книги / Метан в водных экосистемах

б

Рис. 76. Суточный ход содержаний метана в воде и его потоков (а) и зависимость между содержанием метана в воде и его потоком из воды (б) (Таганрогский залив, октябрь 1999 г.)

симума его содержания в 6-7 часов [284]. Уровень воды заметно стал понижаться, начиная с б00-?00, что обусловило в дальнейшем и снижение содержания метана в воде.

В целом, суточный ход потока метана из воды в атмосферу кор­ релирует с изменением суточного хода содержания метана в воде (рис.76б). Корреляция между потоком метана из донных осадков и его содержанием в воде была выражена слабо. Исходя из этого, можно сделать вывод, что донные осадки исследуемого прибрежно­ го участка, представленные песчаными отложениями и содержащи­ ми низкие концентрации метана оказывают незначительное влияние на суточный ход его содержания в воде. Основные же изменения суточного хода содержания метана и его потоков в атмосферу вы­ званы изменчивостью гидродинамического режима изучаемого уча­ стка.

Участок II. Второй участок расположен в 250-300 метрах от первого участка, возле зоны крупного скопления макрофитов, выно­ симых на берег дрейфовыми течениями. Донные отложения здесь

представлены тёмно-серым заиленным песком с чёрными вкрапле­ ниями разложившейся органики, местами с остатками полуразложившихся водорослей. Содержание метана в поверхностном (0-5 см) слое отложений этого участка составляло 0,73 мкг/г в.в., в под­ поверхностном (5-10 см) - 0,92 мкг/г в.в. На этом участке в течении 3-х часов, с 1200 до 15 , производился экспериментальный замер потока метана из донных отложений, который составил 0,8-1,3 мг/м2 час.

Таким образом, исследования по определению скорости выде­ ления метана из донных отложений и из воды в атмосферу, выпол­ ненные на станциях Таганрогского залива, рек Дон и Темерник пока­ зали существенное различие в абсолютных величинах потоков ме­ тана для водных объектов и их участков, имеющих различный тро­ фический уровень. Так, наиболее высокие скорости выделения ме­ тана зафиксированы на участках, где происходит активная аккуму­ ляция в отложениях органических веществ, поступающих, в первую очередь, от антропогенных источников. В таких районах, наряду с существованием в системе "донные осадки - вода - атмосфера" по­ вышенных потоков метана за счёт молекулярной диффузии, визу­ ально наблюдаются выходы газовых пузырьков различного размера из донных отложений через водную толщу в атмосферу, что приво­ дит к существенному возрастанию величин потоков метана. Выход пузырей газа из отложений довольно характерное явление для сильнозагрязнённых участков р. Темерник. В береговой зоне р. Дон, на участках, где отлагаются илы, в летнее время, это явление также распространено. Минимальные величины потоков газа отмечаются на тёх участках, где донные отложения содержат низкие концентра­ ции органического вещества, прежде всего это песчаные отложения. В таких'районах диффузионный поток метана из отложений редко превышает 0,3 мг/м2 час и существует только в случае, если имеет­ ся градиент концентрации на границе дно - вода.

Суточный ход потоков метана в р. Дон и Таганрогском заливе характеризовался минимальными величинами в ночное время, ко­ гда температура воды имела самые низкие значения. Максимальная скорость, эмиссии метана в р. Дон, как правило, фиксировалась ближе к вечеру (1б°°-2000 ч), в Таганрогском заливе - в утренние - дневные часы (6°°-1200 ч). Перечисленные особенности суточного хода скорости выделения метана обусловлены в первую очередь изменением концентрации метана (градиента концентрации) на гра­ ницах раздела “дно - вода" и “вода - атмосфера", что подтвержда­ ется наличием тесных корреляционных связей.

Зависимость между содержанием метана в донных отложениях и его потоками из них имеет следующий вид (рис.77):

Рис. 77. Зависимость между содержанием метана в донных отложениях

иего потоком из них (объединённые данные:

р.Дон, р. Темерник, Таганрогский залив)

где Ig FCH4 - логарифм потока метана из донных отложений, мкг/м2 час; Ig Ссн4 - логарифм содержания метана в донных осадках, нг/г

в.в.

Наличие тесной прямолинейной зависимости между содержа­ нием метана в донных осадках и его потоками из них, между пото­ ком метана из отложений и содержанием метана в воде, объясняет существование такой же тесной прямолинейной связи между кон­ центрацией метана в донных осадках и водной толще, наблюдаю­ щейся в большинстве из исследованных авторами водных объектов (см. раздел 7.3).

Для сравнения с полученными выше результатами попытаемся оценить среднюю плотность диффузионного потока растворённого метана из поверхностной воды в атмосферу по первому феномено­ логическому закону Фика (см. раздел 7 1 уравнение (31)), описы­ вающему скорость диффузионного переноса вещества через нор­ мальную потоку плоскость. Полагаем, что в среднем толщина раз­ деляющей плёнки составляет 0,01 см, а концентрация метана в приводном слое атмосферы не превышает 0,0007 мкг/см3 Коэффи­ циент молекулярной диффузии (D) при температуре 20°С для всех атмосферных газов в жидкой фазе близок к величине 2-10'5 см2/с (или 0,072 см2/час). Рассчитанные величины потоков приведены в табл.66.. Как видно из таблицы, расчётные данные по рекам Дон и Темерник одного порядка с данными, установленными эксперимен­ тально с помощью накопительных камер. Исключение составляют расчётные величины, полученные по Таганрогскому заливу, которые

Таблица 66

Диффузионный поток метана, рассчитанный по формуле (31)

на 2-3 порядка больше величин, установленных в результате непо­ средственного замера. Данное несоответствие может быть связано с несколькими причинами, действующими совместно: 1) низкими температурами, наблюдающимися в период исследований в заливе, что существенно снижает коэффициент молекулярной диффузии и, как следствие, скорость диффузионного потока; 2) более значи­ тельной толщиной поверхностной разделяющей плёнки, чем приня­ то авторами при расчёте; 3) более высокими содержаниями метана в приводном слое атмосферы.

Следует отметить, что в реке Темерник на участке мощного вы­ деления газовых пузырьков из отложений, экспериментально уста­ новленная скорость потока в 2,7 раза выше, чем рассчитанная по уравнению (31). Это объясняется тем, что в последнем случае учи­ тывается только молекулярная диффузия метана из воды в атмо­ сферу и не учитывается выделение метана в свободном состоянии (в виде газовых пузырьков).

Авторы монографии для более точного определения диффузи­ онного потока метана в атмосферу применили простой приём, по­ зволяющий разделить диффузионный и конвективный перенос ме­ тана. Для этого была использована открытая полиэтиленовая ём­ кость цилиндрической формы, объёмом четыре литра и площадью 200 см2. Погружая ёмкость в изучаемый водный объект, наполняли её водой и устанавливали в воде объекта на поплавках с целью приближения к реальным природным условиям. Эмиссию метана рассчитывали по разности между содержанием метана в ёмкости в начальный период эксперимента и содержанием метана в ней через час. Такой приём позволяет учесть влияние погодных условий (тем­ пература, ветер, волнение и др.) на эмиссию метана в атмосферу. Влияние процесса метаноокисления (или метанообразования) на содержание метана определяли известным методом [135], в соот­ ветствии с которым скорость бактериального метаноокисления оце­ нивали по убыли метана в опытных склянках (без консерванта) по сравнению с контрольными (с консервантом). Инкубирование опыт­ ных флаконов производили в естественных условиях в течение 1

часа и в течение суток. После инкубации пробы консервировали (с помощью шприца) 0,1 мл насыщенного раствора сулемы. Для инку­ бации использовали флаконы, применяемые для парофазного ана­ лиза [237].

В табл.67-69 авторами представлены данные, полученные в хо­ де вышеописанного эксперимента. Как видно из таблицы 67, разни-

ца между содержанием метана во флаконе с консервантом и его концентрацией во флаконе без консерванта, отобранных одновре­ менно и проанализированных через час после отбора проб воды не­ значительна. По этой разнице, как уже отмечалось выше, в соответ­ ствии с методикой [135] судят о скорости метаноокисления. В дан­ ном случае интенсивность окисления метана в водных объектах Нижнего Дона колебалась в пределах 1,3-9,6 мкл/л час (для сопос­ тавления, величины скорости метаноокисления в различных водных объектах приводятся в табл.70), что составляет 5,3-6,0 % от общей

Таблица 70 Интенсивность метаноокисления в водной толще различных

____________________ водных объектов____________________________

* - перевод в мкл/л час произведён авторами монографии;1- в Обской губе по данным (23] содержание метана вводе варьировало в пределах 0,01-0,33 мкл/л;2 - в Беринговом море его со­ держание составляло 0,1-0,68 мкл/л [183];3- в Черном море в воде северо-западного шельфа содержание метана изменялось в диапазоне 0,7-8,5 мкл/л [146], на северо-восточном побере­ жье (глубины до 100 м)-в пределах 1,3-21,6 мкл/л (данные авторов).

потери метана за 1 час в воде экспериментальной ёмкости (табл. 68). Основная же потеря метана происходила за счёт его эмиссии в атмосферу. Следует отметить, что значения скорости окисления метана в опытных флаконах с поверхностной водой, оставленных на сутки без консерванта, по сравнению со склянками, оставленны­ ми без консерванта на один час, немного отличались, а в некоторых случаях, авторы вместо снижения концентрации газа во флаконе наблюдали увеличение его содержания. Подобное уже отмечалось (табл.71) в воде Марийских озёр [16], озере Могильном [113], озере Кнаак [411] и других озёрах [389], в воде водохранилищ и водотоков Верхней Волги [83]. Вероятно на участках водоёмов и водотоков, воды которых, как правило, содержат большое количество органи­ ческой взвеси, в поверхностных аэрируемых горизонтах, помимо процессов окисления метана, внутри взвешенных частиц могут идти и процессы его образования. В этом случае процессы метаногенеза в водной толще маскируют аналитическую регистрацию метаноокисления [83].

Таблица 71

Скорость образования метана в водной толще водных объектов

*- перевод в мкл/л час произведён авторами монографии

Висследуемых водных объектах Нижнего Дона диффузионная эмиссия метана, вычисленная с помощью описанного выше приёма с учётом метаноокисления и без его учёта, составляла соответст­ венно для реки Темерник 9,9 и 10,5 мг/м2 час, для рукава Мёртвый Донец - 8,0 и 8,4 мг/м2 час, для реки Дон - 2,2 и 2,3 мг/м2 час (табл. 69). Таким образом, влияние на эмиссию метана процессов его окисления или образования в данном случае было незначительно.

На рис.78 по данным, полученным в ходе всех вышеописанных экспериментов, построена зависимость между содержанием метана

вповерхностной воде температурой 20-25 °С и его потоком из воды

ватмосферу. Эта зависимость имеет следующий вид:

его миграцией, как путем диффузии, так и в свободной фазе в виде пузырьков. Поэтому эту формулу можно использовать для прогно­ стических оценок эмиссии метана в системе “вода - атмосфера" не прибегая к замерам потоков в натурных условиях, т.е. по содержа­ нию метана можно' довольно точно рассчитать величину его эмис­ сии из водного объекта. Однако следует отметить, что эта формула работает при температурах,поверхностной воды 20-25°С и концен­ трациях метана в воде свыше 29,0 мкл/л.

С помощью этой формулы попытаемся оценить характерный для летнего периода поток метана в атмосферу из воды дельты р. Дон и р. Темерник. Среднее для летнего периода содержание мета­ на в воде дельты р. Дон (площадью 538 км2) составляет 45,0 мкл/л. Подставляя в формулу (34) это значение, получаем поток метана, равный 1,6 мг/м2 час. Тогда со всей площади дельты Дона поток ме­ тана в атмосферу составит 860 кг в час или 20640 кг.в сутки. Сред­ нее содержание метана в воде реки Темерник 300,0 мкл/л, тогда его поток составит 12,4 мг/м2 час. Площадь водосбора реки около 288 км2, тогда со всей площади р. Темерник поток метана составит 3580 кг в час (85920 кг в сутки).

Для Таганрогского залива в осенний период (температура 10,8- 14,2°С) формула для определения потока метана в атмосферу по содержанию метана в воде имела следующий вид (см. рис. 766):

где FCH4 - поток метана в атмосферу, мкг/м2 час; Сснд - содержание метана в поверхностной воде, мкл/л.

Средняя концентрация метана в водной толще Таганрогского залива в районе исследования составляла 19,3 мкл/л. Если принять это значение для всей акватории залива (S = 5285 км2), то осредненный суточный поток метана в атмосферу со всей площади Та­ ганрогского залива составит 55,3 кг в час или 1327,2 кг в сутки.

В таблицах 72 и 73 приведены данные о вариациях величин эмиссионных потоков метана в системе "донные отложения - вода -

атмосфера" Относительно невысокие значения эмиссии метана в исследуемом районе Таганрогского залива, по сравнению с другими заливами и эстуариями, вероятно, связаны с тем, что замер пото­ ков, проводился на прибрежном участке, где донные осадки пред­ ставлены перемытым песком и мелкой галькой с обломками рако­ вин моллюсков. В таких осадках процесс метаногенеза, как правило, подавлен высоким окислительно-восстановительным потенциалом