Исследование закономерности широтного распределения степени подкисления океанических вод из-за роста процентного содержания СО2 в атмосфере

DOI:

Согласно работе [3], начиная с промышленной революции в 18-м веке антропогенная деятельность привела к увеличению концентрации СО2 в атмосфере от 280 ppm до 387 ppm. При этом половина этого роста произошла в последние три десятилетия. Рост концентрации СО2 в атмосфере сопровождается ростом температуры атмосферы. Согласно работе [8], океан в течение индустриальной эры поглотил почти одну четверть суммарной антропогенной эмиссии СО2, что позволил несколько снизить концентрацию СО2 в атмосфере. Вместе с тем, при поглощении антропогенного СО2 океаническими водами, происходят определенные химические реакции, вследствие чего: (а) уменьшается рН океанических вод; (b) уменьшается концентрация карбонатных ионов (CO32-); (с) уменьшается насыщенное состояние биологически важных минералов СаСО3: кальцита (ΩСа) и арагонита (ΩAr), что в сумме обозначается как «окисление океанических вод» [2]. К настоящему времени рН океанических поверхностных вод уже уменьшился на величину 0,1 и продолжает уменьшаться со скоростью 0,0018 год-1 [1]. Ожидается, что к концу 21-го века концентрация СО2 в атмосфере достигнет величины 200 ppm [4], в результате чего рН поверхностных вод уменьшится еще на величину 0,3. Согласно [3] процесс увеличения концентрации СО2 в ат- мосфере может быть описан регрессионным уравнением y = 1,811x – 3252,4;

где y – концентрация СО₂ в атмосфере (ppm); х – годы.

При этом уменьшение рН соответствует регрессионному уравнению y = – 0,00188x + 11,842

Таким образом, согласно [1–3, 4, 8], а также многочисленным источникам по окислению поверхностных океанических вод из-за воздействия атмосферного СО2 факт уменьшения рН океанических вод из-за поглощения углекислого газа можно считать вполне доказанным явлением. Вместе с тем, закономерности пространственного распределения этого явления изучены недостаточно. В ряде работ (см. например [6], утверждается наличие роста рН по географической широте, в то время как в других работах (см. например [7]), утверждается противоположное. В настоящей статье мы проанализируем указанный вопрос и сравним теоретически полученные результаты с результатами известных экспериментальных исследований. Прежде всего, детально проанализируем ре- зультаты экспериментально-модельных исследований в работе [6]. Так, согласно работе [6], значения зонально усредненных величин рН поверхностных вод растут по географической широте и в то же время уменьшаются по годам в течение 1880–1995 гг. (рис. 1).

Далее, рассмотрим вопрос о пространственном (широтном) распределении атмосферного СО2. Согласно данным, приведенным в [7], по годам наблюдается устойчивый рост концентрации СО2 по географической широте. Эти данные, согласно [7], демонстрируют следующие процессы:

– очевидный факт, заключающийся в том, что СО2 в основном генерируется в Северном Полушарии;

– транспортировка СО2 в южное полушарие.

Далее, рассмотрим известные результаты исследований зависимости рН от парциального давления атмосферного СО2. Согласно работе [5], для открытых систем, в частности для поверхностных океанических вод имеет место следующее приблизительно равенство

Как было отмечено выше, согласно [6], рН поверхностных океанических вод имеет общий тренд роста с увеличением географической широты. Математически эта зависимость может быть представлена в виде многочлена pH 1 = pH 0 + k1L            (2)

где рН0 = const; L – географическая широта; k1 = const.

Далее, как это было отмечено выше, согласно работе [7], концентрация СО2 в атмосфере растет с увеличением географической широты, то есть в первом приближении имеет место зависимость

CO ₂ = CO ₂ , ₀ + k ₂ L           (3)

где СО2,0 = const; k2 = const.

Покажем, что соотношения (1) –(3) позволяют вычислить точную качественную характеристику зависимости рН от L.

С учетом выражений (1) и (3), учитывая следующее соотношение между и СО2

P co 2 = k з ( CO 2,0 + k 2 L )         (4)

pH « 3,9 - 1log P_m         (1)

где P CO ₂ – парциальное давление СО₂.

Рис. 1. Распределение значений рН поверхностных океанических вод по географической широте и по годам [6]. Жирная линия соответствует уровню 1880 г. Пунктирная линия соответствует прогнозному уровню 2100 г. Кружочки показывают усредненные за 1991–1998 гг. значения рН:

1 – тренд увеличения по южной широте; 2 – тренд увеличения по северной широте

где k3 = const, получим pH « 3,9-2log[kз(CO20 + k2L)] (5)

Отметим, что выражения (2) и (5) показывают качественно разные зависимости рН от географической широты. При этом, выражение (2) в основном имеет экспериментальный характер, так как основывается на результатах измерений, изложенных в [6].

При этом, выражение (5) получен на основе модели, синтезированной на базе результатов, полученных в [5] и [7]. С учетом качественных различий происхождения выражений (2) и (5) можно предложить новый показатель – экспериментально-модельное значение рН0, определяемое в качестве линейно-взвешенной суммы pH 0 = a1 pH + a 2 pH 0

где α1 + α2 = 1.

С учетом выражений (2), (5), (6) получим pH о = ai[3,9 — 1log[ k з( CO 2 0 + k 2 L)]] +

^{2              ,}                (7)

+ a ₂[ pH ₀ + k 1 L ]

Далее исследуем рН0 на экстремум от географической широты. Имеем:

d ( pH ₀ ) dL

—

a • k • k

----¹—²—³ + a k   Г 7) 2 • k ₃ ( CO ₂₀ + k ₂ L ) ^{2 1      (7)}

d ( pH ₀ )

Приравнивая _dL к нулю из (7) получим

L = —^a—

2 • a ₂ • k 1

—

CO 20 k ₂

Таким образом, при географической широте, определяемой выражением (8) рН0 достигает экстремальной величины. Для определе- ния типа экстремума вычислим знак

Имеем d2(pH0) dL2

d ²( pH 0 ) dL ²

—

a ^ • k 22 2( CO ₂₀ + k ₂ L )²

.

Как видно из выражения (9), d (pH2 0) всегда положительна, то есть рН0, определяемая выражением (7) в точке, определяемой выражением (8) достигает минимума.

Для проверки теоретически полученного результата о наличии минимума в зависимости pH₀ = f(L) полезно проанализировать экспериментальные кривые, приведенные на рисунке 1. Как видно из кривых, приведенных на рисунке 1, здесь имеются по меньшей мере два минимума в области северной географической широты. Таким образом, можно заключить, что проведенное теоретико-модельное исследование позволяет пояснить наличие минимума в зависимости рН₀ от географической широты.

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования.

• 1.    Обзор соответствующей научно-технической литературы позволило обнаружить противоречие в качественной характеристике зависимости рН поверхностных океанических вод от географической широты.

• 2.    В результате проведенного модельного исследования получена обратная нелинейная зависимость между рН и географической широтой.

• 3.    В результате проведенного теоретико-модельного исследования показано наличие минимума в функциональной зависимости линейно-взвешенной суммы теоретических и полученной модельной величин рН от географической широты. Приведено экспериментальное подтверждение этого вывода.