Dodatek IV

9. Dodatek III: Szczegółowy opis programów: Carbon_I
DIII. 1 Program Carbon_I
DIII. 1.1 Dane wejściowe i wyjściowe
Dane wejściowe programu Carbon_I stanowi plik, który zawiera zestaw parametrów umieszczonych w
omawianym zbiorze w zadany sposób. Cześć omawianego pliku przedstawia rys. DIII-8.
W oparciu o dane zawarte w omawianym zbiorze realizowana jest symulacja.
Stałe parametry modelu Pandora w pliku wejściowym rozmieszczone są w następującej kolejności:
Dane dotyczące rezerwuarów oceanicznych:

Objętość.

Powierzchnia .

Strumienie masy.

Współczynnik podziału strumieni masy.

Współczynnik podziału substancji organicznej.

Stężenie molowe fosforu.

Czas przebywania fosforu w poszczególnych rezerwuarach.

Stężenie molowe węgla.

Stosunek CaCo3/Corganiczny.

Wskaźnik rozpuszczalności.

Współczynnik Redfielda.
Dane wymiany węglowej atmosfera – ocean:

Współczynnik Revella.

Szybkość wymiany.

Ciśnienie nominalne.
Dane dotyczące atmosfery i biosfery:

Masa węgla w atmosferze.

Masa węgla w biosferze.

Czas wymiany atmosfera – biosfera.

Czas wymiany biosfera – atmosfera.

Masa molowa węgla.
116
Dane radiowęglowe:

Koncentracja radiowęgla w rezerwuarach oceanicznych.

Koncentracja radiowęgla w atmosferze.

Koncentracja radiowęgla w biosferze.

Stała rozpadu radiowęgla.
Dane wyjściowe programu stanowią cztery pliki tekstowe zawierające wyniki symulacji:
Fosfor.txt
- plik koncentracji i masy fosforu,
Wegiel.txt
- plik koncentracji i masy węgla,
Cisnienie.txt - plik zestawu ciśnień parcjalnych na styku atmosfera – ocean,
C14.txt
- plik koncentracji radiowęgla.
Powyższe nazwy plików są nazwami domyślnymi i mogą być zmieniane.
DIII.1.2 Opis poszczególnych okien programu
Główne okno programu zawiera następujące przyciski (rys. DIII-1):

Tworzenia pliku zawierającego dane standardowe modelu - Utwórz ... .

Zmiany danych ogólnych – Zmiana Danych Ogólnych.

Zmiany danych fosforowych – Zmiana Danych Fosforowych.

Zmiany danych węglowych - Zmiana Danych Węglowych.

Wywołania Okna Symulacyjnego – Atmosfera – Ocean – Biosfera (Pandora).
Wybranie przycisku Utwórz ... umożliwia stworzenie pliku z danymi wejściowymi dla symulacji prze-
prowadzanej za pomocą modelu Pandora. Plik jest tworzony na podstawie danych standardowych (Dodatku
II).
Można korzystać nie tylko ze standardowych danych, ale może je również zmieniać poprzez wybór jednego z
przycisków: Zmiana Danych Ogólnych, Zmiana Danych Fosforowych, Zmiana Danych Węglowych.
Wybór przycisku Atmosfera – Ocean – Biosfera (Pandora) powoduje uaktywnienie się Okna Symulacyjnego (rys. DIII-2). Okno to podzielone jest na dwie części, prawą (rys. DIII-3) informująca o wynikach
końcowych uzyskanych podczas symulacji oraz lewą (rys. DIII-4) służącą do określenia warunków symulacji.
Przez warunki symulacji należy rozumieć: czas trwania symulacji, wielkości kroku czasowego oraz rodzaj i
wielkość wprowadzanych podczas symulacji zaburzeń.
Określenie czasu trwania symulacji dokonuje się za pomocą okna edycyjnego 1 (rys. DIII-4), natomiast wielkość kroku czasowego ustala się przy użyciu okna edycyjnego 2 (rys. DIII-4) Okna edycyjne 3 i 4 (rys. DIII4) informują jak długo w latach ma trwać symulacja i jaka jest wielkość kroku czasowego wyrażona w
dniach.
Poniżej omawianych okien znajduje się panel 5 (rys. DIII-4) umożliwiający ustalenie nazwa oraz lokalizacji
plików wejścia – wyjścia. Wybór opcji Domyślny Plik Danych powoduje, że nazwy plików wejścia – wyj-
117
ścia oraz ich lokalizacje zostaną przyjęte zgodnie z domyślnym ustawieniem. Przewiduje ono że plik wejściowy (plik z danymi wejściowymi) ma nazw dane.txt, a jego lokalizacja opisana jest przez ścieżkę
„c:\Carbon\Dane\dane.txt”. Z kolei domyślne ustawienie przewiduje, że pliki wyjściowe zapisywane będą w
„c:\Carbon\Wyniki.
W przypadku wyboru opcji Dowolny Plik istnieje możliwość wyboru innych (niż domyślne) nazwy plików
oraz ich lokalizacji.
Okno edycyjne 6 – (rys. DIII-4) opisane jako Krotność, służy w pośredni sposób do ustalenia wielkości plików wyjściowych. Ustawienie tam wielkości innej niż zerowa powoduje, że np. w przypadku wyboru krotności = 5, co piąta iteracja zostanie zapisana do pliku.
W Oknie Symulacyjnym znajdują się cztery przyciski:

Wprowadź Zaburzenie.

Usuń Poprzednie Wyniki.

Rozpocznij Symulacje.

Powrót.
Wybór przycisku Wprowadź Zaburzeń powoduje przejście do kolejnego okna programu Carbon_I. Okno
to nazwane w dalszej części niniejszej pracy Oknem Zaburzeń, tworzy szereg pól edycyjnych oraz dwa przyciski sterujące. Lewa strona omawianego okna służy do wprowadzenia zaburzeń skokowych.
Prawa cześć Okna Zaburzeń służy do wprowadzenia zaburzeń w sposób funkcyjny. Całość okna zaburzeń
dopełniają dwa przyciski:

Zastosuj & Wyjdź.

Powrót.
Przycisk Zastosuj& Wyjdź powoduje zapisanie ustawionych wielkości i przejście do Okna Symulacyjnego w
celu przeprowadzenia symulacji z wprowadzonymi zaburzeniami.
Przycisk Wyjście powoduje również przejście do Okna Symulacyjnego, ale bez zapisu ustawionych wielkości
zaburzenia.
DIII.1.3 Praca z programem Carbon_I
Po uruchomieniu programu Carbon_I uaktywnia się Okno Główne. Przez wybór odpowiedniego przycisku znajdującego się w tym oknie decyduje się o jednym z czterech rodzajów działania tzn. o utworzeniu
nowego pliku danych, zmianie istniejącego pliku danych wejściowych, przejściu do Okna Symulacyjnego lub
opuszczeniu programu.
118
Wybór przycisku Utwórz prowadzi do utworzenia pliku danych wejściowych o wybranej nazwie i lokalizacji. Utworzony zbiór będzie zawierał standardowe wartości parametrów (Dodatek II) wykorzystywanych w
modelu.
Użyteczną funkcja programu Carbon_I jest możliwość zmiany niektórych lub wszystkich danych zawartych w pliku wejściowym przez wybór jednego z przycisków:

Zmiana Danych Ogólnych.

Zmiana Danych Fosforowych.

Zmiana Danych Węglowych.
Wybór przycisku Zmiana Danych Ogólnych umożliwia zmianę następujących parametrów:

Objętość rezerwuarów.

Powierzchnia rezerwuarów.

Strumień masy.

Współczynnik podziału rozpuszczonej substancji organicznej.
Wybór przycisku Zmiana Danych Fosforowych umożliwia zmianę takich parametrów jak:

Początkowe stężenie molowe fosforu w rezerwuarach.

Czas przebywania fosforu w rezerwuarach.
Wybór przycisku Zmiana Danych Węglowych umożliwia zmianę następujących parametrów :

Początkowe stężenie molowe węgla w rezerwuarach.

Stosunek CaCo3/Corganiczny.

Wskaźnik rozpuszczalności.

Początkowa koncentracje radiowęgla.

Stosunek Redfielda.

Współczynnik Revella.

Szybkość wymiany.

Początkową masę węgla w atmosferze i biosferze.

Czasy przebywania węgla w atmosferze i biosferze.

Masę molowa węgla.

Stałą rozpadu radiowęgla.
Wybór przycisku Atmosfera – Ocean – Biosfera (Pandora) wywołuje Okno Symulacyjne. W oknie tym
można ustawić zadany czas symulacji, wielkość kroku czasowego oraz domyślną lub dowolną lokalizacje
plików wyjściowych.
Wybór przycisku Wprowadź Zaburzenia Okna Symulacyjnego prowadzi do uaktywnienia Okna zaburzeń
(rys. DIII-5).
119
Przeanalizujmy przykładową sytuacje i jej realizacje programową.
Rozważmy najpierw skokowe wprowadzenie do rezerwuaru pierwszego zaburzenia o wielkości 1 Gt/(krok
czasowy), przez okres jednego roku. Przyjmijmy, że krok czasowy w przeliczeniu na dni równy jest 3.65.
Aby wprowadzić te dane należy w oknie edycyjnym 1 (rys. DIII-6) wprowadzić wielkość zaburzenia równą
jeden. W oknach edycyjnych 2 i 3 (rys. DIII-6) należy ustawić okres czasu w którym mam być wprowadzane
do rezerwuaru pierwszego dodatkowa ilość węgla. Przykładowo niech będzie to okres pomiędzy rokiem
1000, a 1001 od momentu rozpoczęcia symulacji. Po ustawieniu opisanych wyżej parametrów należy nacisnąć przycisk Zastosuj & Wyjdź. Spowoduje to powrót do Okna Symulacyjnego, przy użyciu którego można
ustawić warunki symulacji i ją rozpocząć.
Przeanalizujmy teraz procedurę wprowadzenia zaburzenia w postaci funkcyjnej.
Przeanalizujmy przykładową sytuacje. Przyjmijmy, że dysponujemy danymi pomiarowymi rocznej emisji
węgla do atmosfery dla okresy 1000 –1100 od momentu rozpoczęcia symulacji. Przyjmijmy, że dla roku
1000 roczna emisja wynosiła 2 Gt/rok, a dla roku 1100 5 Gt/rok. Przyjmijmy również liniowy profil opisujący zmianę rocznej emisji węgla dla rozważanego okresu czasu. Aby wprowadzić zaburzenie zgodnie z powyższym opisem należy w oknie edycyjnym 1 (rys. DIII-7) wpisać rok rozpoczęcia wprowadzenia zaburzenia (tzn. 1000 od momentu rozpoczęcia symulacji),a w oknie edycyjnym 2 (rys. DIII-7) rok zakończenia
wprowadzenia zaburzenia (tzn. 1100 od momentu rozpoczęcia symulacji). Wartość początkową zaburzenia
(tzn. 2 Gt/rok) należy umieścić w oknie edycyjnym 3 (rys. DIII-7), a wartość końcową (tzn. 5 Gt/rok) należy
wpisać w oknie edycyjnym 4 (rys. DIII-7) Po wpisaniu powyższych danych należy za pomocą przycisku
Zastosuj & Wyjdź przejść do Okna Symulacyjnego. Po ustawieniu warunków symulacji należy rozpocząć
właściwe obliczenia. Program dzięki wpisanym danym w Oknie Zaburzeń wyznacza parametry funkcji realizującej zadany profil.
Profil liniowy realizowany jest w oparciu o równanie: y=Ax+B, gdzie y – wielkość rocznej emisji węgla
[Gt/rok] lub rocznej zmiany koncentracji radiowęgla [‰/rok], a x to czas [rok]. Określając początek wprowadzenia zaburzenia wyznaczamy wartości x1 i y1, natomiast parametry końcowe określają wartości x2 i y2.
Na podstawie tych wielkości program wyznacza parametry A i B prostej i zgodnie z jej przebiegiem wprowadza zaburzenia.
A
y 2  y1
x 2  x1
oraz
B  y1  ax1
(DIII 1.1)
Profil eksponencjalny realizowany jest w oparciu o równanie: y=Aexp(Bx), gdzie y – wielkość rocznej
emisji węgla [Gt/rok] lub rocznej zmiany koncentracji radiowęgla [‰/rok], a x to czas [rok]. Określając
początek wprowadzenia zaburzenia wyznaczamy wartości x 1 i y1, natomiast parametry końcowe określają
wartości x2 i y2. Na podstawie tych wielkości program wyznacza parametry A i B krzywej ekspotencjalnej i
zgodnie z jej przebiegiem wprowadza zaburzenia.
120
B
y
1
ln 1
( x1  x 2 ) y 2
oraz
A
y1
exp( Bx1 )
(DIII 1.2)
DIII 1.4 Tablice i zmienne programu Carbon_I wyrażające poszczególne parametry
modelu Pandora
tab_C
- Dwuwymiarowa tablica 10x2 wartości koncentracji węgla w rezerwuarach:
tab_C[i][1] - koncentracja węgla w i- tym rezerwuarze, w kroku czasowym n+1,
tab_C[i][0] – koncentracje węgla w i- tym rezerwuarze, w kroku czasowym n,
tab_F
- Dwuwymiarowa tablica 10x2 wartości koncentracji fosforu w poszczególnych
rezerwuarach:
tab_F[i][1] - koncentracja fosforu w i- tym rezerwuarze, w kroku czasowym n+1,
tab_F[i][0] – koncentracje fosforu w i- tym rezerwuarze, w kroku czasowym n,
S
- Jednowymiarowa tablica (dziesięcioelementowa) wartości strumieni masy:
S[0], S[1], ... S[7] – odpowiednio L1, ... L2, L8,
V
- Jednowymiarowa tablica (dziesięcioelementowa) objętości poszczególnych rezerwuarów:
V[0], V[1], ... V[9] – odpowiednio dla rezerwuaru I, II, ... X,
Pow
- Jednowymiarowa tablica (dziesięcioelementowa) powierzchni rezerwarów:
Pow[0], Pow[1], ... Pow[9] – odpowiednio dla rezerwuarów I, II, ... X,
ws_podz
- Jednowymiarowa tablica (jedenastoelementowa) współczynników podziału rozpuszczonej
substancji organicznej pomiędzy rezerwuarami,
T_P
- Jednowymiarowa tablica (dziesięcioelementowa, trzech zerowych – zbiorniki
głębokowodne), czasu przebywania fosforu w poszczególnych rezerwuarach,
T_P[0], T_P[1], ... T_P[9] – odpowiednio w rezerwuarze I, II, ... X,
RM
- Jednowymiarowa tablica (dziesięcioelementowa, trzech zerowych – zbiorniki
głębokowodne), wartości stosunku Ccarb/Corg w opadającej materii biogenicznej,
sol
- Tablica jednowymiarowa (dziesięcioelementowa, trzech zerowych – zbiorniki
głębokowodne), wartości wskaźnika rozpuszczalności,
pC
- Tablica jednowymiarowa (dziesięcioelementowa, trzech zerowych – rezerwuary
głębokowodne) ciśnienia parcjalnego na powierzchni oceanu,
RO
- Zmienna reprezentująca stosunek Redfielda,
F_szybkosc – Zmienna reprezentująca szybkość wymiany węgla na powierzchni
oceanu
W_R
- Zmienna reprezentująca współczynnik Revella,
pa
- Zmienna reprezentująca ciśnienie atmosferyczne,
p0
- Zmienna reprezentująca początkowe ciśnienie atmosferyczne,
121
człon, wy1, wy2, wy3, wy4, wy5, wyF - zmienne pomocnicze.
Uwaga 1: W programie przyjęto, podobnie jak w modelu standardowym współczynnik
zasadowości  =1.
Uwaga 2: Wszystkie tablice indeksowane są od zera.
122