1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 59, № 3, 2023

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2023, T. 59, № 3, стр. 309-321

Эмиссия метана из озер севера Западной Сибири

В. С. Казанцев a, *, Л. А. Кривенок a, Ю. А. Дворников a, b, В. А. Ломов a, А. Ф. Сабреков a, c

a Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., д. 3, стр. 1, Россия

b Департамент ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем Аграрно-технологического института РУДН
117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Россия

c Югорский государственный университет
628012 Ханты-Мансийск, ул. Чехова, д. 16, Россия

* E-mail: kazantsev@ifaran.ru

Поступила в редакцию 23.12.2022
После доработки 16.02.2023
Принята к публикации 10.03.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе приведены результаты измерений удельных потоков (УП) метана в атмосферу из термокарстовых озер, расположенных на территории Российской Федерации в предгорьях Полярного Урала, на побережье Карского моря и в северо-западной части полуострова Ямал. Всего исследовано 13 водных объектов и измерено около 500 УП метана методом плавающих камер. Результаты показали, что 95% УП не превышает 8 мг СН4 м–2 ч–1. Для этих УП выявлена статистически значимая корреляция с приземной скоростью ветра во время измерения, которая во многом определяет интенсивность газообмена на границе “вода – атмосфера”. Исключениями из этой зависимости стали измерения в предполагаемой зоне выхода метановых сипов. Для большинства озер наибольший разброс измеренных УП наблюдался в мелководной части. Проанализирована суточная динамика УП метана, которая аппроксимирована синусоидальной функцией. Для представленных в работе озер диапазон оценок эмиссии метана составляет 0.23–775.38 г СН4 ч–1. Результаты, полученные в ходе работы, – важный материал для расчетов региональных оценок эмиссии метана с поверхности термокарстовых озер тундровой зоны.

Ключевые слова: парниковые газы, пресноводные экосистемы, удельные потоки, суточная динамика, углеродный баланс

1. ВВЕДЕНИЕ

Метан – один из ключевых парниковых газов в атмосфере, который имеет очень высокий потенциал глобального потепления по отношению к углекислому газу. Его источники могут быть природного и антропогенного характера. К существенным природным источникам метана в атмосфере относятся водоемы суши, о которых и пойдет речь в данной статье. Помимо этого, интерес представляют также потенциальные эмиссии метана из внутримерзлотных резервуаров вследствие развития подозерных таликов.

Основной источник метана в озерной экосистеме – анаэробное разложение органического вещества (как автохтонного, так и аллохтонного) в донных отложениях водоема. При этом метан, интенсивность генерации которого зависит от развития микроорганизмов архей-метаногенов [Bazhin, 2003; Gruca–Rokosz and Tomaszek, 2015], может выходить из донных осадков в виде двух основных механизмов переноса: диффузионного и пузырькового.

Диффузионный поток имеет достаточно низкую скорость, а также метан, переносимый этим путем, подвержен окислению в вышележащих слоях озера, где содержание растворенного кислорода велико. В результате деятельности метанотрофных микроорганизмов до 90% метана может быть окислено в водной толще [Guerin and Abril, 2007]. По этой причине диффузионный удельный поток часто имеет небольшие значения.

Пузырьки метана возникают при перенасыщении порового раствора донных отложений и поднимаются к поверхности воды [Miller et al., 2007; Ostrovsky et al., 2008]. Метан, переносимый в виде пузырьков, менее подвержен окислению. Однако пузырьки могут растворяться в воде, после чего метан из них может окисляться. Кроме того, пузырьковый перенос метана не может наблюдаться на больших глубинах, так как важный фактор образования пузырьков – это гидростатическое давление. Так, например, при резком падении уровня воды в водоеме пузырьковый перенос метана может значительно интенсифицироваться [Harrison et al., 2017].

К менее значительным составляющим потока метана в атмосферу из озерной экосистемы также относят поток, обусловненный макрофитами [Milberg et al., 2017]. В частности, он возникает при обильном развитии крупной водной растительности, из-за чего у берегов озер образуется большое количество органического вещества, при разложении которого также выделяется метан. Однако в данной работе основное внимание будет уделяться именно потоку метана на границе “вода-атмосфера”.

Актуальность приведенного в данной статье исследования обусловлена также и тем, что в последнем докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата приведены новые значения оценок общей эмиссии метана с озер мира [IPCC, 2021]. Согласно таблице на с. 703 этого доклада, на пресноводные водоемы приходится 159 Тг СН4 в год, что составляет 22% от всех источников метана в атмосфере – как природных, так и антропогенных. Тундровые озера имеют значительную суммарную площадь, поэтому для более точных оценок эмиссий из озер данной зоны полученные нами результаты имеют достаточно высокое значение в региональном и глобальном масштабе. Северные территории России труднодоступны, на данный момент проведено относительно небольшое количество полевых наблюдений эмиссии метана из располагающихся там озер (см, например, [Глаголев и др., 2010a; Kazantsev et al., 2018; Sabrekov et al., 2011; Savvichev et al., 2021]). Получение достаточно больших объемов данных по эмиссиям метана в совокупности с сопутствующими факторами окружающей среды позволит увеличить точность экстраполяции этих эмиссий на больший временной и пространственный масштаб.

Целью данной работы являлось получение оценок эмиссий парникового газа метана из выбранных тундровых озер Западной Сибири, установление общих закономерностей распределения удельных потоков (УП) метана из данных экосистем и выявление влияния на интенсивность эмиссии различных факторов окружающей среды.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести прямые измерения значений УП метана из озер камерным методом, включая изучение суточной динамики эмиссии, одновременно с количественной фиксацией параметров окружающей среды.

2. На основе полученных данных дать оценку потока метана с поверхности изучаемых озер.

3. Методами статистического анализа определить факторы окружающей среды коррелирующие с интенсивностью эмиссии метана.

4. Количественно описать суточную динамику эмиссии метана.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. Полевые и лабораторные работы

Полевые исследования проводились на трех ключевых участках: в предгорьях Полярного Урала и на побережье Карского моря в августе 2018 г. и в районе стационара “Васькины Дачи” на Центральном Ямале в августе 2019 г. (рис. 1).

Рис. 1.

Карта расположения участков исследования. Картографическая подложка [ESRI et al., 2020].

Первая группа озер (ключевой участок “Побережье Карского моря”) – Первое, Долинное, Хасырейное, Питьевое – расположены в биоклиматической подзоне D (северная полоса типичных тундр) [CAVM Team, 2003], которая характеризуется средней температурой июля 9°C. Вторая группа озер, расположенная в восточных предгорьях Уральских гор (ключевой участок “Полярный Урал”) – Панда, Подсклонное, Ухо-Правое – относится к биоклиматической подзоне E (южные гипоарктические тундры) [Юрцев и др., 1978; CAVM Team, 2003]. Эта подзона характеризуется средней температурой июля около 12°C. Зональным типом растительности являются низкокустарниковые ерниково-ивняковые осоково-лишайниково-моховые бугорковатые и пятнисто-бугорковатые тундры, развитые на междуречьях. Донные отложения озер богаты органическим веществом. Данные озера являются результатом протекания термокарстовых процессов на территории обозначенных природных зон. Характеристики исследуемых объектов отражены в табл. 1.

Таблица 1.  

Список исследованных озер на побережье Карского моря и Полярном Урале

ID Площадь, га Широта Долгота Средняя глубина, м Максимальная глубина, м
Побережье Карского моря
Первое 0.11 68.86153 66.70786 2 3.1
Долинное 1.92 68.86017 66.67236 1.8 2.4
Хасырейное 6.10 68.85681 66.68729 1.5 1.7
Питьевое 0.20 68.86177 66.71228 н.д.* н.д.
Полярный Урал
Подсклонное 0.04 67.95109 67.54961 1.1 2
Ухо-правое 0.06 67.95187 67.54285 н.д. 1.6
Панда 0.56 67.95123 67.54347 2.4 3.4

* н.д. – нет данных.

На ключевом участке “Васькины Дачи” было детально изучено шесть озер: LK-002, LK-008, LK-010, LK-012, LK-018, LK-019 [Dvornikov et al., 2016]. В табл. 2 собраны морфометрические характеристики этих водных объектов. Согласно циркумполярной арктической карте растительности, территория стационара относится к биоклиматической подзоне D (северные гипоарктические тундры) [CAVM Team, 2003], которая характеризуется средней температурой июля равной 9°C. Из кустарников широко распространены ивы сизая и мохнатая (Salix glauca и S. lanata), а также карликовая березка (Betula nana) [Ребристая и Хитун, 1998]. Растительные сообщества с сомкнутым кустарниковым ярусом приурочены главным образом к днищам долин и склонам водоразделов. Водосборные бассейны озер характеризуются различными фациальными условиями. Литологический состав верхней толщи V (Салехардской), IV (Казанцевской) и III морских равнин – пески и глины, встречаются главным образом в зоне осушки озер [Dvornikov et al., 2017]. В водосборах озер LK-018 и LK-019 в 2013 году образовались термоцирки. Появившиеся обнажения включают погребенные повторно-жильные льды, вклинивающиеся в пластовые льды. В обнажениях также вскрываются погребенные залежи торфа мощностью в несколько метров и минеральные породы, насыщенные органическим веществом.

Таблица 2.  

Список исследованных озер на стационаре “Васькины Дачи”

ID Площадь, га Широта Долгота Средняя глубина, м Максимальная глубина, м Отметка уреза воды, м (БС-1977)*
LK-002 3.23 68.9045 70.2977 1.1 2.3 33.9
LK-008 41.88 68.811 70.276 5.5 20.7 11.7
LK-010 4.25 68.8642 70.3012 0.6 1.8 4.5
LK-012 2.22 68.9216 70.2825 3.2 7.3 20.5
LK-018 12.85 69.0061 70.2319 2.3 7.8 6.3
LK-019 15.16 68.9951 70.2301 1.9 6.3 6.3

* БС-1977 – Балтийская система высот.

Полевые измерения УП метана проводились методом темных плавающих камер с экспозицией 30 минут. Использовались пластиковые камеры, покрытые снаружи светоотражающей пленкой для отражения солнечных лучей, объем камер – 0.009 м3, площадь основания – 0.076–0.080 м2. На каждом из озер точки измерения располагались по трансекте от условной середины озера (самой глубокой части) к берегу, измерения на каждой точке осуществлялись в 8–18 повторностях (на одной из точек, расположенной вблизи метанового сипа на озере LK-008, было сделано 5 повторностей). Для изучения суточной динамики эмиссии метана на озере LK-002 в центральной части измерения проводились каждые два часа в течение суток в одной точке в двухкратной повторности. Для препятствия попадания пузырьков метана в камеру при суточных измерениях экспериментально были использованы пластиковые щиты, закрепленные на тонких веревках с нижней стороны камеры на удалении 70 см от нее. В течение каждого измерения отбирались образцы камерного воздуха и воды с поверхности для определения концентрации растворенного в воде метана.

Параллельно фиксировалась температура поверхности воды и дна (температурные датчики Thermochron DS 1922L), электропроводность и кислотность озерной воды (портативный мультиметр Hanna HI98129 Combo) и метеорологические характеристики: температура воздуха, давление и скорость ветра (портативная метеостанция Skywatch GEOSN11). Отбор проб газа и расчеты УП метана проводились по методологии, описанной в [Bastviken et al., 2010; Глаголев и др., 2010b], пробы анализировались на газовом хроматографе “Кристалл 5000.2" (ЗАО СКБ “Хроматэк”, г. Йошкар-Ола) с пламенно-ионизационным детектором (ПИД). Каждый образец хроматографировался в трехкратной повторности. Объем пробоотборника (петли) – 0.250 мл, длина хроматографической колонки – 3 м, диаметр – 2 мм, абсорбент Hayesep-N 80/100. Температура колонки – 60°C, температура ПИД – 150°C. В качестве газа-носителя использовался азот чистотой 99.999% с расходом 30 мл мин–1. Расход водорода на горелке – 20 мл мин–1, воздуха – 200 мл мин–1. Калибровка хроматографа осуществлялась с помощью поверочных газовых смесей производства ООО “Мониторинг”, г. Санкт-Петербург со следующими концентрациями метана: 0.49 ± 0.07, 5.58 ± 0.5, 9.92 ± 0.6, 100 ± 5, 1000 ± 30 млн–1.

2.2. Определение минимально возможного УП метана из атмосферы в озеро

В результате расчетов УП по полученным полевым данным было получено 12 отрицательных значений УП в диапазоне от –4.98 до ‒0.002 мг СН4 м–2 ч–1 (в данной работе УП, соответствующие эмиссии метана с поверхности озера в атмосферу, мы приводим с положительным знаком, а УП с отрицательным знаком соответствуют поглощению метана из атмосферы). В связи с этим необходимо выяснить, являются ли данные УП артефактными и их нужно отбросить, или же они отражают реально идущие в экосистеме процессы.

Наименьший по величине возможный УП метана из атмосферы в воду был рассчитан с использованием так называемой двухслойной модели [Liss and Slater, 1974; Repo et al., 2007; Klaus and Vachon, 2020], согласно которой поток газа между через поверхность между атмосферой и водным объектом F (мг СН4 м–2 ч–1) прямо пропорционален разнице между фактической концентрацией растворенного в воде газа Cdis и равновесной концентрацией газа в воде, соответствующей его атмосферной концентрации, Сeq (обе – мг СН4 м–3):

(1)
$F = k\left( {{{C}_{{dis}}} - {{C}_{{eq}}}} \right),$
где k (м ч–1) – коэффициент обмена между водой и атмосферой, всегда положительный по физическому смыслу. Минимально возможным потоком из атмосферы в воду при отсутствии информации о Cdis можно принять тот, который наблюдается при мгновенном потреблении метана в воде микроорганизмами, то есть при Cdis равном 0. Таким образом, наименьший возможной удельный поток Fmin (мгСН4 м–2 ч–1) будет ограничен только физическим процессом растворения атмосферного метана в воде и равен

(2)
${{F}_{{\min }}} = - k{{C}_{{eq}}}.$

Коэффициент обмена между водой и атмосферой согласно [Jähne et al., 1987; Striegl et al., 2012] определяется как:

(3)
$k = {{k}_{{600}}}{{\left( {\frac{{S{{c}_{{600}}}}}{{600}}} \right)}^{x}},$
где k600 – эмпирический параметр (м ч–1), являющийся функцией свойств атмосферной турбулентности над водным объектом и его собственных характеристик, таких как площадь, форма и т.д. [Klaus and Vachon, 2020], Sc600 – число Шмидта для данного газа при данной температуре (безразмерное), x – безразмерный эмпирический параметр, характеризующий затухание турбулентности на поверхности водного объекта, варьирующий от –1 до –0.5 [Jähne et al., 1987; Striegl et al., 2012]. Измеренные значения k600 почти никогда не превышают 0.4 м ч–1 [Klaus and Vachon, 2020]. Для указанной выше минимальной температуры воды число Шмидта, рассчитанное по эмпирической формуле для метана из [Repo et al., 2007], равно 1127. k принимает максимальные значения в рамках диапазона возможных значений x при x, равном –0.5. Тогда максимально возможное значение k равно 0.29 м ч–1.

Сeq для метана можно рассчитать на основе закона Генри исходя из его концентрации в атмосфере, минимальной температуры пресной воды во время измерения для исследованных объектов, равной 8.7°С (берем именно минимальную температуру, так как чем она ниже, тем больше газа может раствориться в воде), а также характеристик растворимости, собранных в [Sander, 2015]. Учитывая, что медиана ± половина межквартильного размаха измеренных концентраций метана в приземном слое воздуха на высоте 80 см над поверхностью воды для всех точек исследования составила 2.12 ± 0.12 млн–1, равновесная концентрация метана Сeq будет равна 0.066 ± 0.004 мг СН4 м–3. Тогда наименьшее возможное потребление метана поверхностью водоема Fmin для этих участков составит –0.019 ± 0.001 мг СН4 м–2 ч–1.

Сопоставим это значение с реальными скоростями потреблениями метана метанотрофами в верхних, богатых кислородом слоях бореальных озер. При близких к атмосферным концентрациях метана потребление метана идет по реакции первого порядка, в этих слоях составляя –0.004–(–0.016) мг СН4 м–2 ч–1 [Striegl and Michmerhuizen, 1998; Utsumi et al., 1998; Bastviken et al., 2008]. Тогда при Сeq, равной 0.066 мг СН4 м–3, богатые кислородом слои воды (верхние 5 метров пресноводных водоемов) могут потребить около ‒0.001–(–0.005) мг СН4 м–2 ч–1. Это означает, что потребление атмосферного метана водными объектами вероятнее всего ограничено характеристиками микробных сообществ, а вычисленное выше значение Fmin является действительно минимальным УП на границе атмосферы с водным объектом, значения F ниже которого лишены физического смысла.

2.3. Математическое представление данных

Во время каждой серии камерных измерений УП метана определялись и концентрации метана в воде, что позволило с помощью метода thin boundary layer (TBL) [UNESCO/IHA, 2010] оценить диффузионную составляющую потока метана. Данный метод дает оценку интенсивности газообмена на границе “вода-атмосфера” по разнице концентраций газа в воде и в воздухе.

В ходе работы был проведен анализ по поиску регрессионных зависимостей между величиной УП в атмосферу и факторами окружающей среды. Для оценки качества полученных регрессий были использованы коэффициент корреляции Пирсона (R), F-критерий значимости регрессий, у которого было определено p-value с уровнем надежности 95%. Также был использован коэффициент несовпадения Тейла (U), который варьирует от 0 при полном совпадении экспериментальных и смоделированных данных до 1 при очень плохом совпадении [Theil, 1958].

Основываясь на зависимости, полученной нами ранее для термокарстового озера в тундре Западной Сибири [Kazantsev et al., 2018], мы аппроксимировали суточную динамику УП для озера LK-002 функцией вида (4):

(4)
$F = {{b}_{1}} + {{b}_{2}}{{T}_{{{\text{air}}}}}\sin (2\pi {\text{*}}\left( {{{b}_{3}} - h} \right)/24),$
где F – УП метана (мг CH4 м–2 ч–1), b1, b2, b3 – подобранные методом наименьших квадратов коэффициенты с их стандартной ошибкой, Tair – температура воздуха на высоте 0.1 м (°C), h – время середины измерения, представленное в виде десятичной дроби, где целая часть соответствует часам.

Для каждого из озер была сделана оценка эмиссии метана в дневное время (т. к. большинство измерений шло в светлое время суток). Для этого каждый УП был разложен на диффузионную и пузырьковую компоненту следующим образом. Каждому из измеренных камерным методом УП метана Fch поставлен в соответствие УП метана FTBL, оцененный методом TBL. В случае, если FTBL ≥ Fch, диффузионная компонента приравнивается к Fch, пузырьковая компонента – к нулю. Если же FTBL < Fch, диффузионная компонента равна FTBL, а пузырьковая вычислялась как (Fch – FTBL). Затем для каждого озера суммировалась медиана диффузионной компоненты и среднее значение пузырьковой, полученная величина умножалась на площадь озера.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Статистические характеристики удельных потоков метана на различных озерах и их связь с внешними факторами

В ходе работ на трех описанных участках было измерено 523 УП метана с разных озер и разных точек измерений, из них 10 отрицательных УП отфильтровано по принципу, описанному в разделе “Материалы и методы”. Такая большая выборка значений позволила провести статистический анализ полученных данных, выявить общие закономерности распределения УП метана из исследованных водных объектов, а также определить влияние факторов окружающей среды на величину УП метана на границе “вода – атмосфера”.

Для графической иллюстрации полученных выборок на рис. 2 представлена диаграмма размаха для значений УП метана, измеренных со всех перечисленных озер (данные для близкорасположенных сообщающихся озер Панда и Ухо-Правое объединены в один массив, а для озера, на котором велись суточные измерения, в данную диаграмму включены только дневные значения для сопоставимости с остальными объектами).

Рис. 2.

Диаграммы размаха значений УП метана, измеренных на 12 перечисленных озерах в трех районах измерений.

95% измеренных УП небольшие по величине и не превышают 8 мг СН4 м–2 ч–1. Оценка величины диффузионной составляющей УП метана в атмосферу по методу TBL позволила сделать вывод, что для значений выше 8 мг СН4 м–2 ч–1 доля диффузионной составляющей не превышает 4%, в то время как для потоков менее 8 мг СН4 м–2 ч–1 доля диффузионного УП, оцененного по TBL, составляет 51, 38 и 48% в среднем для районов Васькины Дачи, Побережье Карского моря и Полярный Урал соответственно.

Более высокие УП метана, измеренные на выбранных озерах, имеют очень большой разброс и обусловлены сразу несколькими факторами. В первую очередь это пузырьки метана, которые образуются в поровом растворе донных отложений (преимущественно донные отложения на описываемых водных объектах – это сапропель). После этого из-за высокой плавучести пузырьки быстро достигают поверхности воды. Таким образом метан, не подвергаясь окислению, эмитирует в атмосферу. Процесс образования пузырьков, их количество и размер, концентрация в них метана, попадание пузырька метана в камеру в именно момент измерения – определяются совокупностью факторов, имеющих преимущественно вероятностный характер. Это объясняет большие разбросы в значениях высоких УП метана из практически всех измеренных озер.

Кроме образования пузырьков метана в результате разложения органического вещества в грунтах, высокие УП могут регистрироваться из-за присутствия в данных озерах сипов метана, которые были зафиксированы на некоторых точках измерения (например, озеро LK-008).

Значительных различий в высоких значениях УП метана между тремя изученными в данной работе районами выявлено не было. Однако, была выявлена значимая корреляция между высокими значениями УП метана в атмосферу (более 8 мг СН4 м–2 ч–1) и скоростью ветра (рис. 3).

Рис. 3.

Зависимость удельного потока метана в атмосферу (значения более 8 мгСН4 м–2 ч–1) от приземной скорости ветра во время измерений на точках.

Все статистические критерии показывают статистическую значимость данной регрессии. Полученное уравнение для зависимости приведено в формуле (5):

(5)
${{F}_{{{\text{С}}{{{\text{Н}}}_{{\text{4}}}}}}} = 20.83{{V}_{{{\text{wind}}}}} + 23.09,$
где ${{F}_{{{\text{С}}{{{\text{Н}}}_{{\text{4}}}}}}}$ – УП метана на границе “вода – атмосфера” (мг СН4 м–2 ч–1), Vwind – приземная скорость ветра (м с–1).

Точки, отмеченные на рис. 3 красным цветом, соответствуют измерениям на озерах LK-012 и Подсклонное. Они были исключены из данной зависимости, так как, вероятно, эти высокие значения УП обусловлены метановыми сипами.

Для изученных озер также наблюдается связь между глубиной озера и УП метана в атмосферу. При разбиении всех точек наблюдений на озерах по районам и по глубинному положению (условно все точки были разбиты на участки “прибрежная часть”, “середина”, “глубина”) видно, что на более мелких точках наблюдаются большие значения УП метана в атмосферу, чем на глубоких участках (рис. 4).

Рис. 4.

Диаграммы размаха УП метана: распределение по глубинным участкам в трех районах проведения измерений (а – Васькины Дачи; б – Побережье Карского моря; в – Полярный Урал).

Рис. 4.

Окончание

Исключением из этой закономерности для всех измеренных УП является район Полярного Урала и озера Панда и Подсклонное. Однако, если обратить внимание на квартильный размах, то данная закономерность характерна и для данного района. Связана она с тем, что глубина выступает как лимитирующий фактор для УП метана в атмосферу – при большей глубине на дне возникает большее гидростатическое давление, что препятствует образованию и выходу к поверхности воды пузырьков метана, так как растворимость метана при этом возрастает. Кроме того, при прохождении метана в водной толще от донных отложений к поверхности, часть его будет окислена, и также часть пузырькового метана растворится и перейдет в диффузионную составляющую. Чем больше глубина, тем большее расстояние необходимо пройти метану от дна к поверхности – тем больше метана может быть окислено в водной толще, и глубина является одним из лимитирующих факторов для УП метана.

3.2. Суточная динамика

Суточная динамика УП метана на озере LK-002, описываемая функцией (4), графически отображена на рис. 5, коэффициенты уравнения приведены в табл. 3.

Рис. 5.

Суточная динамика УП метана из озера на ключевом участке “Васькины Дачи” (экспериментальные и смоделированные значения).

Таблица 3.  

Численные значения параметров уравнения (4) для озера LK-002 на ключевом участке “Васькины Дачи”

Независимая переменная Коэффициент уравнения с его стандартной ошибкой
b1 b2 b3
Температура воздуха 0.065 ± 0.009 0.004 ± 0.001 –3.142 ± 0.790
Температура дна 0.078 ± 0.008 0.004 ± 0.001 –3.028 ± 0.795

Коэффициент несовпадения Тейла U для данной модели составляет 0.138, что говорит о достаточно хорошем качестве аппроксимации. При этом, если вместо температуры воздуха использовать температуру придонного слоя осадков (°С), качество аппроксимации незначительно улучшается (U = 0.136), однако мы считаем в таком случае более целесообразным использовать температуру воздуха в качестве переменной, так как ее значения может быть проще получить в полевых условиях, особенно если речь идет о долговременных рядах наблюдений. Однако стоит отдельно отметить, что полученная зависимость на текущем этапе может быть использована в первую очередь для характеристики полученного массива данных, а для потенциальной экстраполяции требуется ее усовершенствование с использованием долговременных рядов наблюдений.

3.3. Оценки эмиссий

В табл. 4 приведены полученные нами оценки эмиссий для всех изученных озер с использованием рассчитанных характеристических величин УП для диффузионного и пузырькового типа эмиссии. Интересно, что УП, нормированные на площадь озера, и средние значения УП, полученные в результате прямых камерных наблюдений, очень близки по величине, что говорит нам о том, что как минимум для исследованным нами озер средний измеренный УП также можно использовать для оценки эмиссии. Полученные оценки варьируют от 0.23 г СH4 ч–1для небольшого (но не самого малого по площади среди изученных) озера на участке “Побережье Карского моря” до 775.38 г СH4 ч–1 для озера с самой большой площадью LK-008 на “Васькиных Дачах”.

Таблица 4.  

Оценки эмиссии метана из исследованных озер тундры Западной Сибири (ключевые участки расположены с севера на юг, озера внутри групп расположены по возрастанию площади)

Озеро Медианный расчетный диффузионный УП, мг СH4 м–2 ч–1 Средний расчетный пузырьковый УП, мг СH4 м–2 ч–1 Эмиссия с озера, г СH4 ч–1 УП, нормированный на площадь озера, мг СH4 м–2 ч–1 Средний по камерным измерениям УП, мг СH4 м–2 ч–1
Васькины Дачи
LK-012 0.07 3.85 86.89 3.91 3.91
LK-002 0.06 0.94 32.53 1.01 1.01
LK-010 0.24 0.15 16.53 0.39 0.43
LK-018 0.03 4.94 639.79 4.98 4.98
LK-019 0.10 1.12 184.89 1.22 1.21
LK-008 0.07 1.79 775.38 1.85 1.88
Побережье Карского моря
Первое 0.09 0.12 0.23 0.21 0.21
Питьевое 0.10 3.60 7.40 3.70 3.70
Долинное 0.05 0.26 5.83 0.30 0.30
Хасырейное 0.09 0.95 63.21 1.04 1.04
Полярный Урал
Подсклонное 0.25 1.59 0.73 1.83 1.91
Ухо-правое 0.40 30.24 18.38 30.63 30.63
Панда 0.08 18.50 104.04 18.58 18.57

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Как можно видеть из результатов исследования, для большинства станций измерений величина УП метана невелика. Значения УП метана достаточно низкие по ряду причин. В первую очередь, необходимо отметить невысокие температуры воды – средние значения температур составляют около 12°С за все измерения. При этом температура имеет незначительную пространственную динамику: наибольшее значение составляет 15°С, наименьшее 8.5°С. Такие относительно невысокие температуры воды не создают оптимальных условий для того, чтобы происходила активная генерация метана в донных отложениях.

Также из-за того, что озера неглубокие и хорошо перемешаны (наибольший градиент температуры наблюдался на озере LK-012 – около 0.5°С на метр – гомотермия), они полностью насыщенны кислородом, который практически не расходуется в толще воды из-за низкой биологической активности тундровых озер. Так как метан может накапливаться в воде при анаэробных условиях (содержание кислорода менее 1 мг л–1), при наблюденном минимальном содержании в 7.05 мгО2 л–1 метан в водной толще быстро окисляется метанотрофами. По указанным причинам для данных озер не было выявлено зависимостей между УП метана в атмосферу и температурой воды или содержанием растворенного кислорода.

Результаты измерений значений УП метана хорошо согласуются с данными ранее проведенных на севере Западной Сибири исследований. Так, в работе [Голубятников и Казанцев, 2013] приведены значения УП метана, характерных для тундровых озер верховьев р. Таз и Гыданского полуострова, в диапазоне 0.24–2.93 мг СH4 м–2 ч–1. Полученные в нашей работе УП метана также соответствуют диапазону значений, характерных для озер тундры в районе устья р. Таз [Kazantsev et al., 2018]. В этом исследовании показано, что средние значения УП метана в четырех озерах составляют 0.61–1.24 мг СH4 м–2 ч–1. При этом все проведенные в тундровой зоне Западной Сибири исследования эмиссии метана с поверхности озер, включая настоящую работу, показывают в целом более высокие значения УП метана, нежели с озер Большеземельской тундры. Так, в работе [Забелина и др., 2017] приведены диффузионные УП метана в интервале 0.01–0.87 мгСН4 м–2 сут–1, что соответствует значениям 0.0004–0.04 мгСН4 м–2 ч–1.

В ходе анализа полученных результатов удалось выявить статистически значимую зависимость УП метана от скорости приземного ветра (рис. 3). Данная зависимость проявляется на выбранных водных объектах, поскольку они имеют очень небольшую глубину (в среднем до 3 м). При полном отсутствии стратификации ветровое воздействие легко перемешает водную толщу полностью, из-за чего будет происходит взмучивание донных отложений. Сапропель очень подвержен этому явлению, поэтому пузырьки, находящиеся в донных отложениях, будут активно выделяться в атмосферу. Чем интенсивнее ветровое воздействие и, как следствие, взмучивание, тем интенсивнее будет происходить высвобождение пузырьков, а УП метана будет больше.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках исследования получен и проанализирован большой массив значений УП метана в совокупности с факторами окружающей среды, потенциально оказывающих влияние на интенсивность эмиссии.

Прослеживается временная и пространственная изменчивость эмиссий. Суточные изменения интенсивности эмиссии метана хорошо аппроксимируются гармонической функцией, где независимыми переменными выступают температура воздуха и время суток.

Приведенные в этой статье результаты могут впоследствии быть использованы при расчете региональных оценок эмиссии метана и в математических моделях, описывающих и прогнозирующих особенности функционирования атмосферы и климата.

Список литературы

  1. Глаголев М.В., Клепцова И.Е., Казанцев В.C. и др. Эмиссия метана из болотных ландшафтов тундры Западной Сибири // Вестник ТГПУ. 2010a. № 3(93). С. 78–86.

  2. Глаголев М.В., Сабреков А.Ф., Казанцев В.С. Измерение газообмена на границе почва/атмосфера. Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 2010b. 96 с.

  3. Голубятников Л.Л., Казанцев В.С. Вклад тундровых озер Западной Сибири в метановый бюджет атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 4. С. 430–438.

  4. Забелина С.А., Широкова Л.С., Климов С.И. и др. Эмиссия метана с поверхности термокарстовых озер большеземельской тундры // Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды. Основные результаты и пути развития. 2017. С. 152–153.

  5. Ребристая О.В., Хитун О.В. Ботанико-географические особенности флоры Центрального Ямала // Ботанический журнал. 1998. Т. 83. № 7. С. 37–52.

  6. Юрцев Б.А., Толмачев А.И., Ребристая О.В. Флористическое ограничение и разделение Арктики // Арктическая флористическая область / Под ред. Юрцева Б.А. Ленинград: Наука, 1978. С. 9–104.

  7. Bastviken D., Cole J.J., Pace M.L., Van de Bogert M.C. Fates of methane from different lake habitats: Connecting whole lake budgets and CH4 emissions // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. № G2. G02024. https://doi.org/10.1029/2007JG000608

  8. Bastviken D., Santoro A.L., Marotta H. et al. Methane emissions from Pantanal, South America, during the low water season: toward more comprehensive sampling // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44. № 14. P. 5450–5455.

  9. Bazhin N. Methane Emission from Bottom Sediments // Chem. Sustain. Dev. 2003. V. 11. P. 577–580.

  10. CAVM Team. Circumpolar Arctic Vegetation Map. (1 : 7,500,000 scale), Conservation of Arctic Flora and Fauna (CAFF). Map № 1. 2003.

  11. Cole J.J., Caraco N.F. Atmospheric exchange of carbon dioxide in a low-wind oligotrophic lake measured by the addition of SF6 // Limnol. Oceanogr. 1998. № 43. P. 647–656.

  12. Dvornikov Y., Leibmann M., Heim B. et al. Geodatabase and WebGIS project for long-term permafrost monitoring at the VaskinyDachi Research Station, Yamal, Russia // Polarforschung. 2016. V. 85. № 2. P. 107–115.

  13. Dvornikov Y.A., Leibmann M.O., Heim B. et al. Thermodenudation on Yamal peninsula as a source of the dissolved organic matter increase in thaw lakes // Earth’s Cryosph. 2017. V. 21. № 2. P. 28–37.

  14. Esri, Garmin, HERE, GEBCO, NOAA, National Geographic, Geonames.org et al. 2020. ESRI World Ocean Base [Online map]. URL: https://services.arcgisonline.com/ArcGIS/ rest/services/Ocean/World_Ocean_Base/MapServer/ tile/%7Bz%7D/%7By%7D/%7Bx%7D (22.12.2022).

  15. UNESCO/IHA GHG measurement guidelines for freshwater reservoirs / Goldenfum J.A. (Ed.). International Hydropower Association (IHA): London, UK, 2010. 138 p. URL: https://www.hydropower.org/publications/ ghg-measurement-guidelines-for-freshwater-reservoirs (30.01.23).

  16. Gruca-Rokosz R., Tomaszek J. Methane and Carbon Dioxide in the Sediment of a Eutrophic Reservoir: Production Pathways and Diffusion Fluxes at the Sediment–Water Interface // Water Air Soil Pollut. 2015. V. 226. P. 16–32.

  17. Guerin F., Abril G. Significance of pelagic aerobic methane oxidation in the methane and carbon budget of a tropical reservoir // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. P. 3006–3020.

  18. Harrison J., Deemer B., Birchfield M., O`Malley M. Reservoir Water-Level Drawdowns Accelerate and Amplify Methane Emission // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51. № 3. P. 1267–1277.

  19. IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Masson-Delmotte V et al. (eds). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2021. 2391 p. https://doi.org/10.1017/9781009157896

  20. Kazantsev V.S., Krivenok L.A., CherbuninaM.Yu. Methane emissions from thermokarst lakes in the southern tundra of Western Siberia // Geogr. Environ. Sustain. 2018. V. 11. № 1. P. 58–73.

  21. Klaus M., Vachon D. Challenges of predicting gas transfer velocity from wind measurements over global lakes // Aquat. Sci. 2020. V. 82. № 3. P. 53.

  22. Liss P.S., Slater P.G. Flux of gases across the air-sea interface // Nature. 1974. V. 247. P. 181–184.

  23. Milberg P., Tornqvist L., Westerberg L., Bastviken D. Temporal variations in methane emissions from emergentaquatic macrophytes in two boreonemoral lakes // AoB Plants. 2017. V. 9. № 4. https://doi.org/10.1093/aobpla/plx029

  24. Miller B., Arntzen E., Goldman A., Richmond M. Methane Ebullition in Temperate Hydropower Reservoirs and Implications for US Policy on Greenhouse Gas Emissions // Env. Manag. 2017. V. 60. № 4. P. 615–629.

  25. Ostrovsky I., McGinnis D., Lapidus L., Eckert W. Quantifying gas ebullition with echosounder: the role of methane transport by bubbles in a medium-sized lake // Limn. and Oceanogh-Meth. 2018. V. 6. № 2. P. 105–118.

  26. Repo E., Huttunen J.T., Naumov A.V. et al. Release of CO2 and CH4 from small wetland lakes in western Siberia // Tellus B: Chem. Phys. Meteorol. 2007. V. 59. № 5. P. 788–796.

  27. Sabrekov A., Glagolev M., Kleptsova I., Maksyutov S. CH4 emission from West-Siberia tundra mires // Environmental Dynamics and Global Climate Change. 2011. V. 2. № 1. P. 1–16.

  28. Sander R. Compilation of Henry’s law constants (version 4.0) for water as solvent // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 4399–4981. https://doi.org/10.5194/acp-15-4399-2015

  29. Savvichev A., Rusanov I., Dvornikov Yu. et al. The water column of the Yamal tundra lakes as a microbial filter preventing methane emission // Biogeosciences. 2021. V. 18. № 9. P. 2791–2807.

  30. Striegl R.G., Michmerhuizen C.M. Hydrologic influence on methane and carbon dioxide dynamics at two northcentral Minnesota lakes // Limnol. Oceanogr. 1998. V. 43. P. 1519–1529. https://doi.org/10.4319/lo.1998.43.7.1519

  31. Theil H. Economic forecasts and policy. North-Holland Pub Co, Amsterdam, 1958. 562 p.

  32. Utsumi M., Nojiri Y., Nakamura T. et al. Dynamics of dissolved methane and methane oxidation in dimictic Lake Nojiri during winter // Limnol. Oceanogr. 1998. V. 43. P. 10–17. https://doi.org/10.4319/lo.1998.43.1.0010

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал