Ćwiczenie 5: Model obiegu węgla „Pandora”

Ćwiczenie 5: Model obiegu węgla „Pandora”
Cel: Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie symulacji globalnego obiegu węgla w oparciu o model
„Pandora”.
Program ćwiczenia:
1.
2.
3.
4.
5.
Zapoznanie się z modelem.
Zapoznanie się obsługą programu realizującego obliczenia.
Zwrócenie uwagi na błędy występujące w programie.
Przeprowadzenie serii symulacji.
Opracowanie wyników i sformułowanie wniosków
Opis:
Formalizm modelu Pandora, opiera się na:
 Przyjęciu, że obieg węgla odbywa się między trzema głównymi rezerwuarami, są nimi: atmosfera,
biosfera i ocean światowy. Zarówno atmosfera jaki i biosfera są traktowane jako zbiorniki
jednorodne (średnia koncentracja węgla i jego średni czas przebywania są jednakowe w całej
objętości rezerwuaru).
 Podzieleniu oceanu światowego na dziesięć rezerwuarów oraz wprowadzeniu do opisu ośmiu
głównych prądów konwekcyjnych L1, L2, ... L8 odpowiedzialnych za przenoszenie węgla
nieorganicznego w oceanie.
 Wprowadzeniu mechanizmów: „pompy biologicznej” oraz transportu węglanowego.
 Przyjęciu dyfuzyjnego charakteru wymiany węgla atmosfera - ocean.
 Wprowadzeniu wymiany atmosfera – biosfera realizowanej wskutek różnicy czasu przebywania
węgla w rozważanych zbiornikach.
Poniższy rysunek przedstawia schemat modelu Pandora z wyszczególnieniem poszczególnych
rezerwuarów oraz prądów gęstościowych.
Rysunek 1 Schemat modelu Pandora
W modelu Pandora wyróżnia się następujące zbiorniki:










Rezerwuar pierwszy – północny Atlantyk (rezerwuar pośredni).
Rezerwuar drugi – północny i południowy Atlantyk na niskich szerokościach geograficznych
(rezerwuar powierzchniowy).
Rezerwuar trzeci – południowy Atlantyk (rezerwuar pośredni).
Rezerwuar czwarty - głęboka woda Atlantyku (rezerwuar głębokowodny).
Rezerwuar piąty - warstwa powierzchniowa i pośrednia oceany Antarktycznego (rezerwuar
pośredni).
Rezerwuar szósty - głęboka woda oceanu Antarktycznego (rezerwuar głębokowodny).
Rezerwuar siódmy – południowa cześć oceanu Indyjskiego i Spokojnego (rezerwuar
pośredni).
Rezerwuar ósmy – południowa i północna cześć oceanu Indyjskiego i Spokojnego na niskich
szerokościach geograficznych (rezerwuar powierzchniowy).
Rezerwuar dziewiąty - północna cześć oceanu Indyjskiego i Spokojnego (rezerwuar pośredni).
Rezerwuar dziesiąty - głęboka woda oceanu Indyjskiego i Spokojnego (rezerwuar
głębokowodny).
W modelu Pandora, uwzględnia się pięć mechanizmów transportu węgla:
 Prądy gęstościowe (adwekcja).
 „Pompa biologiczna”.
 Transport węglanowy.
 Wymiana węgla atmosfera – ocean (dyfuzja).
 Wymiana węgla atmosfera – biosfera lądowa.
Przy opracowywaniu równań przyjęto, że w oceanie występuje osiem głównych prądów
konwekcyjnych L1, L2, L3 ... L8, rozumianych jako strumień masy wyrażony w Sv, gdzie 1 Sv=106 m3 s-1.
Pomiaru prędkości prądów konwekcyjnych dokonuje się głownie korzystając z danych o koncentracji
radiowęgla w oceanie.
Prądy konwekcyjne L1+L2+L3 tworzą tzw. NADW (ang. North Atlantic Deep Water). Powstawanie
NADW czyli Głębokiej Wody Północnego Atlantyku jest wymuszone znacznym odparowaniem i
ochłodzeniem wód powierzchniowych wskutek działania silnych wiatrów w tym rejonie oceanu.
Badania koncentracji radiowęgla wskazują, że poniżej 1500 m NAWD jest głównym źródłem
wentylacji całego głębokiego Atlantyku.
Drugą, bardziej ograniczoną drogą wentylacji oceanu jest cyrkulacja pionowa związana z tworzeniem
tzw. Przydennej Wody Antarktycznej AABW ( ang. Antarctic Bottom Water). Wentylacja tą drogą jest
ograniczona do pasa szerokości geograficznej pomiędzy 30oS a 50oS.
Wentylacja głębokiego Pacyfiku jest znacznie słabsza. Rozkład koncentracji radiowęgla poniżej 1000
m wskazuje, że głównym mechanizmem wentylacji jest przemieszczanie się głębokiej wody od pasa
wokół antarktycznego .
Przebieg ćwiczenia:
1. Zapoznanie z modelem i jego obsługą
2. Przeprowadzenie symulacji zerowej w celu wyznaczenia czasu rozbiegu modelu.
3. Przeprowadzenie symulacji ilustrującej zachowanie systemu pod wpływem wymuszenia
zgodnego z rzeczywistym scenariuszem wzrostu emisji antropogenicznej .
4. Przeprowadzenie symulacji uwzględniającej hipotetyczny scenariusz redukcji emisji CO2
5. W sprawozdaniu proszę zaprezentować otrzymane wyniki porównać je ilościowo i zakończyć
wnioskami wynikającymi z uzyskanych wyników.
Literatura:



Lubaś Arkadiusz, Komputerowa symulacja obiegu węgla w układzie atmosfera-biosfera
lądowa-hydrosfera., Praca magisterska wykonana na Wydziale Fizyki i Techniki Jądrowej AGH
pod opieką dr Tadeusza Kuca, Kraków 2001
http://pl.wikipedia.org/wiki/Obieg_w%C4%99gla_w_przyrodzie
www.carbon14.pl/education/download/aleksander_sanetra.ppt