В сообщении представлены результаты анализа данных нескольких эпизодов, 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. Установлено, что гидравлический удар, возникающий при запуске двигателя после дрейфа судна на мелководье, может провоцировать резкий выброс метана в атмосферу. Мощность таких вновь образующихся источников в единицу времени сопоставима с мощностью существующих глубоководных грязевых вулканов. На мелководных участках ВСШ антропогенный фактор может являться одним из значимых факторов, вызывающих залповые выбросы метана в атмосферу.

1. 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 двуокиси углерода) парникового газа [Hovland & Judd, 1992; Hovland et al., 1993; Judd et al., 2002]. Экстремальные природные явления, такие как землетрясения, циклоны и наводнения, наряду с возрастающей антропогенной активностью могут провоцировать катастрофические события на шельфе, сопровождающиеся массированными выбросами метана в атмосферу [Alley et al., 2003]. Арктические регионы, в частности ВСШ, не получили в этой связи должного внимания, невзирая на тот факт, что мелководная часть ВСШ не только выполняет роль эстуариев четырех из шести великих сибирских рек (Лена, Яна, Индигирка, Колыма), в палеодолинах которых накапливается огромное количество осадков и создаются условия для современного метаногенеза, но и потенциально является районом дестабилизации арктических газогидратов, термический режим которых нарушен вследствие затопления морем со времени последней голоценовой трансгрессии [Romanovskii & Hubberten, 2001; Криотермия…, 1987].

Долгое время предполагалось, что реликтовая подводная мерзлота в мелководной части ВСШ (<50 м) остается стабильной, выполняя функцию газонепроницаемой крышки. В результате метан накапливается под мерзлотой в так называемых газовых ловушках, но не находит выхода на поверхность морского дна и далее в атмосферу [Gavrilov et al., 2003]. Тем не менее исследования последних лет убедительно показали, что мелководная часть ВСШ является источником метана в атмосферу Арктического региона [Шахова и др., 2005; 2007; 2007а; Shakhova et al., 2005]. Поскольку газ в газовых ловушках длительное время находится запертым под непроницаемой крышкой мерзлоты, он создает чрезвычайно высокое давление. При появлении газопроводящих путей метан может вырываться наружу в огромных количествах и создавать массированные, неравномерные во времени и пространстве выбросы в атмосферу. Инициаторами формирования газопроводящих путей могут служить не только естественные процессы, но и деятельность человека, в частности, освоение природных ресурсов и мореплавание.

2. Данные получены на борту теплохода «Капитан Данилкин» в сентябре 2006 г. при движении судна по маршруту Тикси–Архангельск. Анализатор метана в воздухе (Fast Methane Analyzer DLT-100, производство США, http://www.lgrinc.com) был стационарно установлен на носу судна на высоте ~10 м над поверхностью воды и производил 10 измерений концентрации метана в приводном слое атмосферы в секунду. Статистическая обработка данных (Matlab 7, Statistics 7) включала первичную обработку данных, нормализацию с использованием осреднения по 60 измерениям значения (осреднение по отрезку времени 6 с) и вейвлетанализ [Астафьева, 1997].

3. На изучаемом участке маршрута было выделено шесть отрезков (рис. 1), на которых концентрации метана в атмосфере приводного слоя были повышенными относительно принятой средней концентрации для данных широт, равной 1.85 ррm (http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/insitu.html).

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

4. 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, т.е. процесса, который характеризуется наличием единого источника, ответственного за структурированное пространственно-временное распределение потока метана на данном участке шельфа. Такая кривая может описывать процесс газообмена в системе водная поверхность–атмосфера, суммирующий диффузионные потоки и пузырьковую эмиссию метана из единичных холодных сипов, мощность которых пропорциональна газосодержанию осадков.

Кривые 2-го и 3-го типов подобную структуру не формировали, что позволило предположить существование других механизмов образования всплесков атмосферного метана на отрезках 2–6.

Характерным отличием всплесков 2-го типа было то, что они были получена 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 получаса) свидетельствует о том, что размеры пересекаемых облаков аномальных концентраций достигали нескольких километров в диаметре: при скорости движения судна 14 морских узлов (25 км в час) диаметр облака может достигать 12.5 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 периоды, но и обнаружены скопления пузырей большого диаметра, включенные в состав морского льда, было высказано предположение о доминировании в данном районе мощных выбросов метана по типу газовых факелов, подобных тем, что обнаружены в Охотском море в районах, где документально подтверждена эмиссия метана из разрушающихся газогидратов [Obzhirov et al., 2004; Саломатин, Юсупов, 2003].

На участках 2 и 5 всплески концентрации 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). Сопоставление данного обстоятельства с формой кривой всплеска позволило выдвинуть гипотезу о том, что причиной возникновения всплеска атмосферного метана могло явиться само судно.

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 достигает атмосферы. При последующем наборе скорости удары повторяются и, поскольку после дрейфа судно наиболее активно перемешивает воду, на поверхность воды выносится дополнительное количество пузырей метана, находящихся у поверхности морского дна или вблизи него. Подобные многочисленные всплески, совпадающие по времени с резким изменением скорости движения судна (большинство из них связаны с набором скорости после дрейфа), явились одними из самых мощных и были зарегистрированы на всем пути движения судна.

Для анализа всплесков 3-го типа было применено вейвлет-преобразование с использованием вейвлета «Морле». Характерным явилось существование ярковыраженной периодичности (рис. 4): области высококонцентрированной энергии были сосредоточены в определенных интервалах периодов (частот), которые по времени соответствовали повторяющимся коротким всплескам. Мощность такого единичного источника может составлять от 0.7 до 2.1 г СН₄/с, что соизмеримо с мощностями известных глубоководных грязевых вулканов, описанных в литературе [Лейн, 2004].

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. Hovland M., Judd A.G. The evidence of shallow gas in marine sediments // Continental Shelf Res. 1992. V. 7. P. 1231-1238.

2. Hovland M., Judd A.G., Burke N.Jr. The global flux of methane from shallow submarine sediments // Chemosphere. 1993. V. 26. P. 559-578.

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

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

5. Romanovskii N.N., Hubberten H.-W. Results of permafrost modelling of the lowlands and shelf of the Laptev Sea Region, Russia // Permafrost and Periglacial Processes. 2001. V. 12. № 2. P.191-202.

6. Криотермия и натуральные газгидраты в Северном Ледовитом океане / Под ред. В.А. Соловьева. Л.: Севморгеология, 1987. 150 с.

7. Gavrilov A.V., Romanovskii N.N., Hubberten H.-W., Tumskoy V.E. Reconstruction of ice complex remnants on the eastern Siberian arctic shelf // Permafrost and Periglacial. Process. 2003. V. 14. P. 187-198.

8. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Бельчева Н.А. Растворенный метан в шельфовых водах Арктических морей // Доклады РАН. 2005. T. 402. № 4. C. 529-533.

9. Shakhova N., Semiletov I., Panteleev G. The distribution of methane on the Siberian Arctic shelves: Implications for the marine methane cycle // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L09601. doi:10.1029 /2005GL022751.

10. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Салюк А.Н., Бельчева Н.Н., Космач Д.А. Аномалии метана в приводном слое атмосферы на шельфе Восточно-Сибирской Арктики // Доклады РАН. 2007. T. 414. № 6. С. 819-823.

11. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Бельчева Н.А. Великие сибирские реки как источники метана на Арктическом шельфе // Доклады РАН. 2007. T. 414. № 5. С. 683-685.

12. Астафьева Н.М. Wavelet analysis: Basic theory and some applications // УФН. 1997. Т. 166. № 11. С. 1145–1170.

13. 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 // GeoMarine Letters. 2004. V. 24. P. 135-139.

14. Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустика океана. Атмосферная акустика. Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. М.: Геос, 2003. Т. 4. С. 145-148.

15. Лейн А.Ю. В кн.: Новые идеи в океанологии. М.: Наука, 2004. Т. 2. С. 185-207.

Ссылка на статью:

Шахова Н.Е., Юсупов В.А., Салюк А.Н., Космач Д.А., Семилетов И.П. Антропогенный фактор и эмиссия метана на Восточно-Сибирском шельфе // Доклады РАН. 2009. Т. 429. №. 3. С. 398-401.