1. Транспорт метана в водной толще осуществляется двумя путями - диффузионным и пузырьковым [Reeburg, 2007]. Диффузионный транспорт обусловлен градиентами концентраций, которые плавно изменяются от максимальных в придонном слое воды до минимальных (источник) в поверхностном (основной сток). Процесс диффузии протекает медленно. В результате значительная часть растворенного метана, особенно на больших глубинах, может окисляться в водной толще, не достигая атмосферы. Пузырьковый транспорт может осуществляться одиночными пузырями, которые переносят метан, синтезированный в донных осадках, в случаях, когда уровни продукции превышают растворимость метана в поровой воде. Такие одиночные просачивания обычно, как и в случае биогенного метана, произведенного в поверхностных слоях осадка, равномерно распределены во времени и пространстве и создают повышенные концентрации метана в придонном слое. В случае выхода глубинного метана более характерна сильная локализация областей выхода. Пузырьковый транспорт может также осуществляться в форме массированных скоплений пузырей, которые постоянно или периодически выбрасываются в водную толщу, формируя высокие концентрации метана в средних и подповерхностных горизонтах водных масс. На мелководных шельфах, где происходит разгрузка метана из разрушающихся газогидратов, такие залповые выбросы могут достигать атмосферы и создавать аномально высокие концентрации метана в приводном слое [Leifer et al., 2006].

До настоящего времени сообщений о надежно доказанном обнаружении областей интенсивной пузырьковой разгрузки метана на шельфе Восточно-Сибирской Арктики не было. В настоящей работе проанализированы первые данные, полученные на мелководном шельфе моря Лаптевых.

2. Во время международной экспедиции International Siberian Shelf Study 2008, выполненной в августе-сентябре 2008 г. на НИС «Яков Смирницкий», были проведены: акустические исследования водной толщи и осадков, основанные на обратном рассеянии звука (ОРЗ) [Саломатин и др., 2007]; измерения гидрологических и гидрооптических характеристик воды [Semiletov et al., 2007]; измерения концентраций растворенного метана [Shakhova et al., 2005]. Акустические наблюдения на нис «Яков Смирницкий» 18 сентября 2008 г. были выполнены одновременно с гидрологическими, во время которых отобраны 12 проб воды для определения концентраций растворенного метана на различных глубинах. Акустические измерения производили как на ходу, так и во время дрейфа судна при глубине моря ~50 м. Модернизированный эхолот «AtlasDeso 10» регистрировал эхосигналы на частоте 30 кГц, сейсмопрофилограф (GeoPulse Sub-Bottom Profiler, GeoAcoustics LTD) - на частоте 3.5 кГц. Эхосигналы записывались в цифровом виде. Антенны эхолота и сейсмопрофилографа располагались на глубине ~4 м ниже поверхности воды. Диаграмма направленности эхолота представляла собой эллипс в основании с полушириной главного лепестка 9° и 18° соответственно для меньшего и для большего радиусов; ширина луча сейсмопрофилографа 55°.

3. При движении судна со скоростью 2.5 узлов одновременно на обеих частотах была обнаружена локальная область повышенного рассеяния в водной толще. При этом непосредственно под этой областью на эхограмме сейсмопрофилографа выделалась область повышенного рассеяния в верхнем слое донных осадков (рис. 1). Дальнейшее изучение обнаруженных аномалий ОРЗ осуществлялось во время дрейфа судна.

На эхограмме, полученной на частоте 30 кГц (рис. 2), в указанной точке выделяется группа наклонных линий повышенного звукорассеивания, которые, по нашему мнению, связаны со всплывающими пузырьками. Поскольку всплывающие пузыри хорошо рассеивают звук, их размер должен быть больше или равен резонансному размеру пузырька для частоты эхолота 30 кГц [Урик, 1978]. Радиус резонансного пузырька для глубин 15-35 м составляет 170-230 мкм. Скорость всплытия пузырьков такого размера в отсутствие дополнительных конвективных факторов движения воды не превышает 5 см/с [Clift et al., 1978]. При увеличении размера пузырьков скорости их самостоятельного всплытия быстро возрастают и при размерах ~1 мм могут достигать 25 см/с. Оцененная по углу наклона траекторий точечных рассеивателей (рис. 2) скорость всплытия составила 25 см/с, что хорошо согласуется с теоретически возможными скоростями всплытия крупных пузырьков [Clift et al., 1978].

На основе энергетических характеристик сигнала ОРЗ на частоте 30 кГц оценен размер пузырьков. На рис. 3 представлен участок эхограммы, на котором отчетливо выделяются эхосигналы 8 пузырьков, расположенных в диапазоне глубин 20-30 м. Как видно из рисунка, сечение рассеяния [Урик, 1978] самых больших из них составляет около 2 · 10^–6 м². Таким сечением рассеяния обладают пузырьки с радиусом около 1.4 мм (для частоты 30 кГц сечение обратного рассеяния от пузырьков таких размеров примерно равно квадрату его радиуса, поскольку kR < 0.5, где k - волновое число, R - радиус пузырька) [Sage et al., 1979]. Всплывающие пузырьки такого радиуса не регистрируются на частоте 3.5 кГц, поскольку их радиус меньше резонансного, который для такой частоты составляет на глубине 50 м и 1.7 мм на глубине 25 м. Анализ эхосигналов на частоте 30 кГц, полученных при пересечении области повышенного рассеяния на ходу судна, показал, что сечение рассеяния отдельных точечных рассеивателей достигает 1.7 · 10^–5 м², что соответствует радиусу пузырька ~4 мм.

Распределение концентраций растворенного метана в водном столбе показало, что все горизонты (от 10 до 50 м) значительно пересыщены метаном относительно атмосферы (рис. 4). Максимальные концентрации растворенного метана (пересыщение до 3 · 10⁴ % относительно равновесных с атмосферой значений) были обнаружены под пикноклином на глубинах 20-50 м и совпадали с локализацией выявленных аномалий ОРЗ. Учитывая наличие устойчивой стратификации ниже пикноклина (плотность воды изменяется монотонно от 25.7 кг/м³ на 20 м до 26.8 на 50 м, рис. 4), вертикальное перемешивание воды нельзя рассматривать в качестве причины наблюдаемого квазипостоянного распределения концентраций растворенного метана с максимумом. Вероятно, подобное распределение метана могло сформироваться только благодаря всплытию достаточно крупных пузырьков метана (≥4 мм) с их частичным растворением на глубинах 20-50 м. Снижение концентраций в вышележащих горизонтах (0-20 м) является, скорее всего, следствием двух процессов: ветрового перемешивания и эмиссии метана в атмосферу; аэробного окисления во время диффузионного транспорта растворенного метана к поверхности.

Примечательно, что во время акустических измерений не были обнаружены слои повышенного рассеяния оптического излучения (мутности или “turbidity”), которые обычно сопровождают звукорассеивающие слои, связанные с биологическими объектами. Отсутствие аномалий мутности может указывать на абиотическую природу наблюдаемых акустических аномалий.

4. Комплексный анализ данных, полученных в ходе исследования, позволяет с высокой долей вероятности утверждать, что аномалии растворенного метана, обнаруженные под пикноклином в шельфовых водах моря Лаптевых, обусловлены пузырьковым транспортом метана из донного источника. Причем достаточно большие размеры наблюдаемых пузырьков, их большая концентрация и очень высокий уровень измеренной аномалии метана, наличие газового канала в осадке на сейсмопрофилограмме в месте просачивания газа на дне, локализация на малой площади и удаленность описываемого источника метана на среднем шельфе моря Лаптевых свидетельствуют в пользу того, что здесь происходит интенсивная разгрузка глубинного метана. Для более точного ответа на вопрос об его источнике (метан разрушающихся газогидратов, нефтегазоносных отложений, термогенный глубинный метан и т.д.) требуется проведение дальнейших исследований. Размеры всплывающих пузырьков, согласно оценке, достигают 4 мм, предполагаемая скорость всплытия 0.25 м/с. Скорость растворения таких пузырьков в воде слабо зависит от их радиуса [Leifer & Patro, 2002] и составляет около 7.5 мкм/с [Rehder et al., 2002], что эквивалентно 30 мкм/м глубины всплытия. Таким образом, пузыри с радиусом более ~1.5 мм выходят на поверхность с глубины 50 м. Дальнейший турбулентно-диффузионный транспорт к поверхности воды метана, инжектированного при растворении всплывающих пузырьков, происходит с достаточно большой скоростью за счет малого градиента плотности в верхнем перемешанном слое и сопровождается разбавлением метана за счет перемешивания с окружающими водами и аэробным окислением, в результате чего концентрации растворенного метана снижаются. Тем не менее, поверхностный слой воды остается пересыщенным до 10 раз относительно атмосферы и служит источником метана в атмосферу. Так, аномально высокие концентрации атмосферного метана (до 8.2 ppm) в приводном слое атмосферы были ранее обнаружены на шельфе моря Лаптевых [Шахова и др., 2008]. Кроме того, усиление вертикального перемешивания шельфовых вод в период глубокой осенней конвекции [Kulakov et al., 2003] с неизбежностью приведет к выбросу значительных количеств метана, накопленных в водной толще, в атмосферу. Полученные результаты имеют большое значение для расчета количественных характеристик эмиссии метана из мелководного арктического шельфа, где, вероятно, происходит дестабилизация подводной мерзлоты и мелководных газогидратов.

Авторы выражают благодарность Горану Бьорку (Göran Björk) за сбор гидрологических данных, А.В. Воронину за сбор данных ОРЗ, А.С. Саломатину за полезные обсуждения, академику В.И. Сергиенко за поддержку арктических морских исследований ДВО РАН.

Работа выполнена в рамках проектов РФФИ (08-05-13572, ВИС; 08-05-00191-а, НЕШ; 07-05-00050-а, ИПС, 09-05-00930-а, САН, 09-05-00709-а, САС), Арктического гранта Президиума ДВО РАН, зарубежных грантов (the International Arctic Research Center (IARC) of the University of Alaska Fairbanks, and by the Cooperative Institute for Arctic Research through NOAA Cooperative Agreement NA 17RJ1224, IPS & NES).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Reeburgh W.S. Oceanic Methane Biogeochemistry // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 486–513.

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

3. Саломатин А.С., Юсупов В.И., Ли Б.Я. В кн. Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. В кн. 4. Физические методы исследования. С. 87-110.

4. Semiletov I., Pipko I.I., Repina I.A., Shakhova N. Carbonate chemistry dynamics and carbon dioxide fluxes across the atmosphere-ice-water interfaces in the Arctic Ocean: Pacific sector of the Arctic // J. Mar. Syst. 2007. V. 66. № 1-4. P. 204-226.

5. 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:1029/2005GL022751.

6. Урик Р.Д. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.

7. Clift R., Grace J.R., Weber M.E. Bubbles, Drops, and Particles. N.Y.: Acad. Press, 1978. 380 p.

8. Sage K.A., George J., Überall H. // J. Acoust. Soc. Amer. 1979. V. 65. № 6. P. 1413–1422.

9. Leifer I., Patro R.K. The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitivity study // Cont. Shelf Res. 2002. V. 22. №16. P. 2409-2428.

10. Rehder G., Brewer P.W., Peltzer E.T., Friederich G. // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. № 15. P. 211-214.

11. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Салюк А.Н. и др. О роли Восточно-Сибирского шельфа в современном цикле метана и глобальном изменении климата // Вестн. ДВО РАН. 2008. № 4. С. 3-15.

12. Kulakov M., Stanovoy V., Kirillov S. Oceanography of the ESS. Paper Presented at ESSS Workshop 2003. Malaga: Intern. Arct. Res. Cent. 2003.