ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 6, с. 819-823
= ГЕОФИЗИКА
УДК 551.462 ; 551.463; 551.464
АНОМАЛИИ МЕТАНА В ПРИВОДНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ НА ШЕЛЬФЕ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОЙ АРКТИКИ
© 2007 г. Н. Е. Шахова, И. П. Семилетов, А. Н. Салшк, Н. Н. Бельчева, Д.А. Космач
Представлено академиком Г.С. Голицыным 20.09.2006 г. Поступило 26.09.2006 г.
Впервые выполнены одновременные измерения метана в приводном слое атмосферы и в поверхностном слое воды в мелководной части восточно-сибирского шельфа. Из полученных данных следует, что области аномально высоких значений метана в воздухе (до 8 ppm) пространственно совмещены с пятнами аномально высоких концентраций метана, растворенного в воде (до 5 ■ 102 нМ). Анализ возможных источников позволил сформулировать гипотезу о возможной причастности к генезису выявленных аномалий глубинных источников метана, в числе которых может быть как современный метан, так и древний метан, аккумулированный в депозитах природного газа и газгидратах метана.
В теплые межледниковые эпохи верхние широты северного полушария являются источником метана в атмосферу, поддерживая концентрации метана в атмосфере Арктики на 8-10% выше по сравнению с атмосферой Антарктики; в холодные ледниковые эпохи этот градиент снижается до практически незначимых уровней [1]. Основными источниками метана в арктическом регионе считаются наземные экосистемы, особая роль среди которых отводится переувлажненным почвам тундры и лесотундры (wetlands), а также термокарстовым озерам, подстилаемым круглогодично незамерзающими таликами. Суммарный вклад этих экосистем в глобальном цикле метана оценивается на уровне 27-28% (140-145 Тг, где 1 Тг = 1012 г) [2]. Известно, что станция атмосферного мониторинга на Барроу (Аляска, США) ежегодно регистрирует повышенные концентрации метана в атмосфере, максимумы которых пролонгированы с летнего сезона на осенне-зимнее межсезонье, когда продукция наземных арктических экосистем постепенно снижается и пре-
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток Международный арктический научный центр Университета Аляска, Фэрбанкс (International Arctic Research Center University Alaska Fairbanks)
кращается [3]. Следовательно, источник, поддерживающий высокую эмиссию метана в осенне-зимний период, должен иметь потенциал, обусловленный влиянием других факторов, эндемичных для арктического региона.
Роль морских арктических экосистем как источников метана до настоящего времени считалась малозначимой. В то же время работы [4, 5] содержат основания, которые позволяют предположить, что роль Северного Ледовитого океана (СЛО) существенно недооценена. Так, согласно оценкам Шаховой и др. [4], суммарный поток метана из мелководной части только российского шельфа в атмосферу арктического региона может достигать значений, соизмеримых с вкладом всех континентальных морей Мирового океана. На наш взгляд, особо пристального внимания в этой связи заслуживает восточно-сибирский арктический шельф.
ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
Район исследования включал восточный сектор мелководного шельфа моря Лаптевых (включая эстуарий р. Лены) и сопредельный сектор шельфа Восточно-Сибирского моря (до границы с эстуарием р. Индигирки; рис. 1). Большая часть района исследований находится под влиянием стока р. Лены. Этот район характеризуется крайне незначительным уклоном дна морей, что в периоды регрессий (понижения уровня моря) и трансгрессий (подъема уровня моря) приводит к быстрому перемещению береговой линии на большие расстояния. Результатом этих перемещений являются слабое промерзание донных отложений в периоды регрессий и их сильная деградация в периоды трансгрессий [6]. По мнению разных авторов, толщина многолетних мерзлых пород (далее по тексту - мерзлота) в этом районе варьируется от нескольких метров до нескольких сотен метров [7]. Ширина мелководного шельфа достигает 500 км, под его относительно ровной поверхностью залегают палеодолины древних рек, которые впадали в море Лаптевых на 250-300 км севернее современной береговой линии [8, 9]. По-
819
7*
Рис. 1. Распределение метана в поверхностном слое воды в районе исследования (сентябрь 2005 г.).
[Метан в воздухе], ррм 9
Эстуарий Лены 8 ~
7
6
5
4
п = 812
Пр. Д. Лаптева
0 _
Оягосский Яр 3
00 чо СО 00 00 00 о СП
5 1 4 СП 5 9 8 9 5 0 6 8 9 0 7 0 4 2 6 7
.5 .0 .2 .4 со .4 .4 .4 .6 .0 .5 .7 .9 .2 .6 .0 .0 .0 СП .5
9. 0. со 8. 5. СП 5. 6. 7. 2. 2. 2. 8. 6. 9. 9. СП 0. 1. 2.
1 о 5 5 о 4 1 СП 1 4 4 5 5 1 1 5 о 2
о 4 о о 0 о о о 0 о о о о о 5 о 7
5 2 9 СП 1 СП 4 6 7 9 4 0 2 СП 4 4 4 5 4
0 1 2 2 1 СП СП СП СП СП СП 4 4 4 4 4 4
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Рис. 2. Концентрация метана в приводном слое атмосферы по маршруту движения судна (позиция разреза показана на рис. 1 пунктирной линией).
ложение палеодолин в основном совпадает с позицией тектонических разломов (рис. 3), которые до настоящего времени являются сейсмически активными.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Отбор проб воздуха осуществлялся с помощью армированного винилового пробоотборника, закрепленного на выносной метеорологической мачте, установленной на носу судна. По ходу судна с помощью автономной метеостанции LiCor 1440 проводили непрерывную регистрацию на-
правления и скорости ветра и других метеопараметров. Средняя высота пробоотбора составляла 5 м над уровнем моря. Воздух из приводного слоя атмосферы непрерывно прокачивался через петлю крана-дозатора газового хроматографа SRI-8160С, оборудованного пламенно-ионизационным детектором. Пробы воздуха в газохроматографи-ческий тракт (колонка с силикагелем) вводили автоматически каждые 15 мин. Для калибровки хроматографа использовались стандартные газовые смеси производства фирмы "Ак^ш^' (США), в качестве газа-носителя использовался гелий. Суммарная ошибка измерений не превышала 1%.
(а)
(б)
N 75°
71° 145°E
125° 130° 135° 140° /(Границы палеодолин древних рек
Рис. 3. Позиция тектонических разломов и палеодолин в районе исследования: а - разломы (показаны линиями, перечеркнутыми перпендикулярными штрихами); б- палеодолины.
Полученные данные были отфильтрованы по двум показателям: возможное загрязнение проб воздуха выхлопными газами судна; возможный латеральный перенос воздушных масс с суши. По первому показателю фильтрация осуществлялась путем наложения кривой двуокиси углерода, измерения которого проводили синхронно с измерениями метана, а также путем медианной фильтрации (по трем точкам), что является наиболее эффективным в случае грубых выбросов. По второму показателю в качестве фильтра использовались румбы ветра.
Концентрации метана в воде определяли по методике, ранее описанной в [4]. Расчетные концентрации метана были обработаны статистически и представлены графически с использованием стандартных пакетов прикладных програм (Statistica 6.0 и Surfer 8.0).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Пространственное распределение концентраций метана в поверхностном слое воды представлено на рис. 1. Концентрации метана в районе исследования распределялись неравномерно: отчетливо выделялись три района, где концентрации достигали аномально высоких значений (на рис. 1 эти области выделены кругами и пронумерованы; далее по тексту будут названы пятнами) относительно равновесных с атмосферой концентраций, которые для данного региона составляют 3.5-4.0 нМ. Пятно 1 проецируется на северо-восточную часть эстуария Лены и простирается на север до 74° N (граница района исследования) и на восток до 132° Е. Концентрации метана в воде достигали аномально высоких значений ~5 ■ 102 нМ. Пятно 2 географически совпадает с положением
пролива Д. Лаптева и западной оконечностью о. Большой Ляховский. Концентрации метана в этой области достигали значений ~1-2 ■ 102 нМ. Пятно 3 совпадает с положением Оягосского Яра, концентрации метана в поверхностном слое варьировались в пределах 0.5-1 ■ 102 нМ.
Согласно нашим результатам, кривая распределения метана в приводном слое атмосферы хорошо коррелирует с данными, полученными для поверхностного слоя воды (рис. 2). Как показано на рис. 2, концентрации метана в приводном слое атмосферы были существенно выше фоновых концентраций, установленных для данных широт -1.85 ppm [3]. Области аномально высоких концентраций (3-8 ppm) были также выделены кругами и соответственно пронумерованы. Сравнение рис. 1 и рис. 2 отчетливо демонстрирует совпадение пятен высоких концентраций метана в поверхностном слое воды с областями воздушных аномалий, что может быть расценено как обнаружение в районе исследования мощных источников эмиссии метана в атмосферу. Природа этих источников может быть многообразной. Прежде всего необходимо разделить наземные и водные источники. Оценивая потенциал возможных водных источников, следует разграничить вклад пресноводных и морских экосистем (латеральный и вертикальный перенос, продукция in situ).
Поскольку маршрут судна пролегал в непосредственной близости от берега, влияние наземных источников могло быть важным при условии, что воздушные массы перемещались с суши на море. Однако анализ метеоданных показал, что во время выполнения работ доминировали ветры северных румбов, что дает основания исключить роль латерального переноса наземных
822
ШАХОВА и др.
воздушных масс в формировании выявленных аномалий в воздухе.
Выявление вклада пресноводных (реки, озера, грунтовые воды) и морских экосистем представляется непростой задачей, поскольку мелководный восточно-сибирский шельф не только выполняет роль эстуария сибирских рек, накапливающих метан, поступающий из водосборов рек, но также доступен для прямой разгрузки метана, аккумулированного в подмерзлотном стоке, поступающем по сквозным таликовым зонам из областей дренирования аласов, заболоченных почв, подозерных таликов и сезонно-талого слоя мерзлоты. Согласно [10] подмерзлотный сток может составлять до 20% от величины суммарного стока, а концентрации метана в мерзлоте молодых аласов в районе дельты Лены достигают 6 ■ 105 ррт [11]. Важно учитывать и тот факт, что метан, поступающий с п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.