Антропогенный фактор и эмиссия метана на Восточно-Сибирском шельфе

УДК 551.462; 551.463; 551.464

АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР И ЭМИССИЯ МЕТАНА НА ВОСТОЧНО-СИБИРСКОМ ШЕЛЬФЕ

Н. Е.Шахова1,2,3, В. А. Юсупов1, А. Н.Салюк1, Д. А. Космач1, И. П.Семилетов1,3.

1 – Тихоокеанский Океанологический Институт им. В. И.Ильичева ДВО РАН;

2 – Тихоокеанский Институт географии ДВО РАН;

3 - Международный Арктический Научный Центр Университета Аляска Фэрбэнкс, США.

Введение

В мировой литературе последних лет неоднократно отмечалось, что мелководные газонасыщенные осадки заслуживают особого внимания, поскольку они повсеместно являются поставщиками в атмосферу огромных количеств метана, второго по значению (после двуоки углерода) парникового газа [1, 2]. Экстремальные природные явления такие как землетрясения, циклоны и наводнения, наряду с возрастающим антропогенной активностью, могут провоцировать катастрофические события на шельфе, сопровождающиеся массированными выбросами метана в атмосферу [3]. Арктические регионы, в частности, Восточно Сибирский шельф (ВСШ), не получили в этой связи должного внимания, не взирая на тот факт, что мелководная часть ВСШ не только выполняет роль эстуариев четырех из шести Великих Сибирских рек (Лена, Яна, Индигирка, Колыма), где накапливается огромное количество осадков и создаются благоприятные условия для метаногенеза, но и потенциально является районом дестабилизации Арктических газогидратов, термический режим которых нарушен вследствие затопления морем в период последней голоценовой трансгрессии [4, 5] .

Долгое время предполагалось, что реликтовая подводная мерзлота в мелководной части (<50 м) ВСШ остается непрерывной и стабильной, выполняя функцию газонепроницаемой крышки. В результате метан, который накапливается под мерзлотой в результате его восходящего движения из областей микробиологического, термогенного и хемо - синтеза, не находит выхода на поверхность морского дна и далее – в атмосферу [6]. Исследования последних лет, тем не менее, убедительно показали, что мелководная часть ВСШ является источником метана в атмосферу Арктического региона [7-9]. Поскольку газ, накапливаясь под мерзлотой во все возрастающих объемах, создает чрезвычайно высокое давление, он обладает высокой потенциальной энергией. При воздействии различных факторов, способствующих нарушению сплошности донных осадков либо увеличению их проницаемости, метан может поступать в придонную воду в огромных количествах и создавать массированные, неравномерные во времени выбросы в атмосферу. Триггерами таких событий могут служить не только естественные процессы, но и деятельность человека, в частности – исследование и освоение природных ресурсов, мореплавание.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Материалы и методы

Данные были получены на борту теплохода Капитан Данилкин в сентябре 2006 года при движении судна по маршруту Тикси-Архангельск. Анализатор метана в воздухе (Fast Methane Analyzer DLT-100, производства США, http://www. ) был стационарно установлен на носу судна на высоте ~10 м над поверхностью воды и производил 10 измерений концентраций метана в приводном слое атмосферы в секунду. Статистическая обработка данных (Matlab7, Statistics7) включала первичную обработку данных, нормализацию с использованием осреднения по 60 измерениям (осреднение по отрезку времени 6 секунд) и вейвлет анализ [10].

Результаты и обсуждение.

На изучаемом участке маршрута (Рис.1а) было выделено 6 отрезков (Рис.1б), на которых концентрации метана в атмосфере приводного слоя были повышенными относительно принятой средней концентрации для данных широт (Latitude Specific Monthly Mean, http://www. cmdl. noaa. gov/ccgg/insitu. html), равной 1.85 ррм.

*Рисунок 1*

Превышения концентраций достигали 0.2 ррм (10%) и были статистически достоверными (Р≤0.95). При этом было выделено три типа кривых всплеска: тип 1 – незначительные (1-3%), равномерные во времени и симметричные в пространстве повышения концентраций атмосферного метана (участок 1 на Рис.1б); тип 2 – симметричная кривая всплеска, отражающая плавное повышение концентраций до достижения максимального уровня (8-10%) и последующее такое же плавное снижение концентраций до исходного уровня, регистрируемая продолжительность всплеска составляет 20-30 минут (отрезок 3, 4, 6 на Рис.1б, см. также Рис.2а); тип 3 – ассиметричная кривая всплеска, характеризующаяся резким, в течение 1-2 секунд, повышением концентраций до максимального уровня (8-10%), многократным повторением подобных повышений и последующим относительно плавным (несколько секунд) снижением концентраций до исходного уровня (отрезки 2 и 5 на Рис.1б, см. также Рис.2б).

* Рисунок 2*

В результате детального анализа выделенных типов кривых с применением вейвлет преобразования «Сомбреро», было установлено следующее: кривая 1-го типа при ее преобразовании формирует так называемую древовидную структуру (толстый ствол, разделяющийся на тонкие ветви, Рис.3), характерную для каскадного процесса, то есть такого процесса, который характеризуется наличием единого источника, ответственного за структурированное пространственно-временное распределение потока метана на данном участке шельфа. Такая кривая может описывать не нарушенный процесс газообмена в системе «водная поверхность-атмосфера», в результате которого суммируются диффузионные потоки и слабая пузырьковая эмиссия метана из единичных источников, мощность которых пропорциональна газосодержанию осадков.

Кривые 2-го и 3-го типов подобной структурой не описывалась, что позволило предположить существование дополнительных механизмов формирования всплесков атмосферного метана на отрезках 2-6.

* Рисунок 3*

Характерным отличием всплесков 2-го типа было то, что они были получены в основном при равномерном движении судна на глубинах, превышающих 20 м. Симметричный характер кривых позволил предположить, что судно входило в области повышенных атмосферных концентраций метана, а затем выходило из них. Продолжительность движения судна в таких областях (до ½ часа) свидетельствует о том, что размеры пересекаемых облаков аномальных концентраций достигали нескольких километров в диаметре – при скорости движения судна 10 морских узлов (16 км в час) диаметр облака мог достигать 8 км. Поскольку в ходе предыдущих исследований в данном районе были зарегистрированы не только экстремально высокие концентрации метана в водной толще как в летний так и в зимний период, но также были обнаружены скопления пузырей большого диаметра, включенные в состав морского льда, было высказано предположение о возможной пузырьковой эмиссии метана в данном районе по типу газовых «факелов», подобных тем, что обнаружены в глубоководных районах Охотского моря, где документально подтверждена связь эмиссии метана с разрушением донных газогидратов [11, 12]. В мелководных районах мирового океана эмиссия из разрушающихся газогидратов может создавать атмосферные концентрации метана до 200 ррм [13], а мощность таких источников может достигать 280 г-СН4/сек [14].

На участках 2 и 5 всплески концентраций атмосферного метана описывались кривыми 3-го типа. Анализ показал, что эти всплески состоят из целой серии более коротких всплесков (Рис.2б), появление которых было зарегистрировано в момент резкого набора судном скорости непосредственно после дрейфа на мелководье (глубины ≤15 м) с последующим движением по ветру. Сопоставление данного обстоятельства и формы кривой всплеска позволило выдвинуть гипотезу о том, что причиной возникновения всплеска атмосферного метана могло явиться само судно.

* Рисунок 4*

По-видимому, при запуске двигателя возникает гидравлический удар, который нарушает целостность (либо степень консолидированности) донных осадков. Метан из газонасыщенных донных осадков выбрасывается в воду в форме мощного залпа пузырей и в течение нескольких секунд может достичь атмосферы. Скорость восходящего потока воды, несущего пузыри метана, в случае залповых выбросов может достигать 300 см/сек, что позволяет более 98.9% метана избежать окисления и достичь атмосферы [14]. При последующем наборе скорости удары, вероятно, повторяются и, поскольку после дрейфа судно наиболее активно перемешивает воду, на поверхность воды выносятся дополнительные количества пузырей метана. Поскольку газопроводящие свойства осадков были усилены, возросшая эмиссия метана может сохраняться в течение длительного времени.

Для анализа всплесков 3-го типа было применено вейвлет-преобразование с использованием вейвлета «Морле». Характерным явилось существование ярко-выраженной периодичности: области более высоких величин энергии колебаний (более темные оттенки серого на Рис.4 а, б) были сосредоточены в определенных интервалах периодов (частот), которые по времени соответствовали повторяющимся коротким всплескам атмосферного метана. Мощность таких единичных источников, расчитанных на основе простой боксовой модели [14], может достигать от 0.7 г-СН4/сек до 2.1 г-СН4/сек, что эквивалентно от 6×104 г-СН4/сутки до 1.8×105 г-СН4/сутки. Рассчитанные значения соизмеримы с мощностью эмиссии метана из грязевых вулканов [15] и из районов разрушающихся газогидратов [13, 14]. Таким образом, результаты анализа подтверждают гипотезу о том, что на мелководных участках ВСШ антропогенный фактор может являться одним из значимых факторов, усиливающих залповую эмиссию метана в атмосферу. Данное обстоятельство необходимо учитывать при планировании навигации и мероприятий, направленных на освоение природных ресурсов ВСШ.

Список литературы.

1. Judd A.,G., Hovland M., Dimitrov L. I., Garcia Gil, S., and V. Jukes. The geological methane budget at Continental Margins and its influence on climate change. // Geofluids, 2002. V. 2(2). P. 109-126.

2. Hovland M., and Judd A. G. The global production of methane from shallow submarine sediments // Continental Shelf Res., 1992. V.7. P.1231-1238.

3. Alley R. B., Marotzke J., Nordhaus W. D., Overpeck J. T., Peteet D. M., Pielke R. A., Pierrehumbert R.., Rhines P. B., Stoker T. F., Talley L. D., Wallace J. M. Abrupt Climate Change. // Science, 2003. V.299 (28). P.2005-2010.

4. Romanovskii N. N. and H.-W. Hubberten. Results of permafrost modeling of the lowlands and shelf of the Laptev Sea region, Russia. // Permafrost and Periglacial Processes, 2001. V. 12 (2). P.191-202.

5. Криотермия и натуральные газгидраты в Северном ледовитом океане (под ред. В. А. Соловьева). Изд-во: Севморгеология. Ленинград, 1987. 150 с.

6. Gavrilov A. V., Romanovskii N. N., Hubberten, H.-W., and V. E. Tumskoy. Reconstruction of Ice Complex Remnants on the Eastern Siberian Arctic. // Permafrost Periglac. Process., 2003. V.14. P. 187-198.

7. Е., П., А. Растворенный метан в шельфовых водах Арктических морей. // Доклады Академии наук, 2005. T. 402. № 4. C. 529-533.

8. Shakhova N., Semiletov I., and G. Penteleev. The distribution of methane on the Siberian Arctic shelves: Implication for the marine methane cycle. // Geophys. Res. Letter, 2005. Vl.32. L09601. doi:10.1029/2005GL022751.

9. Е., П., Н., А., А. Аномалии метана в приводном слое атмосферы на шельфе Восточно-Сибирской Арктики. // Доклады Академии Наук, 2007. T. 414. №6. С.819-823.

10. М. Вейвлет-анализ основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. Т.166, 1996. № 11. С. 1145 – 1170.

11. Obzhirov A., Shakirov R, Salyuk A., Suess E., Biebow N., Salomatin A.. Relations between methane venting, geological structure and seismo-tectonics in the Okhotsk Sea. // Geo Marr Lett, 2004. V.24. P.135-139.

12. С., И. Газовые факела Охотского моря // Акустика океана. Атмосферная акустика. Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2003. Т. 4. С. 145-148.

13. Leifer I., Roberts D., Margolis J., Kinnaman F. In situ sensing of methane emissions from natural marine hydrocarbon seeps: A potential remote sensing technology. // Earth and Planetary Letters, 2006. V. 245. P. 509-522.

14. Leifer I., Luyendyk B., Boles J., Clark J. Natural marine seepage blowout: Contribution to atmospheric methane.// Global Biogeochemical Cycles, 2006. V.20. GB3008, doi:10.1029/2005GB002668.

15. Ю. Процессы трансформации метана на активных полях холодных метановых сипов: количественные оценки. // В кн.: Новые идеи в океанологии. Том 2. М.: Наука, 2004. С. 185-207.

Учреждение, в котором выполнено исследование:

1- Тихоокеанский Океанологический Институт.

Авторы	Адрес	Телефон	Факс	E-mail
Шахова Наталья Евгеньевна	690041 Владивосток Ул. Балтийская, 43	(4232) 312-342	Тот же	***@*uaf. edu
Семилетов Игорь Петрович	Тот же	Тот же	Тот же	***@*uaf. edu
Юсупов Владимир Исакович	Тот же	Тот же	Тот же	***@*dvo. ru
Салюк Анатолий Николаевич	Тот же	Тот же	Тот же	***@*dvo. ru
Космач Денис Анатольевич	Тот же	Тот же	Тот же	den. ***@*dvo. ru

· Переписку вести с Е.

· Раздел в который следует поместить статью: Геофизика

· УДК 551.462; 551.463; 551.464

· Перевод названия статьи и фамилии авторов:

Shakhova N., Iosoupov V., Salyuk A., Kosmach D., Semiletov I.

The anthropogenic factor and methane emission on the East Siberian Shelf.

Реферат

В настоящей статье представлены результаты анализа нескольких эпизодов данных, основанных на непрерывных измерениях атмосферных концентраций метана в приводном слое атмосферы в мелководной части Восточно Сибирского шельфа (ВСШ). Показано, что эмиссия метана в атмосферу определяется не только природными процессами и факторами, но также чувтвительна к антропогенному влиянию, такому как изменение режима работы двигателя судна. Высказано предположение о том, что гидравлический удар, возникающий при запуске двигателя после дрейфа судна на мелководье, может провоцировать резкий выброс метана в атмосферу. Мощность донных источников метана в этом случае резко возрастает и становится соизмеримой с мощностью эмиссии из глубоководных грязевых вулканов и разрушающихся газогидратов. Сделан вывод о том, что на мелководных участках ВСШ антропогенный фактор может являться одним из значимых факторов, вызывающих залповые выбросы метана в атмосферу. Данное обстоятельство рекомендрвано учитывать при планировании навигации, научных исследований и мероприятий, направленных на освоение природных ресурсов ВСШ.

Ключевые слова: эмиссия метана в атмосферу Арктики, Восточно Сибирский шельф, антропогенный фактор, мощность источника.

Abstract

This paper represents the results of analysis of few data episodes obtained during the continuous measurements of methane mixing ratio in the atmospheric layer above the sea surface on the shallow part of the East Siberian Shelf (ESS). It is shown that methane emission is not only determined by natural factors and processes but is also caused by anthropogenic influence such as change in the ship engine mode. It is suggested that hydraulic impact, which occurs while engine starting after the drift of the vessel at stations, can determine an increase in methane emission rates, which become comparable with methane out gassing from underwater mud volcanoes and from decaying hydrates. It is concluded that anthropogenic factor should be considered one from sufficient factors altering the methane emission mode and determining massive non-gradual methane release to the atmosphere. It is recommended to consider this circumstance while planning navigation, scientific investigation and exploration of the ESS.

Key words: methane emission to the Arctic atmosphere, the East Siberian Shelf; anthropogenic factor, strength of the source.

Подписи к рисункам.

Рисунок 1. а) Положение анализируемого отрезка маршрута судна в море Лаптевых; б) Внешний вид данных на анализируемых отрезках (отмечены цифрами и подчеркнуты жирными линиями), где были зарегистрированы повышенные концентрации атмосферного метана.

Рисунок 2. Примеры всплесков: а) 2-го типа; б) 3-го типа (см. описание в тексте).

Рисунок 3. Результат вейвлет преобразования «Сомбреро», выполненного для всплесков 1-го типа.

Рисунок 4. Результаты вейвлет преобразования «Морле», выполненные для всплесков 3-го типа: а) на отрезке 2; б) на отрезке 5 (см. также Рис.1а).

Рисунки.