Пузыри подо льдом: газовая летопись северных озёр

В прозрачном льду лежат белые диски, один над другим. Они похожи на стопки монет, зависшие в глубине. Это следы пузырьков, которые поднимались со дна и оказывались заперты растущим льдом. В некоторых северных озёрах значительную часть такого газа составляет метан.

Для фотографа рисунок красив сам по себе. Для исследователя он связан с вопросом, куда уходит углерод из донных отложений и оттаивающих грунтов. Но между эффектным снимком пузырей и оценкой выбросов лежит целая измерительная работа.

Как древнее вещество становится газом

В органически богатых отложениях микроорганизмы перерабатывают остатки живого вещества. В условиях недостатка кислорода среди продуктов может появляться метан. Газ поднимается через воду, иногда по устойчивым местам выхода.

В областях многолетней мерзлоты оттаивание делает доступным ранее замороженный органический материал. Просадка грунта может образовывать заполненные водой понижения — термокарстовые озёра. Вода, в свою очередь, меняет тепловые условия и развитие оттаивания.

NASA изучает такие связи в программе ABoVE. При этом не всякое северное озеро одинаково активно: важны возраст, глубина, донный материал и местная история. Один впечатляющий участок нельзя принимать за типичный образец всей Арктики.

Почему пузыри собираются слоями

Зимой поверхность замерзает, но выход газа может продолжаться. Пузырьки задерживаются подо льдом; по мере его роста новые порции оказываются на других уровнях. Так формируется рисунок, в котором сохраняются последовательные этапы процесса.

Сами белые формы не означают, что метан превратился в твёрдое вещество при обычной температуре озёрного льда. Замерзает окружающая вода, а газ занимает включения и полости. Бытовая фраза «замёрзшие пузырьки» описывает остановленное положение, а не обязательно агрегатное состояние газа.

Состав по фотографии установить нельзя. В озёрных пузырях могут присутствовать разные газы. Исследователи отбирают образцы, чтобы измерить долю метана, и сопоставляют её с количеством и скоростью поступления пузырьков.

Что показывает ловушка для пузырей

Полевые группы размещают под водой устройства, собирающие поднимающийся газ. Это позволяет перейти от видимого рисунка к объёму за определённое время. Дополнительные анализы помогают понять состав и происхождение вещества.

В материалах NASA описана работа с озёрами возле Фэрбанкса: точечные измерения связывают с более широкими наблюдениями. Такая связка нужна потому, что выход газа неравномерен. Несколько активных мест способны заметно влиять на суммарный результат.

Большая плотность белых дисков не переводится автоматически в точную цифру годового выброса. Нужно знать, когда они возникли, сколько газа растворилось, какая часть вышла в атмосферу и насколько участок представляет всё озеро. Лёд сохраняет след, но не ведёт за исследователя полный журнал.

Пузырьковый выход — ещё не весь газообмен озера. Часть газа может находиться в растворённом состоянии, а дальнейшая судьба зависит от процессов в воде и на границе с воздухом. Поэтому измеренный поток из отдельного донного источника и общий вклад водоёма в атмосферу требуют разных расчётов. Ловушка отвечает на конкретный вопрос, не заменяя все остальные измерения.

Как подключили спутниковый радар

Исследование, о котором NASA Earth Observatory сообщило в 2020 году, использовало особенности льда возле пузырьковых колонн. Газовые включения замедляют местное нарастание льда и изменяют форму его нижней поверхности. Это отражается в радиолокационном сигнале.

Спутник не видит каждую молекулу метана. Он измеряет отклик поверхности и структуры, а связь с газовым потоком строят с помощью наземной проверки. Авторы применили метод к тысячам озёр и сопоставили результаты с полевыми измерениями.

Так удалось рассматривать различия между маленькими и большими водоёмами, а также районами с разным мерзлотным материалом. Важно отделять поток на единицу площади от общего объёма: маленькое озеро может быть интенсивнее на квадратный метр, а большое — выделять больше суммарно.

Красивые видео с поджиганием выходящего газа иногда заслоняют эту исследовательскую часть. В научной работе подобные демонстрации не заменяют анализа, а для случайного посетителя огонь и вскрытие льда не являются подходящим способом опознания пузырей. Снимка с безопасного места достаточно, чтобы зафиксировать рисунок.

Под зимней поверхностью озеро продолжает обмен веществ. Лёд на короткое время делает невидимый газ видимым, сохраняя его движение в белых слоях. Чтобы прочитать эту летопись, нужно соединить форму пузырей, полевые пробы и наблюдения сверху — тогда узор становится частью истории углерода, воды и меняющегося северного ландшафта.