Введение к работе
Наблюдавшиеся в 1980-е годы 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.
Диссертационная работа является обобщением исследований, -проведенных в соответствии с плановой тематикой института в рамках проектов "Черное море" (N ГР 0195Ш12256), "Динамика экосистем" (N ГР 0194U044413) Национальной программы исследований и использования ресурсов Азово-Черноморского бассейна и темы "Эко-тон" (N ГР 0193U024765), 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.
-
Совершенствование математической модели экосистемы сероводородной .зоны Черного моря как действующего инструмента исследования сложного природного феномена.
-
Изучение с помощью вычислительных экспериментов влияния на экосистему важнейших геофизических факторов - параметров вертикального обмена, а также основного энергетического потока -потока органического вещества в экосистему.
-
Оценка с помощью математической модели экосистемы сероводородной зоны некоторых физических, химических и биологических элементов экосистемы Черного моря в целом.
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 фло
ры и фауны на северо-западном шельфе Черного моря, полученные с
помощью адаптации модели экосистемы сероводородной зоны Черного
моря к условиям северо-западного шельфа.
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.
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.
-4.-
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ .„'
Основные результаты представлялись и "догладывались 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 "Экотон". Содержание диссертации изложено в 9 опубликованных научных работах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Похожие диссертации на Исследование сероводородной зоны Черного моря методом математического моделирования
