Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого

Мощнейшее извержение филиппинского вулкана Пинатубо в июне 1991 года, с одной стороны, ослабило поток ультрафиолетового излучения, чем способствовало накоплению метана. С другой — повлекло заметное похолодание в Северном полушарии, способствовавшее ослаблению эмиссии метана из болот. В сумме с третьим фактором — сокращением антропогенной эмиссии метана из-за резкого спада в экономике бывшего СССР — это привело к существенному уменьшению поступления метана в атмосферу в тот период. Фото с сайта gelz.net

Содержание в атмосфере метана — одного из важнейших парниковых газов — росло очень быстро на протяжении последних двух столетий, однако в конце ХХ века этот рост почему-то замедлился. Есть ли повод для успокоения? Нет, поскольку это временное явление, результат случайного стечения обстоятельств. К такому выводу пришла недавно большая группа специалистов разных стран, опубликовавшая результаты своего исследования в одном из последних номеров журнала Nature.

Среднее содержание метана CH₄ в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). И хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO₂), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана — то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей — существенно выше, чем от СО₂. Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. (Без парниковых газов — СO₂, паров воды, метана и некоторых других примесей — средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C).

Судя по анализу пузырьков воздуха, запечатанных во льдах Антарктиды, содержание метана за последние 400 тысяч лет демонстрировало колебания, практически совпадающие с колебаниями содержания углекислого газа (СО₂) и изменениями температуры, хотя механизмы образования этих газов, так же как механизмы изъятия их из атмосферы, совершенно разные. Метан образуется прежде всего в результате деятельности бактерий-метаногенов, в ходе реакций, необходимых им для получения энергии. Метаногены, представители древней группы архебактерий, почти всегда участвуют в разложении органического вещества, если оно происходит в анаэробных условиях (то есть в отсутствие кислорода). Поэтому основные места образования метана — это болота, мусорные свалки, рисовые поля, кишечник жвачных животных и кишечник термитов.

Кроме того, метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены (см. Александр Марков, Растения выделяют метан. Биохимики и климатологи в ужасе; А. М. Гиляров, Загадочное образование метана растениями).

Изменения содержания СО2 (самый верхний график), метана (третий сверху график) и температуры (второй сверху график) за 420 тысяч лет (по данным анализа пузырьков воздуха во льду Антарктиды). Ледовый керн получен на российской станции «Восток». Годы отложены по оси абсцисс. Видно, что в масштабах десятков и сотен тысяч лет содержание углекислого газа и метана меняется сходным образом. Совершенно так же меняется и температура. Рис. из статьи Petit J.R. et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica // Nature. 1999. V.399. P.429-436

Основной механизм изъятия метана из атмосферы — окисление его в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом OH^•, который образуется под действием солнечного света из озона и паров воды. В свободном состоянии гидроксильный радикал пребывает очень недолго — около секунды, поскольку вступает в реакцию с другими веществами.

Если проследить за сезонными и межгодовыми изменениями концентрации метана в атмосфере на разных широтах, по меридиональному разрезу от Северного полюса до Южного (см. рис.), то получится трехмерный график («одеяло со складками»), очень напоминающий аналогичный график для СО₂. В атмосфере над Северным полушарием метана больше, чем над южным. Это неудивительно — ведь основные источники метана находятся на суше, а Северное полушарие (в отличие от Южного, океанического) — континентальное. В этом легко убедиться, если посмотреть на глобус со стороны северного и южного полюсов.

Сезонные изменения содержания метана в атмосфере с 1996-го по 2005 г., прослеженные по меридиональному разрезу от Северного полюса до Южного. В Северном (континентальном) полушарии концентрация метана существенно выше, а сезонные колебания выражены сильнее, чем в Южном (океаническом). Рис. из статьи Jos Lelieveld. Climate change: A nasty surprise in the greenhouse // Nature. 2006. V.443. P.405-406. Figure courtesy: Dlugokencky E.J. et al. Atmospheric methane levels off: Temporary pause or a new steady-state? // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30. P. 1992

Сезонные изменения содержания СН₄ в атмосфере определяются меняющимся соотношением интенсивности процессов его образования и разрушения. Например, снижение концентрации метана за летний период объясняется тем, что именно в это время, в условиях более яркого солнечного излучения, с максимальной активностью происходит окисления его гидроксильным радикалом. Если не знать об этом механизме изъятия метана из атмосферы, то летнее снижение его содержания в атмосфере может показаться странным, так как активность бактерий-метаногенов, продуцирующих метан, в это время как раз максимальная.

Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство. За последние два столетия она возросла в два раза, в то время как углекислого газа — только на четверть (см. рисунок с данными по ледовым кернам за последнюю тысячу лет). В 1970-80-е годы рост метана был особенно заметен, но в последнее десятилетие ХХ века он, по не очень понятным причинам, резко замедлился.

Изменения содержания метана в атмосфере с 900-го до 2000 г. нашей эры (по данным анализа пузырьков воздуха, запечатанного во льду Антарктиды и Гренландии). Синяя линия в правой, самой верхней части графика соответствует измерениям в атмосфере на Северном полюсе. Значения концентрации метана по оси Y — в миллионных частях (т.е. цифры на шкале соответствуют диапазону от 0,6 до 1,7 ppm. Разные значки соответствуют разным местам взятия колонок льда (красные значки — Антарктида, синие — Гренландия). Рис. с сайта www-lgge.ujf-grenoble.fr

Чтобы разобраться в причинах наблюдаемых явлений, Филипп Буске (Philippe Bousquet) из Лаборатории изучения климата и окружающей среды (Жиф-сюр-Иветт близ Парижа) совместно с большой группой исследователей из Франции, США, Нидерландов, ЮАР и Австралии детально проанализировали изменения в содержании метана в атмосфере на разных широтах в период с 1984-го по 2003 год. При этом они использовали так называемую «инверсионную модель», то есть двигались от конечного результата — наблюдаемого количества метана — к исходным разнонаправленным процессам его поступления в атмосферу и изъятия из нее. Авторы пришли к выводу, что основная причина межгодовых различий в поступлении метана — это изменение состояния болот. Похолодание ведет к ослаблению эмиссии метана, но и сильная жара также не способствует его накоплению, так как многие болота просто высыхают.

Резкое снижение темпов роста содержания метана в атмосфере в 1991-93 годах (см. рисунок из обсуждаемой статьи) стало итогом взаимодействия трех факторов. Во-первых, мощнейшее извержение филиппинского вулкана Пинатубо в июне 1991 года привело к попаданию в атмосферу огромного количества аэрозолей, что сильно ослабило поток ультрафиолетового излучения, необходимого для образования гидроксильного радикала — главного окислителя метана, и, соответственно, способствовало накоплению этого газа. Во-вторых, в Северном полушарии, опять же из-за извержения вулкана Пинатубо, наступило заметное похолодание (что вело к ослаблению эмиссии метана из болот). В-третьих, в это время наблюдался резкий спад в экономике бывшего СССР, из-за чего на большой территории уменьшилась антропогенная эмиссия метана. Суммарное воздействие второго и третьего фактора, ведущих к уменьшению поступления метана в атмосферу, оказалось более значимым, чем влияние первого фактора, ведущего к накоплению метана.

Колебания прироста содержания метана (в частях на миллион за год) в период с 1985-го по 2003 год. Отдельно приведены значения для высоких и умеренных широт южного полушария (красная линия), высоких и умеренных широт северного полушария (зеленая линия), тропической зоны (красная линия) и для всего земного шара (черная линия). Светло-серыми полосами выделены периоды Эль-Ниньо (нередко сопровождаются засухами); темно-серая область — это период последствий крупнейшего извержения вулкана Пинатубо, выбросившего в атмосферу огромное количество пепла и аэрозолей. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Наблюдаемое в 1997-98 годах увеличение содержания метана связано прежде всего с резкой климатической аномалией. Мощное Эль-Ниньо и сильнейшая засуха в Индонезии, сопровождающаяся крупными торфяными пожарами, способствовали поступлению в атмосферу большого количества метана. Параллельно сократилось окисление метана гидроксильным радикалом, так как последний расходовался также на окисление монооксида углерода — газа, который в большом количестве образовывался в результате тех же пожаров.

В 1999 году эмиссия из антропогенных источников снова возросла (экономический бум в Китае), но это не привело к серьезному изменению содержания СН₄, поскольку сопровождалось снижением эмиссии из заболоченных территорий. Если же эмиссия из болот вновь возрастет до уровня 1997-98 года, то за счет антропогенных источников рост концентрации метана продолжится. Таким образом, наблюдавшееся недавно снижение темпов накопления метана в атмосфере есть временное явление, вызванное чисто случайным стечением обстоятельств — как природных, так и связанных с деятельностью человека.

Источник: P. Bousquet, P. Ciais, J. B. Miller, E. J. Dlugokencky, D. A. Hauglustaine, C. Prigent, G. R. Van der Werf, P. Peylin, E.-G. Brunke, C. Carouge, R. L. Langenfelds, J. Lathière, F. Papa, M. Ramonet, M. Schmidt, L. P. Steele, S. C. Tyler and J. White. Contribution of anthropogenic and natural sources to atmospheric methane variability // Nature. 2006. V. 443. P. 439-443.

См. также:
Таяние вечной мерзлоты ведет к выбросу в атмосферу миллионов тонн метана, «Элементы», 11.09.2006.
Растения выделяют метан. Биохимики и климатологи в ужасе, «Элементы», 16.01.2006.

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Алексей Гиляров

7 мая Дафнии заселяют альпийские озера, ставшие более продуктивными

20 апреля Глобальное потепление после последнего оледенения сопровождалось опережающим повышением содержания СО2 в атмосфере

17 апреля От паразита можно защититься, но иногда выгоднее ему поддаться

12 апреля В субтропическом лесу близкородственные деревья растут вдали друг от друга

30 марта Истребление древними охотниками крупных животных Австралии привело к необратимым изменениям природных экосистем

27 марта Завоевывая новые регионы, растения остаются в пределах своих старых климатических ниш

22 марта Самый древний лес на Земле был по крайней мере трёхъярусным

26 февраля Самцы оставляют самок голодными, притворяясь добычей

21 февраля Эволюция, повернувшая вспять

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):