Тепло мерзлоты

В город инноваций Томск с 21 по 24 ноября приезжали биогеохимики, геологи и геофизики из России, Швеции, США, Нидерландов, Англии, Италии. Здесь в стенах Томского политехнического университета (ТПУ) проходил Международный форум, посвященный изучению биогеохимических последствий деградации вечной мерзлоты в Северном Ледовитом океане. В этом направлении наук о Земле российские ученые всегда выступали лидерами, что и понятно: примерно 70% нашей великой страны находятся в зоне существования вечной мерзлоты в различных формах — от спорадической до островной и даже сплошной. Однако не только мерзлотоведы всего мира обеспокоены тем, что вечная мерзлота перестает быть вечной благодаря современному потеплению климата. Одной из загадок природы до последнего времени оставалось состояние подводной мерзлоты шельфа арктических морей.

Многие участники форума давно знакомы с нашими учеными — в течение 20 лет под руководством заведующего лабораторией Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН профессора ТПУ, члена-корреспондента РАН И.П. Семилетова и профессора ТПУ Н.Е. Шаховой реализуют масштабный международный проект по изучению Арктики. Первым мегагрант Правительства РФ в размере 90 млн рублей получил И.П. Семилетов со своими единомышленниками. А в прошлом году многомиллионный грант Российского научного фонда был передан научной группе под руководством профессора кафедры геологии и разведки полезных ископаемых Н.Е. Шаховой. Главный вопрос, на который должны в итоге ответить исследователи, — насколько серьезным может быть влияние деградации подводной мерзлоты с выбросом из ее недр метана из газовых гидратов на климат и экологическую ситуацию на планете?

На базе ТПУ находится координационный центр масштабных международных исследований, в которых участвуют ученые из 15 университетов и академических институтов мира. Российская наука представлена в проекте Томским политехническим университетом, Тихоокеанским океанологическим институтом им. В.И. Ильичева и Институтом химии Дальневосточного отделения РАН, Институтом океанологии РАН им. П.П. Ширшова, Арктическим и антарктическим НИИ Росгидромета, МГУ им. М.В. Ломоносова и др. Из иностранных — Стокгольмским и Гетеборгским университетами (Швеция), Манчестерским университетом (Англия), болонским Институтом морских наук (Италия), Университетом Амстердама (Нидерланды). О том, как идут исследования в Арктике, нам рассказал член-корреспондент РАН, профессор ТПУ Игорь Петрович Семилетов.

— Игорь Петрович, как все это начиналось, кто стоял у истоков изучения последствий деградации вечной мерзлоты в Северном Ледовитом океане?

— Начну с того, что в нашем международном консорциуме, состоящем из ведущих университетов и академических институтов из шести стран (включая Россию, Швецию, Нидерланды, Великобританию, Италию, и США), лидером метановых исследований на Арктическом Сибирском шельфе выступает доктор геолого-минералогических наук, профессор Томского политехнического университета и Университета Аляски в Фэрбенксе Н.Е. Шахова. Именно ею впервые была научно обоснована и доказана гипотеза о геологическом контроле масштабов и величины выбросов метана из донных отложений Сибирского арктического шельфа в водную толщу и атмосферу.

Для иллюстрации приоритета российских ученых приведу в пример рабочую встречу по изучению цикла углерода Арктики, которая проходила в 2006 г. в Сиэтле, США. На ней мы подняли вопрос о важности проведения исследования в этом направлении, но в ответ была полная тишина. В результате в 2006 г. наше предложение о важной роли деградации подводной мерзлоты в цикле углерода в морях Сибирской Арктики не было принято в рекомендации научному сообществу. Парадокс, но в настоящее время многие ученые, занимающиеся изучением цикла углерода в Арктике, рассматривают определяющую роль состояния подводной мерзлоты как само собой разумеющуюся, но далеко не всегда вспоминают о приоритете российских исследователей.

Метан, спрятанный подо льдом Арктики, — неизученная мощь

— Чем был вызван интерес ученых к метану? Ведь в атмосфере его меньше, чем углекислого газа?

— Метан (CH₄) — второй по значимости парниковый газ, содержание которого в атмосфере Земли продолжает расти: за последние 150 лет эмиссия увеличилась более чем в три с половиной раза. Все возрастающий интерес к изучению этого компонента атмосферы объясняется тем, что радиационная активность метана значительно выше, а темпы увеличения концентрации примерно в два-четыре раза больше, чем у двуокиси углерода (CO₂) — важнейшего парникового газа.

Более того, последняя оценка вклада CH₄ в современный потенциал глобального потепления (рекомендованный Киотским протоколом), рассчитанная для ближайших 100 лет с включением ранее не учитывавшихся обратных связей в климатической системе, показала, что ранние оценки Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) 2001 и 2007 гг. недоучитывали климатическую роль CH₄ примерно на 20–40%. Это значит, что суммарный радиационный форсинг от 1 кг CH4 превышает аналогичную величину для CO₂ примерно в 35 раз, а не в 25, как было принято считать до недавнего времени.

Максимально высокие концентрации CH₄ регистрируются в атмосфере Арктического региона (так называемый Арктический максимум CH₄). До недавнего времени предполагалось, что в формировании Арктического максимума CH₄ участвуют исключительно наземные северные экосистемы, включая термокарстовые озера и болота, в то время как вклад арктических морей не рассматривался. В области исследования газообразных компонентов океанического углеродного цикла, в частности CH₄, сложилась парадоксальная ситуация: с одной стороны, ни у кого не вызывает сомнения, что Северный Ледовитый океан (СЛО) как часть арктической экосистемы чувствителен к глобальным изменениям климата, с другой стороны, морской цикл углерода, в частности его газообразные компоненты (CO₂ и CH₄), международным научным сообществом практически игнорируются. Более того, в работе Ричарда Фили и др. 2001 г. СЛО даже не упоминается как часть Мирового океана.

Согласно палеоклиматическим данным, в результате роста температуры, сопровождающего смену климатических эпох, эмиссия CH₄ и, соответственно, атмосферные концентрации увеличиваются от 0,3–0,4 ррm (миллионной доли) в холодные эпохи до 0,6–0,7 ррm в теплые эпохи (МГЭИК, 1995, 2007). Тем не менее за последние 150 лет наблюдается резкий рост эмиссии метана, который привел к беспрецедентному увеличению атмосферных концентраций CH4 в целом на планете до 1,7 ррm, а в атмосфере Арктического региона — до 1,85 ррm. Существует мнение, что данный прирост, который составляет ежегодно 0,3–1,2%, связан с антропогенной деятельностью.

— Вы с этим согласны?

— Такое мнение имеет право на существование, но есть четыре факта, свидетельствующих о другом происхождении прибывающего в атмосферу метана. Во-первых, Арктический максимум CH₄ существует исключительно в теплые климатические эпохи, во-вторых, он поддерживается круглогодично, в-третьих, в атмосфере он существует не над умеренными широтами (в полосе 20–60° с.ш., где сжигается свыше 90% ископаемого топлива), а над Арктикой/Субарктикой, где антропогенная активность относительно невелика (менее 5% добываемого ископаемого топлива сжигается между 60° и 70° с.ш.), в-четвертых, существование Арктического максимума не может быть объяснено циркуляцией воздушных масс, как предполагают ряд ученых.

Это означает, что в межледниковые периоды в северных широтах существует дополнительный мощный природный источник CH₄, роль которого до настоящего времени не оценивалась. Таким источником могут служить донные залежи CH₄, вовлечение которых в современный биогеохимический цикл определяется геологическим фактором — состоянием подводной мерзлоты, которая вынужденно претерпевает более значительное изменение термического режима по сравнению с наземной мерзлотой в геологическом масштабе времени более 5–10 тыс. лет (в настоящее время подводная мерзлота примерно на 10° теплее, чем наземная).

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, в таянии ледников и изменении температурного режима наземной мерзлоты. В этой связи изучение самого широкого и мелководного шельфа Мирового океана — шельфа морей Восточной Арктики (МВА), где предположительно находится более 80% существующей подводной мерзлоты, — как возможного источника поступления CH₄ в атмосферу Арктического региона чрезвычайно актуально.

Все началось с северо-восточных озер

— Какими были первые экспедиции?

— В первых экспедициях, выполненных в 1990‑х гг., основные усилия были направлены на оценку роли озер северо-востока Евразии в региональную эмиссию CH₄ в атмосферу. Эти исследования не требовали больших затрат и были выполнены в содружестве с северо-восточной станцией Тихоокеанского института географии ДВО РАН. Как правило, в работах одновременно было задействовано не более двух-трех человек. Было показано, что суммарная годовая эмиссия СН₄ из озер в атмосферу не превышает 11 млн т. На основании сравнения ограниченного количества первых данных по распределению растворенного CH₄, полученных к тому времени, был сделан предварительный вывод о незначительной роли морей МВА в региональном балансе CH₄. Тем не менее в одной точке в море Лаптевых была получена исключительно высокая концентрация CH₄, превышающая равновесные с атмосферой концентрации на три порядка. Именно это единичное измерение стало отправной точкой для начала наших систематических комплексных исследований в МВА.

В период 1999–2007 гг. все исследования проводились на средства, полученные группой И.П. Семилетова и Н.Е. Шаховой в рамках инициативных проектов. В этот период особенно была важна поддержка председателя президиума Дальневосточного отделения РАН академика В.И. Сергиенко, который помог создать и развить до международного уровня новое для ДВО РАН направление морских исследований в морях Восточной Арктики. Для развития наших исследований крайне важна поддержка одного из ведущих климатологов нашей планеты академика Г.С. Голицына, с которым начиная с 1990‑х гг. мы обсуждаем наиболее интересные аспекты наших исследований в Арктике. Напомню, что именно академик Г.С. Голицын первым в мире, на несколько месяцев раньше американских коллег, предсказал эффект ядерной зимы, естественный страх перед которой останавливает даже самых горячих владельцев ядерного оружия для его использования в региональных и глобальных конфликтах. При его поддержке были начаты совместные исследования с учеными из Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН), направленные на оценку потоков CH₄ и CO₂ в арктической системе «океан — атмосфера».

В 2000, 2003 и 2004 гг. полномасштабные исследования проводились нашей российской группой на гидрографических судах архангельской гидробазы Северного морского пути. Начиная с 2005 г. из-за недостатка финансирования начали использовать малые суда водоизмещением меньше 100 т, что позволило получить уникальные результаты по мелководным районам МВА, куда ни одно научно-исследовательское судно океанического плавания не может зайти из-за большой осадки. Отметим, что использование малых судов для переходов по Северному морскому пути и работу в морях Восточной Арктики пришлось закончить в 2010 г., когда стало ясно, что усиление ветров, вызванное сокращением ледового покрова СЛО, приводит к ураганным ветрам, опасным для мореплавания. Так, 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 м.

В 2008 г. состоялась первая 45-суточная российско-шведская совместная экспедиция на борту гидрографического судна «Яков Смирницкий», организованная лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН совместно со Стокгольмским и Гетеборгским университетами. На осенней сессии Американского геофизического союза (в ней принимали участие более 20 тыс. участников из 140 стран мира) она была признана NASA самой эффективной биогеохимической экспедицией Международного полярного года (2007–2008 гг.) и получила название International Siberian Shelf Study 2008 (ISSS08).

Мерзлота в Арктике — это слоеный пирог

— В 2011 г. мы начали первые буровые работы в море Лаптевых. Сейчас там уже пробурено 17 скважин. Целью той экспедиции было проведение буровых исследований с припайного льда (неподвижного льда в морях и океанах вдоль берегов) для отбора глубоких донных отложений. Это было нужно для изучения закономерностей распределения подводной мерзлоты в прибрежной зоне моря Лаптевых и понимания механизмов геологического контроля выброса метана.

Полученные нами предварительные результаты оказались крайне интересными. Так, например, мы обнаружили, что состояние мерзлоты Ивашкинской лагуны, которую мы исследовали, совершенно не соответствует классическим представлениям. Мы обнаружили настоящий слоеный пирог из талых и мерзлых пород, а также микроканьон абсолютно непонятного генезиса, который залегает на глубинах моря порядка 2–3 м. Если исходить из климатического подхода, то его там быть не должно, ведь лед там практически смерзается с осадком. Осенью мы обнаружили мощные выбросы метана из этого микроканьона, которых не оказалось зимой. Это говорит о просачивании глубинного флюида — и жидкости, и газа, хотя ранее предполагалось наличие в этом месте толщи стабильной мерзлоты. Отмечу, что мы говорим о предварительных результатах, требующих более детального изучения, которое мы и планируем провести в 2017–2018 гг.: вопросов пока намного больше, чем ответов.

— Расскажите об экспедиции 2014 г. на шведском ледоколе Oden.

— Это была наша самая масштабная биогеохимическая экспедиция. В летнем походе 2014 г. под названием SWERUS-C3 по Северному Ледовитому океану приняли участие 84 исследователя из 14 стран. Больше всего участников было из России, Швеции, США и Германии. Среди других стран были Канада, Великобритания, Эстония, Греция, Италия, Польша, Португалия, Испания, Швейцария и Нидерланды. Капитан ледокола Маттиас Петерссон приказал отдать швартовы в норвежском порту Тромсе 6 июля. Oden направился вдоль российского побережья Северного Ледовитого океана на восток до Аляски. Огромное тяжелое судно высотой 45 м 100 суток шло по местам открытия массированных выбросов метана — по полигонам российских ученых, исследованных в течение десяти лет, ломая лед толщиной в 2 м. Обратно в Тромсе вернулись 4 октября.

Экспедиция должна была подтвердить наличие так называемых мегавыбросов метана, обнаруженных нами в сотрудничестве с коллегами из группы члена-корреспондента РАН Л.И. Лобковского из Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН в 2011 г. Экспедиция на ледоколе Oden сделала это и... нашла множество новых мест выброса метана!

Если в предшествующих экспедициях ученые получили данные о геологических особенностях подводной мерзлоты и выбросах CH₄ в основном на глубинах до 70 м, то благодаря использованию ледокола удалось расширить район исследований на материковый склон до глубин порядка 3 тыс. м, что подтвердило предыдущие результаты российских ученых, свидетельствующие о доминирующей роли мелководного шельфа морей Восточной Арктики в региональном и глобальном балансе атмосферного метана. Напомним, что первое крупное научное обобщение наших знаний об экстремально высоких концентрациях растворенного метана на шельфе МВА и в воздухе над ним, на основании которого была сформулирована гипотеза о роли состояния подводной мерзлоты как фактора геологического контроля эмиссии метана в атмосферу Арктики, было опубликовано нашей группой в журнале Science в 2010 г. (N. Shakhova, I. Semiletov, A. Salyuk, V. Joussupov, D. Kosmach, and O. Gustafsson, 2010. Extensive Methane Venting to the Atmosphere from Sediments of the East Siberian Arctic Shelf, Science 327, 1246–1250). После этой публикации наши исследования вызвали большой резонанс в мировом научном сообществе, что и привело к созданию международной научной коалиции, которая собралась в ТПУ в холодные дни ноября 2016 г.

Сипы разрастаются

— К какому же выводу вы пришли по итогам работы множества экспедиций?

— Один из главных выводов, полученный нами по итогам около 40 экспедиций, — мерзлота уже не настолько стабильна, как считалось ранее, нет больше сплошной ледяной пробки, уходящей вглубь на сотни метров. Но самое главное — процесс таяния мерзлоты и высвобождения метана из метангидратов развивается в более высоких масштабах по сравнению с ожидаемыми. Это еще раз доказала экспедиция 2016 г., которая проходила на Сибирском шельфе с конца сентября до начала ноября.

Результаты были получены всего несколько недель назад: массированные выбросы метана разрастаются, площадь мегасипов (газовых утечек) растет, что вызывает общее беспокойство у специалистов. Все данные у нас репрезентативные, полученные путем использования современного комплекса биогеохимических, геофизических и геологических методов, включая колонковое бурение со льда. Это позволит в конечном итоге получить карту распределения кровли подводной мерзлоты в МВА, что крайне важно не только для оценки выбросов метана из осадков в водную толщу и атмосферу, но и для планирования геолого-разведочных работ, включая безопасную установку и эксплуатацию платформ для добычи нефти и газа.

— Вы говорили, что основное объяснение наблюдаемых выбросов метана — это дестабилизация гидратов вследствие таяния подводной мерзлоты на шельфе МВА. Каковы же там залежи газовых гидратов?

— Оценки запасов гидратов на шельфе МВА были выполнены российскими морскими геологами и другими различными научными группами. В этих оценках есть расхождения, но в любом случае запасы гидратов МВА оцениваются величиной на три порядка больше, чем общее количество метана в атмосфере. Потенциально выброс 3–5% от предполагаемого пула газовых гидратов может привести к многократному увеличению содержания метана в атмосфере. Теоретически это может вызвать значительные климатические изменения. Наши последние оценки требуют уточнения в сторону серьезного увеличения, но драматизировать ситуацию пока не стоит.

— Как газ выходит на поверхность?

— Газ выходит на поверхность моря в результате массированного выброса в виде пузырей из донных отложений в водную толщу, а затем в атмосферу. Отметим, что разрушение гидратов на морском дне происходит в различных регионах нашей планеты, включая Охотское и Черное моря, озеро Байкал, область вблизи Шпицбергена. Однако в перечисленных глубоких водоемах пузырьки газа, как правило, не достигают поверхности, так как полностью растворяются — в отличие от мелководного Сибирского шельфа, где значительная часть пузырькового CH₄ не успевает раствориться и достигает поверхности моря. 

— Влияют ли выбросы метана на озоновый слой?

— Метан озоновому слою не вредит. Чем больше метана, тем плотнее защитный щит для сохранения озона.

— Какова доля метана над Арктикой?

— Концентрация атмосферного метана на 10% выше, чем где-либо на планете.

— С какой периодичностью на Земле наступают периоды глобального потепления?

— В течение последних 2,5 млн лет со времен плейстоцена ледниковые периоды и периоды глобального потепления чередовались примерно каждые 105 тыс. лет. Теперь мы стали свидетелями того, что в этой древней системе произошла поломка. Мы уже сейчас должны были замечать признаки ледникового периода, но их нет. Наиболее вероятная причина тому — антропогенная, и ответственность за это несет парниковый эффект. Кстати, признаки этого эффекта — не только рост столбика термометра по всему миру, но и увеличение частоты циклонов, ураганов.

— Как относятся к вашему открытию арктического метана другие зарубежные ученые?

— После публикации в 2010 г. ключевой статьи Н.Е. Шаховой и И.П. Семилетова с соавторами о массированном выбросе метана из осадков МВА в водную толщу и атмосферу в топ-журнале Science научное сообщество разделилось на две части. По одну сторону оказался наш международный научный консорциум, который основывает свои научные выводы на репрезентативных, прямых, комплексных и междисциплинарных наблюдениях в суровых штормовых условиях ледяной Арктики, по другую — кабинетные работники из различных стран, которые придумывают граничные условия для построения таких атмосферных моделей, в которых формирование атмосферного Арктического максимума CH₄ происходит за счет переноса обедненного CH₄ воздуха тропических широт, что с точки зрения основ физики объяснить невозможно. Для пояснения попробуйте ответить на вопрос, можно ли наполнить доверху водой пустой стакан путем переливания воды из другого неполного стакана такого же размера.

Мое личное мнение таково: за 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 выступают ветланды тропических широт, не соответствует действительности — реальным новым данным. Ну и, конечно же, за этим стоят финансовые интересы групп, получающих за свою деятельность многомиллионные долларовые гранты. Из этических соображений не буду пока называть имена.

— А имена тех, кто поддерживает вашу точку зрения среди иностранных коллег, вы можете назвать?

— Как уже упоминалось, участники арктического форума в ТПУ уже вовлечены в исследования, начатые нашей группой 20 лет назад. Разговор идет о сотрудничестве на самом высоком международном научном уровне, о чем свидетельствуют наши многочисленные доклады на крупнейших международных научных конференциях, публикации в мировых топ-журналах, включая Science и Nature. Только в 2016 г. опубликовано три статьи в группе журналов Nature.

Когда дискуссия идет на таком уровне, непросто выделить имена тех, кто поддерживает нашу точку зрения среди иностранных коллег. Тем не менее хотел бы назвать двух наших наиболее надежных и сильных стратегических партнеров. Это наш ближайший партнер, с которым мы работаем начиная с нашей первой встречи на Гордоновской конференции в Вентуре (Калифорния, США) в 2001 г., — Орьян Густафссон (Orjan Gustafsson), профессор факультета наук об окружающей среде и аналитической химии Стокгольмского университета, избранный член Шведской королевской академии наук. Другой ключевой партнер — Лейф Андерсон (Leif Anderson), профессор факультета морских наук Гетеборгского университета (Швеция), избранный член Шведской королевской академии наук, сопредседатель Шведского полярного секретариата по вопросам окружающей среды. Вместе с ними мы организовали первую (2008) и вторую (2014) совместные крупномасштабные экспедиции в Арктику.

— Итак, какие же цифры говорят о том, что Восточно-Сибирский шельф — один из основных источников выброса метана в Арктике?

— Согласно нашим оценкам, опубликованным в 2010 г. в журнале Science, из МВА в атмосферу только за счет диффузионного переноса попадают примерно 8 млн т метана, а с учетом пузырькового переноса метана только из мелководных участков шельфа примерно 18 млн т — в два раза больше, чем ранее было принято считать для всего Мирового океана (наша оценка, опубликованная в Nature Geoscience в 2014 г.). Эта цифра значительно увеличится после добавления последних результатов исследования, полученных в 2014–2016 гг., которые пока не опубликованы.

Не будем волновать народ — пока эти данные уступают значению общего баланса метана в атмосфере, который оценивается примерно в 500 млн т. Российские исследователи считают, что наличие планетарного максимума говорит о гораздо большей доле метана над Арктикой. Для уточнения мощности источников требуются ежегодные массированные комплексные исследования, основой которых может быть опыт международного консорциума, собравшегося в ТПУ.

— Если Арктика и дальше продолжит таять такими же темпами, как сейчас, к чему это может привести?

— Предварительные заключения нашей группы говорят о том, что деградация подводной мерзлоты — серьезный фактор, влияющий на климат Земли. Ведь если весь шельф морей Восточной Арктики перейдет в состояние, в котором находятся аномальные районы (где предполагается сквозное протаивание подводной мерзлоты), обнаруженные участниками экспедиции, то высвободятся колоссальные объемы парниковых газов, вызвав серьезные климатические последствия. Потепление может вызвать разложение гидратов, а освобождающийся при этом метан приведет к дальнейшему потеплению. Таким образом, за счет многочисленных и пока мало изученных обратных связей в климатической системе может начаться самоускоряющийся процесс.

— О каких сроках сейчас можно говорить?

— Наша работа как раз и необходима, чтобы ответить на этот вопрос. Но для того чтобы мы могли ее выполнить, необходимы дальнейшие хорошо организованные и скоординированные комплексные экспедиции в арктические моря, в первую очередь на самый мелководный и широкий шельф Мирового океана — Восточно-Сибирский шельф. В идеале требуются синхронизированные ежегодные и всесезонные исследования в арктической системе «море — атмосфера» с использованием хорошо оснащенных современным оборудованием научно-исследовательских судов, самолетов — летающих лабораторий, спутников. Для этого требуются осознание проблемы на уровне правительств и выделение достаточных для проведения самых современных исследований средств. Наш международный консорциум, созданный с лидирующей ролью российских ученых около 20 лет назад, может эффективно воплотить такой проект в жизнь в кратчайшие сроки. Более того, вовлечение на базе ТПУ студентов и аспирантов создает предпосылки для глубокой интеграции новой генерации российских ученых в международное научное сообщество, что отвечает основным задачам, сформулированным и объявленным президентом России 23–24 ноября 2016 г.