Ведущие российские исследователи Арктики в эти дни работают в экспедиции в морях Восточной Арктики. Базируется экспедиция на флагмане российского научного флота — судне «Академик М. Келдыш». Ученые выполняют комплекс биогеохимических, геофизических и геологических исследований, направленных на решение ряда приоритетных задач в соответствии со Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации. В первую очередь это исследования состояния подводной мерзлоты, экологического состояния вдоль трассы Северного морского пути (СМП), потоков парниковых газов и других компонентов цикла углерода в арктической системе «суша-шельф-атмосфера». Начальник экспедиции, член-корреспондент РАН, профессор ТПУ Игорь Семилетов рассказал о первых результатах экспедиции.
Фото: руководитель экспедиции, член-корреспондент РАН, профессор ТПУ Игорь Семилетов Напомним, экспедиция организована ведущими морскими институтами Российской академии наук: Тихоокеанским океанологическим институтом им. В.И.Ильичева ДВО РАН (ТОИ), Институтом океанологии им. П.П.Ширшова РАН (ИОРАН) — и Томским политехническим университетом. Ключевыми партнерами являются ученые из Национального научного центра морской биологии ДВО РАН (ННЦМБ), геологического и химического факультетов Московского государственного университета (МГУ), ФИЦ Биотехнологии РАН, Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН (ГЕОХИ), Московского физико-технического университета (МФТИ), Института почвоведения РАН. В экспедиции также принимают зарубежные ученые, представляющие научный консорциум, созданный в 2015 году на научно-технологической базе ТПУ. Он объединяет ученых из 12 университетов пяти стран: Швеции, Нидерландов, Великобритании, США, Италии.
ТПУ стал первым российским университетом, принявшим участие в организации и выполнении совместной морской арктической экспедиции с Российской академией наук. Это первая межрегиональная морская арктическая экспедиция, объединяющая научно-технический потенциал ведущих институтов и вузов Москвы, Дальнего Востока и Сибири, что стало возможным при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, Президиума РАН и Президиума ДВО РАН. Как отмечают организаторы, участие стратегических партнеров из ведущих западных университетов позволяет быстро внедрять новые идеи и подходы в международную практику морских исследований.
— Игорь Петрович, уточните, пожалуйста, основные приоритеты экспедиции, расскажите о том, как проходит экспедиция, об основных предварительных результатах мирового уровня, направлениях дальнейшего развития.
— Начну с определения одной из наиболее актуальных проблем современного естествознания — выявления и оценки роли деградации подводной мерзлоты в дисбалансе цикла углерода в морях Восточной Арктики (МВА), которые представляют самый широкий и мелководный шельф Мирового океана.
До настоящего времени игнорировался тот факт, что в МВА находится примерно 80% подводной мерзлоты всего Мирового океана, которая, как нами было установлено в предшествующих 20-летних исследованиях, уже потеряла свою «сплошность» в результате долговременного отепляющего эффекта вследствие термического уравновешивания с относительно теплой придонной водой, а также в результате воздействия геотермического потока в рифтовых зонах.
Подводная мерзлота МВА уже стала теплее наземной мерзлоты на 8-10 °С, то есть приняла температуру, близкую к температуре фазового перехода, а во многих местах уже произошла ее значительная или полная деградация. Это значит, что гигантские резервуары природного газа (в основном, метана) в свободной или гидратной форме уже вовлечены в современный биогеохимический цикл, интенсивность выбросов которого изменяется на пять порядков от 10-3г/м2 в день до 102г/м2 в день в зависимости от состояния подводной мерзлоты. Установлено, что максимальные скорости разгрузки глубинного метана наблюдаются в районах мега-сипов, районах с горизонтальным простиранием более 1000 метров и высокой плотностью пузырьковых струй метана, которые были нами открыты в 2011 году совместно с группой член-корреспондента РАН Леопольда Лобковского (ИО РАН-МФТИ).
Мы документировали неожиданно высокие скорости деградации подводной мерзлоты, что в некоторых районах МВА уже привело к заглублению ее кровли до горизонтов стабильности газовых гидратов (Shakhova, Semiletov, Gustafsson et al., Nature Communications, 2017). Более того, было показано, что в последние 30 лет скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты удвоились, по сравнению с предыдущими столетиями, и достигли 18 см/год, что на порядок выше ранее принятых оценок. Этот результат заставляет принципиально пересмотреть постулат Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) о том, что подводная мерзлота МВА стабильна и к концу 21 века может протаять максимум лишь на несколько метров. Этот факт признан и опубликован на официальном сайте AAAS — издателе журнала Science («Russian scientists deny climate model of IPCC»). Поэтому крайне важно изучить и оценить межгодовую динамику изменчивости размеров и структуры мега-сипов и сипов меньшего масштаба, что необходимо для научно обоснованного прогноза деградации подводной мерзлоты на ближайшее будущее. Для этих целей, начиная с 2011 года, в наших экспедициях в ключевых районах МВА — на метановых сипах выполняются микро-полигонные геофизические, биогеохимические, и геологические исследования. Отметим, что в других экспедициях, как правило, выполняются узкоспециализированные исследования, ограниченные или только водной толщей, или только донными осадками. Кроме того, мы первые (по крайней мере в масштабе Северного ледовитого океана), начиная с 2005 года, начали использовать в МВА и по всей трассе СМП высокопрецизионные измерения концентрации метана и двуокиси углерода в приводном слое атмосферы в дополнение к изучению миграции этих основных парниковых газов в системе «суша-шельф». Такой подход позволяет количественно оценить поток метана не только в системе «вода-воздух», но и в системе «дно-вода».
Относительно предварительных результатов, уже полученных в этой экспедиции, можно уверенно сказать, что большинство исследованных сипов значительно увеличились в своих размерах по сравнению с последними наблюдениями, выполненными в экспедициях 2014 года (российско-шведская экспедиция на борту научного ледокола «Оден») и 2016 года (российская экспедиция на судне «Академик М. Лавреньтьев»).
Впервые непосредственно у дна были отобраны пробы пузырей в количестве, достаточном для определения изотопного почерка метана (с небольшой примесью этана). В этих пробах также будут выполнены анализы изотопного состава благородных газов (включая отношение Не3/Не4), что позволит уточнить генезис пузырькового метана. Более того по новой технологии, разработанной совместно со Стокгольмским университетом, в водной толще в ключевых районах МВА отобрана коллекция 40 литровых проб воды для проведения полного изотопного состава растворенного метана (стабильные изотопы углерода [С13] и водорода [Д] метана, плюс радиоуглеродный возраст). Более того в ключевых районах МВА и по трассе СМП в специальные стеклянные сосуды отобраны под давлением пробы воздуха для определения полного изотопного состава метана атмосферы.
Фото: старт экспедицииОсобое внимание уделяется микробиологическим исследованиям, включая определения метан-образования и метан-окисления в осадках и водной толще (группа ФИЦ Биотехнологии РАН).
Ранее нами на основе полного изотопного анализа (С13, дейтерий, С14) было показано, что пузырьковый перенос в системе «литосфера-водная толща-атмосфера» в МВА определяется вкладом всех известных источников: биогенных, термогенных, абиогенных. Однако отношение вклада этих источников изменяется в пространстве и во времени, что может быть связано с усилением или отсутствием сейсмотектонических факторов, например, землетрясений и других, и соответственно — открытием или закрытием глубинных каналов разгрузки пузырькового метана. Чтобы выяснить, насколько глубоки корни (каналы разгрузки), в экспедиции проводятся сейсмологические исследования путем установки донных сейсмологических станций. Они устанавливаются на 1-2 недели или на год. Уже установлены пять донных станций ИО РАН (группа Леопольда Лобковского) сроком на один год, что впервые — в комплексе со станциями, установленными ранее в дельте реки Лены, — позволит охватить весь шельф моря Лаптевых. Впервые для глубинной томографии дна на одном из мега-сипов на неделю было установлено 16 донных станций, которые сразу после установки были озвучены мощным колебательным сигналом, обеспеченным сейсмо-группой Центра морских исследований МГУ. Все временные донные станции (всего их 18) в сохранности подняты на борт судна, несмотря на штормовые условия (волнение до пяти-шести с ветром до 24 метров в секунду).
Другие направления исследований нашей экспедиции включают изучение характерных особенностей транспорта и трансформации наземного органического вещества (ОВ) в системе «суша-шельф» МВА и экологических аспектов состояния вод вдоль маршрута СМП. Для этих целей нами изготовлена проточная система, позволяющая прокачивать поверхностную воду через аналитический тракт для непрерывного детектирования более 12 параметров, включая температуру, соленость, хлорофилл, флюоресценцию (CDOM), растворенный метан, кислород и так далее. Эта система используется в комплексе с данными, полученными на гидрологических-биогеохимических станциях с отбором проб воды, с помощью системы Розетта, и донных осадков, с помощью 1,2-тонного бокс-корера. Для восстановления природы и мощности источников ОВ (речной, эрозионный, морской) в течение примерно 12 тысяч лет нами уже были отобраны длинные керны донных осадков.
Гидрохимические исследования проводятся под руководством нашего соотечественника Евгения Якушева, главного научного сотрудника Норвежского института водных ресурсов (Norwegian Institute for Water Resources), который выполняет ряд совместных исследований с ИО РАН и МГУ. Кроме определения основных биогенных элементов, растворенного кислорода и величины водородного показателя, впервые по трассе СМП проводится сбор микропластика и соединений ртути из проточной системы и из промытых ННЦМБ проб донных отложений. Они изучаются в контексте выявления и описания различных типов донных биогеоценозов, что крайне важно для понимания влияния экстремальной асидификации вод, выявленной нами в МВА и опубликованной в 2016 году в журнале Nature Geoscience. Кроме того, проводятся совместные с Эдинбургским университетом (University of Edinburg) исследования изотопов азота нитратов, что необходимо для выявления масштабов денитрификации вод МВА. Оригинальные исследования ОВ на молекулярном уровне проводятся учеными из ТПУ и Института почвоведения РАН, что позволит выявить специфические для мега-сипов метана биомаркеры в составе ОВ осадков.
Важным направлением исследований является изучение характерных особенностей функционирования уникальной гетеротрофной экосистемы МВА, которое выполняется ННЦБМ. Предполагается, что наземный сигнал может быть прослежен на всех трофических уровнях: от фитопланктона до бентоса. Такого рода исследования в МВА выполняются впервые.
Основной вывод из вышеизложенного — на борту «Академика М. Келдыша» создан уникальный научный коллектив из 55 ученых, который уже проводит комплексные и междисциплинарные исследования мирового уровня в арктических морях России. Этот научный коллектив в содружестве с уже созданным в ТПУ Международным сибирским арктическим научным центром может рассматриваться как прототип научного центра мирового уровня, создание которых планируется в рамках Национального проекта «Наука».
Мировой уровень уже выполненных работ подтверждается публикацией ключевых результатов авторского коллектива в журналах Science (2010), Nature (2012), Nature Geoscience (2014, 2016), Nature Communications (2016, 2017, 2018), и насчитывает уже более 120 публикаций в журналах первого квартиля Web of Science.
— Спасибо за подробный ответ. Будем надеяться, что научный консорциум, уже созданный для решения наиболее актуальных проблем арктического шельфа России, войдет в списки коллективов, удостоенных поддержки в рамках Нацпроекта «Наука». Последний на сегодня вопрос. Скажите, каким образом результаты исследований вашего научного коллектива могут решить прикладные проблемы, возникающие при разведке и освоении ресурсов арктического шельфа России?
— В настоящее время в Российской Федерации отсутствует целевая программа по изучению распространения и состояния подводной мерзлоты, несмотря на то, что известны многочисленные случаи аварий, возникающих при недоучете научно обоснованных результатов исследования распространения и стабильности подводной мерзлоты и связанных с ней арктических газовых гидратов. Последствия геоэкологических катастроф, которые могут произойти при разведочно-промышленной деятельности, выполненной без учета последних достижений научных исследований авторского коллектива (неконтролируемый выброс гидратного газа и так далее), в материальном отношении могут нанести ущерб, значение которого трудно переоценить. Напомним про катастрофические последствия недавней аварии в Мексиканском заливе, а также в Печорском море. Образование ямальских воронок является иллюстрацией того, что может произойти в любой момент на обширных акваториях МВА, включая лицензионные участки Роснефти и Газпрома. Наш коллектив способен разработать научно обоснованные подходы, которые позволят минимизировать геориски, связанные с прогрессирующей деградацией подводной мерзлоты и массированными выбросами пузырькового метана.
Другим направлением работы нашего коллектива являются первые исследования по выявлению биомаркеров органического вещества донных осадков, которые характеризуют мощность и продолжительность массированного выброса пузырькового метана на шельфе МВА. Развитие этого направления исследований может быть основанием для уточнения запасов газа на том или ином участке дна, планируемом для разведки и добычи.
Считаем также крайне перспективным практическое использование разработанных нашим авторским коллективом технологий для оценки количественного выброса пузырькового метана из донных отложений путем абсолютной калибровки однолучевых и многолучевых сонаров, что можно и нужно использовать для поиска разрывов в подводных газопроводах и оценки экономического и экологического ущерба, полученного вследствие массированных утечек. Эти оригинальные и экономичные технологии уже используются в наших исследованиях и опубликованы в ряде статей в ведущих журналах в России и за рубежом.
— Позвольте пожелать участникам вашей экспедиции успехов в достижении поставленных целей.
— Спасибо, до конца экспедиции осталось почти две недели. Мы планируем проводить исследования по всей трассе СМП до прихода в порт Архангельска.
Надеемся получить новые результаты, которые внесут значимый вклад российских ученых в мировую копилку знаний об МВА — одном из наименее исследованных регионов нашей планеты.
В заключение прошу выразить благодарность научного состава экспедиции экипажу судна «Академик М. Келдыш», который под руководством капитана Юрия Горбача сделал судно флагманом российского научного флота.