Что скрывает вечная мерзлота: залежи метана в термокарстовых озерах
В связи с потеплением климата многолетняя мерзлота, занимающая значительную территорию нашей страны, деградирует. Эти процессы приводят к тому, что, во-первых, изменяется сам рельеф местности: почва проседает, поскольку лед внутри нее превращается в воду. Так образуются болота и термокарстовые озера. Во-вторых, органика, находящаяся в многолетнемерзлых породах, под действием тепла начинает разлагаться и выделять в том числе метан — один из парниковых газов.
«Вообще, СН4 — очень актуальная тема в последние 20—25 лет, — говорит один из авторов статьи ведущий научный сотрудник ИМЗ СО РАН кандидат географических наук Никита Иванович Тананаев. — Особенно это касается того метана, что попадает в атмосферу из озер и болот, которые являются, можно сказать, его родиной. Важно понять, откуда берется СН4 в приповерхностной зоне водоема, как в этот слой (он называется эпилимнион) переносится и куда уходит в дальнейшем».
Ученых, которые занимаются этой тематикой, интересует биогенный метан — то есть тот, который главным образом производится бактериями в анаэробных (при отсутствии кислорода) условиях. Именно такой средой являются донные отложения озер. «Вообще, самая первая гипотеза по этому поводу была следующей: метан вырабатывается там, затем путем диффузии или пузырькового транспорта доходит до поверхности и частично поедается бактериями-метанотрофами, а частично — вылетает в атмосферу», — объясняет Никита Тананаев. Однако позже выяснилось, что не весь СН4 имеет своим источником донные отложения: частично он может вырабатываться бактериями непосредственно в эпилимнионе, а частично — поступать в озера с притоком воды. Со временем стали понятны и другие процессы, которые происходят внутри водоемов и тоже участвуют в цикле метана.
«В итоге так и возникла идея нашего исследования — выбрать несколько озер в разных мерзлотных условиях, взять образцы, провести измерения, попробовать оценить происходящее в толще воды по данным как полевых измерений, так и лабораторных результатов, — рассказывает Никита Тананаев. — В число измеряемых параметров вошли: концентрации растворенного кислорода, метана, углекислого газа, растворенного углерода, изотопный состав углерода и водорода в метане и СО2, видовой состав архей (микроорганизмов, которые потребляют или выделяют СН4). Дальше мы моделировали процесс вертикального переноса метана и сравнивали с фактическими данными, чтобы понять, в чем причина ошибок моделирования, какие процессы и за что могут отвечать».
По словам ученого, озеро было выбрано совершенно случайным образом: оно было типичным для водоемов такого происхождения, и в его развитии основную роль играет таяние вечной мерзлоты. «Сначала коллеги его назвали "Никита", в мою честь, но потом для публикации все-таки передумали», — улыбается исследователь.
Самое важное, что удалось показать специалистам: весь метан в эпилимнионе озера выработан в нем же или поступил с боковым притоком воды. Со дна не поднялось нисколько СН4, он весь окислился бактериями, далеко не достигнув поверхности. «Кроме того, есть еще интересные результаты: во-первых, оказалось, что ниже четырех метров в озере отсутствует растворенный кислород; во-вторых, в интервале глубин от четырех до шести метров отсутствует и растворенный метан; в-третьих, оказалось, что СН4 в бескислородной части озера потребляют аэробные метанокисляющие бактерии, а не анаэробные», — говорит Никита Тананаев. Результаты работы опубликованы в статье, которая вышла в журнале Scientific Reports.
Он приводит абсолютные величины. Если говорить про общий бюджет метана в озере, то получается, что в самый нижний слой (гиполимнион) поступает около 113 микромоль СН4 в час с квадратного метра площади. Еще 498 микромоль производится археями в водной толще гиполимниона — итого 611 микромоль в час. Весь этот объем потребляется в верхней части металимниона (промежуточного слоя воды). Причем, как выяснилось, метан перерабатывается в основном аэробными метанотрофами, которые оказываются активны в бескислородных водах. «Возможно, весь кислород в гиполимнионе как раз потребляется этими бактериями, поэтому он и отсутствует в воде, — комментирует Никита Тананаев. — Однако весь метан, который находится в приповерхностной зоне, выделяется в атмосферу, но это составляет около 56 микромоль в час с квадратного метра, то есть на порядок меньше, чем вырабатывается в гиполимнионе».
Специалист отмечает, что пока неясно, с чем связаны эти особенности цикла метана в конкретном изученном озере. Чтобы понять, частный ли это случай или закономерность, нужны дальнейшие исследования, а также определенные характеристики водоема. Он должен быть достаточно глубоким, чтобы арктическим летом в нем могла развиться устойчивая и выраженная стратификация — разделение на резко отличающиеся по своим свойствам слои.
«Раньше считалось, будто деградация вечной мерзлоты будет обязательно приводить к увеличению выбросов метана из термокарстовых озер, а наша статья показывает, что эмиссия СН4 может регулироваться внутренним циклом этого газа в самом озере, и связь между потеплением и эмиссией метана сложнее, чем казалось раньше», — подчеркивает Никита Тананаев.
Оригинальный материал предоставлен порталом «Наука в Сибири»