Исследования Международной научной экспедиции в моря Российской Арктики на научно-исследовательском судне (НИС) Академик Борис Петров (59 рейс, АБП-59) были направлены на выявление источников и стоков основных парниковых газов двуокиси углерода (СО2) и метана (СН4) в морях Российской Арктики, с фокусом на акватории Северного морского пути (СМП). Для получения количественных оценок потоков и пространственно-временной динамики содержания СО2 и СН4 в атмосфере и морской воде был реализован комплекс высокоточных попутных измерений с калибровкой по международным стандартам по всей трассе более 12 тысяч километров. Маршрут экспедиции АБП-59 обозначен синими точками на карте-схеме всех 50 авторских экспедиций, выполненных в период 1999–2024гг (Рис.1)
Логистической основой экспедиции стал Международный Центр дальневосточных и арктических морей им. адмирала С.О. Макарова, который был создан на научно-технологической основе Сахалинского государственного университета (СахГУ) и кампуса мирового уровня СахалинTECH, для интеграции потенциала ученых Сахалина с ведущими университетами и институтами РФ и других стран. Экспедиция АБП-59 была организована Лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева (ТОИ ДВО РАН), совместно с Лабораторией химико-биологических исследований Сахалинского государственного университета (СахГУ), при участии Томского государственного университета (ТГУ), Института океанологии им. П.П. Ширшова (ИО РАН), геологического, химического факультетов МГУ, научного центра МГУ-Геофизика, Международного научного Центра в области экологии и вопросов изменения климата и Научного Центра генетики и наук о жизни научно-технического университета (НТУ) Сириус, Института экологии ВШЭ, Института почвоведения им. В.В. Докучаева РАН, ФИЦ Биотехнологии. Международный компонент экспедиции определялся участием трех ученых из КНР- Циндао Института морской геологии Министерства природных ресурсов Китая
Международный Центр дальневосточных и арктических им. адмирала С.О. Макарова создан для климатического и экологического мониторинга акватории субарктических и арктических морей России: основа устойчивого социально-экономического развития ДВ региона и развития сотрудничества со странами Азиатско-Тихоокеанского региона. Важным аспектом является выявление абсорбционной емкости высокопродуктивных арктических морей, и Охотского моря ‑единственного внутреннего моря РФ
Стратегическая цель экспедиции – исследовать и оценить связи в арктической системе климат-криосфера-суша-шельф путем проведения комплексных работ, направленных на оценку реакции наземной и подводной мерзлоты на изменение климата, динамику основных гидрологических, биогеохимических, геокриологических процессов и их взаимодействия в условиях глобальных изменений, происходящих в водосборах Великих Сибирских рек, ВСР (общая площадь ~ 14 млн км2) и на арктическом шельфе РФ (~3 млн км2). Планетарный масштаб исследования определяется площадью района работ что соизмеримого с площадью всего Северного Ледовитого океана.
Актуальность исследований, проведенных в этом направлении обусловлена фундаментальной проблемой — оценкой биогеохимических, геологических, климатических, и экологических последствий деградации наземной и подводной мерзлоты. Это касается сразу нескольких процессов: перекачки наземного мерзлотного углерода с суши на арктический шельф, дестабилизации арктических шельфовых гидратов и массированным выбросом метана (СН4) в атмосферу — так называемая «метановая бомба». Ранее, этот термин предложенный западными климатологами подразумевал дестабилизацию газовых гидратов, образованных на больших глубинах Мирового океана, при положительных температурах, что теоретически могло привести к кратному увеличению содержания атмосферного метана и соответствующему усилению парникового эффекта. Однако, разрушение этих глубоководных гидратов не оказывает воздействия на климат, так как основная часть пузырькового метана-продукта диссоциации гидратов, растворяется и не достигает поверхности. В наше время, основным кандидатом на быстрые климатические изменения, ассоциированные с этим эффектом, являются моря Восточной Арктики, которые являются самым широким и мелководным шельфом Мирового океана, где сосредоточены гигантские запасы метановых гидратов и свободного газа (см. Справку)
Рис. 1. Карта-схема экспедиционных исследований цикла углерода в арктических морях России (1999–2024гг)
Ниже приведены избранные результаты новых технологий и результатов исследований
- Выполнен непрерывный мониторинг содержания СО2 (и СН4) в атмосфере и в поверхностной воде
путем:
- Создания системы высокопрецизионных морских измерений концентраций и оценки потоков климатически активных газов (СО2 и СН4) на основе двухуровневых градиентных измерений в приводном слое атмосферы и в поверхностном слое воды (непрерывные измерения в проточной системе), которые были дополнены камерно-динамическими измерениями в условиях спокойного моря.
- Впервые на основе более 700 тыс. измерений (дискретность измерений 2 с) содержания СО2 в воде in situ датчиком ProOceanus MiniCO2 достоверно выделены районы поглощения и выделения атмосферного СО2 на акватории СМП (Рис. 2).
Рис. 2. Содержание растворенного СО2 (ррm) в поверхностном слое воды по маршруту НИС «Академик Б. Петров» в период сентябрь-октябрь 2024
2. Реализована технология мониторинга видового состава фитопланктона, хлорофилла, CDOM, и других параметров необходимых для спутникового мониторинга первичной продукции (для независимой оценки поглощения СО2)
путем:
- Разработки системы спутникового мониторинга водной поверхности с использованием регионально адаптированных алгоритмов, калиброванных на основе прямых измерений (in situ).
- Реализованы непрерывные измерения ключевых гидрологических и гидрохимических параметров с помощью сенсоров- с дополнительной калибровкой по лабораторным измерениям классическими методами (кислород, рН, хлорофилла, CDOM, рСО2, и др. параметры), в поверхностной воде (проточная система).
- Измерено содержание биогенных элементов (нитраты, нитраты, ионы аммония, фосфаты, кремний), кислород, рН, растворенный метан на океанографических станциях и в проточной системе (дискретные измерения).
3. Выполнено картирование активных сипов и количественная оценка выбросов пузырькового метана
путем:
- Акустических исследований водной толщи и особенностей рельефа морского дна, с измерениями было пройдено 5831 морская миля и зарегистрировано 342 сипа, 70 из которых были обнаружены впервые. На рисунках 3–5 представлены примеры сипов, зарегистрированных с помощью различных типов эхолотов на различных глубинах.
Рис. 3. Примеры сипов, зарегистрированных на шельфе и на материковом склоне моря Лаптевых
Рис. 4. Мощные сипы, обнаруженные на полигонах в Восточно-Сибирском море
Рис. 5. Сипы, обнаруженные на внешнем шельфе моря Лаптевых
Сейсмоакустическое профилирование выполнялось как во время переходов научно-исследовательского судна, так и на научных полигонах. В результате, с измерениями было пройдено 1611 миль и получены сейсмограммы различных структур осадочной толщи Восточно-Сибирского шельфа с различной степенью проникновения акустического сигнала в осадки, приуроченного к районам пузырьковой эмиссии (рис. 6).
Рис. 6. Примеры сейсмограмм полученных в районах работ, которые могут быть ассоциированы с глубокими или сквозными подозерными таликами (затопленными во время трансгрессии)
4. Выявлены аномалии в распределении атмосферного СН4 в районах разгрузки сипов
путем:
- Двухуровневых непрерывных высокоточных измерений атмосферного СН4 и СО2 с калибровкой по международным стандартам и детальными исследованиями на микрополигонах (рис. 7)
Рис. 7. Пример аномально высоких концентраций атмосферного СН4 измеренных в районах сипов.
5. Выводы:
- Полная обработка результатов исследований позволит количественно оценить эмиссию и поглощение основных парниковых газов на акватории СМП
- Разработаны новые технологии оперативной оценки абсорбционной емкости вод, которые планируется внедрить для количественной оценки Охотского моря, как стока ДВ регионального масштаба- для достижения углеродной нейтральности Сахалина и всего Дальнего Востока
6. Геополитические аспекты – от национального к глобальному масштабу
В экспедиции были исследованы биогеохимические, геологические, и геофизические последствия деградации наземной и подводной мерзлоты российского сектора Арктики в контексте нарушения баланса цикла углерода и пресноводного стока в арктических морях, что крайне важно для понимания характерных особенностей функционирования арктической климатической системы. Особое внимание было уделено исследованию 1) массированной разгрузки метана из донных отложений МВА в водную толщу-атмосферу, 2) транспорта и трансформации древнего ОВ мерзлоты в арктической системе суша-шельф, включая эффекты окисления эрозионного и речного ОВ до двуокиси углерода. Отметим, что интегральный геохимический сигнал из водосборов Великих Сибирских рек, ВСР исследовался от устьевых зон до материкового склона, что позволило проследить и исследовать трансформацию гидрологического и геохимического сигнала стоков ВСР на всей 12000 км трассе движения АБП-59. Были детально изучены районы мега-сипов (линейные размеры более 1000 метров) метана, и открыты новые мощные струи разгрузки метана в Восточно-Сибирском море, которое ранее считалось пассивной в геологическом отношении окраиной Евразийского континента, где предполагалось существование подводной сплошной мерзлоты.
Были документированы скорости разгрузки метана до сотен кг -2 сут-1 с квадратного метра в сутки, что проявлялось в эффекте «кипящей» воды на поверхности моря и многократному повышению концентрации атмосферного метана. Непрерывные высокоточные измерения атмосферного метана на двух уровнях и растворенного метана в поверхностной воде, которые были выполнены с помощью трех лазерных спектрометров, откалиброванных по мировым стандартам, позволили еще раз подтвердить важную роль эмиссии метана из МВА в формировании планетарного максимума атмосферного метана над Арктикой. Эти исследования были выполнены в комплексе с геофизическими исследованиями (сейсмика высокого разрешения, электромагнитное профилирование, однолучевые и многолучевые эхолоты откалиброванные по заданным расходам пузырьковой разгрузки) на полигонах и вдоль протяженных разрезов, что позволило обнаружить множество кратерообразных структур и мелкозалегающих погребенных бугров пучения (по аналогии с полуостровом Ямал) и выявить геологическую структуру районов исследования, включая картирование кровли подводной мерзлоты.
Предварительные результаты исследований свидетельствуют о прогрессирующей деградации подводной мерзлоты и увеличению интенсивности разгрузки метана в районах исследованных мегасипов открытых авторским коллективом в период 2007–2019гг. Более того, впервые были получены комплексные репрезентативные результаты свидетельствующие о том, что на континентальном склоне МВА происходит выброс метана, который может быть ассоциирован с атлантификацией – отепляющим влиянием промежуточных атлантических вод на гидраты донных осадков в переходной зоне арктический шельф-материковый склон. Для уточнения происхождения метановых выбросов на шельфе и материковом склоне отобрано большое количество проб воздуха, воды, и осадков- для проведения исследования полного изотопного состава метана, молекулярного и изотопного состава ОВ донных отложений, изучения изотопного состава благородных газов геологического флюида в зонах разгрузки пузырькового метана.
Нарушения в цикле углерода обусловленные включением огромных запасов древнего углерода – ранее законсервированного в наземной и подводной мерзлоте Сибирской Арктики в современный биогеохимический цикл приводят к нарушению регионального и глобального баланса основных парниковых газов, двуокиси углерода (СО2), и метана (СН4)
Важность исследований, выполненных в АБП-59 была, отмечена 6 ноября 2024 на торжественном спуске на воду атомного ледокола Чукотка в присутствии Президента РФ (в режиме видеоконференции): «Для меня огромная честь – стать “крестной матерью” ледокола “Чукотка”. Эти суда сегодня не только обеспечивают круглогодичную навигацию в северных широтах – они также необходимы для работы в Арктике ученых, в том числе из Сириуса. Буквально сегодня сотрудники нашего Университета вернулись из 45-дневной арктической экспедиции: они исследовали влияние мерзлоты на изменение уровня углерода в морях, привезли множество проб грунта и воды и будут их изучать. Очень хотелось бы, чтобы научно-исследовательская функция ледоколов развивалась и дальше. Это важно для укрепления наших позиций в области научного освоения Арктики, которое является одним из больших приоритетов Стратегии научно-технологического развития России», – сказала Елена Шмелева – председатель Совета федеральной территории Сириус, руководитель Образовательного Фонда «Талант и успех» (https://sirius-ft.ru/tpost/elena-shmeleva-stala-krestnoy-materyu-atomnogo-ledokola-chukotka)
– На Западе формируется новая научная парадигма, требующая включения дополнительной атмосферной эмиссии парниковых газов, обусловленных деградацией наземной мерзлоты в расчет баланса полного цикла углерода. До наших работ, система подводная мерзлота-гидраты на шельфе морей Восточной Арктики считалась стабильной. На наш взгляд, Россия может возглавить эти исследования 21 века 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.
Глобальный вызов: эффективность «легких» планеты: лесов Сибири и Амазонии в последнее время оценивается близкой к «нулевой». Начинается переоценка роли высокопродуктивных районов Мирового океана в поглощении атмосферного СО2. В этом контексте, работа Центра направлена на формирование лидерской роли России в пересмотре и количественной оценке роли обширных морских и наземных экосистем Сибири и Дальневосточного (ДВ) региона в балансе основных радиационно-активных (парниковых) газов в региональном и планетарном масштабе
- Для развития лидерских стратегических позиций РФ на международной арене крайне необходимо расширение программы комплексных исследований мирового уровня, путем создания национальной программы на федеральном уровне, в рамках реализации государственной научно-технической политики в области экологического развития РФ и климатических изменений.
Справка
Изменения, связанные с мобилизацией гигантских запасов древнего органического вещества (включая метан), прежде надежно законсервированные в многолетних мерзлых толщах (далее- мерзлота), представляют собой новую, ранее неизвестную мировому научному сообществу, обратную связь, обусловленную деградацией наземной и подводной мерзлоты, последствия которой трудно предсказать. Согласно результатам моделирования, в ответ на потепление в Арктическом регионе ожидается сокращение площади наземной мерзлоты в два раза к 2090 г (ACIA 2004). Великие Сибирские реки рассматриваются докладчиками как интеграторы геохимических сигналов в их гигантских водосборах, которые переносятся в арктические и субарктические моря в виде растворенного и взвешенного органического вещества (Semiletov et al., 2011, 2012; Dudarev et al., 2022). В конце 1990х впервые было показано, что последствия деградации берегового ледового комплекса оказывают определяющее влияние на биогеохимический режим мелководного шельфа морей Восточной Арктики (МВА) и осадконакопление (Semiletov, 1999a,b). Кроме наземной мерзлоты, цикл углерода на Российском Арктическом шельфе находится под влиянием изменений, происходящих в состоянии подводной мерзлоты, доля которой только на Восточно-Сибирском шельфе (ВСШ) составляет >80% от всей подводной мерзлоты Мирового океана, и около 90% акватории Северного морского пути (СМП). Количество гидратов и свободного газа ВСШ оценивается в сотни миллиардов тонн (Гигатонн, Гт), что на два порядка превышает общее количество метана в современной атмосфере.
До последнего времени существовало мнение, что арктические морские гидраты сохраняют стабильность за счет существования крышки сплошной подводной мерзлоты, что исключало разгрузку СН4 гидратов в водную толщу-атмосферу (Romanovskii et al., 2000, 2005; IPCC, 2014). Однако, после публикации ряда результатов участников экспедиции, стало понятным, что наилучшим кандидатом для объяснения массированного выброса пузырькового СН4 является дестабилизация мелкозалегающих арктических гидратов (Шахова и др., 2005, 2007абв, 2009аб; Shakhova et al., 2010ab; Shakhova et al., 2014, 2015, 2017; Leifer et al., 2017). На основе многолетних комплексных исследований было показано, что консервативная статистически обоснованная оценка эмиссии из ВСШ в 2–3 раза превышает эмиссию СН4 из всего Мирового океана (Shakhova et al., 2010, 2014, 2019). Подводная мерзлота в последние 30 лет деградирует с удвоенной скоростью, по сравнению со скоростями в предшествующие десятилетия, в результате чего древний органический углерод и метан (СН4) поступают в возрастающих количествах в водную толщу; причем величины потоков СН4 определяются состоянием подводной мерзлоты (Shakhova et al., 2015, 2017, 2019) и изменяются на 5 порядков.
@sprosiSakhGU_bot