Мы продолжаем знакомить с научными исследованиями ЮГУ, которые получили
поддержку Российского научного фонда в 2025 году. Так, 2,7 млн рублей выделят на проект
«Обратное моделирование в задачах анализа баланса парниковых газов и теплового режима почв Северных регионов». Полный объем финансового обеспечения проекта в этом году (за счет средств Фонда и региона) составит 5,4 млн рублей. Руководитель проекта – профессор Инженерной школы цифровых технологий Сергей Пятков.
«Проблемы глобального изменения климата вызывают большой интерес в силу их огромной практической значимостью. Круговорот углерода как один из наиболее интенсивных процессов в биосфере в значительной степени определяет климат планеты. Глобальный круговорот углерода изучался в международном проекте GCP (Global Carbon Project), опубликовано большое количество статьей и монографий, посвященные этому вопросу. Вместе с тем, представляет интерес исследование круговорота углерода в локальных экосистемах, где значительным элементом экосистемы является болота, а также велико антропогенное воздействие. Последнее обстоятельство, в частности, связано с процессами нефтедобычи, проявляется в сжигании попутного газа, а также применением углекислого газа для интенсификации нефтеотдачи пластов. Указанные обстоятельства являются характерными для Югры», - рассказал руководитель проекта.
Важную роль в исследовании баланса парниковых газов играет создание и анализ математических моделей, описывающих протекающие в биосфере динамические процессы. Исследования газообмена болотных экосистем особенно актуальны в связи с необходимостью инвентаризации основных наземных источников СО2 и метана, являющихся основными парниковыми газами. К тому же освоение новых районов криолитозоны часто проводится с нарушением почвенных покровов и техногенным загрязнением (промстоками, рассолами, нефтепродуктами, радионуклидами и другими экологически опасными загрязнителями) грунта.
«В связи с этим стали актуальными вопросы уточнения математических моделей тепломассопереноса с учетом реального процесса промерзания и протаивания порового раствора грунта и их использование при описании реальных процессов распространения загрязнений и газообмена в почвах. Применительно к тематике, исследование прежде всего связано с неопределенностью значительного количества параметров модели системы (граничных условий, теплоемкости, теплопроводности, коэффициента диффузии и так далее)», - отмечает учёный.
Традиционный подход с использованием значений характеристик, полученных из эксперимента, часто приводит к неверным результатам, подчёркивают исследователи: «Поэтому задача определения параметров модели является актуальной. Трудности при решении коэффициентной обратной задачи тепломассообмена или диффузии связаны с тем, что в почвах происходит сложный взаимосвязанный термодинамический процесс: идет миграция воды (порового раствора), осуществляется как конвективный так и диффузионный перенос газов а также их поглощение за счет бактерий (метанотрофы) в почве». Добавим, что на основе полученных результатов возможно создание систем обработки и анализа данных мониторинга потоков углерода, технологической база для проектов по коммерциализации углеродного следа в различных отраслях экономики («Сarbon Project Pool»), информационных систем поддержки принятия решений в области экологии, новых курсов для образовательного процесса и многое другое».
Основные задачи проекта:
1) Аналитическое и численное исследование задач определения теплофизических, массообменных характеристик, граничных режимов и баланса парниковых газов в системе почва-атмосфер, в почвах и водоемах.
2) Аналитическое и численное исследование задач описания и прогнозирования температурных режимов в криолитозоне, описания тепломассопереноса при техногенном загрязнении деятельного слоя почвы, влиянию паводковой воды и нефтяного загрязнения на тепломассообменный режим грунта, исследование поведения многолетнемерзлых пород.
3) Построение новых численных алгоритмов и их обоснование для систем конвекции-диффузиии, проведение численных экспериментов и описание процессов конвективного и диффузионного переноса газов (метан, углекислый газ), процесса поглощения и также температурных режимов в болотистых почвах с учетом региональных особенностей (Западная Сибирь).
4) Разработка математических моделей нелинейной динамики экосистем. Аналитическое и численное исследование математических моделей локальных болотных экосистем с учетом физико-химических свойств почв, в т.ч.; нахождение особых точек, исследование устойчивости стационарных решений, построение фазовых портретов.
Группа учёных ожидает получить следующие результаты:
а) Новые алгоритмы и численные методы решения обратных задач возникающих при описании потоков парниковых газов потоков на границе по интегральным данным, баланса и процессов поглощения и рождения парниковых газов в почвах и водоемах. Теоретические обоснования предложенных методов, включая в том числе описания классов решений и их свойств. Результаты численных экспериментов.
б) Новые алгоритмы построения решений задач восстановления теплофизических и массообменных характеристик по точечным и интегральным данным (коэффициенты диффузии, теплоемкость, и пр.) в задачах описания тепловых режимов грунтов и описания процессов тепломассопереноса при техногенном загрязнении почв, влияния паводковой воды и нефтяного загрязнения на тепломассообменный режим грунта. Описание качественных свойств решений и результаты численных экспериментов. Теоретическое обоснование результатов в том числе и в случае слоистых сред с различными типами условий сопряжения.
г) Создание и регистрация комплексов программ, посвященных в первую очередь задачам описания балансов и потоков парниковых газов и тепловых режимов почв в условиях антропогенного воздействия.
е) Обоснование новых математических моделей циклов углерода, основанных на нелинейной динамике.
ж) Исследование устойчивости стационарных решений, построение фазовых портретов математических моделей круговорота углерода.
з) Численный расчет динамики круговорота углерода, в целях прогноза его концентрации в экосистеме.
Практическая значимость результатов довольно высокая: на основе полученных результатов возможно построение новых численных алгоритмов и создание комплексов программ для решения конкретных экологических задач, создание основы современной автоматизированной сети мониторинга потоков углерода и инновационной системы обработки и анализа данных. Дальнейшая работа в этом направлении может послужить основой для создания сервисов по формирования оценок и прогнозирования углеродной ёмкости территории.
«Теоретические результаты предполагают развитие новых подходов и методов для теоретического исследования широких классов обратных задач, основанных на теории дифференциальных уравнений и систем, что позволит моделировать динамику, прогнозировать концентрации углерода в экосистемах на основе новых знаний и измерениях циклов углерода в экосистемах «растения-почва», а также, изучать последствия антропогенного воздействия на экосистему, что чрезвычайно важно для нефтедобывающего региона», - резюмировал Сергей Григорьевич.
Добавим, что к коллективу, который будет проводить исследование, планируют подключиться учёные ЮГУ – кандидаты наук Егор Сафонов, Сергей Шергин, Сергей Семёнов, а также аспиранты Алексей Потапков, Юлия Тукмачева и Олег Солдатов.
