Источники и стоки метана
Основные источники метана, поступающего в атмосферу из шельфовых морей Арктики, находятся на морском дне и под ним (рис. 1). Считается, что метан по своему происхождению может быть двух типов: биологический и геологический. Биологический метан образуется в результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий (точнее, архей) в верхней части слоя осадочных пород, соприкасающихся с водой. Осадочные породы содержат огромные количества органических веществ, образовавшихся в палеозое и мезозое (540—65 млн лет назад). Вследствие оледенения, произошедшего 18—20 тысяч лет назад, уровень океана опустился на 100—140 м, и весь этот слой превратился в вечную мерзлоту. Ледник растаял, и 9—6 тысяч лет назад уровень океана повысился примерно до современного. Часть вечной мерзлоты ушла под воду, но большая часть осталась на суше. Нижние слои подводных осадков постоянно находятся в замороженном состоянии, однако верхняя их часть соприкасается с морской водой, они тают, и создаются благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. Таким образом, в случае потепления океана поток биологического метана может расти.
Геологический метан просачивается из более глубоких, вплоть до 1,5 км, слоёв осадков, где находятся месторождения природного газа, который на 90% состоит из метана, остальное — другие углеводороды. Эти запасы в арктическом шельфе также огромны. В тех случаях, когда температура воды достаточно низкая, а давление вышележащего столба воды достаточно высокое, обычный лёд и метан (как биологический, так и геологический) образуют твёрдое вещество — гидрат (клатрат) метана, способный разлагаться и выделять газообразный метан при повышении температуры. Пузырьки метана быстро поднимаются вверх и по пути растворяются в воде. Концентрация растворённого метана в водной толще растёт, метанопоглощающие (метанотрофные) бактерии размножаются, поглощают растворённый метан, и устанавливается некоторое равновесие между источником и бактериальным стоком.
Летом и вплоть до октября арктические воды не перемешиваются благодаря тёплому и опреснённому из-за таяния континентальных ледников поверхностному слою, а также из-за пикноклина — резкого скачка плотности воды на глубине ниже перемешанного слоя.
Прямые измерения с помощью глубоководных зондов, проведённые в Институте имени Альфреда Вегенера (Германия) в августе—сентябре 2015 года (рис. 2), показали исключительно высокие равновесные концентрации метана около дна и выше, вплоть до глубин 30—40 м. При приближении к поверхности воды, однако, концентрации резко падают, вследствие чего поток метана в атмосферу пренебрежимо мал. С другой стороны, высокие концентрации в основной толще воды и наличие растворённого кислорода благоприятствуют размножению бактерий, поглощающих метан. Отсутствие перемешивания позволяет бактериям удалять практически весь метан, поступающий со дна. Однако, что происходит после ноября, до появления спутниковых данных было неизвестно.
Шпицберген: сезонные колебания метана
Спутниковый прибор IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer — инфракрасный зондирующий атмосферный интерферометр) показал, что в летнее время нет каких бы то ни было пространственных неоднородностей концентрации над морями к северу от 60° с. ш. (рис. 3а). Отсутствие неоднородностей наводит на мысль, что в летнее время растворённый в воде метан не поступает в атмосферу. Это согласуется с прямыми измерениями потоков метана из морей Западной Арктики (см. рис. 2). Значительные пространственные вариации в ноябре, декабре и январе (рис. 3б — приведено для декабря), напротив, указывают на эмиссию метана в некоторых районах. Например, к юго-западу от Шпицбергена начиная с июля и до декабря аномалия метана растёт (рис. 3в). Этот рост происходит одновременно с ростом глубины перемешанности столба морской воды. Для объяснения этой картины следует учесть, что с осени высота солнца над горизонтом уменьшается, верхний лёгкий слой воды охлаждается, становится тяжелее, и к концу ноября значительная часть толщи морей Западной Арктики (Баренцева, Карского, Гренландского и Норвежского) оказывается перемешанной. Можно предположить, что вследствие перемешивания воды начиная с ноября сглаживаются или совсем исчезают резкие различия в концентрации растворённого метана в глубине моря (см. рис. 2). Чтобы подтвердить это предположение, нужны прямые измерения.
Сокращение ледяного покрова и метан
Следующий вопрос: что происходило с арктическим метаном на протяжении всего периода спутниковых измерений с 2003 года? По данным спутникового прибора IASI в 2010—2016 годах зимняя аномалия метана вокруг Шпицбергена возрастала (см. «Наука и жизнь» № 11, 2017 г.), однако это явление не нашло убедительного объяснения. Требовались более длительные измерения. Семнадцатилетний период измерений с помощью прибора AIRS сделал возможным проанализировать этот долговременный тренд. Для сезонных колебаний метана характерен зимний максимум и летний минимум (рис. 4а и 4б). Положительный тренд концентраций характерен для каждого из сезонов. В Арктике, как мы уже убедились, зимние концентрации, в отличие от летних, испытывают влияние значительных потоков метана из моря. Как зимние, так и летние концентрации над Карским морем (см. рис. 4а) растут с годами, но первые растут быстрее. Скорости возрастания метана зимой и летом над Норвежским морем (см. рис. 4б) отличаются значительно меньше.
Для объяснения сильного возрастания амплитуды колебаний (зимняя концентрация минус летняя) (рис. 4в) привлечены данные микроволновых спутниковых наблюдений за ледяным покровом морей. Доля поверхности моря, свободной ото льда, в ноябре 2003 — январе 2004 года составляла только 5%, в тот же сезон 2015—2016 годов уже почти 80% поверхности Карского моря занимала вода. В целом же наблюдался почти четырёхкратный рост площади открытой воды за 17 прошедших лет. Это и объясняет значительный рост концентраций метана над Карским морем зимой (рис. 4г). Поток метана должен быть пропорционален площади поверхности, свободной ото льда: лёд блокирует перенос газа в атмосферу.
Два барьера на пути метана в атмосферу
Для понимания механизма сезонных колебаний метана над Карским морем полезно сравнить, как меняются в течение года факторы, влияющие на поток метана. Основной максимум избыточного метана над северной частью Карского моря достигается в ноябре—декабре, вторичный максимум — в марте (рис. 5). Глубина перемешивания водного столба — один из факторов, влияющих на поток этого газа в атмосферу. Чем глубже перемешивается вода, тем легче метан достигает атмосферы. Своего максимума, 30 м, глубина перемешивания достигает в апреле. Площадь открытой воды — второй фактор. Чем она больше, тем больше должен быть поток метана на границе «вода — воздух». Летом море свободно ото льда (почти 100% — вода), но глубина перемешивания недостаточна. Замерзать море начинает в ноябре. Первый, зимний, максимум метана достигается тогда, когда ещё, с одной стороны, достаточно велика площадь открытой воды (~ 50%) и, с другой стороны, перемешивание начинает захватывать слои воды с повышенной концентрацией растворённого метана. Для объяснения появления вторичного, весеннего, максимума в марте пока недостаточно данных.
Общая картина долговременных вариаций метана и прогноз на будущее
В 2003 году в специальной публикации Американского геофизического союза группа сотрудников Университета Калифорнии в Санта-Барбаре во главе с Джеймсом Кеннеттом в качестве объяснения внезапного глобального потепления климата 800 тысяч лет назад впервые высказали гипотезу «метаногидратного ружья». Согласно этой гипотезе, которая в дальнейшем была распространена на современное потепление Арктики, рост температуры воды может вызвать разрушение метаногидратов, влекущее за собой выделение метана в атмосферу с последующим парниковым эффектом, который, в свою очередь, будет повышать температуру. В качестве одного из возражений против такого механизма использовалось представление, что метан, выделенный гидратами, не доходит до атмосферы, будучи полностью поглощён бактериями. Действительно, это имеет место в летнее время, но после разрушения пикноклина метан не встречает препятствий для проникновения в атмосферу (если не считать такой барьер, как плавающий лёд). Другое дело, что само ускорение таяния метаногидратов в Арктике находится под сомнением: неизвестно, какая их доля подвержена действию тёплой воды, поскольку значительная часть гидратов может быть погребена глубоко под дном. Поэтому вопрос о правомерности данной гипотезы для Арктики, как, впрочем, и для Земли в целом, остаётся открытым.
Если говорить, тем не менее, о современных изменениях потоков метана в Арктике, то спутниковые данные свидетельствуют, во-первых, в пользу начала зимы как основного сезона выбросов метана и, во-вторых, в пользу роста этих выбросов по мере освобождения арктических морей от ледяного покрова. Замечено, что льды Баренцева и Карского морей разрушаются быстрее, чем где бы то ни было в Арктике. Доктор физико-математических наук Владимир Анатольевич Семёнов, заместитель директора Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, сделал вывод о влиянии уменьшения площади морских льдов в этом районе на погоду в России. Выделение метана в этой части Западной Арктики может оказаться первопричиной этого эффекта.
С точки зрения долговременных климатических изменений особенно важно, как пойдёт далее процесс разрушения ледяного покрова Арктики. В настоящее время значительная часть российского арктического шельфа в наиболее важный для потока метана период начала зимы покрыта сплошным льдом. Это позволяет бактериям потреблять избыточный метан. С освобождением Арктики от ледяного покрова возрастание метана, которое сейчас наблюдается в атмосфере над Карским морем, будет распространяться на моря Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское и др. Это значит, что даже без изменения скоростей выброса метана от донных источников (например, согласно гипотезе «метаногидратного ружья») можно ожидать повышения его концентраций в атмосфере над арктическими морями и, по механизму, предложенному В. А. Семёновым, дальнейшего изменения климата умеренных широт.
СЛОВАРИК
Глубина перемешивания — толщина перемешанного слоя.
Диффузия — процесс переноса веществ, растворённых в воде, из-за разности концентраций. Наиболее важная разновидность — турбулентная диффузия, то есть перенос вихрями. Турбулентная диффузия, конвекция и адвекция (перенос струями горизонтальных течений) — основные процессы переноса растворённых газов в океане.
Конвекция — вид вертикального теплообмена (теплопередачи), при котором тепло, а вместе с ним растворённые в воде вещества передаются струями и потоками. В Арктике в конце осени — начале зимы верхние слои воды охлаждаются, нижние слои оказываются теплее, чем верхние, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, оказываются тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.
Континентальный шельф — часть материковой поверхности, расположенная ниже уровня океана и примыкающая к суше. Арктический континентальный шельф России включает в себя Баренцево, Карское моря, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море и часть Чукотского.
Метаногенные бактерии (археи) — одноклеточные организмы, которые образуют метан как побочный продукт метаболизма (обмена веществ) в бескислородных (анаэробных) условиях.
Метанотрофные бактерии — бактериальные группы, способные использовать метан в качестве единственного источника как углерода, так и энергии. В океане преобладают аэробные (требующие достаточно высоких концентраций растворённого кислорода) бактерии, называемые метанотрофами.
Микроволновый метод наблюдения за ледяным покровом морей. Микроволновые датчики обладают способностью обнаруживать морской лёд через облака днём и ночью, зимой и летом. Эти датчики обеспечили наиболее полные и долгосрочные наблюдения за морским льдом, что позволило обнаружить заметные изменения в арктическом морском льду.
Парниковый эффект. В нормальном состоянии Земля находится в равновесии с окружающей средой — космосом. Это значит, что сколько она получает энергии от Солнца, столько же и отдаёт космосу как нагретое тело. Иначе она либо нагревалась бы постоянно, либо охлаждалась. Парниковый эффект — это повышение температуры поверхности Земли при том же количестве энергии, приходящей от Солнца. Радиация разделяется на два вида: видимая солнечная и невидимая инфракрасная, зависящая от температуры поверхности. Видимая проходит через атмосферу беспрепятственно и нагревает поверхность. Инфракрасная частично поглощается водяным паром, СО2, метаном и другими парниковыми газами. Равновесные температуры воздуха и поверхности растут. Чем выше концентрация парниковых газов, тем выше температура.
Пикноклин — резкий скачок плотности воды на глубине ниже перемешанного слоя. Естественный барьер для вертикального перемешивания водных масс. В морях Западной Арктики существует между апрелем и октябрём. В начале ноября вследствие охлаждения поверхностного слоя начинается конвекция, штормы, усиливается турбулентная диффузия, и пикноклин исчезает.
Устойчивая стратификация океана. Характерна для Мирового океана, источником нагревания которого является Солнце. Нагретый верхний слой воды теплее нижележащих слоёв и поэтому легче. В Арктике устойчивая стратификация существует в период полярного дня и, вдобавок к нагреванию Солнцем, усиливается притоком пресной воды от тающих континентальных ледников, морского льда и речной воды. С уменьшением притока энергии от Солнца верхний слой охлаждается, а глубокие слои в течение нескольких месяцев сохраняют свою температуру. В результате начинается конвекция и устойчивая стратификация переходит в неустойчивую.
