«Восточно-Сибирский шельф, где сосредоточен гигантский потенциал углерода и где наблюдается экстремальное потепление, является наиболее привлекательной научной лабораторией на планете по изучению влияния состояния подводной мерзлоты на изменение глобального климата».
Так говорит член-корреспондент РАН Игорь Семилетов, руководитель Международной лаборатории исследований углерода арктических морей при Томском политехническом университете, заведующий лаборатории арктических исследований Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН. В интервью Sk.ru ученый поделился результатами недавней (осень 2019 г.) масштабной экспедиции в Восточную Арктику и некоторыми выводами из предыдущих двадцатилетних исследований о роли этой «природной лаборатории» в изменениях глобального климата.
Участники арктической экспедиции на научном судне "Академик Мстислав Келдыш". Фото: Сколтех
В беседе приняли участие Михаил Спасенных, директор Центра добычи углеводородов Сколтеха, и его коллеги – ведущий научный сотрудник Центра Евгений Чувилин, возглавляющий мерзлотно-газогидратное научное направление, а также двое молодых сколтеховских ученых - Борис Буханов и Анна Юрченко, которые участвовали в экспедиции, выполненной под руководством Игоря Семилетова на флагмане научного флота министерства науки и образования «Академик Мстислав Келдыш».
Европейские ученые назвали минувший, 2019 год, вторым самым жарким за всю историю наблюдений. Служба по изменению климата «Коперник» (межправительственное агентство, поддерживаемое Евросоюзом) указывает на связь между глобальным потеплением и эмиссией парниковых газов, отмечая, что пять последних лет стали самыми жаркими за всю историю наблюдений, точно так же, как минувшее десятилетие.
Наиболее быстрыми темпами происходит повышение температур в Арктике, которая в прошлом году находилась в «чрезвычайных условиях», отмечает Служба «Коперник».
На шельф морей Восточной Арктики приходится более 80% подводной мерзлоты на планете, и ее состояние, как показывают работы группы д-ра Семилетова, существенно влияет на климат в Арктике, а стало быть, и в глобальном масштабе.
Михаил Спасенных, директор Центра добычи углеводородов Сколтеха. Фото: Sk.ru.
По словам Михаила Спасенных, перед участниками экспедиции на судне «Академик Мстислав Келдыш» стояли три основные задачи. «Первая из них - анализ климатических изменений, которые влияют на состояние мерзлоты; это задача в большей степени фундаментальная, хотя, когда горит Австралия, кажется, что она уже не столь фундаментальная. А когда поднимается температура в Арктике, то представляется, что это вообще к нам очень близко», - говорит директор Центра добычи углеводородов Сколтеха.
Другая задача – сугубо практического свойства и связана она с освоением Арктики. «Нефтегазодобыча на дне Арктики должна проводиться с помощью платформ. Когда с платформы проводится бурение, нужно точно понимать: есть мерзлота, нет мерзлоты, какие свойства мерзлоты. Все это необходимо учитывать при планировании нефтегазодобычи, - отмечает М.Спасенных.
Третье направление – Северный морской путь: ледовая обстановка, глубины – все это также представляет большое практическое значение. Отдельной задачей экспедиции было исследование содержания микропластика в воде и донных осадках, а также морских организмах. Загрязнение пластиком связано не только с речным стоком, но и с основными путями навигации. Это новая, но важная экологическая задача.
Возвращаясь к первой задаче, связанной с анализом климата, Михаил Спасенных подчеркивает такой аспект, как выделение метана из донных осадков. Это мощный фактор, который влияет на климат на Земле. «Парниковый эффект складывается из влияния углекислого газа (СО2) и метана. Антропогенный СО2 выделяется в результате воздействия человечества, сжигающего углеводороды. Однако, рост содержания СН4 в атмосфере происходит гораздо более высокими темпами, чем рост СО2. Более того, удельный вклад СН4 (молекула-к-молекуле) в парниковый эффект в десятки раз выше, чем СО2. Когда метан поступает в атмосферу, включается система с положительной обратной связью: в результате выбросов метана повышается температура. Что, в свою очередь, приводит к еще большим выбросам метана, а это чревато серьезными климатическими изменениями».
Игорь Семилетов, руководитель Международной лаборатории исследований углерода арктических морей при Томском политехническом университете, заведующий лаборатории арктических исследований Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН. Фото: Sk.ru
По словам Игоря Семилетова, вклад метана в создание парникового эффекта оценивается в 25-30% от СО2, несмотря на то, что концентрация метана в атмосфере в настоящее время в 200 раз меньше. Учитывая, что метановый потенциал (гидраты и свободный газ) шельфа морей Восточной Арктики примерно на 2 порядка превышает общее количество СН4 в современной атмосфере, можно предполагать, что при прогрессирующей деградации подводной мерзлоты массированные выбросы СН4 из донных отложений в водную толщу-атмосферу, могут привести к значительному увеличению содержания СН4 в ближайшем будущем. По сути дела, речь идет о «метановой бомбе» с часовым механизмом; все, что мы знаем на сегодня, это то, что часы уже тикают, но неизвестно взорвется ли бомба, им если да, то - когда. Этот вопрос волнует население планеты; европейские страны выделяют огромные средства на изучение этого феномена на арктическом шельфе России. Парадокс, но в 2019 г. научные исследования российских ученых в этом направлении проводились в условиях жесткой экономии, говорят собеседники Sk.ru.
Они убеждены в том, что значительная часть ответов лежит в буквальном смысле слова на дне мелководного шельфа российской Арктики. Очевидно, что для сохранения лидерских позиций российских ученых в этом направлении требуется создание национального проекта с финансированием соизмеримым с затратами коллег из других стран
Экспедиция
Международная экспедиция на «Келдыше» проходила с 17 сентября по 22 октября 2019 г., и в нее были вовлечены 22 организации – ведущие профильные институты и университеты России, включая Сколтех, а также ученые из Китая. Маршрут начинался в Архангельске и пролегал через Белое, Баренцево, Карское моря, море Лаптевых и Восточно-Сибирское море.
Общая протяженность маршрута составила примерно 12 тысяч километров.
Уникальность района исследований определяется тем, что на него приходится самый широкий, самый мелководный шельф всего Мирового океана. Более 80% предсказанной подводной мерзлоты находится именно здесь.
Как говорит научный сотрудник Центра добычи углеводородов Сколтеха Борис Буханов, в целом экспедиция была направлена на изучение различных параметров системы литосфера-гидросфера-атмосфера в морях российской Арктики. «Основные направления: мониторинг парниковых газов - СО2 и метана - в воде и в воздухе; идентификация и картирование мощных выходов метана (т.н. газовых «сипов») из донных отложений и оценка объема этого выделяющегося газа. Также была проведена оценка объемов выноса органического вещества речным стоком великих сибирских рек Обь, Енисей, Лена, Колыма; оценка загрязнения, включая микропластик – это сейчас «горячая тема» в экологической науке; оценка состояния донной мерзлоты и определение глубины залегания ее кровли. И еще одна из приоритетных задач – выявление газогидратных скоплений».
По словам Евгения Чувилина, непосредственные научные интересы группы Сколтеха были связаны с изучением газосодержания, температуры, свойств донных отложений, что необходимо для определения источников эмиссии газов и моделирования состояния подводной мерзлоты. Отобранные образцы сейчас находятся в лаборатории, и с ними идет работа.
Евгений Чувилин возглавляет мерзлотно-газогидратное научное направление в Центре добычи углеводородов Сколтеха. Фото: Sk.ru..
Анна Юрченко (Сколтех) в экспедиции занималась отбором газа из донных осадков, описанием и отбором самих осадков, включая карбонатные корки и конкреции, которые образуются в зонах массированных выбросов метана. Впоследствии в лаборатории с помощью газовой хроматографии и изотопных исследований можно получить информацию о природе газа.
«Когда происходит разгрузка газа на морском дне, есть несколько вариантов его образования, - поясняет Анна. - Это может быть бактериальный процесс, и может быть термогенный газ. В последнем случае это газ, связанный с залежами, что интересно в плане исследования углеводородных систем. Поэтому в совокупности данные молекулярно-изотопного состава позволяют определить, какой именно газ разгружается». Эти исследования дополнят совместные работы группы Семилетова со стратегическими партнерами из Стокгольмского университета.
Комплексное исследование разгружающихся флюидов, органического вещества и минеральных включений в осадках позволит охарактеризовать биохимические процессы, связанные с повышенным содержанием метана в среде. Микроорганизмы могут перерабатывать значительные объемы разгружающегося метана, предотвращая его поступление в атмосферу. Однако, этот микробиальный фильтр эффективно работает только в зонах медленного-диффузионного переноса метана. Для климата этот процесс малозначим в районах массированных выбросах пузырькового СН4, которые играют основную роль на самом широком и мелководном шельфе Мирового океана – на шельфе морей Восточной Арктики.
Еще об одном результате можно говорить уже сейчас. Температурные измерения донных осадков показали, что практически все они имели температуру около -1,5 градуса, но льда не было, потому что грунтовая вода засолена.
По мнению руководителя экспедиции Игоря Семилетова, вклад группы Сколтеха – «абсолютно пионерский и важный». На сегодня группа Сколтеха под руководством Евгения Чувилина уже получила ряд важных эффектов, связанных с проникновением морской соли в распресненные нижезалегающие осадки, что приводит к дестабилизации гидратов даже при отрицательных температурах. Эти данные крайне необходимы для подтверждения моделей состояния подводной мерзлоты - это критично для стабильности гидратов: «Состояние подводной мерзлоты определяет масштаб выбросов метана. Мы сотрудничаем с коллегами много лет, и это уже третья совместная экспедиция», - говорит он.
Подводная мерзлота
Существующие модели подводной мерзлоты используют некие гипотетические значения. То, чем занимаются Игорь Семилетов и его коллеги, – это новая генерация моделей подводной мерзлоты, которые включают результаты прямых измерений. При этом используются базы данных гидрологических съемок по состоянию придонной воды, которые группа Игоря Семилетова делала на протяжение последних двух десятилетий. Объединив эту информацию, можно получить входные данные для моделирования реального состояния мерзлоты.
В отличие от материковой мерзлоты, научные знания о мерзлоте подводной достаточно фрагментарны. Да и о ее существовании человечество узнало относительно недавно. Первое задокументированное свидетельство существования подводной мерзлоты было получено в начале ХХ века русской полярной экспедицией барона Э.В.Толля на шхуне «Заря» (картографом был молодой морской офицер Александр Колчак). Когда в шторм они бросали якоря, лапы якоря не могли зацепиться за грунт и вырывали фрагменты мерзлых пород. Одной из целей экспедиции были поиски легендарной Земли Санникова. По понятным причинам найти ее не удалось. Зато под водой, не мелком шельфе, обнаружилась вечная мерзлота, о существовании которой никто на тот момент не подозревал.
По прошествии столетия с того открытия, на рубеже XXI века, сложилось общепринятое мнение: подводная мерзлота широко распространена на Арктическом шельфе и находится в достаточно стабильном состоянии.
«Но почему мы вообще занялись Арктикой? – вспоминает д-р Семилетов. - Я работал во всех океанах, но с 90-х годов стал заниматься именно Арктикой. В 1989 году мы впервые увидели данные американского Гидромета, NOAA, из которых следовало, что над Арктикой существует планетарный максимум атмосферного метана, что проявляется в повышении концентрации примерно на 10% выше, чем в любой другой климатической зоне планеты, включая умеренные широты Северного полушария, где сконцентрирована производственная деятельность. Более того, из сравнения древнего состава атмосферы по результатам воздушных включений в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды было установлено, что в последние 4 климатических цикла (примерно 420 тысяч лет) в теплые геологические эпохи существовал арктический максимум, который отсутствовал в холодные (ледниковые) эпохи. Это говорит о том, что источник является природным, а не антропогенным.
Слайд из презентации д-ра Игоря Семилетова. Фото: Sk.ru
Коллеги из NOAA до последнего времени не уделяли этому вопросу особого внимания – вот есть планетарный максимум, и есть. Мы, начиная с 90-х годов, выдвинули гипотезу о том, что этот максимум связан с изменением состояния мерзлоты в Арктике. Вначале предполагали, что это связано с изменением состояния мерзлоты на суше - протаиванием мерзлоты и образованием термокарстовых озер, которые являются газовыводящими путями для разгрузки метана из нижележащих грунтовых горизонтов в атмосферу. В 90-е годы мы интенсивно занимались изучением этого озерного фактора в различных районах Колымо-Индигирской низменности (на базе Северо-Восточной научной станции ТИГ ДВО РАН, вблизи пос. Черский) и Приморской равнины (на базе Полярной Геокосмофизической обсерватории ИКФИ СО ТРАН, вблизи поселка Тикси). По результатам этих исследований в 1990-е был опубликован ряд результатов в топ-журналах, включая Atmospheric Environment, Science, Journal Atmospheric Sciences, которые стали началом широкомасштабных международных исследований в этом направлении.
После того, как мы провели расширенную серию наблюдений в различных районах российской Арктики и на Аляске, пришли к выводу, что этого источника недостаточно для объяснения механизма формирования планетарного максимума в атмосфере над Арктикой. Поэтому в начале 2000-х нами была сформулирована гипотеза о потенциальной роли деградации подводной мерзлоты, которая тестируется и находит потверждения на протяжении последних 20 лет. Я сам океанолог, пять лет поработал на суше с мерзлотоведами и вернулся в родную стихию.
В качестве полигона для исследований мы выбрали район, который называем Восточной Арктикой (для коллег из США и Канады мы являемся Западной Арктикой)».
Игорь Семилетов рассказывает, что серьезные подтверждения того, что мерзлота на шельфе морей Лаптевых и Восточно-Сибирского не является сплошной, возникли у него и его коллег в 2010 году. Тогда же ими была опубликована статья в журнале Science, которая впервые подняла вопрос о нарушении монолитности подводной мерзлоты, что может привести к дестабилизации гигантского резервуара газовых (метановых ) гидратов.
.
Ученые обратили внимание на распределение растворенного метана в придонном слое, где его концентрация была до двух порядков выше, чем равновесная. Согласно научной литературе, единственным объяснением такой высокой концентрации в придонной воде могло служить разрушение гидратов. Но если есть сплошная мерзлота, то гидраты стабильны, и метана быть не должно. Поскольку факт наличия метана не вызывал сомнения, был поставлен вопрос: является ли мерзлота сплошной?
Экспедиции в Восточную Арктику, последняя из которых на судна «Академик Мстислав Келдыш» состоялась минувшей осенью, позволили закартировать более тысячи мест, разгрузки метана на морском дне. Такие участки называют «сипами» от английского to seep, «просачиваться, цедить». Семь особо крупных закартированных участков было отнесено к категории «мегасипов», то есть районов массированной разгрузки пузырькового СН4, которые характеризуются линейными размерами более 1000 метров.
Участники экспедиции от Сколтеха: Борис Буканов и Анна Юрченко. Фото: Сколлтех
Один из «мегасипов» в море Лаптевых площадью 6.400 кв. км выделяет, по консервативной оценке, около 4 млн тонн метана за год. Этот результата был опубликован в 2015 г,, т.е. в год 350-летнего юбилея, в старейшем научном журнале Королевской Академии наук Великобритании. Этот «мегасип» экспедиция И.Семилетова навестила повторно и отметила кратный рост выбросов метана за три года.
Над одним из сипов открытых в 2019г на высоте 20 метров над поверхностью Восточно Сибирского моря была зафиксирована концентрация метана, превышающая общепланетарную в 9 раз, а в тонком приводном слое - примерно в 30 тысяч раз.
Похоже, что при такой интенсивности разгрузки метана сам термин «сип» уже устарел. Игорь Семилетов соглашается с этим, поясняя, что в своих последних работах употребляет термин jet.
Подводная мерзлота, которую еще не так давно представляли себе в виде сплошной массы, выходит, больше похожа на решето, и этот вывод имеет планетарное значение.
«На сегодня деградация мерзлоты является основным фактором дисбаланса глобального углеродного цикла», - замечает Игорь Семилетов.
«Мы поднимаем флаг геологического фактора»
Д-р Семилетов предпочитает не обсуждать вопрос о влиянии антропогенного фактора на изменение глобального климата. Отвечая на прямой вопрос Sk.ru о соотношении антропогенных и природных факторов в глобальном потеплении, он заявил: «Я бы дипломатично ответил так: это сумма разных факторов. Мы в нашей работе исходим из того, что на этот вопрос никто вам научно обоснованно не ответит. Соотношение антропогенных и природных факторов – большой научный вопрос. В конце декабря я принимал участие в обсуждении климатической доктрины РФ – это были слушания на президиуме РАН. Там говорилось как раз, что мы не можем на сегодня ответить на этот вопрос. Со своей стороны, могу повторить то же самое».
В то же время из контекста интервью совершенно явно следует, что главным вопросом для ученого является геологический фактор. «Мы поднимаем флаг геологического фактора», - говорит он.
«Деградация мерзлоты – это геологический фактор. Если 1% от предполагаемых запасов гидратов в подводной мерзлоте попадет в атмосферу, произойдет удвоение концентрации метана. И все зависит от состояния подводной мерзлоты. Поэтому критическую важность имеют исследования динамики и масштабов деградации подводной мерзлоты. Это задача номер 1 в науках о Земле», - считает Игорь Семилетов.
Такая задача не под силу отдельному коллективу ученых.
«Только комплексные массированные исследования позволят точно ответить на вопрос: бахнет или не бахнет. А если бахнет, то когда?, - заявляет д-р Семилетов. - Наши работы очень затратные. Их можно делать только при финансовой поддержке на федеральном уровне. Мы уже показали, что это важно. Сейчас нам нужна мощная программа.
Очевидно, что на сегодня Восточно-Сибирский шельф, где сосредоточен гигантский потенциал углерода и где наблюдается экстремальное потепление, является наиболее привлекательной научной лабораторией на планете. Мы собрали консорциум ведущих ученых из 22 институтов РАН, ведущих университетов (включая ТПУ, МГУ, САФУ, МФТИ), и Сколтех. Кроме того, мы сотрудничаем с ведущими учеными из 5 стран (Швеция, Италия, Великобритания, Нидерланды, США)). У нас есть уникальные знания основанные на 20 летних комплексных всесезонных исследований, и научная аппаратура для движения вперед. (включая Сколтех). У нас есть аппаратура и есть знания. Дело за национальной программой. Сейчас у нас есть золотая возможность продолжать лидировать в одном из важнейших направлений наук о Земле. Важно отметить, что новые фундаментальные знания являются основой для прикладных исследований направленных на освоении ресурсов арктического шельфа России и развитие Северного морского пути».