрерывный и достаточно представительный ряд характерных времен время пребывания период нахождения [углерода] в пуле время характерное время возвращения к равновесному состоянию после отклонения от него (для равновесных систем), полный период колебания (для колебательных систем) выветривание разрушение и изменение горных пород приповерхностного слоя земной коры под воздействием компонентов биосферы выветривание физическое выветривание, обусловленное физическим воздействием, как правило, без изменения химического состава горных пород выветривание химическое выветривание, обусловленное химическим воздействием и связанное с изме нением химического состава горных пород вымывание выведение водных растворов химических элементов из геосистемы вынос выведение химических элементов из геосистемы газ парниковый газ, присутствие которого в тропосфере обеспечивает поглощение длинно волнового излучения, идущего от земной поверхности геогоризонт сравнительно однородный слой геосистемы, характеризующихся целым ря дом ландшафтно-геофизических признаков и часто играющий вполне опре деленную функциональную роль геосистема земное пространство всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в системной связи друг с другом и как определенная целостность взаимодействуют с космической сферой и человеческим обществом гидромассы вся вода в свободном состоянии гумификация превращение мортмассы в гумусовые вещества депозит количество [углерода] в данной геосистеме депонирование формирование запасов [углерода] в геосистеме деструкция разрушение биомассы и мортмассы детрит разрушающаяся мортмасса диссимиляция совокупность химических процессов в живой особи, направленных на раз рушение сложных органических соединений дыхание поступление в живую особь кислорода и его использование в окислении, со пряженное с выведением углерода дыхание почвы суммарная продукция углекислого газа в результате дыхания корней расте ний и почвообитающих живых существ запас количество [углерода] в данной геосистеме зоомасса суммарная масса животных на единицу площади или объема либо в пределах геосистемы инвариант неизменная на протяжении определенного отрезка времени структурная часть системы каскадность процессов постепенное освоение энергии при ее переходе от одного трофического уровня на другой катаболизм геосистемы преобразование вещества и энергии внутри геосистемы в процессе обмена со средой и деятельности живых организмов и направленное на разрушение органических соединений катаболизм особи совокупность химических процессов в живой особи, направленных на раз рушение сложных органических соединений катастрофа скачкообразные изменения, обычно связанные с внешними воздействиями катена (1) ряд геосистем, связанных стоком катена (2) группа почв, объединенных в залегании условиями рельефа кларк среднее содержание (%) химического элемента в земной коре, ее части, в биосфере или в ее части кларк концентрации отношение содержания данного химического элемента в конкретном при родном объекте в кларку земной коры климакс (а) относительно устойчивое состояние геосистемы, соответствующее завер шающему этапу сукцессионного ряда климакс (б) терминальная, относительно устойчивая и длительно существующая стадия развития геосистемы с установившимися внутренними и внешними связями, как правило, соответствующая природным условиям данного района комплекс антропогенный система из преобразованных и искусственных компонентов и элементов, су экологический ществование которых полностью или почти полностью обусловлено дея тельностью компонент (а) совокупность (вещественных) элементов экосистемы, характеризующихся определенной массой, специфическим назначением, а также скоростью изме нения во времени и(или) перемещения в пространстве компонент (б) вещественная составляющая системы, объединяющая элементы, выполняю щие сходные функции консумент живая особь, питающаяся другими живыми особями и(или) их частями кора выветривания преобразованные горные породы, формирующиеся на поверхности суши в результате процесса выветривания круговорот биологический явление непрерывного, циклического, но неравномерного во времени и про странстве и сопровождающегося более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в преде лах экологических систем различного иерархического уровня организации от биогеоценоза до биосферы круговорот веществ относительно повторяющиеся взаимосвязанные физические, химические и биологические процессы превращения и перемещения вещества в природе круговорот веществ многократно повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие разный масштаб и циклический характер ландшафт (а) система, объединяющая соседние геосистемы, закономерно повторяющиеся и связанные как переносом вещества и энергии, так и динамическими осо бенностями ландшафт (б) генетически целостная геосистема, неделимая по зональным и азональным признакам, с единым геологическим фундаментом и однотипным рельефом, общим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий, почв, биоценозов, специфическим планом внутреннего строения и со свой ственным только ему набором динамически сопряженных и закономерно повторяющихся в пространстве основных и второстепенных урочищ ландшафт антропогенный ландшафт, измененный тем или иным способом в результате прямого или косвенного воздействия со стороны человека литомассы часть горных пород, затронутая выветриванием метаболизм геосистемы круговорот вещества и энергии внутри геосистемы метаболизм особи общий обмен веществ живой особи миграция химических эле- перенос и перераспределение химических элементов в земной коре и на по ментов верхности Земли минерализация преобразование органических соединений в неорганические модель резервуарно- модель геосистемы (круговорота), включающая пулы (резервуары) и связы потоковая вающие их потоки мортмассы все накапливающееся и разрушающееся мертвое органическое вещество окисление абиотическое химическая реакция соединения какого-либо вещества с кислородом отмирание формирование мортмассы педомассы органо-минеральная часть почв и илов педон наименьший объем, который может быть назван почвой порода осадочная егорная порода, формирующаяся путем осаждения вещества на поверхности суши либо на дне водоема поток перенос вещества, энергии и информации из одной экосистемы в другую ли бо внутри экосистемы от одного блока к другому потребление использование продукции, создаваемой другими живыми особями почва верхний слой земной коры, сформировавшийся в результате преобразования коры выветривания совместной деятельностью аэро-, гидро- и биомасс привнос поступление химических элементов в геосистему продукция (1) создание живыми особями органического вещества из неорганических и(или) других органических соединений продукция (2) общий прирост биомассы в геосистеме за единицу времени продукция валовая первич- общий прирост биомассы продуцентов за единицу времени, включая ту орга ная нику, которая была израсходована на дыхание за этот промежуток времени.

продукция вторичная общий прирост биомассы консументов и редуцентов продукция чистая первичная общий прирост биомассы продуцентов за единицу времени за вычетом орга ники, израсходованной ими на дыхание продукция чистая экосисте- чистая первичная продукция за вычетом органики, израсходованной консу мы ментами и редуцентами на дыхание, и абиотически окисленной органики.

продуцент живая особь, использующая энергию солнечного излучения или энергию хи мических связей неорганических соединений для создания органики процесс (а) последовательная смена состояний во времени процесс (б) пространственно-временное изменение блока или потока процесс внешний (по отно- процесс, протекающий за пределами геосистемы шению к экосистеме) процесс внутренний (по от- процесс, протекающий в пределах геосистемы ношению к экосистеме) процесс трансграничный (по процесс, пересекающий границу геосистемы отношению к экосистеме) пул количество [углерода] в данной геосистеме развитие последовательность состояний разомкнутость круговорота наличие путей вывода углерода в долговременные запасы редуцент живая особь, питающаяся мортмассами резервуар количество [углерода] в данной геосистеме ресинтез формирование в почве органических соединений из низкомолекулярных со единений ресурс изменяющийся во времени и в пространстве фактор, количество которого может уменьшиться в результате жизнедеятельности организма седиментация процесс образования всех видов отложений путем перехода осаждаемого материала из подвижного, взвешенного или растворенного состояния в не подвижное (осадок);

то же, что и осадконакопление серия стоковая ряд геосистем, связанных стоком сеть трофическая пищевые взаимоотношения между живыми особями в геосистеме сеть трофическая детритная сеть трофическая, в которой основным источником энергии являются мор тмассы сеть трофическая пастбищ- сеть трофическая, в которой основным источником энергии является солнеч ная ное излучение скорость процесса измениние параметров процесса в единицу времени состояние (природного тер- некоторое соотношение параметров, характеризующих его в какой-то про риториального комплекса) межуток времени, в котором конкретные входные воздействия трансформи руются в выходные функции состояние системы система в фиксированный момент времени или в фиксированной точке про странства. Состояние системы, формальное охарактеризованное, представля ет собой набор числовых значений переменных состояния, отвечающих оп ределенному моменту времени.

состояние физико- фазовое, молекулярное и(или) изотопное состояние вещества химическое сток углерода фотосинтети- связывание углерода биологическим или химическим путем ческий сток углерода фотосинтети- валовая первичная продукция за вычетом эмиссионных потерь углерода, свя ческий занного за текущий год стратосфера слой атмосферы, расположенный выше тропосферы на высотах от 8-16 до 45 55 км сукцессия направленное постепенное изменение в результате внешних и внутренних причин, при котором не возникает принципиально новая экосистема, однако биотические компоненты могут меняться тропосфера нижий слой атмосферы, расположенный на высотах от поверхности Земли до 8-16 км устойчивость способность системы противостоять внешним и внутренним возмущениям с сохранением равновесного состояния, а также структуры и направления дви жения в течение относительно продолжительного времени, сравнимого с ха рактерным временем изменяющих систему процессов фация элементарная геосистема, сформированная на одинаковой литологической основе, на однородном рельефе, с одним микроклиматом, увлажнением, поч вой и биоценозом и не пересекаемая ни одним географическим рубежом филоценогенез направленное постепенное изменение, приводящее к формированию прин ципиально новых экосистем фитомасса суммарная масса растений на единицу площади или объема либо в пределах геосистемы флуктуация ненаправленное и сравнительно краткосрочное изменение без смены элемен тов системы фотосинтез образование некоторыми живыми особями органических соединений за счет использования энергии солнечного излучения функция живого вещесвта избирательное накопление определенных химических элементов концентрационная функция живого вещества минерализация органического вещества и разложение неорганического ве деструктивная щества функция живого вещества перенос организмами химических элементов при миграциях транспортная функция живого вещества поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при энергетическая разложении вещества хемосинтез образование некоторыми живыми особями органических соединений за счет использования энергии связей химических веществ (окислительно восстановительных реакций) хроноструктура объекта описание состояний ценоэкосистема сформировавшаяся в ходе эволюции элементарная экологическая система, состоящая из функционально взаимосвязанных живых организмов и окру жающей их абиотической среды, характеризующаяся относительной одно родностью, определенным энергетическим состоянием, типов и скоростью обмена веществом, энергией и информацией и не пересекаемая ни одним существенным природным рубежом цикл биогеохимический обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер эдафон совокупность живых особей, заселяющих почвы экосистема любое определенное во времени и пространстве сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возни кающее на основе внутренних и внешних связей экскреция выведение из особи конечных продуктов обмена веществ, других соедине ний, в том числе чужеродных эмиссия поступление [углекислого газа] в атмосферу в результате жизнедеятельности живых существ, разложения органических соединений и освобождения из растворов эпиморфа сформировавшаяся в ходе эволюции элементарная экологическая система, состоящая из функционально взаимосвязанных живых организмов и окру жающей их абиотической среды, характеризующаяся относительной одно родностью, определенным энергетическим состоянием, типов и скоростью обмена веществом, энергией и информацией и не пересекаемая ни одним существенным природным рубежом 9.2. Анализ опубликованных данных по круговороту углерода в докайнозойское время В НГУ проведен анализ опубликованных данных по круговороту углерода в конце до кембрия, палео- и мезозое, отмечено наличие периодов с резко повышенной концентрацией углекислого газа в атмосфере, подчеркнута ярко выраженная тенденция выведения значи тельных объемов углерода в виде биогенных карбонатов и органики.


К настоящему времени очевидно, что динамика круговорота углерода и изменение его концентрации в атмосфере в масштабе миллионов лет определяется главным образом посту плением за счет вулканической активности (эндогенная дегазация) и изъятием при силикат ном выветривании и последующем отложении на океаническом дне [Walker et al., 1981]. Та кое выветривание и формирование палеопочв (палеозолей) с той или иной степенью интен сивности идет по крайней мере с архея [Retallack, 2003].

Чередование глобальных потеплений и похолоданий накладывает ярко выраженный отпечаток на поток углерода в биосфере. Считается, что при глобальных потеплениях проис ходит ослабление вулканической активности, увеличение прозрачности атмосферы, прогре вание и увеличение количества парниковых газов [Чумаков, 2004].

По оценкам Н.Л. Добрецова и Н.М. Чумакова [2001] общая картина распределения уг лерода в межледниковья и ледниковья выглядит так (Гт):

Атмосфера Живые существа Почвы Межледниковья 600 930 Ледниковья 400 350 Для конца докембрий (последний его период – эдиакарий, или венд) считаются воз можными значительные уровни продукции и запасов биомассы за счет бактериальных матов эпиконтинентальных морей [Ward, 2009].

Палеозой (544–250 млн лет тому назад). Опубликованные данные по оценкам потока углерода в эту эпоху фрагментарны и ориентированы в первую очередь на определение ин тенсивности накопления биогенных карбонатов и угленосных толщ.

Начало кембрия (и, соответственно, палеозоя) отслеживается по резкому (взрывообраз ному) увеличению биологического разнообразия эвкариот, в первую очередь обладающих скелетными структурам и (особенно карбонатными). Появились почти все современные так соны животных и (возможно) простейших высокого ранга. Происходило становление трофи ческих современного типа (но при недостаточности хищников-макрофагов) [Vannier et al., 2006] и быстрое увеличение запасов биомассы и продукции [Ward, 2009]. Массовое появле ние планктонно-нектонных Metazoa обеспечило значительный выброс фекальных пеллет Metazoa в формировании потоков и накоплении карбонатов в океане [Jorgensen, 2010]. К концу периода происходило постепенное похолодание, увеличение скорости выветривания и интенсифицировалось накопление карбонатов [von Bloch et al., 2002;

Чумаков, 2004;

Ward, 2009]. В следующие периоды – ордовик, силур и девон – принципиальных перестроек круго ворота углерода не было. Хотя, скорее всего, в девоне в связи с широким распространением, особенно в прибрежных районах, своеобразных наземных экосистем с господством прими тивных споровых растений начался достаточно интенсивный процесс изъятия углерода из атмосферы в процессе фотосинтеза, при этом захоронение биомассы в анаэробной обстанов ке болот приводило к выведению данного элемента из круговорота.

Для карбона реконструируется очень высокая скорость оборота биомассы, сочетаю щаяся с дефицитом деструкторов и сохранением преобладания анаэробных обстановок в местах накопления мортмасс [Плотников, 1979]. Именно это обусловило формирование мощных отложений углей, а также биогенных карбонатов.

В пермском периоде происходило интенсивное накопление карбонатов, особенно в шельфовых морях [Жарков, 2004]. Подобному накоплению, с одной стороны, благоприятст вовало связанное с оледенением похолодание, охватывавшее конец карбона и первую поло вину перми, а с другой – мощное вымирание на границе перми и триаса, в ходе которого ис чезли многочисленные и разнообразные скелетные формы.

В целом, на протяжении палеозоя средняя концентрация углекислого газа в атмосфере была существенно выше современной. Существовали мощные потоки выведения углерода из оборота, что в частности приводило к интенсивному угле- и газонакоплению. Есть основания предполагать, что такие особенности, с одной стороны, обеспечивались периодической акти визацией вулканов, с другой, интенсивным выветриванием и высоким уровнем продукции как океаническим, так и (с карбона) наземных экосистем Мезозой (250-65 млн. лет) – одна из самых интересных эпох в истории Земли, как из вестно, характеризуется несколькими ключевыми событиями:

1) распад Пангеи и расхождение континентальных блоков, начало постепенного процесса формирования современных океанов (в первую очередь Атлантического) и континентов;

2) планктонный взрыв в середине мела, связанная с ним радиация илоедов и прикреплен ных фильтраторов и формирование меловых толщ;

3) биоценотический кризис середины мела, связанный с распространением антофильных групп насекомых;

4) великое меловое вымирание (на границе мела и палеогена).

Опубликованные данные по круговороту углерода в мезозое, с одной строны, доста точно многочисленны и разнообразны, с другой, носят в основном качественный характер.

Существенно меньше работ, в которых приводятся количественные оценки, в том числе рас четы на основе тех или иных моделей.

Считается, что вулканическая активность на границе перми (последний период палео зоя) и триаса способствовала увеличению содержания углекислого газа в атмосфере и потеп лению, последнее стимулировало разрушение психросферы (сохранявшейся со времени оле денения конца карбона-начала перми) и дегазации газогидратов и, соответственно, привело к дальнейшему возрастанию концентрации углерод-содержащих газов [Чумаков, 2004б]. По геохимическим балансовым оценкам количество углекислого газа в атомосфере возросло в несколько раз [Berner, Kothalava, 2001]. Такой уровень сохранялся на протяжении всего ме зозоя.

Общая картина перестроек круговорота углерода в значительной степени определяется балансом силикатного выветривания на суше и дегазации литосферы [Donnadieu et al., 2008].

Стимулирующее воздействие на выветривание оказывают наземные растения. Кроме того, сказывается изменение круговорота воды, изменение альбедо (в том числе в результате варь ирования взаимоотношений суши и океана, открытых и покрытых растительностью поверх ностей суши), а также «грубостью» (roughness) континентов.

Моделирование показывает, что изменения почти не зависят от динамики собственно биомов, а определяются их общими свойствами, в том числе пространственным распределе нием (соответственно, физико-географическими условиями) [Donnadieu et al., 2008].

Анализ фоссилий мохообразных демонстрирует значительные изменения в содержании углекислого газа в атмосфере – от 420 ppm в триасе до примерно 1130 ppm в середине мело вого периода и снижение до 680 ppm к началу палеогена [Fletcher et al., 2008].

Такому увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере соответствует форми рование в меловом периоде мощных и обширных угленосных бассейнов в средних и, отчас ти, высоких широтах (до 85о) как Северного, так и Южного полушарий, причем в Северном они охватывают огромные территории [Жарков и др., 2004]. Фиксируется и одновременное формирование битуминозных толщ. Можно предполагать, что в значительной степени это определяется высокой скоростью формирования мортмассы в приполярных районах и уменьшением скоростей деструкции и интенсивным захоронением [Чумаков, 2004а]. При сравнительно высокой концентрации атмосферного кислорода пожары в лесных экосистемах способствуют формированию древесного угля, устойчивого к биодеградации и хорошо со храняющегося [Lovelock, 1995]. Отмечается возможность увеличение содержания углерода в почвах. Вместе с тем есть противоречивые оценки роли голосеменных и покрытосеменных в выветривании силикатов [Berner, Kothavala, 2001], хотя в целом настоящие (сосудистые) растения резко увеличивают освобождение углекислого газа из почв и подстилающих гор ных пород [Berner, Kothavala, 2001].

В морских бассейнах, особенно эпиконтинентальных, шло интенсивное – карбонатное осадконакопление, в том числе биогенное (мшанково-водорослевые холмы и рифы) [Жар ков, 2004]. В середине мезозоя, особенно в первой половине мела, фактически происходила ярко выраженная перестройка морских карбонатных циклов [Ridgwell, 2005]. Это получило отражение в так называемом планктонном взрыве середине мела, когда произошло резкое увеличение численности таких способных к фотосинтезу групп простейших, как кокколито фориды, диатомеи и динофлагелляты. Основная масса этих простейших имеет хорошо раз витые поверхностные структуры (у кокколитофорид – карбонатные). Мощный поток поги бающих простейших способствовал формированию илов, а затем карбонатных (в том числе меловых) толщ, что определило широкую адаптивную радиацию илоедов и прикрепленных фильтраторов.

Раскрытие Атлантического океана и подъем уровня океана, вместе с изменениями в структуре фитопланктонных сообществ, способствовали увеличению скорости биогенного выведения углерода с ранней юры – соответственно, накоплению биогенных карбонатов [Katz et al., 2005]. С перестройкой системы океанов и морей, в первую очередь эпиконтинен тальных, идет перемещение карбонатов из внутренних мелководий на большие глубины шельфовой зоны (в современных условиях – до 90 % накапливается здесь).

Следовательно, выведение углерода с участием живых организмов велось по двум ос новным путям – в виде биогенных карбонатов и в виде органики. К сожалению, в настоящее время невозможно разделение палеопотоков органического углерода на суше и в море.

Вместе с тем для наземных условий скорость накопления такого углерода оценивается примерно в 15 000 Гт/млн. лет [Katz et al., 2005]. В соответствии с используемой моделью в период с 205 до 30 млн. лет в таких условиях из оборота выведено 21.91018 молей. Видимо, это около 25-30 % всего выводимого органического углерода. Общая оценка скорости захо ронения углерода – 300 000 Гт/млн. лет [Berner, Kothavala, 2001]. В дальнейшем карбонатные осадочные породы могут быть увлечены на значительные глубины, например, в ходе суб дукции у континентальных окраин. Возвратный поток углерода связан преимущественно с вулканической деятельностью. В итоге к концу мелового периода прослеживается уже отме ченное постепенное сокращение концентрации углекислого газа в атмосфере.

Существенно, что выведение из круговорота органики является принципиальным усло вием для высокой концентрации кислорода в атмосфере, поскольку сокращается его расход на окисление [Falkowski, Isozaki, 2008].

Граница между мелом и палеогеном четко выражена в резкой перестройке глобального цикла углерода, в первую очередь в резком сокращении накопления карбонатов в морских бассейнах [Schulte et al., 2010]. Общий биоценотический кризис конца мела в последние годы традиционно связывают с падением одного или нескольких крупных тел на поверхность Земли. В этом случае значительное снижение продукции, в том числе на суше, определялось, вероятно, сокращением потока солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. В любом случае массовое вымирание в конце мелового периода коснулось таких фотосинтези рующих простейших, как кокколитофориды, диатомеи и динофлагелляты, что отразилось в быстром сокращении скорости накопления биогенных карбонатов.

Обоснование подходов к прогнозу возможных изменений, предшествующих сукцесси онным и филоценогенетическим процессам, в балансе углеродных потоков в биомах в ответ на климатические изменения.

Инициация сукцессионных и филоценогенетических процессов обычно ассоциируется в формированием пионерных растительных сообществ. Вместе с тем такое представление, судя по целому ряду работ, как минимум, ограничено, а во многих (если не во всех) случаях не корректно.

Для прогнозов возможных изменений, предшествующих сукцессионным процессам, существен учет целого ряда характеристик, среди которых:

1. Особенности абиотической среды [Разумовский, 1981], в том числе характер рельефа, специфика делювиальных и дефляционных процессов [Исаков и др., 1986], доступность воды.

2. Особенности окислительно-восстановительного градиента [Limpens et al., 2008].

3. Возможность освоения участка комплексом прокариот (в том числе автотрофных и спо собных к использованию энергии солнечного излучения и(или) химических связей неор ганических соединений, а также азотфиксирующих) и протистов.

4. Возможность освоения участка комплексом сапротрофных и хищных членистоногих [Edwards, Sugg, 2005].

5. Возможность поступления извне органического углерода (в том числе в виде трупов) [Edwards, Sugg, 2005]. Возможность поступления карбонатов.

6. Наличие в подстилающих горных породах углерода, как неорганического (карбонаты), так и органического.

7. Возможность поступления извне или наличие азота в доступной для фотосинтезирую щих эвкариот форме [Работнов, 1978].

Используемые источники 1. Жарков М.А. Палеогеографические перестройки и обстановки седиментации в перми и раннем триасе // Климат в эпохи крупных биосферных перестроек. М.: Наука, 2004. С. 158-180.

2. Жарков М.А., Мурдмаа И.О., Филатова Н.И. Палеогеографические перестройки и седиментация мелового периода // Климат в эпохи крупных биосферных перестроек. М.: Наука, 2004. С. 52-87.

3. Исаков Ю.А., Казанская Н.С., Тишков А.А. Зональные закономерноси динамики экосистем. М.: Наука, 1986. 150 с.

4. Разумовский С.М. Закономерности динамики биоценозов. М.: Наука, 1981. 231 с.

5. Чумаков Н.М. Климатическая зональность и климат мелового периода // Климат в эпохи крупных биосфер ных перестроек. М.: Наука, 2004а. С. 105-123.

6. Чумаков Н.М. Динамика и возможные причины климатических изменений в позднем мезозое // Климат в эпохи крупных биосферных перестроек. М.: Наука, 2004б. С. 149-157.

7. Berner R.A., Kothavala Z. GEOCARB III: a revised model of atmospheric CO 2 over Phanerozoic time // American Journal of Science. 2001. Vol. 301. P. 182-204.

8. Donnadiea Y., Goddris Y., Bouttes N. Exploring the climatic impact of the continental vegetation on the Mesozoic atmospheric CO2 and climate history // Climate in the Past Discussions. 2008. Vol. 4. P. 1021–1045.

9. Edwards J.S., Sugg P.M. Arthropods as pioneers in the regeneration of life on the pyroclastic-flow deposits of Mount St Helens // Ecological Responses to the 1980 Eruption of Mount St. Helens. New York: Springer Verlag, 2005. P. 127-138.

10. Falkowski P.G., Isozaki Y. The story of O2 // Science. 2008. Vol. 322. P. 540-542.

11. Fletcher B.J., Brentnall S.J., Anderson C.W., Berber R.A., Beerling D.J. Atmospheric carbon dioxide linked with Mesozoic and early Cenozoic climate change // Nature Geoscience. 2008. Vol. 1. P. 43-48.

12. Katz M.E., Wright J.D., Miller K.G., Cramer B.S., Fennel K., Falkowski P.G. Biological overprint of the geological carbon cycle // Marine Geology. 2005. Vol. 217. P. 323-338.

13. Limpens J., Berendese F., Blodau C., Canadell J.C., Freeman C., Holden J., Roulet N., Rydin H., Schaepman-Strub G. Peatlands and the carbon cycle: from local processes to global implications a synthesis // Biogeosciences. 2008.

Vol. 5. P. 1475-1491.

14. Lovelock J. The ages of Gaia: a biography of our living Earth. N.Y. and London: W.W. Norton & Co., 1995. 255 p.

15. Ridgwell A. A Mid Mesozoic revolution in the regulation of ocean chemistry // Marine Geology. 2005. Vol. 217, № 3-4. P. 339-357.

16. Schulte P., Alegret L., Arenillas I. et al. The Chicxulub asteroid impact and mass extinction at the CretaceousPaleogene boundary // Science. 2010. Vol. 327. P. 1214-1218.

Полный список публикаций авторов проекта Монографии 1. Gordov E.P., Fazliev A.Z., Lykosov V.N., Okladnikov I.G, Titov A.G. Development of web based information-computational infrastructure for Siberia Integrated Regional Study // Envi ronmental Change in Siberia // Earth Observation, Field Studies and Modelling, Series: Ad vances in Global Change Research, Vol. 40, ISBN: 978-90-481-8640-2, Balzter, Heiko (Ed.) 1st Edition., 2010, 300 p., P. 233-252.

2. Isayev A.P., Protopopov A.V., Protopopova V.V., Egorova A.A., Timofeyev P.A., Nikolayev A.N., Shurduk I.F., Lytkina L.P., Ermakov N.B. et al. Vegetation of Yakutia. In Eds: Troeva E.I. et al. The Far North: Plant Biodiversity and Ecology of Yakutia. Springer, 2010.

P. 143-260.

Равкин Ю.С., Чеснокова С.В., Юдкин В.А., Ермаков Н.Б. и др. Северо-Восточный Ал 3.

тай: животный мир и среда (аннотированный атлас) // Отв. Ред.: Л.Г. Вартапетов. Ново сибирск: Изд-во СО РАН. 2009. 154 с.

Журналы из списка ВАК Барцев С.И., Белолипецкий П.В., Дегерменджи А.Г. Минимальная модель системы 1.

«биосфера-климат» и ее компоненты // Вестник НГУ. 2011. Т. 9. Вып. 1. С. 31-37.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.