Многоликий метан: второй по значимости парниковый газ

Природный газ – это кислород экономики, перекрывающий кислород экологии.

Л. С. Сухоруков – писатель, мастер афоризма

Упоминание о метане (CH4) у большинства людей обычно ассоциируется со взрывами и человеческими жертвами на угольных шахтах. «Явление метана народу», т. е. атмосфере, происходит по многим каналам. В их череде «шумный» выход метана на поверхность по стволам угольных шахт – канал, пожалуй, самый эпатажный, но совершенно не типичный. Как вскоре убедится читатель, метан предпочитает просачиваться в атмосферу без лишнего шума, тихой сапой. Между тем данные измерений свидетельствуют о том, что с начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) содержание в атмосфере метана увеличилось в 2,5 раза (для сравнения: концентрация CO₂ за тот же период возросла примерно на 30 %).

Повышенного внимания к себе метан заслужил благодаря его сегодняшнему вкладу в усиление парникового эффекта, оцениваемому в 20 %. Конечно, это не 60 %, вносимые углекислым газом, но, согласитесь, тоже немало – «твердое» второе место.

Замахнуться на гегемонию CO₂ в обозримом будущем ему едва ли по силам, но тем не менее…

Молекула СН₄ (рис. 17) в десятки раз эффективнее поглощает инфракрасное излучение, чем молекула CO₂. Главенствущая же роль последнего достигается лишь тем, что количество молекул углекислого газа в атмосфере примерно в 200 раз превышает число молекул метана. Но поскольку концентрация СН₄ в индустриальную эпоху росла гораздо быстрее концентрации CO₂, очевидно, что при сохранении существующей тенденции уже в недалеком будущем вклад метана в усиление парникового эффекта будет еще более весомым.

Чтобы сократить темпы глобального потепления, резонно попытаться замедлить рост концентрации этого газа (как, впрочем, и других парниковых газов) в атмосфере. В этой связи насущно необходимо познакомиться с ним поближе.

Рис. 17. Шаростержневая модель молекулы метана

Содержание всякого газа в атмосфере определяется соотношением мощности его источников и стоков (т. е. разрушения в атмосферных химических реакциях и – для некоторых газов – вымывания осадками), а срок пребывания в атмосфере (время жизни) – совокупной скоростью его химического разрушения и механического удаления из атмосферы.

Атмосферная химия метана очень проста и не составляет какой‑либо загадки. Молекулы метана не обладают высокой реактивной способностью и взаимодействуют лишь с очень активными радикалами гидроксила ОН* и атомами хлора Cl, а также возбужденного кислорода О(¹D). В тропосфере разрушение СН₄ происходит главным образом в реакции с ОН* (на ~90 %), однако в верхней стратосфере (выше 35 км) с ней успешно конкурирует реакция метана с атомарным хлором. Доля реакции СН₄ с О(¹D) в фотохимическом стоке метана относительно невелика. Разрушение молекул СН₄ солнечными лучами (фотолиз), происходящее в верхней стратосфере, столь незначительно, что в расчетах им часто пренебрегают. Кроме того, метан поглощается почвами в сухих субтропических лесах со скоростью большей, чем во влажных умеренных и тропических.

В результате молекула СН₄, по разным оценкам, живет в атмосфере 8–12 лет.

Рис. 18. Характерное содержание метана, ppbv (parts per billion by volume, 10^–9 молекул на молекулу воздуха). В стратосфере разрушение метана гидроксилом приводит к образованию другого важного парникового газа – водяного пара

Химическим путем метан не образуется, поскольку для синтеза его молекул необходимо большое количество энергии. Поэтому атмосферные источники СН₄ отсутствуют, и поступление метана в атмосфере полностью определяется его потоками с поверхности Земли (рис. 18). Метан возникает и накапливается в недрах Земли в среде, где гниение отмершей растительности происходит при дефиците свободного кислорода. Таким образом, среди источников метана преобладают микробиологические процессы с участием анаэробных метанобразующих бактерий:

Молекулярный водород (Н2) для осуществления этой реакции выделяется бактериями, не синтезирующими метан, но развивающимися в той же самой среде, что и метаногены. Метан продуцируют также жвачные млекопитающие (в первую очередь, крупный рогатый скот), в кишечнике которых создаются оптимальные условия для существования выделяющих метан микроорганизмов. По оценке Н. М. Бажина[14], «продуктивность» одной коровы составляет 250 л СН₄ (целая бочка!) в сутки.

Все источники метана обычно делят на две большие группы: естественные и антропогенные. К первым относят потоки СН₄ с поверхности заболоченных территорий, пресноводных водоемов, океанической поверхности, а также метан, образующийся в колониях термитов и выделяемый при сжигании огромных объемов биомассы в результате пожаров.

Здесь необходимо небольшое отступление. Определение суммарного количества метана, поступающего в атмосферу от каждого из источников, – несомненно, важная, но вряд ли решаемая инструментальными средствами задача. Поток СН₄, например, с поверхности заболоченных территорий, существенно зависит от температуры поверхности, типа болота (торфяного, сфагнового и др.), характера растительности и ее плотности, наличия или отсутствия воды на поверхности и других факторов. Поскольку заболоченные территории встречаются довольно часто (исключая полярные области), и каждой местности присущи свой климатический режим и своя растительность, величины потока СН₄ с разных увлажненных территорий будут заметно различаться, а организация регулярных измерений потока СН₄ в столь большом количестве мест практически неосуществима. Да и смешно представить каждую корову (лошадь, козу и пр.) с индивидуальным датчиком, замеры которого регулярно собирались бы и аккуратно архивировались. А поэтому мощность каждого источника метана определяется с помощью решения обратной задачи: подбирается значение, которое, будучи подставленным в модель, обеспечивало бы максимальное соответствие расчетных концентраций СН₄ измеренным. Естественно, получаемые оценки зависят от класса и особенностей используемой модели и заметно различаются у разных авторов. Обзор таких экспертных оценок и комментарии к ним приведены в Scientific Assessment of Ozone Depletion, 1994 [15]. Далее мы воспользуемся именно этим источником. Давность указанной публикации не должна смущать читателя. Несомненно, за почти 20 лет, прошедших с момента ее выхода в свет, приведенные оценки как‑то изменились, однако с абсолютной уверенностью можно утверждать, что они не вышли за рамки разброса приведенных в этом обзоре значений. В такой ситуации мы не ставим перед собой задачу сообщить читателю «последние известия с метаноносных полей» и призываем рассматривать приведенные ниже числа лишь для получения представления о порядке величины отдельных источников и соотношении между ними. Однако вернемся к обсуждению существующих источников метана.

Среди естественных источников метана наиболее интенсивен поток СН₄ с поверхности заболоченных территорий. Его величина оценивается экспертами в 110 Мт/год (1 Мт = 10⁶ т) с разбросом значений от 55 до 150 Мт/год, причем более половины (около 60 Мт/год) приходится на тропики, а на северные широты почти все оставшееся – 40 Мт/год. На порядок меньше поток с поверхности океана – 10 Мт/год и с пресноводных поверхностей – 5 Мт/год. Ежегодная производительность термитников оценивается в 20 Мт метана. Еще 40 Мт/год поступает в атмосферу в результате сгорания биомассы при пожарах, в большинстве своем происходящих в тропической зоне. Таким образом, ежегодно благодаря естественным источникам в атмосферу попадает около 200 Мт СН₄ (с разбросом оценок от 101 до 355 Мт/год) (рис. 19).

Рис. 19. Мировая эмиссия метана (Мт/год) от естественных (а) и антропогенных (б) источников

В число антропогенных источников входят потоки, попадающие в атмосферу при добыче ископаемого топлива, с мусорных свалок и при последующем сжигании бытовых отходов, очистке сточных вод, расширении сельскохозяйственных угодий (в том числе рисовых плантаций), при разведении крупного рогатого скота.

Совместные усилия угле‑, газо– и нефтедобывающих предприятий во всем мире увеличивают эмиссию метана в атмосферу на 100 Мт/год (в природном газе на его долю приходится 77–99 %, в попутных нефтяных – 31–90 %, в рудничном – 34–40 %). Из этих 100 Мт/год промышленной эмиссии примерно 47 дает добыча и сжигание угля, а 37 и 17 Мт/год соответственно – утечка из скважин и при транспортировке газа и нефти.

Подсчитано, что крупный рогатый скот продуцирует 80 Мт СН₄ в год. (В 2000 г. насчитывалось чуть больше 1 млрд голов, из них 314 млн – в Индии, 150 – в Бразилии, 130 – в Китае и около 100 млн – в США.)

Ежегодный поток СН₄ в атмосферу с рисовых плантаций оценивается в 60 Мт, еще около 30 Мт СН₄ в год попадает в атмосферу при других способах землепользования; при накоплении и переработке мусора – 57 Мт в год. Географическое распределение этих потоков напрямую зависит от экономического развития страны, численности и плотности населения, отчасти от национальных традиций. Примерно вдвое меньше, 25 Мт СН₄ в год, обеспечивает очистка сточных вод.

В итоге из антропогенных источников в атмосферу попадает около 360 Мт/год (от 259 до 537) СН₄ при общем его объеме в 560 Мт/год (от 360 до 892).

Следовательно, примерно ²/₃ глобальной эмиссии метана обусловлено деятельностью человека, хотя деление источников на антропогенные и естественные несколько условно – осушаются естественные болота, метан присутствует в продуктах жизнедеятельности не только домашних, но и диких травоядных животных.

Понятно, что основные источники метана размещаются в Северном полушарии, где находится подавляющее большинство экономически развитых государств. К тому же площадь суши, на которой в основном располагаются источники СН₄, здесь значительно больше, чем в Южном полушарии. А что же Россия? Сколь велик наш вклад в глобальную эмиссию метана?

В силу своего географического положения наша страна не является родиной термитов и рис – далеко не главный среди производимых в России зерновых. Поэтому российский вклад в эмиссию СН₄ складывается в основном из потоков метана с поверхности переувлажненных территорий (включая болота, открытые водоемы, тундру и т. д.), его утечек, сопутствующих добыче ископаемого топлива, а также метана, выделяемого в результате жизнедеятельности крупного рогатого скота и при утилизации мусора.

По оценкам, гниение и сжигание российского мусора увеличивает ежегодный поток метана примерно на 2,5 Мт.

В 1990‑х годах в России и странах СНГ резко сократилось количество крупного рогатого скота, и к 2000 г. в России насчитывалось лишь 27 млн голов (в 1991 г. в СССР – 57 млн). Как следствие, в данный период уменьшился и выброс СН₄, обусловленный этим источником: в 2000 г. он оценивался в 1,8 Мт/год. Из‑за экономического спада 1990‑х закрылись шахты в России, на Украине, в Казахстане, значительно сократилась добыча угля. Существующая на этот счет статистика весьма противоречива, что, конечно, осложнило расчеты, поэтому экспертные оценки имеют большой разброс – от 2,5 до 5 Мт СН₄ в год.

Как известно, Россия обладает огромными запасами природного газа, добыча которого – приоритетная отрасль ее экономики. Вопрос о необходимости оценки объема утечки газа неоднократно поднимался российскими и международными природоохранными организациями (по расчетам 1990‑х годов, в результате утечки в атмосферу может попадать от 1,42 до 17±13 Мт СН₄ в год).

По нашей оценке, эмиссия СН₄ от российских переувлажненных территорий, расположенных в поясе 30–60° с. ш., составляет около 21 Мт/год. Общие же выбросы СН₄ с территории России можно оценить в 40–45 Мт/год (рис. 20).

Рис. 20. Российские источники выбросов метана (Мт/год) в атмосферу: 1 – болота, тундра, открытые водоемы; 2 – газо– и нефтедобыча; 3 – угледобыча; 4 – мусор; 5 – крупный рогатый скот

Ввиду того, что молекула СН₄ живет в атмосфере 8– 12 лет, а на перемещение воздушных масс из одного полушария в другое достаточно нескольких месяцев, содержание метана в воздухе почти одинаково в разных уголках земного шара.

В частности, средняя концентрация СН₄ в Южном полушарии всего на 6 % ниже, чем в Северном, где, как уже отмечалось, расположены его основные источники. В связи с относительной химической пассивностью метана его содержание в атмосфере не подвержено заметным сезонным изменениям, которые не превышают нескольких процентов, причем самые низкие концентрации СН₄ приходятся на конец лета, а наибольшие – на зиму и весну. Исключение составляют северные высокие широты, там наблюдается резкое увеличение концентрации метана к осени, связанное с освобождением ото льда болотистых почв.

Анализ образцов из ледовых кернов, отобранных в Антарктиде и Гренландии, позволил проследить ход изменения концентрации СН₄ в атмосфере. Во время последнего ледникового максимума (18–20 тыс. лет назад) она составляла в нижней тропосфере 350 ppb (молекул метана на миллиард молекул воздуха), к 1850 г. возросла до 820 ppb, в 1950 г. – уже до 1180 ppb, в 1990 г. – 1694 ppb, в 2000 г. – 1752 ppb и в 2010 г. – около 1850 ppb (рис. 21).

Налицо беспрецедентно быстрый рост концентрации атмосферного метана за последние 60 лет – на 56,8 %.

Рис. 21. Среднегодовое по земному шару содержание метана в приземном воздухе

Как изменится содержание метана в атмосфере в будущем, ближайшем и отдаленном? Вопрос достаточно трудный, ответ на него зависит от множества объективных и субъективных факторов, главный из которых – наши недостаточные знания, в частности о механизме обмена метана между геосферами (недрами Земли, океаном, атмосферой). Например, до сих пор не объяснено наблюдавшееся в начале XX в. резкое, но непродолжительное замедление скорости роста его содержания в атмосфере. Другой важный фактор неопределенности будущего метана – стратегия национальных и мировой экономик, технических и технологических новаций. Так, англичане разработали и успешно внедряют методику консервирования закрытых шахт, надежно препятствующую проникновению метана в атмосферу. Голландцы начинают использовать технологии очистки коровников, предотвращающие утечку метана.

Рост населения ведет к увеличению потребности в продовольствии, а значит, грядет увеличение сельскохозяйственных площадей и поголовья скота. Но площади сельскохозяйственных угодий будут распределяться по‑разному, в зависимости от пищевых пристрастий и сбалансированности рациона тех или иных народов: где‑то будут увлажняться новые территории под овощеводство, где‑то – осушаться под зерновые. Но наряду с этим из‑за неумелой ирригации появятся новые болота.

Конечно, отказ от традиционных источников энергии – угля, газа, нефти – в пользу альтернативных, экологически более чистых, вряд ли реален в ближайшем будущем.

Наиболее вероятным представляется умеренный рост содержания метана в ближайшие десятилетия, что подтверждает Межправительственная группа экспертов по изменению климата, разработавшая 35 сценариев возможного изменения концентрации важнейших компонентов атмосферного воздуха. В этих сценариях рассмотрены последствия различных путей развития мировой экономики в XXI в., при этом в большинстве из них рост концентрации метана к 2050 г. оценивается в 40–50 %.

Остается открытым вопрос о глобальных запасах метана в газогидратах – кристаллических образованиях, скрытых под океанической толщей и ледяным покровом в зоне вечной мерзлоты. По немногочисленным измерениям, общее содержание СН₄ в поддонных отложениях в районе Мексиканского залива, в Северном Ледовитом и Тихом океанах оценивается в 1,3 · 10⁷ Мт, масса метана в арктических газовых гидратах – 10⁴–10⁷ Мт, а залежи СН₄ под ледяным покровом – в2,7·10⁶ Мт (правда, с возможной десятикратной (!) ошибкой).

Для сравнения: общее содержание метана в современной атмосфере оценивается примерно в 4600–5000 Мт, т. е. составляет всего несколько сотых процента от его глобальных запасов!

Иногда высказывается опасение (в основном в геологической периодике), что наблюдаемый и прогнозируемый рост температуры окружающей среды может стать причиной полного или частичного высвобождения метана из его резервуаров при изменении интенсивности обмена между донными и вышележащими слоями океана, а также таяния в зонах вечной мерзлоты. При повышении температуры на 1–1,5 °C в таких районах, занимающих ²/₃ территории России, приток метана может увеличиться на 100 млрд м³, или примерно на 70 Мт[16].

В недавней статье в журнале «Science» утверждается, что высвобождение метана из гидратов уже случалось 200 миллионов лет назад. Тогда, по мнению авторов статьи, в атмосферу было выброшено около 12 триллионов тонн СН₄, в результате последовал резкий рост температуры, вызвавший триасово‑юрское вымирание, унесшее примерно половину видов живых существ и «расчистившее» дорогу динозаврам.

Интерес к проблеме метана в ближайшие годы наверняка сохранится. Считается, что с помощью именно этого газа можно наиболее эффективно регулировать избыточный парниковый эффект. Действительно, на две трети антропогенная эмиссия СН₄ несравнимо более доступна для контроля, чем источники «гуляющего сам по себе» CO₂. К тому же полный цикл пребывания молекулы метана в атмосфере (8–12 лет) во много раз короче аналогичного для молекулы углекислого газа, а значит, результатов регулирования не придется ждать десятилетиями. Наконец, вклад СН₄ в усиление парникового эффекта – второй по значимости, и если нет возможности регулировать поведение лидера – CO₂, логично остановить свой выбор на метане.

Обеспокоенность продолжающимся глобальным потеплением и его вероятными последствиями – достаточный стимул для дальнейшей дискуссии вокруг парниковых газов среди ученых, журналистов, политиков. В этой связи Россия, как обладательница колоссальных запасов природного газа, одна из ведущих стран по добыче и экспорту нефти, изрядная часть площади которой занята переувлажненными территориями, неизбежно будет оставаться в центре всеобщего внимания.

Когда речь идет о метане, объектом для проведения любых исследований, как теоретических, так и с сугубо практическими целями, могут служить лишь данные натурных измерений, причем обязательно представленные в достаточном объеме. К сожалению, на территории России есть лишь несколько постоянно действующих станций, ориентированных на мониторинг парниковых газов, но отсутствует их разветвленная сеть. Безусловно, объективные трудности для создания такой сети существуют, например труднодоступность тех же болот на российском Крайнем Севере. Однако перспектива участия России в ближайшем будущем в новых международных природоохранных проектах вызывает необходимость в систематическом мониторинге парниковых газов на достаточно густой сети станций и анализе всей поступающей информации в режиме онлайн.

Подводя черту в разговоре о метане, отметим, что главная неопределенность в наших знаниях о нем кроется в невозможности удовлетворительно оценить запасы этого газа в недрах Земли и океана, а также в недостаточной осведомленности о механизмах обмена метаном между атмосферой и другими составляющими климатической системы нашей планеты.

В то же время именно метан видится специалистам «слабым звеном», через которое можно регулировать избыточный парниковый эффект. А значит, этот газ еще не раз напомнит о себе.