Таинственные кратеры, которые впервые появились в вечной мерзлоте Сибири десять лет назад, были вызваны изменениями давления, вызванными изменением климата, которые взрывообразно высвободили замороженный под землей метан, сообщает новое исследование. Исследование предлагает новый взгляд на происхождение кратеров, впервые обнаруженных на российском полуострове Ямал в 2014 году. Оно было опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.
Новое исследование показало, что необычная геология региона в сочетании с потеплением климата дали толчок процессу, который привел к высвобождению метана из гидратов метана в вечной мерзлоте.
«Существуют очень, очень специфические условия, которые позволяют этому явлению произойти», — сказала Ана Моргадо, инженер-химик из Кембриджского университета и один из авторов исследования. «Мы говорим об очень узкоспециализированном геологическом пространстве».
Полуостров Ямал — низменный массив суши, вдающийся в Карское море с северо-центральной части России. В 2014 году появились сообщения о кратере, диаметром около 70 метров в самой широкой точке, который внезапно появился в вечной мерзлоте. В течение последующего десятилетия на полуострове Ямал и близлежащем Гыданском полуострове были обнаружены другие кратеры.
За последние 10 лет появилось много объяснений происхождения кратеров, которые связывают взрывы с накоплением метана под землей из-за таяния вечной мерзлоты или с близостью кратеров к месторождениям природного газа.
Но авторы обнаружили, что одного только потепления вечной мерзлоты будет недостаточно, чтобы вызвать взрыв. Новое объяснение гласит, что поверхностное потепление приводит к быстрому изменению давления глубоко под землей, вызывая выброс взрывоопасного метанового газа.
«Мы знали, что что-то заставляет слой гидрата метана разлагаться», — сказал Моргадо. «Это немного похоже на детективную работу».
Исследователи решили головоломку снизу вверх, сначала рассмотрев простой вопрос: были ли взрывы вызваны физическими или химическими процессами?
«Есть только два способа вызвать взрыв», — сказал Хулиан Картрайт, геофизик из Испанского национального исследовательского совета и один из авторов исследования. «Либо происходит химическая реакция, и происходит взрыв, как при взрыве динамита, либо вы накачиваете шину велосипеда, пока она не взорвется — это физика».
В этом случае, сказал он, нет никаких доказательств того, что взрывы были вызваны химическими реакциями, поэтому у них должен был быть физический источник. «И тогда вы должны думать, что это за насос, который накачивает шину вашего велосипеда?» - сказал он.
Авторы говорят, что насосом был осмос, то есть то, как жидкость движется, чтобы уравнять концентрацию растворенных в ней веществ. Соленая вода — классический пример. Если существует барьер, который пропускает воду, но не соль, давление может нарастать на соленой стороне, когда вода течет к ней.
Толстая глинистая вечная мерзлота полуострова Ямал действует как осмотический барьер, и потепление меняет ее. Этот слой толщиной от 180 до 300 метров остается постоянно замороженным в течение всего года. «Активный слой» верхнего слоя почвы над ним оттаивает и замерзает сезонно.
В тундре и в вечной мерзлоте разбросаны необычные, метровой толщины слои незамерзшей, высокосоленой воды, называемые криопэгами, которые поддерживаются в жидком состоянии за счет сочетания давления и солености. Под криопэгами находится слой кристаллизованных твердых веществ метан-вода, называемых гидратами метана, которые поддерживаются в стабильном состоянии за счет высокого давления и низкой температуры.
Но более высокие температуры дестабилизируют эти слои. Изменение климата привело к таянию активного слоя и его расширению вниз, пока он не достигнет криопэга, высвобождая воду, которая перемещается через осмотическое давление в криопэг, обнаружили исследователи.
Но в криопэге недостаточно места для удержания дополнительной талой воды, нагнетаемой осмосом, поэтому давление растет. Растущее давление создает трещины в почве, которые движутся вверх от криопэга к поверхности. Затем градиент давления меняет направление: растрескавшаяся почва вызывает внезапное падение давления на глубине. Это изменение давления повреждает гидраты метана под криопэгом, что приводит к высвобождению метанового газа и физическому взрыву.
Исследование показало, что подготовка к взрыву может длиться десятилетиями. Эта временная шкала совпадает с усилением потепления климата, начавшимся в 1980-х годах.
Новое объяснение основано на том, как потепление климата и геология региона взаимодействуют, вызывая взрывы, которые уникальны для полуострова Ямал.
«Это может быть очень редким явлением», — сказал Моргадо. «Но количество выбрасываемого метана может оказать довольно большое влияние на глобальное потепление».
