Природный метан в морской воде: о вкладе океана в глобальное потепление
В рамках Федеральной научно-технической программы в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021-2030 годы одним из основных вопросов является выделение и поглощение метана океаном как значимого компонента парниковых газов. Мировой океан вносит основный вклад в формирование климата. Известно, что на морском дне существует большое количество источников метана, которые могут иметь различное происхождение (магматические, термальные, биологические, газогидратные). Геологическое строение морского дна неоднородно, здесь могут образовываться разломы различного масштаба и активности, резервуары и т.п., где выделяемый метан может скапливаться и, при наличии подходящих условий, мигрировать наверх и выделяться в водную толщу. Проявляется такое выделение в виде струй пузырьков – газовых факелов. Принято считать, что большое количество метана от этих источников достигает водной поверхности и выделяется в атмосферу. Сотрудниками лаборатории комплексных исследований окружающей среды и минеральных ресурсов ТОИ ДВО РАН были проведены исследования, которые показывают, что этот тезис подлежит существенному уточнению.
Нами проведено изучение механизма переноса метана в толще воды разных районов Мирового океана. Например, много работ было выполнено в Японском море (Татарский пролив и район центральной котловины). Рассмотрен следующий механизм рассеяния метана: метан выделяется из придонных источников и попадает в морскую воду в виде пузырьков свободного газа. Пока внутреннее давление пузырька уравновешено внешним давлением воды, пузырек движется к поверхности и может достичь атмосферы. Если пузырек схлопнется на каком-либо горизонте, то часть метана растворится в морской воде. Растворимость метана в воде зависит от ее температуры: в холодной воде этот газ растворяется лучше. Растворенный метан формирует поля повышенных концентраций (а) вблизи придонного источника, при этом концентрация снижается по мере удаления от источника; (б) под нижней границей сезонного пикноклина в приповерхностном слое происходит резкий скачок температуры и солености морской воды. При движении к поверхности увеличение температуры в пикноклине снижает растворимость метана в воде, что говорит о том, что вертикальное распространение полей повышенных концентраций метана ограничивается нижней границей сезонного пикноклина. При этом под нижней границей сезонного пикноклина, как правило, наблюдаются максимумы векторов скорости течений. Таким образом, растворенный метан переносится течениями под пикноклином.
Часто в экспедиционных исследованиях могут быть обнаружены поля повышенных концентраций метана вдали от его источников и, на первый взгляд, никак с ними не связанные. В 2021 г. было проведено исследование происхождения локальных максимумов метана в юго-западной части Атлантического океана. Здесь, в районе Аргентинской котловины, на значительном удалении от берега при общей глубине более 3000 м и отсутствии придонных источников было обнаружено поле повышенных концентраций метана, а наше исследование показало, что это поле сформировано переносом метана от удаленного источника.
В ходе сравнительных исследований выявлено поступление метана из донных отложений и перенос растворенного метана течениями в Татарском проливе. Абсолютный максимум концентраций метана наблюдался на западном шельфе о. Сахалин в придонном слое на глубине 65 м. Локальный максимум обнаружен к северу от абсолютного максимума в струйном течении под сезонным пикноклином. Вблизи склона возвышенности Ямато в Центральной котловине Японского моря в теплом Восточно-Корейском течении локальная максимальная концентрация метана также наблюдается под сезонным пикноклином. В мезомасштабном антициклоническом вихре на 134° в.д. в глубокой части Центральной котловины обнаружен локальный максимум метана под сезонным пикноклином в слое 50-150 м. Локальный максимум метана на его вертикальном профиле в холодном Приморском течении, теплом Восточно-Корейском течении и мезомасштабном антициклоническом вихре на 134° в.д. в Японском море также расположен под сезонным пикноклином и распространен в северо-западной части Японского моря.
Таким образом, исследования показали, что основная часть выделяющегося метана растворяется в морской воде и распространяется течениями на значительные расстояния, не поднимаясь в поверхностный слой. Концентрации метана при этом снижаются до равновесных значений и выделения в атмосферу не происходит. Важную роль в понижении концентраций метана при их распространении также может играть проникновение шельфовых охлажденных вод в промежуточные горизонты, формирующее интрузии с повышенными концентрациями метана. Установлено, что нижняя граница сезонного пикноклина, например, в Японском море, расположенная на горизонте 25-50 м, является естественным термохалинным барьером, значительно препятствующим дальнейшей вертикальной миграции метана и, соответственно, его выделению в атмосферу.
Оценки эмиссии метана в атмосферу с поверхности морей и океанов нуждаются в существенном уточнении: основная площадь акваторий может быть нейтральна к эмиссии, либо даже поглотителем, а не эмитентом парниковых газов. Для развития этих результатов необходимо усиление экспедиционных исследований и развития платформ устойчивых наблюдений за климатическими параметрами.
Холмогоров А.О., д.г.-м.н. Шакиров Р.Б.
