№7, 2004 г.
© Кароль И.Л., Киселев А.А.
АТМОСФЕРНЫЙ МЕТАН
И
ГЛОБАЛЬНЫЙ КЛИМАТИ.Л. Кароль, А.А. Киселев
Игорь Леонидович Кароль - доктор физико-математических наук,
профессор, заведующий лабораторией Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова.Андрей Александрович Киселев - кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник отдела динамической метеорологии той же обсерватории.Упоминание о метане у большинства людей обычно ассоциируется со взрывами и человеческими жертвами на угольных шахтах. Впрочем, в атмосферу этот газ попадает из множества источников, география которых достаточно обширна. Данное обстоятельство серьезно осложняет проводимые в последние десятилетия исследования особенностей поведения и эволюции атмосферного метана, его влияния на климат. Между тем, СH4 - один из важнейших парниковых газов и вносит значительную лепту в широко обсуждаемое глобальное потепление. Полагают, что его эмиссия должна быть сокращена в соответствии с до сих пор не вступившим в действие Киотским протоколом (1997), поэтому Европейский Союз ныне финансирует несколько научных проектов, направленных на всестороннее изучение этого газа.
Известно, что ряд атмосферных газов - водяной пар Н2О, углекислый газ СО2, закись азота N2O, озон О3, метан СН4, гексафторид серы SF6, а также многочисленная группа хлорфторуглеводородов и гидрофторуглеводородов - обладает способностью эффективно поглощать инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, самой атмосферой и облаками. Благодаря этому действию парниковых газов среднегодовая глобальная температура у поверхности Земли составляет около 14°С, в то время как при их отсутствии она была бы на 33° ниже, т.е. -19°С. Данные регулярных измерений свидетельствуют о том, что с начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) содержание в атмосфере углекислого газа увеличилось примерно на 30%, закиси азота на 16%, метана в 2.5 раза. Ограничения Монреальского протокола приостановили рост концентрации в атмосфере хлорфторуглеводородов, имеющих антропогенное происхождение, но содержание их заменителей - гидрофторуглеводородов - продолжает увеличиваться. Повышение концентрации парниковых газов привело к нарушению складывавшегося тысячелетиями теплового баланса, и, как следствие, к повышению температуры тропосферы - у поверхности Земли в течение XX в. оно составило примерно 0.6°.
Естественно, лепта, вносимая каждым из перечисленных газов, не одинакова. В настоящее время вклад СО2 в усиленный парниковый эффект составляет более 60%, на метан приходится около 20%, а за оставшиеся 20% ответственны другие парниковые газы. Но при этом молекула СН4 в десятки раз эффективнее поглощает инфракрасное излучение, чем молекула СО2. Главенствующая же роль последнего достигается только тем, что количество молекул СО2 в атмосфере примерно в 200 раз больше, чем метана. Но поскольку концентрация СН4 в индустриальную эпоху росла гораздо быстрее концентрации СО2, очевидно, что при сохранении существующей тенденции уже в недалеком будущем вклад метана в усиление парникового эффекта будет еще более весомым. И чтобы по крайней мере сократить темпы глобального потепления, резонно попытаться замедлить рост концентрации этого газа (как, впрочем, и других парниковых газов) в атмосфере.
Источники естественные и антропогенные
Содержание всякого газа в атмосфере определяется соотношением интенсивности его источников и стоков, а срок пребывания в атмосфере (время жизни) - совокупной скоростью его химического разрушения и механического удаления из атмосферы. Молекулы метана не обладают высокой реактивной способностью и взаимодействуют лишь с очень активными молекулами гидроксила ОН и атомами хлора Cl, а также возбужденного кислорода О(1D). В тропосфере разрушение СН4 происходит главным образом в реакции с ОН, однако в верхней стратосфере (выше 35 км) с ней успешно конкурирует реакция метана с атомарным хлором. (Заметим попутно, что указанные реакции ведут также к гибели молекул ОН и атомов Cl - разрушителей атмосферного озона. Таким образом, при повышении концентрации СН4 содержание O3 в атмосфере увеличится [1], а не уменьшится, как считают некоторые исследователи [2].) Доля реакции СН4 с О(1D) в фотохимическом стоке метана относительно невелика. Разрушение молекул СН4 солнечными лучами (фотолиз), происходящее в верхней стратосфере, столь незначительно, что в расчетах им часто пренебрегают. Кроме того, метан поглощается почвами в сухих субтропических лесах со скоростью большей, чем во влажных умеренных и тропических. В результате совместного действия всех перечисленных физико-химических процессов молекула СН4, по разным оценкам, живет в атмосфере 8-12 лет.
Содержание метана, ppb (parts per billion), в различные сезоны
и на различных высотах в течение 1973-1985 гг.В стратосфере разрушение метана гидроксилом приводит
к образованию другого важного парникового газа - водяного пара.Химическим путем метан не образуется, поскольку для генерирования его довольно сложных молекул необходимо большое количество энергии. Поэтому атмосферные источники СН4 отсутствуют, и поступление метана в атмосферу полностью контролируется его потоками с земной поверхности. Метан возникает и накапливается в недрах Земли, в среде, где гниение отмершей растительности происходит при дефиците свободного кислорода. Таким образом, среди источников метана преобладают микробиологические процессы с участием анаэробных бактерий, которые могут быть выражены результирующей формулой СО2 + 4Н2 ® СН4 + 2Н2О. Молекулярный водород для протекания этой реакции выделяется бактериями, не генерирующими метан, но развивающимися в той же самой среде.
Метан продуцируют также высшие животные (в первую очередь, крупный рогатый скот), в кишечниках которых создаются оптимальные условия для существования микробов, выделяющих метан. По некоторым оценкам [3], "продуктивность" одной коровы составляет 250 л СН4 в сутки.
Все источники метана обычно делят на две большие группы: естественные и антропогенные. К первым относят потоки СН4 с поверхности заболоченных территорий, пресноводных водоемов, океанической поверхности, а также метан, образующийся в колониях термитов и выделяемый при сжигании огромных объемов биомассы в результате пожаров. Здесь необходимо маленькое отступление.
Определение суммарного количества метана, поступающего в атмосферу от каждого из источников, - несомненно, важная, но вряд ли решаемая инструментальными средствами задача. Поток СН4, например, с поверхности заболоченных территорий существенно зависит от температуры поверхности, типа болота (торфяного, сфагнового и др.), характера растительности и ее плотности, воды на поверхности и других факторов.
Среднегодовое среднее по земному шару содержание метана в приземном воздухе.
Поскольку заболоченные территории встречаются довольно часто (исключая полярные области), и каждой местности присущи свой климатический режим и своя растительность, величины потока СН4 с разных увлажненных территорий будут заметно отличаться, а организация регулярных измерений потока СН4 в столь большом количестве мест практически неосуществима.
Поэтому мощность каждого источника метана определяется с помощью решения обратной задачи. Другими словами, подбирается значение, которое, будучи подставленным в модель, обеспечивало бы наилучшее согласие расчетных концентраций СН4 с измеренными. Естественно, получаемые оценки зависят от класса и особенностей используемой модели и заметно различаются у разных авторов. Однако вернемся к обсуждению источников метана.
Среди естественных источников метана наиболее интенсивен поток СН4 с поверхности заболоченных территорий. Его величина оценивается экспертами в 110 Мт/год с разбросом значений от 55 до 150 Мт/год (здесь и далее мы приводим оценки 90-х годов [4]), причем более половины (около 60 Мт/год) приходится на тропики, а на северные широты почти все оставшееся - 40 Мт/год. На порядок меньше поток с поверхности океана - 10 Мт/год и с пресноводных поверхностей - 5 Мт/год. Ежегодная производительность термитников оценивается в 20 Мт метана. Еще 40 Мт/год поступает в атмосферу в результате сгорания биомассы при пожарах, в большинстве своем происходящих в тропической зоне. Таким образом, ежегодно благодаря естественным источникам в атмосферу попадает около 200 Мт СH4 (с разбросом оценок от 101 до 355 Мт/год).
Мировая эмиссия метана (Мт/год) от естественных (I) и антропогенных (II) источников.
В число антропогенных источников входят потоки, попадающие в атмосферу при добыче ископаемого топлива, с мусорных свалок и при последующем сжигании бытовых отходов, очистке сточных вод, расширении сельскохозяйственных угодий (в том числе рисовых плантаций), при разведении крупного рогатого скота.
Совместные усилия угле-, газо- и нефтедобывающих предприятий во всем мире увеличивают эмиссию метана в атмосферу на 100 Мт/год (в природном газе на его долю приходится 77-99%, в попутных нефтяных - 31-90%, в рудничном - 34-40%). Из этих 100 Мт/год промышленной эмиссии примерно 47 дает добыча и сжигание угля, а 37 и 17 Мт/год соответственно - утечка из скважин и при транспортировке газа и нефти.
Подсчитано, что крупный рогатый скот продуцирует 80 Мт СН4 в год. (В 2000 г. насчитывалось чуть больше 1 млрд голов, из них 314 млн - в Индии, 150 - в Бразилии, 130 - в Китае и около 100 млн - в США.)
Ежегодный поток СН4 в атмосферу с рисовых плантаций оценивается в 60 Мт, еще около 30 Мт СН4 в год попадает в атмосферу при других способах землепользования.
При накоплении и переработке мусора в атмосферу попадает 57 Мт в год. Географическое распределение этих потоков напрямую зависит от экономического развития страны, численности и плотности населения, отчасти от национальных традиций. Примерно вдвое меньше, 25 Мт СН4 в год, дает очистка сточных вод.
В итоге из антропогенных источников в атмосферу попадает около 360 Мт/год (от 259 до 537), а всего 560 Мт/год СН4 (от 360 до 892). Другими словами, примерно 2/3 глобальной эмиссии метана обусловлено деятельностью человека, хотя деление источников на антропогенные и естественные несколько условно - осушаются естественные болота, метан присутствует в продуктах жизнедеятельности не только домашних, но и диких травоядных животных.
Нетрудно заметить, что основные источники метана размещаются в Северном полушарии, где находится подавляющее большинство экономически развитых держав. К тому же площадь суши, на которой в основном располагаются источники СН4, здесь значительно больше, чем в Южном полушарии. А что же Россия? Сколь велик наш вклад в глобальную эмиссию метана?
Российский вклад
В силу своего географического положения наша страна не является родиной термитов, и рис далеко не главный среди производимых ею зерновых. Поэтому российский вклад в эмиссию СН4 складывается в основном из потоков метана с поверхности переувлажненных территорий (включая болота, открытые водоемы, тундру и т.д.), его утечек, сопутствующих добыче ископаемого топлива, и метана, выделяемого в результате жизнедеятельности крупного рогатого скота и при утилизации мусора.
По оценкам, гниение и сжигание российского мусора увеличивает ежегодный поток метана примерно на 2.5 Мт. В 1990-х годах в России и странах СНГ резко сокращалось количество крупного рогатого скота, и к 2000 г. в России его насчитывалось лишь 27 млн голов (в 1991 г. в СССР - 57 млн). Как следствие, в данный период уменьшался и выброс СН4, обусловленный этим источником, в 2000 г. он оценивался в 1.8 Мт/год. Из-за экономического спада 1990-х закрылись шахты в России, на Украине, в Казахстане, значительно сократилась добыча угля. Существующая на этот счет статистика весьма противоречива, что, конечно, осложнило расчеты, поэтому экспертные оценки имеют большой разброс - от 2.5 до 5 Мт СН4 в год.
Как известно, Россия обладает огромными запасами природного газа, добыча которого - приоритетная отрасль ее экономики. Вопрос о необходимости оценки объема утечки газа неоднократно поднимался российскими и международными природоохранными организациями (по расчетам 1990-х годов, из-за нее в атмосферу может попадать от 1.42 до 17±13 Мт СН4 в год).
Недавно сотрудники Главной геофизической обсерватории провели исследования величины эмиссии метана в атмосферу из района крупнейших газовых месторождений Западной Сибири (Уренгойского, Ямбургского, Медвежьего и др.), что позволило существенно уточнить эти оценки. Установлено, что эмиссия СН4 от газовых месторождений не превышает 2-3 Мт/год, что соответствует 0.5-0.8% всего добываемого объема [5].
Переувлажненные территории, по данным 70-х годов, занимали 1.512 млн км2, или 6.75% площади СССР. При этом львиная их доля приходилась на Россию. Однако по продуктивности метана эти районы на севере 5-9 мес в году сильно уступают своим южным "собратьям", так как значительную часть года покрыты льдом, когда поток СH4 в атмосферу сильно сокращается. С учетом этого обстоятельства, по нашей оценке, эмиссия СН4 от российских переувлажненных территорий, расположенных в поясе 30-60°с.ш., составляет около 21 Мт/год. Общие же выбросы СН4 с территории России можно оценить в 35-40 Мт/год.
Российские источники выбросов метана (Мт/год) в атмосферу.
Ввиду того, что молекула СН4 живет в атмосфере 8-12 лет, а на путешествие воздушных масс из одного полушария в другое достаточно нескольких месяцев, содержание метана в воздухе почти одинаково в разных уголках земного шара. В частности, средняя концентрация СН4 в Южном полушарии всего на 6% ниже, чем в Северном, где, как уже говорилось, расположены его основные источники. Относительная химическая пассивность метана приводит к тому, что его содержание не подвержено заметным сезонным изменениям, которые не превышают нескольких процентов, причем самые низкие концентрации приходятся на конец лета, а наибольшие на зиму и весну. Исключение составляют северные высокие широты, там наблюдается резкое увеличение концентрации метана к осени, связанное с освобождением ото льда болотистых почв.
Анализ образцов из ледовых кернов, отобранных в Антарктиде и Гренландии, позволил проследить эволюцию концентрации СН4 в атмосфере. Во время последнего ледникового максимума (18-20 тыс. лет назад) она составляла в нижней тропосфере 350 ppb, к 1850 г. возросла до 820 ppb, в 1950 г. - уже до 1180 ppb, в 1990 г. - 1694 ppb и в 2000 г. - 1752 ppb. Налицо беспрецедентно быстрый рост содержания атмосферного метана за последние 50 лет - на 48.4%.
Будущее - ближайшее и отдаленное
А как изменится содержание атмосферного метана в будущем, ближайшем и отдаленном? Вопрос достаточно трудный, ответ на него зависит от множества объективных и субъективных факторов, главный из которых - наши недостаточные знания, в частности, о механизме обмена метана между геосферами (недрами Земли, океаном, атмосферой). Например, до сих пор не объяснено наблюдавшееся в начале XX в. резкое, но непродолжительное замедление скорости роста его содержания. Другой важный фактор неопределенности будущего метана - стратегия национальных и мировой экономик, технических и технологических новаций.
Известно, что англичане разработали и успешно внедряют методику консервирования закрытых шахт, надежно препятствующую проникновению через них метана в атмосферу. Голландцы начинают использовать технологии очистки коровников, предотвращающие утечку метана.
Рост населения ведет к увеличению потребности в продовольствии, а значит, грядет увеличение сельскохозяйственных площадей и поголовья скота. Но площади сельскохозяйственных угодий будут распределяться по-разному, в зависимости от пищевых пристрастий и сбалансированности рациона тех или иных народов: где-то будут увлажняться новые территории под овощеводство, где-то - осушаться под зерновые. Но наряду с этим из-за неумелой ирригации появятся новые болота.
Конечно, отказ от традиционных источников энергии - угля, газа, нефти - в пользу альтернативных, экологически более чистых, вряд ли реален в ближайшем будущем. Наиболее вероятным представляется умеренный рост содержания метана в ближайшие десятилетия, что подтверждает Межправительственная группа экспертов по изменению климата, разработавшая 35 сценариев возможной эволюции содержания важнейших компонент атмосферного воздуха. В них рассмотрены последствия различных путей развития мировой экономики в XXI в., при которых наиболее часто рост концентрации метана к 2050 г. оценивается в 40-50%.
Остается открытым вопрос о глобальных запасах метана в газогидратах - кристаллических образованиях, скрытых под океанической толщей и ледяным покровом в зоне вечной мерзлоты. По немногочисленным измерениям, общее содержание СН4 в поддонных отложениях в районе Мексиканского залива, в Северном Ледовитом и Тихом океанах оценивается в 1.3·107 Мт, масса метана в арктических газовых гидратах - 104-107 Мт, а залежи СН4 под ледяным покровом - в 2.7·106 Мт (правда, с возможной десятикратной (!) ошибкой). Для сравнения заметим, что общее содержание метана в современной атмосфере оценивается примерно в 4000 Мт, т.е. составляет несколько сотых процента от глобальных его запасов. Иногда высказывается опасение (в основном в геологической периодике), что наблюдаемый и прогнозируемый рост температуры окружающей среды может стать причиной полного или частичного высвобождения метана из его резервуаров при изменении интенсивности обмена между донными и вышележащими слоями океана, а также таяния в зонах вечной мерзлоты. При повышении температуры на 1-1.5°С в таких районах, занимающих 2/3 территории России, приток метана может увеличиться на 100 млрд м3, или примерно на 70 Мт [6].
Резкий рост концентрации метана, случись такая масштабная экологическая катастрофа, повлечет серьезные изменения не только в температурном режиме атмосферы, но и в ее газовом составе. И как мы уже подчеркивали, за ростом содержания СН4 последует повышение концентрации озона и падение концентрации гидроксила. Самый активный радикал в атмосфере, он контролирует присутствие в ней многих компонент и тем самым осуществляет самоочищение атмосферы. Поэтому при значительном уменьшении содержания ОН способность атмосферы к самоочищению существенно сократится.
Наши исследования показали, как изменятся концентрации гидроксила, озона и других газов в тропосфере северных умеренных широт при увеличении современной концентрации СН4 в 10 раз, т.е. в случае, когда утечка из геологических резервуаров составит величину порядка 1% от оцениваемых запасов. Рост концентрации озона при этом составит 80-90% в нижней тропосфере и около 50% в верхней, а концентрация ОН уменьшится на 30-50%. По нашим оценкам, такой десятикратный рост содержания СН4 вызовет увеличение температуры в нижней тропосфере еще на 0.5°С. Мы далеки от нагнетания страстей вокруг подобной экологической катастрофы и рассматриваем наши модельные оценки скорее как иллюстрацию степени зависимости важнейших атмосферных компонент и температуры от эволюции главного героя этой статьи - метана.
Вместо заключения
Интерес к проблеме метана в ближайшие годы наверняка сохранится. Считается, что именно через этот газ можно наиболее эффективно регулировать избыточный парниковый эффект. Действительно, эмиссия СН4, на две трети антропогенная, несравненно более доступна для контроля, чем источники "гуляющего сам по себе" СО2. К тому же полный цикл пребывания молекулы метана в атмосфере (8-12 лет) во много раз короче аналогичного для молекулы углекислого газа, а, значит, результатов регулирования не придется ждать десятилетиями. Наконец, вклад СН4 в усиление парникового эффекта - второй по значимости, и если невозможно регулировать поведение лидера - СО2, можно остановить свой выбор на метане.
Обеспокоенность продолжающимся глобальным потеплением и его вероятными последствиями вкупе с отсутствием на сегодняшний день каких бы то ни было действующих международных ограничений - достаточный стимул для дальнейшей дискуссии вокруг парниковых газов среди ученых, журналистов, политиков. В этой связи Россия как обладательница колоссальных запасов природного газа, одна из ведущих стран по добыче и экспорту нефти, изрядная часть площади которой занята переувлажненными территориями, неизбежно будет оставаться в центре всеобщего внимания. Прискорбно, но к такой роли наша страна совершенно не готова.
В случае с метаном объектом для проведения любых исследований, как теоретических, так и сугубо практических, могут служить лишь данные натурных измерений, причем обязательно представленные в достаточном объеме. К сожалению, на территории России есть лишь несколько постоянно действующих станций, ориентированных на мониторинг парниковых газов, но нет разветвленной сети. Как следствие, немногочисленные проведенные измерения носят спорадический характер и представляют собой плод усилий (оплачиваемых, кстати, европейскими партнерами) небольших групп энтузиастов. Конечно, существуют объективные трудности для создания такой сети, например, труднодоступность тех же болот на российском Крайнем Севере, однако куда важнее отсутствие даже минимального внимания (читай - финансирования) к проблеме со стороны имущих и властей предержащих. Можно и нужно скрупулезно оценить все pro и contra участия России в международных природоохранных проектах, в том числе подписания упоминавшегося Киотского протокола. Но чтобы быть в состоянии компетентно сделать это, необходимо постоянно держать руку на пульсе - систематически производить мониторинг парниковых газов на достаточно густой сети станций и анализировать в режиме on line поступающую с нее информацию.
Жан Жак Руссо утверждал, что "закон необходимости с ранней поры учит человека делать то, что ему не нравится, дабы предотвратить зло, которое еще больше пришлось бы ему не по вкусу" [7]. Пора осознать, что забота о среде нашего обитания, контроль за ее текущим состоянием не прихоть, а жизненная необходимость.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Проекты 02-05-65399 и НШ-1845.2003.05.Литература
1. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998. WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. Report №44. Geneva, 1999.
2. Сывороткин В.Л. // Земля и Вселенная. 1998. №1. С.21-27.
3. Бажин Н.М. Метан в атмосфере // http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/958.html
4. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994. WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. Report №37. Geneva, 1994.
5. Яговкина С.В., Кароль И.Л. и др. // Метеорология и гидрология. 2003. №4. С.49-62.
6. Yakushev V.S., Chuvilin E.M. // Cold Regions Science and Technology. 2000. V.31. P.189-197.
7. Энциклопедия мысли. Симферополь, 1996. С.331.
