Гипотеза о метангидратном ружье (гипотеза метангидратного ружья, ) — обобщённое наименование для серии гипотез о том, что растущая температура океана (и/или изменение его уровня) может запустить внезапное высвобождение метана из отложений гидратов метана под морским дном. Поскольку метан является сильным парниковым газом, это может многократно усилить парниковый эффект и потенциально запустить самоусиливающееся потеплениеJames P. Kennett, Kevin G. Cannariato, Ingrid L. Hendy, and Richard J. Behl, (2003) Methane Hydrates in Quaternary Climate Change: The Clathrate Gun Hypothesis, Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 0-87590-296-0.
Геологические записи показывают, что даже небольшое повышение температуры океана или океанические оползни, вызванные нестабильностью континентального шельфа, уже могли в прошлом приводить к катастрофической дестабилизации клатратных отложений и резкому увеличению содержания метана в атмосфере. Считается, что «выстрел метангидратного ружья» способен повысить температуру Земли ещё на 7—10 градусов, усиливая антропогенное потепление. Согласно наиболее пессимистичным прогнозам, масштабный выброс метана может сделать Землю непригодной для жизни людей и крупных животных.
Несмотря на тревожные сценарии, большинство учёных считает маловероятным сценарием катастрофическое высвобождение метана в ближайшем будущем. Его допускают только при полном провале мер по ограничению потепления. Современные модели прогнозирования климата учитывают метановые выбросы из мерзлоты, но, согласно последним данным, предполагают, что «ружьё» в ближайшие десятилетия не «выстрелит». По оценкам МГЭИК, лишь небольшая часть существующих гидратов может потерять стабильность в XXI веке.
Однако долгосрочное влияние метановых гидратов на климат не следует недооценивать. Эти резервуары парникового газа являются потенциальной «бомбой замедленного действия».
Гипотеза метангидратных выбросов основана на геологических данных, свидетельствующих, что в течение холодных ледниковых интервалов метановые клатраты накапливались, а в тёплые межледниковые периоды резко распадались из-за притока прогретых промежуточных вод на континентальные склоны. Один из примеров такого явления — крупный эпизод дестабилизации гидратов в Южно-Китайском море во время последнего межледниковья, который, по всей вероятности, связан с климатическими изменениями в позднем четвертичном периоде. При этом «гипотеза клатратного оружия» противопоставляется более распространённой гипотезе, по которой источником выбросов метана были наземные болота, а не морские клатраты. Критики считают, что в прошлом резкие всплески содержания метана в атмосфере с большей вероятностью связаны с расширением наземных болот, на что указывают изотопные исследования и геохимические данные.
Механизм и определение
Клатрат — это вещество, в котором химическая решётка или «клетка» одного типа молекул захватывает другой тип. Газовые гидраты представляют собой соединения, в которых газ «заперт» в кристаллической структуре водного льда. Изучение этих отложений затруднено из-за сложных условий их залегания в глубоководных районах.
Клатрат метана (CH4·5.75H2O или 4CH4·23H2O), называемый также гидратом метана, — это подобное льду вещество, образующееся при низких температурах и высоких давлениях, когда молекулы воды формируют кристаллическую решётку, заключающую в себе газы. Количество метана в конкретном клатрате зависит от толщины зоны стабильности, пористости осадка и доли порового пространства, занятой клатратом.
Клатратные отложения крайне чувствительны к небольшим изменениям температуры и давления: более высокие температуры и более низкие давления приводят к «таянию» клатратов и высвобождению CH₄. Гипотеза о метангидратном ружье основана на том, что при относительно медленном таянии клатратов может наступить точка невозврата, когда при нарастании давления между истончающейся зоной стабильности произойдёт прорыв, резко высвобождающий большие количества CH₄.
Часть подобных отложений сформировалась на территории мёрзлых почв, затопленных после подъёма уровня моря по окончании последнего ледникового периода. Большинство океанических гидратов имеет биогенное происхождение, за исключением регионов, расположенных над нефтяными резервуарами (например, в Каспийском море и Мексиканском заливе). Этот метан — результат жизнедеятельности метаногенных бактерий в вечной мерзлоте, в глубоких водоносных горизонтах в магматических породах. Газ диффундирует вверх и при достижении необходимых температуры и давления переходит в ледоподобное состояние. Более 95 % гидратов залегает в морских отложениях на шельфах и континентальных склонах, и менее 5 % — в арктических областях вечной мерзлоты (включая прибрежные сибирские моря).
Мировые запасы метана в гидратах оцениваются в диапазоне от 700 до более чем 10 000 гигатонн эквивалента углерода (ГтС). Даже минимальные оценки превосходят текущее содержание метана в атмосфере (около 5 гигатонн, или 4 ГтС) минимум на два порядка. Если хотя бы часть этих запасов высвободится в течение нескольких сотен лет, концентрация метана в атмосфере резко вырастет и повлияет на климатическую систему.
Механизмы, контролирующие стабильность гидратов и транспорт газа через осадки, остаются недостаточно изученными. Так называемые «зоны стабильности» (места образования и хранения клатратов) обычно охватывают первые несколько сотен метров осадков под морским дном.
В Северном Ледовитом океане гидраты могут встречаться и на относительно мелководных участках — там они стабилизируются пониженной температурой, а не повышенным давлением. Более того, их может дополнительно удерживать замороженная «крышка» из вечной мерзлоты, препятствующая утечке CH₄. Явление самосохранения, при котором клатраты сохраняют стабильность при температуре выше 0 °C, активно изучалось российскими геологами с конца 1980-х годов.
Влияние на изменение климата в прошлом Согласно гипотезе метангидратного ружья, масштабные выбросы метана из глубинных газогидратных отложений могли вызывать резкие глобальные потепления после последнего ледникового периода. Исследования показывают, что такие климатические изменения совпадали с ростом концентрации атмосферного метана (одного из самых мощных парниковых газов) примерно на 200 частей на миллиард (pbm) по объёму. Хотя некоторые исследователи считали основным источником всплесков CH₄ водно-болотные угодья низких широт.
В 2002 году в документальном фильме BBC «» («День, когда Земля почти умерла») были обобщены данные о возможной связи пермского вымирания с глубоководными и озёрными газовыми гидратами. Геолог Пол Уигналл, изучавший пермские слои в Гренландии, обратил внимание на осадочные слои в десятки метров, практически лишённые следов. Он пришёл к выводу, что вымирание длилось всего 80 000 лет и включало три характерные фазы: причём наземная и морская биота исчезали выборочно, а между двумя периодами исчезновения наземных форм произошло почти полное вымирание морских организмов. Это длительное событие, по мнению Уигналла, не укладывается в гипотезу удара метеорита. Геолог Джерри Диккенс предположил, что такой масштабный кризис и резкий скачок углерода-12 в отложениях могли быть вызваны стремительным высвобождением метана с морского дна.
Экспериментальные данные показывают, что для запуска таких процессов требовалось повышение температуры океана примерно на 5 °C. Об этом свидетельствуют крупные изотопные аномалии углерода (до −9 ‰) в отложениях бассейна Санта-Барбары и залива Папуа. Анализ керна у берегов Папуа-Новой Гвинеи (2004 г.) показал, что эти климатические события могли сопровождаться образованием восходящих океанических потоков.
В ходе последнего ледникового периода (между 45 000 и 16 000 лет назад) произошло девять крупных обрушений склонов, связанных с событиями Хайнриха. Исследование обвалов континентального склона в северной части Атлантики за последние 45 000 лет подтвердило возможность «ружья», предполагая, что резкий рост атмосферного метана в плейстоцене был обусловлен распадом газовых гидратов. Порядка 70 % таких крупных обвалов приходилось на периоды 15—13 и 11—8 тыс. лет назад, то есть на время подъёма уровня моря и пиков содержания метана (потепления Бёллинг-Аллерёд и в пребореальный период). В ледниковые эпохи обвалы фиксировались чаще в низких широтах (вероятно из-за падения уровня моря и дестабилизации гидратов), тогда как в периоды потепления они смещались в высокие широты и были связаны с изостатическим поднятием и снижением гидростатического давления.
В то же время ряд работ исключает крупные выбросы CH₄ из гидратов или старого углерода вечной мерзлоты во время быстрого потепления позднего дриаса — пребореального (около 11 600 лет назад). По данным этих исследований, источниками повышенного содержания метана тогда в основном служили болота.
В 2021 году исследователи из Центра CAGE (Университет Тромсё, Норвегия), проанализировав осадочные керны с арктического шельфа, обнаружили, что во время последнего межледниковья (около 125 тыс. лет назад) таяние ледников сопровождалось многотысячелетними выбросами метана со дна океана. Хотя средняя температура на планете была всего на 1—2 °C выше современной, исследователи пришли к выводу, что именно дестабилизация метановых гидратов могло сыграть ключевую роль в изменении климата. Согласно их данным, изменение океанической циркуляции нагрело воду на глубине порядка 300—1300 м на 6—7 °C, чего оказалось достаточно для «разморозки» части гидратных залежей. Учёные также связали усиление высвобождения CH₄ со снижением давления на морское дно при дегляциации: гидраты переходили в газовую фазу, а «фоновые» и всплесковые утечки продолжались до полного исчезновения ледяного покрова, после чего стабилизировались.
По мнению группы датских палеоклиматологов во главе с профессором Миком Рулой (Копенгагенский университет), массовое вымирание в конце триаса (около 201,4 млн лет назад) также могло быть спровоцировано внезапным выбросом до 12 000 гигатонн метана из донных отложений. Метан освободился в результате незначительного, но решающего потепления, которое произошло из-за вулканической активности и сопровождавших её выбросов CO₂. Усиленный парниковый эффект метана, вероятно, ускорил этот процесс, что согласуется с изотопными данными из отложений Австрии: в них обнаружено пониженное содержание углерода-13), указывающее на масштабные выбросы CH₄ в течение 10—20 тыс. лет.
В 2022 году в Nature Communications появились результаты исследования позднепермского вымирания (около 260 млн лет назад), показавшие, что и в этом случае резкий выброс метана сыграл важную роль. Учёные из Ланкастерского университета и их соавторы изучили месторождение Аньюэ (Сычуаньский бассейн, Китай), где в позднепермскую эпоху проявлялась активная вулканическая активность. По оценке авторов, вулканическая деятельность и нагрев залегающих там угля и нефти могли высвободить до 1440 гигатонн метана, что эквивалентно свыше 40 000 гигатонн CO₂ по силе воздействия на климат. Это примерно в тысячу раз превышает годовые антропогенные выбросы углерода в наши дни. Исследователи установили температуру образования «высокотемпературного метана» (около 256 °C) и подтвердили участие мантийных плюмов, разогревающих нефтегазовые пласты. Доктор Чжэн Чжоу, ведущий автор работы, отмечает, что хотя выбросы CO₂, по всей видимости, были главным фактором потепления, столь крупное поступление метана стало дополнительным критическим драйвером климатических изменений, поспособствовав крупнейшему в истории массовому вымиранию.
Однако одним из ключевых аргументов против гипотезы «метангидратного ружья» служит расчёт, согласно которому количество метана, высвободившегося при термическом максимуме палеоцена-эоцена, было недостаточно для объяснения тогдашнего уровня потепления, если учитывать лишь прямое радиационное воздействие CH₄ и вторичное влияние образующегося при его окислении CO₂.
Потенциальное влияние на глобальное потепление