Механизм выбросов метана при поверхностном замерзании осенью

Введение

По данным Межправительственной панели по изменению климата (IPCC), метан имеет глобальный парниковый потенциал, который в среднем в 28–34 раза превышает показатели углекислого газа (СО₂), на протяжении ста лет ^[1]. В представленном в конце 2023 г. Сводном отчете МГЭИК отмечается, что причина глобального потепления на 1,1°C в 2011–2020 гг. в сравнении с периодом 1850-1900 гг. стала хозяйственная деятельность человека ^[2]. В Отчете отмечается, что отсутствие действий по сокращению парникового эффекта от хозяйственной деятельности человека приведет к глобальному потеплению на 1,5°C в течение ближайших 20 лет. Это увеличит риск всех опасностей и негативных последствий для жизни на Земле при изучении всех возможных смоделированных ситуациях.

Одним из катализаторов парникового эффекта является метан (СН₄), который выделяется в том числе из естественных экосистем, таких как водоемы и почвы. Стоит разделять эмиссии и выбросы СН₄. Эмиссия характеризуется небольшим выделением СН₄ в атмосферу, тогда как выброс подразумевает выделение большего количества метана. Проблемой данного исследования является то, что полностью механизмы выброса метана при замерзании не до конца изучен ^[3].

Также в этом исследовании представлены современные методы и программы для оценки воздействия на окружающую среду, для проведения термического анализа, а также для трехмерного моделирования проектов и картографических исследований. На данном этапе развития геологии, геоэкологии и грунтоведения такие современные решения могут стать частью комплекса мер по снижению углеродного следа.

Данное исследование посвящено изучению механизмов выброса СН₄ при замерзании поверхности водоемов и поверхности почв. Задачами исследования являются: определение факторов, влияющих на интенсивность выбросов СН₄, изучение физико-химических процессов, происходящих в период замерзания, оценка влияния температуры и других условий на выделение СН₄.

Стоит отметить, что исследование механизма выбросов метана в период замерзания осенью важно не только с точки зрения экологии и экосистемы, но и для того, чтобы разработать адекватные меры мониторинга профилактики и управления климатическими рисками. Есть две стратегии поведения комитетов по климату правительств разных стран: «стратегия митигации» (стратегия уменьшения последствий) и «стратегия адаптации» (подстраивание под новые условия) ^[4]. Для реализации той или иной стратегии необходимо иметь достаточный и релевантный инструментарий, который и рассматривается в данной статье. Таким образом, данное исследование может быть актуальным для решения глобальных экологических и климатических проблем ^[5].

При проведении исследования применены методы систематического обзора литературы, сравнительный метод, метод визуализации, синтез.

Выбросы метана и факторы изменения климата

Водоемы, особенно в северных широтах, являются существенными источниками эмиссии и выброса СН₄. Метан образуется в водоемах в результате анаэробного разложения органических веществ и донных отложений. Этот процесс обычно активируется различными факторами, такими как изменение температуры, повышение доступности органического материала, динамика химических условий в воде. Часто учеными рассматриваются арктические регионы, в которых сосредоточены большие массы льда, подверженные изменения в связи с глобальным потеплением ^{[6, 7, 8]}.

Таким образом, самые значительные выбросы СН₄ случаются тогда, когда происходит изменение температуры, поэтому особенно актуальным является рассмотрение механизмов выброса метана в осенний период, когда происходит замерзание и таяние льдов. Это оказывает значительное влияние на динамику метановых выбросов, водоемы покрываются ледяной коркой, которая таким образом задерживает СН₄, а затем, когда происходит резкое потепление, это приводит к выбросу. Для науки особенно важными являются расчеты силы выброса СН₄ в зависимости от тех или иных факторов.

Из табл. 1 видно, что факторы и для почвы, и для водоемов имеют схожее происхождение, что связано с тем, что они находятся в одной экосистеме. Эти факторы, которые могут изменить процесс эмиссии и выбросов метана при замерзании. Также в последние годы появляются и другие, более сложные модели, которые могут изучать выбросы метана в течение длительного времени или с учётом пространственных изменений. Так, норвежские ученые предложили концептуальную модель, которая устанавливает эндогенную и взаимоусиливающую связь между уязвимостью, насилием и воздействием на изменение климата ^[12].

Несмотря на сделанный вывод, исследования последних лет в различных регионах мира показывают, что общего понимания механизма метановых выбросов не существует ^[13]. Большие различия наблюдаются в зависимости от региона и динамики выбросов. Так, северные высокоширотные водно-болотные земли тундры вносят существенный вклад в общие выбросы СН₄. Отмечено, что выбросы падают после вегетационного периода и значительно увеличиваются в период замерзания, причем их количество примерно равно выбросам в течение всего летнего сезона ^[14].

Исследования в Северной Аляске в течение шестнадцати лет привели к выводу, что осенние повышения выброса СН₄ коррелируют с более поздним замерзанием почвы, что связано с тем, что температура почвы держится около 0˚C перед замерзанием ^[15]. Еще одно исследование позволило наблюдать повышенные концентрации СН₄ и СО₂ в почве и воздухе в процессе замерзания почвы и росте снежного покрова при отсутствии вечной мерзлоты ^[16].

Четырехлетние измерения на озере Ильмензее показали, что хранение СН₄ сильно отличается по годам. Если в 2012 году годовой максимум был 5250 кг метана, то в 2013 году – 2013 кг метана. Ученые установили, что это не связано с наличием или отсутствием кислорода в воде или температурой осадков, а связано с поступлением в водоем органических веществ, в частности, с цветением фитоплактона, который способен хранить метан в течение года ^[17].

Исследования на польском озере Кортовское в течение четырех лет также продемонстрировали различия в среднегодовых значения, однако они не были большими: средние выборы в 2019, 2020, 2021 и 2022 гг.. составили 13,7, 10,1, 11,8 и 11,6 мг соответственно. Основными факторами влияния на выбросы были названы температура воды и температура воздуха. Исследование позволяет прогнозировать увеличение выбросов СН₄ более чем на 30% к 2100 году ^[18].

На торфянике равнины Саньцзян в Китае было зафиксировано значительное увеличение выбросов СН₄ в период замерзания и оттаивания ^[19]. Период весеннего таяния снега также вызывает больший выбор СН₄ на торфяннике на Хоккайдо в Японии ^[20].

Трансформация механизмов выбросов метана при поверхностном замерзании почвы и воды

Для сбора данных можно использовать сенсоры для изменения концентрации метана в воде, например, газоанализатор и инверсионные камеры. Также для исследования состава воды и донных отложений можно использовать пробоотборники. Для измерения температуры воды и льда – специальные термометры. Также применяется изотопный метод при наблюдении за пространственно-временным распределением атмосферного CH₄ ^[21].

Рассмотрим детально механизм выброса СН₄ при поверхностном замерзании водоема осенью:

1. Начало осеннего сезона, что ведет к понижению температуры воздуха.
2. Понижение температуры воздуха ведет к постепенному понижению температуры воды.
3. Понижение температуры воды приводит к замерзанию водоема и началу процесса образования льда на поверхности водоема.
4. Ледяной барьер на поверхности водоёма приводит к ограничению газообмена между водой и атмосферой.
5. Из-за ледяного барьера происходит естественное накопление СН₄ в воде и в донных отложениях.
6. Смена температуры приводит к таянию льда и образованию трещин ледяного покрова на водоеме.
7. Происходит выброс СН₄ в атмосферу через трещины во льду.
8. Воздействие метана на атмосферу, увеличение его концентрации в атмосфере, что способствует парниковому эффекту.

Представим этот механизм в виде наглядной схемы (рис. 1):

Рис. 1. Механизм выброса метана при поверхностном замерзании водоема (разработано автором).

Поскольку ранее мы выяснили, что механизм выброса СН₄ при поверхностном замерзании почвы является таким же, можно отнести описание и схему и к этой части экосистемы. Вода на рисунке может быть заменена на почву, под которой находятся скопления метана. В месте разлома или оттаивания льда происходит выброс СН_4.

Методы исследования механизмов выброса метана и их предупреждения

Для глубокого исследования механизмов выброса СН₄ на местности геологам и картографам необходимо использовать современное оборудование, а также инновационное программное обеспечение. Одним из примеров такого ПО является уникальный программный комплекс Solidworks ^[22], который предполагает его использование в таких направлениях, как инженерная геология, мерзлотоведение, грунтоведение и др.

Общая ситуация механизмов выброса метана в природе можно описать в следующей классификации:

1. Разложение органики. В условиях недостатка кислорода, например, в болотах, торфяниках и на дне водоемов, микробы разлагают органические вещества, выделяя метан как побочный продукт. Крупный рогатый скот и другие травоядные выделяют метан в процессе пищеварения (метаногенез) через отрыжку. В почвах, особенно в условиях высокой влажности, некоторые микроорганизмы могут производить метан в процессе разложения органических веществ.. Разложение растительности в условиях, когда кислород ограничен, также может приводить к образованию метана.

2. Подводные отложения. Метан может находиться в форме гидратов на дне океанов и в арктических регионах. При изменении давления или температуры эти гидраты могут разлагаться, высвобождая метан в атмосферу.

3. Тектоническая активность. В некоторых регионах метан может выделяться из недр Земли в результате геологических процессов, таких как разломы и вулканическая активность.

Человеческая техносфера тоже может способствовать выбросу метана в атмосферу. Хотя это не совсем природный механизм, стоит отметить, что некоторые выбросы метана происходят из природных источников, таких как нефтяные и газовые месторождения, где метан может утекать в атмосферу.

Измерение выбросов метана сложно, особенно в удаленных или труднодоступных районах: большие пространства и сложные геологические наслоения крайне неудобны для исследований. Это затрудняет оценку масштабов проблемы и разработку эффективных стратегий. Уровни выбросов могут варьироваться в зависимости от времени года, погодных условий и других факторов, что делает мониторинг еще более сложным, внедрение технологий для упреждения выбросов метана может требовать значительных инвестиций. Например, в сельском хозяйстве могут потребоваться новые методы управления скотом и кормами, или по изучению микрофлоры почв, химического состава литосферы, поиска косвенных маркеров возможных выбросов газа. Разработка и внедрение новых технологий, таких как системы улавливания метана на свалках или в животноводстве, могут быть сложными и требовать времени , затраты на фундаментальную науку в рамках грантовой системы небольшие, бизнес и государство хочет быстрый результат (в итоге не имия никакой).

SOLIDWORKS Sustainability выявит факторы воздействия на окружающую среду в режиме реального времени. Результаты отображаются в Панели оценки экологического воздействия, которая динамически обновляется при внесении изменений.

Пользовательские отчеты позволяют представить полученные результаты для всеобщего пользования.

Так, инженеры используют специальное расширение программы Solidworks Sustainability, которая имеет панель оценки экологического воздействия в режиме реального времени. Она позволяет отображать оценку воздействия предпринимаемых действий или разрабатываемого проекта на окружающую среду по двум разным методологиям оценки: CML или TRACI. Первый метод используется по умолчанию и предназначен для региональных климатических условий европейских государств, второй метод основан на данных о природных и климатических условиях Северной Америки.

Программа Solidworks Sustainability позволяет производить расчет основных экологических индикаторов: углеродного следа, потребления энергии, загрязнения воды и окисления воздуха. В оценку углеродного следа входит оценка углекислого газа и метана. Углеродный след отображается в виде диаграмм, которые демонстрируют степень воздействия и выражается в процентах. Кроме того, это программное обеспечение позволяет сравнить эффект новых параметров с эффектом тех параметров, которые были применены ранее (рис. 2).

Рис. 2. Показатели воздействия на окружающую среду в программе Solidworks (источник — сайт Solidworks).

Рассмотрим другие методы изучения механизмов выбросов метана, которые позволяют определять залежи скопления газов и предотвращать их воздействие на озоновый слой. Так, для распознавания газовых факелов в Мировом океане на глубине от нескольких десятков метров до нескольких километров ученые используют акустический метод. В частности, применяются усовершенствованные судовые эхолоты, такие как «Сарган-ЭМ», «ELAC LAZ-72», гидролокаторы «Сарган-ГМ», а также многоканальная система цифровой регистрации акустических сигналов.

Так, в 2021 г. группа исследователей опубликовала результаты исследований потока метана из газовых факелов, проведенных на борту НИС «Академик М. А. Лаврентьев» в Охотском море на глубине 2220 м. Они наблюдали за количеством выделяемого метана в течение 2012–2018 гг. и выявили прямую связь между выбросами метана и глубинными землетрясениями, произошедшими в Охотском море ^{[23, 24, 25]}.

Подобный гидроакустический комплекс из современных эхолотов, гидролокаторов и специального программного обеспечения позволяет осуществлять сбор акустической информации при вертикальном зондировании. Это бережный метод, который не нарушает естественное состояние газовых факелов, позволяя собирать о них всю необходимую информацию. Эхолоты работают вертикально на разных частотах, сканируя водную толщу и морское дно ^[26]. Гидролокаторы могут осуществлять сканирование под любым углом, что в совокупности дает максимальный обзор изучаемой области. Результат отображается в виде детальных эхограмм (рис. 3).

Рис. 3. Результат отображения данных эхолота ^[18].

Следующий метод выявления выбросов метана – дистанционное зондирование, которое может применяться для определения сейсмических аномалий. В 2024 г. группа ученых впервые применила этот метод с помощью Robust Satellite Technique (RST) ^[27]. Эта технология позволила им изучить данные о выбросах CH₄, полученные с помощью атмосферного инфракрасного зонда, а затем применить их к землетрясению в Турции и Сирии 2023 года.

Данные о выбросах метана был получены с помощью гиперспектрального датчика, который установлен на одном из искусственных спутников Земли. Датчик имеет 2378 спектральных каналов и способен сканировать всю планету дважды в день. На основе полученных данных была разработана трехмерная структура аномальных выбросов метана, однако ученые отмечают, что миграция воздушных масс и атмосферная циркуляция вносят серьезные коррективы в результаты исследования ^{[28, 29]}. При необходимости изучить выбросы метана в конкретном регионе могут наблюдаться временные ^[30] и региональные неточности. Однако метод дистанционного зондирования с помощью спутника был впервые опробован для установления механизмов выбросов метана, что уже является важным шагом для научного сообщества.

Заключение

В ходе исследования выявлены основные факторы, влияющие на интенсивность выбросов метана при поверхностном замерзании почвы или водной поверхности во время осенне-зимнего периода: температура, содержание органических веществ, уровень воды, тип среды, состояние микробиоты, толщина льда и уровень осадков. Показано, что низкие температуры замедляют метаногенез, а высокие - ускоряют и способствуют выбросу газа. Установлено, что факторы, влияющие на метаногенез как в почве, так и в водоемах, имеют схожее происхождение, что обусловлено их нахождением в единой экосистеме. Исследование позволило разработать методы контроля и управления метановыми выбросами при сезонном похолодании. Показана эффективность использования современного программного комплекса Solidworks для моделирования процессов метаногенеза, а также применения акустического метода и дистанционного зондирования для определения выбросов метана.

Основным итогом данного исследования является визуализация механизма метановых выбросов при замерзании, с демонстрацией сути выбросов большого количества СН_4, на основе данных о температуре, толщине льда, осадках, микробном содержании воды или почвы. Систематизация и анализ данных о влиянии набора этих факторов способствует глубокому пониманию механизма выброса метана в каждой конкретной экосистеме.

Полученные результаты имеют важное значение для разработки стратегий мониторинга и управления климатическими рисками, включая как стратегию уменьшения последствий (митигации), так и стратегию адаптации к новым условиям. Исследование доказывает необходимость дальнейшего изучения механизмов выбросов метана для эффективного решения глобальных экологических и климатических проблем.

Научная новизна данного исследования заключается в том, что в нем разрабатываются механизмы выброса метана при изменении температуры осенью с разных поверхностей: с поверхности водоемов и с поверхности почвы, а также в статье предложены методы по контролю данного механизма и управлению метановыми выбросами при сезонном похолодании.