روشی جدید برای شناسایی منابع و غرق‌های جهانی دی اکسید کربن بر اساس تحلیل فضایی

امروزه گرمایش زمین به یکی از مهم ترین دغدغه های علم محیط زیست تبدیل شده است. فراوانی گازهای گلخانه ای در جو به عنوان عامل اصلی این پدیده شناخته می شود. این گازها حاوی بخار آب، دی اکسید کربن، متان، اکسید نیتروژن و ازن هستند. گاز CO ₂ یکی از موثرترین آنها در بین این گازها است. بر اساس هشدارهای علمی، میزان گازهای CO ₂ در جو طی 50 سال گذشته بین 40 تا 45 درصد افزایش یافته است. کاهش گاز فراوان در اتمسفر مستلزم شناخت خوب عوامل مرتبط است، از جمله منابعی که گازها را به اتمسفر ساطع می کنند و غرق هایی که گاز را از جو جذب می کنند. مقدار CO ₂گاز موجود در اتمسفر در سال های گذشته با قطعیت بسیار دقیق اندازه گیری شده است. اما مقادیر پیش بینی شده انتشار گازهای گلخانه ای از منابع و حذف توسط سینک ها دارای ابهامات زیادی هستند. همانطور که مطالعات نشان می دهد، حتی روندهای باقیمانده محاسبه شده (که با کم کردن مقادیر سینک از منابع به دست می آید) به شدت با روند وجود CO _{2 مخالف است.}در جو این مطالعه به عنوان یک بررسی مقدماتی، روشی را برای شناسایی محل منابع و غرق‌های دی اکسید کربن با استفاده از اطلاعات آماری جهانی و افزودن رویکردهای تحلیل فضایی پیشنهاد می‌کند. با اعمال این روش بر روی داده های مشاهده شده از سال 2000 تا 2011 و استخراج منابع و غرق های احتمالی، منطقه دریای سیاه، نزدیک رومانی به عنوان یکی از نقاط قوت صادر شده شناخته شد و بوکیت کوتوتابانگ در نزدیکی اندونزی به عنوان جذب چشمگیر CO2 اذعان _کرد . منطقه

کلید واژه ها:

سینک دی اکسید کربن، خودهمبستگی فضایی، درونیابی، شکل آتشفشانی

1. مقدمه

جهت گیری گرمایش جهانی و اثرات آن، به ویژه در قطب شمال، کاملاً آشکار است و دلیل اصلی آن، اضافی بودن CO ₂ در جو است [ 1 ]. برای مطالعه ارتباط بین CO ₂ اتمسفر بالا و گرم شدن کره زمین، مطالعات متعددی با روش های مختلف انجام شده است. بسیاری از رویکردها تجزیه و تحلیل داده های دما و همچنین افزایش فرآیند استخراج CO _{2 اتمسفر است.} با توجه به روند رو به رشد دمای جهانی و افزایش سریع CO ₂ اتمسفر ، این تصور که ارتباطی بین آنها وجود دارد تقویت می شود [ 2 ]] . با فرض ایجاد چنین پیوندی، صلاحی و همکاران. (1385) با شبیه سازی تغییرات دما و بارش در شهر تبریز بر حسب دوبرابر شدن دی اکسید کربن اتمسفر به این نتیجه رسیدند که در این حالت دما برای تمام فصول به طور قابل توجهی افزایش می یابد [ 3 ]. اندازه گیری دی اکسید کربن در جو بسیار دقیق است و رشد سالانه تجمع در جو زمین را نشان می دهد. با وجود این قطعیت، هنوز نمی توان میزان دی اکسید کربن تولید شده توسط زمین را تعیین کرد. همچنین میزان گاز جذب شده توسط خشکی و اقیانوس ها مشخص نشده است [ 4]، اگرچه مبلغ قابل توجهی تشکیل می شود. به عنوان مثال، مهم ترین راه کاهش دی اکسید کربن در جو پس از کاهش مصرف سوخت های فسیلی، ذخیره کربن در اکوسیستم های زمینی و زمین است. خاک حاوی 75 درصد منبع کربن زمین است [ 5] . تعیین میزان انتشار یا جذب دی اکسید کربن در جو مستلزم شناخت دقیق حداقل یکی از آنها است. با کم کردن مقدار گاز موجود در اتمسفر می‌توان گاز دیگری را بدست آورد. دستیابی به این اعتماد نیازمند طیف وسیعی از داده های ژئوفیزیکی و اقتصادی جهانی است. Corinne Le Quéré (2009) نرخ کلی تولید و جذب دی اکسید کربن را از سال 1959 تا 2008 برای توسعه و تجزیه و تحلیل پدیده هایی که بر آنها تأثیر می گذارد تهیه کرد. نرخ رشد دی اکسید کربن در جو بر اساس اندازه گیری های مستقیم تعیین شد. میزان دی اکسید کربن تولید شده توسط سوخت های فسیلی با توجه به آمار مصرف سوخت های فسیلی در کشورهای مختلف شناسایی شد. میزان دی اکسید کربن حاصل از تغییرات کاربری اراضی توسط آماری جنگل زدایی، کاربری اراضی، تخمین زده شد. مشاهدات فضایی آتش سوزی، و فرضیات در مورد چگالی کربن در پوشش گیاهی و خاک. نتیجه عملیات نشان می دهد که مقادیر باقیمانده تخمین زده شده با مقدار گاز موجود در جو سازگاری ندارد. ناتوانی در شناسایی منبع و میزان جذب و دفع دی اکسید کربن مانع از درک دقیق چرخه کربن می شود.4 ] . هدف از این مقاله ارائه روشی برای شناسایی مکان هایی است که ممکن است جذب یا دفع گاز در آنها رخ داده باشد. این روش با پیاده سازی تجزیه و تحلیل فضایی در مقادیر اطلاعات آماری جهانی گاز در جو عمل می کند.

2. روند منبع و سینک

بیشتر مطالعات در مورد دانش دقیق عوامل موثر بر جذب و آزادسازی دی اکسید کربن در حدود دهه 1990 آغاز شد. این مطالعات را می توان به دو گروه تقسیم کرد: 1) ارزیابی تغییرات دی اکسید کربن در اتمسفر و شناخت عوامل موثر بر آن. 2) تجزیه و تحلیل آماری داده ها و نقشه های اقلیمی برای پیش بینی گسترش و جذب گازها. اگر مقدار دی اکسید کربن موجود در اتمسفر نتیجه متعادل کننده منابع و مخازن شناخته شده باشد، با توجه به عوامل شناخته شده ای که بر جذب و انتشار گاز دی اکسید کربن تأثیر می گذارند، می توان بودجه را با معادله زیر نشان داد [ 6 ]:

(1)

روند دی اکسید کربن در اتمسفر معادل مجموع مقدار گازی است که از منابع منتشر می شود و توسط سینک ها جذب می شود. بر اساس ایستگاه های اندازه گیری روی سطح زمین، به طور متوسط ​​40 درصد از کل انتشار سالانه CO ₂ بین سال های 1959 تا 2008، در جو باقی می ماند. اما این عدد، همانطور که در شکل 1 [ 4 ] [ 7 ] نشان داده شده است، تغییرات سالانه بالایی نیز دارد.

مقدار انتشار CO _{2 با CO 2} جذب شده ، مقادیر باقیمانده نامیده می شود. نمودار روند در شکل 2 [ 4 ] [ 8 ] نشان داده شده است. محدوده ای که در آن سایه ظاهر می شود، محاسبه تقریبی است.

همانطور که مقایسه بین شکل 1 و شکل 2 نشان می دهد، روند تغییرات در دی اکسید کربن اتمسفر، نوسانات مقادیر باقیمانده محاسبه شده آن را توجیه نمی کند. به عبارت دیگر، نرخ رشد CO ₂ در جو با انتشار و جذب محاسبه شده مطابقت ندارد [ 4 ].

تحلیل زمین آماری روش دیگری است که برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد چرخه کربن استفاده می شود. با استفاده از دو روش شبکه های عصبی و شبکه فازی بر داده های هواشناسی شهر تهران، خزایی و همکاران. (1391) غلظت انتشار مونوکسید کربن را پیش بینی کرد.

3. مواد و روشها

تمام عملیات حسابی مورد استفاده در مطالعات ذکر شده در بخش قبل، اغلب محدود به تجزیه و تحلیل آماری داده های توصیفی (غیر مکانی) است، در حالی که تفکیک مکانی با تجهیزات تحلیلی خوب خود که قادر به شناسایی مناطق با ویژگی های خاص در محیط است. برای اعمال مناسب است. اهمیت روش ارائه شده در این پژوهش، رویکرد آن در استفاده از این نوع تحلیل است.

داده های مورد استفاده در این مطالعه مقادیر دی اکسید کربن در جو بین سال های 2000 تا 2011 بود که توسط 63 ایستگاه نمونه برداری، از طریق پایگاه داده ارائه شده در GLOBAL VIEW اندازه گیری شد. اطلاعات موجود در این سایت از سال 1999 شروع می شود. قبل از سال 1988، تعداد ایستگاه های اندازه گیری بسیار کمتر بود. مطالعات نشان می دهد که حداقل 10 ایستگاه برای هر منطقه مورد مطالعه برای به دست آوردن برآوردهای خوب مورد نیاز است [ 9 ]. نمونه ها به دو صورت روزانه و ماهانه ارائه می شوند. با محاسبه میانگین داده های ماهانه، مقادیر سالانه برای هر ایستگاه محاسبه و استفاده شد. با استفاده از مختصات جغرافیایی ایستگاه ها و نمایی از نقشه جهان، سکوی کار تهیه شد. با استفاده از تجزیه و تحلیل چند ضلعی Thiessen، مناطق عملکردی هر ایستگاه در شکل 3 نشان داده شده است .

با استفاده از داده های سالانه برای هر ایستگاه و موقعیت جغرافیایی آنها، یک مدل شبکه نامنظم مثلثی (TIN) تولید شد. شکل 4 نمونه ای از این مدل را برای سال 2009 نشان می دهد.

سپس با استفاده از مدل‌های TIN، نقشه‌های کانتور از آن‌ها تولید شد. با اجرای روشی که در قسمت بعدی توضیح داده خواهد شد، برای هر ایستگاه مقدار عددی متناسب با نقش آن در سینک یا منبع منطقه به دست می آید. این مقادیر در این مقاله با “درجه آتشفشانی ایستگاه ها” (SVD) نامگذاری شده اند. در نتیجه، مقادیر این SVD ها طی سال های 2000-2011 مقایسه شدند.

3.1. ایستگاه‌های درجه آتشفشانی (SVD)

هدف این است که با کمک مدل های به دست آمده، مناطقی که می توانند گازها را جذب یا منتشر کنند، شناسایی شوند. مدل های TIN چیزی شبیه به زمین هستند. ممکن است بر روی آنها چند توده و فرورفتگی مشاهده شود. ارتفاع تپه ها یا کوه ها نشان دهنده ارزش بالای آن منطقه است. و عمق دره ها مقدار کم ارزش را در آنجا نشان می دهد.

در طبیعت، کوه‌های آتشفشانی با شکل‌های مخروطی ساده‌شان توسط ماگمای زیرینشان ایجاد شده‌اند. این بدان معناست که عواملی که آنها را ایجاد می کنند در پایین خود هستند و نه مکان های دیگر. این

این ویژگی منجر به مفهوم تشخیص اشکال آتشفشانی در مدل‌های TIN برای یافتن مکان‌هایی می‌شود که در آن انتشار یا جذب رخ داده است. کوه های آتشفشانی شکل های خاص خود را دارند. در شکل 5 , سه نوع اصلی تشکیل آتشفشانی گزارش شده است [ 10 ] . در این دیدگاه، تشکیلات قله ها از ارتفاعات آنها اهمیت بیشتری دارد. به عنوان مثال، قله‌های مرتفع هیمالیا با ارتفاع بیش از 8000 متر، نسبت به یک کوه آتشفشانی منفرد مانند آرارات یا دماوند با ارتفاع کمتر از 6000 متر، کوه‌های غیرآتشفشانی‌تر محسوب می‌شوند.

به دلیل تقارن، از همان محاسبه برای شناسایی و طبقه‌بندی قله‌های آتشفشانی برای شناسایی دره‌ها در حالت معکوس (منابع گاز یا کاهش) استفاده شد.

مشابه ویژگی‌های فردی قله‌های آتشفشانی، با روش نشان‌داده‌شده در شکل 6 ، و با استفاده از نقشه‌های کانتور، ویژگی‌های قله‌ها و دره‌ها استخراج شد و مقادیر SVD آن‌ها بر اساس مقادیر حجم‌های محصور شده توسط آنها مقداردهی اولیه شد. فرض بر این است که قدر مطلق SVD امکان مکان یابی عامل خلاق گاز در موقعیت ایستگاه را نشان می دهد.

3.2. اعتبار مدل

این تحقیق در دو نوع اعتبارسنجی انجام شد: 1) وجود رابطه فضایی بین مقادیر عددی ایستگاه های اندازه گیری. 2) ارزیابی مدل شبکه نامنظم مثلثی (TIN). بخش های زیر نحوه انجام هر یک از این نظرسنجی ها را توضیح می دهد.

3.2.1. اعتبار بخشیدن به رابطه فضایی

پس از تهیه داده ها، لازم است ارزیابی شود که آیا مقادیر گاز گزارش شده ایستگاه ها رابطه مکانی دارند یا خیر. برای این منظور از تحلیل خودهمبستگی فضایی استفاده شد. خودهمبستگی فضایی نشان می‌دهد که چیزهایی که به یکدیگر نزدیک‌تر هستند بسیار شبیه‌تر از چیزهای دور هستند. اگر این ویژگی در مقادیر عددی دیده نشود، رابطه فضایی بین اعداد وجود ندارد و بنابراین استفاده از تحلیل مکانی در آنها صحیح نخواهد بود. برای مشاهده این همبستگی خودکار، از نمودار ابری Variogram استفاده می شود. جفت ها

نقاطی که نزدیک به هم هستند مقادیر مشابهی دارند. در مقابل، جفت هایی که از یکدیگر دور هستند، مجموعه کمتری شبیه هم هستند (ترابی 1389). نتایج نظرسنجی به موارد مشابه و عدم تشابه تعمیم داده خواهد شد. برای ارزیابی شباهت ها از شاخص موران و برای عدم تشابه از روش Geary استفاده شده است. در موران، نتایج محاسبات عددی بین 1 و -1 خواهد بود. عدد 1 شباهت مثبت کامل را نشان می دهد و -1 شباهت منفی کامل را نشان می دهد. در این تحقیق از روش Geary برای ارزیابی عدم تشابه استفاده شد. در روش Geary بر اساس تابع (2) با مقایسه یک جفت عددی بین 0 و 2 به دست می آید. مقادیر کمتر از 1 نشان دهنده همبستگی مثبت و مقادیر بالای 1 نشان دهنده خودهمبستگی منفی است. مقدار 1 عدم وجود همبستگی خودکار را نشان می دهد.

(2)

متغیر N تعداد نمونه ها است. متغیرهای X _i , X _j مقادیر دو نمونه معلق هستند. متغیر W تعیین می کند که آیا دو نمونه در فاصله مشخص شده قرار دارند یا خیر. از تابع (3) می توان برای تعیین سطح و نوع رابطه فضایی بین مقادیر استفاده کرد.

(3)

n تعداد نمونه ها در بازه مشخص شده است. در نتیجه، محاسبه منجر به نموداری می شود که میزان و نوع رابطه فضایی بین مقادیر را نشان می دهد. شکل 7 نتیجه این عملیات را برای مقادیر ایستگاه ها در سال 2009 نشان می دهد.

نمودارها نشان دهنده وجود رابطه فضایی از نوع نمایی، بین مقادیر ایستگاه ها در سال 1388 است. بنابراین، تحلیل فضایی بر روی داده ها قابل قبول است.

3.2.2. اعتبارسنجی مدل TIN

مدل‌های TIN توسط فرآیندهای درون‌یابی تولید می‌شوند. برای اعتبارسنجی روش درونیابی، 15 درصد از ایستگاه ها نگهداری شد و با بقیه آنها یک سطح سه بعدی با مدل TIN ایجاد شد. سپس مقادیر پیش‌بینی‌شده مدل TIN برای مکان‌های ایستگاه‌های حذف شده با مقادیر واقعی آن‌ها مقایسه شد. این آزمایش 20 بار با داده های سال 2009 انجام شد. میانگین خطای نسبی 0.7 درصد در آزمایش ها به دست آمد. بنابراین استفاده از مدل TIN برای تحلیل فضایی مقادیر ایستگاه ها قابل قبول است. شکل 8 خطاهای نسبی را نشان می دهد که به ترتیب صعودی ترسیم شده اند.

همانطور که نشان داده شده است، نتایج اصلی خطاها در حدود صفر است. مواردی وجود دارد که تفاوت زیادی با هم دارند. این موارد ممکن است نشانه ای از انتشار یا جذب گاز در نواحی خود باشد.

4. نتایج

شکل 9 نمونه ای از نتایج این مقاله را در رابطه با داده های سال 2009 نشان می دهد.

در این حالت قوی ترین قله با مقدار 107 SVD در ایستگاه BSC در منطقه دریای سیاه شناخته می شود. قوی ترین دره با مقدار SVD 41- در موقعیت BKT نزدیک “اندونزی” شناخته شده است. با این مفروضات، احتمال اینکه در سال 2009 در منطقه دریای سیاه یک عامل انتشار قوی CO ₂ ایجاد شود، بسیار بیشتر از هر مکان دیگری است. علاوه بر این، ضریب جذب گاز در موقعیت ایستگاه اندونزی بیشتر قابل کشف خواهد بود. با استفاده از روش پیشنهادی، 12 نقشه برای مقادیر CO _{2 ایستگاه ها طی سال های 2000 تا 2011 تهیه شد.} در هر نقشه قله ها و دره ها به تصویر کشیده شد. قله ها و دره ها با مقادیر SVD خود درجه بندی شدند. جدول 1 10 ایستگاه را نشان می دهد که دارای بالاترین درجه مقادیر مثبت و منفی SVD هستند.

جدول 1 نشان می دهد که تسلط قوی در ایستگاه های BSC و BKT از سایر ایستگاه ها وجود دارد. ایستگاه دریای سیاه (BSC) با مقادیر بالای SVD، بالاترین درجه انتشار CO ₂ را نشان می دهد و می تواند گزینه خوبی برای کشف عوامل انتشار CO _{2 باشد.} این استنتاج در حالی وجود دارد که میانگین مقادیر اندازه‌گیری شده در ایستگاه چیزی نزدیک به میانگین سایرین است و ظاهراً تسلط خاصی بر سایرین مشاهده نمی‌شود. و ایستگاه اندونزی (BKT) به عنوان یک منطقه اولویت برای تشخیص عوامل جذب گاز CO _{2 توصیه می شود.} مقدار SVD ایستگاه PAL همیشه منفی بوده است و تنها در سال 2001 تا حد زیادی مثبت شد. همچنین می تواند نشانه ای از منبع موقت CO2 _باشدانتشار گازهای گلخانه ای در سال 2001 در منطقه. شکل 10 موقعیت این ایستگاه ها را نشان می دهد.

5. نتیجه گیری

در این مقاله با استفاده از داده‌های سالانه ایستگاه‌های اندازه‌گیری دی‌اکسید کربن در جو و مکان‌های آنها، مدل TIN برای هر سال تولید شد. سپس با مدلی که بر اساس ایده تشکیل کوه‌های آتشفشانی ارائه شده است، قله‌ها و دره‌های مدل TIN بر اساس شباهت‌هایشان با اشکال کوه‌های آتشفشانی رتبه‌بندی شدند. این درجه ها به عنوان درجه آتشفشانی ایستگاه (SVD) ذخیره شدند. فرض بر این است که تشکیل ویژه آتشفشان‌ها می‌تواند الگوی مناسبی برای استخراج آن قله‌ها و دره‌های مدل TIN باشد که منابع یا غرق‌های مربوطه در داخل مناطق خود قرار دارند. با در نظر گرفتن نتایج محاسباتی بر روی داده‌های 2000 تا 2011، مکان‌های منبع احتمالی انتشار و جذب گاز ارائه شد. مانند

در بخش‌های قبل ذکر شد، علی‌رغم اهمیت فوق‌العاده جلوگیری از رشد دی‌اکسید کربن باقی‌مانده در اتمسفر، شناسایی عوامل مؤثر بر انتشار و جذب گاز بسیار کم و خشن است. روش پیشنهادی در این مقاله، رویکردی نوآورانه در مقایسه با مطالعات قبلی است و نتایج را سریع و صریح بیان می‌کند. خوب است از روشی برای ارزیابی نتایج این مطالعه با موارد مشاهده استفاده شود. علاوه بر این، از آنجایی که مقدار باقیمانده دی اکسید کربن اتمسفر به شدت به دما وابسته است، خوب است این تحقیق را دوباره با داده های فصلی انجام دهیم و نتایج را بررسی کنیم.

منابع