Главная −> Повестка дня −> Геоклимат −> Исследования проблемы −> О возможном разрушении части мировых запасов метановых газогидратов и учете некоторых обратных связей при прогнозировании климатических изменений

О возможном разрушении части мировых запасов метановых газогидратов и учете некоторых обратных связей при прогнозировании климатических изменений

Показано, что обратные связи между содержанием некоторых парниковых газов в атмосфере и потеплением, могут значительно усилить это потепление. В отличии от прогнозов МГЭИК, речь может идти уже о десятках градусов к концу текущего столетия.

Недавно на сайте Poteplenie.Ru была опубликована гипотеза о возможном скором (в текущем веке)  разрушении порядка 1/10 части современных запасов океанических метангидратов, благодаря происходящему прогреву глубинных океанических вод[1], что приведет к поступлению значительных количеств метана в атмосферу. Метан – сильный парниковый газ, его способность поглощать инфракрасное излучение в 21 раз выше чем у углекислого газа (на единицу массы), и потому учет роста его концентрации чрезвычайно важен.

Рассмотрем  подробнее указанную гипотезу, сделав, пусть и очень приближенные, оценки.

Потепление глубинных вод Мирового океана

В последние десятилетия был проведен ряд исследований, результаты которых показывают, что в Мировом океане идет процесс потепления глубинных вод. Так, например, акустическая термометрия и исследования температуры, основанные на традиционных методиках, показывают, что слой атлантических вод в Северном Ледовитом океане (это слой с глубинами примерно от 200 до 700 м) прогрелся примерно на 0,2 градуса к началу 90х годов по сравнению с 70-ми годами[2]. Другие исследования показывают, что в течении ХХ века температура Мирового океана в слое 0-3000 метров повысилась в среднем на 0,47 градусов, причем выражено это было прежде всего в последние 50 лет[3]. Правда, это потепление средних температур происходило на фоне повышающейся контрастности между теплыми и холодными слоями.

Наиболее вероятной причиной наблюдаемого прогрева Мирового океана является конечно же происходящее сейчас потепление земного климата. Общеизвестные прогнозы от МГЭИК дают оценку 1,4 от до 5,8 °С для дальнейшего потепления климата, а значит, даже с учетом медленного теплообмена между поверхностными и глубинными водами в Мировом океане, прогрев глубинных вод в течении нынешнего столетия может составить  порядка одного и даже нескольких градусов.

Влияние изменения глобальной океанической циркуляции на процесс потепления глубинных вод.

Стоит заметить, что теплообмен между поверхностными и глубинными водами в будущем может серьезно ускорится, что связано с изменениями в современной глобальной океанической циркуляции — ее особенностью является то, что теплые течения, формирующиеся в низких широтах, текут в высокие широты в поверхностных слоях океана, в значительной мере отдавая по пути свое тепло атмосфере. А в случае значительного изменения циркуляции, теплые воды пойдут сразу в глубинные слои океана, интенсивно прогревая их. В принципе, достаточно даже просто замедлить теплые поверхностные течения, чтобы уменьшить отвод ими тепла в атмосферу высоких широт и увеличить приток тепла в глубинные слои океана в низких широтах (одними лишь мелкомасштабной конвекцией и теплопроводностью).

Как известно, в высоких широтах Северной Атлантики происходит процесс опускания ко дну охлажденных вод и дальнейшее распространение их в глубинных слоях по всему Мировому океану — а на смену им, по поверхности, в Северную Атлантику приходят теплые воды из низких широт (к примеру, течение Гольфстрим)  –  таким образом формируется современная межокеаническая конвейерная лента, система океанических течений.

Существуют гипотезы многих исследователей, о том что потепление климата как раз вызовет разрушение центров формирования холодных глубинных вод Мирового океана, что замедлит, а то и вовсе прекратит работу таких течений как Лабрадорское — переносящих холодную воду из высоких в низкие широты. В свою очередь это приведет к ослаблению, либо полной остановке течений подобных Гольфстриму — переносящих теплую воду из низких широт в высокие.

Почему это возможно?

Потепление климата вызывает таяние континентальных ледников, к примеру столь важного в нашем случае, как Гренландский, а также океанического ледяного покрова. Также при потеплении может происходить усиление переноса влаги в высокие широты и усиление выпадения там осадков, что должно увеличить сток в океан северных рек. Увеличение поступления пресных вод в высокие широты снижает соленость, а значит и плотность холодных вод, которые ранее тонули в более теплой воде, поступающей из низких широт. Таким образом происходит ухудшение условий для погружения холодных вод на глубину и дальнейшего их распространения по Мировому океану. Благодаря этому, как показывают различные модели, и произойдет ограничение притока теплых вод в высокие широты, а то и полная блокировка их — т.е. произойдет остановка Гольфстрима и разрушение современной термо-халинной системы океанической циркуляции.

Затормозившись в низких широтах, теплые поверхностные воды после процесса длительного испарения начнут опускаться на глубину прямо вблизи экватора — в процессе испарения соленость поверхностных вод будет возрастать, плотность их станет выше чем у глубинных вод. Так произойдет переход к халинному типу циркуляции, который, вероятно, был преобладающим в теплые эпохи земной истории (но вблизи полюсов работал термический тип) — теплые воды тонули прямо у экватора и распространялись в глубинных слоях по всему Мировому океану (в том числе и в высокие широты), более-менее равномерно прогревая его.

Как показываю расчеты[4],[5], для значительного ослабления, а то и полной остановки Гольфстрима, достаточно потепления, которое вызывает концентрация углекислого газа в атмосфере, превышающая примерно 650 ppm, что по некоторым сценариям IPCC (не учитывающим, все же такие мощные обратные связи как уменьшение растворимости углекислого газа в океане при потеплении), может произойти уже к 60-70-м годам нынешнего столетия[6] (прогнозы IPCC, однако, относят возможную полную остановку Гольфстрима на следующее столетие). А прекращение формирования холодных глубинных вод в Лабрадорском море — одном из двух основных центров формирования этих вод в Северной Атлантике — может произойти уже в ближайшие годы[7], что должно заметно замедлить перенос тепла Гольфстримом из низких широт в высокие.

Таким, образом, уже в ближайшие годы возможно и некоторое увеличение притока тепла в океанические глубины, связанное с изменением океанической циркуляции. И вполне возможно, первые признаки этого изменения уже наблюдаются[8].

Чем же грозит потепление глубинных вод?

В результате потепления толщи вод Мирового океана могут  заработать некоторые положительные обратные связи, приводящие к дальнейшему усилению и ускорению потепления (см., к примеру,[9]).

В 70-х годах ХХ века были открыты огромные природные залежи метановых газогидратов, которые нашли и на суше, в условиях вечной мерзлоты, и в океане, на глубинах от нескольких сотен метров и больше — причем почти все запасы сосредоточены именно в океане, и прежде всего, в толще его дна. При некотором изменении условий окружающей среды  метангидраты могут разрушаться, выделяя метан. Многие исследователи (из отечественных Дядин, Карнаухов и др.) указывают на возможное сильное воздействие на климат, которое способен оказать метан из разрушеных метангидратов — в залежах метангидратов метана порядка 10 тыс. Гт в пересчете на углерод[10], в то время как сейчас его в атмосфере около 5 Гт.

Кроме того, при потеплении уменьшается растворимость углекислого газа в воде, что может привести к значительному выделению углекислого газа в атмосферу, и также как и выделение метана, привести к усилению потепления. Стоит напомнить, что сейчас углекислого газа в Мировом океане содержиться примерно в 53 раза больше, чем в атмосфере.

Еще одной сильно положительной обратной связью является повышение испарения при потеплении, и соответственно, содержания водяного пара в атмосфере — а водяной пар, кстати, в настоящее время вносит основной вклад в парниковый эффект

Рассмотрим пока метангидраты.

Метангидраты и их стабильность.

Итак, метангидраты — твердые льдоподобные образования, в которых в каркасах молекул воды за счет действия ван-дер-ваальсовских сил присутствуют еще и молекулы метана, что в определенных условиях становится более энергетически выгодным, чем раздельное существование смеси из воды и метана. Для образования метангидратов требуются низкие температуры и относительно высокое давление — так, при 0 °С давление, позволяющее образоваться метангидрату и обеспечивающее его устойчивость, должно достигать порядка 25 бар — такое давление достигается в океане на глубине около 250 м. Метангидраты могут существовать и при положительных температурах, но, соответственно, при большем давлении.

Современная температура глубинных вод Мирового океана, в основном находящаяся в пределах от 0 до 5 градусов (средняя около 3-4 градусов) обуславливает глубины начала зоны, в которой могут образовываться и существовать метангидраты, приблизительно в 300-500 метров ниже уровня моря. В приполярных регионах, там где наблюдаются отрицательные температуры вод (доходящие приблизительно до —1,7 градусов в приповерхностных водах), метангидраты могут существовать и при относительно низких давлениях, на небольших глубинах, находясь при этом в метастабильном состоянии — в этих случаях работает механизм самоконсервации[11], когда при разложении метангидрата, он покрывается ледяной коркой, препятствующей дальнейшему разложению.

Стоит заметить, что основная часть метангидратов находится не в свободном состоянии, прямо в воде, а в поровом пространстве донных пород, образуя слой толщиной от нескольких сотен метров (если залежи находятся на малых глубинах ниже уровня моря), до 1 километра (если залежи находятся на больших глубинах, в несколько километров ниже уровня моря)[12].

Нижняя граница глубин залегания метангидратов определяется геотермическим градиентом в донных породах — известно, что вследствии притока тепла из недр, с глубиной температура в земной коре растет, приблизительно на несколько градусов на каждые 100 метров глубины (в спокойных участках океанической коры — на 2-3 градуса, в активных — до 4-6°C/100 м). В результате, несмотря на высокое давление, c ростом глубины температура в коре быстро становится слишком высокой для существования метангидратов — сейчас обычно предполагается, что ниже слоя метангидратов расположены скопления метана в свободном состоянии.

Метангидраты существуют и на суше, в приполярных регионах (в том числе и на малых глубинах в метастабильном состоянии), однако вопрос их стабильности выходит за рамки данной статьи. Стоит, однако заметить, что практически все запасы (около 99%) метангидратов образуют именно океанические метангидраты, что заставляет обратить на них самое пристальное внимание, тем более, что современные прогнозы изменения климата в текущем ХХI веке дают уже такое возможное повышение температур, которое может затронуть существенную часть океанических метангидратов, находящихся сейчас в зоне стабильности.

Если взглянуть на карту известных залежей океанических метангидратов[13], то увидим, что они сосредоточены в основном по краям материков. На континентальные склоны (глубины примерно 0,3-2,5 км, иногда до 3,5 км) поступает довольно много органических осадков, что позволяет возникать и переходить в метангидраты довольно большому количеству биогенного метана в этих местах. Кроме того, возможно образование метангидратов из метана, поступающего в Мировой океан благодаря дегазации земных недр, особенно в местах, где происходит подныривание одной литосферной плиты под другую (субдукция) — и здесь известные залежи метангидратов могут находится на глубинах порядка 5 км ниже уровня моря, как в случае некоторых месторождений Тихого океана[14] (но тут следует учитывать, что в активных областях геотермический градиент бывает довольно высок, что уменьшает толщину метангидратного слоя).

Итак, как мы видим, океанические метангидраты сосредоточены в основном на глубинах от нескольких сотен метров до 2-3 км, а иногда и 5-6 км ниже уровня моря. На указаных максимальных  глубинах стабильность метангидратов обеспечивается при температуре, не превышающей 26-28 °С, как это видно на фазовой диаграмме[15]. Однако тут стоит заметить — как уже говорилось выше, основная часть океанических метангидратов располагается не свободно в воде, а в поровом пространстве донных пород. А как показывают последние исследования, выполненные на кафедре геокриологии МГУ[16], в условиях грунтовых сред происходит смещение области стабильности метангидратов в сторону более высоких давлений и низких температур. Причем  при относительно большой температуре окружающей среды это смещение велико — в нашем случае оно может быть довольно серьезным и составлять несколько градусов. Вообще, это должно привести к некоторой переоценке запасов метангидратов, но в то же время, свидетельствует о том, что для разрушения их требуется меньший прогрев.

Если учесть еще и то, что температура глубинных вод тоже составляет несколько градусов выше нуля по Цельсию (в среднем 3-4 °С), то увидим, что для разложения всех запасов океанических метангидратов необходимо прогреть глубинные воды, а следом и верхний слой осадочной толщи, в котором захоронены метангидраты, приблизительно на 20 °С, либо даже несколько менее. Подчеркнем, оценка в 20 градусов, относится к метангидратам, залегающим на максимально больших глубинах относительно поверхности океана, но находящихся вблизи поверхности океанического дна — именно там одновременно существуют и высокие давления и невысокие, близкие к нулю по Цельсию, температуры (ниже, более глубоко относительно дна, температура постепенно повышается — см. выше о геотермическом градиенте). Для разложения всех остальных метангидратов требуется меньший прогрев.

Конечно, разложение всех запасов метангидратов в относительно котроткие сроки привело бы к самым катастрофическиим последствиям. Однако даже разложение относительно небольшой части современных запасов метангидратов может очень серьезно повлиять на климат — так, палеоклиматические исследования последних лет[17] показывают, что примерно 55 млн. лет назад в течение нескольких тысячелетий произошло разложение около 1200 Гт метангидратов – это примерно 1/10 часть современных запасов (а в то время, по видимому, это были все имевшиеся запасы). В результате, в конце палеоцена температура поверхностных вод Мирового океана довольно резко поднялась на 8°С, а глубинных – на 5°С. Стоит заметить, что эффект этот довольно мал, по сравнению с приводимыми ниже оценками, но следует учесть, во-впервых, что разложение, вызванное, как предполагается, поначалу тектонической активностью, шло медленно – порядка нескольких тысяч лет, и метан частью успевал выводится из атмосферы, накопление его было меньше, нежели предполагаемое ниже; во-вторых, слабее работала тогда такая сильная положительная обратная связь как потепление – концентрация углекислого газа, так как в связи с и без того высокой температурой океанических вод (примерно на 10 о С выше современной), растворено его было в океане заметно меньше, чем сейчас.

Как уже упоминалось выше, прогнозы МГЭИК дают оценки возможного потепления климата к концу нынешнего века в пределах  1,4 — 5,8 °С. Но стоит также упомянуть и последние переоценки влияния аэрозолей на парниковый эффект, которые дают величину возможного потепления к концу столетия до 7-10 °С[18].

Таким образом, потепление глубинных вод Мирового океана на несколько первых градусов становится вполне возможным — особенно после изменений в океанической циркуляции, о чем упоминалось в начале. Потепление глубинных вод и дальнейший прогрев верхнего слоя донных пород даже на несколько первых градусов уже способны серьезно сдвинуть границы зоны стабильности для метангидратов — она станет заметно тоньше. Те метангидраты, которые окажуться вне пределов этой зоны, подвергнуться разложению, и метан из них поступит в атмосферу.

Итак, если в нынешнем столетии потепление глубинных вод на несколько градусов все же произойдет (чему особенно будет способствовать усиление вертикальной конвекции — см. выше), то дальнейший теплообмен с верхним слоем донных пород, прогрев их на подобную величину, должен привести к разложению заметной части современных запасов океанических метангидратов.

Основываясь на нашем предположении о возможности разложеняи порядка 1/10 части современных запасов метангидратов, т.е. около 1000 Гт. к концу столетия, И.К. Лариным (Институт энергетических проблем химической физики РАН) был проделан приблизительный расчет концентрации и времени жизни метана в атмосфере, а также эффекта потепления от увеличения концентрации метана. К концу столетия концентрация метана в атмосфере вырастет примерно в 300 раз и составит около 300 ppm, а время жизни его в атмосфере увеличится с примерно 10 до 100 лет (время жизни — важный показатель, от него зависит накопление метана в атмосфере). Температура поверхности Земли может увеличится на 15-20 °С — однако, скорее всего реальное повышение будет меньше — при расчете радиационного форсинга использовались формулы, которые справедливы при значительно меньших изменениях концентрации метана (в пределах 0,5 –  1,65 ppm), и конечно требуется уточнение этих формул. Стоит заметить, что уже современная концентрация метана относительно  высока — в результате поглощение в центре полос у атмосферного метана уже близко к насыщению[19], а при дальнейшем сильном увеличени концентрации метана дополнительное поглощение будет происходить уже только в крыльях линий, что ослабит зависимость роста радиационного форсинга от концентрации.

Углекислый газ и водяной пар.

Даже если повышение температуры от рассчитанной концентрации метана составит всего 5-10 градусов, общее потепление может уже составить 15-20 градусов (с учетом [20]), что очень заметно повлияет на содержание в атмосфере других парниковых газов, а именно углекислого газа и водяного пара, и соответственно, на дальнейшее потепление.

Так, при повышении температуры воды с 5°С (близко к современной температуре глубинных вод) до 20°С коэффициент растворимости углекислого газа уменьшается с 1,42 до 0,88, а при повышении температуры до 25°С — до 0,76, т.е. практически вдвое. А значит, примерно половина растворенного в океане углекислого газа должна перейти в атмосферу. Сейчас в океане примерно в 53 раза больше углекислого газа, нежели в атмосфере, и увеличение содержания его в атмосфере примерно в 26 раз должно дополнительно поднять температуру примерно на 10-12 градусов — тут, даже без расчета радиационного форсинга, для грубой оценки мы воспользовались эмпирической зависимостью, найденной Будыко[21] — каждое последующее удвоение концентрации углекислого газа дает повышение температуры примерно на 2,5 °С.

При указанных значениях потепления, содержание водяного пара в атмосфере тоже должно значительно увеличится — как известно, на каждые 10°С повышения температуры содержание водяного пара в атмосфере удваивается. Водяной пар — основной на сегодня парниковый газ, вклад его в общий парниковый эффект на сегодня составляет около 21°С[22], и увеличение концентрации его в несколько раз должно заметно повлиять на дальнейшее потепление.

Часто рост содержания водяного пара в атмосфере в результате потепления связывают с ростом альбедо Земли, вследствии возможного роста облачности. Однако современные исследования показывают, что либо рост облачности идет весьма медленно (площадь растет примерно на 0,4% на каждый градус потепления, по данным И. Мохова), либо даже уменьшается. При этом также происходит перераспределение облачности по высоте и изменение ее оптической толщины — для нас важно то, что возможно уменьшение оптической толщины облаков и рост вертикальной протяженности их, особенно в нижних широтах (которые особенно важны для альбедо) — это заметно снижает отражение солнечного света облаками, но практически не снижает парниковый эффект от них.

Заключение

Выше были сделаны простейшие, очень грубые оценки возможного изменения земного климата с учетом работы положительных обратных связей между потеплением и содержанием некоторых парниковых газов в атмосфере (метан, углекислый газ, водяной пар). Однако они все же показывают, что потепление к концу века может составлять уже не единицы градусов, как это дают прогнозы МГЭИК последних лет, а первые десятки градусов, что кардинальным образом отразится на существовании земной биосферы.

Стоит учесть, что в обозримое время, прогрев этот будет крайне неравномерным, ввиду чрезвычайно быстро происходящих изменений — высокая теплоемкость Мирового океана и огромные затраты тепла, которые требуются для таяния антарктического оледенения (которое даже в таких условиях не успеет растаять) будут существенно тормозить потепление. Однако прогрев все же будет идти, и положительные обратные связи, рассмотренные выше, будут дальше его только усиливать.


[1] Иващенко О.В., "Потепление глубинных вод Мирового океана и стабильность метангидратов" // http://www.poteplenie.ru.

[2] Гаврилов А.Н., Писарев С.В. "Экспериментальные исследования возможности акустического мониторинга климата в Арктике" // Море, №11, 1995г.

[3] "Потепление Мирового океана в течение ушедшего века" // http://www.nature.ru

[4] Manabe S., Stouffer R.J. // Nature. 1993. V.364. № 6434. P.215-218.

[5] Stocker T.F., Schmittner A. // Nature. 1997. V.388. №6645. P.862-865.

[6] МГЭИК, "Изменение климата, 2001: Научные аспекты".

[7] Wood R.A., Keen A.B., Mitchell J.F.B., Gregory J.M. // Nature. 1999. № 6736. V.399. P.572-575.

[8] Иващенко О.В., "Изменение океанической циркуляции начинается?" // http://www.poteplenie.ru

[9] Карнаухов А.В., "Роль биосферы в формировании климата Земли. Парниковая катастрофа" // Биофизика, 2001, том 46, вып 6, с. 1138-1149

[10] Валяев Б.М., "Углеводородная дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений" // "Геология нефти и газа", № 9, 1997 г.

[11] Дядин Ю.А., Гущин А.Л., "Газовые гидраты" // СОЖ, №3, 1998 г.

[12] Information on Gas Hydrate // http://www.gashydrate.de

[13] Methane Hydrates Accelerated Research Initiative // http://www.nrlssc.navy.mil/~hydrates

[14] Keith A. Kvenvolden, Thomas D. Lorenson. "A Global Inventory of Natural Gas Hydrate Occurrence" // http://walrus.wr.usgs.gov/globalhydrate/index.html

[15] Seismic Characterization Of Methane Hydrate Structures // http://sepwww.stanford.edu/public/docs/sep96/paper_html/index.html

[16] http://www.geol.msu.ru/deps/cryology/sci_h_ru.htm

[17] "Earth 's ancient heat wave gives a taste of things to come" // New Scientist, 07 December 2002

[18] "Global warming's sooty smokescreen revealed" // New Scientist Online News, 04 June 03

[19] Ларин И.К. "Химия парникового эффекта" // Химия и жизнь, № 7-8, 2001, стр. 46-51

[20] "Global warming's sooty smokescreen revealed" // New Scientist Online News, 04 June 03

[21] Будыко М.И., "Климат в прошлом и будущем" // Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

[22] Монин А.С., Шишков Ю.А., "Климат как проблема физики" // УФН, том 170, № 4, 2000 г.

[23] Мелешко В.П., Катцов В.М, Спорышев П.В., Вавулин С.В., Говоркова В.А., "Изучение возможных изменений климата с помощью моделей общей циркуляции атмосферы и океана" // Изменения климата и их последствия.– Спб.: Наука, 2002.

 

Источник: Poteplenie.Ru

Актуальная репликаО Русском АрхипелагеПоискКарта сайтаПроектыИзданияАвторыГлоссарийСобытия сайта
Developed by Yar Kravtsov Copyright © 2016 Русский архипелаг. Все права защищены.