Версия для печати

Потеря устойчивости климата под действием разложения больших масс океанических метангидратов

Учет обратных связей между потеплением и потоком парниковых газов из их естественных резервуаров может изменить прогнозные оценки потепления.

апрель 2011г.

Основной поток обсуждений проблемы изменения климата на Земле все последние десятилетия сводится к обсуждению проблемы антропогенных парниковых газов, и их прямого воздействия на тепловой баланс планеты. Однако, кроме прямого воздействия, в реальной климатической системе существуют опосредованные воздействия, которые могут дать очень значимый эффект. 

К примеру, существуют положительные обратные связи между потеплением (вызванным любыми причинами) и выбросами парниковых газов из их естественных резервуаров, так как во многих таких резервуарах, хотя парниковые газы и хранятся в законсервированном виде, но стабильность их невелика, и при небольшом повышении температуры они могут быть разрушены. Причем в таких резервуарах хранятся запасы парниковых газов, значительно превышающие по количеству все возможные антропогенные выбросы. Эффект от их высвобождения значительно превысит эффект потепления от человеческой деятельности. В таком случае, выбросы от человеческой деятельности можно рассматривать как спусковой крючок, триггерный механизм, запускающий значительно более мощные естественные процессы. 

Какие это парниковые газы и в каких резервуарах хранятся? К таким газам можно отнести основные на сегодняшний день парниковые газы — углекислый газ и метан. Только у них есть достаточные природные резервуары с большими запасам законсервированных газов. 

Так, углекислый газ в значительных количествах растворен в водной толще океанов, его содержание там (с учетом бикарбонатов) превышает нынешнее содержание в атмосфере более чем в 50 раз. И как известно, при повышении температуры, растворимость углекислого газа в воде снижается. А значит он начинает выделяться в атмосферу. Однако, проблема выделения углекислого газа из океанов при их прогреве, хоть и редко, но обсуждается довольно давно, еще с 80-х годов прошлого столетия, и еще тогда довольно подробно разобрана (1). Другой же парниковый газ, метан, попал в поле таких обсуждений совсем недавно, только в последние годы. О нем мы и поговорим подробно. 

Хотя сейчас метан оказывает значительно меньшее воздействие на климат, чем углекислый газ, но связано это лишь с пока небольшим его содержанием в атмосфере. А если сравнивать его способность поглощать инфракрасное излучение и формировать парниковый эффект, то на единицу массы метан поглощает в 20 раз больше чем углекислый газ, в нынешних условиях. Поэтому большое  увеличение содержания метана в атмосфере может дать сильный эффект, оказать сильное влияние на климат. 

В настоящее время в атмосфере содержится около 5 Гт метана (2), и он дает вклад в общий парниковый эффект земной атмосферы около 0,8 градуса, в отличии от углекислого газа,  дающего 7,2 град (3). Радиационный форсинг от изменения его концентрации в атмосфере, т.е. та энергия, которая возвращается им в результате роста парникового эффекта обратно к поверхности Земли, составляет  0,5 Вт/м²  и равна одной трети от радиационного форсинга углекислого газа (4). В законсервированном же виде в мире может храниться до 10 тысяч Гт метана в метангидратах (Kvenvolden, 1998). 

Метангидраты представляют из себя льдоподобные образования, формирующиеся при условии высоких давлений (десятки атмосфер и выше) и невысоких температур (от нуля до нескольких десятков градусов Цельсия) из воды и находящегося в ней метана. Молекула метана проникает в каркас молекулы воды и под действием ван-дер-ваальсовских сил формирует структуру, которой энергетически более выгодно существовать в виде клатрата, чем в раздельном виде смеси воды и метана. Такие условия для формирования метангидратов существуют как раз в океанских глубинах (от нескольких сотен метров и ниже), где и сформирован сейчас наибольший естественный резевуар законсервированного метана. 

Чтобы оценить возможные разрушения метангидратных запасов, достаточно взглянуть на фазовую диаграмму для метана, воды и непосредствено метангидратов.

Рис 1. Диаграмма состояний и границы перехода в различные фазы (состояния) для метана, воды и метангидратов (5) в зависимости от давления (глубины океана) и температуры.

Как видно из диаграммы, диапазон температур, при которых существуют в земных условиях метановые газогидраты, неширок. Надо учесть, что основные обнаруженные залежи метановых газогидратов залегают преимущественно на континентальном шельфе, на не самых больших глубинах, и принять во внимание среднюю глубину океанического дна (около 4 км). В итоге, можно придти к заключению, что для разрушения основной части метановых газогидратов достаточно прогрева всего лишь порядка 20 градусов. 

Для разрушения же нескольких процентов от этих запасов, достаточно прогрева всего лишь на несколько градусов, что реально уже в обозримом будущем, учитывая прогнозы Международной группы экспертов по изменению климата (IPCC), которые дают оценки потепления от антропогенных выбросов парниковых газов до 5 градусов к концу столетия. 

В 2003 году мы попытались сделать оценки возможного потепления при постепенном разложении 10% (1 тыс. Гт) от возможных максимальных мировых запасов метангидратов в течение текущего столетия. По нашей гипотезе, проф. 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 (6). 

К концу столетия концентрация метана в атмосфере вырастет примерно в 300 раз от современной, а время жизни его в атмосфере увеличится примерно с 10 до 100 лет. 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 расчетов. Следует также учесть, что расчет был сделан по вполне стандартной, используемой в IPCC модели, и потому несложно согласовать прогнозы потепления IPCC  без учета разложения метангидратов, с новыми, с учетом разложения. 

В итоге такие выбросы будут нарастать и подогревать атмосферу и океан, возникнет положительная обратная связь, самоподдерживающийся до полного истощения запасов метангидратов процесс. 

Есть ли какие-то реальные подтверждения таким гипотезам? Вначале обратимся к палеоклиматологии. В истории Земли выделяют такое явление, как Палеоцен-эоценовый термальный максимум, случившийся примерно 55 млн лет назад. Тогда по геологическим меркам очень быстро (порядка нескольких сотен лет) произошло резкое повышение температуры на планете, около 8 градусов для поверхностных вод Мирового океана и континентов, и 5-6 градусов для глубинных вод океана. Современные исследования (7) связывают это явление с массированным разрушением метановых газогидратов на планете, толчком к которому послужила вспышка тектонической активности. Согласно этим исследованиям, разрушено было порядка 1000 Гт метангидратов (т.е. то же количество, что и бралось нами для оценки возможного ближайшего будущего потепления). И по всей видимости, это были все имевшиеся на тот момент на планете метангидраты, исчерпание которых предотвратило дальнейший рост температуры.

Нормализация климата после этого повышения продолжалась сотни тысяч лет. Меньшие показатели потепления, чем представленные в результатах наших расчетов, могут объясняться тем, что время выделения того же количества метана из метангидратов было во много раз дольше, и часть метана успевала разложиться, концентрация метана в атмосфере в каждый момент времени была ниже.

Рис 2. Схематический график изменения температуры глубинных вод Мирового океана во время  Палеоцен-эоценового термального максимума (7).

Что же происходит в настоящее время? Мировой океан постепенно теплеет. Так, с 50х годов ХХ века и до середины 90х его теплосодержание в слое 0-3 км увеличилось примерно на 10²³ Дж (8). Более поздние данные, собранные системой Argo, показывают что с середины 90х и до 2008 года верхний 700-метровый слой Мирового океана получил примерно такое же количество энергии и прогрелся в среднем на 0,18 градуса (9).

Рис 3. Изображение с сонаров, фиксирующих начавшиеся массированные выбросы метана со дна моря к западу от Шпицбергена (11).

В отдельных регионах же прогрев и верхних и глубинных слоев океана больше — и в первую очередь это происходит в высоких широтах. К примеру, в проливе Фрама между Гренландией и Шпицбергеном температура воды поднялась на 2 градуса за прошлое столетие (10). И схожие явления, пусть и не такие масштабные, происходят и в других арктических регионах, что начинает сказываться на стабильности метановых газогидратов там. Так, с 2007 года рядом российских и зарубежных океанологических экспедиций начали обнаруживаться массированные выбросы метана в различных регионах Арктики. Причем иногда мощность потока метановых пузырей бывает настолько велика, что такие случаи назвали «метановыми печными трубами». 

Недавние исследования начавшегося в районе восточно-сибирского шельфа массированного выброса метана, проделанные Н. Шаховой, И. Семилетовым и др. показали, что сейчас в условиях  нестабильности находится примерно 50 Гт метана в газогидратах, и «они могут вырваться в любой момент» (12), что вызовет повышение концентрации метана в земной атмосфере в 12 раз по сравнению с текущей. 

Как мы видим, резкое повышение содержания метана в атмосфере и значительное повышение температуры на планете вследствии этого, вполне возможно уже в самом ближайшем будущем. Можно ли ожидать, что какие-то естественные механизмы способны справиться с угрозой? Или возможны ли какие-то меры, которые может предпринять наша цивилизация, которые способны снизить концентацию метана в атмосфере после того как он туда поступит из разрушившихся метангидратов? Покажем, что как минимум сейчас, нет реальных ни механизмов, ни возможных мер. 

Для того чтобы это показать, достаточно прояснить каковы механизмы удаления метана из атмосферы. А их мало — это поглощение почвенными метанпоглощающими бактериями, которое обеспечивает всего 10% стока метана из атмосферы, и основной механизм, фотохимические реакции в атмосфере при участии радикала OH (2). Благодаря ультрафиолетовому излучению Солнца, в земной атмосфере постоянно производится определенное количество радикала  OH из озона и паров воды. Однако, количество озона определяется в основном солнечным потоком, который довольно стабилен, а увеличение этого количества искусственным путем или же прямая искусственная генерация и выделение радикала OH в тропосферу, нижние слои атмосферы, чреваты значительным угнетением жизни на планете, так как это мощные окислители. 

И тут надо уже поговорить о «точках невозврата», о тех состояних климатической системы, по пересечении которых уже невозможно при тех или иных условиях вернуться в прежнее климатическое состояние. Алексеем Карнауховым в свое время была выдвинута гипотеза о двух типах «точек невозврата» в изменении климатической системы — первый тип относится к тем состояниям климатической системы, когда достаточно всего лишь сократить выбросы парниковых газов до значений, близких к естественным потокам, тогда климатическая система восстановится сама; второй тип подразумевает уже активные действия цивилизации по преодолению последствий. По всей видимости первый тип такой точки мы уже прошли (13), и находимся в районе множества точек второго типа, при движении по которым будут требоваться все большие усилия, чтобы вернуться к прежней климатической системе. Однако, в случае массированного разложения метангидратов, мы скорее всего пройдем точку невозврата, для которой можно ввести уже новый, третий тип — абсолютная точка невозврата, когда даже совокупные усилия всей цивилизаци не смогут ничего изменить. 

В качестве заключения 

Итак, мы видим:

1)      Метан является сильным парниковым газом и его запасы в связанном, законсервированном виде очень велики. В то же время резервуары этого метана, в форме метангидратов, весьма нестабильны и могут подвергнуться разложению при довольно небольшом повышении температуры.

2)      Такие случаи в истории уже были, и приводили к резкому росту температуры (во времена Палеоцен-эоценового термального максимума, также сейчас все чаще связывают великое Перм-триасово вымирание с разложением метангидратов, как одной из основных причин).

3)      В настоящее время возможные запасы метангидратов значительно превышают как минимум запасы их во время предыдущего случая массового разложения, явления Палеоцен-эоценового термального максимума, а значит и последствия могут быть другими, уровень потепления может быть заметно выше чем тогда.

4)      Массированное разложение основных мировых запасов метангидратов является «точкой невозврата» третьего рода для климатической системы, абсолютной точкой невозврата. 

Литература

1. Бас Ч. Роль океанов в углеродном цикле // “Углекислый газ в атмосфере“, коллективная монография под ред. В. Баха и др., Москва, «Мир», 1987 г.
2. Бажин Н.М.,  "Метан в атмосфере" // СОЖ, №3, 2000.
3. Монин А.С., Шишков Ю.А. "Климат как проблема физики" // УФН, том 170, № 4, 2000 г.
4. IPCC, "Climate change 2001: Synthesis report"
5. Christine Ecker, "Seismic Characterization Of Methane Hydrate Structures" // ProQuest Dissertations And Theses; Thesis (Ph.D.)--Stanford University, 1998.; Publication Number: AAI9837195; ISBN: 9780591908855; Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 59-06, Section: B, page: 2638.; 129 p.
6. Иващенко О., "И вновь о возможном разрушении части мировых запасов метановых газогидратов." // http://poteplenie.ru/news/news220803.htm
7. "Earth 's ancient heat wave gives a taste of things to come" // New Scientist, 07 December 2002
8. Gouretski, V., and K. P. Koltermann, "How much is the ocean really warming?" // Geophysical Research Letters, VOL. 34, L01610, 5 PP., 2007
9. Oceans warmed in recent decades // http://www.sciencenews.org/view/generic/id/59362/title/Oceans_warmed_in_recent_decades
10. Robert F. Spielhagen et al., "Enhanced Modern Heat Transfer to the Arctic by Warm Atlantic Water" // Science, Vol. 331 no. 6016 pp. 450-453 DOI: 10.1126/science.1197397
11. "As Arctic Ocean warms, megatonnes of methane bubble up" // New Scientist, 17 August 2009
12. N. Shakhova, I. Semiletov, A. Salyuk, D. Kosmach, "Anomalies of methane in the atmosphere over the East Siberian shelf: Is there any sign of methane leakage from shallow shelf hydrates?" // EGU General Assembly 2008, Geophysical Research Abstracts, 10, EGU2008-A-01526
13. K. C. Armour, G. H. Roe, "Climate commitment in an uncertain world" // Geophysical Research Letters, VOL. 38, L01707, doi:10.1029/2010GL045850.