Результаты и научные достижения

Основная цель проекта - выявление особенностей функционирования экосистемы Сибирского арктического шельфа в современных условиях и в прошлом под воздействием потепления и усиливающейся деградации подводной и прибрежной мерзлоты в контексте изучения механизма формирования эмиссии основных парниковых газов: двуокиси углерода (СО2) и метана (СН4), а также перекачки органического углерода из наземного пула деградирующей мерзлоты в море.

В рамках проекта выявляются основные причины наблюдаемого в Арктике атмосферного максимума СН4 и СО2, который является результатом регионального дисбаланса цикла углерода. В качестве основного объекта исследований выбран шельф морей Восточной Арктики (МВА) - самый широкий и мелководный шельф Мирового океана, где сосредоточено более 80% подводной мерзлоты и гигантские запасы углерода, включая гидраты. Стратегия данного исследования основана на тестировании двух авторских гипотез, для доказательства которых решается ряд конкретных задач.

Согласно гипотезе Шаховой – Семилетова (гипотеза №1), в качестве одной из наиболее реалистичных причин быстрых изменений климата в настоящем и ближайшем будущем рассматривается массированный выброс метана из дестабилизированных газовых гидратов мелководного Арктического шельфа (Shakhova & Semiletov, in WWF Report Arctic Climate Feedbacks: Global Implications, 2009/www.panda.org; Shakhova, Semiletov et al., Science, 2010).

Согласно гипотезе Семилетова (гипотеза №2), основным источником морского СО2 в исследуемом регионе является окисление эрозионного углерода, поступающего в Северный Ледовитый океан (СЛО) вследствие деградации прибрежной и донной мерзлоты (Семилетов, ДАН, 1999).

Первоочередной задачей является выявление:

  1. масштабов деградации подводной мерзлоты-гидратов, количественная оценка потоков метана в атмосферу и метанового потенциала МВА (запас метана в форме гидратов, свободного газа и метана, который может образоваться из органического вещества оттаивающих осадков);
  2. генезиса СН4 в различных морфоструктурах МВА, что требует комплексного и междисциплинарного подхода с использованием возможностей лучших аналитических лаборатории в России и за рубежом. 

Другим важным направлением исследований является изучение характерных особенностей миграции СО2 в системе суша-океан-атмосфера в Восточно-Сибирском регионе, который наиболее подвержен современному потеплению, что проявляется в экстремально высоких скоростях деградации мерзлоты (кладовой гигантских запасов органического углерода), окислении эрозионного углерода до СО2 и асидификации (подкислении) вод.

Особое внимание в рамках данного проекта уделяется особенностям расконсервации древнего углерода, его транспорту и трансформации в арктической системе суша-шельф-атмосфера.

В рамках проекта впервые показано, что:

  1. Поступление эрозионного углерода вследствие деградации берегового ледового комплекса определяет характерные особенности функционирования уникальной гетеротрофной экосистемы МВА, включая седиментационные процессы (Tesi, Semiletov et al., Geochim. Cosmochem. Acta, 2016; Vonk, Semiletov et al., J. Geophys. Res., 2014). Доказано, что более половины органического углерода осадков МВА имеет наземное эрозионное происхождение, что принципиально важно для фундаментального и практического понимания процессов седиментации в настоящем и прошлом.
  2. Окисление эрозионного углерода является первым по значимости источником СО2 и асидификации (подкисления) вод МВА, что приводит к угнетению биоты этой уникальной экосистемы (Semiletov et al., Nature Geoscience, 2016). Это приводит к тому, что МВА являются арктическим источником атмосферного СО2, что необходимо учитывать при пересмотре существующей парадигмы о том, что СЛО является стоком для атмосферного СО2 (АMAP, 2013).
  3. На основе абсолютной калибровки сонаров впервые выполнена количественная оценка потока пузырькового метана на шельфе МВА и установлено, что максимальные значения потока СН4 достигают ~102 г м-2 сут-1 на внешнем шельфе МВА, где предполагается сквозное протаивание подводной мерзлоты (Shakhova, Semiletov et al. 2015. Phil. Trans. R. Soc. A). Это значит, что в зависимости от состояния подводной мерзлоты диапазон изменчивости величины пузырьковой эмиссии может достигать 5 порядков, что с необходимостью приведет к значительной переоценке в сторону увеличения величины общего выброса СН4 в атмосферу. Отметим, что последняя оценка эмиссии метана из донных отложений Восточно-Сибирского шельфа, опубликованная в Nature Geoscience (Shakhova, Semiletov et al., 2014), более чем в два раза превышает предыдущую оценку, опубликованную в 2010 г. в журнале Science (Shakhova, Semiletov et al., 2010).
  4. На основании оригинальных данных и моделирования показано, что подводная мерзлота МВА деградирует намного быстрее, чем было предсказано в модельных прогнозах. Впервые на основе комплекса геологических и геофизических данных, отвалидированных по авторским скважинам (Shakhova, Semiletov et al., Phil. Trans. R. Soc 2015; Кошурников и др., ДАН, 2016, в печати), показано, что скорость вертикальной деградации подводной мерзлоты может достигать 18 см в год, что значительно превышает теоретические скорости протаивания, основанные только на учете диффузии тепла.
  5. На основе 17 авторских глубоких колонковых скважин, литологических исследований керна и прецизионных температурных измерений доказано отсутствие подводной мерзлоты, по крайней мере, до глубин донных отложений >100 м на мелководном шельфе МВА при глубине моря больше 4 м, что свидетельствует о возможности дестабилизации арктических гидратов.
  6. Впервые в СЛО на примере МВА исследован изотопный состав и радиоуглеродный возраст СН4, что дает сложную картину его генезиса, обусловленную состоянием ПМ и характерными особенностями геологического строения донной толщи МВА.
  7. Впервые показано, что скорости окисления растворенного СН4 в пресноводных условиях (речные воды и зона их смешения с морской водой до изохалины примерно 5 psu) на 2-3 порядка превышают скорости окисления в более соленой воде, что позволяет СН4–насыщенным (и коррозионным – обогащенным СО2) водам МВА распространяться в другие районы СЛО (Shakhova, Semiletov et al., Phil. Trans. R. Soc., 2015).

Россия – великая Арктическая держава; более половины Арктических территорий, имеющих государственную принадлежность, входят в состав Российской Федерации (РФ). Огромные запасы природных ресурсов, главная северная транспортная артерия (Северный морской путь), уникальные природные экосистемы и многочисленные северные народности являются достоянием РФ.

Арктический регион в настоящее время переживает время серьезных перемен, в первую очередь, связанных с глобальными климатическими изменениями, которые в Арктике проявляются наиболее драматично. За последние десятилетия Арктика значительно потеплела, потеряла существенную долю морского льда и стала источником парниковых газов, которые вызывают дальнейшее потепление и разрушают морские экосистемы, вызывая подкисление морской воды. Источником этих парниковых газов является мерзлота – наземная и подводная, подавляющая доля которой (>70% на суше и >80% на Арктическом шельфе) находится на территории РФ. Потепление в Арктике приводит к деградации мерзлоты и дестабилизации донных резервуаров природных углеводородов (т.н. «Арктический супер-пул», Грамберг, 1983), рост атмосферных концентраций которых усиливает парниковый эффект на планете. Северный Ледовитый океан (СЛО) окружен мерзлотой, поэтому многочисленные и пока малопонятные процессы транспорта и трансформации органического углерода, включающегося в современный биогеохимический цикл вследствие деградации мерзлоты, в наиболее явном виде проявляются в СЛО. Особенно драматичные последствия проявляются на мелководном Арктическом шельфе, с которым связаны фундаментальные планы развития топливной и транспортной индустрии.

Реализация недавно принятого Правительством РФ Плана Стратегического Развития Арктики до 2020 г. во многом зависит от понимания процессов и факторов, которые могут способствовать или препятствовать поступательному развитию Арктического региона. В настоящее время, уровень этого понимания обеспечивается в основном гидрометеорологическими исследованиями. Однако без учета их связи с комплексом биогеохимических и геологических процессов, происходящих в результате деградации подводной и прибрежной мерзлоты, невозможно оценить риски, возникающие при освоении арктического шельфа. Так, например, для безопасного и эффективного разведочного ресурсного бурения необходимо иметь знания о положении, структуре и состоянии подводной мерзлоты (ПМ) и о местах, потенциально опасных в контексте возможного массированного и даже катастрофического выброса метана вследствие взрыва гидратов (такие случаи известны, например, в Печорском море, Мексиканском заливе). Такого рода исследования в СЛО проводятся только в рамках данного проекта – ближайшие конкуренты из Германии (Институт Альфреда Вегенера, ИАВ) отстают на много лет.

Нами впервые:

  1. были выявлены реальные вертикальные скорости деградации ПМ путем перебуривания скважин, выполненных в море Лаптевых 30 лет назад (Shakhova, Semiletov et al., 2016, submitted);
  2. показано, что верхний акустический рефлектор, ассоциируемый ранее с кровлей ПМ (работы ИАВ), является газовым фронтом (Shakhova, Semiletov et al., 2016, submitted);
  3. получены репрезентативные профили залегания кровли ПМ в МВА электромагнитным методом с валидацией колонковым бурением (Кошурников и др., ДАН, 2016)

Другим практическим аспектом значимости нашего проекта является исследование потенциальной роли МВА в климатических изменениях. Согласно экономической модели, опубликованной в журнале Nature (Whiteman et al., 2013) и разработанной для оценки возможных последствий изменения климата вследствие реализации экстремального сценария выброса СН4 из шельфа МВА в атмосферу, рассмотренного Шаховой и др., (ДАН, 2010), оцененный ущерб для мировой экономики может составить порядка 70 триллионов долларов. Поэтому выявление механизма выброса СН4 из МВА в атмосферу является важнейшей задачей современного естествознания, для решения которой требуется объединение интеллектуальных и материальных ресурсов мирового сообщества при сохранении лидирующей роли ученых РФ – Международной лаборатории исследования углерода арктических морей, созданной в рамках этого проекта.

Впервые показано, что окисление эрозионного углерода является основным источником СО2 и асидификации вод МВА, что приводит к угнетению биоты этой уникальной экосистемы (Semiletov et al., Nature Geoscience, 2016). Это приводит к тому, что МВА является обширным и увеличивающимся в пространстве арктическим источником атмосферного СО2, что необходимо учитывать при пересмотре существующей парадигмы о том, что СЛО является стоком для атмосферного СО2 (АMAP, 2013). В практическом аспекте это значит, что результаты данного проекта приведут к полному пересмотру концепции исследований экологического состояния вод СЛО, которое во многом определяется уникальным механизмом асидификации вод МВА, площадь которых занимает примерно 1/3 всего шельфа СЛО. Напомним, что разговор идет об оптимизации расходов различных фондов на эти цели в размере десятков миллионов долларов в год.

В рамках проекта, впервые показано, что поступление эрозионного углерода вследствие деградации берегового ледового комплекса определяет характерные особенности функционирования уникальной гетеротрофной экосистемы МВА, включая седиментационные процессы. Доказано, что более половины органического углерода осадков МВА имеет наземное эрозионное происхождение, что принципиально важно для фундаментального и практического понимания процессов седиментации (принципиально знать для выявления закономерностей формирования залежей нефти и газа) в настоящем и прошлом.

Важность исследований метанового направления нашего проекта для мировой науки может быть проиллюстрирована редакторским вступлением, посвященным климатической встрече глав государств, состоявшейся в 2014 г. в формате G7 (в последний момент заменил формат G8), более точно на английском: “Significance of the Shakhova’s research for the world science can be illustrated by Editorial’s opening remarks by Garry Nicholas-Roth, Editor in Chief of the “G7 Climate Change: The new Economy”, to Shakhova’s Foreword (P. 16-17), which preceded speeches by the G7 leaders: H. Van Rompay (President, the European Council), F. Hollande (President, France), A. Merkel (Chancellor, Germany), Sh. Abe (Premier Minister, Japan), D. Cameron (Premier Minister, United Kingdom), B. Obama (President, United States): “This year’s Foreword by Dr. Natalia Shakhova is compelling and should be read with great trepidation and foresight” /The G7 Summit, Brussel, Belgium, 4-5 June, 2014/.

Как следует из вышеприведенного текста, две страницы Вводного Слова, написанного д-ром Шаховой (ключевым участником Мегагранта) о перспективах исследования климата, предшествуют выступлению мировых, включая Президента Евросоюза, канцлера Германии, президента США, премьер-министров Великобритании, Франции и Японии, что еще раз говорит о перспективности развития этой работы в рамках программы мегагрантов Правительства РФ-Министерства Образования и Науки РФ.

Данный проект посвящен тестированию научных гипотез, впервые сформулированных ведущим ученым с близкими коллегами из Международной лаборатории изучения углерода арктических морей (Н. Шахова и др.) в конце 1990х-начале 2000х годов. Все исследования выполнены на самом высоком научно-методическом уровне и отличаются новизной, что подтверждается публикацией более 40 статей (за неполные 3 года) в топ-журналах, включая Biogeosciences, Journal Geophysical Research, Geophysical Research Letters, Geochimica et Cosmochemica Acta, Global Biogeochemical Cycles, Marine Chemistry, Nature Geoscience, Nature Communications, Permafrost Pereglacial Processes – за рубежом, ДАН, Криосфера Земли, Океанология - в РФ.

Интерес широкой публики из разных стран иллюстрируется десятками интервью и публикаций на сайтах Российской Газеты (http://rg.ru/2015/07/09/climat.html), ТАСС (http://tass.ru/nauka/2296396; http://tass.ru/nauka/3217443), Томского политехнического университета (http://news.tpu.ru/news/2015/09/09/23903/, http://news.tpu.ru/news/2016/04/04/25126/), ряда зарубежных изданий, включая последнюю встречу глав развитых стран в формате G8, переформатированную в последний момент в G7 (http://cloud.digipage.net/go/g7climatechange2014/), личной встречей со спикером Госдумы РФ (http://news.tpu.ru/news/2016/03/03/24826/, http://rg.ru/2016/03/03/reg-sibfo/naryshkin-ozvuchil-sposob-borby-s-globalnym-potepleniem.html), публикациям в газете «Поиск» (http://www.poisknews.ru/theme/science/15187/, «Сто дней межледникового периода. С чем вернулась арктическая экспедиция SWERUS-C3»; Наука, №27-28, 2015) и журнале «В Мире Науки/Scientific American» (www.sci.ru.org, Арктика грез и реальности - какие тайны открывают ученые на шельфе океана?, номер 4 (апрель), 2016, С. 64-69). 

Как следует из краткого обзора публикаций в прессе, посвященных нашему проекту, люди на всех континентах (http://news.tpu.ru/news/2015/11/11/24268/, даже в далекой Бразилии) интересуются причинами происходящих быстрых климатических изменений, причем особое внимание уделяется потенциальной роли Восточно-Сибирского шельфа - в контексте массированного выброса метана (второго по значимости парникового газа) из донных осадков в атмосферу.

Последние результаты исследования и первой количественной оценки эмиссии СН4 из осадков МВА в водную толщу-атмосферу с использованием калиброванных сонаров показали неожиданный даже для авторов результат – в зависимости от состояния подводной мерзлоты глубинные геологические источники (включая гидраты) обеспечивают разброс потока из осадков в воду на 5 (!) порядков (Shakhova, Semiletov et al., Phil. Trans. R. Soc., 2015). Более того, площади сечения мега-выбросов пузырькового метана в воду-атмосферу в МВА быстро растут (неопубликованные данные), что может привести к многократному увеличению выброса метана в атмосферу в самом ближайшем будущем – это беспокоит население нашей планеты, что требует принятия неотложных мер на уровне Правительства РФ и других стран.

Уникальное сочетание

  1. экспертизы ведущего ученого с опытом и знаниями ключевых участников мега-проекта, реализованные в рамках лаборатории;
  2. кадрового обеспечения и научного сопровождения ТПУ
позволило за неполные три года пройти путь от мегагранта Правительства РФ до заложения основ создания Международного центра превосходства ТПУ в области комплексного изучения морей Российской Арктики в условиях потепления климата и прогрессирующей деградации прибрежной и подводной мерзлоты. 

Основные факторы успеха:

  1. Правильный выбор “горячей” научной темы мирового значения: исследование обратных связей в арктической климатической системе. 
  2. Крупнейший в РФ и в мире научно-технический потенциал ТПУ в области разведки и разработки нефтегазовых ресурсов Сибири с высокотехнологичным аналитическим обеспечением, необходимым для успеха создания Международного Арктического Центра Превосходства.
  3. Сотрудничество с ведущими мировыми научными центрами: взаимная интеграция и обогащение идеями, высокотехнологичными методами, аппаратурными возможностями, накопленными знаниями.
  4. Мощная программа комплексных экспедиционных исследований, направленная на раскрытие загадок морей Восточной Арктики; успешно реализуется в сотрудничестве с институтами ФАНО и зарубежными партнерами. Наиболее яркий пример международного сотрудничества – организация и выполнение 90-суточной российско-шведско-американской экспедиции SWERUS-C3 в 2014 г. в морях Восточной Арктики на борту единственного в мире научного ледокола «Оден» (научные руководители и организаторы экспедиции - О. Густафссон, Н. Шахова, М. Якобсон, И. Семилетов, http://news.tpu.ru/actual/2015/06/06/23482). Кроме того, впервые было выполнено научное бурение с припайного льда моря Лаптевых - получено 17 уникальных кернов осадков длиной до 58 метров.

Создание лаборатории стало своего рода катализатором в области международного сотрудничества в Арктике на платформе ТПУ: в 2016 г. Стратегический партнер ТПУ - Стокгольмский университет в лице проф. О. Густафссона - выиграл самый престижный грант Европейского сообщества (европейский 5-летний аналог Мегагранта), который полностью ориентирован на решение задач, заявленных в рамках развития лаборатории и стратегии ТПУ в области международных научных исследований в Российской Арктике и за ее пределами, включая глубоководную часть Северного Ледовитого океана, куда экспортируются насыщенные метаном и двуокисью углерода воды морей Восточной Арктики (http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2014.0451; http://news.tpu.ru/news/2016/05/05/25252).


В рамках деятельности международной лаборатории ТПУ открыт неизвестный ранее механизм асидификации арктических вод за счет деградации мерзлоты - окисления эрозионного древнего углерода (Semiletov et al., Nature Geoscience, 2016), что оказалось неожиданным (ранее считалось, что асидификация происходит только за счет поглощения избыточного антропогенного атмосферного СО2) для мирового научного сообщества – требуется серьезный пересмотр научной политики и стратегии финансирования в этом направлении.