Метан в морях Восточной Арктики

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Метан в морях Восточной Арктики

ШАХОВА Наталья Евгеньевна

Москва - 2010

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, Евгений Александрович Романкевич, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН;

доктор геолого-минералогических наук,

профессор, Николай Никитич

Романовский,

Московский Государственный Университет;

имени М.В. Ломоносова

доктор физико-математических наук,

Александр Самуилович Гинзбург, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

Ведущая организация: Институт Мерзлотоведения имени академика П.И. Мельникова СО РАН

Защита диссертации состоится «___» апреля 2010 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.239.03 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Отзывы на диссертацию и автореферат (в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « ___ » ________________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.б.н. Т.А. Хусид

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Метан (СН₄) является вторым по значимости парниковым газом, концентрации которого в атмосфере Земли продолжают расти: за последние 150 лет эмиссия возросла более чем в 2.5 раза (Stern & Kaufmann, 2003). Все возрастающий интерес к изучению этого компонента атмосферы объясняется тем, что радиационная активность метана значительно выше, а темпы прироста средне-планетарных концентраций в атмосфере примерно в 2-4 раза выше, чем у двуокиси углерода (СО₂) - важнейшего парникового газа (IPCC, 2001; 2007). Более того, последняя оценка вклада СН₄ в современный потенциал глобального потепления, рассчитанная для ближайших 100 лет с включением ранее не учитываемых обратных связей в климатической системе, показала, что ранние оценки недоучитывали климатическую роль СН₄ примерно на 20-40% (Shindell et al., 2009). Это означает, что суммарный радиационный форсинг от 1 кг СН₄, превышает аналогичную величину для СО₂ примерно в 30-35 раз, а не в 25 раз как было принято считать.

Максимально высокие концентрации (на 8-10% выше фоновых) регистрируются в атмосфере Арктического региона (т.н. Арктический максимум СН₄). До недавнего времени предполагалось, что в формировании Арктического максимума СН₄ участвуют исключительно наземные северные экосистемы, в то время как вклад Арктических морских экосистем не рассматривался. В области исследования газообразных компонентов морского цикла углерода, и в частности, цикла СН₄, сложилась парадоксальная ситуация: с одной стороны, ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что Северный Ледовитый океан (СЛО), как часть Арктической экосистемы, чувствителен к глобальным изменениям климата (ACIA, 2004); а, с другой стороны, вклад СЛО в морской цикл углерода, включая его газообразные компоненты (СО₂ и СН₄), международным научным сообществом практически игнорируются (Feely et al., 2001; Sabine and Hood, 2003; Takahashi et al., 2002). Более того, в работе Feely et al. (2001) СЛО даже не упоминается как часть Мирового океана.

Согласно палео-климатическим данным, в результате роста температуры, сопровождающего смену климатических эпох, эмиссия СН₄ и, соответственно, атмосферные концентрации, увеличиваются от 0.3-0.4 ррм (холодные эпохи) до 0.6-0.7 ррм (теплые эпохи). Тем не менее, рост эмиссии СН₄ за последние два столетия привел к беспрецедентному увеличению атмосферных концентраций СН₄ в атмосфере Арктического региона до 1.85 ррм. Существует мнение, что данный прирост, который составляет ежегодно 0,3-1,2%, ассоциирован с антропогенной деятельностью. Тем не менее, обращает на себя внимание тот факт, что: 1) Арктический максимум СН₄ существует исключительно в теплые климатические эпохи; 2) в эти эпохи он поддерживается круглогодично; 3) атмосферный максимум СН₄ регистрируется не над умеренными широтами (между 20°с.ш. и 60° с.ш., где сжигается >90% ископаемого топлива), а над Арктикой/Субарктикой, где антропогенная активность минимальна (между 60° с.ш. и 70° с.ш. сжигается <5% ископаемого топлива); 4) существование Арктического максимума не может быть объяснено циркуляцией воздушных масс (Steele et al., 1987); 5) эмиссия СН₄ из наземных Арктических экосистем также недостаточно велика для круглогодичного поддержания Арктического атмосферного максимума СН₄ (Shakhova and Semiletov, 2009).

Это означает, что в межледниковые периоды в северных широтах существует дополнительный мощный природный источник СН₄, роль которого до настоящего времени не оценивалась. Таким источником могут служить донные залежи СН₄, вовлечение которых в современный биогеохимический цикл определяется геологическим фактором - состоянием реликтовых многолетних мерзлых толщ (далее по тексту - подводная мерзлота), которая претерпевает более значительное изменение термического режима, по сравнению с наземной мерзлотой, в геологическом масштабе времени (>5-10 тыс. лет). Кроме этого, в Арктическом регионе наблюдается потепление климата, которое проявляется в росте среднегодовых температур воздуха и воды, сокращении площади морского и пресного льда, уменьшении толщины снега и таянии ледников, изменении температурного режима мерзлоты (ACIA, 2004). В этой связи, изучение шельфа морей Восточной Арктики (МВА), который представляет собой самый обширный (2.1Ч10⁶ км²) и мелководный шельф (средняя глубина <50 м) Мирового океана, где предположительно находится более 80% существующей подводной мерзлоты, в и под которой законсервирован огромный резервуар углеводородов, как возможного источника СН₄ в атмосферу Арктического региона является чрезвычайно актуальной задачей.

В основу данной работы положено использование междисциплинарного подхода, который заключается в комплексном использовании океанографических, геохимических, гидро-акустических, геофизических, изотопных и математических методов для изучения процессов и факторов, оказывающих влияние на распределение растворенного СН₄ в водном столбе и формирование современной пространственно-временной изменчивости потоков СН₄ в структуре годового баланса. В работе приводятся результаты анализа новых данных, основанных на фактическом материале, касающемся наименее изученного вопроса о вкладе шельфа МВА в современную эмиссию СН₄ в атмосферу Арктического региона, а именно: 1) карто-схемы межгодовой изменчивости распределения растворенного СН₄ в придонных и поверхностных водах МВА; 2) количественные оценки диффузионных, пузырьковых и суммарных потоков в системе «дно-водная поверхность-приводный слой атмосферы»; 3) количественные оценки отдельных компонентов в структуре суммарной годовой эмиссии СН₄ из акватории МВА в атмосферу Арктического региона; 4) результаты моделирования современного состояния подводной мерзлоты, полученные в результате включения в ранее предложенный алгоритм (Романовский и др., 1998; 2001; 2004; 2005; Гаврилов, 2008) таких ранее не учитываемых факторов, как влияние процессов термокаста, сложной структуры донных отложений, минерализации донных отложений и содержания незамерзшей воды. При изучении пространственно-временной изменчивости потоков СН₄ обеспечивалось использование унифицированных методов и временных графиков, позволяющих выполнять исследования в режиме мониторинга. Достоверность результатов моделирования была протестирована данными натурных наблюдений. Контроль качества полученных данных обеспечивался соблюдением международного протокола отбора проб, инструментального анализа, статистической обработки и графического представления данных.

Цель настоящей работы состояла в выявлении вклада МВА в современную эмиссию СН₄ в атмосферу Арктического региона на основе изучения и количественной оценки отдельных компонентов годовой эмиссии, а также ведущих факторов, определяющих их формирование и пространственно-временную изменчивость.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выявление сезонной и межгодовой изменчивости в распределении растворенного СН₄ в шельфовых водах МВА;

2. Выявление территориальной дифференциации в распределении растворенного СН₄ в шельфовых водах МВА и факторов, ее определяющих;

3. Выявление вклада различных механизмов транспорта (диффузионный и пузырьковый транспорт) в формирование запаса растворенного СН₄ и потоков газообразного СН₄ в атмосферу;

4. Выявление особенностей вертикального распределения растворенного СН₄ в границах водного столба и факторов, их определяющих;

5. Анализ возможных источников СН₄ в водную толщу МВА;

6. Количественная оценка диффузионных потоков СН₄ в системе «водная поверхность-приводный слой атмосферы» и оценка их пространственно-временной изменчивости;

7. Разработка методических подходов к оценке пузырькового компонента потоков СН₄ и выявление их пространственно-временной изменчивости;

8. Разработка концептуальной модели потоков и расчет годового бюджета эмиссии СН₄ в системе «водная поверхность-приводный слой атмосферы»;

9. Выявление факторов геологического контроля, оказывающих первостепенное влияние на интенсивность потоков метана в МВА;

10. Моделирование современного состояния подводной мерзлоты на основе улучшенного алгоритма, основанного на представлениях о гляцио-эвстатических колебаниях уровня океана.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность результатов определялась современным уровнем аналитического оборудования и методов анализа. Наряду с традиционными методами, одним из которых, например, является метод газовой хроматографии, использованный в настоящем исследовании для измерения растворенного СН₄ и атмосферных концентраций СН₄ в приводном слое атмосферы, был использован новейший метод прямых измерений, основанный на использовании высокоточного скоростного СН₄-анализатора (HAFMA, DLT-100, USA), а также метод измерения турбулентных потоков (eddy-correlation technique) СН₄ с использованием специального комплекса приборов в дополнение к HAFMA: соник-анемометры (Y81000, Campbell Scientific Inc., and Windmaster PRO, PP Systems), портативные метеостанции (Li-Cor 1401 и Furuno BP-100), газовый анализатор с открытой ячейкой Li-Cor 7500 (для измерения паров воды и двуокиси углерода), 6-компонентные датчики движения судна (Crossbow) (см. подробнее в разделе Глава 2). Для оценки пузырькового транспорта СН₄ в водном столбе были одновременно использованы современные гидро-акустические и геофизические методы: сейсмика высокого разрешения (GeoPulse Sub-bottom Profiler, GeoAcoustics Limited, England), однолучевой бортовой эхолот (Atlas Deso 10, Германия), многолучевой эхолот (Imagenex-Delta T, США) и локатор бокового обзора (производства России). Комплекс этих измерений позволил получить репрезентативные оценки газообмена СН₄ в системе «дно-водная толща-водная поверхность-приводный слой атмосферы», разработать методику количественной оценки пузырькового компонента эмиссии СН₄ и включить этот компонент в концептуальную модель ежегодной эмиссии. Полученные выводы основаны на результатах статистической и графической обработки данных, выполненной с использованием современных пакетов прикладных аналитических программ, используемых в мировой научной практике (Statistika 7.0; Grapher 5; Surfer 8.0; ODV, Matlab 7.1 и др.).

Научная новизна результатов. Впервые в МВА выполнены многолетние, в том числе всесезонные, широкомасштабные площадные съемки, в результате которых достигнуто покрытие более 50% МВА (>1000 океанографических станций) и получен большой массив высоко-кондиционных и репрезентативных данных, характеризующих содержание концентраций СН₄ в водной толще и приводном слое атмосферы. На основании полученных данных составлены карто-схемы распределения СН₄ в шельфовых водах МВА, карто-схемы потоков метана в системе водная поверхность - приводный слой атмосферы. Впервые показано, что МВА являются источником метана в атмосферу Арктического региона. На основе количественной оценки основных компонентов годовой эмиссии (сезонный, территориальный и транспортный компоненты) расчитана суммарная годовая эмиссия СН₄ и показано, что вклад МВА в современную эмиссию СН₄ является значительным - он соизмерим с ежегодным суммарным вкладом всех шельфовых морей Мирового океана.

Установлено, что основным источником СН₄ в водную толщу являются донные отложения, в то время как роль современной продукции СН₄ в осадках, водном столбе и роль латерального переноса из наземных источников незначительна. Показано, что подводная мерзлота является ведущим фактором геологического контроля эмиссии метана в МВА и что термический режим подводной мерзлоты определяется сложным комплексом факторов. Из числа ранее неучтенных факторов были учтены следующие: степень минерализации осадка, доля незамерзшей воды в его структуре, сложное строение осадочной толщи и влияние процессов термокарста. Тестирование результатов математического моделирования, выполненных на примере пролива Дмитрия Лаптева данными натурных наблюдений (данные бурения, результаты измерения, растворенного СН₄ и атмосферных концентраций в приводном слое), показало, что формирование путей восходящей миграции газов (сквозных таликов) в данном районе хорошо согласуется с результатам моделирования.

Научная новизна подтверждена публикациями в ведущих реферируемых российских и зарубежных научных изданиях, представлением докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах РАН (общеакадемическая программа №17), ДВО РАН, Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), Национального Научного Фонда США (NSF), Национального Агенства по Атмосрфере и Океану США (NOAA), Национального Полярного Секретариата (Швеция), МеждународногоАрктического Научного Центра Университета Аляска, Фэрбэнкс (IARC UAF) и других научных организаций в России и за рубежом.

Практическое значение работы. Выявленная новая положительная обратная связь «потепление-деградация подводной мерзлоты и арктических мелководных газгидратов- эмиссия СН₄ в атмосферу-потепление» в климатической системе была включена в отчет Всемирного Фонда Дикой Природы (WWF) и представлена для обсуждения на Конгрессе Всемирного Метеорологического Общества в сентябре 2009 г в Женеве и на Саммите ООН в Копенгагене в декабре 2009 г. Полученные результаты позволят усовершенствовать современные математические модели, восстанавливающие динамику подводной мерзлоты в прошлом и прогнозирующие современное состояние подводной мерзлоты. Данные, полученные в ходе настоящего исследования могут быть положены в основу разработки и усовершенствования климатических моделей за счет включения в них положительной обратной связи в системе «дестабилизация подводной мерзлоты/газгидратов-эмиссия СН₄ в атмосферу - потепление». Разработанные автором методические подходы и оригинальные авторские методы могут стать основой для разработки стратегии дальнейших исследований в Арктических морях с целью изучения их роли в глобальном цикле метана и вклада в современные климатические процессы.

Личный вклад автора. Все данные, использованные в настоящей работе, получены в ходе выполнения проектов, в которых автор являлась руководителем целого проекта или его соответствующего раздела в период 2003-2008 гг. (проекты ДВО РАН, РФФИ, NOAA, NSF, IARC UAF). Вклад автора включал: 1) разработку научной стратегии и методологии, обоснование целей, задач и инструментального обеспечения настоящего исследования; 2) анализ и обработку оригинальных и литературных данных, 3) обоснование и разработку оригинальных количественных методов оценки ежегодной эмиссии СН₄, структуры годового баланса потоков метана и его отдельных компонентов; 4) обоснование параметров для улучшения алгоритма математической модели современного состояния подводной мерзлоты, реализованного в настоящей работе; 5) статистический анализ и графическое представление данных; 6) написание статей, настоящей диссертации и представление основных результатов на научных конференциях регионального, общероссийского и международного уровня.

Публикации и апробация работы. Результаты, обсуждаемые в диссертационной работе, легли в основу 21 научных статей, 16 из которых опубликованы в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук (в 11 статьях - в качестве первого автора), а также представлены в материалах более 30 российских и международных конференций, основные из которых: ежегодные конференции (2004-2009) American Geophysical Union, AGU (San Francisco, CA) и General Assembly of the European Geophysical Union (Vienna, Austria); International conference: Bridges of science between North America and the Russian Far East, 14-16 September 2004, Vladivostok, Russia; 2004 Ocean Sciences Meeting, AGU, Honolulu, Hawaii, April 2004; 11^th Seoul International Conference on Polar Sciences, Jeju, Korea, 8-9 September 2004; The 15^th Global Warming International Conference, San Francisco, USA, April 20-22, 2004; 2005 International Research Conference, Paris, June 5-10; the summer meeting of the American Society of Lymnology and Oceanography (ASLO), Santiago de Compostella, Italy, June 19-24; Gas transfer at water surface. the 37^th International Liege Colloquium on Ocean Dynamics, Liege, Belgium, May, 2-6, 2005; the 5th Arctic Coastal Dynamics International Workshop. October 13-16, 2004, Montreal, Canada; UAF-JAMSTEC Conference in Farbanks/Alaska, GCCI-2007, April 2007. метан шельфовый вода пузырьковый

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 190 наименований, в том числе 85 иностранных источников. Она содержит 175 страниц текста, 40 рисунков, 15 таблиц. Общий объем диссертации составляет 200 страниц.

Благодарности. Автор выражает благодарность академикам В.И. Сергиенко, Г.С. Голицыну, В.А. Акуличеву, П.Я. Бакланову за постоянную поддержку; проф. Г. П. Пантелееву, О. Густаффсону, А. Лейферу, д.г.н. И. П. Семилетову, к.м.н. Д. А. Никольскому, к.ф.-м.н. А.Н. Салюку, к.ф.-и.н. В.И. Юсупову за совместное решение научно-методических задач; к.б.н. Н.А. Бельчевой, к.г.-м.н. О.В. Дудареву, Д.А. Космачу, А. Н. Чаркину и другим сотрудникам лаборатории геохимии полярных регионов ТОИ ДВО РАН за многолетнее сотрудничество в проведении экспедиционных исследований и участие в обработке полученных материалов; Е.Б. Моисеевской за помощь в оформлении данной работы.

Защищаемые положения

1. Шельфовые воды МВА являются источником СН₄ в атмосферу Арктического региона; по результатам многолетних исследований (2003-2007 гг.) ~80% придонных и ~50% поверхностных проб морской воды, отобранных в районе работ, перенасыщены растворенным метаном.

2. Основным источником СН₄ в водную толщу МВА являются донные отложения СН₄ (биогенные и термогенные источники), сформированные в доголоценовые эпохи; вклады современной продукции СН₄ в осадках, латерального переноса реками и продукции в водном столбе не являются значимыми;

3. Эмиссия СН₄ в атмосферу определяется вкладами территориального, сезонного и транспортного компонентов. Мощность ежегодной современной эмиссии СН₄ из акватории МВА составляет ~8Ч10¹² г-СН₄, что соизмеримо с ежегодной суммарной эмиссией СН₄ из всех окраинных морей Мирового океана, которая, по разным оценкам, составляет от 5Ч10¹² г-СН₄ до 20Ч10¹² г-СН₄ (IPCC, 2001; Bange et al., 1994; Reeburgh, 2007).

4. В МВА выделяются две пространственно-временных моды эмиссии: равномерная, обусловленная диффузионным переносом СН₄ и неравномерная (резкие, иногда массированные выбросы), обусловленная пузырьковым транспортом СН₄. Максимальная расчетная мощность диффузионных потоков достигала 50 мг-СН₄/м²/сут; максимальная зарегистрированная мощность пузырьковых потоков изменялась от 44 г-СН₄/м²/сут (расчет снизу) до 1.8Ч10⁵ г-СН₄/м²/сут (расчет сверху).

5. Ведущим фактором, ответственным за формирование пространственно-временной изменчивости и мощности потоков СН₄ является геологический фактор, а именно - состояние подводной мерзлоты, которое определяется наличием или отсутствием таликов в ее структуре. Сквозные талики формируются под влиянием комплекса факторов, в числе которых степень минерализации осадка, доля незамерзшей воды в его структуре, сложное строение осадочной толщи и влияние процессов термокарста имеют важное значение.

Фактический материал. В основу работы положены данные 8 экспедиций (6 летних рейсов, 1 зимней экспедиции и 1 вертолетной экспедиции), выполненных в период с 2003 по 2008 гг.; всего проанализировано >5000 проб растворенного СН₄, отобранных на >1000 океанографических станций; выполнены многосуточные непрерывные, а также дискретные измерения концентраций СН₄ в приводном слое атмосферы (судовые измерения) и в более высоких слоях атмосферы (вертолетные измерения) до высоты 1800 метров. Также включены некоторые результаты, полученные в экспедиции 2009 г. Район исследования включал море Лаптевых, Восточно-Сибирское море и российскую часть Чукотского моря от береговой линии до шельфового склона, общей площадью 2.1Ч10⁶ км². Более детальная информация по фактическому материалу приведена ниже в кратком описании Главы 2 и разделе Личный вклад автора. Настоящая работа выполнялась в рамках национальных проектов, финансируемых РФФИ, по Программе фундаментальных исследований РАН и Президиума РАН (№ 13, 17, направление 7), Президиума ДВО РАН (2003-2005 гг.), а также в рамках российско-американского сотрудничества по совместным проектам с IARC UAF (2003-2008 гг.), по грантам NOAA и NSF (2003-2008 гг.).

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследования, раскрыта научная новизна, практическая значимость полученных результатов, их достоверность и обоснованность, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 дано краткое описание факторов, определяющих роль МВА в современном цикле СН₄ и глобальной климатической системе и кратко приведена история изучения этого вопроса российскими учеными. Сформулированы основные достижения и проблемы, касающиеся развития современных научных представлений о динамике пост-трансгрессионных трансформаций и современного состоянии криолитозоны Арктического шельфа. Глава состоит из четырех разделов. В разделе 1.1 выполнен анализ литературных данных, характеризующих СН₄ как компонент глобального цикла углерода и эффективный парниковый газ, показана его климатообразующая роль в различные климатические эпохи. Все возрастающий интерес к изучению этого компонента атмосферы объясняется тем, что радиационная активность СН₄ значительно выше, а темпы увеличения атмосферных концентраций примерно в 2-4 раза выше, чем у СО₂ - парникового газа номер один в современной климатологии (IPCC, 2001; 2007). Подчеркнуто, что в холодные климатические эпохи концентрации СН₄ в атмосфере Земли составляли 0.3-0.4 ррм, в то время как в теплые климатические эпохи они устойчиво фиксировалось на уровне 0.6-0.7 ррм (Заварзин и Кларк, 1987; Steele et al., 1987). В нарушение этой закономерности, которая прослеживалась по крайней мере в течение последних четырех климатических циклов (~400 тыс. лет), в последние 200 лет концентрации СН₄ в атмосфере Земли значительно возросли и достигли 1.7 ррм в средних широтах и 1.85 ррм в атмосфере Арктического региона. Это произошло в результате почти троекратного увеличения эмиссии метана в атмосферу (Рис.1).

Более того, последняя оценка вклада СН₄ в потенциал глобального потепления, рассчитанная для ближайших 100 лет с включением ранее неучитываемых обратных связей в климатической системе, показала что ранние оценки недоучитывали климатическую роль СН₄ примерно на 20-40% (Shindell et al., 2009). Это значит, что суммарный радиационный форсинг от 1 кг СН₄, превышает аналогичную величину для СО₂ примерно в 35 раз, а не в 25 раз как было принято считать до недавнего времени.

В разделе 1.2 показана особая роль северных экосистем в современном цикле СН₄, который является неотъемлемой частью глобального цикла углерода. Известно, что в почвах северных экосистем сосредоточено более 30% всего органического углерода планеты, при этом подавляющая его часть законсервирована в мерзлоте. В осадочных бассейнах Северного Ледовитого океана (СЛО) также сосредоточен огромный пул органического углерода, преимущественно в форме углеводородов, названный «гигантским Арктическим суперпулом» (Грамберг и др. 1983).

Рис.1. Глобальный рост эмиссии СН₄ за период 1850-2000 гг. (Stern & Kaufmann, 2003).

Существует мнение, что прирост концентраций СН₄ в атмосфере, который ежегодно составляет 0,3-1,2%, ассоциирован с антропогенной деятельностью. Тем не менее, обращает на себя внимание тот факт, что: 1) Арктический максимум СН₄ существует исключительно в теплые климатические эпохи; 2) Арктический максимум СН₄ поддерживается круглогодично; 3) Арктический максимум СН₄ в атмосфере существует не над умеренными широтами (в полосе 20°-60° с.ш., где сжигается свыше 90% ископаемого топлива), а над Арктикой/Субарктикой (Заварзин и Кларк, 1987; IPCC, 2001; Steele et al., 1987), где антропогенная активность относительно невелика (менее 5% добываемого ископаемого топлива сжигается между 60° и 70° с.ш.) и он не может быть объяснен циркуляцикй воздушных масс. Это означает, что в межледниковые периоды в северных широтах существует мощный природный источник СН₄ и этим источником не могут быть наземные экосистемы, поскольку единственным предполагаемым круглогодичным источником СН₄ на суше являются термокарстовые озера, площадь которых чрезвычайно мала, к тому же в зимние месяцы пресный лед является непреодолимой преградой для газообмена. В то же время, межклиматическое потепление оказывает мощное влияние на состояние подводной мерзлоты, которая претерпевает более значительные изменения термического режима, по сравнению с наземной мерзлотой.

Рис. 2. Увеличение сезонных температур воздуха в 2000-2005 гг. по сравнению с сезонными температурами, зарегистрированными в 20-м веке (а, по данным NOAA); б) данные ботиметрии СЛО - глубины <50 м показаны оттенками красного цвета.

Кроме того, в Арктическом регионе наблюдается потепление климата, которое проявляется в росте сезонных температур воздуха и воды (Рис. 2а); сокращении морского и пресного льда; уменьшении толщины снега; таянию ледников; изменении температурного режима мерзлоты (ACIA, 2004). В этой связи, изучение МВА как возможного источника СН₄ в атмосферу Арктического региона является чрезвычайно актуальным.

В разделе 1.3 МВА рассмотрены как важная часть углеводородного пула СЛО. Благодаря исследованиям российских ученых (Григореьв, 1963; Соловьев, 1981; Грамберг, 1983; Лисицын 1993; Богданов и Хаин, 1995; Драчев, 1995; Имаев, 1998; Павлидис, 2000; Лаверов и Грамберг, 2001; Дмитриевский, 2005) установлено, что шельф МВА характеризуется уникальными литологическими и седиментологическими условиями, определяющими характерные особенности цикла углерода и создающими благоприятные условия для продукции и накопления СН₄ в донных отложениях (Романкевич, 1984; Романкевич и Ветров, 2001; Vetrov & Romankevich, 2004). Коротко освещены вопросы геологии и рифтогенеза МВА, особенности формирования донных отложений и формирование условий метаногенеза, газо- и гидратообразования и формирования резервуаров метана. Освещены вопросы современного осадкообразования и формирования условий для бактериального метаногенеза. Показано, что в условиях пассивной континентальной окраины в осадочных бассейнах МВА создаются исключительно благоприятные условия для продукции метана на всех стадиях трансформации органического вещества (ОВ) - в диагенезе, катагенезе и на стадии метаморфизма.

С другой стороны, являясь исключительно мелководным (Рис. 2б), шельф МВА в холодные климатические эпохи обнажается и становится частью наземных северных экосистем. В результате глубокого промерзания на шельфе-суше формируется мерзлота, которая ограничивает продукцию СН₄ областями сезонно-талого (активного) слоя. При последующей смене холодных климатических периодов на теплые, происходит потепление температуры поверхности Земли в среднем на 6-7?С (Houghton, 1997), в то вермя как в Арктических регионах потепление может достигать 20?С (например, в Гренландии, Cuffey et al., 1995). Потепление сопровождается интенсивным развитием процессов термокарста. Сезонная продукция СН₄ сменяется круглогодичной, которая происходит в подозерных таликах после достижения озером глубины ?2 м. Дальнейшее потепление приводит к таянию ледников и росту уровня океана. В результате происходит обратное затопление обнаженного шельфа МВА. При этом, термический режим погруженной мерзлоты, которая становится подводной, изменяется гораздо более существенно, по сравнению с наземной мерзлотой, поскольку среднегодовая температура морской воды теплее температуры поверхности Земли в холодные эпохи более чем на 15?С. Тем не менее, в течение сотен и тысяч лет подводная мерзлота не только препятствуют восходящему движению СН₄ из донных отложений, но и ограничивают современную продукцию СН₄ областями преимущественного накопления осадков (т.н. депо-центры), а также областями формирования таликов в структуре мерзлоты (Романовский и др. 2000; 2001; 2005; Касымская, 2005; Гаврилов, 2008).

В Разделе 1.4 изложена история изучения арктического криолитогенеза и современные взгляды ведущих ученых по вопросу о возможном распространении подводной мерзлоты в МВА. Проанализирована палеогеографическая история шельфа МВА, связанная с гляцио-эвстатическими колебаниями уровня океана при смене климатических циклов. Показано, что в холодные климатические эпохи, когда уровень океана падает на 100-120 м, обширный (2.1Ч10⁶ км²) и мелководный шельф МВА (средняя глубина <50 м) обнажается и становится частью сибирской приморской низменности. В результате глубокого промерзания здесь формируется мерзлота и создаются благоприятные условия для формирования зоны стабильности Арктических газгидратов, которые, в отличие от океанических газгидратов характеризуются: высокой концентрацией в пространстве, большей мощностью залегания пластов, высоким процентом насыщения газгидратами порового пространства осадка (20-80% в отличие от 1-2% в океанических газгидратах), более высокой чувствительностью к изменениям температурного режима (для дестабилизации газгидрата, образованного при температуре <0?С требуется в 3 раза меньше энергии, чем для газгидрата, образованного при температуре >0?С, Makogon, 2007). Кроме того, зона стабильности Арктических газгидратов определяется стабильностью мерзлоты.

При смене субаэральной обстановки на субмаринную происходит закономерное изменение термического режима подводной мерзлоты и сокращение зоны стабильности газгидратов. При нарушении целостности мерзлоты свободный газ из разрушенных газгидратов может поступать в водную толщу и далее в атмосферу. Показано, что на шельфе МВА находится основная часть мелководных Арктических газгидратов, поскольку >80% предполагаемой подводной мерзлоты прогнозируется именно на шельфе МВА (Рис. 3).

Рис. 3. Предполагаемые области распространения мелководных Арктических газгидратов (а, Соловьев, 1999) и подводной мерзлоты (б, ACIA, 2004).

В Главе 2 дано детальное описание района работ, методов, использованных в настоящем исследовании, а также приведены основные характеристики приборов и оборудования. В Разделе 2.1 описан метод измерения СН₄ в водном столбе и расчета концентраций растворенного СН₄. Парофазный статический газохроматографический анализ был выполнен с использованием газового хроматографа (ГХ) MicroTech-8160 оборудованного пламенно-ионизационным детектором, ПИД (Таб. 1). В качестве газа-носителя использовался гелий. Калибровка прибора осуществлялась с использованием стандартых газовых смесей с содержанием метана 1.98 ррм, 99.6 ррм и 997.8 ррм (Air Liquide, USA). Концентрации растворенного СН₄ расчитывались в соответствии с методикой, описанной в работе Wiesenburg и Guinasso (1979), основанной на использовании коэффициентов растворимости СН₄ (коэффициент Бунзена). В Разделе 2.2 описаны методы измерения метана в приводном слое атмосферы. Измерения выполнялись двумя методами: с использованием ГХ MicroTech-8160 (2003-2005 гг.) и с in-situ использованием высоточного быстрого метанового анализатора (2005-2007) HAFMA (DLT-100, www.lgrinc.com). Время ответа составляло <0.05 секунды, ошибка измерений <1% при измерениях в диапазоне от 10Ч10^-3 ррм до 25 ррм на частоте 10-12 Гц (Таб. 1). Измерения в приводном слое атмосферы выполнялись в двух режимах: на борту судна (Ауга, ТБ-12) и во время вертолетной съемки (МИ-8) в 2006 г.

В Разделе 2.3 описаны методы измерения микро-метеорологических параметров, которые использовались для расчета турбулентных потоков СН₄, а также приборы, использованные для этих измерений. Пакет состоял из следующих приборов (Таб 1): HAFMA, с помощью которого производились измерения концентраций СН₄ в атмосфере; 2 соник-анемометра/термометра, с помощью которых производились трехмерные измерения векторов скорости ветра и измерения температуры (Y81000, и Windmaster PRO); портативные метеостанции (Li-Cor 1401 и Furuno BP-100), с помощью которой производились измерения влажности воздуха и оперативная информация о скорости и направлени ветра; инфракрасный газовый спектрометр Li-Cor-7500 был использован для записи температуры воздуха, концентраций СО₂ и паров воды; пульсационные непрерывные измерения концентраций СО₂ выполнялись с помощью газового анализатора Li-Cor-820; измерения 6 компонентов движения судна выполнялсиь с помощью датчика движения Crossbow.

В Разделе 2.4 описаны методы расчета потоков СН₄. Диффузионные потоки расчитаны по методике Wanninkhof (1992) в модификации, применимой для кратковременных рядов скорости ветра, измеренного в реальном времени (actual wind). Учет основных параметров газообмена осуществлялся путем расчета числа Шмидта, основанном на экспериментальных параметризациях. Расчет турбулентных потоков выполнен по методике Baldocchi (2003). В Разделе 2.5 описаны гидро-акустические и геофизические методы, использованные в настоящей работе. Сейсмопрофилограф высокого разрешения был использован на частоте 3.5 КГц при движении судна со скоростью 4-8 узлов. Для определения местоположения судна использовалась навигационная система GPS (Global Positioning System, Model 120 XL). Совместное использование судового эхолота (Atlas Deso 10) и локатора бокового обзора позволило зарегистрировать мощные скопления газонесущих пузырьков в водной толще. Основные характеристики приборов приведены в Таб.1.

Таблица 1

В Разделе 2.6 дано описание основных методов и приборов, использованных для измерения гидрологических параметров (температура воды, соленость), которые были использованы для расчетов концентраций растворенного СН₄ в водном столбе. Измерения выполнялись in situ с использованием гидрологического зонда Seabird-19+. Раздел 2.7 посвящен описанию изотопных методов. Изотопный состав углерода метана (д¹³С, дН, ¹⁴С) испольовался для разделения возможных источников СН₄ в водной толще МВА. В Разделе 2.8 описана критерии и методы статистической обработки и графического представления данных.

В Главе 3 представлен анализ пространственно-временной и сезонной изменчивости концентраций растворенного СН₄ в водной толще МВА, факторов, ее определяющих, а также дана характеристика источников СН₄ в МВА. В Разделе 3.1 показано, что в период открытой воды концентрации растворенного СН₄ в водном столбе превышают равновесные концентрации относительно атмосферы, которые изменялись в диапазоне от 3.5 до 4.0 nM (Шахова и др., 2005). В качестве средней концентрации атмосферного СН₄ в расчетах принято средне-широтное значение (latitude specific monthly mean, LSMM) равное 1.85 ррм (http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/insitu.html). На основании полученных данных показано (2003-2007 гг.), что как придонные так и поверхностные пробы воды были значительно перенасыщены СН₄, более 50% изученной акватории являлось источником СН₄ в атмосферу региона (Рис. 4).

Рис. 4. Положение океанографических станций в районе исследования (а); распределение концентраций растворенного СН4 в придонном слое воды (б); распределение концентраций растворенного СН4 в поверхностном слое воды (в); диффузионные потоки СН4 (г).

Пространственное распределение концентраций отличалось выраженной мозаичностью и наличием резких пространственных градиентов (Шахова и др. 2007а; 2008). Выделялись локализованные области, в которых перенасыщение воды растворенным СН₄ достигало 900-18000%. Такие области составляли около 10% изученной акватории и были выделены как области плюмов.

В работах российских ученых (Lein et al., 2007; Savvichev et al., 2007) было показано, что в отдельных районах МВА (Чукотское море) скорости процессов окисления СН₄ в осадках низкие даже летом, когда температуры придонной воды самые высокие, и изменяются в пределах от 0.03 nM СН₄/сут до 0.1 nM СН₄/сут. Эта величина хорошо согласуется со скоростям окисления, ранее зарегистрированными в Карском море (Namsaraev et al. 1995). Если принять допущение о том, что эти скорости окисления можно распространить на все осадки МВА, то за 265 дней эта величина может достигает от 8 nM СН₄ до 26.5 nM СН_4. Это означает, что концентрации растворенного СН₄, измеренные в зимнее время подо льдом, должны быть существенно ниже, чем летние. Тем не менее, сравнение результатов летних и зимних измерений, выполненных в северо-западной части губы Буор-Хая (море Лаптевых) показало превышение зимних концентраций над летними до 10і раз (до 5 µМ). Характерно, что вертикальное распределение СН₄ в водном столбе в летнее и зимнее время совпадали - максимум находился в поверхностном слое воды, что свидетельствует о доминирующей роли пузырькового транспорта при наличии мощного донного источника (Шахова и др., 2009 а, б).

В Разделе 3.2 рассмотрены особенности вертикального распределения СН₄ в водном столбе. Выделено три типа распределения СН₄ в водном столбе, характерные как для летнего, так и для зимнего периода: первый тип - распределение с наличием придонного максимума растворенного СН₄; второй тип - распределение с наличием поверхностного максимума, и третий тип - распределение с отсутствием градиента концентрации в пределах водного столба (Рис.5). Показано, что перенос СН₄ в водном столбе осуществляется двумя способами - диффузионным и в форме пузырьков.

Рис. 5. Вертикальный разрез, совмещающий профили второго и третьего типов (апрель 2007 г).

В пользу диффузионного переноса свидетельствует первый тип распределения растворенного СН4 в водном столбе, в пользу пузырькового переноса - второй и третий типы (Shakhova et al., 2010). Пузырьковый перенос подтвержден акустической регистрацией больших скоплений пузырей в водной толще и геофизической их регистрацией в осадках (Рис.6). Кроме того, пурызи были визуально зафиксированы в составе морского льда зимой (Рис. 7).