Содержание метана — газа, обладающего наибольшим парниковым потенциалом по отношению к другим газам, — в атмосфере непрерывно растет, угрожая глобальным потеплением [16][16]Stocker T., et al. (Eds.), IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013. Метан выделяется группой очень маленьких организмов, размеры которых 1/100 мм позволяют заметить их только при помощи микроскопа, называемых метаногенами. Метаногены способны продуцировать метан в строго анаэробных условиях. Они обитают в разных местах, предполагающих полное отсутствие кислорода. Поэтому процессы метанообразования происходят, например, в кишечниках животных, в почвах или в донных отложениях океанов, морей, рек. Другие микроскопические организмы, называемые метанотрофами, используют метан в качестве источника пищи. Поедая метан, метанотрофы сокращают его количество, попадающее в атмосферу.

В обогащенных кислородом поверхностных водах центрального бассейна Северного Ледовитого океана обнаружены довольно высокие содержания метана [4][4]Damm E., Helmke E., Thoms S., Schauer U., Nöthig E., Bakker K., and Kiene R.P. Methane production in aerobic oligotrophic surface water in the central Arctic Ocean, Biogeosciences, 7, 1099–1108, 2010. Концентрации метана здесь выше, чем можно было бы ожидать, рассматривая растворение атмосферного метана в полярных поверхностных водах. Поверхностные воды содержат слишком много кислорода, чтобы позволить анаэробным метаногенам выделять метан и сократить, таким образом, расхождение между наблюдаемыми и ожидаемыми концентрациями метана. Потенциальным источником метана в поверхностных водах могли бы быть метаногены, обитающие в донных осадках центрального бассейна Северного Ледовитого океана. Но поднимающийся к поверхности метан растворяется в глубинных водах океана или съедается метанотрофами. А удаленность центрального бассейна Северного Ледовитого океана от мелководных шельфов делает возможность поставки метана, выделяющегося вследствие таяния мерзлоты, маловероятной. Значит, метан, несмотря на кажущиеся противоречия природы его образования и окисления, должен продуцироваться непосредственно в обогащенных кислородом полярных поверхностных водах. Действительно, исследования показали, что метан может продуцироваться микроорганизмами в присутствии кислорода в окружающей среде [4, 5][4]Damm E., Helmke E., Thoms S., Schauer U., Nöthig E., Bakker K., and Kiene R.P. Methane production in aerobic oligotrophic surface water in the central Arctic Ocean, Biogeosciences, 7, 1099–1108, 2010.[5]Karl D.M., Beversdorf L., Bjorkman K.M., Church M.J., Martinez A., and Delong E.F. Aerobic production of methane in the sea, Nature Geosciences, 1, 473–478, 2008. Оказывается, некоторым микроорганизмам по вкусу вещества, содержащие и метиловые группы (рис. 1). В процессе метаболизма они выделяют метан. Такой механизм образования метана называют метилотрофным метаногенезом.

Ледовый покров — характерная особенность Северного Ледовитого океана — влияет практически на все процессы, протекающие в высоких широтах: физические, биологические и химические. Лед Северного Ледовитого океана представляет собой замершую поверхностную воду снизу и плотно спрессованный снег на поверхности. В отличие от пресного льда озер и рек, морской лед менее плотный. В процессе замерзания соленой воды отжимающийся рассол формирует пористую структуру молодого льда. Основная масса воды формирует кристаллы — твердую ледовую структуру, а ее остаток с высоким содержанием соли скапливается в порах ледяной матрицы. На фотографии ледового керна из центрального бассейна Северного Ледовитого океана (рис. 2А) можно рассмотреть множество вертикальных каналов, заполненных рассолом. Рассол и вмерзшие пузырьки воздуха делают лед мутным, плохо проницаемым для света (он совсем не похож на кубик прозрачного пресного льда в бокале с напитком). На поперечном срезе ледового керна (рис. 2B) видны пористая структура и вертикальные каналы.

Воздушные карманы и поры, заполненные рассолом, населены множеством мелких обитателей Арктики. Ими могут быть бактерии и микроводоросли, или даже мелкие животные [17][17]Thomas D.N. and Dieckmann G.S. Antarctic sea ice — a habitat for extremophiles. Science 295.5555, pp. 641, 2002. Микроводоросли — микроскопически маленькие организмы — фотосинтезируют подобно наземным растениям или макроводорослям. Довольно большие их количества часто встречаются в арктическом льду, раскрашивая его в зеленовато-коричневатые оттенки. На рисунке 3 приведены фотографии дрейфующего льда с высокой биологической активностью. Как правило, большая часть организмов предпочитает жить в нижних слоях льда, граничащих с поверхностными водами. Здесь теплее, больше света и питательных веществ. Но заметить микроводоросли можно, только когда льдины сломаны и перевернуты, например, бороздящими ледовые поля ледоколами.

Весной и летом поверхностные арктические воды и атмосфера над ними нагреваются, и ледовый покров начинает таять. Структура льда разрушается, поры и карманы становятся более крупными, и вся жидкость и ранее вмороженные в лед частицы попадают в поверхностные воды. В воде оказываются и различные химические соединения, сформированные в процессе жизнедеятельности микроводорослей. Два таких соединения — диметилсульфид (DMS) и диметилсульфопропионат (DMSP) — особенно важны для продукции метана. Оба комплекса содержат по две метиловые группы, которые входят в названия этих веществ, — диметил- (рис. 1). Эти метиловые группы — первые претенденты на участие в процессах метилотрофного метаногенеза. Возможность протекания таких процессов обнаружена не так давно, и важность их в цикле метана в Арктике обусловливает необходимость активных исследований сегодня.

Пропавшим звеном в цикле метана в Северном Ледовитом океане можно назвать мало изученные механизмы переноса метана пересыщенных шельфовых вод или осадков, захваченных льдом осенью и зимой во время формирования льда на мелководном шельфе[2][2]Damm E., Rudels B., Schauer U., Mau S., Dieckmann G. Methane excess in Arctic surface water- triggered by sea ice formation and melting // Scient. Rep. 2015.doi:10.1038/srep16179. в центральный бассейн и выноса его в пролив Фрама (рис. 4).

Наши исследования показали, что северные акватории евразийского сектора Северного Ледовитого океана пересыщены метаном, а в южных — наблюдается недосыщение. Причины такого распределения растворенного метана в арктических поверхностных водах — циркуляция водных масс и длительность их контакта со льдом.

В южном секторе евразийского бассейна недосыщение арктических поверхностных вод метаном наиболее заметно в западной части (в районе 30° в.д.). С запада на восток оно снижается, превышая 90% в районе 90° в.д. Перемещаясь с юга через пролив Фрама и Норвежское море, воды Атлантики остывают примерно на 10 °C до температур, близких к температуре замерзания [9][9]Orvik K.A., Niiler P. Major pathways of Atlantic water in the northern north Atlantic and Nordic seas toward Arctic // Geophys. Res. Lett. 2002. 29(19). P. 1896.doi:10.1029/2002gl015002. В результате охлаждения и распреснения вследствие таяния льда растворимость метана увеличивается на 30%. Поглощение метана из атмосферы контролируют скорость ветра и низкая проницаемость льда [13][13]Rutgers van der Loeff M., Cassar N., Nicolaus M., et al. The influence of sea-ice cover on air-sea gas exchange estimated with radon-222 profiles // J. Geophys. Res., C – Oceans. 2014.doi:10/1002/2013jc009321. Однако течение, направленное вдоль континентальных окраин Шпицбергена и Баренцева моря с юго-запада, противоположно ветровому переносу льда с северо-востока [15][15]Spreen G., Kwok R., Menemenlis D. Trends in Arctic sea ice drift and role of wind forcing: 1992–2009 // Geophys. Res. Lett. 2011. 38. P. 1–14.doi:10.1029/2011gl048970. и обеспечивает лишь кратковременный контакт арктических поверхностных вод со льдом. Выделяющийся изо льда метан насыщает арктические поверхностные воды, но недолго.

На севере, где теплые воды Атлантики изначально изолированы подстилающими галоклинными водами, арктические поверхностные воды перенасыщены метаном. Отсюда трансарктическим дрейфом почти 348000 км² льда, сформированного в море Лаптевых, выносится в пролив Фрама [7, 8][7]Krumpen T., Gerdes R., Haas C., et al. Recent summer sea ice thickness surveys in Fram Strait and associated ice volume fluxes // The Cryosphere. 2016. 10. P. 523–534.doi:10.5194/tc-10-523-2016.[8]Krumpen T., Janout M., Hodges K.I., et. al. Variability and trends in Laptev Sea ice outflow between 1992–2011 // The Cryosphere. 2013. 7. P. 349–363.doi:10.5194/tc-7-349-2013. Ветры и подповерхностные течения перемещают лед в одном направлении с северо-востока на юго-запад [11][11]Rudels B. Arctic ocean circulation / in Encycl. of Ocean Sciences / eds. Steele J.H., Turekian K.K., Thorpe S.A. 2009, second edition, P. 211–225. Acad. Press Oxford.doi:10.1016/b978-012374473-9.00601-9. Во время долгого путешествия, в результате длительного контакта АПВ со льдом (вследствие замерзания и таяния льда) формируется солевая конвекция [6, 12][6]Korhonen M., Rudels B., Marnela M., et al. Time and space variability of freshwater content, heat content and seasonal ice melt in the Arctic Ocean from 1991 to 2011 // Ocean Sci. 2013. 9. P. 1015–1055.doi:10.5194/os-9-1015-2013.[12]Rudels B., Anderson L.G., Jones P. Formation and evolution of the surface mixed layer and halocline of the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 1996. 101. C4. P. 8807–8821. Здесь однолетний лед сменяется многолетним, что отражается в его взаимодействии с постилающими арктическими поверхностными водами, пересыщение метаном которых имеет ледовый генезис.

Рассматривая траектории льда, пересекающего 60° в.д. в 2011 и 2015 гг., и изотопный состав кислорода δ¹⁸O, мы обнаружили различия в возрасте льда и районах его формирования. Однолетний лед в 2015 г. был сформирован на внешнем шельфе моря Лаптевых в октябре (на 10–11 месяцев ранее) и вынесен преимущественно офшорными ветрами до 60° в.д. Здесь фоновые концентрации метана превышают его содержание в арктических поверхностных водах летом 2014 г. [18][18]Thornton B.F., Geibel M.C., Crill P.M., et al. Methane fluxes from the sea to the atmosphere across the Siberian shelf seas // Geophys. Res. Lett. 2016.doi:10.1002/2016gl068977. При замерзании в октябре лед захватил немного метана, а значит однолетний лед, сформированный на внешнем шельфе моря Лаптевых, потенциально вносит небольшое количество метана в трансарктический дрейф.

В 2011 г. разрез вдоль 60° в.д. пересек лед, сформированный 21 месяц назад. В этот год лед в разных сегментах разреза отличался разными районами формирования. Лед в районе 87.5° с.ш. сформированный, главным образом, на внешнем шельфе моря Лаптевых, сопоставим со льдом 2015 г. Лед в районах между 85° и 87.5° с.ш. (арктические поверхностные воды в этих районах пересыщенны метаном вплоть до 10000%) был сформирован в прибрежной полынье в октябре–декабре. Полынья моря Лаптевых формируется в результате адвективного выноса льда от берега в трансарктический дрейф. В районе открытой воды в течение нескольких месяцев формирование льда сопровождается отжатием рассола, обусловливающим зимнюю вертикальную циркуляцию (рис. 8). Конвективное перемешивание усиливает турбулентность и взмучивает взвесь над осадком, способствуя выделению из них метана и поднимая его к поверхности [3][3]Damm E., Schauer U., Rudels B., Hass C. Excess of bottom-released methane in an Arctic shelf sea polynya in winter // Cont. Shelf Res. 2007. 27. P. 1692–1701. Кроме метана льдом в процессе быстрого замерзания зимой захватывается и органическая взвесь, способная усваиваться микробиальным сообществом.

Насыщение арктических поверхностных вод метаном связано с глубиной проникновения зимней халинной конвекции. Глубина зимнего перемешанного слоя определяет глубину проникновения отжатого рассола в арктические поверхностные воды предыдущей зимой, таким образом отражает интенсивность зимнего замерзания. Действительно, экстремальное пересыщение метаном в 2011 г. было локализовано между 85° и 87.5° с.ш. в районе с наиболее глубоким слоем зимнего перемешивания, что отражает суровые условия замерзания. Наблюдения подтверждаются изотопным составом кислорода δ¹⁸O, которое показывает, главным образом, отрицательное фракции талой воды в зимнем перемешанном слое и отражает замерзание с сопутствующим выделением рассола. Положительные фракции талой воды фиксировались лишь в верхних 20 м в 2011 г. В этом случае трансарктический дрейф переносит и накапливает метан ледового генезиса, захваченный изначально в районе прибрежной полыньи моря Лаптевых в суровых условиях зимнего замерзания. Ограниченный стратификацией «избыточный» метан [2][2]Damm E., Rudels B., Schauer U., Mau S., Dieckmann G. Methane excess in Arctic surface water- triggered by sea ice formation and melting // Scient. Rep. 2015.doi:10.1038/srep16179. надолго остается в арктических поверхностных водах благодаря таянию льда летом и последующим замерзанием осенью.

На сохранность метана в арктических поверхностных водах по-разному влияет сезонное таяние льда. В начале таяния льда, содержащего метан, отжимаемый рассол, содержащий метан, способствует пересыщению им арктических поверхностных вод (рис. 9). При дальнейшем таянии льда распреснение снижает насыщение арктических поверхностных вод метаном. В 2011 г. таяние льда сопровождалось опусканием слоя зимнего перемешивания на глубину менее 1 м. Поэтому распреснение зимнего перемешанного слоя и последующее разбавление метана осталось довольно низким. Пересыщение метаном было локализовано в холодных водах, насыщение в которых растет с охлаждением. Напротив, в 2015 г., когда пересыщение распространилось на распресненные воды, снижение солености во время таяния льда способствовало увеличению насыщения. В дальнейшем тонкий слой пресной воды с летним льдом на поверхности ограничивал поток метана в атмосферу и способствовал его накоплению в арктических поверхностных водах, где окисление метана довольно низкое [2][2]Damm E., Rudels B., Schauer U., Mau S., Dieckmann G. Methane excess in Arctic surface water- triggered by sea ice formation and melting // Scient. Rep. 2015.doi:10.1038/srep16179.

Таким образом, наши последние исследования показали, что арктические поверхностные воды являются временным резервуаром для метана, захваченного льдом на сибирском шельфе, который, в конечном счете, обеспечивает поток метана в атмосферу во время штормов или способствует его погружению на глубину при смешивании с глубинными водными массами.

Перенос льда с шельфа моря Лаптевых обеспечивает пересыщение метаном арктических поверхностных вод до 200%. При среднем насыщении 150% экстраполированным на трансарктический дрейф льда (4 млн км²) верхние 30 м арктических поверхностных вод удерживают 3.8 Тг метана. Перенос льда, сформированного в полынье моря Лаптевых, обеспечивает пересыщение метаном арктических поверхностных вод до 10⁴%. Экстраполируя на 100 км² и верхние 60 м, 3.4 Тг метана захватывается льдом. Сопоставимые объемы метана, захваченные льдом на малых и обширных территориях, подчеркивают значимость особенностей ледового переноса для накопления метана в арктических поверхностных водах. Процессы, инициированные захватом метана льдом на шельфе во время его формирования, и выделение метана при дальнейшем замерзании и таянии указывают на сезонность накопления метана во льду, которые связывают удаленные источники метана с районами его выделения, где он может как поглощаться океаном, так и выделяться в атмосферу. Ледовый вынос метана с шельфа моря Лаптевых отражает меньшее пересыщение метаном шельфовых вод в свободные ото льда сезоны, что согласуется с данными, представленными ранее, [1][1]Bussmann I., Hackbusch S., Schaal P., and Wichels A.: Methane distribution and oxidation around the Lena Delta in summer 2013, Biogeosciences, 14, 4985–5002, 2017.doi:10.5194/bg-14-4985-2017 по сравнению с другими районами арктического шельфа [18][18]Thornton B.F., Geibel M.C., Crill P.M., et al. Methane fluxes from the sea to the atmosphere across the Siberian shelf seas // Geophys. Res. Lett. 2016.doi:10.1002/2016gl068977.

Изучить процессы, приводящие к накоплению метана в поверхностных водах центрального Северного Ледовитого океан, описанные выше, позволяют экспедиции на борту ледоколов. Мы исследовали воду и лед во время экспедиции на борту ледокола Polarstern в конце лета 2015 г. Проанализировав отобранные образцы, мы определили содержание в них метана, диметилсульфида и диметилсульфопропионата. Отбор проб для проведения анализа газов — сложная задача, если необходимо получить результаты с высокой точностью. Склянки должны наполняться анализируемой водой очень аккуратно, иначе пузырьки и турбулентность приведут к обмену газами, растворенными в воде, с теми, что находятся в воздухе. А содержание газов во льду можно измерить только, после того как лед расплавлен, потому что газы пойманы в ловушки ледовых карманов или растворены в морской воде. Отобранный керн льда необходимо разрезать на небольшие кусочки непосредственно на льду (как показано на рисунке 10В) или в специальной морозильной лаборатории, где поддерживается температура –20 °C и поместить их в специальные герметичные пакеты или контейнеры, позволяющие откачать из них воздух. Только после этого лед плавится, избегая любой возможности обмена газами с окружающим воздухом. На рисунке 10 показаны некоторые специальные контейнеры и оборудование, с помощью которых мы отбирали и анализировали наши образцы во время экспедиции.

С целью исследовать процессы метилотрофного метаногенеза и окисления метана мы собрали образцы воды и льда. В склянки, осторожно наполненные морской водой, вносились DMSP — лакомство для микроорганизмов, продуцирующих метан. Склянки герметично закрывались и оставлялись в условиях, максимально приближенных к естественным (рис. 11D). Для нас было важно проверить, будут ли микробы, населяющие наши образцы, поглощать DMSP. В течение 10 дней мы определяли концентрацию метана в воде. Первые результаты нашего эксперимента показали увеличение метана в одной серии склянок, демонстрируя процукцию метана, и соответственно преобладание в микробиальном сообществе метаногенов. В другой серии склянок концентрация метана уменьшилась, сообщая об окислении метана. Здесь доминировали потребляющие метан метилотрофы. Эти предварительные результаты показали, что взаимодействия между различными типами бактерий, обитающих в поверхностных полярных водах и льду, сложны и требуют детальных исследований, которые позволят выделять процессы продукции и окисления метана. Наш следующий шаг в решении этой проблемы — проанализировать, какие типы бактерий присутствовали в различных сериях эксперимента. Это поможет нам понять, какие бактерии важны в цикле метана в Арктике, как они влияют на потоки метана в Северном Ледовитом океане и на обмен им с атмосферой.

Мы благодарим команду ледокола Polarstern за помощь в рейсе TRANSARC II, Гехарда Дикмана и Андреаса Крэля за помощь при отборе проб на льду и Стефана Хендрикса за предоставленные фотографии льда.

Bussmann I., Hackbusch S., Schaal P., and Wichels A. Methane distribution and oxidation around the Lena Delta in summer 2013, Biogeosciences, 14, 4985–5002, 2017.

doi:10.5194/bg-14-4985-2017

Damm E., Rudels B., Schauer U., Mau S., Dieckmann G. Methane excess in Arctic surface water-triggered by sea ice formation and melting // Scient. Rep. 2015.

doi:10.1038/srep16179.

Damm E., Schauer U., Rudels B., Hass C. Excess of bottom-released methane in an Arctic shelf sea polynya in winter // Cont. Shelf Res. 2007. 27. P. 1692–1701.

Damm E., Helmke E., Thoms S., Schauer U., Nöthig E., Bakker K., and Kiene R.P. Methane production in aerobic oligotrophic surface water in the central Arctic Ocean, Biogeosciences, 7, 1099–1108, 2010.

Karl D.M., Beversdorf L., Bjorkman K.M., Church M.J., Martinez A., and Delong E.F. Aerobic production of methane in the sea, Nature Geosciences, 1, 473–478, 2008.

Korhonen M., Rudels B., Marnela M., et al. Time and space variability of freshwater content, heat content and seasonal ice melt in the Arctic Ocean from 1991 to 2011 // Ocean Sci. 2013. 9. P. 1015–1055.

doi:10.5194/os-9-1015-2013.

Krumpen T., Gerdes R., Haas C., et al. Recent summer sea ice thickness surveys in Fram Strait and associated ice volume fluxes // The Cryosphere. 2016. 10. P. 523–534.

doi:10.5194/tc-10-523-2016.

Krumpen T., Janout M., Hodges K.I., et. al. Variability and trends in Laptev Sea ice outflow between 1992–2011 // The Cryosphere. 2013. 7. P. 349–363.

doi:10.5194/tc-7-349-2013.

Orvik K.A., Niiler P. Major pathways of Atlantic water in the northern north Atlantic and Nordic seas toward Arctic // Geophys. Res. Lett. 2002. 29(19). P. 1896.

doi:10.1029/2002gl015002.

Parmentier F.J.W., Christensen T.R., Sørensen L.L., et al. The impact of lower sea-ice extent on Arctic greenhouse gas exchange // Nature climate change. 2013.

doi:10.1038/nclimate1784.

Rudels B. Arctic ocean circulation / in Encycl. of Ocean Sciences / eds. Steele J.H., Turekian K.K., Thorpe S.A. 2009, second edition, P. 211–225. Acad. Press Oxford.

doi:10.1016/b978-012374473-9.00601-9.

Rudels B., Anderson L.G., Jones P. Formation and evolution of the surface mixed layer and halocline of the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 1996. 101. C4. P. 8807–8821.

Rutgers van der Loeff M., Cassar N., Nicolaus M., et al. The influence of sea-ice cover on air-sea gas exchange estimated with radon-222 profiles // J. Geophys. Res. Oceans., 2014.

doi:10.1002/2013jc009321.

Scranton M.I. and Brewer P.G. Occurrence of methane in the near-surface waters of the western subtropical North-Atlantic, Deep Sea Res., 24, 127–138, 1977.

Spreen G., Kwok R., Menemenlis D. Trends in Arctic sea ice drift and role of wind forcing: 1992–2009 // Geophys. Res. Lett. 2011. 38. P. 1–14.

doi:10.1029/2011gl048970.

Stocker T., et al. (Eds.), IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013.

Thomas D.N. and Dieckmann G.S. Antarctic sea ice — a habitat for extremophiles. Science 295.5555, pp. 641, 2002.

Thornton B.F., Geibel M.C., Crill P.M., et al. Methane fluxes from the sea to the atmosphere across the Siberian shelf seas // Geophys. Res. Lett. 2016.

doi:10.1002/2016gl068977.