научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАЗЕМНЫХ, МОРСКИХ И СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТАНА В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ РОССИЙСКОЙ ЧАСТИ АРКТИКИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАЗЕМНЫХ, МОРСКИХ И СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТАНА В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ РОССИЙСКОЙ ЧАСТИ АРКТИКИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 2, с. 20-33

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В АРКТИЧЕСКОМ РЕГИОНЕ

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАЗЕМНЫХ, МОРСКИХ И СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТАНА В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ РОССИЙСКОЙ ЧАСТИ АРКТИКИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА © 2015 г. О. А. Анисимов*, В. А. Кокорев

Федеральное бюджетное государственное учреждение "Государственный гидрологический институт", Санкт-Петербург *E-mail: oleg@oa7661.spb.edu Поступила в редакцию 16.04.2014 г.

На основе анализа данных наземных, морских и спутниковых измерений были выявлены особенности изменений концентрации метана в нижней атмосфере в теплые месяцы года (июль—октябрь) в регионах Арктики, обладающих различным потенциалом метаногенеза. Данные спутникового ИК-спектрометра AIRS за 2002—2013 гг. были использованы для изучения изменения соотношения между локальными источниками метана в континентальной части евразийской Арктики и на шельфе арктических морей на протяжении теплого периода. Были рассчитаны параметры линейных трендов концентрации метана в атмосфере над различными районами Арктики и проверена гипотеза обусловленности вариаций концентрации климатическими факторами. На основе синтеза данных спутниковых, наземных и морских измерений была построена концептуальная модель формирования поля атмосферного метана в сухопутной части и на шельфе Арктической зоны России. Было показано, что в современный период скорость роста концентрации метана в Арктике не превышает среднюю по всему северному полушарию. Сделан вывод о том, что эмиссия метана за счет источников, находящихся в Арктике, оказывает малое влияние на глобальный климат по сравнению с другими факторами.

Ключевые слова: вечная мерзлота, изменение климата, метан, газовые гидраты, наблюдения БО1: 10.7868/80205961415020037

ВВЕДЕНИЕ

Одним из малоизученных вопросов остается воздействие на глобальный климат эмиссии метана в континентальной и морской частях Арктики, обусловленной таянием многолетнемерзлых грунтов (ММГ). Область их распространения, называемая криолитозоной, занимает в Северном полушарии около 24% суши (22.8 х 106 км2), в том числе около 63% территории России (Zhang et al., 2000). На протяжении всего голоцена арктические почвы были нетто-стоком атмосферного углерода благодаря положительному балансу между относительно небольшой первичной продукцией и еще меньшей декомпозицией почвенного органического вещества при низких температурах в короткий теплый период. Согласно современным представлениям, верхний трехметровый слой арктических почв всего Северного полушария содержит около 750 Пг С (1 петаграмм, Пг, = 1015 г) (Schuur et al., 2008); еще около 450 Пг С содержат многолетнемерзлые переувлажненные торфяники, которые далее в статье для краткости именуются болотами (Gorham, 1991; McGuire et al., 2009; Tarnocai et al., 2009). Лессовые отложения в

Сибири (т.н. едома) на глубинах от 3 до 25 м могут содержать еще около 400 Пг С ^тоу й а1., 2006а, 20066). В дельтах крупных арктических рек в отложениях ниже 3 м может содержаться еще 250 Пг С (БеЬииг й а1., 2008). Суммирование приведенных оценок указывает на то, что общее содержание почвенного углерода в Арктике может достигать 1850 Пг (Ни§еИш й а1., 2012; КиИгу ^ а1., 2009; Тагпоеа1 е! а1., 2009), что вдвое больше, чем в атмосфере, и в 3 с лишним раза больше, чем в биомассе всех лесов на планете. Близка к этому и оценка, полученная в работе (Н^еИш е! а1., 2014) обобщением и экстраполяцией на основе почвенных карт много большего, чем ранее, числа наблюдений в различных почвенных зонах. Согласно этим данным, запас почвенного углерода в ММГ оценивается в 1300—1370 Пг при том, что диапазон неопределенности велик и составляет 930-1690 Пг.

В многочисленных исследованиях было показано, что современное изменение климата может привести к высвобождению части накопленного почвенного углерода и увеличению эмиссии метана в криолитозоне за счет таяния ММГ, а также

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАЗЕМНЫХ, МОРСКИХ И СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

21

иных механизмов, например, термодиссоциации газовых гидратов в шельфовой зоне или же формирования этого газа в озерных отложениях (Шахова и др., 2009а, 20096; Christensen et al., 2004; Friborg et al., 2003; Walter et al., 2006, 2007). В последние три десятилетия температура в Арктике стала примерно вдвое больше, чем в среднем по Земле (Snow, water, ice..., 2011), в особенности весной. В Сибири и на Чукотке в период 1976— 2012-х годов весенняя температура росла со скоростью 0.8—1.2°С за 10 лет (Доклад об особенностях климата., 2013). Одновременно в северной Евразии наблюдается увеличение высоты снежного покрова, что также приводит к повышению температуры грунтов (Шерстюков, 2008, 2009). Согласно данным наземных наблюдений, за последние 35 лет температура ММГ почти повсеместно увеличилась на 0.5—2.0°С, причем низкие темпы роста температуры были типичны для льдонасыщенных грунтов со слабоотрицательной температурой, в то время как холодные районы криолитозоны теплели наиболее быстро (Roma-novsky et al., 2010; Vaughan, Comiso, 2013).

Потепление ММГ сопровождается увеличением мощности сезонно-талого слоя, в результате чего ранее законсервированный почвенный углерод может участвовать в газообмене и высвобождаться в атмосферу либо в форме углекислого газа, либо в форме метана. Последнее происходит в случае, если органический углерод преобразуется в анаэробных условиях, т.е. при отсутствии кислорода, необходимого для синтеза углекислого газа. Такие условия имеют место на значительной части тундровой зоны Российской Арктики, в болотах, в термокарстовых озерах и на поймах рек. Источником метана являются и донные осадки на мелководном шельфе морей Восточной Арктики (МВА, включает моря Лаптева и ВосточноСибирское), где субстрат для биогенной продукции постоянно пополняется органическим веществом, выносимым Сибирскими реками и береговой эрозией. Усиление эмиссии метана вызывает опасения из-за того, что он оказывает много большее радиационное воздействие на климат, чем углекислый газ.

Оценки влияния эмиссии метана, обусловленной таянием ММГ, на глобальный климат противоречивы. Одна группа исследователей полагает, что эффект будет невелик, поскольку по модельным расчетам до конца XXI в. обусловленный этим рост глобально осредненной температуры воздуха составит 0.012—0.2°С, прежде всего за счет увеличения эмиссии метана при оттаивании мерзлых торфяников (Анисимов, Ренева, 2011; Anisimov, 2007; Dmitrenko et al., 2011; Schneider von Deimling et al., 2012). Другая группа полагает, что мощным источником метана может стать субак-вальная криолитозона площадью около 2 млн км2

на шельфе МВА ^акЪэта й а1., 2010, 2013). Он является самой широкой (400—800 км от береговой линии) и мелководной (средняя глубина 20—30 м) шельфовой зоной мирового океана ^шйгепко et а1., 2011). В этом районе присходят изменения внешних условий, определяющих термическое состояние и углеродный баланс донных отложений. По данным спутниковых наблюдений N0^^ (http://www.arctic.noaa.gov/), в период 1978— 2013-х годов минимальная площадь морских льдов в Арктике сокращалась со средней скоростью 13.7% за 10 лет. Это привело к увеличению продолжительности безледного периода и волновой активности, в результате чего усилились береговая эрозия и вынос органического вещества на шельф. По океанографическим данным, с середины 1980-х годов по настоящее время в летний период придонная температура на шельфе МВА увеличилась на 2.1°С ^шйгепко et а1., 2011). Все эти факторы способствуют увеличению эмиссии метана на шельфе, прежде всего ее биогенной составляющей, которая растет как с увеличением количества доступного органического вещества, поставляемого реками и береговой эрозией, так и температуры субстрата (Christensen et а1., 2003).

Возможен и иной более мощный механизм эмиссии метана, обусловленный диссоциацией газовых гидратов при повышении их температуры. Слой, где могут находиться гидраты, расположен на глубинах ниже 150 м от уровня моря. На большей части шельфа он перекрыт многолетне-мерзлыми донными осадками, газовая проницаемость которых близка к нулю. Это создает условия для самоконсервации газогидратов даже в случае повышения их температуры (Истомин и др., 2006). Исключением являются участки, где имеются сквозные талики, например, подозерные, сформировавшиеся до и в процессе затопления шельфа в голоцене 9—6 тыс. лет назад, а также участки вблизи геологических разломов и русел палеорек, где изначально отсутствовали мерзлые отложения (Анисимов и др., 2014). Авторами работы (Shakhova et а1., 2010) было высказано предположение, что современные изменения климата ведут к формированию новых таликов в субак-вальной криолитозоне. Они увеличивают газовую проницаемость донных осадков и создают пути для выхода метана, образуемого в глубинных слоях за счет термодиссоциации гидратов. В подтверждение этой гипотезы приводятся данные морских измерений, выявившие повышенные концентрации метана в воде на отдельных участках шельфа МВА, а также наблюдаемые потоки пузырькового метана вблизи дна (Сергиенко и др., 2012; Semi1etov et а1., 2010, 2012, 2013). Заметим, что эта гипотеза, первоначально получившая название "метангидратного ружья", была выдвинута еще в 2000 г. в работе (Kennett et а1., 2000). Она

до сих пор находит широкой отклик в прессе, в том числе в авторитетных изданиях, обсуждающих проблемы науки на серьезном уровне, таких, например, как газета The Guardian (Ahmed, 2013). Противники этой гипотезы, соглашаясь с тем, что на отдельных участках шельфа МВА, где отсутствуют мерзлые отложения, может происходить выход метана из глубоких слоев, отрицают связь этого процесса с современным потеплением (Анисимов и др., 2012; Dmitrenko et al., 2011; Pe-trenko et al., 2010). При большой неопределенности оценок современного суммарного потока метана в атмосферу в районе шельфа МВА, разногласие лишь в том, происходит ли в настоящее время его усиление. Этот же вопрос отчасти применим и к континентальным ММГ, в особенности там, где значительная часть площади занята мерзлыми болотами, оттаивание которых может со

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.

Показать целиком