Mechanism of methane bubble transport from peat layer

Cover Page

Abstract


Ebullition is an important mechanism of biogenic methane liberation from the peat into the atmosphere. However, at the present time we have a lack of information about formation and movement of the gas bubbles within the surface peat layer (< 1 m depth). As a result, some Russian scientists raise a question about the existence of the ebullition phenomenon at all, despite the multiple field observations. They suggest that the gas transport through the dense peat is physically impossible. In this paper, we substantiate following mechanism of methane bubble transport: under the positive pressure the channel in the peat is formed and serves as a track for methane bubbles into the atmosphere. To model the physical process of the bubble formation and movement we fill the transparent vessel by mesotrophic peat which was recently sampled from Bakchar Bog, Tomsk region. A bent tube was sticked into the central part of peat layer. The syringe with the air was connected to the upper end of the tube putting a pressure on the peat. As a result, we observed a gas discharge which visually confirm theoretical possibility of the process. It was calculated that the bubble of 1.3·10 -3 m in radius emitting from 3 cm depth has ability to do work of (7.6 ± 4.4) · 10 -5 J. Meanwhile, the work to track the channel in the peat (i.e. to do work against elastic forces of moss stems) was theoretically estimated at (3.44 ± 1.03)·10 -5 J (peat compressibility was estimated using results of the «compressive» experiment.). Thus, experimentally based calculations confirm the ebullition phenomenon existence. In the addition, we suggested that the first bubble track the way through the peat facilitating the transport of the rest bubbles through its mass. It was shown on the literature data that required for ebullition positive pressure can be produced by methanogenic archaebacteria and do not influence on its activity. The mechanism of the bubble transport from the several decimeters depth may be similar. In this case, large volume of methane is accumulated in the peat, emitting by considerable gas release events when during short time periods (several hours or even minutes) the flux reaches 40 gCH 4/m 2.

M V Glagolev

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Югорский государственный университет (г. Ханты-Мансийск); Институт лесоведения РАН (пос. Успенское, Московская обл.)

Author for correspondence.
Email: m_glagolev@mail.ru

I E Kleptsova

Югорский государственный университет (г. Ханты-Мансийск)

Email: m_glagolev@mail.ru

  1. Воробьева Л.И. 2007. Археи. М.: ИКЦ «Академкнига». 447 с.
  2. Бажин Н.М. 2004. Теория эмиссии метана из природных источников // Болота и биосфера: Сборник материалов Третьей Научной Школы (13-16 сентября 2004 г.). Томск: Изд-во ЦНТИ. С. 38-39.
  3. Базин Е.Т., Копенкин В.Д., Косов В.И., Корчунов С.С., Петрович В.М. 1992. Технический анализ торфа. М.: Недра. 431 с.
  4. Гегузин Я.Е. 1985. Пузыри. - М.: Наука. - 176 с.
  5. Глаголев М.В. 2010. Эмиссия СН4 болотными почвами Западной Сибири: от почвенного профиля до региона: дис. … канд. биол. наук. М.: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ).
  6. Глаголев М.В., Клепцова И.Е. 2009. Эмиссия метана в лесотундре: к созданию «стандартной модели» (Аа2) для Западной Сибири // Вестник Томского государственного педагогического университета. № 3. С. 77-81.
  7. Глаголев М.В., Сирин А.А., Лапшина Е.Д., Филиппов И.В. 2010. Изучение потоков углеродсодержащих парниковых газов в болотных экосистемах Западной Сибири // Вестник Томского государственного педагогического университета. № 3. С. 120-127.
  8. Глаголев М.В., Смагин А.В. 2006. Количественная оценка эмиссии метана болотами: от почвенного профиля - до региона (к 15-летию исследований в Томской области) // Доклады по экологическому почвоведению. Т. 3. №3. С. 75-114.
  9. Глаголев М.В., Шнырев Н.А. 2007. Динамика летне-осенней эмиссии СН4 естественными болотами (на примере юга Томской области) // Вестник Московского государственного университета. Серия 17: Почвоведение. №1. С. 8-15.
  10. Годнев И.Н., Краснов К.С., Воробьев Н.К., Васильева В.Н., Васильев В.П., Киселева В.Л., Белоногов К.Н. 1982. Физическая химия. М.: Высшая школа. 687 с.
  11. Коронатова Н.Г. 2010. Исследование разложения торфа в болотах методом инкубации сухих и влажных образцов // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. Т. 1. № 1. С. 77-84.
  12. Ломизе Г.М. 1951. Фильтрация в трещиноватых породах. М.-Л.: Госэнергоиздат.
  13. Лукнер Л., Шестаков В.М. 1986. Моделирование миграции подземных вод. М.: Недра. 208 с.
  14. Мастепанов М.А. 2004. Кинетика газообмена в профиле сфагнового болота: от метаногенеза к эмиссии: Автореф. дис.. канд. биол. наук. М.: МГУ. 25 с.
  15. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. 1987. Микробиология. М.: Агропромиздат. 368 с.
  16. Сабреков А.Ф., Глаголев М.В. 2008. К математическому моделированию микробного сообщества цикла метана // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. № S1. C. 84-97.
  17. Степаненко В.М., Мачульская Е.Е., Глаголев М.В., Лыкосов В.Н. 2011. Моделирование эмиссии метана из озер зоны вечной мерзлоты // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. Т. 47. №2. С. 275-288.
  18. Сутин И.А., Финн Г.Р., Зеленская Л.Н. 1973. Микробиология. М.: Медицина.
  19. Сысуев В.В. 1986. Моделирование процессов в ландшафтно-геохимических системах. М.: Наука.
  20. Шеин Е.В. 2005. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ. 432 с.
  21. Arah J.R.M., Stephen K.D. 1998. A model of the processes leading to methane emission from peatland // Atmospheric Environment. V. 32. No. 19. P. 3257-3264.
  22. Baird A.J., Beckwith C.W., Waldron S., Waddington J.M. 2004. Ebullition of methane-containing gas bubbles from near-surface Sphagnum peat // Geophysical Research Letters.V. 31. L21505. doi: 10.1029/2004GL021157.
  23. Bloch A. 2003. Muphy’s law. - N.Y.: Perigee.
  24. Cao M., Dent J.B., Heal O.W. 1995. Modeling methane emissions from rice paddies. Global Biogeochemical Cycles, V. 9, No. 2, P. 183-195.
  25. Cao M., Marshall S., Gregson K. 1996. Global carbon exchange and methane emissions from natural wetlands: Application of a process-based model // Journal of Geophysical Research. V. 101. No. D9. P. 14399-14414.
  26. Glagolev M.V., Golovatskaya E.A., Shnyrev N.A. 2008. Greenhouse Gas Emission in West Siberia // Contemporary Problems of Ecology. V. 1. № 1. P. 136-146.
  27. Glagolev M., Kleptsova I., Filippov I., Maksyutov S., Machida T. 2011. Regional methane emission from West Siberia mire landscapes // Environmental Research Letters. V. 6. N. 4. P. 045214. doi: 10.1088/1748-9326/6/4/045214.
  28. Golovatskaya E.A. 2010. Biological productivity of oligotrophic and eutrophic peatlands in southern taiga in Western Siberia // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. Т. 1. № 2. С. 6.
  29. Happell J.D., Chanton J.P. 1993. Carbon Remineralization in a North Florida Swamp Forest: Effects of Water Level on the Pathways and Rates of Soil Organic Matter Decomposition // Global Biogeochemical Cycles. V. 7. P. 475-490.
  30. Happell J.D., Chanton J.P., Whiting G.J., Showers W.J. 1993. Stable Isotopes as Tracers of Methane Dynamics in Everglades Marshes With and Without Active Populations of Methane Oxidizing Bacteria // Journal of Geophysical Research, V. 98. No. D8. P. 14771-14782.
  31. Holzapfel-Pschorn A., Seiler W. 1986. Methane Emission During a Cultivation Period From an Italian Rice Paddy // Journal of Geophysical Research. V. 91. No. D11. P. 11803-11814.
  32. Waddington J.M., Roulet N.T., Swanson R.V. 1996. Water table control of CH4 emission enhancement by vascular plants in boreal peatlands // Journal of Geophysical Research. V. 101. P. 22775-22785.
  33. Walter B.P., Heimann M., Shannon R.D., White J.R. 1996. A process-based model to derive methane emissions from natural wetlands // Geophysical Research Letters. V. 23. No. 25. P. 3731-3734.

Views

Abstract - 190

PDF (Russian) - 167

PlumX


Copyright (c) 2012 Glagolev M.V., Kleptsova I.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.