На вопрос, что может быть источником парниковых газов, каждый, не задумываясь, ответит: транспорт и промышленные предприятия. Как выясняется, не только. Серьезную угрозу для экологии могут представлять, например, искусственные водохранилища, создаваемые в том числе для, казалось бы, безопасного производства гидроэлектроэнергии. Они тоже выделяют в атмосферу углекислый газ и метан. Много или мало? Ответы на этот вопрос ищет заместитель директора Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ им. М.В.Ломоносова, доктор физико-математических наук Виктор СТЕПАНЕНКО. Его исследования на тему «Вычислительные технологии для инвентаризации и прогноза эмиссии парниковых газов искусственными водохранилищами» поддержаны грантом Президента России. «Поиск» задал молодому ученому несколько вопросов.
— Водохранилища — это искусственные водные объекты, которые люди создают с древнейших времен, рассказывает Виктор. — Цели в данном случае ставятся разные. Конечно, прежде всего это ирригация, то есть увлажнение почвы для повышения урожайности посевов, что особенно важно для засушливых территорий. Это и регулирование речного стока, чтобы избежать резкого подъема или падения уровня воды ниже по течению реки. Еще одна функция — забор воды питьевой и для хозяйственных нужд, в том числе в качестве охладителя для промышленных предприятий.
Ну, и, конечно, основная задача — производство электроэнергии, для чего были созданы крупнейшие водохранилища планеты. Наибольшими гидроэнергетическими ресурсами в мире обладает Китай, в этой стране строительство гидроэлектростанций приняло поистине общенациональный масштаб. Важную роль в национальной энергетической отрасли гидроэлектростанции играют также в других крупных странах: Бразилии, России, Индии, США, Канаде.
— Получается, такие водохранилища представляют определенную опасность для окружающей среды?
— Когда создается водохранилище, затапливаются значительные территории. Растительность погибает, ее останки, а также органический материал почв оказываются в новых условиях водной среды, особенность которой на больших глубинах — это практически постоянный недостаток кислорода. Такие условия называются анаэробными, в противоположность аэробным условиям, когда содержание кислорода в воде близко к насыщению.
В анаэробных условиях органическая материя разлагается с образованием метана, в аэробных аналогичный процесс происходит с выделением углекислого газа. Оба газа, как хорошо известно, парниковые, увеличение содержания которых подавляющим большинством ученых связывается с наблюдаемым потеплением климата. Таким образом, гидроэлектроэнергию нельзя назвать абсолютно экологичным видом энергии. Она имеет ненулевой «углеродный след».
Возникает закономерный вопрос: какой дополнительный парниковый эффект получается в атмосфере в расчете на один киловатт энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, по сравнению с теплоэлектростанциями, где сжигается ископаемое топливо? Чтобы ответить на него, нужно измерить потоки углекислого газа и метана из водных объектов в атмосферу.
Однако таких измерений недостаточно. Во-первых, поток парниковых газов рассредоточен по большой площади зеркала водоема, которую невозможно полностью охватить измерениями по организационным причинам. Например, на многих водохранилищах плавают суда, что не позволяет устанавливать в судоходном фарватере стационарные измерительные комплексы.
Во-вторых, пузырьковый поток парниковых газов представляет собой локализованные интенсивные струи, которые непросто найти и количество которых сложно посчитать. В-третьих, происходит дегазация вод, выходящих из водохранилища через плотину, — такой поток также трудно измерить.
В-четвертых, есть периоды времени, когда организовывать измерения опасно и для оборудования, и для самих исследователей. Например, время схода ледостава, а ведь именно тогда и происходит эмиссия в атмосферу накопившихся за зиму под ледяным покровом газов.
Ну, и, в-пятых, данные измерений принципиально не позволяют ответить на вопросы: какие эмиссии будут происходить при будущих изменениях климата и какие возникнут на новых водохранилищах? Ответить на них может математическое моделирование.
— Также ваша тема исследований подразумевает «инвентаризацию и прогноз эмиссии парниковых газов». Что это такое?
— Инвентаризация выбросов парниковых газов — это оценка уровня текущих выбросов в результате разнообразной деятельности человека. Она нужна для того, чтобы оценить современное воздействие человеческого общества на климат и установить, насколько то или иное государство выполняет обязательства по контролю за выбросами в рамках Парижского соглашения. При этом обязательства по контролю распределяются по всем блокам энергетической отрасли, включая гидроэлектроэнергетику.
Однако, как я уже сказал, возможности прямых измерений эмиссий углекислого газа и метана для инвентаризации ограничены. Самая точная оценка может быть сделана только на основе комбинированного модельно-эмпирического подхода. Он использует физико-математическую компьютерную модель водохранилища, параметры которой калибруются для наилучшего совпадения расчетов с имеющимися данными наблюдений на конкретном водном объекте. После этого модель применяют для восстановления непрерывных временных рядов эмиссий с водохранилища.
Такая процедура проводится индивидуально для каждого водного объекта. Кроме того, «подогнав» модель под данные наблюдений, мы сможем предсказать поток углекислого газа и метана с водохранилища в будущем, при различных сценариях изменения климата. Более того, математическая модель поможет оценить эмиссии парниковых газов с проектируемых искусственных водных объектов в случае, если они будут возведены.
— Как вы создаете ваши вычислительные технологии?
— Модельно-эмпирический подход, который я упомянул, передовой в нашей задаче, хотя давно и успешно применяется в других областях науки. Сейчас мы отлаживаем его на примере Можайского водохранилища вместе с географическим факультетом МГУ и Институтом физики атмосферы РАН. Математические модели водоема совершенствуются в лаборатории суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ.
Речь идет об иерархии моделей по уровню сложности. С одной стороны, мы имеем одномерные модели, в которых уравнения сохранения импульса, массы, тепла, биогеохимических субстанций усреднены по горизонтальному сечению водоема, поэтому воспроизводятся только его вертикальная структура и ее эволюция во времени.
Эти модели не учитывают многие процессы динамики водоема. Используются только те, которые относительно просты в вычислительном отношении и позволяют производить расчеты эволюции состояния сразу десятков, сотен и даже тысяч водоемов (в последнем случае — с применением суперкомпьютеров) за период в сотни лет.
Если же требуется произвести детальные оценки для отдельных водных объектов, представляющих наибольший интерес (например, тех, где эмиссия парниковых газов ожидается на особо высоком уровне), то следует использовать трехмерные модели термогидродинамики и биогеохимии водохранилища. Их мы также развиваем в нашей лаборатории вместе с коллегами из нижегородского Института прикладной физики. Эти расчеты требуют, конечно, использования многопроцессорных вычислительных систем.
— Как вы считаете, помогут ли ваши исследования решить практические проблемы?
— Больше всего меня сегодня увлекает изучение механизмов взаимодействия физических и биохимических процессов в деятельном слое суши и приземном слое атмосферы, в особенности в водных объектах. Мне также интересно создавать новые математические модели и вычислительные технологии, описывающие эти механизмы, так, чтобы они могли быть включены в суперкомпьютерные модели климатической системы.
У меня есть надежда, что какие-то из этих технологий помогут решить народнохозяйственные задачи, как раньше было принято говорить. И я вижу интерес, который проявляют российские гидроэнергетические компании к вычислительным технологиям, которые мы разрабатываем. Очень надеюсь, что они будут внедрены в бизнес-процессы этих компаний или государственных органов, исполняющих природоохранные функции.
— Вы планируете и дальше заниматься парниковыми газами в водохранилищах?
— Да, конечно, впереди большая работа по реализации модельно-эмпирического подхода к инвентаризации и прогнозу эмиссии парниковых газов с российских водохранилищ. Ведь наши водохранилища — это в полном смысле слова белое пятно на глобальной карте углеродного следа гидроэнергетических объектов.
Фирюза Янчилина
Нет комментариев