Рекордный рост концентрации метана в атмосфере вызван деятельностью микроорганизмов

Рис. 1. Рост концентрации метана в атмосфере со временем (горизонтальная ось) и в зависимости от широты (правая вертикальная ось — градусы, левая вертикальная ось — синус широты). Рисунок с сайта gml.noaa.gov

Продолжающиеся изменения климата связывают с ростом концентрации парниковых газов в атмосфере — прежде всего, углекислого газа, метана, закиси азота и некоторых других. Авторы новой статьи в журнале PNAS сосредоточились на метане, который сильно уступает по концентрации углекислому газу, однако во много раз активнее и потому вносит непропорционально большой вклад в парниковый эффект. Ученые использовали бокс-моделирование и данные об изотопном составе углерода в метане из различных источников (микроорганизмы, ископаемое топливо и сжигание биомассы), а также учли стоки этого газа. Оказалось, что максимальный темп роста концентрации метана в 2020–2022 годах вызвала именно деятельность микробов: как связанных с деятельностью человека (скотоводство и посевы), так и живущих в природных экосистемах (болота).

Изменение климата остается одной из глобальных экологических проблем, но детального понимания механизма этого процесса все еще нет. В центре внимания климатологов — накопление в атмосфере газов, усиливающих парниковый эффект, в том числе из-за быстро растущей антропогенной эмиссии. К ним относят углекислый газ CO₂, метан CH₄, тропосферный озон O₃, закись азота N₂O и некоторые фторсодержащие соединения. Параллельно и в связи с накоплением парниковых газов растет средняя температура Земли. Согласно докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) за 2023 год, в сравнении со второй половиной XIX века планета стала теплее на 1,1 градуса Цельсия.

Парниковые газы резко отличаются по концентрации в атмосфере, источникам поступления, удельному вкладу в изменение климата и динамике во времени. В 2019 году концентрация углекислого газа составила 410 ppm (частей на миллион), метана — 1866 ppb (частей на миллиард, то есть примерно в 220 раз меньше), а закиси азота — 332 ppb (в 1235 раз меньше, чем у углекислого газа). При этом их удельная активность (то есть эффект на единицу объема или количества вещества в молях) сильно разнится. Ее оценивают с помощью потенциала глобального потепления (Global Warming Potential, GWP), который показывает, во сколько раз данный парниковый газ активнее, чем CO₂. У самой углекислоты GWP равен единице, у метана — 28, у закиси азота — 265, а у некоторых фторсодержащих соединений варьирует в диапазоне ~11–23 тысяч.

Метан считают одной из перспективных мишеней для вмешательства в изменение климата. При этом необходимо понимать, как именно газ попадает в воздух и что определяет его сложную динамику. Систематические замеры концентрации метана начаты NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration — Национальное управление океанических и атмосферных исследований,) в 1983 году. С тех пор средняя атмосферная концентрация метана упорно росла, за исключением перерыва в 1999–2006 годах, когда она оставалась стабильной. В период с 2020 по 2022 год рост шел максимально быстро — в среднем на 15,4 ppb за год. Существенно, что в отличие от углекислого газа, который может сохраняться в атмосфере столетиями, метан очень недолговечен и разрушается за 7–12 лет.

Чтобы выяснить, откуда и куда движется атмосферный метан, ученые используют изотопную подпись углерода в составе этого вещества. Так называют соотношение стабильных изотопов, которое указывает на его источник. Точнее, получают отклонение изотопной подписи (соотношение ¹³C/¹²C) от значения стандартного образца, выраженное в промилле (δ¹³C). Для метана разной природы эта величина сильно разнится. Выделенный в окружающую среду микроорганизмами метан (на свалках, в животноводческих хозяйствах и болотах) характеризуется низкими значениями δ¹³C — в глобальном масштабе в среднем −62‰. В то же время для пирогенного метана (продукт сгорания биомассы и биотоплива) величина равна −24‰, а для образующегося из горючих ископаемых (нефть, природный газ, уголь и так далее) — около −45‰. Отдельные стоки метана — пути его выведения из атмосферы, — также отличаются по δ¹³C (L. Xu, R. Vath, 2018. Chamber-based Soil Methane Flux Measurement System). Первостепенное значение среди них имеет пул гидроксильного радикала (HO•) в атмосфере, который вступает с метаном в химические реакции. Другой существенный сток метана — окисление метанотрофными микроорганизмами в почве.

Рис. 2. Точки сбора данных о составе атмосферы и способы получения образцов. Рисунок с сайта gml.noaa.gov

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале PNAS, — ученые из США, Новой Зеландии, Японии и Германии, — рассчитали бюджет атмосферного метана в период рекордного роста концентрации (2020–2022 годы). Они использовали данные Лаборатории глобального мониторинга (GML) NOAA, собранные в рамках программы Global Greenhouse Gas Reference Network. Оценки δ¹³C для метана получают, начиная с 1998 года, причем сейчас такие замеры проводят еженедельно или раз в две недели (рис. 3). Стоит отметить, что они получены независимо разными организациями: силами Института Макса Планка (Германия), Национального института водных и атмосферных исследований NIWA (Новая Зеландия), Университета Тохоку и Национального института полярных исследований Японии (TU/NIPR) (рис. 2). Все используют разные площадки наблюдения, протоколы сбора и анализа образцов, а также обработки данных, однако указывают на универсальный глобальный тренд.

Рис. 3. A — тренд средней глобальной концентрации метана (серая линия) и его δ¹³C (фиолетовая линия) по данным NOAA/GML GGGRN. Средние скорости роста мольной доли метана и δ¹³C для газа показаны для временных периодов: 1983–1998, 1999–2006, 2008–2014, 2014–2020 и 2020–2022. B — наложенные графики измерений δ¹³C метана в Алерте (Канада), на Шпицбергене (Норвегия) и в Антарктиде, выполненных организациями INSTAAR, NIWA, TU/NIPR и MPI. Разные источники данных показаны разными цветами. Графики из обсуждаемой статьи

Также учли изменение мольной доли этого газа в атмосфере. Глобальную динамику метана оценили с помощью бокс-моделей (box-model), которые представляет собой системы уравнений непрерывности, описывающие изменения постоянно измеряемых величин. Все они характеризуют некоторую систему — в данном случае глобальный климат, — как единое целое. Временное разрешение моделей — промежутки времени, которым соответствуют конкретные значения концентрации метана, — равнялось 2,4 месяца. Предстояло выяснить, какое соотношение потоков может объяснить наблюдаемые в реальности изотопные подписи.

В период 2020–2022 годов на фоне максимального роста концентрации метана (в полтора-два раза выше фонового) значение δ¹³C этого газа, напротив, было минимально и равнялось примерно −47,7‰ (в 2022 году). В те два года величина δ¹³C уменьшалась со скоростью 0,09‰ в год, что заметно больше, чем в 2014–2020 годах (−0,04‰ в год) и в 2008–2014 годах (−0,03‰ в год). Моделирование позволило описать временные ряды для средних глобальных значений концентрации метана и его δ¹³C. Рассмотренный промежуток времени (1999–2022) разбили на четыре интервала: 1999–2006, 2008–2014, 2014–2020 и 2020–2022. Каждый интервал характеризуется определенной скоростью роста концентрации метана и изменения δ¹³C и потому был описан отдельно. Соответствующие модели использовали с различными значениями параметров для источников и стоков метана. Среди них — концентрация гидроксильного радикала в тропосфере, уровень эмиссии из-за использования ископаемого топлива, связанная с микробами эмиссия и так далее. Величины потоков меняли так, чтобы оптимально воспроизвести реальную атмосферу Земли.

Оказалось, что уменьшение δ¹³C метана возможно только за счет очень активной микробной эмиссии. Однако при росте только потока из этого источника значения изотопной подписи оказывались заниженным по сравнению с наблюдениями. Поэтому авторы также варьировали приток метана в атмосферу, связанный с ископаемым топливом. Ближе всего к реальности оказались модели, в которых микробная эмиссия метана в 2008 году росла с постоянной скоростью (14 миллионов тонн/год) на фоне увеличения связанной с горючими ископаемыми эмиссии (на 10 миллионов тонн/год). Модель также предусматривает, что в 2014 году микробная эмиссия метана выросла еще на 22 миллиона тонн, а вызванная использованием газа, угля и других ископаемых — на 4 миллиона тонн за год (рис. 4). Результат согласуется с выполненными ранее работами на основе обратного моделирования (inverse modelling), которое позволяет установить исходное состояние системы на основе наблюдаемого (X. Peng et al., 2022. Wetland emission and atmospheric sink changes explain methane growth in 2020). Те предполагают, что примерно 85% роста содержания метана в атмосфере в 2007–2020 годах связано именно с микроорганизмами.

Рис. 4. A — данные моделирования: изменения мольной доли метана и его δ¹³C под влиянием различных факторов. B — выбросы и время жизни метана для каждого сценария. Графики из обсуждаемой статьи

Снижение объемов сжигаемой биомассы (прежде всего растений) на 10–30% за прошедшие два десятилетия также отчасти может объяснять наблюдаемые изменения в δ¹³C метана. Существенно, что уменьшение вклада этого источника означает рост относительного вклада горючих ископаемых. В работе рассмотрено множество сценариев, предусматривающих рост концентрации гидроксильного радикала (ведущего стока атмосферного метана), альтернативные значения δ¹³C ископаемого топлива и так далее. Однако в каждом случае наблюдаемые концентрации парникового газа можно объяснить только при условии резкого повышения его эмиссии микроорганизмами. Относительный вклад этого источника в 2020–2022 годах также был максимальным за период с 2008 года.

К сожалению, изотопная подпись не позволяет различить метан из антропогенных (сельскохозяйственные животные, свалки) и природных источников (водно-болотные угодья). Это вопрос должен стать предметом новых исследований. В работе также не рассматривались другие возможные источники. Например, метангидраты — вмерзший в лед на морском дне метан, который может высвобождаться при нагреве, процесс серпентинизации (преобразование горных пород на дне, при котором также выделяется метан) и так далее. Все они могут изменять значения δ¹³C метана. Отдельного внимания заслуживает совпадение по времени рекордного роста концентрации метана (2020–2022) и пандемии COVID-19, которая сильно сказалась на мировой экономике, сельском хозяйстве и промышленности (S. Han, Y. Cheng, 2023. The impact of the COVID-19 epidemic on agricultural production strategy from the perspective of loss aversion).

Источник: Sylvia Englund Michel, Xin Lan, John Miller, Pieter Tans, J. Reid Clark, Hinrich Schaefer, Peter Sperlich, Gordon Brailsford, Shinji Morimoto, Heiko Moossen , and Jianghanyang Li. Rapid shift in methane carbon isotopes suggests microbial emissions drove record high atmospheric methane growth in 2020–2022 // PNAS. 2024. DOI: 10.1073/pnas.2411212121.

Михаил Орлов