03.08.2021

Topnienie wiecznej zmarzliny uwalnia z głębin gaz cieplarniany


Skały węglanowe z Tajmyru na Syberii emitujące metan, fot. Dmitrij Zastrozhnov

Po lewej stronie: Zdjęcie satelitarne północnej Syberii. Dwa obszary wapienia paleozoicznego zaznaczono żółtymi przerywanymi liniami. U góry po prawej: Satelitarnie zmierzona koncentracja metanu w maju 2020 r.; na dole po prawej: w sierpniu 2020 r. © N. Froitzheim & D. Zastrozhnov, z wykorzystaniem danych GHGS z (https://pulse.ghgsat.com/)

Dotychczasowe prognozy wykazywały, że gazy cieplarniane pochodzące z topnienia wiecznej zmarzliny do 2100 r. przyczynią się „jedynie” o około 0,2°C do globalnego ocieplenia. To założenie będzie musiało być teraz zweryfikowane. Przesłanki ku temu dają badania przeprowadzone przez prof. Jarosława Majkę z AGH, prof. Nikolausa Froitzheima z Uniwersytetu w Bonn oraz dr. Dmitrija Zastrozhnova z Rosyjskiego Geologicznego Instytutu Badawczego z Sankt Petersburga.

Po fali upałów w 2020 r. wzrosła koncentracja metanu atmosferycznego na Syberii. Do takich wniosków doszedł zespół badaczy. Geolodzy porównali przestrzenny oraz czasowy rozkład koncentracji metanu atmosferycznego w północnej Syberii z mapami geologicznymi. Naukowcy dowodzą, że koncentracje metanu atmosferycznego po zeszłorocznej fali upałów wskazują, że zwiększona emisja gazów pochodziła z formacji wapiennych. Wyniki badania opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk. Wnioski z badań nasuwają kolejne pytania, m.in. dotyczącego tego jakie skutki dla klimatu na świecie będzie miała fala upałów na Syberii z zeszłego roku.

Trwale zamarznięte gleby wiecznej zmarzliny obejmują duże obszary półkuli północnej, w szczególności, północnej Azji oraz Ameryki Północnej. Jeśli dojdzie do ich topnienia, może to stanowić zagrożenie, albowiem podczas topnienia uwalniany jest CO2 i metan, a to potęguje efekt gazów cieplarnianych pochodzenia antropogenicznego.
Metan jest tu szczególnie niebezpieczny, ponieważ jego potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest wielokrotnie wyższy niż CO2 – wyjaśnia prof. dr Nikolaus Froitzheim z Instytutu Nauk o Ziemi Uniwersytetu w Bonn.

Prof. Jarosław Majka z Katedry Mineralogii, Petrografii i Geochemii na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska podkreśla:
Nasze obserwacje emisji metanu termogenicznego nabierają szczególnego znaczenia, gdyż dotychczasowe modele uwzględniały jedynie metan pochodzenia mikrobiologicznego z topniejącej wiecznej zmarzliny. Fala gorąca, która dotknęła Syberię, może się powtórzyć w innych rejonach polarnych, w których występują podobne skały. Dotyczy to na przykład północno-zachodniej części Alaski, Wyspy Baffina czy choćby Spitsbergenu, gdzie geolodzy naszej uczelni prowadzą badania od wczesnych lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Jeśli postawiona przez nas hipoteza jest poprawna, to tego typu emisje w istotny sposób mogą wpływać na globalne zmiany klimatyczne.

Większość wcześniejszych badań dotyczyła jedynie emisji pochodzących z rozkładu szczątków roślinnych i zwierzęcych zalegających w glebach wiecznej zmarzliny. Obecne badania prowadzone pod kierunkiem prof. Nikolausa Froitzheima skupiają się na porównaniu koncentracji metanu atmosferycznego na Syberii, uzyskane za pomocą spektroskopii satelitarnej, z mapami geologicznymi. Naukowcy odkryli znacznie podwyższone koncentracje w dwóch obszarach północnej Syberii – pasie fałdowym Tajmyr i obrzeżu tarczy syberyjskiej. Istotne odnośnie tych dwóch rozległych obszarów jest ich podłoże, które tworzą formacje wapienne z epoki paleozoicznej (okres od około 541 milionów lat temu do około 251,9 milionów lat temu).

Prof. Jarosław Majka dodaje:
Nasza praca jest przykładem interdyscyplinarnego podejścia do zagadnienia emisji metanu z topniejącej wiecznej zmarzliny. Tylko dzięki solidnemu wykształceniu w zakresie geologii, potrafiliśmy szybko powiązać pozornie bardzo odległe zjawiska, czyli podwyższone koncentracje metanu w atmosferze oraz budowę geologiczną, obejmującą występowanie skał zawierających hydraty metanu. W dalsze badania są już jednak zaangażowani klimatolodzy. Taki dialog naukowy pozwoli nam na pogłębianie wiedzy dotyczącej roli termogenicznego metanu w procesach zachodzących w atmosferze oraz ilościowe doprecyzowanie wielkości przyszłych emisji tego ważnego gazu cieplarnianego.

W obu obszarach Syberii podwyższone koncentracje pojawiły się podczas rekordowej fali upałów latem 2020 r. i utrzymywały się przez kolejne miesiące.
Na obserwowanych obszarach warstwy gleby są bardzo skąpe, prawie nieistniejące, co sprawia, że ​​emisja metanu z rozpadu materii organicznej w glebie jest mało prawdopodobna – wyjaśnia prof. Nikolaus Froitzheim. Profesor oraz jego współpracownicy sugerują zatem, że pustki i szczeliny wapienia, które zostały zatkane mieszaniną lodu i hydratu gazu, w wyniku ogrzania stały się przepuszczalne. – W rezultacie gaz ziemny będący głównie metanem ze zbiorników wewnątrz i poniżej wiecznej zmarzliny może docierać na powierzchnię Ziemi – mówi Nikolaus Froitzheim.

Naukowcy planują zbadać tę hipotezę, przeprowadzając pomiary oraz obliczenia modelowe sprawdzające ile i jak szybko może zostać uwolniony gaz ziemny.
Szacowane ilości gazu ziemnego pod powierzchnią północnej Syberii są ogromne. Kiedy przy topnieniu wiecznej zmarzliny część zostanie wyemitowana do atmosfery, może to mieć dramatyczny wpływ na i tak już przegrzany klimat na świecie – podkreśla Nikolaus Froitzheim.

Instytucje uczestniczące w badaniach

  • prof. Nikolaus Froitzheim, Uniwersytet w Bonn (lider badań)
  • prof. Jarosław Majka, Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska oraz Uniwersytet w Uppsali
  • dr Dmitry Zastrozhnov, Rosyjski Geologiczny Instytut Badawczy im. A.P. Karpińskiego (VSEGEI) z Sankt Petersburga

Publikacje

Nikolaus Froitzheim, Jaroslaw Majka, Dmitry Zastrozhnov: Methane release from carbonate rock formations in the Siberian permafrost area during and after the 2020 heat wave. PNAS