Передвижная лаборатория зимней экспедиции на море Лаптевых

Восточно-Сибирский арктический шельф является крупнейшим источником метана, по объемам выбросов сравнимым со всем Мировым океаном, выяснили российские ученые. Виной этому таяние подводной вечной мерзлоты, при котором освобождается метан, законсервированный на большой глубине в виде газогидратов. В случае резкого выброса содержание метана в атмосфере может вырасти на порядки.

Работы по изменению климата – больная в научном и информационном сообществе последнего времени тема. Статистически необъективная обработка данных, тенденциозность исследований и последний «климатгейт» снискали этой тематике недобрую славу. Тем более ценными являются комплексные, достоверные, длительные исследования, дающие объективный взгляд на текущие процессы в атмосфере, включающие как антропогенные, так и естественные факторы воздействия.

В последнем номере журнал Science опубликована революционная работа российских ученых из Тихоокеанского океанологического института Дальневосточного отделения РАН, представляющая принципиально новый взгляд на эмиссию метана в атмосферу на основе многолетних исследований метановых выделений арктического шельфа России.

Традиционно считалось, что арктические шельфовые области являются неактивными в контексте эмиссии метана, так как твердый газогидратный слой надежно захоронен под толщей подводной вечной мерзлоты.

Исследования содержания метана в воде и воздухе моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря показали, что, напротив, эти области являются наиболее активными источниками метана: их эмиссия сравнима с эмиссией всего остального Мирового океана. Это происходит из-за таяния подводной вечной мерзлоты, причем объемы захороненного под ней метана столь велики, что при прорыве слоя мерзлоты концентрация метана в атмосфере разом может увеличиться на порядки, что приведет к непредсказуемым очень резким изменениям климата Земли.
О ходе исследований и основных результатах работы корреспонденту «Газеты.Ru» рассказали ее первые авторы – ведущий научный сотрудник лаборатории арктических исследований Тихоокеанского океанологического института ДвО РАН Наталья Шахова и заведующий этой лабораторией Игорь Семилетов.

– Какова история работы вашего авторского коллектива?

– Представленная работа является успешным примером международного сотрудничества российских ученых (Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, ТОИ ДВО РАН) в кооперации с учеными США (Международный арктический научный центр Университета Аляска, Фэрбанкс) и Швеции (Университет Стокгольма и Климатический центр Берта Болина) выполненным на шельфе морей Восточной Арктики в 2003–2008 годах. Комплекс исследований включал многочисленные высокоточные измерения содержания метана в воде и воздухе, использование геофизических методов исследования.

Немного истории. Работы по исследованию эмиссии метана из арктического шельфа были начаты еще в конце 90-х годов на базе нашей лаборатории во Владивостоке. До этого мы занимались изучением роли северных озер в региональном балансе метана. Рассмотрим кратко, почему эти работы важны для понимания некоторых аспектов климата высоких широт и нашей планеты в целом.

Одним из мощных методов изучения климата является изучение кернов арктического и антарктического льда, который является хранилищем информации о составе древней атмосферы. Изучая состав льдов Гренландии и Антарктиды, можно получить данные о составе атмосферы за последние 400 тысяч лет. Как известно, в истории Земли есть холодные и есть теплые эпохи. Мы с вами живем в теплую эпоху. Холодные эпохи характеризуются низким содержанием метана в атмосфере – не более 0,3–0,4 миллионных долей (в англоязычной терминологии – ppm). В теплые эпохи эта цифра возрастает до 0,7 ppm . В ледниковые эпохи содержание метана над Гренландией и Антарктидой было одинаковым, а вот в межледниковые над Арктикой было на 10% больше метана. Согласно современным данным атмосферного мониторинга (НОАА США), в наше (межледниковое) время концентрация метана над Арктикой также выше на 8–10%, чем над Антарктикой. Это подразумевает наличие мощного регионального источника, который функционирует в теплые эпохи и отключается в холодные. В начале – середине 90-х годов нами в сотрудничестве с учеными Северо-Восточной научной станции была сформулирована гипотеза о том, что деградация наземной мерзлоты и вовлечение древнего углерода в современный биогеохимический цикл может играть важную роль в формировании этого максимума.


Расположение океанографических станций, на которых производились измерения//Science AAAS

Однако результаты многолетних исследований, выполненных в Субарктике (к югу от границы лесов, вблизи пос. Черский) и в Высокой Арктике (Приморская низменность в районе пос. Тикси) показали, что содержание растворенного метана уменьшаются на 1–2 порядка от субарктических озер к арктическим озерам северо-востока Азии. Похожие результаты были получены другими исследователями и нами (2004–2005 гг.) при исследовании озер Аляски. Эти работы показали, что роли озер недостаточно для объяснения механизма формирования максимума метана в атмосфере Арктики.

Единичная находка высокой концентрации метана в прибрежной зоне моря Лаптевых заставила нас начать исследования шельфа морей Восточной Арктики (МВА) как возможного источника метана в атмосферу. МВА включают море Лаптевых, Восточно-Сибирское море и российскую часть Чукотского моря. Основные исследования в МВА были выполнены в 2003–2008 годах в рамках соглашения между Дальневосточным отделением Российской академии наук и Международным центром арктических исследований Университета Аляски, и позднее к нам присоединились ученые из Швеции, которые внесли вклад в общее понимание характерных особенностей цикла углерода в МВА. Важно отметить, что это действительно совместное исследование на паритетных, а не «колониальных», как это, к сожалению, часто бывает в последнее время, основах. В работе задействованы ресурсы из России и США (при участии Швеции начиная с 2007-го)– как человеческие, так и финансовые, аппаратурные, технологические. Это пример успешного многолетнего полноценного сотрудничества между Россией, США и Швецией, действительно на паритетных началах и в интересах мировой науки.

– В чем принципиальная новизна и важность вашей работы?

– В 2004–2005 годах Наталья Шахова с соавторами сформулировала новую гипотезу о вовлечении метана донных отложений МВА в формирование атмосферного максимума метана, которая была основана на результатах первых исследований по распределению и динамике растворенного метана в мелководной части МВА и характерных особенностях геологического прошлого МВА. Было сделано предположение о том, что подводная мерзлота деградирует и не является сплошной, что приводит к дестабилизации нижезалегающих газовых гидратов, из разрушению и утечке метана в водную толщу и атмосферу.


Распределение содержания метана в приповерхностных слоях арктических вод//Science AAAS

По имеющимся оценкам, в осадках МВА содержится значительная часть углеводородов (в форме гидратов, газа, нефти) шельфа и континентального склона Мирового океана, что позволяет рассматривать МВА как суперпул углеводородов, сохранность которых обеспечивается стабильностью подводной мерзлоты. Важно отметить, что в настоящее время температура подводной мерзлоты близка к среднегодовой температуре придонной воды, то есть к температуре, изменяющейся в разных районах МВА от -0.5 до -1.8 градусов Цельсия, то есть близкой к температуре таяния. В тоже время температура мощной наземной мерзлоты на побережье МВА близка к -11 градусам, то есть на 10–11 градусов холоднее, чем температура подводной мерзлоты.

Эта гипотеза уже была частично подтверждена на основе комплексных многолетних данных, полученных в шести летних, одной зимней и одной вертолетной экспедициях. Основные достижения, сделанные в рамках опубликованной работы, следующие.

Во-первых, установлено, что шельф МВА является источником выброса метана в атмосферу, хотя ранее считалось, что повсеместное присутствие подводной мерзлоты как панцирем блокировало выделение метана из донных отложений.

Во-вторых, показано, что эмиссия метана из МВА соизмерима с эмиссией метана из всего Мирового океана.

В-третьих, показана важная роль пузырькового переноса метана из донных отложений в водную толщу и в атмосферу. Предполагается, что основным источником метана являются резервуары метана в форме газовых гидратов и свободного газа, накопленного на протяжении многих-многих тысяч лет под подводной мерзлотой, которая находится в настоящее время в переходном состоянии от замороженных льдистых грунтов к талому состоянию.

В-четвертых, показано, что подводная мерзлота утратила свою функцию непроницаемой для газов крышки-панциря, что позволяет утечку метана из донных отложений в водную толщу и в атмосферу.

Набор экспедиционного оборудования, позволяющий измерять содержание метана и углекислого газа, скорость ветра, температуру и влажность воздуха над океаном

Из этого следует, что мелководный шельф МВА, который содержит значительную часть суперпула углеводородов Северного Ледовитого океана, является значимым источником метана – важного парникового газа, вклад которого оценивается в 30–40% от вклада двуокиси углерода в парниковый эффект.

– Насколько значимые последствия может вызвать утечка метана из донных отложений в атмосферу?

На основе имеющихся данных сложно дать ответ на этот вопрос. Основная неопределенность связана с тем, что скорость роста эмиссии метана из МВА в атмосферу зависит от того, с какой скоростью и в каком масштабе будет деградировать мерзлота. Для этого необходимы дорогостоящие и полномасштабные исследования, которые требуют вовлечения ресурсов многих стран. Чтобы получить достоверные результаты, нужно провести синхронные измерения с нескольких судов, а не с одного, как это чаще бывает. Важные данные мы надеемся получить с помощью колонкового бурения с припайного льда. Предполагается, что в этот комплекс работ будут вовлечены ученые из Москвы (Институт океанологии РАН, Институт физики атмосферы РАН и другие), Якутска (Институт мерзлотоведения СО РАН) и других институтов России, США, Швеции, Нидерландов и Великобритании.

На основе новых данных будут разработаны различные сценарии развития выделения метана в атмосферу из МВА, более и менее оптимистичные. Рассматриваются различные варианты, но и катастрофический сценарий пока нельзя исключить. Первоочередная задача – оценить вероятность быстрого (скачкообразного) выброса метана в атмосферу и попытаться спрогнозировать его масштабы и возможные последствия для климата ближайшего будущего.

– Какие организации оказывали поддержку при проведении данного исследования?

Мы благодарны нашим соавторам за плодотворное многолетнее сотрудничество. Что касается поддержки, то хотелось бы выразить благодарность академику Валентину Ивановичу Сергиенко, председателю ДВО РАН, и академику Георгию Сергеевичу Голицыну, руководителю Совета по изучению климата при Президиуме РАН. Без их помощи и поддержки наши работы велись бы, конечно, совсем в другом масштабе.

С российской стороны наши работы финансируются грантами президиума ДВО РАН и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). В разные годы нам также оказывали поддержку по общей академической программе № 7 (ранее № 13) вице-президента РАН академика Николая Павловича Лаверова.

С американской стороны нашу работу начиная с 2003 года поддерживает Национальный научный фонд США, а также Национальная администрация США по океаническим и атмосферным исследованиям (НОАА), Международный арктический центр. Начиная с 2007 года дополнительная поддержка оказывается Шведским полярным секретариатом и Фондом Валленберга.