Исследование сероводородной зоны Черного моря методом математического моделирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ'ИНСТИТУТ

О сд ~~

I» но?

Любарцева Светлана Петровна

УДК 551.464:550.42

. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕРОВОДОРОДНОЙ ЗОНЫ ЧЕРНОГО МОРЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

(специальность 01.04.12 - геофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Севастополь, 1997

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте Национальной Академии Наук Украины.

Научный руководитель

[ь доктор физико-математических наук,

академик HAH Украины Беляев В. И.. Морской гидрофизический институт HAH Украины, заведующий отделом оптики и биофизики океана.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Тимченко И.Е.,.

Морской гидрофизический институт HAH Украины,

заведующий отделом динамико-стохастического моделирования океана;

доктор физико-математических наук, профессор Хрусталев А. Ф.. Севастопольский Государственный Технический Университет, профессор кафедры математической физики

Ведущая организация: Институт биологии южных морей

Защита состоится " Ю " но&дрЛ- 1997 г. в Щ. час.

_ мин. на заседании Специализированного совета Д 11.01.02

при Морском гидрофизическом институте HAH Украины.

Адрес: 335000, Севастополь, ул. Капитанская, 2, Морской гидрофизический институт HAH Украины.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института HAH Украины.

Автореферат разослан " ZD " OKmjLöpJL 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совет

Национальной Академии Наук Украины

доктор физико-математичес

Суворов А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Наблюдавшиеся в 1980-е К>ды в Черном море случаи ухудшения кислородного режима фотического слоя, выхода сероводорода в поверхностный слой (до 60 м в пелагиали) и образования сравнительно крупных сероводородных зон в летние сезоны на северо-западном шельфе моря привлекли серьезное внимание к проблеме динамики сероводородной зоны. Одна из причин этого - угроза рыбопромысловой и рекреационной ценности моря.

Ухудшающая экологическая ситуация стимулировала в восьмидесятые годы повышение интенсивности научных исследований. Были проведены многочисленные экспедиции, целевые крупномасштабные эксперименты. С помощью современных методов планирования натурного эксперимента, прогрессивных технологий отбора и анализа проб был получен обширный массив данных. Это способствовало выявлению ранее неизвестных особенностей и закономерностей трансформации элементов экосистемы в различных физико-химических и биологических условиях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в научных работах, число которых превысило сотню и продолжает расти. Из этого множества назовем две монографии, занимающие особое положение по степени обобщения и научной аргументации полученных выводов: "Черное море. Зона взаимодействия аэробных и анаэробных вод." (1993) А.А.Без-бородова и В.Н.Еремеева и "Современное состояние сероводородной зоны Черного моря (1960-1986 годы)." (1989) А.И.Рябинина и В.Н. Кравец Существенный прогресс в исследовании сероводородной зоны поставил задачу качественного и количественного сопоставления эксперимента с имеющимися теоретическими представлениями. Такое сопоставление требовало применения методов математического моделирования, поскольку многие величины, фигурирующие в выводах теории. непосредственно в эксперименте не наблюдаются и не измеряются. Метод математического моделирования геофизических, геохимических и связанных с ними биологических процессов, происходящих в сероводородной зоне Черного моря, был развит в работах В.И.Беляева и Е.Е.Совга (1985,1987,1991,1997), E.V.Stanev (1989), Т.А.Айзатуллина с коллегами (1984,1989,1990), Н.П.Булгакова. Ю.Н.Голубева и А.Ю.Куфтаркова (1990), Е.В.Якушева, Л.Н.Неретина и И.И.Волкова (1991,1992), B.L.Lewis, W.M.Landing (1991).

С помощью математического моделирования можно провести детальный количественный анализ механизмов, формирующих экосистему, оценить роль отдельных факторов, на нее влияющих, выявить новые свойства и закономерности экосистемы сероводородной зоны Черного моря.

Следующая функция, которую математическое моделирование выполняет в исследовании экосистемы - это прогноз. В случае, когда модель хорошо "отлажена", ' основана на надежном теоретическом фундаменте, успешно прошла проверку критерием практики, прогноз отличается высокой точностью. Появляется возможность надежно предсказать тенденции эволюции экосистемы сероводородной зоны Черного моря.

СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ

Диссертационная работа является обобщением исследований, -проведенных в, соответствии с плановой тематикой института в рамках проектов "Черное море" (И ГР 019511012256), "Динамика экосистем" (И ГР 01944044413) Национальной программы исследований и использования ресурсов Азово-Черноморского бассейна и темы "Эко-тон" (М ГР 01931Ю24765), включенной в ведомственный План Национальной Академии Наук Украины по фундаментальным исследованиям.

ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ - выявление и исследование на основе математического моделирования основных физических, геохимических и биологических механизмов функционирования экосистемы в условиях возрастающей антропогенной нагрузки.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЬЕ ЗАДАЧИ

1. Совершенствование математической модели экосистемы сероводородной .зоны Черного моря как действующего инструмента исследования сложного природного феномена.

2. Изучение с помощью вычислительных экспериментов влияния на экосистему важнейших геофизических факторов - параметров вертикального обмена, а также основного энергетического потока -потока органического вещества в экосистему.

3. Оценка с помощью математической модели экосистемы сероводородной зоны некоторых физических, химических и биологических элементов экосистемы Черного моря в целом.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В основу исследования положен метод математического моделирования сложных морских экосистем, разработанный академиком На-

циональной Академии Наук Украины В.И.Беляевым. Были использованы физические теории переноса неконсервативных частиц, рассеяния излучения; теоретические основы химической кинетики, методы математического моделирования динамики популяции микроорганизмов. Для решения нелинейных систем дифференциальных уравнений применялись численные методы, а также специально разработанные методы повышения- эффективности и устойчивости разностных схем.

НОВИЗНА НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ. ВЫНОСИМЫХ НА ЗАЩИТУ

- модернизированная модель экосистемы сероводородной зоны Черного моря, описывающая трансформацию соединений серы и азота с учетом адвекции и турбулентной диффузии в аксиально-симметричном приближении;

- результаты численных экспериментов по выявлению влияния параметров адвективного и турбулентного обмена и потока органического вещества в экосистему на ее состояние;

- модельная оценка распределения сульфатов в экосистеме сероводородной зоне Черного моря;

_^модельная оценка вклада молекулярной серы в глубинный слой мутности в Черном море;

- результаты моделирования гипоксии и замора придонной флоры и фауны на северо-западном шельфе Черного моря, полученные с помощью адаптации модели экосистемы сероводородной зоны Черного моря к условиям северо-западного шельфа.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Материалы диссертации расширяют и уточняют представления о механизмах основных процессов, формирующих экосистему сероводородной зоны Черного моря. Результаты работы могут быть использованы для комплексного решения проблемы сохранения и оздоровления экосистемы Черного моря в целом. Использованный в диссертации подход применим для исследования аэробно-анаэробных процессов в близких к черноморским химико-биологическим условиям в широком диапазоне пространственно-временных масштабов и динамических параметров.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

В процессе выполнения работы автор диссертации принимал непосредственное участие в постановке задачи, выборе и реализации численных методов, планировании и проведении численного эксперимента, анализе и интерпретации полученных результатов.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты представлялись и "дййладывались на Международной конференции' "Проблемы Черного моря" (Севастополь, 1992), Международной конференции "Диагноз состояния морской среды Азово-Черноморского бассейна" (Севастополь, 1993). Республиканской научной конференции "Развитие исследований Национальной Академии Наук Украины в Крыму" (Симферополь, 1993), ХП-ом Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (Рио-де-Жанейро, 1995). Они нашли свое отражение в отчетах по научным проектам "Черное море". "Динамика экосистем" и "Зкотон". Содержание диссертации изложено в 9 опубликованных научных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка цитированных источников и двух приложений. Она содержит 146 страниц машинописного текста, в том числе 15 рисунков на 10 листах, 35 таблиц на 37 листах. Список цитированных источников включает 62 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ отмечается актуальность исследования, его связь с научными программами, планами, темами, приводится математическая постановка задачи в общем виде, определяется цель и задачи диссертационной работы. Формулируются основные положения, выносимые на защиту, подчеркивается научная новизна результатов, полученных в работе, ее практическая ценность. Определяется личный вклад автора.

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ на основе теоретических представлений о геофизических, химических и биологических процессах, происходящих в экосистеме сероводородной зоны Черного' моря, приводится научное обоснование и описание реализации выбранного метода исследования. Конструируется математическая модель экосистемы.

В первом подразделе приводится критический обзор транспортных моделей, описывающих распределение сероводорода, кислорода и других примесей в Черном море, определяется место в их ряду математической модели, описанной в настоящей работе (см. табл. 1).

Таблица 1. Обзор транспортных моделей, описывающих распределение сероводорода в Черном море.

Модель Компоненты модели Раз мер нос ТЬ Учет транспортных механизмов

ад-векц. турб. дифф. химич реакц биох. реакц

Stanev 02. Н2Б 3 + + - -

Айзатуллин и др. 02. НБ". Б/", Б032", Бг 03 2 ~.Б042" У 1 - + + -

Беляев, Совга 02, Н2Б, Бг032-. Б0, СорГ. ТВ, БИВ 1 - + + +

Якушев и др. о2. Н2Б, БО32-, Бг032~, Б042_ 1 - + + +

Данная работа о2, Н2Б, Б2О32-. Б°, С0РГ, Ш/, N02", ТВ, ИВ, АВ, БИВ, от 2 + + + +

Список сокращений в таблице Учет механизма: + учтен; - не учтен; ± учтен частично. Бактерии: АВ - аммонифицирующие; БИВ - денитрифицирующие;

ИВ - нитрифицирующие; БИВ - сульфатредуцирующие;

ТВ - тионовые.

Следует подчеркнуть, что данная работа является логическим следствием и развитием' работы В. И. Беляева и Е. Е. Совга (1991) и объединяет в себе предложенный этими авторами экологический подход к математическому моделированию сероводородной зоны, учет горизонтального и вертикального физических механизмов транспорта, параметризацию цикла азота вместе с циклом серы, что позволяет оценить роль нитратов и нитритов как электронных акцепторов

в реакциях окисления сероводорода.

Математическая модель экосистемы сероводородной зоны Черного моря рассматривается в терминах задачи описания нестационарных полей концентрации неконсервативных примесей. Она предполагает решение системы нелинейных параболических уравнений второго порядка с граничными и начальными условиями. Описание компонент - характеристического вектора экосистемы - приводится во втором подразделе. Это углерод взвешенных органических веществ, кислород, сероводород, тиосульфата, молекулярная сера, аммоний, нитраты, нитриты, бактерии: аммонифицирующие, денитрифицирующие, нитрифицирующие, сульфатредуцирующие, тионовые. Взаимодействие между компонентами характеристического вектора иллюстрируется процесс-ориентированной схемой.

В третьем подразделе описывается приближенный метод решения системы уравнений модели, приводится научное обоснование выбора модельного объема и схемы водообмена. Рассматривается аксиально симметричная задача. В качестве модельного объема выбирается цилиндр высотой 2000 м, радиусом 200 км. Этот объем разбивается по горизонтали на три концентрические зоны: центральную (радиус 100 км), промежуточную (радиус 150 км) и периферийную, а также на 44 слоя по вертикали с границами: 0, 20. 35. 50. 60. 68, 75, 80. 85. 90, 95. 100. 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140. 145, 150. 155, 160, 165, 170, 175, 182, 190, 200, 210, 225, 245, 270, 300, 340, 400. 500. 630, 800, 1000. 1400. 1600. 1800. 2000 м, представляя, таким образом, систему из 132 элементарных объемов, или боксов. Для каждого бокса вычисляются средние концентрации каждой компоненты экосистемы. Изменение концентраций происходит в результате химических и опосредованных бактериями реакций между компонентами, а также за счет водообмена между соседними боксами. Вертикальный и горизонтальный обмен водными массами осуществляется с помощью адвекции и турбулентной диффузии. Основным правилом, используемым при вычислении адвективных потоков, является уравнение неразрывности (сумма всех водных потоков для каждого бокса равна нулю). Учитываются общее поднятие водных масс, вызванное водообменом через Босфор,, сток рек, осадки и испарение. Уравнение водного баланса выписывается в соответствии с данными Б. А. Скопинцева. В аксиально-симметричном приближении на верхней границе модельного объема задается условие отсутствия

потока для всех компонент кроме углерода взвешенных органических веществ (задается поток) и кислорода (задается концентрация). На нижней границе задаются потоки сероводорода и аммония, граничное условие третьего рода для углерода взвешенных органических веществ, для остальных компонент - условие отсутствия потока. Горизонтальная и вертикальная адвекция и турбулентная диффузия рассматриваются по-отдельности. Выводятся формулы для конечно-разностной аппроксимации уравнений модели, описывающие среднюю концентрацию каждой компоненты экосистемы в произвольном боксе. Снижение размерности с трех в общей постановке задачи до двух в данной диссертации дает некоторое преимущество. Во-первых, в известной степени снимается неопределенность, связанная с отсутствием данных о пространственном распределении коэффициентов турбулентной диффузии, скоростей течений, функций мощности источников. Во-вторых, в зависимости от цели исследования можно легко изменить масштаб модельного объема или перейти от аксиальной симметрии к трансляционной, например, для прибрежных районов. В-третьих, существенно повышается скорость расчетов.

Функции мощности источников, параметризация которых приводится в четвертом подразделе, описывают кинетику химических реакций и биологические процессы в математической форме. При их параметризации необходимо отразить условия протекания и направленность сложных природных процессов, обеспечив при этом общность, наглядность и простоту алгоритма. В диссертации эта цель достигается путем использования линейных кинетических схем 1-го и 2-го порядков для описания химических уравнений и уравнений типа Михаэлиса-Ментен - для моделирования динамики популяций бактерий. В модели параметризуются процессы сульфатредукции, аммонификации. нитрификации, денитрификации (тио- и косвенной, в том числе), химического окисления сероводорода, окисления сероводорода, тиосульфатов и молекулярной серы тионовой флорой.

В пятом подразделе параметризуются вертикальные профили коэффициента вертикальной турбулентной диффузии и вертикальной скорости. Подчеркнем исключительную важность этих геофизических факторов, определяющих само существование сероводородной зоны Черного моря. Приводится краткая сводка теоретических и экспериментальных работ по их оценке (Богданова 1959, Беляев 1973, Мо-нин и Озмидов 1978, Богуславский с соавт. 1980,1990, Lewis, Lan-

ding 1991, Еремеев и Кушнир 1996). Отмечается сложность такого рода экспериментальных оценок, вытекающая в своем большинстве из некорректности их постановки, которая требует специальных методов решения.

В шестом подразделе обсуждаются вопросы повышения устойчивости и эффективности используемой численной схемы. Причина неустойчивости вытекает из того, что состояние экосистемы определяется различными по своей природе процессами, которые имеют пространственные и временные масштабы, различающиеся.на несколько порядков. Идея построения устойчивого приближенного решения задачи основывается на использовании дополнительной априорной информации - о неотрицательности решения во всем модельном объеме. Для обеспечения устойчивости вычислительной схемы был реализован метод автоматического выбора шага по времени. Предложенный метод является эффективным лишь в том случае, когда характерные времена моделируемых процессов незначительно отличаются друг от друга. Для систем уравнений со значительно различающимися релаксационными временами разработана специальная процедура повышения эффективности вычислительной схемы.

Во ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ описываются постановка задачи и результаты численных экспериментов с использованием математической модели экосистемы сероводородной зоны Черного моря. По степени близости результатов расчетов и измерений можно судить о соответствии теоретических предпосылок модели реальным процессам, происходящим в экосистеме.

В первом подразделе сконструированная в первом разделе диссертации математическая модель используется для расчета стационарного распределения компонент экосистемы, которое характеризует некоторое среднее состояние экосистемы. Такое состояние называется в работе базовым, а его расчет - расчетом базового варианта: ему соответствует базовый набор задаваемых параметров: глубина слоя минимальных значений коэффициента вертикальной турбулентной диффузии 60,80,100 м; толщина этого слоя 10.12,15 м; минимальные значения коэффициента вертикальной турбулентной диффузии 0.03;0.06;0.09 см2/с; его значения - на глубине 20 м - 3. О см2/с; на глубине 200 м - 1.5 см2/с; у дна - 3.0 см2/с. Коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии 7.5*105 см2/с. Значение вертикальной скорости: на глубине 20 м равна 4*10~3 см/с

(положительное значение соответствует подъему в центре модельного объема), с глубины 200 м до дна равна 10~5 см/с. Скорость гравитационного оседания взвеси 3*Ю"2 см/с, поток органического вещества в систему - 0,2;0.4;0.8 гС/(мг*сут). Результаты расчета проанализированы и сопоставлены, где это возможно, с экспериментальными. Отмечается, что в целом итоги сопоставления удовлетворительные. Особенностью найденного стационарного решения является существование промежуточного слоя, в котором концентрации компонент экосистемы или их градиенты достигают экстремальных значений, - так называемого хемоклина. Хемоклин имеет упорядоченную тонкую структуру. Модельный расчет в отличие от последних экспериментальных данных показал наличие слоя сосуществования кислорода и сероводорода (5-15м). Слоя кислорододефицита ( т.н. апох1с-апзиШ<Ис ) получить не удалось. В этом, как подчеркивается в работе, состоит проблема, на решении которой следует сосредоточить дальнейшие усилия.

Цель вычислительного эксперимента, описанного во втором подразделе. - установить, как влияет на экосистему изменчивость профиля коэффициента вертикальной турбулентной диффузии. Исходя из ранее установленного (Беляев 1985. Айзатуллин и Леонов 1990) факта о том, что "... модели с постоянными по вертикали значениями коэффициента обмена не могут использоваться для прогностических оценок поведения сероводородной зоны..." ло-отдельности варьировались. - минимальные значения коэффициента вертикальной турбулентной диффузии; глубина слоя минимальных значений; его толщина. Результаты сравнивались с расчетом базового варианта. Минимальные значения коэффициента вертикальной турбулентной диффузии регулируют поток кислорода из поверхностного слоя в глубину. В частности, уменьшение этих параметров приводит к ослаблению потока, в этом случае хемоклин поднимается к поверхности- с сохранением куполообразной пространственной структуры. Растет объем анаэробной зоны и продукции сероводорода в ней. Увеличивается интегральная скорость химического и биохимического окисления сероводорода, а также концентрации промежуточных продуктов окисления: тиосульфатов и молекулярной серы. Концентрации сероводорода и аммония на дне возрастают. Распределение бактерий реагирует более- сложным образом. Расчеты показали, что при заглублении слоя минимальных значений коэффициента вертикальной диффу-

зии хемоклин опускается в большей степени в центре, чем на периферии. Уменьшается продукция сероводорода и увеличивается интегральная скорость его химического окисления. Можно сделать вывод о том, что уменьшение толщины слоя минимальных значений коэффициента вертикальной турбулентной диффузии приводит к заглублению хемоклина. Этот процесс сопровождается ростом продукции сероводорода на периферии и интегральной скорости его окисления. В результате суммарное содержание сероводорода в модельном объеме уменьшается.

Вертикальный перенос примеси в Черном море обеспечивается как турбулентным, так и адвективным механизмом. Оценке степени влияния последнего на экосистему сероводородной зоны Черного моря. посвящен третий подраздел. В вычислительном эксперименте использовались следующие значения вертикальной скорости на глубине 20 м : 4-Ю"3 (базовый вариант). 8-Ю"3, 12-10"3, 16-10"3 см/с. Рассчитывалось также опускание в центре и подъем на периферии: -1-Ю"3, -2-10~3, -4-10"3, -8-Ю"3 см/с. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующий вывод: при "включении адвективного механизма" хемоклин заглубляется. Это значит, что заглубляется границы сероводородной и аммонийной зон. Опускаются слои молекулярной серы, нитратов, нитритов, а также тионовых, нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Уменьшается зона существования сульфатредукторов и аммонификаторов. Вертикальная адвекция любого направления улучшает снабжение кислородом глубинных слоев в модельном объеме в целом. В результате увеличиваются интегральные скорости химического и биохимического окисления сероводорода . На основании проведенных расчетов можно сделать достаточно нетривиальный вывод: "вентиляция" верхнего 200-метрового слоя вызывает уменьшение интенсивности сульфатре-дукции. а следовательно и продукции сероводорода в глубинных слоях.

В четвертом подразделе приводятся итоги вычислительного эксперимента по определению влияния на экосистему изменения потока органического вещества из аэробной зоны в анаэробную как основного энергетического потока. Увеличение потока характеризуется подъемом хемоклина, ростом концентрации сероводорода и иона аммония у дна и расширением анаэробной зоны. Интегральная скорость сульфатредукции увеличивается, интегральная скорость окис-

ления сероводорода уменьшается.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ с помощью математической модели экосистемы сероводородной зоны оцениваются некоторые характеристики экосистемы Черного моря в целом.

Оценка вертикального распределения сульфатов в глубоководной части моря выполнена в первом подразделе. Функция мощности источников описывает поступление сульфатов с высокосоленой мра-морноморской водой через Босфор, с пресной речной водой, образование в редокс-зоне в ходе окисления сероводорода. Учитывается потребление сульфатов в процессе бактериальной сульфатредукции и оседание на дно в составе биогенного карбонатного материала. Полученное стационарное распределение сульфатов хорошо описывает особенности экспериментальных профилей.

Вклад молекулярной серы в глубинный слой мутности в Черном море оценивается во втором подразделе в соответствии с гипотезой Е.Е.Совга, В.И.Маньковского, Ю.А.Прохоренко и др. (1987). Для определения величины ослабления света взвесью необходима информация о распределении взвеси по размерам, форме частиц взвеси, спектральном ходе коэффициента преломления вещества, из которого состоят частицы гидрозоля и т. п. В нашем случае задача существенно упрощается, поскольку частицы серы, продуцируемые тионовы-ми бактериями, можно считать "оптически крупными": их размеры в несколько раз превышают длину волны видимого света. Исходя из формулы для объемного коэффициента ослабления изотропной взвесью сферической формы, пренебрегая поглощением света, вычисляется характерное значение фактора эффективности ослабления. Поскольку сведения о распределении по размерам частиц молекулярной серы отсутствуют, выводы касаются монодисперсного гидрозоля. В пред-, положении, что абсолютный коэффициент преломления серы равен 1.55, в работе выводится формула, связывающая приращение показателя ослабления света с концентрацией частиц молекулярной серы. Модельные и экспериментальные концентрации молекулярной серы вносят малый вклад в глубинный слой мутности (примерно 10% от реально регистрируемых значений).

Математическому моделированию придонной гипоксии посвящен третий подраздел. Явление гипоксии (дефицита кислорода < 2 мг/л) в придонном слое и его биологические последствия в виде заморов донной фауны к сожалению становятся типичными для северо-запад-

ной часта Черного моря. Кроме природоохранного значения понимание природы гипоксии важно и в общенаучном плане. Гипоксия сопровождается сменой окислительных условий на восстановительные и наоборот в течение примерно трех месяцев. Это дает основание рассматривать гипоксию как действующую модель геологического прошлого Земли, в котором имели место переходы от анаэробных условий к аэробным, смены-"сульфатного" и "нитратного" дыхания микроорганизмов "кислородным" и обратно. В основу модели положена причинно-следственная схема гипоксии на северо-западном шельфе Черного моря (Толмазин 1977) с незначительными изменениями. Современное понимание природы явления не лишено противоречий. Отчасти это объясняется фрагментарностью экспериментальных данных, не позволяющей проанализировать временную и пространственную изменчивость целого ряда гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических параметров. В такой ситуации целесообразно использование метода математического моделирования. Поскольку процессы, сопровождающие гипоксию, схожи с процессами, происходящими в редокс-зоне Черного моря, при моделировании гипоксии использовался опыт математического моделирования экосистемы сероводородной зоны Черного моря. Для исследования заморов система уравнений, описывающая экосистему сероводородной зоны была дополнена уравнением, описывающим изменение концентрации органического углерода/ содержащегося в придонных малоподвижных и прикрепленных живых организмах. В уравнении описывается увеличение биомассы придонных организмов за счет потребления растворенного в воде кислорода и взвешенного органического вещества, убыль в результате естественной смертности и токсического воздействия сероводорода. Для концентрации кислорода на поверхности задавалось граничное условие 1-го рода с насыщающей концентрацией растворенного кислорода при заданной температуре. На дне задавался поток кислорода, потребляемый для окисления углерода отмирающих придонных организмов. Аналогично,' для сероводорода на дне задавался поток, обусловленный сульфатредукцией на поверхности отмирающих организмов. Для всех остальных концентраций граничные условия задавались в виде равенства нулю внешних потоков. Профиль дна расчетной области соответствовал типичному для междуречья Дунай-Днепр. Слой минимальных значений профиля коэффициента вертикальной турбулентной диффузии описывает слой летнего скачка

плотности, формирующегося в результате поступления на шельф пресных речных ' 'вод и активного прогрева поверхностного слоя. Значение коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии полагалось равными 10* см2/с. Для моделирования гипоксии использовался сезонный ход первичной продукции для шельфовой зоны (Меди-нец. Грузов и др. 1994), который характеризуется наличием единственного летне-осеннего максимума, в котором значение первичной продукции достигает 0.6 гС/(мгсут). В результате расчета были получены временные и пространственные распределения компонент экосистемы. Согласно результатам расчетов гипоксия возникает на глубинах 30-40 м, распространяясь затем в мелководную прибрежную зону, более богатую органическим веществом. В модельных условиях кислородный режим восстанавливался через 90 суток, концентрация тиосульфатов уменьшалась до фоновых значений через 25 суток, молекулярной серы и тионовых бактерий - через 30 суток. Более медленно происходило восстановление биомассы придонных организмов -на всей площади шельфа лишь через 450 суток. Результаты выполненных расчетов позволяют предположить, что основной причиной, вызывающей гипоксию на северо-западном шельфе Черного моря является совпадение времени существования запирающего слоя, препятствующего вертикальному водообмену, с сезонным максимумом потока органического вещества на дно. Осеннее конвективное перемешивание. безусловно, ускоряет процесс исчезновения очага гипоксии, но не меняет направленности в развитии процесса. Такие факторы, как увеличение скоростей всех биохимических реакций с повышением температуры,- что приводит к эффективному усилению влияния запирающего слоя, а также связанное с ростом температуры понижение растворимости кислорода, по-видимому можно отнести к второстепенным.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ кратко сформулированы основные результаты проведенного исследования:

- разработана схема круговорота азота в экосистеме сероводородной зоны Черного моря," которая вместе с разработанной ранее схемой круговорота серы положена в основу математической модели экосистемы, определен характеристический вектор, описывающий эти круговороты;

- модернизирована математическая модель экосистемы сероводородной зоны Черного моря, описывающая перенос концентрации уг-

лерода взвешенных органических веществ, кислорода, сероводорода, тиосульфатов. молекулярной серы, тионовых и сульфатредуцирующих бактерий путем добавления новых компонент: аммония, нитратов, нитритов, а также нитрифицирующих, денитрифицирующих и аммонифицирующих бактерий. В качестве транспортных механизмов учтены адвекция и турбулентная диффузия. Решение нестационарной задачи реализовано на компьютере в аксиально-симметричном приближении;

- получены на основе модернизированной модели и исследованы стационарные распределения компонент экосистемы;

- исследована с помощью вычислительного эксперимента зависимость состояния экосистемы от важнейших внешних факторов: вертикального хода коэффициента вертикальной турбулентной диффузии, вертикальной скорости и потока органического вещества в систему;

- получена модельная оценка вертикального профиля распределения сульфатов в Черном море при помощи детального учета источ-~ ников и стоков этой не лимитирующей процессы в экосистеме компоненты: достигнуто хорошее совпадение оценки с натурными данными;

- выполнена модельная оценка вклада молекулярной серы в глубинный слой мутности в Черном море. Несмотря на незначительность вклада, рассчитанный годовой ход хорошо согласуется с экспериментальным;

- детально реконструирован ход процесса гипоксии и замора придонной флоры и фауны на северо-западном шельфе Черного моря на основе адаптированной к шельфовым условиям математической модели экосистемы сероводородной зоны Черного моря. Сформулирована гипотеза о причине, вызывающей эти негативные процессы.

Также приводятся обоснования достоверности результатов, оцениваются их качественные и количественные показатели. Перечисляются рекомендации по использованию результатов диссертационной работы, обсуждаются перспективы дальнейших исследований, выражаются благодарности..

В ПРИЛОЖЕНИИ А приводятся результаты моделирования влияния изменчивости профиля вертикальной турбулентной диффузии, вертикальной скорости и потока органического вещества из фотической зоны на пространственное распределение концентраций компонент экосистемы сероводородной зоны.

В ПРИЛОЖЕНИИ Б приводятся характеристики экстремумов пространственных. распределений концентраций компонент экосистемы и

интегральные характеристики некоторых химических и опосредованных бактериями процессов, полученные в результате моделирования.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Любарцев В.Г.. Любарцева С.П. К вопросу о связи спектрального показателя ослабления света с концентрацией хлорофилла в Черном море // Дистанционное зондирование моря с -учетом атмосферы. - Том 2. - Часть 2. - Москва-Берлин-Севастополь: МГИ АН УССР.- 1987.- С.129-136.

2. Любарцев В.Г.. Любарцева С.П.. Мишонов А.В. Восстановление спектра коэффициента яркости моря по измерениям на фиксированных длинах волн // Мор. гидрофиз. журн. - 1993. - N 2. -С. 18-23.

3. Беляев В.И., Совга Е.Е., Любарцева С.П. Модельная оценка распределения сульфатов в экосистеме сероводородной зоны Черного моря // Докл. НАН Украины,- 1994,- N 7,- С.117-119.

4. Любарцева С.П. Оценка вклада молекулярной серы в глубинный слой мутности в Черном море // Комплексные экологические исследования в Черном море. - Севастополь: МГИ НАНУ.- 1995. -С. 147-151.

5. Belyaev V.,1., Sovga Е.,Е., and Lyubartseva S..P. Modelling the hydrogen sulphide zone of the Black Sea // Ecological modelling.- 1996.- N 1-3.- P.51-59.

6. Любарцева С.П. Исследование модели сероводородной зоны Черного моря // Тез. докл. Межд. конф. "Проблемы Черного моря". - Севастополь: МГИ НАНУ,- 1992.- С.150.

7. Belyaev V.,1.; Sovga Е.,Е.. and Lyubartseva S..P. Modelling the Black Sea hydrogen sulfide zone ecosystem // IAPSO XXI General Assembly. - Honolulu (Hawaii). - 1995.- P. 97.

8. Mishonov A.,V.. and Lyubartseva S., P. Investigation of the bottom hypoxia on the Black Sea shelf // IAPSO XXI General Assembly.- Honolulu (Hawaii).- 1995,- P.122.

9. Mishonov A.,V., and Lyubartseva S. ,P. Estimation of ant-ropogenic influence on the Black Sea hydrogen sulfide zone ecosystem // XII International Symposium on Environmental Biogeoc-hemistry.- Rio de Janeiro (Brazil).-1995. - P.99.

АН0ТАЦ1Я

Любарцсва С.П. Дослщження арководневоТ зони Чорного моря методом математнчного моделюваиня. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук за спещальшстю 01.04.12 - геофЬика. - Морський пдроф!зичний ¡нститутНАН Укра'ши, Севастополь, 1997.

Дисертащю присвячено дослщженню геоф!зичних, геох1М1чних i мкробюлопчних мехашзм1в, яю формують екосистему арководнево! зони Чорного моря. Запропонована модершзована математична модель екосисгеми, що описуе трансформацию сполук Ырки та азоту з врахуванням процеав адвекцн та турбулентно! дифузн в окЫально-симетричному наближенш. За допомогою чисельних експериментов дослщжена залежн1сть стану екосисгеми вщ особливо важливих зовшшшх факторов: вертикального ходу кофвденту вертикально'1 турбулентно!' дифузп, вертикально! швидкосп та потоку оргашчних речовин в екосистему. Виконана модельна оцшка вкладу молекулярно! Ырки в глибинний шар мутность Детально реконструйований хщ процесу rinoKci'i i замору придонно! флори i фауни на швшчно-захщному шельф! Чорного моря.

Ключов! слова: математичне моделювання, екосистема, арководень, транспортний мехашзм, кофвдент турбулентно! дифузн, вертикальна швидюсть, хемоклин, глибинний шар мутносп, ппокая.

Любарцева С.П. Исследование сероводородной зоны Черного моря методом математического моделирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.12 - геофизика. -Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 1997.

Диссертация посвящена исследованию геофизических, геохимических и микробиологических механизмов формирования экосистемы- сероводородной зоны Черного моря. Предложена математическая модель экосистемы, которая описывает трансформацию соединений серы и азота с учетом процессов адвекции и турбулентной диффузии в аксиально-симметричном приближении. С помощью численных экспериментов изучена зависимость состояния экосистемы от наиболее важных внешних факторов: вертикальных профилей коэффициента вертикальной диффузии и вертикальной скорости, потока органических веществ в экосистему. Получена модельная оценка вклада молекулярной серы в глубинный слой мутности. Детально реконструирован ход процессов гипоксии и замора придонной флоры и фауны на северо-западном шельфе Черного моря.

Ключевые слова: математическое моделирование, экосистема, сероводород, транспортный механизм, коэффициент турбулентной диффузии, вертикальная скорость, хемоклин, глубинный слой мутности, гипоксия.

Lyubartseva S.P. Investigation the Black Sea hydrogen sulfide zone by means of the mathematical modelling. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01.04.12 - geophysics. -Marine Hydrophysical Institute in Power of National Academy of Science of Ukraine, Sevastopol, 1997.

The dissertation is devoted to investigation of geophysical, geochemical and microbiological mechanisms forming the Black Sea hydrogen sulfide zone. It is proposed a mathematical model describing transformations of sulfur and nitrogen compounds and taking into account advection and turbulent dispersion in axial-symmetric approximation. With the help of numeric experiments the dependence of the ecosystem state on the most important external factors (vertical profiles of turbulence dispersion and velocity, organic matter fluxes) was explored. It was obtained a model estimation for molecular sulfur deposit to the deep turbid layer. Temporal and spatial development of hypoxia phenomenon in the Black Sea north-western shelf was reconstructed carefully.

Key words: mathematical modelling, ecosystem, hydrogen sulfide, transport mechanism, turbulence dispersion coefficient, vertical velocity, chemocline, deep turbid layer, hypoxia.