Формирование ансамбля воздушных гидратов в ледниковых покровах

• Автор: Долгирева, Юлия Анатольевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 142 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Общие вопросы математического описания эволюции ансамбля 17 воздушных включений в ледниковых покровах
1.1. Ансамбли пузырьков воздуха и гидратов в полярных ледниковых 17 покровах
1.2. Общие балансовые уравнения для функций распределения числа 27 воздушных включений
1.3. Уравнения эволюции одиночных воздушных включений
1.4. Уравнения для средних характеристик ансамблей пузырьков и 38 гидратов
1.5. Кинетические модели зарождения воздушных гидратов
2. Квазистационарные модели процесса превращения пузырьков
воздуха в гидраты в переходной зоне
2.1. Особенности образования гидратов в полярных ледниковых покровах
2.2. Модель эволюции ансамбля пузырьков
2.3. Модель формирования ансамбля гидратов
2.4. Два режима превращения пузырьков в гидраты
3. Численная реализация модели гидратообразования
3.1.Разностные схемы для расчета эволюции ансамбля пузырьков. Режим
3.2. Исследование сходимости разностных схем для расчета эволюции ансамбля пузырьков. Режим
3.3. Разностная схема для расчета эволюции ансамбля пузырьков. Режим II
3.4. Разностные схемы для расчета процесса формирования ансамбля гидратов
4. Исследование эволюции ансамбля пузырьков в центральной Антарктиде. Идентификация модели
4.1. Эволюция ансамбля пузырьков на станции Восток. Режим
4.2. Эволюция ансамбля пузырьков на станции Купол Фуджи. Режимі
4.3. Эволюция ансамбля пузырьков на станции Купол Фуджи. Режим II
4.4. Эволюция ансамбля пузырьков на станции Восток. Режим II
5. Исследование эволюции ансамбля гидратов. Вычислительные
эксперименты
5.1. Идентификация модели на данных ледяного керна со станции Восток и Купол Фуджи. Режим
5.2. Идентификация модели на данных ледяного керна со станции Восток и Купол Фуджи. Режим II
5.3. Особенности образования ансамбля гидратов в различных
климатических условиях
Заключение
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
Весь атмосферный воздух, захваченный в полярном ледниковом покрове, на границе замыкания пор снежно-фирновых отложений локализован в воздушных пузырьках, геометрические свойства которых (размер, количество) представляют собой генетические признаки льда и зависят от климатических условий его образования (скорости аккумуляции льда, температуры и т.д.) [1, 19, 7, 33, 34]. При низких температурах в более глубоких слоях ледника с ростом давления по мере погружения льда пузырьки воздуха превращаются в смешанные клатратные гидраты воздуха [36, 58]. Последние могут рассматриваться как твердые растворы газа (азота и кислорода) во льду, когда молекулы газа размещаются в метастабильной кристаллической решетке молекул воды, нестехиометрически заполняя полости решетки и формируя в совокупности устойчивую систему [59,66]. Кристаллографическая структура кристаллов гидрата воздуха в ледниковых покровах идентифицирована как структура Штакельберга II [21]. Превращение пузырьков воздуха в кристаллы гидратов представляет собой сложный гетерогенный процесс, который контролируется динамикой ледника и кинетикой зарождения клатратных кристаллов [58]. Формирование ансамбля гидратов сопровождается диффузионным перетоком газа [64, 65] через матрицу льда от пузырьков к сосуществующим гидратам и приводит к значительному фракционированию газовых компонент во льду [28,29,51]. Этот процесс продолжается десятки тысяч лет [48, 62, 64], и переходная зона в ледниковом покрове составляет несколько сотен метров.
В работе [58] впервые было предположено, что превращение пузырьков в гидраты контролируется кинетикой зарождения кристаллов гидратов. Экспериментальные исследования, выполненные в работах [1,7,28,29,34,64] на ледяных кернах со станции Восток (Восточная Антарктида), а также теоретические исследования [48, 51] полностью подтвердили этот факт, но и выявили сложность этого явления. Основными особенностями является превращение пузырьков предпочтительно малых размеров в гидраты воздуха [34] и диффузионный перенос

воздушное включение (пузырек или гидрат) в среднем ограничивается ячейкой льда, приходящейся на одну частицу с радиусом
гс ~ (4л- Лф /3)~з,
где Лф общее начальное число включений.
При низкой растворимости газа во льду изменение общего количества воздуха растворенного во льду пренебрежительно мало [28]. По этой причине, диффузия азота и кислорода сквозь сферический слой льда к отдельному пузырьку или гидрату описывается в квазистационарном приближении [51]. В итоге, диффузионные потоки азота и кислорода в переходной зоне ледникового покрова записываются в предельной форме для бесконечно большой области (ячейки) при Г ->оо [51,52]:
9т = Ал гь&н2

у Zn2 +(1 — у)Х N2
PdN2 PdNl
Ч02 =4л

у——Z02 + (1 — у)Х
PdOZ
Pd02
PiM A
y———Zn2 +(1 — y)X N2 -XN2 PdN
(1.14)
PiM02„ Pi
Ч02 ~ 4л- rtZ)02I yZoi +(1-У)Хо2-X02
Mw I Pd02
Здесь pi - плотность льда, Mw, MlV1 и M02 - мольные массы воды, азота, и кислорода (см. табл. 1.1); Dm и D02 - коэффициенты диффузионного массопереноса азота и кислорода во льду, при заданной температуре Т и давлениях диссоциации pdN2 и Рао2, соответственно [52]. Коэффициенты массопереноса Dj (j-N2,02) во льду равны произведению коэффициентов диффузии и концентрации азота и кислорода, соответственно.