Ученые разгадали опасную загадку вечной мерзлоты

Выявлена новая угроза для атмосферы Земли

15.12.2016 в 14:23, просмотров: 11641

Вечная мерзлота перестает быть вечной из-за глобального потепления климата. Она тает, высвобождая из своих холодных недр запасы метана, атмосферная концентрация которого, по самым скромным оценкам ученых, за последние 150 лет возросла более чем в 3 раза.

Вообще, главным виновником парникового эффекта и, как следствие, потепления климата априори считался углекислый газ. Но теперь выясняется, что у атмосферы есть и более коварный враг — метан. Насколько значительным может быть влияние уменьшения объемов подводной мерзлоты и газовых гидратов (это ледяная масса со «спрятанным» в ней газом) на выбросы метана из донных отложений в водную толщу сибирских шельфовых морей и далее в атмосферу? Может ли это привести к дополнительному изменению климата и повлиять на экологическую ситуацию на планете? На этот вопрос «МК» попытался найти ответ вместе с учеными. Для чего пришлось съездить в Томск, где в стенах политехнического университета (ТПУ) проходил Международный арктический форум, посвященный проблеме изучения биогеохимических последствий деградации (таяния) вечной мерзлоты в Северном Ледовитом океане.

Ученые разгадали опасную загадку вечной мерзлоты

Климат теплеет — мерзлота тает

Но для начала давайте разберемся, почему о газовых гидратах вообще вспомнили. Еще в 60 е годы советские ученые (профессор Юрий Макогон с соавторами) обнаружили, что метан (СН4) в форме газовых гидратов может существовать в мерзлоте. Основанием для этого открытия стали многочисленные аварии в нефтегазопроводах, где при низких температурах образовывались пробки из гидратов метана.

Если взять это вещество в руки, оно напоминает снежок — спрессованный снег или лед. Но если его поджечь, этот «снежок» будет гореть не хуже газовой горелки. Принято считать, что основные залежи гидратов сконцентрированы в районе арктического шельфа под подводной мерзлотой.

Специалисты сейчас еще только разрабатывают систему его добычи в промышленных масштабах. Члены же международного научного консорциума под руководством российских ученых — заведующего лабораторией Тихоокеанского океанологического института им. В.И.Ильичева (ТОИ ДВО РАН) профессора ТПУ Игоря Семилетова и профессора ТПУ Натальи Шаховой раскрыли другой потенциал газогидратов: из-за таяния подводной мерзлоты метан вырывается в атмосферу и усиливает парниковый эффект.

Справка «МК»

Из одного кубического сантиметра гидрата метана выделяется 160–180 кубических сантиметров газа, который прорывается на поверхность моря в виде пузырей. Известно множество случаев, когда даже буровые суда переворачивались или получали повреждения от прорыва гидратного газа. Одна из основных версий образования гигантских воронок на полуострове Ямал также связана с деградацией мерзлоты и быстрой дестабилизации гидратов в форме взрывов.

График увеличения оценки годового выброса метана в атмосферу над шельфом морей Восточной Арктики (МВА)

По данным 2010 года (опубликованным в журнале Science) — 8 млн тонн.

По данным 2014 года — 16 млн тонн.

По данным 2015–2016 годов (они пока не опубликованы), оценка может увеличиться до 100 млн тонн, что составит примерно 20% от годового баланса атмосферного метана.

График, на котором показан рост выбросов метана в атмосферу, выглядит устрашающе. Но только на первый взгляд. Ученые обещают, что даже при концентрации в атмосфере 100 млн тонн метана в год резкого потепления не произойдет. Для климатической катастрофы нужно, чтобы в атмосферу выбрасывалось на 1-2 порядка больше.

фото: Иван Скрипалев

Возможно ли это? Стоит ли тогда вообще беспокоиться по поводу метана? Тем более что углекислого газа (СО2) в атмосфере все равно на два порядка больше? Оказалось, есть причины — если не для паники, то для тревоги. По словам выступавшего на форуме Игоря Семилетова, содержание метана в атмосфере Земли продолжает расти быстрее, чем СО2: за последние 150 лет концентрация СН4 в атмосфере возросла примерно в 3 раза. К тому же у метана значительно выше, чему у углекислого газа, радиационная активность (от 20 до 40 раз).

Ученые долго не могли понять, отчего максимально высокие концентрации СН4 регистрируются именно в атмосфере арктического региона (это явление получило название «арктический максимум атмосферного СН4»). Сначала думали, что всему виной термокарстовые озера (озера, образовавшиеся в результате проседания грунта на месте протаивания подземных льдов) и болота. Арктические моря в качестве подозреваемых вообще не рассматривались. А зря!

«Слоеный пирог» Арктики

Чтобы найти «улики», с конца 1990 х российские ученые организовали и выполнили 30 экспедиций по Северному морскому пути. Сначала — на гидрографических судах архангельской гидробазы, затем еще лет пять ходили на малых судах водоизмещением меньше 100 тонн, заходя на них в такие мелководные районы, куда ни одно научно-исследовательское судно океанического плавания зайти не может. Однако исследования на малых судах пришлось прекратить: из-за сокращения ледового покрова Северного Ледовитого океана в морях восточной Арктики (МВА) ветра стали достигать ураганной силы. «Как-то осенью наше судно, вынужденное встать на два якоря, волнами и ветром протащило за одни сутки на расстояние около 20 морских миль, высота волн достигала 5­-6 метров», — вспоминает Семилетов.

В 2008 году состоялась 45 суточная российско-шведская совместная экспедиция на борту гидрографического судна «Яков Смирнитский», организованная лабораторией арктических исследований ТОИ ДВО РАН совместно со Стокгольмским и Гетеборгским университетами. В 2011 м группой Шаховой-Семилетова были начаты первые буровые работы в море Лаптевых, на так называемом припайном льду (неподвижном льду вдоль морских берегов), где уже пробурено 17 скважин. Целью этих работ был отбор глубоких (насколько это возможно) донных отложений для изучения закономерностей распределения и скоростей таяния подводной мерзлоты в прибрежной зоне моря Лаптевых, метанового потенциала мерзлоты и геологического контроля выброса метана.

Игорь Семилетов. Фото: Игорь Семилетов.

«Полученные нами предварительные результаты оказались крайне интересны, — поясняет Семилетов. — Так, например, мы обнаружили, что состояние мерзлоты Ивашкинской лагуны, которую мы исследовали, совершенно не соответствует классическим представлениям. То, что мы знаем из учебников, там не работает. Не вдаваясь в детали, поясню, что мы обнаружили настоящий «слоеный пирог» из талых и мерзлых пород и микроканьон абсолютно непонятного пока происхождения, который залегает на глубинах морского дна порядка двух-трех метров. Ранее считалось, что его там быть не должно, ведь там лед практически смерзается с осадком, мерзлота в этом месте стабильна... Осенью мы обнаружили мощные выбросы метана из этого микроканьона, которых не оказалось зимой. О чем это говорит? О просачивании глубинного газа. Отмечу, что мы говорим о предварительных результатах, которые требуют более детального изучения, что мы и планируем провести в 2017–2018 годах».

«Мы с медведями мирно жили»

Работать в экспедициях, выполненных в период с середины 1990 х до настоящего времени, приходилось и в зимнее, и в весеннее время. Где в эти периоды не могло пройти гидрографическое судно, помогал санно-тракторный поезд.

Фото: ТПУ

Участник ряда зимних экспедиций на припайный лед моря Лаптевых старший научный сотрудник кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. Ломоносова Владимир Тумской рассказал нам о том, как проходили такие походы. Ветер и мороз до  40 были не самыми главными препятствиями для получения научных результатов...

«Начинается подготовка зимней экспедиции, как правило, с планирования и подбора снаряжения и оборудования, — рассказывает Тумской. — Затем все это мы забрасываем в Тикси — либо по реке, либо самолетами. Собравшись вместе в Тикси, формируем санно-тракторный поезд: тягачи, самоходная буровая установка на гусеничном ходу, буксируемые домики (установленные на стальные сани) для работы и проживания людей, буровое оборудование, провиант в виде замороженных оленьих туш, рыбы, молока, чая, кофе. Пища на севере должна быть жирной, и тогда никакой холод не испугает».

В таком составе до места бурения скважин поезд обычно движется десятки, а порой и сотни километров. Сама дорога занимает у полярников несколько дней: техника тяжелая, лед всторошенный (торосы — это нагромождение обломков льда, до 10–20 метров в высоту), надо его обойти. Часто бывает, что техника вязнет в снегу, приходится перецеплять трактора по два в одни сани.

Придя «на точку», экспедиция, общий вес которой тянет под 100 тонн, должна как можно быстрее рассредоточиться, чтобы не создавать большой нагрузки на лед. Ну а когда все уже готово к работе, начинается бурение. Буровики извлекают из-под воды шельфовый керн, после чего научная бригада прямо на льду начинает проводить необходимые измерения. Важно до отправки образцов в лабораторию на Большой земле определить их влажность, температуру, соленость и другие свойства. В первую очередь производится отбор проб на газ, высокоточные измерения которого выполняются немедленно в лабораторном буксируемом домике. Позже в институтах Владивостока, Томска, Москвы и за рубежом в пробах осадков исследуется изотопный состав и радиоуглеродный возраст метана, молекулярный и изотопный состав органического вещества. Цель исследователей — оценить метановый потенциал осадков как источника потенциального выброса в водную толщу, а затем в атмосферу.

Однако вырвать эти знания у суровой природы Арктики порой бывает непросто. «Мы можем работать только при температуре до 35 градусов по Цельсию, — поясняет Владимир Тумской, — если холоднее — буровая установка на морозе работает с большим трудом, да и керн осадка, поднятый на поверхность, быстро замерзает. Помехой является еще и сильный ветер, буквально сдувающий с ног специалистов. Иногда, когда сроки поджимают и перенести бурение уже нельзя, мы готовим заслон ветру в виде плотного куска тента, который натягиваем стеной и таким образом отклоняем поток ветра от скважины».

Владимир Тумской. Фото: ТПУ

К метеофакторам иногда присоединяются и зоологические. Песцы и пернатые — самые частые гости, которых полярники подкармливают своими припасами, но встречались геологам и более суровые обитатели Арктики — белые медведи. «Медведи периодически приходят к нам, потому что мы нередко работаем на территории, где проходят пути их миграции, — продолжает Тумской. — Мы пробурим лунку во льду в весеннее время, потом видим — гости пожаловали: обследуют, трогают лапами технику, пьют воду из нашей скважины. Один раз мы были особенно обеспокоены судьбой нашего коллеги, который в палатке на трещине делал акустические измерения, и к палатке подошел медведь. Мы кричим издалека, отпугиваем косолапого, а медведю хоть бы что, стоит и, видимо, думает: съесть исследователя в наушниках или нет? Нам все-таки удалось отогнать его. А потом наш акустик, научный сотрудник ТОИ ДВО РАН Денис Черных, вышел как ни в чем не бывало и удивился, что это мы такие взволнованные все... Но в целом мы с медведями мирно живем, несмотря на то что прямые контакты бывали не раз — метров в десяти от меня находился косолапый. Главное, сразу показать, кто хозяин на данной территории, чтобы у животного не возникало желания возвращаться. Как мы это делаем? Да очень просто: устные пожелания удалиться в торосы подкрепляем стрельбой в воздух для отпугивания».

Ледяной пробки у планеты больше нет

Самая масштабная трехмесячная биогеохимическая экспедиция по Северному Ледовитому океану состоялась в 2014 году на шведском ледоколе Oden. Она называлась SWERUS C3. В ней приняли участие 84 исследователя (19 женщин и 65 мужчин) из 14 стран. Экспедиция должна была подтвердить наличие мегавыбросов метана, обнаруженных российскими учеными. Ученые сделали это и... нашли множество новых мест выброса метана. Всего по маршруту движения ледокола было обнаружено более 500 (!) крупных мест утечек (сипов). И это только те, что удалось обнаружить под судном по пути его следования. Уложенные как по ниточке на карту МВА, они заняли площадь свыше 2 млн квадратных километров! Представьте, сколько десятков, а может, и сотен тысяч сипов пока не обнаружены.

Основным результатом последней экспедиции российских ученых на борту научно-исследовательского судна «Академик Лаврентьев» (она завершилась во Владивостоке 2 ноября этого года) стало обнаружение увеличения масштаба и интенсивности выброса метана из ранее обнаруженных утечек.

Вывод, который делают ученые: подводная мерзлота уже не настолько стабильна, как считалось ранее, нет больше сплошной ледяной пробки, уходящей вглубь на сотни метров. Площадь мегаутечек метана растет, что вызывает общее беспокойство специалистов.

Но, даже несмотря на участие в арктических экспедициях множества зарубежных исследователей, написанных совместно с нашими учеными статей в самых престижных научных журналах, как Science, Nature Gescience, выводы о ведущей роли сибирского арктического шельфа как источника формирования арктического атмосферного максимума СН4 до сих пор встречают гигантское противодействие части мирового научного сообщества. По сути, оно разделилось на две части. По одну сторону оказался международный научный консорциум под руководством российских ученых, который основывает свои научные выводы на основе прямых комплексных и междисциплинарных наблюдений в суровых штормовых условиях ледяной Арктики, по другую — кабинетные работники из различных стран, которые строят атмосферные модели формирования атмосферного арктического максимума СН4 за счет переноса воздуха из тропических широт. «Это невозможно, поскольку ветланды (водно-болотные угодья) тропических широт не являются таким мощным источником СН4, как предполагалось ранее, — поясняет Семилетов. — А вы попробуйте ответить на вопрос: можно ли наполнить до верха водой пустой стакан путем переливания воды из другого неполного стакана такого же размера? Мое личное мнение, что за всем этим стоит нежелание неких достаточно могущественных политизированных группировок признать тот факт, что глобальный бюджет метана, формализованный в конце прошлого века, в котором основным природным источником на нашей планете являются тропики, не соответствует действительности — реальным новым данным. Ну и, конечно же, за этим стоят финансовые интересы ряда групп, получающих за свою деятельность многомиллионные долларовые гранты».

Экспедиция на ледоколе «Оден» заняла несколько месяцев. Фото: ТПУ

Итак, нам в ожидании решения спора «между тропиками и Арктикой», похоже, придется пребывать в неведении — как скоро наступят серьезные климатические изменения? Ведь если правы наши ученые, весь шельф морей восточной Арктики в ближайшие десятилетия может перейти в такое состояние, в котором находятся сейчас аномальные районы, — там, похоже, имеет место сквозное протаивание подводной мерзлоты. Высвобождение колоссальных объемов мощного парникового газа СН4 может привести к самоускоряющемуся процессу глобального потепления.

Но, может, это страшное глобальное потепление все-таки отступит и газогидраты снова заморозятся? Тем более что некоторые климатологи давно говорят о приближении ледникового периода на нашей планете.

«Согласно древней климатической системе мы уже сейчас должны были замечать признаки ледникового периода, но он не наступает, — разбивает надежду Игорь Семилетов. — В течение последних 2,5 млн лет ледниковые периоды и периоды глобального потепления чередовались примерно каждые 105 тысяч лет. Теперь мы являемся свидетелями того, что в этой древней системе произошла поломка — потепление затянулось на тысячи лет… Наиболее вероятная первопричина тому — антропогенная, и ответственность несет парниковый эффект, основной потенциал которого пока составляют выбросы СО2. Кстати, признаками этого эффекта является не только рост столбика термометра по всему миру, но и увеличение частоты циклонов и ураганов».

О сроках возможного наступления очередного этапа дополнительного потепления климата ученые пока ответить не могут. Десять или тридцать лет нам осталось до наступления необратимых процессов? Для точного диагноза требуются более комплексные и расширенные исследования с фокусом на арктические моря, где предполагается существование более 80% всей подводной мерзлоты Северного Ледовитого океана, под которой могут таиться запасы гидратов, превышающие современное количество метана примерно на два порядка. В идеале, по словам Семилетова, требуются синхронизированные ежегодные и всесезонные исследования с использованием хорошо оснащенных современным оборудованием научно-исследовательских судов, летающих лабораторий и космических спутников. Также желательна организация еще одной наблюдательной станции на острове Большой Ляховский, который находится близко к известным крупным и очень крупным мегасипам. Но пока нам приходится в буквальном смысле ждать у моря погоды.

Справка «МК»

Разрушение гидратов на дне морском происходит в различных регионах нашей планеты, включая Охотское море, Черное море, озеро Байкал, вблизи о. Шпицберген... Однако в перечисленных глубоких водоемах пузырьки газа, как правило, не достигают поверхности, так как полностью растворяются. В отличие от мелководного арктического восточносибирского шельфа, где значительная часть пузырькового СН4 не успевает раствориться и достигает поверхность моря.

Справка «МК»

Концентрация атмосферного метана над Арктикой на 10 процентов выше, чем где-либо на планете.

Справка «МК»

24 ноября для повышения эффективности исследований на базе ТПУ был учрежден Международный арктический сибирский научный центр, который объединил ученых из 15 университетов 6 стран мира.

70% нашей страны находится в зоне существования вечной мерзлоты.

Справка «МК»

Метан — это парниковый газ, он так же, как и углекислый газ (СО2), удерживает тепловое излучение поверхности нашей планеты, которое должно уходить от Земли в космическое пространство, а значит, создает условия для дальнейшего потепления климата.