В Новосибирске смоделировали выбросы метана в атмосферу со дна Арктического шельфа
27.09.2023
В начале 1960-х годов в Якутии произошел удивительный случай. В 50-градусный мороз одна из нефтяных вышек вдруг превратилась в… новогоднюю елку. Стояла вся усыпанная ледяными кристаллами, пока не потеплело. Это были газовые гидраты — белые льдоподобные вещества, соединения воды и газа. Собственно говоря, о существовании таких соединений известно с начала прошлого века. Но долгое время наука была неспособна объяснить, как взаимодействуют вещества, которые по существовавшим представлениям взаимодействовать не могли. Заслуга открытия природных залежей газовых гидратов принадлежит сибирским геологам Андрею Трофимуку, Юрию Макагону и их коллегам. Затем выяснилось, что газа в природных газовых гидратах в расчете на количество органического углерода больше, чем в обычном газе, угле и нефти вместе взятых. К сегодняшнему дню месторождения газовых гидратов найдены на континентальных шельфах всех шести материков, а также в различных районах глубокого океана.
"Интерес к газовым гидратам у ученых двоякий", — рассказывает газете "Поиск" руководитель проекта "Модельная оценка выделения метана из донных отложений Арктики в атмосферу в прошлом и будущем", поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований (ныне — Российский центр научной информации) ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН) Валентина Малахова. — "С одной стороны, это богатейший ресурс природного газа, особенно на шельфе, с другой — потенциальный источник выделения метана в атмосферу, что ведет к изменению климата. Газогидратами я занимаюсь давно, начинала еще студенткой с моим первым научным руководителем Александром Валентиновичем Щербаковым. Потом пришла в лабораторию математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН. Моя кандидатская диссертация была посвящена моделированию переноса растворенного метана океаническими течениями. В настоящее время в лаборатории под руководством доктора физико-математических наук Геннадия Платова разрабатывается численная модель совместной циркуляции вод и морского льда Северного Ледовитого океана SibCIOM. Для оценки потоков газа из донных осадков нужно определить источники метана, связанные с разрушением гидратов мелководного Арктического шельфа, существующих в условиях подводной мерзлоты".
Чувствительная Арктика
Интересна история появления океанической тематики в новосибирском институте. Когда Гурий Иванович Марчук приехал в Новосибирский Академгородок, он открыл в Вычислительном центре отдел физики атмосферы и океана. Лаборатория моделирования океана в центре Сибири поначалу выглядела парадоксально. Но лет через 30, когда от краткосрочного прогноза погоды перешли к моделированию изменений климата, выяснилось, насколько пророческим было это решение, поскольку океан играет существенную роль в климатических процессах. Сотрудники ИВМиМГ СО РАН унаследовали интерес к океану от Вычислительного центра. Здесь были разработаны оригинальная численная модель глобальной атмосферы, региональная модель климата Сибири, а также модели Мирового океана и отдельных его частей. Но со временем решили сконцентрироваться на высоких широтах, поскольку именно Арктическая зона Евразийской климатической системы весьма чувствительна к глобальным изменениям климата.
"Наша лаборатория занимается не только моделированием изменений климата, но и проблемами экологии сибирских городов. При изучении процессов, происходящих в океане, необходимо учитывать донные отложения. Именно там таятся залежи метана — парникового газа, который оказывает воздействие на потепление в 20-30 раз сильнее, чем углекислый газ. Соответственно, выбросы метана влияют на состояние атмосферы. Наш коллектив выиграл два гранта РФФИ подряд: с 2017-го по 2020 годы мы разрабатывали модель для оценки газогидратов как возможных источников метана, с 2020-го по 2022-й занимались модельной оценкой выделения этого опасного парникового газа в атмосферу из арктических донных отложений", — продолжает Валентина Малахова.
Роль Арктического региона в исследованиях экологии и климата переоценить невозможно. В последние годы исследователи констатируют: морские и наземные экосистемы этого региона меняются быстрее, чем ожидалось. Во многие точки Арктики теперь можно попасть без сопровождения ледокола: за два минувших десятилетия XXI века арктический морской лед уменьшился по площади и объему. Недавние спутниковые наблюдения показывают, что в атлантическом секторе Северного Ледовитого океана сокращение ледяного покрова происходит не только летом, но и зимой.
"Особенность изучаемого нами региона — в мелководности океана. Та часть Арктического шельфа, где глубина менее 120 метров, в периоды ледниковых циклов (например, 20 тысяч лет назад) осушалась в связи с падением уровня океана, становилась частью Сибирской равнины, и там образовывалась вечная мерзлота. Когда уровень океана вновь поднялся (5-15 тысяч лет назад), мерзлота ушла под воду. Этим и объясняются громкие заявления о потоках метана, выделяемых в атмосферу: мерзлота оказалась под водой, тает в результате изменений климата, поскольку повышается температура океана, огромный объем газа из газогидратов высвобождается и выбрасывается в атмосферу. Напомню, что один кубический метр газогидрата содержит 160 кубических метров газа, просто он находится в сжатом виде. Однако модельная оценка показала, что дело с выбросами метана в атмосферу обстоит не так просто", — подчеркивает Валентина Малахова.
Со многими неизвестными
Сразу отметим два обстоятельства. Во-первых, исследование, о котором идет речь, сугубо теоретическое. Во-вторых, изучаемый регион крайне сложен, данных измерений по нему мало. Чтобы оценить состояние мерзлоты, надо проводить буровые работы, а делать это на Арктическом шельфе затруднительно и накладно. Для моделирования сибирские математики брали данные других исследований, в частности, немецких, а верифицировали модель, используя данные буровых скважин на Новосибирских островах. Дело в том, что и наземная, и подводная мерзлота образовались в одно время и в одинаковых условиях. Валентина Малахова и геологи Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по итогам этого исследования опубликовали статью в GeoScience.
"Задачи оценки состояния мерзлоты требуют очень длительного решения. В расчет надо брать, как минимум, один ледниковый цикл, т. е. 120 тысяч лет, только тогда можно понять, какие факторы учитывать. Есть палеоданные по ледниковым циклам Антарктиды, Гренландии. Наши зарубежные коллеги пытались описать происходившие процессы с помощью модели земной системы CLIMBER-2 (Потсдамский институт исследований климатических воздействий), но это — уже задачи изучения палеоклимата. Нам же надо понять, где находятся источники метана в океане, какова площадь распространения подводной мерзлоты с включениями газогидратов, где она тает", — поясняет руководитель проекта.
Когда проводили исследования, выяснили, что именно субаквальная (подводная) мерзлота стала одним из неизвестных в "цикле метана". Слишком много неопределенностей, начиная с количества углерода, которое может накапливаться в этой мерзлоте, заканчивая оценкой потоков метана, которые выходят сейчас. После экстраполяции данных измерений с целью получения суммарной оценки по Арктическому региону выбросы метана оцениваются в 17 тераграмм в год. Однако анализ данных непосредственно в атмосфере приводит к другим выводам. И сегодня существует заметное расхождение в оценках потока метана в атмосферу.
"Благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований мы как раз и хотели выяснить, какова роль океана и льда в этом процессе. С помощью целого комплекса моделей, включающих моделирование Северного Ледовитого океана и ледового покрова, что очень важно, мы пытались посчитать, сколько же метана выбрасывается в атмосферу. Причем такие оценки сделали для прошлого и будущего. В результате получили, что количество метана, которое выходит в атмосферу, зависит и от месяца, и от течений, и от температуры воды. Выходу метана препятствует много барьеров, и одним из них как раз является ледовый покров, который непрерывно сокращается. Согласно полученным данным, рост потока метана в атмосферу действительно есть, но вот от увеличения потока газа из донных отложений он может и не зависеть", — рассказывает Валентина Малахова.
Расширяя горизонт
Дело в том, что подводная мерзлота по определению находится в неравновесных условиях и будет таять вне зависимости от глобального потепления. Да, этот процесс станет ускоряться при потеплении придонной воды, но вряд ли температура у дна может резко повыситься. А вот сокращение ледового покрова и потепление верхних слоев океана приводят к тому, что попавший в воду метан перестает окисляться и выходит в атмосферу с большей скоростью. Негативную роль играет и более позднее установление ледового покрова: в осенний период как раз и происходит перемешивание воды, и метан со дна начинает поступать в атмосферу.
"Так что количество метана, попадающее из океана в атмосферу, будет определяться не только таянием субаквальной мерзлоты и разложением газогидратов, но и состоянием морского льда. В данном проекте мы использовали региональную модель, которая позволяет делать прогнозы до 2100 года. Согласно нашим оценкам, к концу нынешнего века выброс метана в Арктике может увеличиться в 2-4 раза. Наибольший вклад в общую эмиссию метана в регионе вносят моря Восточно-Сибирского шельфа, а вот вклад рек в этот процесс, как мы установили, невелик: в месте впадения Лены в море Лаптевых концентрация парникового газа в воде снижается", — резюмирует Валентина Малахова.
Грант РФФИ стал для математиков прекрасным стимулом, чтобы сосредоточиться на важных и для Сибирского региона, и для всей планеты климатических исследованиях. В ближайшие годы ученые намерены расширить горизонт прогноза: если использовать глобальную модель океана, можно произвести расчет до 2300 года. Но это — уже задача для дальнейших исследований.
Автор: Ольга Колесова
Источник: Газета "Поиск"
"Интерес к газовым гидратам у ученых двоякий", — рассказывает газете "Поиск" руководитель проекта "Модельная оценка выделения метана из донных отложений Арктики в атмосферу в прошлом и будущем", поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований (ныне — Российский центр научной информации) ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН (ИВМиМГ СО РАН) Валентина Малахова. — "С одной стороны, это богатейший ресурс природного газа, особенно на шельфе, с другой — потенциальный источник выделения метана в атмосферу, что ведет к изменению климата. Газогидратами я занимаюсь давно, начинала еще студенткой с моим первым научным руководителем Александром Валентиновичем Щербаковым. Потом пришла в лабораторию математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН. Моя кандидатская диссертация была посвящена моделированию переноса растворенного метана океаническими течениями. В настоящее время в лаборатории под руководством доктора физико-математических наук Геннадия Платова разрабатывается численная модель совместной циркуляции вод и морского льда Северного Ледовитого океана SibCIOM. Для оценки потоков газа из донных осадков нужно определить источники метана, связанные с разрушением гидратов мелководного Арктического шельфа, существующих в условиях подводной мерзлоты".
Чувствительная Арктика
Интересна история появления океанической тематики в новосибирском институте. Когда Гурий Иванович Марчук приехал в Новосибирский Академгородок, он открыл в Вычислительном центре отдел физики атмосферы и океана. Лаборатория моделирования океана в центре Сибири поначалу выглядела парадоксально. Но лет через 30, когда от краткосрочного прогноза погоды перешли к моделированию изменений климата, выяснилось, насколько пророческим было это решение, поскольку океан играет существенную роль в климатических процессах. Сотрудники ИВМиМГ СО РАН унаследовали интерес к океану от Вычислительного центра. Здесь были разработаны оригинальная численная модель глобальной атмосферы, региональная модель климата Сибири, а также модели Мирового океана и отдельных его частей. Но со временем решили сконцентрироваться на высоких широтах, поскольку именно Арктическая зона Евразийской климатической системы весьма чувствительна к глобальным изменениям климата.
"Наша лаборатория занимается не только моделированием изменений климата, но и проблемами экологии сибирских городов. При изучении процессов, происходящих в океане, необходимо учитывать донные отложения. Именно там таятся залежи метана — парникового газа, который оказывает воздействие на потепление в 20-30 раз сильнее, чем углекислый газ. Соответственно, выбросы метана влияют на состояние атмосферы. Наш коллектив выиграл два гранта РФФИ подряд: с 2017-го по 2020 годы мы разрабатывали модель для оценки газогидратов как возможных источников метана, с 2020-го по 2022-й занимались модельной оценкой выделения этого опасного парникового газа в атмосферу из арктических донных отложений", — продолжает Валентина Малахова.
Роль Арктического региона в исследованиях экологии и климата переоценить невозможно. В последние годы исследователи констатируют: морские и наземные экосистемы этого региона меняются быстрее, чем ожидалось. Во многие точки Арктики теперь можно попасть без сопровождения ледокола: за два минувших десятилетия XXI века арктический морской лед уменьшился по площади и объему. Недавние спутниковые наблюдения показывают, что в атлантическом секторе Северного Ледовитого океана сокращение ледяного покрова происходит не только летом, но и зимой.
"Особенность изучаемого нами региона — в мелководности океана. Та часть Арктического шельфа, где глубина менее 120 метров, в периоды ледниковых циклов (например, 20 тысяч лет назад) осушалась в связи с падением уровня океана, становилась частью Сибирской равнины, и там образовывалась вечная мерзлота. Когда уровень океана вновь поднялся (5-15 тысяч лет назад), мерзлота ушла под воду. Этим и объясняются громкие заявления о потоках метана, выделяемых в атмосферу: мерзлота оказалась под водой, тает в результате изменений климата, поскольку повышается температура океана, огромный объем газа из газогидратов высвобождается и выбрасывается в атмосферу. Напомню, что один кубический метр газогидрата содержит 160 кубических метров газа, просто он находится в сжатом виде. Однако модельная оценка показала, что дело с выбросами метана в атмосферу обстоит не так просто", — подчеркивает Валентина Малахова.
Со многими неизвестными
Сразу отметим два обстоятельства. Во-первых, исследование, о котором идет речь, сугубо теоретическое. Во-вторых, изучаемый регион крайне сложен, данных измерений по нему мало. Чтобы оценить состояние мерзлоты, надо проводить буровые работы, а делать это на Арктическом шельфе затруднительно и накладно. Для моделирования сибирские математики брали данные других исследований, в частности, немецких, а верифицировали модель, используя данные буровых скважин на Новосибирских островах. Дело в том, что и наземная, и подводная мерзлота образовались в одно время и в одинаковых условиях. Валентина Малахова и геологи Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по итогам этого исследования опубликовали статью в GeoScience.
"Задачи оценки состояния мерзлоты требуют очень длительного решения. В расчет надо брать, как минимум, один ледниковый цикл, т. е. 120 тысяч лет, только тогда можно понять, какие факторы учитывать. Есть палеоданные по ледниковым циклам Антарктиды, Гренландии. Наши зарубежные коллеги пытались описать происходившие процессы с помощью модели земной системы CLIMBER-2 (Потсдамский институт исследований климатических воздействий), но это — уже задачи изучения палеоклимата. Нам же надо понять, где находятся источники метана в океане, какова площадь распространения подводной мерзлоты с включениями газогидратов, где она тает", — поясняет руководитель проекта.
Когда проводили исследования, выяснили, что именно субаквальная (подводная) мерзлота стала одним из неизвестных в "цикле метана". Слишком много неопределенностей, начиная с количества углерода, которое может накапливаться в этой мерзлоте, заканчивая оценкой потоков метана, которые выходят сейчас. После экстраполяции данных измерений с целью получения суммарной оценки по Арктическому региону выбросы метана оцениваются в 17 тераграмм в год. Однако анализ данных непосредственно в атмосфере приводит к другим выводам. И сегодня существует заметное расхождение в оценках потока метана в атмосферу.
"Благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований мы как раз и хотели выяснить, какова роль океана и льда в этом процессе. С помощью целого комплекса моделей, включающих моделирование Северного Ледовитого океана и ледового покрова, что очень важно, мы пытались посчитать, сколько же метана выбрасывается в атмосферу. Причем такие оценки сделали для прошлого и будущего. В результате получили, что количество метана, которое выходит в атмосферу, зависит и от месяца, и от течений, и от температуры воды. Выходу метана препятствует много барьеров, и одним из них как раз является ледовый покров, который непрерывно сокращается. Согласно полученным данным, рост потока метана в атмосферу действительно есть, но вот от увеличения потока газа из донных отложений он может и не зависеть", — рассказывает Валентина Малахова.
Расширяя горизонт
Дело в том, что подводная мерзлота по определению находится в неравновесных условиях и будет таять вне зависимости от глобального потепления. Да, этот процесс станет ускоряться при потеплении придонной воды, но вряд ли температура у дна может резко повыситься. А вот сокращение ледового покрова и потепление верхних слоев океана приводят к тому, что попавший в воду метан перестает окисляться и выходит в атмосферу с большей скоростью. Негативную роль играет и более позднее установление ледового покрова: в осенний период как раз и происходит перемешивание воды, и метан со дна начинает поступать в атмосферу.
"Так что количество метана, попадающее из океана в атмосферу, будет определяться не только таянием субаквальной мерзлоты и разложением газогидратов, но и состоянием морского льда. В данном проекте мы использовали региональную модель, которая позволяет делать прогнозы до 2100 года. Согласно нашим оценкам, к концу нынешнего века выброс метана в Арктике может увеличиться в 2-4 раза. Наибольший вклад в общую эмиссию метана в регионе вносят моря Восточно-Сибирского шельфа, а вот вклад рек в этот процесс, как мы установили, невелик: в месте впадения Лены в море Лаптевых концентрация парникового газа в воде снижается", — резюмирует Валентина Малахова.
Грант РФФИ стал для математиков прекрасным стимулом, чтобы сосредоточиться на важных и для Сибирского региона, и для всей планеты климатических исследованиях. В ближайшие годы ученые намерены расширить горизонт прогноза: если использовать глобальную модель океана, можно произвести расчет до 2300 года. Но это — уже задача для дальнейших исследований.
Автор: Ольга Колесова
Источник: Газета "Поиск"