Ледники, расположенные в вулканических областях, могут быть мощными источниками метана

Для оценки глобальных климатических изменений чрезвычайно важно, чтобы цифровые модели, на основе которых строятся прогнозы, учитывали все значимые источники парниковых газов, одним из которых является метан. Недавно обнаружилось, что огромное количество этого парникового газа выделяется ледником Соульхеймайёкюдль в Исландии. Ученые разобрались в причине и выяснили, что это явление вызвано тем, что ледник находится в зоне вулканической активности и под ним создаются благоприятные условия для бактерий, которые и производят метан.

Извержение вулкана Катла, прорывающее ледниковый покров. Фото 1918 года с сайта icelandmag.is

Группа английских и американских ученых во главе с Ребеккой Бернс (Rebecca Burns) из Университета Ланкастера, исследуя состав талых вод, вытекающих из-под ледника Соульхеймайёкюдль (Solheimajokull), обнаружила существенную обогащенность этих вод метаном. В летние месяцы талые воды ежедневно выносят до 41 тонны метана, который затем выделяется в атмосферу. Эти выбросы метана по количеству значительно превосходят аналогичные поступления из любых наземных водных источников сопоставимого объема (за исключением болот) и, например, почти в 20 раз превышают объемы поступлений из газов всех вулканов Европы вместе взятых.

Задачей ученых было выяснить источник происхождения метана в талых водах ледника Соульхеймайёкюдль и объяснить, в каких процессах он там появляется. Полевые работы проводились в течение 5 лет — с 2013 по 2017 год. Сначала авторы провели сравнение состава субгляциальных (вытекающих из-под ледника) вод с водами внешних источников в районе, водами из прогляциальных озер (озер, остающихся на месте отступающих ледников), а также с супрагляциальными водами (водами, стекающими по поверхности ледника), и убедились в том, что повышенное содержание метана характерно только для субгляциальных потоков. Не был обнаружен метан и в образцах окружающих пород и почв.

Эти пробы воды изучались с помощью изотопной масс-спектрометрии, позволяющей определить соотношение изотопов одного и того же элемента, что может указать на происхождение вещества пробы. Например, по соотношению изотопов углерода ¹²С/¹³С и водорода ²H/¹H (дейтерия к протию) в метане, попадающем в атмосферу, можно определить источник этого метана по так называемой характерной изотопной подписи (изотопной сигнатуре) — специфическому соотношению различных изотопов. В частности, для биогенного метана значения δ13С (отклонение изотопной сигнатуры ¹³C/¹²C от сигнатуры стандартного образца, выраженное в промилле) лежат в интервале от -50‰ до -110‰, а δD (отклонение соотношения ²H/¹H от так называемого водного стандарта) — в интервале от -170‰ до 531‰. Геогенный (образующийся в геологических процессах) метан обычно обогащен, по сравнению с биогенным, изотопами ¹³С и ²H соответственно.

Результаты анализов однозначно указывают на биогенное происхождение СН₄ в субгляциальных водах. На рисунке хорошо видно, что все пробы субгляциальных вод попадают в область биогенных процессов продуцирования метана. Все остальные пробы воды, отобранные в ходе обсуждаемого исследования, попали в области естественных геологических процессов, то есть имеют геогенную природу.

Диаграмма изотопных значений углерода и дейтерия метана из различных источников. Кружочками обозначены пробы из прогляциальных озер; квадратами — талые и родниковые воды из открытых источников; белыми ромбами — субгляциальные воды; темными ромбами — краевой сток с ледников; большими крестами — дренажные воды; малыми крестами (соединены на диаграмме пунктирной линией) — результаты анализа метана, полученного в лабораторных условиях

Особенностью ледника Соульхеймайёкюдль, расположенного на юге Исландии, является то, что его верхняя часть находится над действующим вулканом Катла, а язык — спускается вниз по долине.

Карта района вулкана Катла. Кальдеры вулканов обозначены линией со штрихами, направленными внутрь. Оранжевой штриховкой показаны места предыдущих извержений этого вулкана. Жирными красными метками отмечены места извержения вулкана Эйяфьядлайёкюдль в 2010 году. Ледник Соульхеймайёкюдль (Solheimajokull) расположен в левой нижней части карты. Карта с сайта strokkur.raunvis.hi.is

Вулкан Катла извергается примерно раз в 80–100 лет. В период между извержениями в зоне активности вулкана продолжают выделяться горячие газы, прогревающие ледник снизу. Из-за этого в основании ледника формируется гидрологический слой, в котором в условиях постоянного прогрева активно развиваются бактерии, выделяющие метан.

В открытых водоемах биогенное образование метана обычно компенсируется окислением метана кислородом с образованием углекислого газа (который выделяется в атмосферу) и воды. В случае подледной гидросистемы, непроницаемая крышка льда препятствует проникновению в гидрологическую зону атмосферного кислорода, метан не окисляется, а выносится на поверхность из-под ледника вместе с талыми водами, где уже выделяется в атмосферу. При этом надо отметить, что парниковый потенциал метана в 28 раз выше, чем у углекислоты.

В случае нахождения ледника в зоне вулканической активности, ложе (основание) ледника обладает идеальными условиями для производства метана. При этом сам вулкан не является источником метана, но обеспечивает условия, позволяющие микроорганизмам процветать. Кроме того, вулканические газы создают восстановительную среду во всей гидросистеме, в которой метан сохраняется в неокисленном состоянии. При попадании в такую восстановительную среду теряют свой окислительный потенциал даже те поверхностные (супрагляциальные) воды, которые просачиваются вниз сквозь толщу ледника.

В этом плане совместная гидрологическая система вулкана Катла и накрывающей его ледяной шапки ледника Соульхеймайёкюдль является гигантским природным инкубатором микроорганизмов, продуцирующих метан в подледном субстрате. В холодное и теплое время года эта система функционирует немного по-разному.

Схематическая модель функционирования гидрологической системы Катла–Соульхеймайёкюдль в летне-осенний (a) и зимне-весенний (b) периоды. Условные обозначения: 1 — выделения метана; 2 — гидрологический слой в основании ледника; 3 — породы основания ледника; 4 — ледник; 5 — снежный покров. Над жерлом вулкана находится подледная зона таяния ледника. Формирующиеся в этой зоне щелочные воды стекают вниз по ложу ледника. За счет поступающих снизу вулканических газов в системе поддерживается восстановительная среда, поэтому метан, не разлагаясь в результате окисления, доносится субгляциальными водами до выхода на поверхность из-под толщи ледника. В теплый период года этот процесс более интенсивный, так как гидрологическая система ледника обильно пополняется за счет дренажных вод, образующихся при поверхностном таянии льда и снега. В холодный же период может периодически нарушаться связь с геотермальной областью над жерлом вулкана, и тогда в субгляциальных водах вблизи языка ледника окислительные процессы начинают идти более активно, а в выходящих на поверхность водах метан практически отсутствует

Данная статья — первое опубликованное исследование, темой которого стало масштабное выделение метана в зонах ледников. Помимо вулкана Катла, есть еще много других вулканов в Исландии, обладающих активной гидротермальной системой и перекрытых сверху ледниками. Их метаногенный потенциал абсолютно не изучен. Все больше данных появляется и о зонах сильной геотермальной активности (которая часто является одним из проявлений вулканической активности) под западной частью Антарктического ледяного щита. И везде, где есть сочетание таких факторов, как геотермальная активность, наличие непроницаемой ледниковой шапки, препятствующей проникновению к основанию ледника кислорода, и активность метанобразующих бактерий, возможно ожидать открытие обширных зон метаногенеза.

При этом, на сегодняшний день неизвестно, сколько метана уже накоплено в закрытых (пока не имеющих выхода на поверхность) подледных гидрологических системах этих регионов и как быстро он будет высвобождаться по мере отступления ледников и сокращения толщины ледниковых покровов, если климат на Земле и дальше будет теплеть: будет ли наблюдаться резкий выброс метана или его медленное выделение по мере вскрытия от льда подледных водоемов.