Interseasonal variability in methane concentrations and its fluxes on water-atmosphere border in the western part of the Sea of Okhotsk

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия возрос интерес к изучению содержания метана в водной среде, обусловленный его ролью в цикле углерода, климатических изменениях, а также с использованием его как индикатора стратификации водной толщи. Но поступление метана в атмосферу с поверхности моря остается недостаточно изученным. Потоки метана с поверхности моря в атмосферу, рассчитанные по многолетним экспериментальным данным, полученным лабораторией газогеохимии ТОИ ДВО РАН в различных частях Японского и Охотского морей за период исследований в 1993–2017 гг., показывают значительную площадную и вертикальную изменчивость. Это может быть следствием многих причин, одной из которых является сезонная изменчивость.

Цель настоящей работы — расчет потоков метана на границе вода-атмосфера и анализ их изменчивости с учетом влияния комплексных факторов — геологических, метеорологических, газогеохимических и гидрологических.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение распределения потоков метана, рассчитанных по экспериментальным данным для каждой станции отбора проб морской воды, проводилось на акватории Охотского моря к востоку от о. Сахалин. Для расчетов и обсуждения использовались данные рейсов 2011 г.: НИС «Академик Лаврентьев»: № 54, май-июнь; № 56, август. Были использованы материалы и результаты других экспедиций: «Профессор Гагаринский», № 25, октябрь 1998 г.; НИС «Академик Лаврентьев» рейсы № 29, май-август 2002 г.; № 32, октябрь 2003 г.; № 36, май 2005 г.; НИС «Академик Опарин», № 54, 17–20 октября 2017 г.

Расчет потоков метана проводился по методологии, описанной в работах [3, 9]:

F = K^общ ΔC, (1)

где ΔC — разность концентраций метана в морской воде, рассчитывается как разность между измеренной концентрацией метана и равновесной концентрацией, которую имел бы атмосферный метан в морской воде при данной температуре, солености и атмосферном давлении;

К^общ = K_т + K_o + K_п, (2)

где К^общ — суммарный коэффициент газообмена на границе вода–воздух; K_т — термический коэффициент газообмена; K_o — коэффициент газообмена для обрушений волн; K_п — коэффициент газообмена для схлопывания пузырьков.

Отбор проб морской воды на акваториях осуществлялся по ходу движения судна с помощью заборного устройства на глубине 4 м от поверхности моря. Часть пробы воды поступала в термосолинограф SBE 21 SEACAT (Вашингтон, США) для непрерывного определения температуры и солености, а другая часть параллельно отбиралась в емкости для проведения газохимического анализа. На станциях пробы воды отбирались батометрами Нискина системы Rozzet с различных горизонтов водной толщи. Система комбинирована с многопараметрическим CTD-зондом.

Концентрация метана в воде определялась методом равновесного парафазного анализа, описанного в работе [9]. Анализ газовой фазы производился на борту судна на хроматографе «Кристалл-Люкс-4000М» (производство Россия, г. Йошкар-Ола). Метеорологические измерения проводились на судовой метеостанции в дрейфе во время работ на станциях.

Для расчета концентрации растворенного в морской воде метана использовалось уравнение, приведенное в работе [10].

В качестве базовой модели расчета полей течений была использована трехмерная нестационарная нелинейная численная модель Prinseton Oceanic Model, которая находится в открытом доступе в Интернете [8], учитывающая плотностные течения u_den (x, y, t) и ветровые течения u_w (x, y, t). При расчете учтены приливо-отливные течения u_tide (x, y, t) и турбулентные течения u_d (x, y, t).

Начальные значения распределения температуры и солености были взяты из электронных атласов [7].

Модель для расчета распространения маркеров на акватории была протестирована на основании изучения распределения искусственных радионуклидов в морской воде после аварии на АЭС Фукусима 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Представленные в таблице и на рис. 1 данные по распределению потоков метана (моль/км ²·сут) с поверхности моря, а также концентраций метана (нмоль/л) в поверхностном слое морской воды на изучаемой акватории для обеих экспедиций 2011 г. НИС «Академик Лаврентьев» показывают, что они носят крайне неравномерный характер.

 

Рис. 1. Распределение потоков метана на границе вода-атмосфера (вертикальные столбики, моль/км²·сут); распределение концентраций метана (горизонтальные столбики, нмоль/л) в поверхностном 4-метровом слое морской воды; поверхностные течения (стрелки); (а) — конец мая–начало июня; (б) — август; (в) — октябрь.

 

Таблица. Диапазон изменения и средние значения измеренных концентраций метана (С, нмоль/·л), равновесных значений концентрации метана (С^*, нмоль/л), разностей между измеренной концентрацией метана и равновесной концентрацией (ΔC, нмоль/л), показателей насыщения вод метаном (К, %), потоков метана на границе вода–атмосфера (F, моль/км²·сут), температуры воды (T, C°), солености (S, PSU) в 4-метровом поверхностном слое воды и скорости ветра (U, м/с)

		C	C*	ΔC	К	F	T	S	U
Профиль ١, направление юг-север вдоль о. Сахалин по ١٤٥–١٤٦° в.д.
НИС «Академик Лаврентьев» рейс ٥٤ (Май-июнь ٢٠١١ г.)	mean	13	3	10	413	33	3.7	32.0	7
	minimum	7	3	4	219	6	0.8	24.4	2
	maximum	34	4	31	1011	111	4.9	33.9	11
НИС «Академик Лаврентьев» рейс ٥٦ (август ٢٠١١ г.)	mean	7	3	4	261	13	13.2	30.4	8
	minimum	1	2	-2	42	-4	7.4	27.3	2
	maximum	19	3	16	681	49	17.2	33.0	12
Профиль ٢, направление запад-восток вдоль ٥٣,٤° с.ш.
НИС «Академик Лаврентьев» рейс ٥٤	mean	14	3	11	417	44	3.5	31.7	10
	minimum	7	3	4	233	6	0.8	24.4	4
	maximum	34	4	31	1011	120	4.9	32.9	11
НИС «Академик Лаврентьев» рейс ٥٦	mean	6	3	3	210	8	11.8	29.2	7
	minimum	3	3	0	106	0	7.4	27.3	2
	maximum	10	3	7	365	22	13.2	29.9	10

 

В августе 2011 г. фиксируются меньшие значения потоков метана и на одной станции (№ 49) в заливе Терпения (на рис. 1 отмечено звездочкой) наблюдается поглощение метана при температуре воды 17°C и скорости ветра 6 м/с. Средняя равновесная с атмосферой концентрация метана в морской воде в конце мая — начале июня соответствует значению С*≈3.24 нмоль/л при солености и температуре измерений, а для августа С*≈2.61 нмоль/л.

Потоки метана по профилю 1 на маршруте с севера на юг вдоль восточного склона о. Сахалин сначала постепенно снижаются, а затем около мыса Терпения интенсивно возрастают. В заливе Терпения интенсивность потоков снижается.

Максимальные потоки метана с поверхности моря наблюдались на северо-восток от о. Сахалин по профилю 2 в начале июня для рейса № 54. На этом же профиле в августе для рейса № 56 концентрация метана в поверхностном слое незначительно превышает равновесные, а потоки метана в атмосферу ниже.

Значительные потоки метана на границе вода–атмосфера до 127 моль/км ²·сут на северо-восточном склоне и шельфе о. Сахалин регистрировались и для других весенних рейсов (рейс № 36 НИС «Академик Лаврентьев» (май 2005 г.). Поток до 114 моль/км ²·сут отмечен для глубоководных станций, расположенных на структурах, где были подняты газогидраты.

В летний сезон наблюдается снижение потока метана с акватории моря по профилям, параллельным профилю 1 (рейс № 44 НИС «Академик Лаврентьев» — июнь 2008 г.; рейс № 47 НИС «Академик Лаврентьев» — июль-август 2009 г. [2]; рейс № 45 НИС «Академик Лаврентьев» — июль-август 2008 г. [4].

Из данных, представленных на рис. 2а по профилю 2, следует, что очень высокие концентрации метана для августа сосредоточены не в поверхностном слое, а в водной толще.

 

Рис. 2. Вертикальное распределение концентраций метана (нмоль/л): (а) — по профилю 2, НИС «Академик Лаврентьев», рейс № 56, август 2011 г., (б) — НИС «Профессор Гагаринский», октябрь 1998 г.

 

Так как коэффициент газообмена нелинейным образом зависит от скорости ветра, на поток метана в системе океан-атмосфера значительно влияют даже непродолжительные сильные ветра. Поскольку на момент отбора проб по профилю 2 для рейсов в 2011 г. (LV 54 и LV 56) сохранялись почти одинаковые ветровые условия, представилась возможность оценить влияние сезонного изменения гидрометеорологического режима на содержание метана в поверхностном слое воды и на потоки метана с поверхности моря.

Известно, что воды летней модификации характеризуются устойчивой стратификацией. Такой слой воды гасит конвекцию, препятствует выносу значительных количеств метана в поверхностные воды. В августе наблюдались низкие, незначительно превышающие равновесные с атмосферой концентрации метана в поверхностных водах и незначительные положительные и отрицательные потоки метана с поверхности моря, хотя в водной толще фиксируются аномально большие концентрации метана.

На рис. 2а видно, что концентрации метана по профилю 2 изменяются в очень широком диапазоне — от 0 до 500 нмоль/л. Повышенное содержание растворенного метана можно отметить в подповерхностном слое морских вод от 50 до 100 м, образование локальных максимумов метана в придонном слое и на других горизонтах 300–400 м. Максимальное значение содержания метана зафиксировано на ст. № 35 на горизонте 100 м. Значительные концентрации метана регистрируются на мелководных шельфовых станциях № 39–38, гораздо большие значения отмечены на станциях № 36 (332 нмоль/л на горизонтах 50 и 100 м) и № 35 (363–519 нмоль/л на горизонтах 200 и 100 м). На ст. № 34 содержание метана несколько снижается (до 20 нмоль/л на 100 м и 209 нмоль/л на 75 м), но на № 33 его содержание увеличивается (до 113 нмоль/л на 614 м; 25 нмоль/л на 225 м), на 200 м концентрация метана уменьшается до 3 нмоль/л. В целом, на глубоководных станциях, находящихся в этом районе, значительные концентрации метана фиксируются на горизонтах 150 м (394 нмоль/л, № 2; 423 нмоль/л, № 8 м), на 200 м (429 нмоль/л, № 4), на 300 м (367 нмоль/л, № 6).

На акватории восточного склона и шельфа о. Сахалин наличие обогащенных метаном холодных слоев с несколькими экстремумами не имеет достаточно обоснованной гипотезы их образования. Результаты данных исследований не подтверждают предположения, что холодный промежуточный слой на горизонтах 300–400 м для летнего сезона является следствием склоновой конвекции, в результате которой происходит погружение переохлажденных шельфовых вод по склону на более глубокие горизонты. Из рис. 2 по профилю 2, захватывающим как шельф, так и мористую часть, видно, что большие значения растворенного метана регистрируются для более глубоководных станций.

Гидрологические данные на широтном профиле 2 (море — шельф) также не подтверждают склоновую конвекцию [11]. В результате изучения распространения холодных водных масс было обнаружено, что водная масса с очень низкими значениями температуры (-1.645°) занимает сравнительно небольшую площадь (около 30 миль) непосредственно на шельфе. По мере удаления от берега происходит увеличение температуры до -0.669°, и на ст. № 33, расположенной в мористой части склона, можно видеть, что происходит размывание слоя.

Данные других рейсов также показывают, что на шельфовых станциях содержание метана может быть меньше, чем на склоновых, а максимумы (как и по профилю 2) располагаются на нескольких горизонтах, чередуясь с минимумами.

Особенность профиля 2 заключается в том, что он проходит через акваторию, где сосредоточено несколько акустических аномалий, и в кернах глинистых осадков обнаружены метансодержащие газогидраты. Следует обратить внимание, что вдоль всего склона на протяжении ряда лет фиксируются многочисленные выходы метана в виде струй метановых пузырьков («факелов»), которые отмечены по обратному рассеянию при эхолучевой локации [6], а также открыты скопления углеводородов в виде нефти, газа. Всего в результате проведенных исследований на восточном склоне о. Сахалин в Охотском море на глубине 396 м и ниже обнаружено 17 площадей газогидратов [1]. Схема выходов метана в виде пузырьков газа из донных отложений в воду, обнаруженных на северо-восточном сахалинском склоне Охотского моря, а также газогидратоносных площадей показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема отбора проб в рейсах: 1 — НИС «Академик Лаврентьев», № 56; 2 — «Профессор Гагаринский», № 25, октябрь 1998 г.; 3 — площади с газогидратами; 4 — гидроакустические аномалии.

 

Самые высокие содержания метана (11645 нмоль/л) зафиксированы в экспедиции LV31 в августе 2003 г. на горизонте 622 м на структуре Обжиров (ст. № 44, глубина 674 м), где в течение многих лет регистрировался долгоживущий подводный факел. На этой структуре постоянно регистрируется аномально высокая концентрация метана на различных горизонтах, так же как и на других газогидратных структурах: Гизела, Копри, Хаос, разлом Лаврентьева. Это свидетельствует о том, что на распределение метана, формирование горизонтально ориентированных слоев и температуру воды на станциях, находящихся в зоне газовой разгрузки, определяющее влияние оказывает интенсивный пузырьковый перенос метана [3]. Над структурами, выделяющими метан, максимальные его содержания располагаются чаще всего на горизонтах, на которых происходит наибольшее растворение метана из газовых пузырьков. Важно отметить, что пузырьки газа с аномальной концентрацией метана, поступая в воду на глубине моря более 400 м, покрываются вокруг пленкой гидрата. Разложение гидратированных структур приводит к увеличению концентраций метана на указанных горизонтах и сопровождается, возможно, незначительным уменьшением температуры воды, что фиксируется гидрологическим зондированием (CTD) [11].

Интенсивное поступление метана в воду на акватории северо-восточного и восточного шельфа и склона о. Сахалин из локальных литосферных источников оказывает большое влияние на распределение растворенного метана в водной толще и в поверхностном слое за счет переноса из нижележащих слоев. Таким образом, высокие скорости эмиссии метана на границе вода–атмосфера определяются в первую очередь тем, что на изучаемой акватории обнаружены активные подводные выходы метана (рис. 3).

На рис. 1а показаны расчетные поверхностные течения для конца мая – начала июня 2011 г., при ветрах 8.8 м/с юго-восточных направлений, наблюдавшихся на время отбора проб воды. На рис. 1б показаны расчетные направления поверхностных течений в августе 2011 г. при ветрах северо-западных направлений, которые наблюдались во время отбора проб, со скоростями, сравнимыми с весенними. Расчет в летний сезон также показал, что в районе исследований, кроме генерального направления течения с севера на юг вдоль склона о. Сахалин, наблюдается сложная структура течений с формированием вихря в западной части Курильской котловины, по периферии круговорота которого наблюдаются повышенные концентрации метана в поверхностном слое воды и его потоках акватории.

Пример осеннего распределения метана в водной толще для северо-восточного шельфа и склона о. Сахалин приведен на рис. 2б для рейса «Профессор Гагаринский», октябрь 1998 г. Здесь метана однородно, и лишь в придонном слое глубоководных станций сохраняются максимальные концентрации метана. Перемешивание вследствие осенней конвекции вод обуславливает более однородное распределение метана по глубине. За счет осенней конвекции, разрушающей летнюю стратификацию вод, и больших скоростей ветра метан, накопленный в водной толще, быстро выносится на поверхность. Таким образом, осенью будут наблюдаться значительные потоки метана с поверхности моря. В работе [3] приведен расчет потоков с акватории восточного шельфа и склона о. Сахалин, где показано, что при одинаковых концентрациях метана в поверхностном слое морской воды увеличение преобладающих скоростей ветра с 6 м/с для лета до 9 м/с в осенний сезон приводит к увеличению потоков метана с поверхности моря в 2 раза. Значительные потоки метана до 121 моль/км ²·сут в осенний сезон фиксируются на газогидратных структурах (рейс № 32 НИС «Академик Лаврентьев», октябрь 2003 г.). Однако в осенний сезон морская поверхность обновляется очень быстро, и экспериментально зафиксировать повышенные концентрации метана удается далеко не всегда. При значительных скоростях ветров 8–12 м/с, характерных для осеннего сезона, содержание метана на поверхности быстро падает до равновесных значений, и поток метана уменьшается до минимальных значений [4, 5]. Так, например, для рейса № 25 НИС «Профессор Гагаринский», октябрь 1998 г., на одной из станций, где позже, в 2011 г., было открыто несколько газогидратных площадей, фиксируется незначительный поток метана с поверхности моря (3.19 моль/км ²·сут). Есть еще причина, по которой наблюдается незначительный поток. На таких станциях газогидрат может находиться в пассивном состоянии и не проявлять признаков разложения в виде факела.

На рис. 1в показан поток по профилю 3 для рейса НИС «Академик Опарин» № 54, 17–20 октября 2017 г. На этом профиле обнаружены значительные потоки метана с поверхности моря между 52° с. ш. и 50° с. ш., а также около мыса Терпения. Потоки с акватории вдоль склона немного выше, чем потоки для НИС «Академик Лаврентьев», июнь 2008 г.; около м. Терпения немного ниже; в заливе Терпения и заливе Анива потоки сопоставимы. Но по всему профилю 3 потоки намного больше, чем в летний сезон, для НИС «Академик Лаврентьев» 2008 г. и 2009 г. [2]. Равновесные с атмосферой концентрации метана в морской воде в октябре соответствовали значениям С*≈3.0–3.5 нмоль/л при солености и температуре измерений.

Следует отметить, что почти на всей траектории от м. Терпения до 52° наблюдались повышенные скорости ветра 12–18 м/с, и повышение содержания метана в приводном слое атмосферы. Однако концентрации метана в поверхностном слое морской воды оставались довольно высокими и значительно превышали равновесные с атмосферой. Насыщение метаном составляло 200–300%. Это является подтверждением того, что в осенний период наблюдается повышенная эмиссия метана в атмосферу, обусловленная влиянием конвективного перемешивания морской воды. На этом же рисунке показаны расчетные направления течений для реальных скоростей и направлений ветра, наблюдавшихся в период отбора проб воды. Согласно этой схеме, вдоль о. Сахалин метан должен был переноситься в направлении с севера на юг, но плавного снижения потоков метана в этом направлении мы не наблюдаем. Это говорит о том, что и по этому профилю расположены эффективные подводные источники, продолжающие оказывать влияние на потоки метана с поверхности моря.

Таким образом, максимальные потоки метана наблюдаются весной при сравнимых с августом скоростях ветра, когда после таяния льда и вскрытия рек наблюдается вынос пресных вод и начинается формирование распресненного прогретого поверхностного слоя. С усилением стратификации вод в летний период наблюдается замедление обмена метаном на границе вода-атмосфера, пузырьки газа не выходят на поверхность моря, а растворяются в морской воде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные экспериментальные данные по изучению распределения метана и его потоков на границе вода-атмосфера показали:

1. Распределение метана в морской воде на акватории западной части Охотского моря определяется пространственным распределением подводных источников метана, где происходит активное выделение метана в морскую среду и атмосферу. Повышенный поток метана с поверхности моря наблюдается на акваториях, где обнаружены акустические факелы и газогидраты.
2. На изменения концентраций метана в поверхностном слое морской воды и его потоки на границе вода-атмосфера оказывают влияние сезонные изменения гидрологических параметров морской воды в исследуемом районе.

Повышенные потоки метана наблюдаются весной. А когда воды зимней модификации меняются на летние, поток метана с поверхности моря снижается. Вследствие прогрева поверхностного слоя, усиления стратификации вод в летний период обмен метаном на границе вода-атмосфера замедляется, растворенный метан начинает переноситься и накапливаться в промежуточных слоях. В осенний период наблюдается повышенная эмиссия метана в атмосферу, обусловленная влиянием конвективного перемешивания морской воды и значительными скоростями ветров.

About the authors

A. I. Obzhirov

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Author for correspondence.
Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

G. I. Mishukova

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

R. B. Shakirov

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

V. F. Mishukov

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

E. V. Maltseva

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

N. L. Sokolova

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

A. K. Okulov

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

A. V. Yatsuk

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

E. V. Lifanskiy

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS

Email: obzhirov@poi.dvo.ru
Russian Federation, Vladivostok

References

Supplementary files