On the role of atmospheric methane in the Earth’s global climate

Известия Коми научного центра УрО РАН № 2(34). Сыктывкар, 2018.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 551.510.41:547.211:504.7

О РОЛИ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В ГЛОБАЛЬНОМ КЛИМАТЕ ЗЕМЛИ

Е.П. КАЛИНИН

Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар

Рассмотрен вклад атмосферного метана (CH4) в глобальное потепление Земли. Атмосферная эмиссия CH4 в России опирается на три вида производств: энергетика, сельское хозяйство и обработка промышленных и бытовых отходов. Данные об антропогенных выбросах метана в атмосферу представлены из российских источников. Показаны специфические особенности арктического российского метана. Приведены экономические выгоды при освоении региона и дополнительные угрозы его экологии и климату.

Ключевые слова: метан, атмосфера, климат, потепление

E.P. KALININ. ON THE ROLE OF ATMOSPHERIC METHANE IN THE EARTH'S GLOBAL CLIMATE

The contribution of atmospheric methane in global warming of the Earth is considered. Atmospheric emission of CH4 in Russia is based on three types of production: energy, agriculture and processing of industrial and household waste. Data on anthropogenic methane emissions into the atmosphere from Russian sources are given. Economic features of the Russian Arctic methane and economic benefits in the development of the region and additional threats to its environment and climate are provided.

Keywods: methane, atmosphere, climate, warming

Метан - один из парниковых газов (озон, углекислый газ) - рассматривается в последние годы как «ответственный» за глобальное потепление [1,2]. Вклад метана в потепление — второй после углекислого газа (СО2) [3,4]. Однако он в десятки раз эффективнее молекул со2. Начиная с доинду-стриального периода концентрация метана выросла примерно на 150%, а СО2 — лишь на 40. Увеличение содержания метана способствует росту второго парникового газа - озона - как в тропосфере [4], так и в стратосфере [5].

Большая часть атмосферного метана имеет биогенное бактериальное происхождение. Поэтому поступление с земной поверхности в атмосферу природного метана полностью контролируется. Основные источники СН4 - поверхность океанов, пресноводные водоемы, заболоченные территории, сжигание биомассы в результате пожаров. Метан попадает в атмосферу при добыче ископаемого топлива (уголь, газ, горючие сланцы), с мест захоронения бокситовых отходов, при очистке сточных вод, разведении крупного рогатого скота и т.д. Молекулы метана впоследствии разрушаются при атмосферных химических реакциях с гидроксилом (- 90%) [6] и атомарным хлором (выше 35 км).

Эволюция содержания атмосферного метана с 1990 г. по настоящее время рассмотрена на при-

мере обсерватории «Мауна Лоа» (США, Гавайи) в качестве эталонной. В 1990-е гг. ежегодно в атмосферу поступало ~ 560 Мт СН4 [7], в начале XXI в. приток в среднем составил 678 Мт [8]. Ранее, в 1990-е гг., 2/3 выбросов СН4 приходилось на антропогенные источники. В первой декаде текущего столетия зафиксировано примерное равенство между естественными и антропогенными источниками. В густонаселенных районах антропогенные источники метана, несомненно, преобладают. Бюджет метана в начале XXI в. с естественных переувлажненных территорий возрос почти вдвое с 110 до 217 Мт/год, в связи с увеличением удельного веса естественных источников [7]. Время пребывания метана в атмосфере составляет 9,1 ± 0,9 года [10], ранее использовалось значение, равное 10 годам [3].

Рост содержания метана, особенно в стратосфере, сопровождается изменением количества других важнейших парниковых газов (водяного пара, озона, углекислого газа). Это отражается на росте совокупного вклада СН4 в изменения современного климата и усиление его вклада в глобальное потепление [8].

Данные об антропогенных выбросах метана в атмосферу в различных секторах хозяйства России (см. таблицу) делятся на «энергетическую» долю

Известия Коми научного центра УрО РАН. № 2(34). Сыктывкар, 2018

Выбросы метана в различных секторах хозяйства России, в Мт CH4 /год [10] Methane emissions in various sectors of economy of Russia, in Mt CH4 / year [10]

Категории источников Годы

1990 2000 2005 2007 2009 2011

Энергетика Сжигание топлива Технологические выбросы и утечки 0,54 19,51 0,15 15,42 0,16 17,09 0,16 17,70 0,15 16,25 0,17 18,20

Промышленность Химическая промышленность Металлургия 0,02 0,02 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,02 0,01

Сельское хозяйство Внутренняя ферментация сельскохозяйственных животных Системы сбора, хранения и использования навоза и помета Выращивание риса 4,73 0,66 0,08 2,17 0,26 0,04 1,95 0,21 0,03 1,90 0,22 0,04 1,91 0,22 0,04 1,80 0,22 0,05

Лесные пожары 0,48 0,47 0,46 0,46 0,55 0,50

Отходы производства и потребления Захоронение твердых отходов в земле Очистка промышленных сточных вод Очистка коммунально-бытовых сточных вод 1,34 0,82 0,54 1,66 0,51 0,47 1,93 0,69 0,46 2,09 0,75 0,46 2,34 0,73 0,45 2,44 0,76 0,45

Сумма 28,74 21,18 23,02 23,82 22,67 24,62

(75%), «сельскохозяйственную» (8-12%), «обработку отходов» (12-15%) [9-10]. О естественных источниках метана сведений немного, нет до сих пор общепринятых методик по этому вопросу. Однако есть оценка эмиссии СН4 с российских производственных территорий « Северной Евразии» - 9 Мт СН4 /год и «Евразии умеренных широт» - 2 Мт СН4/год [7]. По другим объектам, например поток метана из тундры (евразийской и североамериканской), составлял в 1990-х и 2000-х гг. 13,7 и 14,7 Мт СН4 /год [11].

Таким образом, российская естественная эмиссия метана достигает величины ~ 10 Мт СН4 /год и общий выброс его с территории России составляет ~ 35 Мт СН4 /год [2].

Современная Арктика характеризуется значительными темпами ее потепления. За последние 100 лет потепление здесь было вдвое интенсивнее, чем в среднем по Земному шару. С повышением температуры в Арктической зоне происходит уменьшение площади морских льдов, увеличение глубины протаивания в зоне вечной мерзлоты. Это открывает новые перспективы развития региона, увеличение регулярных перевозок по Северному морскому пути, расширение условий добычи полезных ископаемых. Однако деградация мерзлоты вызывает серьезные дополнительные риски при расширении хозяйственной деятельности в арктической зоне.

В последние годы активно дискутируется вопрос о возможном вкладе криолитозоны Восточной Сибири в формирование полей концентрации метана в Арктическом регионе. При этом возможно несколько путей миграции метана. Во-первых, выделение газообразного метана из газогидратов, большие залежи которых обнаружены на шельфах морей Лаптевых, Чукотского и др. Во-вторых, выделение метана из зоны многолетней мерзлоты при увеличении глубины ее протаивания. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты (1370 м) отмечена в феврале 1982 г. в верховьях р. Вилюй в

Якутии. В-третьих, вклад крупнейших рек Восточной Сибири в перенос растворенного метана в моря Северного Ледовитого океана. Предполагается, что до 90% газогидратов находится в осадочных породах на глубинах 300-500 м континентального шельфа [12]. Больше половины ресурсов гидратно-го метана России приходится на арктические моря.

По современным оценкам выделение метана при таянии вечной мерзлоты невелико, порядка 1 Мт/год [6]. Крупные сибирские реки (Обь, Енисей, Лена) считаются еще одним источником метана в морях восточной Арктики [13]. Их водосборы находятся на территории с многолетней мерзлотой, хранящей огромные запасы органического углерода, в том числе в виде метана. Питательным резервуаром для Оби служат Васюганские болота, а для Лены - озера Колымо-Индигирской и Приморской низменностей. Поток метана в дельте Лены оценен в 28,2 т в год.

Отсутствие международных соглашений, направленных на коллективное сокращение эмиссии парниковых газов, не содействует смягчению последствий изменения климата. От ранее принятого Киотского протокола после 2012 г. отказались Канада, Россия, Япония. Китай и США не участвовали в нем. Верность Киотскому протоколу сохранили лишь те страны, чей суммарный эффект от выброса парниковых газов составляет ~15% общемирового [4].

Концентрация метана в атмосфере в XXI в. продолжает возрастать. Последствия ускоренного арктического потепления открывают определенные выгоды при освоении Арктики. Однако одновременно несут угрозу вопросам экологии и климата Земли [1, 2].

В 1996 г. для защиты уникальной природы северной полярной зоны создан Арктический совет в составе восьми государств (Канада, Дания, Финляндия, Испания, Норвегия, Россия, Швеция, США) и Европейского парламента. Поэтому в наше время

Известия Коми научного центра УрО РАН. № 2(34). Сыктывкар, 2018

при Арктическом совете организована специальная группа экспертов для изучения и комплексного освещения метановой проблемы [10]. Высокое второе место метана в ряду антропогенных газов значительно влияет на глобальное потепление. Поэтому он наиболее удобен для оценки климата Земли в ближайшие десятилетия. До сих пор отсутствует полное понимание разнообразных механизмов формирования метана и его поступления в атмосферу. Необходимо расширение исследований по вопросам концентрации и потока метана с различных типов подстилающей поверхности, в том числе -водной; объем выброса СН4 от состояния вечной мерзлоты, влияние СН4 на динамику климата и др. [1, 2]. Все эти вопросы ожидают своего решения, так как от этого зависит благополучие и комфортная жизнь всех людей на Земле.

Литература

1. Киселев АА., Кароль И.Л. Еще раз про метан// Природа. 2015. №11. С. 9-17.

2. Кароль И.Л., Киселев А.А. Атмосферный метан и глобальный климат // Природа. 2004. №7. С. 47-52.

3. Доклад Межправительственной группы экспертов по изменениям климата. 2007 (http: //www.ipcc.ch /pdf /assessment-report / ar4 syr ru.pdf).

4. Кароль И.Л., Киселев А.А. Парадоксы климата. М., 2013.

5. Kiselev AA., Karol I.L. Modeling of the long-term tropospheric trends of hydroxyi radical for the Northern Hemisphere // Atmospherie Environment. 2000. Vol.34. P. 5271-5282.

6. Kirschke S., Bousquet S.P., Ciais P. et al. Three decades of global methane sources and sinks// Nature Geoscience. Published online 22 September 2013. P.813-823. Doi:10.1038/ngeo 1955.

7. Scientific assessment of ozone depletion: 1994. WMO Global ozone research and monitoring project // Geneva. 1995. Report №37.

8. Доклад Межправительственной группы экспертов по изменениям климата. 2013. (http. //www.ipcc.ch/report /ar5/wg1 /).

9. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2015 год. М., 2014

10. Шестое национальное сообщение Российской Федерации, представленное в соответствии со статьями 4 и 12 Рамочной конвенции Организации объединенных наций об изменении климата и статьей 7 Киотского протокола. М., 2013 (http.//unfccc.int/files/na-tional_reports/annex_i_natcom/submitted_ natcom/application/pdf/6nc_rus_final .pdf).

11. Guire A.D., Cbristensen T.R., Hayes D. et al. An assessment of the carbon balance of Arctic tundra: comparisons among observations, process models, and atmospheric inversions // Biogeosciences 2012. Vol.9. P. 3185-3204.

12. Sbakbova N., Semiletov I. Methane release and coastal environment in the East Siberian Arc-

tic shelf // Journal of Marine Systems 2007. Vol. 66. P.227-243.

13. Sebneider J., Grosse G., Wagner D. Land cover classification of tundra environments in the Arctic Lena delta based on Landsat 7 ETM+ data and its application for upscaling of methane emissions // Remote Sensing of Environment. 2009. Vol. 113. P. 380-391.

References

1. Kiselev AA., Karol I.L. Esche raz pro metan [Once again about methane] // Priroda [Nature]. 2015. No. 11. P. 9-17.

2. Karol I.L., Kiselev AA Atmosfernii metan I globalny klimat [Atmospheric methane and global climate] // Priroda [Nature]. 2004. No. 7. P. 47-52.

3. Doklad mezhpravitelstvennoi gruppy eksper-tov po izmeneniyam klimata [Report of the intergovernmental panel on climate change]. 2007 (http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4 syr ru.pdf).

4. Karol I.L., Kiselev AA Paradoksy klimata [The paradoxes of climate]. Moscow. 2013.

5. Kiselev AA., Karol I.L. Modeling of the long-term tropospheric trends of hydroxyi radical for the Northern Hemisphere // Atmospheric Environment. 2000. Vol. 34. P. 5271-5282.

6. Kirschke S., Bousquet S.P., Ciais P. et al. Three decades of global methane sources and sinks // Nature Geoscience. Published online 22 September 2013. P. 813-823. Doi: 10.1038/ngeo1955

7. Scientific assessment of ozone depletion: 1994. WMO Global ozone research and monitoring project // Geneva. 1995. Report No. 37.

8. Doklad Mezhpravitelstvennoi gruppy eksper-tov po izmeneniyam klimata [Report of the intergovernmental panel on climate change]. 2013. (http: //www.ipcc.ch/report/ar5 /wg1 /).

9. Obzor sostoyaniya i zagryazneniya okruz-hayuschei sredy v Rossiiskoi Federacii za 2015 god [Review of the state and pollution of the environment in the Russian Federation for 2015]. Moscow. 2014

10. Shestoe nacionalnoe soobschenie Rossiiskoi Federacii, predstavlennoe v sootvetstvii so statyami 4 i 12 Ramochnoi konvencii Organi-zacii obyedinennykh nacii ob izmenenii klimata i statyei 7 Kiotskogo protokola [Sixth national communication of the Russian Federation submitted in accordance with articles 4 and 12 of the United Nations framework Convention on climate change and article 7 of the Kyoto Protocol]. Moscow, 2013 (http:// unfccc.int/files/nationalreports/annex i nat-com/submitted natcom/application/pdf/6nc r us final.pdf).

11. Guire A.D., Cbristensen I.R., Hayes D. et al. An assessment of the carbon balance of Arctic

Известия Коми научного центра УрО РАН. № 2(34). Сыктывкар, 2018

tundra: comparisons among observations, process models, and atmospheric inversions // Biogeosciences 2012. Vol. 9. P. 3185-3204.

12. Sbakbova N., Semiletov I. Methane release and coastal environment in the East Siberian Arctic shelf // J. of Marine Systems 2007. Vol. 66. P. 227-243.

13. Sebneider J., Grosse G., Wagner D. Land cover classification of tundra environments in the Arctic Lena delta based on Landsat 7 ETM+ data and its application for upscaling of methane emissions // Remote Sensing of Environment. 2009. Vol. 113. P. 380-391.

Статья поступила в редакцию 24.04.2018.