Введение
Метеорологическая гипотеза Гипотеза о клатратном орудии - это предложенное объяснение периодов быстрого потепления во время четвертичного периода. Гипотеза заключается в том, что изменения потоков в верхних промежуточных водах в океане вызвали колебания температуры, которые поочередно накапливали и иногда выделяли метанклатрат на верхних континентальных склонах. Это могло бы иметь непосредственное влияние на глобальную температуру, поскольку метан является гораздо более мощным парниковым газом, чем углекислый газ. Несмотря на то, что срок жизни метана в атмосфере составляет около 12 лет, потенциал глобального потепления метана в 72 раза больше, чем углекислого газа в течение 20 лет, и в 25 раз больше, чем у у углекислого газа в течение 100 лет (33 раза, если учитывать взаимодействие аэрозолей). Далее предлагается, чтобы эти события потепления вызвали циклы Бондов и отдельные межстадийные события, такие как межстадийные события Dansgaard Oeschger. Гипотеза была поддержана для потепления BøllingAllerød и преборейных периодов, но не для межстадий DansgaardOeschger, хотя по этому вопросу все еще ведутся дебаты. Хотя это может быть важно в тысячелетних масштабах,
The clathrate gun hypothesis is a proposed explanation for the periods of rapid warming during the Quaternary. The hypothesis is that changes in fluxes in upper intermediate waters in the ocean caused temperature fluctuations that alternately accumulated and occasionally released methane clathrate on upper continental slopes. This would have had an immediate impact on the global temperature, as methane is a much more powerful greenhouse gas than carbon dioxide. Despite its atmospheric lifetime of around 12 years, methane's global warming potential is 72 times greater than that of carbon dioxide over 20 years, and 25 times over 100 years (33 when accounting for aerosol interactions). It is further proposed that these warming events caused the Bond Cycles and individual interstadial events, such as the Dansgaard–Oeschger interstadials. The hypothesis was supported for the Bølling–Allerød warming and Preboreal periods, but not for Dansgaard–Oeschger interstadials, although there are still debates on the topic. While it may be important on the millennial timescales,
Механизм
Метановый клатрат, также известный как гидрат метана, представляет собой форму водяного льда, который содержит большое количество метана в своей кристаллической структуре. Потенциально большие отложения метанклатрата были обнаружены под осаждениями на океанском дне Земли, хотя оценки общего размера ресурса, данные различными экспертами, различаются на многие порядки величины, оставляя сомнения относительно размера отложений метанклатрата (особенно в жизнеспособности их извлечения в качестве топливного ресурса). Действительно, ядра с непрерывной глубиной более 10 сантиметров были найдены только в трех местах по состоянию на 2000 год, и некоторые оценки размера ресурсных резервов для конкретных месторождений / мест были основаны в основном на сейсмологии. Внезапное высвобождение большого количества природного газа из месторождений метанклатрата в результате безудержного изменения климата может стать причиной прошлых, будущих и нынешних климатических изменений. В Северном Ледовитом океане клатраты могут существовать в мелководье, стабилизированном более низкими температурами, а не более высоким давлением; они могут быть потенциально незначительно стабильными гораздо ближе к поверхности морского дна, стабилизированными замерзшей "крышкой" вечной мерзлоты, предотвращающей утечку метана. Так называемый феномен самосохранения изучался российскими геологами с конца 1980-х годов. Это метастабильное состояние клатрата может быть основой для выбросов метана, например, в период последнего ледникового максимума. Исследование 2010 года пришло к выводу о возможности запуска резкого потепления климата на основе метастабильных клатратов метана в регионе Восточно-Сибирского арктического шельфа (ESAS).
Возможные прошлые релизы
[[Файл:Залежи газогидратов по секторам. Хотя периоды повышенного атмосферного метана совпадают с периодами провала континентального склона, хотя во время последнего оледенения произошли крупные события диссоциации, при этом потепление BøllingAllerød вызвало исчезновение всего метанового гидрата в Баренцевом море в течение 5000 лет, эти события не смогли противодействовать наступлению крупного периода охлаждения Younger Dryas, предполагая, что большая часть метана осталась в морской воде после освобождения из отложений морского дна, с очень небольшим количеством в атмосферу. В 2008 году было высказано предположение, что метановый клатрат экваториальной вечной мерзлоты мог сыграть роль в внезапном потеплении "Снежной Земли" 630 миллионов лет назад. Другие события, потенциально связанные с выбросами гидрата метана, - это пермское-триасовое вымирание и палеоценовый-эоценовый теплый максимум.
Современные депозиты
Большинство отложений клатрата метана находятся в осаждениях, которые слишком глубоки, чтобы быстро реагировать, и моделирование 2007 года Арчером предполагает, что вытекающее из них вытеснение метана должно оставаться незначительным компонентом общего парникового эффекта. Клатратные отложения дестабилизируются в самой глубокой части зоны стабильности, которая обычно находится на сотни метров ниже морского дна. Устойчивое повышение температуры моря со временем проложит себе путь через осадок и вызовет начало распада самого мелкого, самого маргинального клатрата; но обычно для изменения температуры на морском дне требуется тысяча лет или больше. Однако некоторые месторождения клатратов метана в Арктике гораздо мельче, чем остальные, что может сделать их гораздо более уязвимыми к потеплению. Залегающее месторождение газа на континентальном склоне у Канады в море Бофорта, расположенном в районе небольших конических холмов на дне океана, находится чуть ниже уровня моря и считается самым мелким известным месторождением гидрата метана. Однако восточно-сибирский арктический шельф имеет в среднем 45 метров глубины, и предполагается, что под морским дном, запечатанным подводными слоями вечной мерзлоты, находятся залежи гидратов. Это означает, что когда потепление потенциально талик или пинг-подобные особенности внутри шельфа, они также будут служить в качестве газовых путей миграции для ранее замороженного метана, и много внимания было уделено этой возможности. Шахова и др. (2008) оценивают, что не менее 1400 гигатонн углерода в настоящее время заперты в виде метана и гидратов метана под арктической подводной вечной мерзлотой, и 5-10% этой площади подвергается пробоинам открытым таликом. В их статье изначально была включена строка, что "выброс до 50 гигатонн предсказанного количества гидрата [вполне] возможен для внезапного выброса в любое время". Выброс в таком масштабе увеличит содержание метана в атмосфере планеты в дванадцать раз, что эквивалентно в парниковом эффекте удвоению уровня 2008 года. Это привело к первоначальной гипотезе о пушке клатрата, а в 2008 году система Национальной лаборатории Министерства энергетики США и Научная программа по изменению климата Геологической службы США обоих определили потенциальную дестабилизацию клатрата в Арктике как один из четырех самых серьезных сценариев резкого изменения климата, которые были выделены для приоритетных исследований. В конце декабря 2008 года USCCSP опубликовал отчет, в котором оценивается серьезность этого риска. В 2012 году исследование эффектов первоначальной гипотезы, основанное на модели связанного климатического цикла углерода (GCM), оценило увеличение метана в 1000 раз (от <1 до 1000 ppmv) в течение одного импульса от гидратов метана (на основе оценок количества углерода для PETM, с ~ 2000 GtC), и пришло к выводу, что это увеличит температуру атмосферы более чем на 6 ° C в течение 80 лет. Кроме того, углерод, хранящийся в биосфере, уменьшится менее чем на 25%, что указывает на критическую ситуацию для экосистем и сельского хозяйства, особенно в тропиках. Другая оценка литературы в 2012 году определяет гидраты метана на шельфе восточных арктических морей как потенциальный триггер. Также рассматривался риск сейсмической активности, потенциально ответственной за массовые выбросы метана. В 2012 году сейсмические наблюдения, дестабилизирующие гидрат метана вдоль континентального склона восточных Соединенных Штатов, после вторжения более теплых океанских течений, позволяют предположить, что подводные оползни могут выпустить метан. Оценочное количество гидрата метана на этом склоне составляет 2,5 гигатонны (около 0,2% от количества, необходимого для возникновения ПЭТМ), и неясно, сможет ли метан достичь атмосферы. Однако авторы исследования предупреждают: "Вряд ли западная часть Северной Атлантики - единственная область, где меняются океанские течения; поэтому, по нашим оценкам, 2,5 гигатонны дестабилизирующего гидрата метана могут представлять собой лишь часть дестабилизирующего гидрата метана, который в настоящее время присутствует во всем мире". Билл МакГайр отмечает: "Возможно, существует угроза подводных оползней на побережье Гренландии, которые менее изучены. Гренландия уже поднимается, снижая давление на кору под ней, а также на подводные гидраты метана в осадочных породах вокруг ее границ, и повышенная сейсмическая активность может быть очевидна в �...
However, some methane clathrates deposits in the Arctic are much shallower than the rest, which could make them far more vulnerable to warming. A trapped gas deposit on the continental slope off Canada in the Beaufort Sea, located in an area of small conical hills on the ocean floor is just below sea level and considered the shallowest known deposit of methane hydrate. However, the East Siberian Arctic Shelf averages 45 meters in depth, and it is assumed that below the seafloor, sealed by sub sea permafrost layers, hydrates deposits are located. This would mean that when the warming potentially talik or pingo like features within the shelf, they would also serve as gas migration pathways for the formerly frozen methane, and a lot of attention has been paid to that possibility. Shakhova et al. (2008) estimate that not less than 1,400 gigatonnes of carbon is presently locked up as methane and methane hydrates under the Arctic submarine permafrost, and 5–10% of that area is subject to puncturing by open talik. Their paper initially included the line that the "release of up to 50 gigatonnes of predicted amount of hydrate storage [is] highly possible for abrupt release at any time". A release on this scale would increase the methane content of the planet's atmosphere by a factor of twelve, equivalent in greenhouse effect to a doubling in the 2008 level of
This is what led to the original Clathrate gun hypothesis, and in 2008 the United States Department of Energy National Laboratory system and the United States Geological Survey's Climate Change Science Program both identified potential clathrate destabilization in the Arctic as one of four most serious scenarios for abrupt climate change, which have been singled out for priority research. The USCCSP released a report in late December 2008 estimating the gravity of this risk. A 2012 study of the effects for the original hypothesis, based on a coupled climate–carbon cycle model (GCM) assessed a 1000 fold (from <1 to 1000 ppmv) methane increase—within a single pulse, from methane hydrates (based on carbon amount estimates for the PETM, with ~2000 GtC), and concluded it would increase atmospheric temperatures by more than 6 °C within 80 years. Further, carbon stored in the land biosphere would decrease by less than 25%, suggesting a critical situation for ecosystems and farming, especially in the tropics. Another 2012 assessment of the literature identifies methane hydrates on the Shelf of East Arctic Seas as a potential trigger. A risk of seismic activity being potentially responsible for mass methane releases has been considered as well. In 2012, seismic observations destabilizing methane hydrate along the continental slope of the eastern United States, following the intrusion of warmer ocean currents, suggests that underwater landslides could release methane. The estimated amount of methane hydrate in this slope is 2.5 gigatonnes (about 0.2% of the amount required to cause the PETM), and it is unclear if the methane could reach the atmosphere. However, the authors of the study caution: "It is unlikely that the western North Atlantic margin is the only area experiencing changing ocean currents; our estimate of 2.5 gigatonnes of destabilizing methane hydrate may therefore represent only a fraction of the methane hydrate currently destabilizing globally." Bill McGuire notes, "There may be a threat of submarine landslides around the margins of Greenland, which are less well explored. Greenland is already uplifting, reducing the pressure on the crust beneath and also on submarine methane hydrates in the sediment around its margins, and increased seismic activity may be apparent within decades as active faults beneath the ice sheet are unloaded. This could provide the potential for the earthquake or methane hydrate destabilisation of submarine sediment, leading to the formation of submarine slides and, perhaps, tsunamis in the North Atlantic."
Восточно-Сибирский арктический шельф
[[Файл:Puglini 2020 laptev. Метанотрофы обычно потребляют выбросы метана в осадочных породах. В районах с высоким уровнем осаждения (вверху) микробы постоянно нарушаются, поэтому в них наиболее вероятно наблюдать активные потоки, будь то с активным восходящим потоком (справа) или без него (слева). Тем не менее, ежегодный выброс может быть ограничен 1000 тоннами или меньше. Избыток метана был обнаружен в локализованных горячих точках в устье реки Лена и на границе между Лаптевским морем и Восточно-Сибирским морем. В то время считалось, что часть таяния является результатом геологического нагрева, но большее таяние, как полагают, связано с значительно увеличенными объемами талой воды, выделяемой из сибирских рек, протекающих на север. К 2013 году та же команда исследователей использовала несколько сонарных наблюдений для количественного определения плотности пузырьков, исходящих из подводной вечной мерзлоты в океан (процесс, называемый кипячением), и обнаружила, что 100630 мг метана на квадратный метр ежедневно выделяется вдоль Восточно-Сибирского арктического шельфа (ESAS), в водной колонке. Они также обнаружили, что во время штормов, когда ветер ускоряет обмен воздушных морских газов, уровень метана в водном столбе резко падает. Наблюдения показывают, что выброс метана из морского дна будет прогрессировать медленно, а не резко. Однако арктические циклоны, вызванные глобальным потеплением, и дальнейшее накопление парниковых газов в атмосфере могут способствовать более быстрому выбросу метана из этого источника. В целом, их обновленная оценка теперь составляла 17 миллионов тонн в год. Однако эти результаты вскоре были поставлены под сомнение, поскольку эта годовая скорость выбросов означала бы, что на долю одного только ESAS приходится от 28% до 75% наблюдавшихся выбросов метана в Арктике, что противоречит многим другим исследованиям. В январе 2020 года было установлено, что скорость попадания метана в атмосферу после его выброса из отложений на шельфе в водной колонке была значительно завышена, и наблюдения за атмосферными потоками метана, взятыми из нескольких круизов судов в Арктике, вместо этого показывают, что только около 3,02 миллиона тонн метана выделяется ежегодно из ESAS. В моделирующем исследовании, опубликованном в 2020 году, было высказано предположение, что в современных условиях ежегодный выброс метана из ESAS может составлять всего 1000 тонн, при этом 2,6 - 4,5 миллиона тонн представляют собой пиковый потенциал турбулентных выбросов с шельфа.
Континентальный склон моря Бофорта
Профиль, иллюстрирующий континентальный шельф, наклон и подъём. Исследование радиоуглеродного датирования в 2018 году показало, что после 30-метровой изобаты только около 10% метана в поверхностных водах можно отнести к древней вечной мерзлоте или гидратам метана. Авторы предполагают, что даже значительно ускоренный выброс метана все равно в значительной степени не достигнет атмосферы.
A radiocarbon dating study in 2018 found that after the 30 meter isobath, only around 10% of the methane in surface waters can be attributed to ancient permafrost or methane hydrates. The authors suggested that even a significantly accelerated methane release would still largely fail to reach the atmosphere.
Шпицберген
Хонг и другие. В 2017 году были изучены утечки метана в мелководье Арктики в Баренцевом море недалеко от Шпицбергенов. Температура на морском дне колебалась сезонно в течение последнего столетия, между и , это только повлияло на выброс метана на глубину около 1,6 метров на интерфейсе осадочной воды. Гидраты могут быть стабильными на верхних 60 метрах отложений, а текущие наблюдаемые выбросы происходят из глубже под морским дном. Они пришли к выводу, что увеличение потока метана началось сотни или тысячи лет назад, отметив, что это "эпизодическая вентиляция глубоких резервуаров, а не разделение газогидратов, вызванное потеплением". Резюмируя свои исследования, Хонг заявил: Выбросы метана, специально связанные с диссоциацией гидратов на Шпицбергене, намного ниже, чем утечки из других источников метана. Кроме того, в другой статье, опубликованной в 2017 году, было обнаружено, что только 0,07% метана, выделяемого при диссоциации газогидратов на Шпицбергене, по-видимому, достигает атмосферы, и обычно только тогда, когда скорость ветра была низкой. В 2020 году последующее исследование подтвердило, что только небольшая часть метана из сливов на Шпицбергене достигает атмосферы, и что скорость ветра оказывает большее влияние на скорость выброса, чем концентрация растворенного метана на месте. В 2017 году в одной из статей было отмечено, что выбросы метана, по крайней мере, из одного просачивающегося месторождения на Шпицбергене, были более чем компенсированы увеличением поглощения углекислого газа в результате значительного увеличения активности фитопланктона в этой богатой питательными веществами воде. Суточное количество углекислого газа, поглощаемого фитопланктоном, было в 1900 раз больше, чем количество выделяемого метана, а отрицательное (т.е. косвенное охлаждение) радиационное воздействие от поглощения CO2 было в 251 раз больше, чем потепление от выброса метана.
[[File:Wallmann 2018 methane fluxes. jpg|thumb|Methane releases specifically attributed to hydrate dissociation in the Svalbard appear to be much lower than the leaks from other methane sources. Moreover, another paper published in 2017 found that only 0.07% of the methane released from the gas hydrate dissociation at Svalbard appears to reach the atmosphere, and usually only when the wind speeds were low. In 2020, a subsequent study confirmed that only a small fraction of methane from the Svalbard seeps reaches the atmosphere, and that the wind speed holds a greater influence on the rate of release than dissolved methane concentration on site. Finally, a paper published in 2017 indicated that the methane emissions from at least one seep field at Svalbard were more than compensated for by the enhanced carbon dioxide uptake due to the greatly increased phytoplankton activity in this nutrient rich water. The daily amount of carbon dioxide absorbed by the phytoplankton was 1,900 greater than the amount of methane emitted, and the negative (i. e. indirectly cooling) radiative forcing from the CO2 uptake was up to 251 times greater than the warming from the methane release.
Текущие перспективы
В 2014 году, основываясь на своих исследованиях северных морских континентальных полей Атлантического океана США от мыса Хаттерас до Джорджа Банка, группа ученых из Геологической службы США, Департамента геологических наук, Университета штата Миссисипи, Департамента геологических наук, Университета Брауна и Технологии ресурсов Земли, обнаружила широко распространенную утечку метана с морского дна, но они не назначили конкретные даты, помимо того, что некоторые из просачиваний были более 1000 лет. В марте 2017 года метаанализ проекта USGS Gas Hydrates Project пришел к следующему выводу: в июне 2017 года ученые из Центра по гидрату газа в Арктике (CAGE), окружающей среды и климату в Университете Тромсё опубликовали исследование, в котором описаны более ста кратеров океанических осадков шириной около 300 метров и глубиной до 30 метров, образовавшихся в результате взрывных извержений, вызванных дестабилизацией гидратов метана после отступления ледяного покрова в течение последнего ледникового периода, около 15 000 лет назад, через несколько столетий после потепления BøllingAllerød. Эти районы вокруг Баренцева моря, до сих пор просачивают метан сегодня, и все еще существующие выпуклости с метанными резервуарами могут в конечном итоге иметь ту же судьбу. Позже в том же году Арктический совет опубликовал доклад SWIPA 2017, в котором предупредил, что "арктические источники и поглотители парниковых газов по-прежнему затрудняются недостатками данных и знаний". В 2018 году в перспективной статье, посвященной переломным моментам в климатической системе, было предложено, что вклад гидратов метана в изменение климата будет "незначительным" к концу века, но может составить до 1000 лет. В 2021 году Шестой оценочный доклад МГЭИК больше не включал гидраты метана в список потенциальных переломных моментов и говорит, что "очень маловероятно, что выбросы CH4 от клатратов существенно разогреют климатическую систему в течение следующих нескольких столетий". но отметил, что поскольку наземные газовые гидраты в основном образуются на глубине менее 200 метров, существенный ответ в течение следующих нескольких столетий может быть исключен.
In June 2017, scientists from the Center for Arctic Gas Hydrate (CAGE), Environment and Climate at the University of Tromsø, published a study describing over a hundred ocean sediment craters, some 300 meters wide and up to 30 meters deep, formed due to explosive eruptions, attributed to destabilizing methane hydrates, following ice sheet retreat during the last glacial period, around 15,000 years ago, a few centuries after the Bølling–Allerød warming. These areas around the Barents Sea, still seep methane today, and still existing bulges with methane reservoirs could eventually have the same fate. Later that same year, the Arctic Council published SWIPA 2017 report, where it cautioned "Arctic sources and sinks of greenhouse gases are still hampered by data and knowledge gaps." In 2018, a perspective piece devoted to tipping points in the climate system suggested that the climate change contribution from methane hydrates would be "negligible" by the end of the century, but could amount to on the millennial timescales. In 2021, the IPCC Sixth Assessment Report no longer included methane hydrates in the list of potential tipping points, and says that "it is very unlikely that CH4 emissions from clathrates will substantially warm the climate system over the next few centuries." but noted that since terrestrial gas hydrates predominantly form at a depth below 200 metres, a substantial response within the next few centuries can be ruled out.
В художественной литературе
Научно-фантастический роман "Мать штормов" Джона Барнса предлагает вымышленный пример катастрофического изменения климата, вызванного выбросом клатрата метана. В книге "Лотерея жизни" Иэна Ирвина, беспрецедентная сейсмическая активность вызывает выброс гидрата метана, что приводит к глобальному похолоданию. Гипотеза является основой эксперимента в игре PlayStation 2 Death By Degrees. В "Трансценденте" Стивен Бакстер, предотвращение такого кризиса является главной сюжетной линией. В романе "Черный молчаник" Дэвида Данна эта идея представлена как ключевой научный момент. В аниме "Эрго Прокси" серия взрывов в запасах гидрата метана уничтожает 85% видов на Земле. В романе "Дальний берег времени" Фредерика Поля представлена инопланетная раса, пытающаяся уничтожить человечество, бомбя запасы клатрата метана, тем самым выпуская газ в атмосферу. В романе Фрэнка Шетцига "Общество" рассказывается о том, что сначала кажется странными событиями, связанными с мировыми океанами. В вселенной "Лаундри файлз" Чарльза Стросса сценарий преднамеренно запускаемого клатратного пистолета рассматривается как возможная стратегия возмездия, которую может использовать Голубой ад в ответ на терминальное нарушение Бентового договора.