Тайна взрывающихся сибирских кратеров: глобальное потепление меняет Ямал
Кратер на Ямале, источник – сайт МГУ им. Ломоносова Пересказываем статью «Би-би-си» о загадочных кратерах, которые стали появляться несколько лет назад на Ямале.
На отдаленном полуострове за Полярным кругом в вечной мерзлоте появляются огромные раны — из-под земли вырывается то, что беспокоит ученых.
Они появляются внезапно и масштабно и оставляют оспину на ландшафте. По краю кратера земля остается рваной серой глыбой льда с комьями вечной мерзлоты. Корни растений, только что обнаженные по краям, подпалены. Это дает некоторое представление о том, как грубо появилась эта дыра в центре сибирской Арктики.
С воздуха видно, как только что обнажившаяся грязь выделяется на фоне зеленой тундры и темных озер вокруг нее. Слои земли и горных пород, разбросанные внутри цилиндрической дыры, почти черные, и к тому времени, когда ученые достигают ее, на дне уже образуется бассейн из воды.
Среди исследователей, которые изучают это явление, — геолог из Сколковского института науки и технологий Евгений Чувилин. Он прилетел из Москвы в этот отдаленный уголок полуострова Ямал на северо-западе Сибири, чтобы исследовать кратеры. Дыра глубиной 50 метров может содержать ключевые кусочки пазла, который он пытается собрать в течение последних шести лет — тогда появилась первая из загадочных дыр в другой части Ямала.
Ту самую первую дыру заметили с вертолета в 2014 году, когда пилоты пролетали примерно в сорока километрах от Бованенковского газового месторождения на полуострове Ямал. Она была 20 метров в ширину и 52 метра глубиной. К ней отправились ученые, среди которых была старший научный сотрудник Института криосферы Земли Марианна Лейбман. Она изучает вечную мерзлоту в Сибири более сорока лет. Лейбман заключила, что взрывающаяся земля — совершенно новая особенность в этих краях. Позже анализ спутниковых изображений показал, что кратер, получивший название GEC-1, образовался между 9 октября и 1 ноября 2013 года.
Последний кратер заметили в августе 2020 года: над ним пролетала съемочная группа во время экспедиции по Ямалу с учеными из Российской академии наук и местными властями. Общее количество подтвержденных кратеров на Ямале и соседнем Гыданском полуострове достигло семнадцати.
Но что именно вызывает появление этих огромных дыр в вечной мерзлоте, всё еще остается загадкой. Также остаются без ответа вопросы о том, что они значат для будущего Арктики и людей, которые там живут и работают. Для многих из тех, кто изучает Арктику, эти кратеры — тревожный знак того, что холодный, в основном безлюдный ландшафт на севере нашей планеты претерпевает радикальные изменения.
Недавние исследования дают подсказки о том, что же происходит. Ясно, что эти дыры не образуются из-за того, что вечная мерзлота тает и перемещается под поверхность. Они взрываются.
«Когда происходит взрыв, глыбы земли и льда выбрасываются на сотни метров от эпицентра, — говорит Чувилин. — Здесь мы сталкиваемся с колоссальной силой, которую создает очень высокое давление. Почему оно настолько высокое, до сих пор остается загадкой».
Чувилин входит в группу российских ученых, которые взаимодействуют с коллегами со всего мира. Он приезжал в эти места, чтобы взять образцы и сделать замеры в надежде понять больше о том, что происходит в глубинах тундры.
Некоторые ученые сравнивают кратеры с криовулканами — вулканами, извергающими лед вместо лавы. Как считается, они существуют в некоторых отдаленных частях нашей Солнечной системы: на Плутоне, спутнике Сатурна Титане и карликовой планете Церера. Но по мере того, как всё больше арктических кратеров изучается на разных этапах их эволюции, они стали известны как «кратеры с выбросами газа». Название дает представление о том, как они, согласно гипотезе, образуются.
«Анализ, основанный на спутниковых снимках, показывает, что в результате взрыва на месте бугра с ледяным ядром или насыпи образуется гигантская дыра», — говорит Чувилин. Бугры (pingo) — это куполообразные холмы, которые образуются, когда слой замерзшей земли поднимается водой, которая успела протечь под ним и начала замерзать. Когда вода замерзает, она расширяется, образуя холмик. Якуты называют их «булгунняхи». Они имеют свойство подниматься и опускаться в зависимости от времени года. В Канаде есть похожие бугры, и установлено, что их возраст достигает 1200 лет. Но в большей части Арктики они, как правило, в конечном итоге разрушаются сами по себе, а не взрываются.
Ясно, что бугры на северо-западе Сибири ведут себя иначе. Они набухают «очень быстро, поднимаясь на несколько метров», а потом внезапно взрываются, объясняет Чувилин. И, похоже, их выталкивает не замерзающая вода, а скопление газа под землей.
«Бугры пучения формируются десятилетиями и живут долгое время», — объясняет эколог Сью Натали, которая изучает вечную мерзлоту и возглавляет арктическую программу в Центре климатических исследований Вудвелла в Вудс-Холе, штат Массачусетс.
Существует исследование годичных колец ивы, найденной вокруг места взрыва первого кратера в 2014 году. Выяснилось, что растения испытывали стресс с 1940-х годов. Исследователи считают, что это могло происходить из-за деформации земли.
«Но есть свидетельства того, что жизненный цикл газоэмиссионных кратеров может быть очень коротким, от трех до пяти лет», — говорит Александр Кизяков, криолитолог МГУ им. М. В. Ломоносова. На спутниковых снимках было обнаружено, что кратер SeYkhGEC, образовавшийся в начале лета 2017 года, впервые начал деформировать землю в 2015 году.
Подобные следы и холмы, связанные с выбросами газовых карманов, были обнаружены на дне Карского моря, недалеко от полуострова Ямал, а другие были найдены в Баренцевом море. Но пока, говорит Натали, ничего подобного на суше в других местах Арктики не обнаружено.
Что-то в вечной мерзлоте на Ямале и Гыдане заставляет эти бугры взрываться. «Здесь есть характерные особенности ландшафта, — объясняет Натали. — Это область, где есть очень толстый слой льда — пластинчатый лед. Он образует шапку над вечной мерзлотой. Это также область, где есть много объектов, известных как криопэг, — участки незамерзшей земли, окруженные вечной мерзлотой. Своего рода бутерброды с вечной мерзлотой. Третья особенность — очень глубокие залежи газа и нефти».
Чувилин недавно исследовал кратер Эркута — он получил название от реки, в пойме которой образовался. Этот кратер шириной в 20 метров, похоже, появился на дне высохшего озера. Когда озеро исчезло, под ним остался незамерзший участок земли, так называемый талик, там затем образовался газ. Но Чувилин говорит, что точное происхождение по-прежнему остается неясным: «Ключевой вопрос в исследовании кратеров — откуда появляется газ, который затем скапливается под вечной мерзлотой. Как только кратер появился, газ оттуда уже ушел».
Эволюцию этих кратеров и то, как туда попадает газ, сейчас активно изучают. «Интригует то, что, возможно, происходит новый или ранее неизвестный геохимический процесс, о котором мы даже не догадывались», — говорит Натали.
Исследователи, достаточно отважные, чтобы спуститься в кратеры, решили проверить предположение, что газ может подниматься снизу, и они обнаружили там повышенный уровень метана. Основная теория состоит в том, что эти глубокие залежи метанового газа под вечной мерзлотой проникают в незамерзший карман земли под ледяной шапкой. Согласно другой теории, высокий уровень углекислого газа, растворенного в воде в этих незамерзших карманах, поднимается, когда вода начинает замерзать, и оставшаяся вода не может удерживать растворенный газ.
Альтернативным источником как метана, так и углекислого газа могут быть микроорганизмы, живущие в незамерзшем грунте, говорит Чувилин. Они разрушают органический материал и выделяют газы. Изотопный анализ метана в одном особенно впечатляющем кратере, казалось, подтвердил это, но было обнаружено, что активность метанопроизводящих микробов очень низка в озерах на дне недавно образовавшихся кратеров. Это низкая активность даже для холодных условий, в которых они находятся.
Но метан мог также просачиваться из самого льда. Газы могут попасть в кристаллы воды в вечной мерзлоте и образовать странный замороженный материал — газовый гидрат. Когда он тает, высвобождается газ.
«Считается, что могут быть разные механизмы, которые сложно описать одной моделью, — поясняет Чувилин. — Многое зависит от окружающей среды и ландшафта». По его словам, в русле реки был обнаружен по крайней мере один кратер.
Независимо от источника, считается, что газ накапливается в незамерзшем кармане земли и толкает твердую корку льда вверх на 5–6 метров, пока она не лопнет, как фурункул. (Хотя аналогия с фурункулом красочная, она неплохая. Так же, как интернет-пользователи увлеченно смотрят видеоролики с выдавливанием прыщей, некоторых ученых завораживают взрывающиеся кратеры Ямала. «Это была комбинация неизвестности и риска, связанного с этими кратерами. Это меня привлекло», — признается Натали.)
Когда бугры наконец взрываются, они определенно выглядят впечатляюще. Грязь и лед над заполненным газом карманом вместе с остальным содержимым незамерзшей части вырывается наружу на расстояние до 300 метров. Сила настолько велика, что фрагменты земли диаметром до метра выбрасываются наружу, оставляя после себя кратер с приподнятым бортиком, широкой горловиной и более узким цилиндрическим отверстием, которое считается незамерзшим карманом. Местные оленеводы рассказали, что видели пламя и дым после взрыва воронки в июне 2017 года на берегу реки Мюдрияха. Жители близлежащего поселка Сеяха (примерно в 30 км к югу от кратера) утверждали, что газ продолжал гореть около 90 минут, а высота пламени достигала 4–5 метров.
В этом малонаселенном регионе мира происшествие так близко от поселения вызывает опасения. В регионе также есть трубопроводы для нефтегазовой инфраструктуры, которые пытаются дотянуть до залежей ископаемого топлива, погребенные под вечной мерзлотой.
«Мы еще не знаем, может ли это представлять опасность для людей в Арктике», — говорит Натали. Она и ее коллеги искали следы других кратеров на спутниковых снимках с высоким разрешением, чтобы ответить на этот вопрос.
«Когда мы находим что-то похожее на кратер, мы используем серии изображений, сделанные в разное время, с очень высоким разрешением [спутниковые снимки одного и того же места, сделанные в разное время], чтобы попытаться определить, когда они образовались», — комментирует Натали. И похоже, что кратеров там больше, чем считалось ранее: «Мы подтвердили два новых местоположения кратеров. Учитывая, что еще в 2013 году мы вообще ничего о них не знали, весьма вероятно, что их гораздо больше».
Команда Натали в начале года обнаружила еще 17 вероятных кратеров, но после анализа изображений с высоким разрешением ученые сделали вывод, что кратеры, возможно, образовались не из-за выбросов газа. «Трудно точно определить, пока мы не окажемся на месте», — объясняет Натали.
В итоге она и ее команда надеются собрать достаточно данных, чтобы автоматизировать процесс поиска. Цель — создать алгоритм, который сможет предсказывать появление кратеров до того, как они образуются. Для этого система будет искать выделяющие газы бугры пучения на спутниковых изображениях.
«Мы надеемся прийти к тому, что сможем узнать их до того, как они сформируются, — говорит Натали. — Это особенно важно в районе, где живут люди, есть трубопроводы и другая газовая и нефтяная инфраструктура».
Сейчас изучение того, как распространены кратеры, идет медленно. После их грубого появления большинство, кажется, почти также быстро растворяется в ландшафте. Кратер, который образовался рядом с поселком Сеяха — шириной 70 метров и глубиной более 50 метров, — наполнился водой всего за четыре дня, так как рядом течет река. Этот переход от дыры к озеру кажется довольно безобидным концом драматического события.
Другие кратеры затопляются дольше, но через год или два края темной мрачной раны размываются, заполняются водой и становятся почти неотличимы от тысяч других небольших круглых озер (они называются термокарстовые озера), характерных для этих краев. Пока неясно, сколько именно озер на самом деле — это рубцы после газовых выбросов.
«Вероятно, что некоторые из озер в вечной мерзлоте — это затопленные кратеры, — комментирует Александр Кизяков. — Пока рано говорить, насколько это распространено как механизм образования озера».
Некоторые исследователи пытались выявить такие озера. Они измеряли химические вещества, растворенные в воде, но не смогли обнаружить никаких закономерностей.
Чтобы выяснить, насколько это распространенное явление, нужно больше, чем просто любопытство. Ученые опасаются, что появление кратеров на северо-западе Сибири может быть связано с более глобальными изменениями, происходящими в Арктике из-за изменения климата.
Температура у поверхности земли в Арктике повышается вдвое быстрее, чем в среднем в мире, из-за этого увеличивается количество оттаявшей вечной мерзлоты за летние месяцы.
Это само по себе трансформирует арктический ландшафт и приводит к оседанию грунта и оползням. В Сибири происходят, пожалуй, самые масштабные оползни на планете. Один них — котловина Батагайка, которая появилась из обычного оврага в 1960-х годах и достигла ширины 900 метров. «Больше нигде на планете, насколько я знаю, изменение климата не вызывает физическое изменение структуры почвы», — говорит Натали.
Под вечной мерзлотой Арктики находится огромное количество углерода — примерно в два раза больше, чем сейчас содержится в атмосфере. В основном это замороженные остатки растений и другого органического материала, а также метан, который оказался в ловушке внутри кристаллов льда — газовых гидратов, о которых Чувилин упоминал выше. По мере таяния почвы микроорганизмы разрушают органические вещества, выделяя метан и углекислый газ в качестве побочных продуктов, в то время как метан, захваченный льдом, также высвобождается. Метан — мощный парниковый газ, и по мере того, как он вытекает из вечной мерзлоты, он может ускорить глобальное потепление, которое спровоцирует еще большее таяние.
Но на Ямале кратеры открывают перспективу другого процесса, который добавляет еще больше неопределенности в сложную взаимосвязь между повышением температуры, таянием вечной мерзлоты и выбросом парниковых газов. Если окажется, что отложения метана в вечной мерзлоте глубоко под землей начинают просачиваться вверх через обычно непроницаемые слои льда, это может быть признаком того, что слои льда над тундрой становятся более проницаемыми. Это может создать новый уровень неопределенности по поводу того, как изменения в Арктике могут повлиять на глобальное потепление на планете.
«Кратеры — шокирующий индикатор того, что происходит в Арктике в более широком смысле, — говорит Натали. — Если смотреть на изменения в этом ландшафте, вы заметите, что некоторые из них происходят постепенно, а другие — внезапно. Очень немногие из них происходят со взрывом, но это привлекает внимание к тому, как все эти изменения влияют на парниковые газы в атмосфере».
Ученым еще предстоит окончательно разгадать происхождение кратеров на Ямале, но уже сейчас понятно, что нам стоит внимательно наблюдать за ними.