Satellites measure methane in the Arctic

From Leonid Yurganov of Maryland University

Спутники измеряют метан в Арктике

Леонид Юрганов. Мэрилендский университет (Балтимор, США)

Nauka I zhizn,

Проблему глобального потепления, точнее, глобальных климатических изменений, обычно связывают с растущей концентрацией углекислого газа (двуокиси углерода). Предполагается, что переход на возобновляемые источники энергии, внедрение энергосберегающих технологий и другие меры предотвратят дальнейшие изменения климата. Однако кроме двуокиси углерода существуют другие парниковые газы, важнейший из которых метан (СН4).

С 2007 года глобальные концентрации метана растут со скоростью ~5—6 ррb (частей на миллиард) в год. Исследователи склоняются, что этот рост связан с деятельностью человека в наиболее населённых районах планеты (Китай, Индия). Одновременно с глобальным ростом метана наблюдается потепление Арктики, способное освободить метан из метаногидратов, погребённых под дном Северного Ледовитого океана.

Газовые гидраты, или клатраты, — кристаллические соединения, образующиеся при высоком давлении и низкой температуре из воды и газа. Название «клатраты» (от лат. clat(h)ratus — «закрытый решёткой», «посаженный в клетку») отражает то обстоятельство, что молекулы газа, в частности метана, плотно зажаты в кристаллах льда. В одном объёме метаногидрата примерно 160—180 объёмов метана. Метаногидраты, которые находятся под дном Северного Ледовитого океана, содержат, по разным оценкам, от 30 до 90 000 Гт (миллиардов тонн) метана. Для сравнения: в атмосфере Земли всего около 5,2 Гт СН4. Это означает, что освобождение только 1% метана, заключённого в метаногидратах, увеличит глобальную концентрацию данного газа как минимум на 6%, а как максимум — в 180 раз!

Постоянных измерений концентраций атмосферного метана непосредственно над поверхностью Северного Ледовитого океана не ведётся, имеются лишь эпизодические наблюдения с борта кораблей в летние сезоны. Ещё меньше измерений с борта самолётов. Работают несколько прибрежных станций, отбирающих пробы СН4 круглогодично раз в неделю. На трёх таких станциях (на мысе Барроу на Аляске, в Тикси в дельте Лены и в обсерватории Цеппелин на Шпицбергене) параллельно идёт непрерывный мониторинг концентраций метана.

Многие вопросы, связанные с метаном, имеют научный и практический интерес. Какую роль играет этот парниковый газ в потеплении Арктики? Или, наоборот, сам рост глобальной концентрации метана вызван таянием метаногидратов и вечной мерзлоты? Не запущен ли уже механизм положительной обратной связи, когда потепление вызывает рост концентрации метана, а метан вызывает потепление? Может быть, никакой пользы от ограничения антропогенных выбросов СН4 и/или двуокиси углерода нет и климат уже меняется по траектории, не зависящей от предпринимаемых мер? Ответа на эти вопросы пока нет. Помочь в исследовании арктического метана могут спутники.

Глобальные спутниковые измерения метана с помощью спектрометра SCIAMACHY, установленного на европейском спутнике Envisat, начались в 2003 году. Эти измерения ограничивались атмосферой над сушей в светлое время дня, поскольку использовали солнечный свет, отражённый от поверхности Земли. В Арктике такой метод неприменим, поскольку даже летом Солнце находится низко над горизонтом, и тем более зимой, во время полярной ночи. С 2002 года начались измерения спектров инфракрасной (тепловой) радиации, излучаемой земной поверхностью, на американском спутнике Aqua c помощью спектрометра AIRS. Линии поглощения метана в этой области спектра позволяют получать данные о его содержании в атмосфере как днём, так и ночью, как над сушей, так и над морем.

Важное ограничение метода тепловой радиации — необходимость достаточно высокого температурного контраста между земной поверхностью и атмосферой: поверхность должна быть существенно теплее, чем воздух над ней. Температурный контраст в зимнее время падает из-за охлаждения поверхности до –10оС, –30оС и ниже. И прибор, установленный на спутнике, теряет чувствительность к приземной атмосфере, где максимальны аномалии метана. В первую очередь это происходит над сушей в таких районах, как Сибирь и Арктика. Минимально возможная температура океана, напротив, близка к 0оС. По этой причине над Северным Ледовитым океаном низкий температурный контраст наблюдается только над паковым (многолетним) льдом, который изолирует тёплый океан от холодного воздуха над ним. В случаях тонкого льда или просто над открытой поверхностью моря температурная разница между поверхностью и атмосферой достаточно велика в течение всего года. Это открывает возможность круглогодичного мониторинга метана над значительной частью Северного Ледовитого океана. В настоящее время на орбите работают кроме уже упоминавшегося AIRS ещё четыре спектрометра/интерферометра: IASI на европейских спутниках MetOp-A и MetOp-B, американский CrIS/Suomi и японский TANSO/GOSAT.

До настоящего времени считалось, что основной вклад в выброс метана в Арктике вносят болота, тундра, озёра, вечная мерзлота, утечки природного газа и другие континентальные источники. В наших последних работах* впервые рассмотрены круглогодичные спутниковые данные о метане над поверхностью Северного Ледовитого океана. Среднегодовые концентрации СН4 над Баренцевым морем, свободным ото льда в течение всего года, возрастали в 2007—2014 годах со скоростью около 3 ррb в год, что несколько меньше, чем скорость накопления метана у поверхности Земли. Усреднение данных IASI за 2010—2014 годы позволило приблизительно оценить скорости выброса метана от океана. Как и ожидалось, значительные аномалии концентрации этого газа наблюдались над заболоченной Западно-Сибирской низменностью из-за интенсивных выбросов метана, другое название которого «болотный газ». Второй обширный район повышенных концентраций — моря Западной Арктики: Баренцево, отчасти Карское, Гренландское и Норвежское. Сравнение аномалий позволило сделать вывод, что суммарное количество метана, выделяемого Северным Ледовитым океаном, может доходить до двух третей от всего объёма СН4, выбрасываемого сухопутной частью Арктики к северу от 60о с. ш. Эмиссия метана от морей Восточной Арктики, в основном от моря Лаптевых, где основной источник этого газа — сравнительно медленно тающая вечная мерзлота, примерно в пять раз меньше, чем от морей Западной Арктики.

Для идентификации источника метана полезно сравнить спутниковые данные с результатами ультразвуковой эхолокации. В летний период года, когда проводилась эхолокация, почти весь метан «съедается» морскими бактериями и до поверхности океана не доходит. Что происходит зимой, когда такие измерения не проводились, до последнего времени не было известно. Спутники подтвердили незначительность эмиссии метана летом, но обнаружили аномальные концентрации его осенью и зимой именно в тех районах, где находятся метаногидраты.

Вплоть до последнего времени межгодовые вариации концентрации газа были относительно невелики. Значительный «подскок» концентрации метана произошёл в зимний сезон 2015/16 годов. При этом в последнюю зиму вокруг Шпицбергена проявились аномалии метана, которых не было в предыдущие годы.

Аномально высокая концентрация метана наблюдалась прошедшей зимой и над Охотским морем, где также обнаружены залежи метаногидратов и потоки метана со дна. Насколько опасны выбросы метана и не с ними ли связаны случаи бесследного исчезновения рыбацких судов в зимнее время? Вот только несколько таких случаев, произошедших в Охотском море:

7 января 2011 года, шхуна «Партнёр», Татарский пролив, экипаж 14 человек, спасённых нет;

11 февраля 2011 года, траулер «Аметист», залив Шелихова, экипаж 24 человека, спасённых нет;

7 февраля 2016 года, траулер «Адекс», вблизи острова Парамушир, экипаж 26 человек, спасённых нет.

Каким образом выбросы метана могут потопить корабль? Пузырьки газа уменьшают плотность воды, и судно опускается вниз. Но насколько велик этот эффект и мог ли он быть причиной перечисленных кораблекрушений? Простой расчёт показал, что при тех потоках метана от метаногидратов, которые наблюдаются эхолокаторами, количество пузырьков в воде недостаточно, чтобы существенно повлиять на её плотность. Например, для шхуны «Партнёр» этот эффект равносилен перегрузке корабля всего на 1 кг. Мощность потоков газа должна быть в тысячу раз больше, чтобы привести к затоплению корабля. Столь сильные потоки пока что нигде и никогда не наблюдались.

Так что же нового принесли данные спутниковых измерений?

Мы узнали, что океан в Арктике выделяет метан в основном осенью—зимой и вдоль пути тёплого Северо-Атлантического течения, продолжения Гольфстрима. В июле —августе спутниковые приборы регистрируют в основном выбросы от болот Западной Сибири и Канады, в сентябре—октябре — от тундры (см. анимацию концентраций метана https://drive.google.com/file/d/0B6CUXQhK_RkONTFKZmtuYlltTUU/view?usp=sharing). Наиболее вероятный источник океанического метана — метаногидраты. Потоки этого газа в Арктике меняются от года к году, хотя с уверенностью говорить о закономерном возрастании эмиссии пока рано. В течение последней зимы они были максимальны за весь период с 2010 года как над атлантическим, так и над тихоокеанским секторами Арктики.

Продолжение измерений и привлечение модельных расчётов позволят прояснить вопрос о влиянии арктического метана на климат планеты.

Работа выполнена по гранту НАСА «Long-term Satellite Data Fusion Observations of Arctic Ice Cover and Methane as a Climate Change Feedback».

Комментарии к статье

* Юрганов Л. и др. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2016, №№ 2 и 3 (http://jr.rse.cosmos.ru).

Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/29265/ (Наука и жизнь, Спутники измеряют метан в Арктике)