Determination of Gas Exchange on the Border Between Ecosystem and Atmosphere: Inverse Modeling

Abstract

Аннотация. Предложена методика получения данных, необходимых для определения удельного потока газа из почвы методом обратной задачи. По этой методике проведены измерения потока метана в олиготрофном болоте подзоны средней тайги. Определённые посредством предлагаемого метода значения удельного потока (1.5-3 мгС-СН 4 ·м -2 ·ч -1 ) оказались вполне сопоставимы с результатами измерений методом статических камер, проведённых на этом же объекте. Определена область влияния («футпринт»): её величина варьирует от первых сотен метров (в условиях неустойчивой стратификации атмосферы) до нескольких тысяч метров (в условиях сильно устойчивой стратификации). Даже с учётом погрешности метода и погрешностей, вносимых изменением футпринта в течение суточных наблюдений, предлагаемый способ позволил между двумя сериями измерений выявить различия удельного потока, которые, вероятно, возникли из-за природной динамики таких факторов эмиссии метана, как уровень болотных вод и температура поверхностного слоя почвы. Ключевые слова: микрометеорологические методы, метод обратной задачи, поток газа из почвы, метан. ВВЕДЕНИЕГазообмен на границе экосистема/атмосфера играет в экологии чрезвычайно важную роль. Например, Карелин и Замолодчиков [1] указывают, что с биологическим круговоротом углерода почти полностью отождествляются такие термины и понятия, как валовая первичная продуктивность, чистая первичная продуктивность, валовое дыхание, чистая экосистемная продуктивность -все они основаны на измерении потоков СО 2 . В связи с глобальным потеплением климата Земли ведется детальное изучение источников эмиссии газов, приводящих к парниковому эффекту [2]. В дальнейшем мы ограничиваемся только примером определения удельного потока метана с поверхности болота. Однако следует подчеркнуть, что рассматриваемый в данной работе метод применим для измерения эмиссии (или поглощения) любой атмосферной примеси и практически для любого типа как природных (например, луг или болото), так и антропогенных (например, полигон захоронения твёрдых бытовых отходов) экосистем.

Mathematical modeling of sustainable development in North Russia

“…В общем виде задача расчета динамики примеси в атмосфере математически может быть определена как решение при заданных начальных и граничных условиях дифференциального уравнения вида (см. [1][2][3])…”

“…Опишем работы, где точечные данные используются как дополнительные замеры. Трехмерные задачи определения постоянных потоков обсуждаются в [1]. Но численные результаты представлены только в одномерном случае.…”

“…Температура почвы является одним из решающих факторов в таких важнейших процессах, как образование и разрушение органических веществ в круговороте элементов и соединений на нашей планете, а изучение температуры почвы следует признать важнейшей задачей физики почв. В частности, для болот как мощнейшего природного источника метана -важного парникового газа температура была выявлена в качестве одного из главнейших экологических факторов, определяющих интенсивность его эмиссии [1,24]. Задачи уменьшения неопределенностей в оценках текущей эмиссии метана и предсказания ее изменения в будущем требуют (для расчета потока CH 4 , исходя из данных об окружающей среде) построения математической модели.…”

“…В работе [1] обсуждается вопрос об определении теплоемкости и теплопроводности на примерах в одномерном случае, т. е. в модели r(cT…”