Лёд и Снег • 2014 • № 2 (126)
Подземные льды и наледи
УДК 551.510
Возможные причины эмиссии метана на шельфе морей Восточной Арктики
© 2014 г. О.А. Анисимов1, Ю.Г. Забойкина1, В.А. Кокорев1, Л.Н. Юрганов2
Государственный гидрологический институт, Санкт Петербург; 2Университет штата Мэриленд в Балтиморе, США
oleg@oa7661.spb.edu
Possible causes of methane release from the East Arctic seas shelf
O.A. Anisimov1, Yu.G. Zaboikina1, V.A. Kokorev1, L.N. Yurganov2
1State Hydrological Institute, Sankt-Petersburg; 2State Maryland University, Baltimore, USA
Статья принята к печати 28 февраля 2014 г.
Газовые гидраты, субаквальная мерзлота, шельф, эмиссия метана.
Gas hydrates, methane emission, shelf, sub-aquatic permafrost.
Анализируются данные различных измерений (морских экспедиционных, стационарных на станции Тикси, спутниковых) концентраций метана в воде и в нижней атмосфере на шельфе морей Восточной Арктики. Рассматриваются возможные причины повышенных по сравнению со среднеши-ротными значениями концентраций метана, установленных на некоторых участках шельфа этих морей. Сравниваются две альтернативные гипотезы этого: современные изменения субаквальной мерзлоты и геологические причины (тектоника, наличие разломов и русел палеорек на рассматриваемой территории). Показано, что концентрации метана в морской воде зависят от расстояния до ближайшего разлома или палеорусла, где отсутствуют мёрзлые донные отложения и имеются пути для выхода метана из глубоких гидратосодержащих слоёв. Таким образом, на отдельных участках шельфа повышенная эмиссия метана не связана с современным изменением климата. Выполненные ранее модельные расчёты показали, что на шельфе не происходит интенсивного образования сквозных таликов и иных процессов, увеличивающих газовую проницаемость донных отложений. Эти результаты опровергают гипотезу о возможности в обозримом будущем «метановой катастрофы» на шельфе морей Восточной Арктики.
Data on methane concentration in the water and lower atmosphere over the shelf of the East Siberian Arctic Seas, which were obtained using marine, terrestrial, and satellite observations, are analyzed in the paper. This study is targeted towards attribution of the enhanced concentrations of methane above the latitudinal-mean, which have been detected at selected locations of these seas. Our results reject the hypothesis of methane catastrophe on the East Siberian Arctic Seas shelf over the foreseeable future.
Введение
Продолжает развиваться дискуссия о том, какое воздействие может оказать эмиссия углерода из континентальных и субаквальных многолет-немёрзлых грунтов на глобальный климат. Один из поводов для дискуссии — содержание в арктических почвах углерода примерно вдвое больше, чем в атмосфере, и в три с лишним раза больше по сравнению с его содержанием в биомассе всех лесов на планете. Эти оценки основаны на анализе проб типичных арктических почв с последующим пространственным обобщением данных на основе ландшафтных и почвенных карт. Отметим, что с ростом числа анализируемых проб в последние два десятилетия и точности пространственного обобщения суммарные запасы почвенного углерода в Арктике лишь увеличивались. Так, одна из первых оценок в работе [30] составила 455 Пг (1 петаграмм, Пг, = 1015 г); через 15 лет она возросла почти вдвое — до 750 Пг, [35], а с появлением новых данных составила 1850 Пг [25, 27, 41].
Современные климатообусловленные изменения многолетнемёрзлых грунтов сопровождают-
ся увеличением мощности сезонно-талого слоя, в результате часть ранее законсервированного в нём углерода становится доступной и может вступать в углеродный цикл, попадая в атмосферу либо в форме углекислого газа, либо в форме метана. Последнее происходит, когда органический углерод преобразуется в анаэробных условиях (т.е. при отсутствии кислорода, необходимого для синтеза углекислого газа), характерных для переувлажнённых участков торфяников, термокарстовых озёр и мелководных участков шельфа Арктических морей, где за счёт органических осадков, выносимых сибирскими реками, а также береговой эрозии постоянно формируется субстрат для биогенной продукции метана. Усиление эмиссии метана вызывает опасения, так как его радиационное воздействие на климат значительно больше, чем углекислого газа.
В предшествующих публикациях мы показали, что при оттаивании торфяников к середине XXI в. ежегодное поступление метана в атмосферу может увеличиться на 6—8 Тг (1 тераграмм, Тг, = 1012 г). Это заметно не повлияет на климат, поскольку обусловленный данным процессом рост глобаль-
но осреднённой температуры воздуха составит не более 0,01 °С [4, 17]. Климатообразующая роль современных процессов на шельфе морей Восточной Арктики (это моря Лаптевых и Восточно-Сибирское) изучена меньше. Ей в публикациях последних лет уделяется наибольшее внимание, поскольку этот шельф представляет собой самую широкую (простирается на 400—800 км от береговой линии) и мелководную (средняя глубина 20—30 м) шель-фовую зону Мирового океана [22].
Наряду с современным метаногенезом большой вклад в результирующий поток в атмосферу может давать метан, высвобождающийся при дестабилизации газогидратов, находящихся на глубинах порядка 150 м и ниже от поверхности моря, при условии, что вышележащие слои донных отложений газопроницаемы. Ситуация осложняется тем, что на шельфе морей Восточной Арктики около 2 млн км2 донных осадков представляют собой субаквальную реликтовую криолитозону, сформировавшуюся в период последнего гляци-ального максимума 18—20 тыс. л.н. в субаэраль-ных условиях до затопления шельфа [5, 21, 29, 33]. Их мощность достигает 250 м, а газовая проницаемость близка к нулю, за исключением участков, где есть сквозные талики [6, 22].
Одна группа исследователей развивает идею, что повышенные концентрации метана в воде и воздухе на отдельных участках шельфа морей Восточной Арктики, а также наблюдаемые потоки пузырькового метана вблизи дна свидетельствуют о начале лавинообразно усиливающегося процесса, который, в конечном счёте, может иметь катастрофические последствия для глобального климата [14, 36, 37, 39]. Отметим, что гипотеза, получившая название «ме-тангидратного ружья», была выдвинута ещё в 2000 г. в работе [26]. Она до сих пор находит широкий отклик в авторитетных массовых изданиях, обсуждающих проблемы науки на серьёзном уровне, например в газете «The Guardian» [16]. Другая группа исследователей, к которой в том числе относятся и авторы настоящей статьи, полагает, что концепция, название которой трансформировалось в «метановую катастрофу» (см. [14]), не имеет достаточных оснований [6, 22, 32].
Безусловно, существуют большие неопределённости оценки современного суммарного потока метана в атмосферу в районе шельфа морей Восточной Арктики, однако разногласие состоит лишь в том, усиливается оно в настоящее время или нет. Сторонники гипотезы метановой катастрофы исходят из того, что, по данным наблюде-
ний [22], в результате современного потепления температура придонных вод на шельфе морей Восточной Арктики в летний период с 1985 по 2009 г. на отдельных участках увеличилась на 1,5—2,1 °С, и постулируют, что это заметно увеличило газовую проницаемость субаквальных многолетнемёрзлых грунтов за счёт образования сквозных таликов. На такую возможность, при определённых условиях, благоприятных для оттаивания грунтов, указывают и результаты моделирования, опубликованные в работе [28]. При образовании таликов условия для выхода метана на поверхность из глубоких слоёв, где он образуется при дестабилизации газовых гидратов, улучшаются, что усиливает изменение климата и способствует дальнейшему нарастанию этого процесса [36, 37, 39]. Устойчивая, не зависящая от межгодовых вариаций положительная динамика потоков метана с акватории морей Восточной Арктики могла бы быть серьёзным аргументом в пользу этой гипотезы. Однако в более поздней работе [29] сделан другой вывод — образование новых таликов в донных отложениях шельфа за счёт современного потепления маловероятно.
Альтернативная точка зрения состоит в том, что наблюдаемые повышенные по сравнению со среднеширотными значениями концентрации метана на некоторых участках шельфа морей Восточной Арктики обусловлены геологическими факторами и источниками, действующими на протяжении нескольких тысяч лет, интенсивность большинства которых (за исключением современного биогенного метаногенеза органических осадков верхнего придонного слоя) не зависит от современного изменения климата. В наших предшествующих публикациях [6, 22] приводятся результаты модельных расчётов, из которых следует, что медленное оттаивание многолетнемёрзлых грунтов на шельфе морей Восточной Арктики связано, прежде всего, с затоплением этой территории 6—9 тыс. л.н. Согласно расчётам, в последующие столетия над слоем гидратов будет сохраняться газонепроницаемый слой мёрзлых грунтов, граница которого к концу текущего тысячелетия может опуститься до глубины порядка 90 м ниже уровня дна, находясь при этом выше верхней границы распространения газогидратов. Таким образом, в обозримом будущем не следует ожидать увеличения газовой проницаемости донных отложений, а следовательно, и усиления потока метана из глубоких гидратосодержащих слоёв.
При всей важности результатов математического моделирования гидротермического режима
субаквальных многолетнемёрзлых грунтов, оно не позволяет определить, чем обусловлены наблюдаемые на некоторых участках шельфа аномально высокие концентрации метана в воде. Данная статья посвящена именно этому вопросу. Сначала мы проанализируем данные о концентрации метана в воде и воздухе на акватории шельфа морей Восточной Арктики и примыкающих к ней участках суши, полученные различными методами, что позволит определить закономерности, обусловленные источниками на суше и на шельфе, а также динамику во времени. Затем рассмотрим пространственные закономерности концентрации метана, сравнивая их с расположением геологических разломов и русел палеорек. В заключительной части будет предложена концептуальная модель, которая описывает наблю
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.