Замерзшие пузырьки метана

На фото изображены вмерзшие в байкальский лед пузырьки метана. Метановых пузырьков во льду Байкала много, они бывают самого разного размера — от практически невидимых невооруженным глазом до крупных, доходящих до десятков сантиметров в диаметре и располагающихся друг под другом.

Вмерзшие в лед Байкала пузырьки газа различного размера. Слева — фото Александра Марфина, справа — фото Станислава Толстнева с сайта irk.ru

Пузырьки метана поднимаются со дна озера и накапливаются под поверхностью льда, далее лед продолжает кристаллизоваться на глубину, захватывая пузырь с газом. Но откуда берется метан?

В озере Байкал накапливается большое количество осадков, богатых органикой (их мощность варьирует от 4,4 до 9 км), деятельность живущих в них архей метаногенов способствует образованию и накоплению различных типов углеводородов (нефти, битумов, этана, пропана, метилциклогексана). Они мигрируют в свободном или растворенном состоянии по направлению ко дну озера, где создаются условия, благоприятные для накопления газогидрата метана. Байкал — единственное пресноводное озеро в мире, где обнаружены скопления метановых газогидратов (по одной из оценок их объем составляет от 8,8×10¹¹ до 9×10¹² м³). Газовые гидраты (клатраты) — это кристаллические соединения, образующиеся из воды и газа при определенных условиях (низкой температуре и высоком давлении).

Карта расположения установленных (синие точки) и предполагаемых (красные точки) залежей газогидратов. Рисунок из статьи L. Cui et al., 2019. Methane hydrate as a «new energy»

Самые распространенные природные газогидраты — это гидраты метана и диоксида углерода. Они находятся в районах вечной мерзлоты и в глубоководных частях морей и океанов. Самая значительная часть объемов газогидратов приходится на континентальных склоны и подводные поднятия, где температуры низкие, а давление высокое. Газогидраты могут образовываться в рыхлых и уже консолидированных осадках, где они находятся в термодинамической устойчивости. Это так называемая зона стабильности гидратов (ЗГС). В различных климатических условиях она прослеживается на разных глубинах: в средних и низких широтах — свыше 500 метров, на высоких широтах — около 200 метров (кроме того, влияние оказывают также местные температурные условия). Для Байкала зона ЗГС находится в интервале глубин около 380 метров.

Фазовые диаграммы стабильности газовых гидратов. Желтым отмечена зона стабильности гидратов (ЗГС). Рисунок с сайта scfh.ru

Ввиду того что глубина Байкала достаточно велика (максимальная глубина составляет 1642 м), на дне создаются сочетания низкой температуры и высокого давления, благоприятные для образования газогидрата метана. Предположение о существовании на дне Байкала гидратов было выдвинуто еще в 1978 году в результате совместных работ Лимнологического института и ВНИИГАЗ. Однако впервые газогидраты в осадках озера обнаружили в 1996 году в ходе буровых работ. В ходе исследований байкальского дна в 2008–2010 годах с помощью глубоководных аппаратов «Мир» газогидраты были обнаружены непосредственно в приповерхностной части дна.

Отбор образцов гидрата метана на дне Байкала аппаратами «Мир» в 2009–2010 годах. а — образец кристаллогидрата (глубина 1400 метров); б — отбор образца в специальный контейнер; в — начало разложения газогидрата при подъеме его с глубины 250 метров (температура окружающей воды — 3,5°C); г — увеличенный фрагмент изображения в (видно, как начинают образовываться пузырьки метана в гидрате). Фото из статьи A. V. Egorov et al., 2016. Heat and mass transfer effects during displacement of deepwater methane hydrate to the surface of Lake Baikal

Но как именно метан высвобождается из газогидратной фазы и поднимается выше зоны стабильности гидратов и либо выходит на поверхность в летнее время, либо замерзает во льду, образуя эффектные структуры? Предполагают, что существует несколько причин нестабильности газогидратов. Это и быстрое накопление осадков (например, в районе дельты реки Селенги), и тектонические движения, и миграция флюидов, и оползневые явления. Кроме того, возможен выход непосредственно гидратов метана на поверхность.

На дне озера также функционируют грязевые вулканы (см. картинку дня Грязевой вулкан), являющиеся зонами разгрузки метана, и, разумеется, метан выделяется непосредственно при деятельности архей.

Байкальский лед со множеством мелких пузырьков метана и несколькими крупными. Фото Анны Бадиковой, Байкал, март 2021 года

Тем не менее Байкал — не единственное озеро, где поднимающийся со дна метан замерзает в ледяном покрове. Таких озер много — например, озеро Эйбрахам в Канаде. Газогидратов в нем нет, метан выделяется в ходе деятельности метаногенных архей.

Замерзшие пузыри метана на озере Эйбрахам. Фото © Jakub Fryš с сайта en.wikipedia.org, 15 января 2019 года

Изучение выделения метана из озер является очень важной задачей. Дело в том, что метан в качестве парникового газа в 30 раз сильнее, чем CO₂, и озера вносят, по разным оценкам, от 6 до 16% объема в баланс атмосферного метана. Согласно данным, полученным по результатам изучения 5143 озер на Аляске, из маленьких озер поток метана выше, порядка 90 г/м² в год, в то время как у крупных озер он меньше, около 0–15 г/м² в год.

Основная причина, по которой небольшие озера имеют такие высокие потоки, заключается в том, что они находятся внутри едомы (это тип вечной мерзлоты, богатый органикой), при таянии которой выделяются значительные количества метана (см. картинку дня Едома, «углеродная бомба» из прошлого). В то время как крупные озера находились в скалистой местности, с соответственно более низким потоком метана.

Концентрации метана значительно выросли в атмосфере за последнее десятилетие, однако точно определить их источник сложно: таяние вечной мерзлоты, сельское хозяйство, заболачивание территорий — всё это способствует накоплению метана в атмосфере. Хотя озера Арктики и вечная мерзлота считаются не основными источниками метана, тем не менее глобальное потепление может его существенно увеличить.

Фото Кристины Макеевой с сайта apod.nasa.gov.

Александр Марфин