Парниковые газы — главный фактор глобального потепления. С 1750 года углекислый газ уже повысил среднюю температуру атмосферы Земли на один градус Цельсия. И в атмосфере его становится только больше — из-за сжигания ископаемого топлива, вырубки деревьев, лесных и торфяных пожаров и деградации земель. Другой газ — метан — добавил к средней температуре планеты еще 0,3 градуса Цельсия. Но именно он на территории России вырабатывается активнее. Источников метана в стране много, и один из них — очень неожиданный и малоизученный — булькающие лужицы в поймах рек Югры. Как и зачем этот источник исследуют и откуда там появилось много метана, рассказывает биогеохимик из Югорского государственного университета Александр Сабреков.
Леса и болота в России активно поглощают углекислый газ, компенсируя влияние промышленности, транспорта и сельского хозяйства. С метаном ситуация хуже: вклад нашей страны в его поступление в атмосферу — около 7% от мирового. Это результат не только деятельности человека — добычи нефти и газа, животноводства и захоронения бытовых отходов, — но и выбросов из природных источников. До трети российской эмиссии метана может идти из болот, где сосредоточены огромные запасы углерода.
Ученые ведут учет всех источников метана и пытаются прогнозировать, станут ли те со временем активнее или иссякнут. Ищут и новые источники, которые в один момент могут значительно повлиять на окружающую среду. Такой темной лошадкой оказались локальные выходы метана в поймах рек Западной Сибири — впервые их обнаружили рядом с научно-исследовательской станцией Мухрино, в самом центре Югры, около Ханты-Мансийска.
Булькающие лужицы и кратеры с поднимающимися на поверхность пузырьками газа (их называют сипами) привлекли внимание болотоведов еще в начале 2000-х. Газ оказался горючим, и со временем его выходы стали находить в поймах по всему региону. Геоботаники, лесоведы и зоологи обращали внимание на бурлящие кратероподобные структуры — настолько это необычно для равнинной Западной Сибири. Скоро выяснилось, что этот горючий газ — метан. Загадка его происхождения и привела нашу команду в Югру. Впервые я увидел сипы как студент МГУ в далеком 2009-м. После этого каждый год приезжал в Сибирь работать на разных объектах, в основном — болотах. С 2018-го вплотную занялся сипами, а в 2021-м переехал в Ханты-Мансийск.
Мы объездили — хотя, учитывая недоступность многих объектов, скорее обошли — сотни участков, где рассчитывали найти выходы метана. Сипы были только на 50 из них. Кратеры с газом всегда небольшого размера, максимум — несколько сотен квадратных метров, но при этом они чаще всего вытянуты узкими полосами. Этого недостаточно, чтобы рассмотреть их на снимках Sentinel-2 — некоммерческого исследовательского спутника с разрешением десять метров на пиксель, который мы использовали. Поэтому для поиска точек отбора проб приходилось полагаться на косвенные признаки (резкие изгибы и аномалии русел рек, участки без растительности в поймах) и даже спрашивать охотников и рыболовов, не видели ли они где-то «лужи с пузырями». Позже мы разметили на космических снимках места с найденными сипами и натренировали сверточную нейросеть оценивать вероятность, найдется ли источник в определенной местности.
Список подозреваемых
Сначала мы предположили, что горючий газ выходит из нефтяных месторождений — просачивается на поверхность по трещинам в отложениях. В регионе добывают около половины всей нефти в России, а в ста километрах от стационара Мухрино, где выходы метана обнаружили впервые, находится одно из самых активных месторождений страны — Приобское. Но к версии были вопросы.
Вместе с метаном из нефтеносных пластов, которые сейчас залегают на глубине одного-двух километров, должна была бы подниматься соленая морская вода. Она осталась там со времен, когда нефтеносные пласты только формировались — 50–60 миллионов лет назад — и Западная Сибирь была не равниной, а мелководным морем. Но в сипах соленой воды не обнаружилось, а горючий газ в основном состоял из метана и азота лишь с небольшой примесью этана, что не характерно для газа из нефтяных месторождений.
Вторая гипотеза — газ выходит из-за таяния многолетней мерзлоты, которая сформировалась десятки и сотни тысяч лет назад, но сегодня разрушается из-за изменения климата. Во время таяния пластов метан (или органические вещества, из которых микробы-метаногены его производят) могут высвобождаться и попадать в подземные воды. Этана в этом случае будет сравнительно немного, как мы и наблюдали в газе из сипов.
Как мерзлота защищает питьевую воду? ↓
Благодаря многолетней мерзлоте на глубинах 150–200 метров главный источник питьевой воды в Югре — подземные воды. Мерзлые грунты защищают водоносные слои от любого рода загрязнений, выполняя роль экрана, потому что абсолютно непроницаемы для жидкости. А вот реки региона непригодны для питья: они в значительной степени питаются за счет болот, из-за чего туда попадает органика. Вода в реках становится мутной и кислой.
Согласно третьей версии, источник метана — верховые болота, занимающие чуть ли не половину региона. Этого газа в них много: его выделяют микроорганизмы-метаногены, перерабатывая болотную органику в бескислородной среде. Основной путь попадания газа в атмосферу — выход вверх в виде пузырей и через корни и стебли растений. Однако, как указывает само название «верховые», болота находятся на возвышенных участках между речных долин, и метан может двигаться из них с подземными водами вниз и выходить в атмосферу в местах разгрузки подземных вод, то есть в виде ключей.
Отпечатки изотопов
Понять, какая из трех версий правильная, помог изотопный состав метана. Соотношение
Атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.
для газов больше чем отпечатки пальцев для человека, скорее как генетический код: позволяет не просто отличить один газ от другого, а узнать его происхождение. Пропорция стабильных изотопов углерода и водорода в метане позволяет понять, как он появился — из-за микробов, с нефтью или связан с процессом Фишера-Тропша, который протекает в угленосных пластах при движениях тектонических плит. Правда, последний вариант происхождения метана сразу отпадает — плиты в центре Западной Сибири не сталкиваются.
Анализ показал, что метан в лужах — микробного происхождения. Так мы опровергли первую гипотезу про нефтяные месторождения. Но выбрать между второй (мерзлотной) и третьей (болотной) все еще было нельзя. Здесь на помощь пришли уже другие изотопы — радиоактивные. Радиоуглеродный метод часто используют в археологии и палеоэкологии, ведь он позволяет оценить возраст любой органики, а метан — тоже органическое соединение, пусть и самое примитивное.
Коллеги из Новосибирского государственного университета, которым обычно приходится работать с костями, зубами и торфом, совладали и с метаном. Газ, пузырящийся в поймах, оказался очень молодым по меркам геологов — возрастом от 4 до 8 тысяч лет. Такой результат не оставил шанса мерзлотной гипотезе: органическое вещество в реликтовой мерзлоте должно быть старше 24 миллионов лет. Конечно, метан в эти слои мог попасть из болот через грунтовые воды и в межледниковья, но последнее из них закончилось 110 тысяч лет назад.
Очная ставка
Итак, мы поняли, что метан в кратерах — из верховых болот. Но расследование наше на этом не завершено: подозрительно разнообразным выглядел состав стабильных изотопов углерода и водорода в метане, выходящем в поймах.
На изотопный состав могут влиять и физические процессы (например, диффузия), и биологические: в первую очередь, окисление метана микроорганизмами —
Бактерии, питающиеся метаном.
. Но обе причины должны менять изотопный состав не так, как мы наблюдали в газе из сипов. Поэтому мы сравнили его с газом в болотах. Оказалось, что метан в болоте по своим изотопным отпечаткам очень похож на наиболее концентрированный метан из бурлящих лужиц. Но в сипах был еще и разбавленный метан, который отличался по составу изотопов от болотного газа. Неужели еще один источник?
Ответить на этот вопрос смогли другие изотопы, на этот раз водорода, который микробы-метаногены используют, когда
Микробы разлагают органику многоступенчато, от сложных молекул к простым, и на каждом этапе сбрасывают восстановительные эквиваленты в виде водорода. Эти восстановительные эквиваленты находятся в изотопном равновесии по водороду с окружающей водой, потому что молекулы воды тоже участвуют в реакциях разложения. Так устроен общий цикл разложения органического вещества в безкислородных условиях.
. Мы сопоставили отпечатки стабильных изотопов водорода в воде и в метане, растворенном в этой воде. По-видимому, метан в поймах — это смесь газов, полученных из болотной органики в разных элементах ландшафта с разными геохимическими условиями. Первый, концентрированный, метаногены производят из водорода и углекислого газа в болотах. Второй, разбавленный, — вне болота в подземных водах из ацетата — промежуточного продукта, выделяемого бактериями-ацетогенами при разложении сложных органических соединений, вымытых из болот. Поэтому в подземных водах концентрация органических веществ на порядки меньше, чем в болоте.
Признания климатически опасного газа
Все улики подтвердили болотную версию происхождения метана. Мы узнали, что существенное количество этого газа мигрирует из болот горизонтально, избегая окисления в верхних слоях болота метанотрофами, которые могли бы употребить его. При этом метан может выходить в атмосферу не только пузырями в пойменных ключах и кратерах, но и через реки, попадая в них с грунтовыми водами.
Такая «нелегальная» миграция метана вряд ли значительна в регионах, где болота расположены в низинах, ведь там метану некуда мигрировать. Но там, где господствуют верховые болота, этот прежде игнорируемый путь попадания метана в атмосферу может вносить существенный вклад в региональный поток метана. И вклад будет постоянным.
Болота и пресноводные экосистемы — не только российские — действительно дают примерно 30–50% глобальной эмиссии метана за год. Сипы тоже входят в эту долю. Но не стоит обвинять только болота в современном быстром изменении климата. Выделение метана — неизбежное следствие их существования. Более того, с климатической точки зрения сохранение болот выгодно, ведь это долговременные и бесплатные склады углерода, который, если не будет захоронен в виде торфа, попадет в атмосферу как CO2. Разумнее сокращать эмиссию метана из-за деятельности человека — не меньше газа, чем из природных источников, выделяется в мире при добыче газа и нефти (20%) и из свалок бытовых отходов (10%). А за болотами и другими источниками, которые тоже с ними связаны, — сипами, ручьями и реками — мы ещё последим, ведь эмиссия метана из них до сих пор определяется с большим разбросом.
