В ноябре 2018 года журнал Scientific Reports опубликовал исследование, которое впервые представило прямые полевые измерения производства и выброса метана из-под ледника. Объектом изучения стал исландский ледник Сольхеймайёкюдль — выводной ледник ледяного купола Мирдальсйёкюдль, под которым находится активный вулкан Катла. Группа учёных из Ланкастерского университета под руководством гляциологического биохимика Питера Уинна обнаружила, что за летний период таяния ледник ежедневно выбрасывает в атмосферу через талые воды до 41 тонны метана. Для сравнения авторы приводят образный показатель: такой объём приблизительно соответствует суточным выбросам от более чем 136 000 жвачных коров.
Эти данные стали первым в научной литературе примером столь масштабного выброса метана именно из ледниковых вод и открыли новый угол изучения подледниковых экосистем как источников парниковых газов.
Откуда берётся метан: не вулкан, а микробы
Ключевое уточнение, которое делают исследователи: вулкан Катла не производит весь этот метан непосредственно. Вулканические газы, конечно, способны содержать метан, однако изотопный анализ образцов — тот самый «прямой изотопный аргумент», вынесенный в заголовок статьи, — показал, что в данном случае метан имеет биогенное происхождение. Его производят микроорганизмы-метаногены: анаэробные бактерии и археи, которые живут в донных отложениях подо льдом и преобразуют органическое вещество и водород в метан в условиях отсутствия кислорода.
Именно изотопный сигнал позволил разграничить источники: метан биогенного происхождения имеет характерное соотношение изотопов углерода (¹²C и ¹³C) и водорода, отличающееся от абиотического или термогенного газа, образующегося при высокотемпературных геологических процессах.
Роль вулканического тепла: не источник, а катализатор
Тогда зачем вулкан? Катла выполняет роль геотермального инкубатора. Горячие вулканические газы, поднимаясь снизу, нагревают воду у ложа ледника и одновременно снижают в ней содержание растворённого кислорода: восстановленные газы — в первую очередь сероводород, придающий этому месту характерный запах тухлых яиц, — химически «сжигают» кислород. В результате у ложа ледника устанавливаются субокислительные, то есть почти бескислородные условия (их называют субоксическими). Именно такая среда необходима метаногенным микроорганизмам: они строго анаэробны и при малейшем присутствии кислорода прекращают производить метан.
Геотермальное тепло ещё и физически помогает удерживать воду в жидком состоянии у ложа ледника в зимний период, обеспечивая метаногенам условия для работы на протяжении большей части года.
Как удерживается и как выходит метан: давление льда и талые воды
Толща льда над подледниковыми отложениями действует как непроницаемая крышка под давлением. Метан, образующийся в донных осадках, не уходит в атмосферу сразу: высокое давление удерживает его растворённым в воде и защищает от контакта с атмосферой. Это создаёт своеобразное «хранилище», в котором газ накапливается.
Выход метана в атмосферу происходит двумя путями. Первый — непосредственное выделение в ходе потепления, когда ледник тонеет и давление снижается. Второй и основной — транспорт талыми водами: мeltwater drainage. Летом, когда таяние ускоряется, подледниковые воды устремляются наружу по дренажным каналам. Именно в этих потоках зафиксированы наиболее высокие концентрации растворённого метана — у точки, где река выходит из-под ледника на поверхность. По мере того как вода поднимается из-под давления и контактирует с атмосферой, растворённый метан дегазирует и уходит в воздух.
Авторы измерили, что производство метана у ложа ледника составляет около 48 тонн в сутки, тогда как в атмосферу из приледниковой реки уходит около 41 тонны в сутки. Разница объясняется частичным окислением газа в пути: некоторые микроорганизмы, работающие в условиях, когда кислород всё же присутствует в следовых количествах, потребляют часть метана.
Как проводились измерения и почему это непросто
Исследователи отбирали пробы воды непосредственно у точки выхода потока из-под ледника, чтобы минимизировать потерю растворённого газа. Наряду с концентрацией метана определялись изотопные составы — результаты поддержали вывод о преимущественно биогенном происхождении газа.
Группа использовала изотопный анализ по δ¹³C-CH₄ (соотношению тяжёлого и лёгкого изотопов углерода в метане) и δD-CH₄ (дейтериевый изотоп водорода). Сочетание этих параметров однозначно указало на метаногенез — биохимический процесс, а не на термогенный или абиотический источник.
Все измерения проводились в летний сезон таяния, когда дренажная система ледника наиболее развита. Зимой режим стока иной, поэтому переносить полученные оценки на весь год без дополнительных измерений нельзя.
Ограничения исследования: один ледник, один сезон
Исследование Питера Уинна и его коллег честно обозначает масштаб своих выводов. Речь идёт об одном конкретном леднике, расположенном в геотермально активной зоне, — и только о летнем периоде. Масштабировать эти цифры на все ледники планеты напрямую невозможно.
Большинство ледников мира не имеют под собой активных вулканов. Для них кислородный режим у ложа определяется другими факторами — прежде всего разложением органики в осадках и скоростью движения воды. Метаногенная активность в таких условиях возможна, но, по имеющимся данным, значительно ниже.
Тем не менее авторы указывают, что ледники на Гренландии и в Антарктиде также располагаются в зонах с геотермальной активностью. Исследования, проведённые после 2018 года, в том числе в Аляске, показали, что метан из ледниковых стоков — явление более распространённое, чем считалось ранее. Однако это не означает, что все ледники являются сопоставимыми по масштабу источниками метана: каждый случай определяется локальной геологией, температурным режимом и характером подледниковых осадков.
Климатический контекст: почему это важно
Метан — значительно более мощный парниковый газ, чем углекислый, если сравнивать их 20-летний потенциал глобального потепления. По данным МГЭИК, на столетнем горизонте потенциал метана приблизительно в 28–34 раза выше, чем у CO₂. При этом метан остаётся в атмосфере существенно меньше по времени — порядка десяти лет против столетий для CO₂.
Ледники тают быстрее по мере климатических изменений, что усиливает летний сток и, вероятно, увеличивает вынос подледникового метана. Авторы исследования осторожны в обобщениях: «если эти геотермальные системы гидрологически связаны», выброс метана может быть значительно масштабнее — но это условное утверждение, а не установленный факт.
Открытие Ланкастерской группы ставит вопрос: является ли Сольхеймайёкюдль уникальным случаем или лишь наиболее изученным примером более распространённого явления? Ответ потребует измерений на других геотермально активных ледниках.
Читайте также: Йеллоустоун проснулся: ученые зафиксировали опасную активность