VARIABILITY OF METHANE CONCENTRATION IN THE ARCTIC ATMOSPHERE FROM SHIPBORNE MEASUREMENTS IN 2023

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Arctic temperatures have in recent decades risen faster than the global average, threatening the large carbon pools locked in the Arctic permafrost. Atmospheric composition monitoring has become a priority, but it is extremely difficult to set up in such remote regions, especially over the Arctic seas. These observations are limited by the length of the navigation season and the logistical difficulties of sampling and measuring atmospheric composition. In this study, atmospheric CH4 concentrations were measured over 28 days in the fall and early winter of 2023. The main study areas were the Barents Sea and the southern regions of the Kara Sea, with special attention paid to the bays of the western coast of the Novaya Zemlya archipelago. During the study period, atmospheric CH4 concentrations ranged from 2.018 to 2.122 ppm, with an average value of 2.039 ± 0.013 ppm. Variations in atmospheric CH4 in the surface layer were mainly due to meteorological conditions, as well as the geographical location of the vessel and the time of measurements. High-resolution coupled measurements of marine and atmospheric CH4 data are critical for understanding the scale of methane emissions at the ocean-atmosphere interface, especially in winter when the mixing layer increases, convection intensifies, and more methane from the water column can enter the atmosphere. In addition, our data can be used as input parameters for climate models.

Sobre autores

N. Pankratova

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Email: pankratova@ifaran.ru
Moscow, Russia

I. Belikov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

V. Belousov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

A. Skorokhod

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; University of Vienna

Moscow, Russia; Vienna, Austria

A. Vasileva

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

M. Kravchishina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

Yu. Shtabkin

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

K. Moiseenko

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

Bibliografia

  1. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.
  2. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере: справочное пособие / Под ред. Э.Ю. Безуглой, М.Е. Берлянда. Л.: ГМИ, 1983. 328 с.
  3. Кравчишина М.Д., Клювиткин А.А., Новигатский А.Н. и др. 89-й рейс (1-й этап) научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш»: климатический эксперимент во взаимодействии с самолетом-лабораторией Ту-134 «Оптик» в Карском море // Океанология. 2023. Т. 63. № 3. С. 492–495. https://doi.org/10.31857/S0030157423030073
  4. Никифоров С.Л., Сорокшин Н.О., Ананьев Р.А., Дмитриевский Н.Н., Мороз Е.А., Кокин О.В. Исследования в Баренцевом и Карском морях в 52-м рейсе НИС «Академик Николай Страхов» // Океанология. 2022. Т. 62. № 3. С. 499–501.
  5. Особенности потоков метана в западной и восточной Арктике: обзор. Часть I // Геосистемы переходных зон. 2020. Т. 4. № 1. С. 4–25. https://doi.org/10.30730/2541-8912.2020.4.1.004-025
  6. Панкратова Н.В., Беликов И.Б., Скорогой А.Н., Белоусов В.А., Муравья В.О., Филип М.В., Березина Е.В., Новигатский А.Н. Концентрация метана и значения δ13С в метане над Арктическими морями летом и осенью 2020 г. // Океанология. 2022. Т. 62. № 6. С. 869–877. https://doi.org/10.31857/S0030157422060107
  7. Скороход А.Н., Панкратова Н.В., Беликов И.Б. и др. Атмосферный метан и его изотопный состав над морями российской Арктики по результатам судовых измерений летом и осенью 2015 года // Доклады академии наук. 2016. Т. 470. № 5. С. 580–584. https://doi.org/10.7868/S0869565216290247
  8. Шакиров Р.Б., Мау С., Мишукова Г.Н., Обжиров А.Н., Шакирова М.В., Мишукова О.В., Юрганов Л.Н., Лейфер А., Вабаккенушмана С. Признаки ускорения возрастания концентрации метана в атмосфере после 2014 года: спутниковые данные для Арктики // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 5. С. 248–258. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-5-248-258
  9. Andreassen K., Hubbard A., Winsborrow M. Massive blow-out craters formed by hydrate-controlled methane expulsion from the Arctic seafloor // Science. 2017. V. 356. № 6341. P. 948–953. https://doi.org/10.1126/science.aal4500
  10. Bloom A.A., Bowman K.W., Lee M., Turner A.J., Schroeder R., Worden J.R., Weidner R., McDonald K.C., Jacob D.J. A global wetland methane emissions and uncertainty dataset for atmospheric chemical transport models (WetCHARTs version 1.0) // Geos. Model Development. 2017. V. 10. P. 2141–2156. https://doi.org/10.5194/gmd-10-2141-2017
  11. Bukhanov B., Chuvilin E., Zinnav M., Shakhova N., Spivak E., Dudarev O., Osadchiev A., Spasennykh M., Semiletov I. In situ bottom sediment temperatures in the Siberian Arctic seas: current state of subsea permafrost in the Kara sea vs Laptev and East Siberian seas // Mar Petrol Geol. 2023. V. 157. 106467. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106467
  12. Canadell J.G., Monteiro P.M.S., Costa M.H. et al. Global Carbon and other Biogeochemical Cycles and Feedbacks // Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. V. Masson-Delmotte, P. Zhai, A. Pirani et al. Cambridge: Cambridge University Press, 2021. P. 673–816. https://doi.org/10.1017/9781009157896.007
  13. Crippa M., Guizzardi D., Pagani F., Schiavina M., Melchiorri M., Pisoni E., Graziosi F., Muntean M., Maes J., Dijkstra L., Van Damme M., Clarisse L., Coheur P. Insights into the spatial distribution of global, national, and subnational greenhouse gas emissions in the Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR v8.0) // Earth Syst. Sci. Data. 2024. V. 16. P. 2811–2830. https://doi.org/10.5194/essd-16-2811-2024
  14. Erminan M., Myhre G., Highwood E.J., Shine K.P. Radiative forcing of carbon dioxide, methane and nitrous oxide: A significant revision of the methane radiative forcing // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. № 24. P. 12614–12623. https://doi.org/10.1002/2016GL071930
  15. France J.L., Cain M., Fisher R.E. et al. Measurements of δ13C in CH4 and using particle dispersion modeling to characterize sources of Arctic methane within an air mass // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. № 23. P. 14257–14270. https://doi.org/10.1002/2016jd026006
  16. Gifford F.A., Barr S., Malone R.C., Mroz E.J. Tropospheric relative diffusion to hemispheric scales // Atm. Environ. 1988. V. 22. № 9. P. 1871–1879.
  17. Haagenson P.L., Gao K., Kuo Y. Evaluation of Meteorological Analyses, Simulations, and Long-Range Transport Calculations Using ANATEX Surface Tracer Data // J. Appl. Meteor. Climatol. 1990. V. 29. P. 1268–1283. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1990)029%3C1268:EOMASA%3E2.0.CO;2
  18. Haagenson P.L., Kuo Y., Skrvanic M., Seaman N.L. Tracer Verification of Trajectory Models // J. Appl. Meteor. Climatol. 1987. V. 26. P. 410–426.
  19. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Biavati G., Hordnyi A., Muñoz Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Rozum I., Schepers D., Simmons A., Soci C., Dee D., Thépaut J.-N. ERA5 hourly data on pressure levels from 1940 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). 2023. URL: https://doi.org/10.24381/cds.bd0915c6 (дата обращения: 31.01.2025)
  20. Jakobsson M. Hypsometry and volume of the Arctic Ocean and its constituent seas // G-cubed. 2002. V. 3. № 5. P. 1–18. https://doi.org/10.1029/2001GC000302
  21. Judd A.G. Natural seabed seeps as sources of atmospheric methane // Environ. Geol. 2004. V. 46. P. 988–996.
  22. Kravchishina M., Klyuvitkin A., Novigatskii A. et al. Cruise 93 of the R/V Akademik Mstislav Keldysh: Geosystems of the Western Eurasian Arctic Shelves in the Season of Active Autumn–Winter Convection and Polar Night // Oceanology. 2024. V. 64. P. 644–646. https://doi.org/10.1134/S0001437024700322
  23. Kvenvolden K.A. Methane hydrate – A major reservoir of carbon in the shallow geosphere? // Chem. Geol. 1988. V. 71. P. 41–51. https://doi.org/10.1016/0009-2541(88)90104-0
  24. Lan X., Mund J.W., Crowell A.M., Thoning K.W., Moglia E., Madronich M., Baugh K., Petron G., Crowell M.J., Neff D., Wolter S., Mefford T., DeVogel S. Atmospheric Methane Dry Air Mole Fractions (1983–2023) from the NOAA GML Carbon Cycle Cooperative Global Air Sampling Network. 2024a. Version: 2024-07-30. https://doi.org/10.15138/VNCZ-M766
  25. Lan X., Thoning K.W., Dugokencky E.J. Trends in globally-averaged CH4, N2O, and SF6 determined from NOAA Global Monitoring Laboratory measurements. Version 2024–10. 2024b. https://doi.org/10.15138/P8XG-AA10 (accessed 13 January 2025).
  26. Malakhova V.V., Eliseev A.V. Subsea permafrost and associated methane hydrate stability zone: how long can they survive in the future? // Theor. Appl. Climatol. 2024. V. 155. P. 3329–3346. https://doi.org/10.1007/s00704-023-04804-7
  27. Mau S., Römer M., Torres M.E., Bussmann I., Pape T., Damn E., Geprägs P., Wintersteller P., Hsu C.-W., Loher M., Bohrmann G. Widespread methane seepage along the continental margin off Svalbard – from Bjørnøya to Kongsfjorden // Sci. Rep. 2017. V. 7. 42997. https://doi.org/10.1038/srep42997
  28. Monin A.S. Turbulent Diffusion in the Surface Layer Under Stable Stratification // Advances in Geophysics. 1959. V. 6. P. 429–434.
  29. Narbaud C., Paris J.-D., Wittig S., Berchet A., Saunois M., Nédélec Ph., Belan B.D., Arshinov M.Yu., Belan S.B., Davydov D., Fofonov A., Kozlov A. Disentangling methane and carbon dioxide sources and transport across the Russian Arctic from aircraft measurements // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23. P. 2293–2314. https://doi.org/10.5194/acp-23-2293-2023
  30. Pankratova N., Skorokhod A., Belikov I. et al. Ship-Borne Observations of Atmospheric CH4 and δ13C Isotope Signature in Methane over Arctic Seas in Summer and Autumn 2021 // Atmosphere. 2022. V. 13. № 3. 458. https://doi.org/10.3390/atmos13030458
  31. Platt S.M., Eckhardt S., Ferre B., Fisher R.E., Hermansen O., Jansson P., Lowry D., Nisbet E.G., Piso I., Schmidbauer N., Silyakova A., Stohl A., Svendby T.M., Vadakkepuliyambatta S., Mienert J., Lund Myhre C. Methane at Svalbard and over the European Arctic Ocean // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 17207–17224. https://doi.org/10.5194/acp-18-17207-2018
  32. Prather M.J., Holmes C.D., and Hsu J. Reactive greenhouse gas scenarios: Systematic exploration of uncertainties and the role of atmospheric chemistry // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. L09803. https://doi.org/10.1029/2012GL051440
  33. Romanovskii N.N., Hubberten H.-W. Results of permafrost modelling of the lowlands and shelf of the Laptev Sea Region, Russia // Permafrost and Periglacial Processes. 2001. V. 12. № 2. P. 191–202. https://doi.org/10.1002/ppp.387
  34. Romanovskii N.N., Hubberten H.-W., Gavrilov A.V., Tumskoy V.E., Kholodov A.I. Permafrost of the east Siberian Arctic shelf and coastal lowlands // Quat. Sci. Rev. 2004. V. 23. P. 1359–1369. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2003.12.014
  35. Saunois M., Stavert A.R., Poulter B. et al. The global methane budget 2000–2017 // Earth System Science Data. 2020. V. 12. № 3. P. 1561–1623. https://doi.org/10.5194/essd-12-1561-2020
  36. Scriven R.A., Fisher B.E. The long range transport of airborne material and its removal by deposition and washout — II. The effect of turbulent diffusion // Atmos. Environ. 1975. V. 9. № 1. P. 59–69.
  37. Shakhova N., Semiletov I., Chuvilin E. Understanding the permafrost–hydrate system and associated methane releases in the East Siberian Arctic shelf // Geosciences (Basel). 2019. V. 9. № 6. P. 251. https://doi.org/10.3390/geosciences9060251
  38. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Yusupov V., Kosmach D., Gustafsson Ö. Extensive Methane Venting to the Atmosphere from Sediments of the East Siberian Arctic Shelf // Science. 2010. V. 327. № 5970. P. 1246–1250. https://doi.org/10.1126/science.1182221
  39. Stevenson D.S., Zhao A., Naik V., O’Connor F.M., Tilmes S., Zeng G., Murray L.T., Collins W.J., Griffiths P.T., Shim S., Horowitz L.W., Sentman L.T., Emmons L. Trends in global tropospheric hydroxyl radical and methane lifetime since 1850 from AerChemMIP // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 12905–12920. https://doi.org/10.5194/acp-20-12905-2020
  40. Stohl A., Forster C., Eckhardt S., Spichtinger N., Huntrieser H., Heland J., Schlager H., Wilhelm S., Arnold F., Cooper O. A backward modeling study of intercontinental pollution transport using aircraft measurements // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № D12. 4370. https://doi.org/10.1029/2002JD002862
  41. Tarnocai C., Canadell J.G., Schuur E.A.G., Kuhry P., Mazhitova G., Zimov S. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region // Glob. Biogeochem. Cycles. 2009. V. 23. № 2. GB2023. https://doi.org/10.1029/2008GB003327
  42. Vasileva A.V., Moiseenko K.B., Mayer J.-C., Jürgens N., Panov A., Heimann M., Andreae M.O. Assessment of the regional atmospheric impact of wildfire emissions based on CO observations at the ZOTTO tall tower station in central Siberia // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. D07301. https://doi.org/10.1029/2010JD014571
  43. Vogt J., Risk D., Bourlon E., Azetsu-Scott K., Edinger E.N., Sherwood O.A. Sea-air methane flux estimates derived from marine surface observations and instantaneous atmospheric measurements in the northern Labrador Sea and Baffin Bay // Biogeosciences. 2023. V. 20. P. 1773–1787. https://doi.org/10.5194/bg-20-1773-2023
  44. Ward R.H., Sweeney C., Miller J.B. et al. Increasing methane emissions and widespread cold-season release from high-Arctic regions detected through atmospheric measurements // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2024. V. 129. e2024JD040766. https://doi.org/10.1029/2024JD040766
  45. Weber T., Wiseman N.A., Kock A. Global ocean methane emissions dominated by shallow coastal waters // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. 4584. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12541-7
  46. Workman E., Fisher R.E., France J.L. et al. Methane emissions from seabed to atmosphere in polar oceans revealed by direct methane flux measurements // J. Geophys. Res. 2024. V. 129. e2023JD040632.
  47. Yamada T., Bunker S. Development of a Nested Grid, Second Moment Turbulence Closure Model and Application to the 1982 ASCOT Brush Creek Data Simulation // J. Appl. Met. Climatol. 1988. V. 27. P. 562–578.
  48. Yurganov L., Carroll D., Pnyushkov A. et al. Ocean stratification and sea-ice cover in Barents and Kara seas modulate sea-air methane flux: satellite data // Adv. Polar Sci. 2021. V. 32. № 2. P. 118–138. https://doi.org/10.13679/j.advps.2021.0006
  49. Zona D., Gioli B., Commane R. et al. Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2016. V. 113. № 1. P. 40–45. https://doi.org/10.1073/pnas.1516017113

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar


Creative Commons License
Este artigo é disponível sob a Licença Creative Commons Atribuição–NãoComercial–SemDerivações 4.0 Internacional.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».