Когда рванет метановая бомба?

В октябре участники международной экспедиции на научном судне "Академик Мстислав Келдыш" зафиксировали в Восточно-Сибирском море рекордный выброс метана. Ученые отмечают, что это не единичное явление, а часть масштабного процесса дегазации недр Арктики, связанного с истончением слоя вечной мерзлоты в условиях потепления. К каким последствиям для планеты приведет неконтролируемая эмиссия метана и какие риски при этом возникают.

Зачем нам нужна мерзлота

До 65 процентов территории России покрыты многолетней мерзлотой, а более 80 процентов всей подводной мерзлоты мира находятся на российском шельфе. От ее стабильности напрямую зависят перспективы экономической деятельности в Арктике. Ведь на вечной мерзлоте, всегда считавшейся надежным фундаментом, стоят многоэтажные здания заполярных городов, шельфовые буровые платформы и портовые сооружения, по ней проложены нефте- и газопроводы, автомобильные и железные дороги. Таяние многолетней мерзлоты приведет к тому, что вся эта инфраструктура будет нарушена.

Среднегодовые температуры растут в большинстве регионов планеты, особенно быстро — в Арктике. Если температура по земному шару за последние полтора столетия выросла в среднем на 0,8 градуса Цельсия, то в Арктике — на пять градусов. Многолетняя мерзлота быстро тает, и ее верхняя граница опускается все ниже. Особенно активно это происходит на шельфе, где мерзлота круглый год находится в контакте с теплой водой, а не с холодным атмосферным воздухом.

Под мерзлотой находится слой осадочных пород. По данным сейсмических исследований, которые проводят в регионе ученые из Российской академии наук и компании-недропользователи, такие как "Роснефть" и "Газпром", этот слой сильно насыщен газами, прежде всего метаном. По ослабленным зонам разломов газ пробивается к поверхности и выходит на дне моря в виде сипов — газовых фонтанов различной мощности.

Метан в газонасыщенный осадочный слой поступает из залегающих ниже залежей газогидратов или из других, еще более глубинных источников. Среди ученых существует мнение, что под арктическим шельфом скрыты гигантские залежи газогидратов. При повышении температуры и уменьшении давления они разлагаются на газ и воду. Высвобождение газа сопровождается значительным повышением давления, что может приводить не только к выдавливанию метана вверх по разломам и трещинам, но и к взрывным событиям.

Под прицелом климатического ружья

Метан — сильнейший парниковый газ, примерно в 30 раз более эффективный, чем СО2. Сегодня концентрация метана в атмосфере составляет около двух частей на миллион. При таких значениях вклад метана в глобальный парниковый эффект оценивается Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC) при ООН на уровне 30 процентов от вклада СО2.
Если всего два процента метана, скрытого в залежах арктических газогидратов, попадут в атмосферу, концентрация его в воздухе увеличится в два-три раза и его роль в парниковом эффекте сравняется с углекислым газом, против выбросов которого сейчас призывает бороться все мировое сообщество. Кроме того, выбросы метана приводят к возникновению так называемой петли положительной обратной связи: по мере того как планета нагревается, высвобождается больше метана, который еще больше усиливает глобальное потепление.

Основной риск заключается в том, что при дальнейшем прогреве Арктики и освобождении арктических морей от поверхностного льда может произойти резкое разрушение слоя мерзлоты и в атмосферу единовременно будет выброшена огромная масса метана, что отразится на климате не только арктического региона, но и планеты в целом. Описываемый сценарий в научной литературе называют "метангидратным ружьем" или "метановой катастрофой".

Слишком дорогой газ

В 2013 году экономисты из Великобритании и Нидерландов оценили возможный глобальный ущерб от "метановой катастрофы" в 60 триллионов долларов, что сопоставимо с размером мирового ВВП за год. Речь идет о потерях в сельском хозяйстве, связанных с засухой, а также о ликвидации последствий штормов, пожаров и подъема уровня моря. При самом экстремальном сценарии, предусматривающем, что пять-десять процентов метана из газогидратов, залегающих под дном морей Восточной Арктики высвободится в атмосферу в течение ближайших десяти лет, температура на планете увеличится на три градуса. 

А это уже климатическая катастрофа.

Свои расчеты европейские экономисты основывали на данных по эмиссии метана на шельфе восточно-сибирских морей, опубликованных в 2010 году российскими учеными во главе с членом-корреспондентом РАН Игорем Семилетовым, руководителем Международной лаборатории исследований углерода арктических морей при Томском политехническом университете.

Игорь Семилетов уже 15 лет возглавляет с российской стороны международную научную группу по изучению процессов деградации многолетней мерзлоты на шельфе морей Восточной Арктики. В работе группы участвуют ученые из Швеции, Италии, США, Нидерландов, Великобритании, а в последнее время — и из Китая. При поддержке правительства и Российского научного фонда на базе Томского политеха сейчас реализуется научный проект "Сибирский арктический шельф как источник парниковых газов планетарной значимости: количественная оценка потоков и выявление возможных экологических и климатических последствий".

Газовые фонтаны

За 15 лет проведены 37 экспедиций, в ходе которых исследователи зафиксировали и нанесли на карту тысячи бьющих со дна моря метановых фонтанов. И каждый раз, посещая те же места, они видят, что объемы метановой дегазации нарастают. Все больше появляется мегасипов — зон фонтанирования, имеющих больше одного километра в диаметре. Первую такую область массированной пузырьковой разгрузки ученые обнаружили в 2011 году. Сейчас их на карте уже семь, а ведь маршруты научного судна покрывают лишь очень малую часть площади шельфа, где происходят аналогичные процессы. Что касается сипов размером в первые сотни метров, то их выявлено уже около тысячи.

В октябре этого года в Восточно-Сибирском море зафиксировали рекордный по мощности выброс. Ученые наблюдали, как на площади в десятки квадратных метров за сутки выбрасывается до тысячи кубометров метана.
"За свои 45 арктических экспедиций я впервые видел сип такой мощности. Выбросы были настолько сильными, что вода буквально кипела от пузырьков метана. Даже на высоте 20 метров над поверхностью воды концентрация метана в атмосфере составляла 16 частей на миллион. Это примерно в десять раз выше, чем среднепланетарный показатель", — рассказывает РИА Новости Игорь Семилетов.

Исследователи доказали, что масштабы выбросов метана зависят от толщины слоя подводной мерзлоты и степени ее деградации. Данные, полученные в результате комплексных биохимических, геофизических и геологических исследований, проведенных в 2011-2016 годах, позволили сделать вывод о том, что в некоторых районах восточно-сибирского арктического шельфа кровля подводной мерзлоты уже достигла глубины устойчивости гидратов и дальнейшее ее разрушение может вызвать массовые выбросы газа. В частности, при повторном бурении на месте четырех скважин 1982-1983 годов авторы установили, что за последние 30 лет верхняя граница мерзлоты опустилась более чем на пять метров.

Общие объемы выбросов метана на шельфе российских арктических морей ученые оценивают в 20 миллионов тонн в год. Согласно же докладам IPCC, весь Мировой океан выделяет ежегодно... около пяти миллионов тонн.
"Получается, что наш шельф, который занимает меньше одного процента площади Мирового океана, выбрасывает метана в четыре раза больше, чем весь океан. Эксперты IPCC до сих пор пишут в своих докладах, что к концу текущего столетия уровень подводной мерзлоты опустится на три метра, а в реальности она уже опустилась на 50-100 метров. 

Они основывают свои выводы на кабинетных расчетах и моделях, а мы реально работаем в экспедициях, — объясняет Игорь Семилетов. — Еще в 2010 году мы опубликовали статью, в которой были обобщены результаты тысяч измерений, которые показали, что подводная мерзлота нестабильна. Воды восточно-сибирского шельфа перенасыщены метаном на один-два порядка относительно тех концентраций, которые были бы, если бы мерзлота оставалась стабильной".

Воздушная подушка

По мнению академика Леопольда Лобковского, одного из ведущих участников исследований на шельфе Арктики, руководителя геологического направления Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН, не меньшую опасность, чем выбросы, представляет сам газонасыщенный слой осадочных пород, независимо от того, поступает в него газ из залежей газогидратов или из глубинных источников.

"В нем уже есть газ, и это основная опасность. Надо изучать свойства осадочного слоя в зонах строительства и бурения, — говорит академик Лобковский. — Выбросы метана представляют собой колоссальные риски при бурении, во время разведки и добычи углеводородов в Арктике. Как правило, они связаны с зонами активных разломов. И само бурение, и строительство платформ в таких зонах весьма небезопасно. Всегда есть риск взрыва метана. Есть и другие риски. Например, в зонах массовых выбросов метана образуются области разрежения плотности воды. Если в такую область попадет подводная лодка, она может потерять плавучесть и упасть на дно".

Ученый уверен, что эмиссия метана на дне арктических морей — процесс давний, не связанный с ростом температур, наблюдаемым в последние десятилетия.

"Во многих областях арктического шельфа дно покрыто покмарками — миникратерами, образовавшимися на месте выбросов метана. Это говорит о том, что выбросы происходят давно, как минимум, уже несколько тысяч лет", — отмечает Лобковский.

Пузыри и взрывы

В отличие от истощенной и во многих местах продырявленной, как решето, подводной мерзлоты, сквозь которую "сифонит" метан, наземная мерзлота пока достаточно прочна и стабильна. Но это не значит, что глубинная дегазация метана в наземной зоне Арктики не представляет опасности. Скорее, наоборот. Потому что здесь этот процесс сопровождается взрывами, на месте которых образуются огромные воронки-кратеры.

Член-корреспондент РАН, заместитель директора по науке Института проблем нефти и газа РАН Василий Богоявленский изучает "ямальские кратеры" с самого их открытия в 2014 году. Образование этих структур, по мнению ученого, связано с вулканическими процессами, происходящими по типу грязевых или криовулканических извержений, когда газ, прорывающийся под давлением с глубин, выносит на поверхность весь захваченный по дороге материал.

"В приповерхностных отложениях возникают аномально высокие пластовые давления, которые многократно превышают не только гидростатические, но и литостатические. За счет этого происходят мощные выбросы — пневматические выхлопы, нередко усиленные самовоспламенением и взрывом газа. В этих случаях образуются гигантские кратеры глубиной свыше 50 метров, а куски выброшенной взрывом мерзлой породы и ледогрунта летят на многие сотни метров. Размеры некоторых глыб измеряются десятками кубометров", — объясняет механизм явления ученый.

Богоявленский и его коллеги, которые недавно провели детальный анализ распределения зон газогидратов и опасных газонасыщенных объектов в акваториях Северного Ледовитого, Атлантического и Тихого океанов, считают, что при криовулканических извержениях выбрасывается в атмосферу несравнимо больше метана, чем при пузырьковой эмиссии на шельфе.
"В российской Арктике мы обнаружили более десяти таких объектов. Кроме того, из космоса на Ямале выявлены более семи тысяч многолетних бугров пучения, часть которых представляет потенциальную опасность, и более 400 озер, дно которых усеяно крупными кратерами выбросов газа", — говорит Богоявленский.

Для многих из объектов, за которыми исследователи наблюдают уже не один год, характерны эпизодически повторяющиеся взрывные события, что подтверждает вулканический характер процесса кратерообразования.
Реальность угрозы

Ученые сходятся в том, что деградация многолетней мерзлоты и эмиссия метана в Арктике — объективные процессы, последствия которых могут быть весьма серьезными. Чтобы реально оценить масштабы угроз, нужно продолжать исследования, выявлять новые и мониторить известные объекты. Особенно те, что расположены вблизи крупных нефтегазовых комплексов, населенных пунктов, портов и объектов инфраструктуры.

Тема изучения процессов, связанных с климатическими изменениями в Арктике, выходит далеко за рамки национальных интересов одной страны. Это глобальная проблема, требующая объединения усилий мирового сообщества ученых. И у России есть отличный шанс возглавить это сотрудничество.