В декабре 2020 года в рамках Парижского соглашения по климату более 70 стран приняли амбициозные национальные обязательства, направленные на снижение темпов потепления нашей планеты. Считается, что оно ускоряется из-за антропогенного парникового эффекта, а переход мировой экономики к «зеленой» энергетике будет способствовать безопасности будущего Земли. Парижское соглашение предусматривает существенное сокращение выбросов CO₂ и CH₄ (метана), ограничение роста глобальной температуры в XXI веке до 2 °С, а лучше до 1,5 °С.

Однако в Стратегии энергетического развития не учитывается факт арктического климатического усиления (Arctic amplification). С начала индустриальной революции в конце XIX века Земля нагрелась примерно на 0,8 °C, в то время как за тот же период Арктика – на 2–3 °C. А отдельные районы этой территории – на 4 °C. Рост уже за пределами самых пессимистичных сценариев Парижского соглашения на конец ХХI века. Потепление Арктики драматически проявляется в криосфере планеты: сокращает площади и толщину морских льдов Северного Ледовитого океана, создает отрицательный баланс масс покровных ледников Гренландии, способствует деградации наземной и подводной мерзлоты. Все это, меняя баланс углерода на Земле, приводит к необходимости пересмотра теории климата.

Сегодня для понимания ключевых процессов взаимодействия и обратных связей в системе «климат – криосфера – углерод» необходимы не только морские исследования, но и создание комплексной стратегической программы на национальном и международном уровнях. Этим обусловлена поддержка Российским научным фондом проекта «Потоки и генезис органического вещества в системе „суша – шельф” в Российской Арктике: климатическая роль деградации мерзлоты», работы по которому возглавляет член-корреспондент РАН Игорь Семилетов (на снимке):

– Началу проекта предшествовала экспедиция НИС «Академик Мстислав Келдыш», участие в которой в 2020 году приняли 69 ученых из 10 стран, – начал рассказ ученый. – Они комплексно изучали причинно-следственные связи в арктической системе «суша – шельф – атмосфера», где климатическое потепление и деградация многолетней мерзлоты «вскрывают» резервуары древнего углерода. Экспедиция была организована лабораторией арктических исследований Тихоокеанского института ДВО РАН (ее руководитель – И. Семилетов – Прим. ред.) совместно с зарубежными партнерами из Стокгольмского университета.

Будучи широким и мелководным, шельф морей Восточной Арктики (МВА), содержит более 80 % всей подводной мерзлоты. Он является гигантским резервуаром древнего органического вещества (ОВ), включая гидраты и свободный газ (в основном метан). Поэтому мы предполагаем, что метановый потенциал МВА в сотни раз превосходит объем метана в современной атмосфере. При условии прогрессирующей деградации подводной мерзлоты и усилении эмиссии газа в атмосферу это приведет к труднопредсказуемым климатическим последствиям. А исследования сложного взаимодействия обратных связей между потеплением и деградацией криосферы, вызывающих существенные изменения в цикле углерода и цикле пресной воды (драйверов климатических изменений), до последнего времени недооценивались на уровне правительств стран, подписавших Парижское соглашение. Принятые за основу карбоновые бюджеты – неполные, в них не учтены мобилизация древнего углерода мерзлоты в современные биогеохимические циклы Арктики. Говорю об этом уверенно потому, что российские ученые уже несколько лет ведут изучение роли мелкозалегающих арктических шельфовых и склоновых гидратов в формировании аномально большого притока метана. По нашим данным, запасы этих гидратов составляют от 500 до 1000 миллиардов тонн углерода. Для сравнения: в атмосфере содержится только 5 миллиардов тонн. И в случае дестабилизации 5–10 % потенциала арктических гидратов (попадании их в водную толщу и атмосферу) произойдет потепление на 2–3 градуса Цельсия за считанные десятки лет. Это уже апокалипсический сценарий, который пока представляется маловероятным. Но результаты, полученные с использованием современных технологий, показывают: концентрация атмосферного метана над Арктикой уже на 10 % выше, чем где-либо на планете.

Как рассказал Игорь Семилетов, новая технология измерений концентраций растворенного метана с применением лазерного спектрометра позволила ученым увеличить количество измерений на пять порядков, то есть в 100 000 раз! Это помогло выявить тонкую структуру распределения метана, растворенного в поверхностной воде: в прибрежной зоне МВА концентрация его едва ли не в 30 раз выше той, что в атмосфере. А в мелководной зоне моря Лаптевых, где ранее предполагалось наличие сплошной мерзлоты, открыто поле морских кратеров. Обнаружены они и в Восточно-Сибирском море, где океан буквально кипит метаном, выделяя в сутки до 100 кг газа. Кроме того, экспедиции выяснили, что в 2020 году увеличилось количество крупных струй метана в море Лаптевых.

– Игорь Петрович, какого рода исследования ведутся в рамках проекта?

– Они нацелены на выявление характера осадконакопления: органических веществ речного и эрозионного происхождения во всех морях Восточной Арктики и в Карском море, на прибрежной зоне полуострова Ямал и в Обской губе, где сконцентрированы более всей 80 % подводной мерзлоты. Это уникальный регион мира, где речной сток влияет на глобальные климатические процессы. Пресноводный сток в Северный Ледовитый океан составляет примерно 1 % объема Мирового океана, но он растет, потому и наблюдается аномальное опреснение морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Результатом нашей работы станет количественная оценка углеводородного потенциала донных отложений, в первую очередь метанового. Впервые продемонстрируем и оценим роль микросейсмических событий в процессах деградации мерзлоты и усиления выброса метана, включая образование кратеров на Ямале и прилежащем шельфе. Полученное знание позволит развить усовершенствованную модель деградации подводной мерзлоты.

– Каким образом?

– Новый методологический подход основан на многоуровневом и многокомпонентном анализе комплекса органо-геохимических, биогеохимических, изотопных, микробиологических, геологических и геофизических данных, которые будут интерпретированы и использованы для тестирования и оптимизации целого ряда взаимоувязанных моделей. Реализация модельного комплекса поможет оценить современную и будущую роль арктических морей в региональном и глобальном циклах углерода в контексте изменений потенциала роста эмиссии парниковых газов. Это очень важно для понимания и оценки природной связи между потеплением климата, деградацией подводной и прибрежной мерзлоты и включением в современный цикл древнего углерода.

– Для таких масштабных работ нужны надежные партнеры и научный флот, есть они?

– Координацию и реализацию исследований мы выполняем в тесном сотрудничестве с ключевыми участниками работ – академиком РАН Леопольдом Исаевичем Лобковским, профессором Николаем Васильевичем Пименовым, профессором Натальей Евгеньевной Шаховой – и стратегическими партнерами – группами ученых под руководством профессора Евгения Александровича Романкевича (Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН) и профессора И. В. Перминовой (химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова). Сейсмологические и электромагнитные исследования, ориентированные на выявление структуры подводной мерзлоты, ведем совместно с геологическим факультетом МГУ и Геофизическим центром РАН. Есть договоренность о безвозмездном сотрудничестве в развитии модели деградации полярной мерзлоты и дестабилизации гидратов с компьютерной группой из Университета Беркли (Калифорния, США) и специалистом в области моделирования профессором Никольским из Аляскинского университета в Фэрбенксе.
Микробиологическую часть исследований выполняем с использованием аппаратурных возможностей ФИЦ Биотехнологии РАН, ТПУ, ОАО «ТомскНИПИнефть» – головного аналитического центра «Роснефти», и ИО РАН. Экспериментальные и натурные термодинамические исследования, включая образование и разрушение гидратов, ассоциированных с изменениями в состоянии подводной мерзлоты, ведем с гидратной группой Сколтеха.

А вот с научным флотом все сложнее. Исследования планировались в самых ледовитых и малоизученных морях Восточной Арктики и в Карском море, где в последние годы нами были выявлены крупные площади массированной пузырьковой разгрузки метана. Это значит, что вести их надо было в конце августа – начале сентября, чтобы успеть все выполнить до начала интенсивного льдообразования (конца безопасной навигации). Однако из-за бюрократических проволочек и в 2021-м, и в 2022 годах выходы НИС «Академик Мстислав Келдыш» из портов Архангельска и Мурманска состоялись в октябре, что привело к невозможности достижения районов исследования, так как они уже были покрыты 10-балльными льдами и многочисленными айсбергами. Из-за опасностей мореплавания комплексные исследования были переформатированы на работу в Карском и Печорском морях. Но и в этих условиях удалось открыть глубокие воронки взрывного типа на шельфе Карского моря, а в Печорском (юго-восточная часть Баренцева моря) благодаря впервые выполненным комплексным исследованиям обнаружили поле пингоподобных структур с признаками слабой струйной разгрузки пузырькового метана. Предполагается, что это явление – предвестник пузырьковой дегазации-разрушения пингоподобных структур МВА. В текущем году крайне необходимо проведение полномасштабных национальных исследований в МВА, включая работы в районе острова Врангеля, который находится под особым вниманием федеральных органов РФ. Это особенно актуально в сложных современных геополитических условиях после прекращения сотрудничества в рамках Арктического совета. Надеемся, что вклад нашего коллектива в национальный отчет РФ в мае 2023 года при передаче председательствования в Арктическом совете от РФ к Норвегии убедительно продемонстрирует международному научному сообществу, что проведение климатических исследований в Арктике невозможно без участия России.

– Как можно ваши результаты применить во благо страны?

– Приведу лишь несколько примеров. Знания о глубине залегания кровли подводной мерзлоты и динамике ее разрушения критически важны для выбора места установки буровых платформ, прокладки нефте- и газопроводов. Картирование районов мегасипов с высокими скоростями пузырькового выброса могут быть индикаторами мест, где происходит дестабилизация гидратов, а это, в свою очередь, важная информация для обеспечения безопасности разведочного и промышленного бурения. Вспомните аварию, произошедшую при освоении богатств Печорского моря, а также события в Мексиканском заливе, унесшие жизни людей и приведшие к многомиллионным убыткам нефтяные компании!

В районах аномально мощных газопроявлений с пузырьковым переносом до сотен граммов метана с квадратного метра в сутки (они будут закартированы в рамках данного проекта) может стать важным еще и эффект отрицательной плавучести. Это когда пузырьки, прилипая ко дну медленно движущегося подводного объекта, меняют параметры его движения. В ходе работ по гранту РНФ будет собрана ценная информация об экологическом состоянии вод, что очень важно знать для полномасштабной эксплуатации Северного морского пути и интенсивного освоения ресурсов шельфа. Словом, проект должен обеспечить научный задел, гарантирующий не только усиление лидерской роли российских ученых в мировом сообществе в области исследования Арктики и Мирового океана, но и усовершенствование технологий разведки и добычи углеводородных ресурсов на Арктическом шельфе РФ.

– Есть уже публикации по новому гранту РНФ?

– За первые два года проекта – 28 статей в рецензируемых журналах WoS, включая 17 первого квартиля. Особенно «урожайным» был последний квартал 2022 года, когда ряд новых биогеохимических результатов увидели свет в журналах Nature Communications, Nature Geoscience, а также в Progress in Oceanography и Global Biogeochemical Cycles.

– Игорь Петрович, можно ли говорить о том, что развитие этого направления исследований уже вышло за пределы национальных интересов нашей страны?

– На Западе формируется новая научная парадигма, требующая включения дополнительной атмосферной эмиссии парниковых газов в расчет баланса полного цикла углерода. На наш взгляд, Россия может возглавить эти исследования на мировом уровне: во-первых, по причинам географическим (около 70 % РФ покрыты мерзлотой, примерно 80 % всей подводной мерзлоты находятся на Арктическом шельфе РФ), во-вторых потому, что мы – лидеры в этом направлении исследований не первое десятилетие. Для большинства адекватно мыслящих российских и зарубежных ученых очевидно, что без участия России, на территории которой находятся великие сибирские реки и более половины всей наземной мерзлоты, эффективные климатические и экологические исследования невозможны.

Для развития лидерских стратегических позиций РФ на международной арене крайне необходимо расширение программы исследований, начатых под эгидой РНФ в 2021 году путем создания национальной программы на федеральном уровне, в рамках реализации государственной научно-технической политики в области экологического развития РФ и климатических изменений.

Источник: научно-информационный портал «Поиск».
Подготовил Андрей Субботин.