Quantification of bubble methane reaching atmosphere in the Arctic

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Relevance. Gas flares or seeps consisting of bubbles continuously rising from the seabed have been recorded throughout the World Ocean at depths ranging from several meters to three kilometers or more. Measurements of the gas composition of the rising bubbles shown that they are dominated by methane (CH4). The East Siberian Arctic Shelf contains more than 30% of the world CH4 and carbon dioxide reserves, preserved in bottom sediments by underwater permafrost. In the shallow seas of the East Siberian Arctic Shelf, the main mechanism for transporting CH4 from bottom sediments into water is bubble transport. Therefore, it is extremely important to estimate the amount of CH4 transported by rising bubbles from bottom sediments into the water column and the atmosphere. Aim. Estimation of CH4 quantity transported by chains of rising bubbles from the seabed to the atmospheric surface layers. Methods. The manuscript presents a study of the mechanism of gas exchange between rising bubbles and a liquid column, carried out using a specially designed stand that allows simulating local upwelling. Results and conclusions. The paper shows that chains of bubbles coming from the seabed with intensities of ~40 and ~110 ml∙min–1, taking into account the hydrostatic pressure, deliver 206 and 616 mg∙min–1 of CH4 to the bottom layer of the water column, respectively. The results obtained during laboratory studies allowed us to specify the flux of CH4 from bottom sediments to the atmospheric surface layers. Taking into account the quantity of gas exchange and local upwelling, the amount of methane delivered to the atmospheric surface layers was 69 and 286 mg∙min–1. The paper presents an acoustic estimate of the amount of CH4 transported by the seep, which includes the considered chains of rising bubbles. According to calculations, the flux of CH4 into water from this area in 2012 was ~40 g∙min–1. At the same time, the amount of CH4 transported by this seep into the atmospheric surface layers, taking into account local upwelling and gas exchange occurring between the rising bubbles and the liquid column, is ~24.5 kg per day or ~9 tons per year.

Full Text

Введение

Газовые факелы (рис. 1, а), или сипы, состоящие из пузырьков, всплывающих из морского дна, зарегистрированы во всех Земных океанах на глубинах от нескольких метров до трех и более километров [1–25]. Установлено, что в составе газа, формирующего всплывающие пузырьки, преобладает метан [7, 21]. Измерения атмосферной концентрации метана (СН4), непрерывно проводимые в две первые декады XXI в., показали, что его доля в Земной атмосфере увеличилась на 9 %, или на 50 млн т [26]. Согласно мониторингу атмосферной концентрации СН4, выполняемому с 1984 г., его наибольшие величины наблюдаются в северном полушарии Земли и в последние три года ежегодно обновляют свои максимальные значения [27–29].

 

Рис. 1. а) эхограмма газовых факелов, обнаруженных на территории Восточно-Сибирского шельфа; б) карта района с обнаруженными в 2011 г. газовыми факелами (красные точки) [21]; желтой звездой отмечена гидрологическая станция, на которой были получены видеозаписи цепочек всплывающих пузырьков

Fig. 1. a) image of seeps detected at East Siberian Arctic Shelf; b) study area with seeps detected in 2011 (red dots) [21]; the hydrological station, where the chains of rising bubbles were recorded, marked with a yellow star

 

Роль Арктики, особенно Восточно-Сибирского шельфа (ВСШ), является крайне значимой при климатических изменениях, происходящих на нашей планете. На территории ВСШ сосредоточено более 30 % мирового запаса СН4 и двуокиси углерода, законсервированных в донных отложениях подводной мерзлотой [30]. При этом постоянно увеличивающийся тренд атмосферной концентрации СН4 в регионе позволяет предположить наличие механизма его транспортировки из донных отложений в атмосферу. В случае мелководных морей ВСШ таким механизмом могут являться всплывающие пузырьки и сформированные из них сипы.

Установлено, что в морях ВСШ сипы являются индикатором районов, в которых начались процессы деградации подводной мерзлоты и эманации морским дном газообразного СН4 [30, 31]. В водной толще моря Лаптевых, на глубинах от 1 до 460 м (рис. 1, б) зарегистрировано более 700 сипов. При этом консервативная оценка количества СН4, переносимого данными сипами, составляет 1,94∙1010 г∙д−1 [21]. Исходя из изложенного, крайне важно оценить количество СН4, транспортируемого всплывающими с морского дна пузырьками до приводных слоев атмосферы.

В настоящее время для подобной оценки применяются математические модели, описывающие газообмен между одиночным пузырьком и столбом жидкости, через который данный пузырек всплывает [32, 33]. В работе [34] модель, предложенная в [33], была апробирована для всплывающих с глубин мене 10 м пузырьков и показала хорошее совпадение между результатами расчетов и прямыми измерениями.

Видео- и фотосъёмка сипов, проводимая на глубинах от 10 до 1000 м, позволила установить, что данные явления формируются из постоянно всплывающих в виде цепочек или массированных выбросов пузырьков [21, 22, 34–36]. При этом величина газообмена между одиночными пузырьками, цепочкой пузырьков и массированным выбросом может различаться в зависимости от гидрологических процессов, происходящих в водной среде и неучтенных ни в одной математической модели. Одним из таких процессов является локальный апвеллинг, вызываемый непрерывно всплывающими пузырьками, и как следствие данного процесса – изменение значения скорости всплытия пузырьков. Для определения вклада локального апвеллинга в величину СН4, транспортируемого пузырьками до приводных слоев атмосферы, авторами был разработан экспериментальный лабораторный стенд, имитирующий в условиях, приближенных к естественным, всплытие пузырьков в виде непрерывной цепочки или массированного выброса.

В представленной работе с помощью данных, собранных как в полевых, так и в лабораторных условиях, получена оценка количества СН4, транспортируемого двумя разнесенными в пространстве цепочками всплывающих пузырьков, обнаруженных в море Лаптевых в 2012 г.

Оценка количества метана, переносимого цепочками всплывающих пузырьков в воду, с помощью видеозаписей

Во время суточной гидрологической станции, выполненной 16 сентября 2012 г. в северной части моря Лаптевых (рис. 1, б), с помощью подводного телеуправляемого комплекса «ГНОМ» (ПТОК ГНОМ, рис. 2, а) было получено более 2 часов видеозаписей, на которых зафиксированы две разнесенные в пространстве цепочки всплывающих с глубины 72 м пузырьков.

 

Рис. 2. а) подводный телеуправляемый комплекс «ГНОМ»; б) фрагменты видеозаписи всплывающих из морского дна пузырьков

Fig. 2. a) underwater remotely operated vehicle “GNOM”; b) fragments of video recording of bubbles rising from the seabed

 

После определения с помощью полученных видеозаписей поперечных размеров 1081 всплывающего пузырька была построена гистограмма их распределения по размерам. Подробное описание выполненной работы представлено в [21]. На рис. 3 проиллюстрирована гистограмма распределения количества всплывающих пузырьков в зависимости от их радиуса, построенная на основе имеющихся данных. Из анализа данного рисунка следует, что радиус более 40 % всплывающих пузырьков, зарегистрированных в районе работ, составлял 5,0 ±0,5 мм (рис. 3). При этом их средний радиус был равен 4,3 ±0,5 мм.

 

Рис. 3. Гистограмма распределения всплывающих пузырьков по размерам. На высотах столбцов отмечено количество формирующих столбцы всплывающих пузырьков

Fig. 3. Histogram of size distribution of rising bubbles. The number of rising bubbles forming columns is marked at the heights of the columns

 

Для оценки величины СН4, переносимого одиночными цепочками пузырьков, было использовано два фрагмента длительностью 35 и 10 минут. Выбор данных фрагментов обусловлен двумя факторами:

1) на данных фрагментах отчетливо видно, что всплывающие пузырьки выходят из морского дна (рис. 4);
2) качество записи удовлетворительное и позволяет определить их размеры.

Для оценки потока СН4 была использована следующая модель, описывающая цепочки пузырьков:

  1. Всплывающие пузырьки поступают из морского дна в воду непрерывно и с постоянной скоростью (интенсивностью), равной 2 и 6 пузырьков в секунду для соответствующих цепочек.
  2. Радиус всплывающих пузырьков в среднем составляет 4,0 ±0,5 мм. Пузырьки имеют объем 0,3 см3, или 0,3 мл.
  3. Всплывающие пузырьки состоят из 100 % метана.

При интенсивности поступления пузырьков из морского дна в воду 120 ед.∙мин⁻¹ для первой цепочки и 360 ед.∙мин⁻¹ для второй цепочки всплывающих пузырьков количество СН4, выделяемого из морского дна ежеминутно, с учетом гидростатического давления, составит 206 мг∙мин⁻¹ для первой цепочки пузырьков (рис. 4, а) и 616 мг∙мин⁻¹ для второй цепочки (рис. 4, б). При этом средний поток газа от обнаруженных струй составил 411 мг∙мин⁻¹.

Оценка количества метана, транспортируемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы

Пузырек при всплытии непрерывно отдает часть СН4 в воду, а из воды в него поступают азот и кислород. Для определения величины СН4, доставленного всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы, была использована модель, описывающая механизм газообмена между одиночным пузырьком и столбом жидкости, через который он всплывает [33].

 

Рис. 4. Примеры цепочек всплывающих пузырьков, выходящих из морского дна, с интенсивностью: а) 2,0 пузырька в секунду; б) 6,0 пузырьков в секунду

Fig. 4. Examples of chains of rising bubbles floating from the seabed, with an intensity of: a) 2.0 bubbles per second; b) 6.0 bubbles per second

 

Рис. 5. а) графики изменения температуры и солёности; зеленая линия – соленость. красная линия – температура; б) график изменения количества СН4, содержащегося в пузырьке, при всплытии

Fig. 5. Graphs of changes in: a) temperature and salinity; green line – salinity, red line – temperature; b) CH4 amount contained in the bubble during rise

 

Предложенная модель учитывает влияние солености и гидростатического давления на величину газообмена между столбом жидкости и всплывающим пузырьком, а также его несферическую форму [33]. Данная модель была успешно верифицирована для глубин менее 10 м [34] и на сегодняшний день применяется для определения величины газообмена между всплывающими пузырьками и водной толщей морских и пресноводных водоемов [2, 7, 13, 37–42]. При моделировании были использованы гидрологические данные, полученные в районе работ в 2012 г. с помощью гидрологического зонда SBE 19+ (рис. 5, а).

В результате проведенного моделирования показано, что с глубины 72 м при температуре придонного слоя 1,317 °С и солёности 33 ‰ до поверхности (приводных слоев атмосферы) со скоростью всплытия 24 см∙с⁻¹ пузырек, имеющий радиус 4 мм, доставляет 33,6 % метана (рис. 5, б). При этом концентрация СН4 в одиночном всплывающем пузырьке уменьшается на 0,2 %∙с⁻¹. При начальном количестве СН4, выделяемого морским дном, и величине его потери при всплытии цепочки всплывающих пузырьков, рассмотренные в данной работе, при скорости всплытия пузырьков 24 см∙с⁻¹ транспортируют в приводные слои атмосферы 69 мг∙мин⁻¹ для цепочки на рис. 4, а и 207 мг∙мин⁻¹ для второй цепочки (рис. 4, б).

Вклад локального апвеллинга в величину метана, транспортируемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы

Для определения вклада локального апвеллинга в величину СН4, транспортируемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы, на разработанном в лаборатории стенде были смоделированы цепочки пузырьков, максимально приближенные к зарегистрированным в море Лаптевых (рис. 6).

 

Рис. 6. Примеры цепочек всплывающих пузырьков, полученных в экспериментальном стенде: а) ~40 мл∙мин⁻¹; б) ~110 мл∙мин⁻¹

Fig. 6. Examples of chains of rising bubbles obtained in an experimental stand: a) ~40 ml∙min⁻¹; b) ~110 ml∙min⁻¹

 

Генерация цепочек осуществлялась с помощью установленного на дно экспериментального стенда одиночного сопла, формирующего пузырьки, радиус которых, согласно пункту 2, составлял 4,0 ±0,5 мм. В работах [33, 43] показано, что основным параметром, влияющим на скорость всплытия пузырьков, являются их поперечные размеры, а величинами температуры и солености можно пренебречь. Исходя из данного допущения экспериментальный стенде был заполнен 125 л пресной воды комнатной температуры.

Локальный апвеллинг может увеличить величину транспортируемого до приводных слоев атмосферы СН4 двумя способами:

1) за счет инициации всплывающими пузырьками вертикального движения (подъема) морской воды, насыщенной растворенным СН4, от морского дна к границе пикноклина или к поверхности;
2) за счет уменьшения времени взаимодействия пузырьков с морской водой, через которую они всплывают, путем увеличения скорости их всплытия.

В первом случае локальный апвеллинг проявляется при массированных выбросах всплывающих пузырьков. Подобный эффект характерен для сипов, занимающих большую площадь на морском дне, или для сипов с высокой интенсивностью выходящих из морского дна пузырьков, зарегистрированных как на территории мелководного ВСШ [8, 21, 23, 30, 31, 44], так и в различных районах Мирового океана [18, 20, 45–47].

В работе рассматриваются две отдельные цепочки пузырьков с небольшой интенсивностью, равной ~40 мл∙мин⁻¹ и ~110 мл∙мин⁻¹ (рис. 4). В лабораторных условиях такие цепочки способны инициировать вертикальное движение морской воды к границе пикноклина или к поверхности. Однако при наличии в районе исследований сильных течений, которые могут достигать величин 15 и более см∙c⁻¹ [48], вклад данных цепочек в вертикальное движение придонных слоев морской воды, насыщенной растворенным СН4, будет минимален и в данном тексте рассматриваться не будет.

Во втором случае для определения скорости всплытия пузырьков в зависимости от величины их потока и оценки времени их взаимодействия со столбом жидкости на разработанном стенде было выполнено два эксперимента общей длительностью 115 минут. В ходе проведения экспериментов в водной среде стенда были сформированы цепочки всплывающих пузырьков с интенсивностью ~40 мл∙мин⁻¹ и ~110 мл∙мин⁻¹ (рис. 6). Суть проводимых экспериментов заключалась в определении скорости всплытия пузырьков, составляющих одиночную цепочку. Для этого определялось время, за которое всплывающий пузырек преодолеет 0,45 м водной толщи (рис. 7, а).

 

Рис. 7. а) графическое представление экспериментов по определению скорости всплытия пузырьков в зависимости от величины их потока; б) графики зависимости скорости всплытия цепочек пузырьков от времени наблюдения. Синяя линия ~40 мл∙м⁻¹, красная линия ~110 мл∙мин⁻¹

Fig. 7. a) graphical interpretation of experiments to determine the rate of bubble velocities depending on the magnitude of their flux; b) graphs of the dependence of the rate of bubbles chains rise on the observation time. Blue line ~40 ml∙m⁻¹, red line ~110 ml∙min⁻¹

 

С помощью формулы (1) была определена скоростью всплытия 546 пузырьков (273 пузырька для потока ~40 мл∙мин⁻¹ и 273 пузырька для ~110 мл∙мин⁻¹ соответственно).

vвс= ltend-tstart,                                                                                                          (1)

где vвс – скорость всплытия пузырька, м∙с⁻¹; l – дистанция, пройденная всплывающим пузырьком, м; tstart – время начала измерения, с; tend – время завершения измерения, с.

В результате проведенной работы был построен график зависимости скорости всплывающих в одиночной цепочке пузырьков от времени (рис. 7, б). Показано, что средняя скорость всплытия пузырьков, выходящих из морского дна в виде цепочки интенсивностью ~40 мл∙мин⁻¹, составляет 24,5±0,5 см∙с⁻¹, а для цепочки пузырьков с интенсивностью ~110 мл∙мин⁻¹ – 30,4 ±0,5 см∙с⁻¹. При этом значение скорости всплытия пузырьков при потоке ~110 мл∙мин⁻¹ на 38 % выше значения скорости всплытия одиночного пузырька такого же размера, определенной экспериментально в работе [33] и равной 24 см∙с⁻¹.

Выводы

Представлено подробное исследование двух разнесенных в пространстве цепочек пузырьков, поступающих из морского дна в воду, с интенсивностями ~40 и ~110 мл∙мин⁻¹. Воспользовавшись видеозаписями, полученными с помощью ПТОК ГНОМ, авторы оценили поток СН4, транспортируемый данными пузырьками из морского дна в придонный слой водного столба, который, с учетом гидростатического давления, составивил 206 мг∙мин⁻¹ для первой цепочки пузырьков (рис. 4, а) и 616 мг∙мин⁻¹ для второй (рис. 4, б).

Для оценки величины СН4, доставляемого данными цепочками до приводных слоев атмосферы, были использованы результаты математического моделирования [33] и экспериментальных исследований, выполненных на специально сконструированном стенде. В результате проведенного моделирования установлено, что с глубины 72 м до поверхности всплывающий со скоростью 24 см∙с⁻¹ пузырек транспортирует 33,6 % метана от изначальных 100 %. При начальном количестве СН4, выделяемого морским дном, и величине его потери при всплытии цепочки всплывающих пузырьков, рассмотренные в данной работе, транспортируют в приводные слои атмосферы 69 мг∙мин⁻¹ и 207 мг∙мин⁻¹ метана.

Для определения вклада локального апвеллинга количество СН4, доставляемого всплывающими пузырьками до приводных слоев атмосферы, в лаборатории были смоделированы цепочки всплывающих пузырьков, максимально приближенные к зарегистрированным в море Лаптевых (рис. 6). В результате выполненных экспериментов было показано, что средняя скорость всплытия пузырьков, выходящих из морского дна в виде цепочки интенсивностью ~40 мл∙мин⁻¹, составляет 24,5±0,5 см∙с⁻¹, а для цепочки пузырьков с интенсивностью ~110 мл∙мин⁻¹ – 30,4±0,5 см∙с⁻¹. Во втором случае значение скорости всплытия на 38 % выше значения скорости всплытия одиночного пузырька, определенной экспериментально [33] и равной 24 см∙с⁻¹. Принимая во внимание данный факт и полагая, что величина газообмена между пузырьком и столбом жидкости постоянная и сохраняется в течение всего времени всплытия, количество СН4, содержащегося во всплывающих с глубины 72 м пузырьках, формирующих первую цепочку (рис. 4, а), в момент их контакта с атмосферой составит 33,6 %. В случае второй цепочки (рис. 4, б) данная величина достигнет 46 %. При этом поток СН4 из донных отложений до приводных слоев атмосферы, с учетом локального апвеллинга, составит 69 мг∙мин⁻¹ и 286 мг∙мин⁻¹ соответственно.

Воспользовавшись методом дистанционной количественной оценки потока СН4 в воду, изложенным в [21], было определено количество СН4, выделяемого сипом, занимающим на морском дне площадь 820 м², в состав которого входят рассмотренные в работе цепочки пузырьков (рис. 8).

 

Рис. 8. Эхограмма газового факела, в границах которого были получены видеозаписи цепочек всплывающих пузырьков

Fig. 8. Echogram of the gas seep, within the boundaries of which the video recordings of rising up bubble chains were obtained

 

Количество СН4, транспортируемого данной областью в придонные слои водного столба, составляет ~40 г∙мин⁻¹. При допущении, что в среднем каждая цепочка пузырьков транспортирует в придонный слой 0,4 г∙мин⁻¹ СН4, данный сип должен состоять не менее чем из 100 подобных цепочек. Основываясь на полученных экспериментальных результатах о скорости всплытия пузырьков, сгруппированных в цепочку, предположим, что средняя их скорость составляет 27,5 см∙с⁻¹. Тогда величина СН4, транспортируемого данным сипом в приводные слои атмосферы с учетом локального апвеллинга, будет достигать 24,5 кг в сутки, или ~9 т в год.

 

***

Благодарности: Работа выполнена при поддержке грантов РНФ (№ 22-67-00025 лабораторные исследования механизмов локального апвеллинга, № 21-77-30001 оценка потока метана из донных отложений в воду), Приоритета 2030 СахГу – СахTech определение величины скорости всплытия пузырьков в зависимости от их интенсивности, Государственного задания № 124022100074-9 вычисление математическими методами величины газообмена, между всплывающим пузырьком и столбом жидкости. Авторы работы выражают благодарность экипажу научно-исследовательского судна «Виктор Буйницкий» за помощь в проведении исследований.

Acknowledgements: The work was supported by grants from the Russian Science Foundation no. 22-67-00025 laboratory studies of the mechanisms of “bubbling” local upwelling; no. 21-77-30001 assessment of the methane release from bottom sediments into the water as well as from the state assignments, Priority 2030 Sakhalin State University – SakhTech determination of the rate of bubble ascent depending on their intensity, no. 124022100074-9 theoretical modeling of the amount of gas exchange between a rising bubble and a water column. The authors of the work express their gratitude to the crew of the research vessel “Viktor Buinitsky” for their assistance in conducting research.

×

About the authors

Denis V. Chernykh

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University
4

Author for correspondence.
Email: denis.chernykh.vl@gmail.com

Cand. Sc., Researcher, Russian Academy of Sciences, Researcher

Russian Federation, 3, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Denis A. Kosmach

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: den_kosmach@mail.ru

Researcher, Researcher

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Natalia E. Shakhova

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences

Email: nataliaeshakhova@gmail.com

Dr. Sc., Professor, Chief Researcher, Russian Academy of Sciences, Chief Researcher

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 38, bld. 1, Leninsky avenue, Moscow, 119334

Alexander S. Salomatin

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences

Email: salomatin@poi.dvo.ru

Cand. Sc., Head of the Laboratory, Russian Academy of Sciences

 

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041

Anatoly N. Salyuk

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: san@poi.dvo.ru

Cand. Sc., Researcher, Researcher Pacific Oceanological Institute

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Anna V. Domaniuk

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: domaniuk.av@poi.dvo.ru

Researcher, Russian Academy of Sciences, Pacific Oceanological Institute

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Eduard A. Spivak

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: stilo@poi.dvo.ru

Cand. Sc., Researcher, Researcher Pacific Oceanological Institute

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Elena V. Gershelis

International Scientific Center in the Field of Ecology and Climate Change Issues, «Sirius»

Email: gershelis.ev@talantiuspeh.ru

Cand. Sc., Executive Director of International Scientific Center in the Field of Ecology and Climate Change Issues, 1, Olympic avenue, "Sirius" Federal Territory

Russian Federation, 1, Olympic avenue, "Sirius" Federal Territory, 354340

Oleg V. Dudarev

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: dudarev@poi.dvo.ru

Dr. Sc., Chief Researcher, Russian Academy of Sciences, Chief Researcher, International Center of the Far–Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Vladislav A. Krasikov

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: krasikov.va@poi.dvo.ru

Researcher

 

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

Roman A. Ananiev

Shirshov institute of oceanology of Russian Academy of Sciences

Email: corer@mail.ru

Researcher

Russian Federation, 36, Nakhimovskiy avenue, Moscow, 117997

Igor P. Semiletov

Pacific Oceanological Institute of Russian Academy of Sciences; International Center of the Far Eastern and Arctic seas named after admiral S.O. Makarov, SakhalinTech – Sakhalin State University

Email: ipsemiletov@gmail.com

Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sc., Professor, Head of the Laboratory, Scientific

Russian Federation, 43, Baltiiskaya street, Vladivostok, 690041; 33, Kommunistichesky avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693000

References

  1. Lalk E., Velez A., Ono S. Methane clumped isotopologue variability from ebullition in a mid–latitude lake. ACS Earth and Space Chemistry, 2024, vol. 8, no. 4, pp. 689‒701. DOI: https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.3c00282.
  2. Cardoso S., Cartwright J. Bubble plumes in nature. Annual Review of Fluid Mechanics, 2024, vol. 56. pp. 295–317.
  3. Leifer I. Decadal cyclical geological atmospheric emissions for a major marine seep field, offshore Coal Oil Point, Southern California. Scientific Reports, 2023, vol. 13, pp. 1‒12. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598–023–28067–4
  4. Malakhova T.V., Artemov Yu.G., Khurchak A.I., Reshetnik L.V., Fedirko A.V., Egorov V.N. Study of the daily dynamics of the vertical distribution of methane in the aerobic zone of the Black Sea in combination with acoustic studies of sound–scattering layers. Marine Hydrophysical Journal, 2023, vol. 39, no. 2, pp. 249–265. (In Russ.)
  5. Veloso-Alarcón M.E., Urban P., Weiss T., Köser K., She M., Greinert J. Quantitatively monitoring bubble–flow at a seep site offshore oregon: field trials and methodological advances for parallel optical and hydroacoustical measurements. Frontiers in Earth Science, 2022, vol. 10, pp. 1‒23. DOI: https://doi.org/10.3389/feart.2022.858992
  6. Turco F., Ladroit Y., Watson S.J., Seabrook S., Law C.S., Crutchley G.J., Mountjoy J., Pecher I.A., Hillman J.I.T., Woelz S., Gorman A.R. Estimates of methane release from gas seeps at the Southern Hikurangi Margin, New Zealand. Frontiers in Earth Science, 2022, vol. 10, pp. 1‒20. DOI: https://doi.org/10.3389/feart.2022.834047
  7. She M., Weiß T., Song Y., Urban P., Greinert J., Köser K. Marine bubble flow quantification using wide–baseline stereo photogrammetry. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2022, vol. 190, pp. 322–341. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2022.06.014
  8. Ruban A., Rudmin M., Mazurov A., Chernykh D., Dudarev O., Semiletov I. Cold-seep carbonates of the Laptev Sea continental slope: Constraints from fluid sources and environment of formation. Chemical Geology, 2022, vol. 610, pp. 121103. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.121103
  9. Mienert J., Berndt C., Camerlenghi A., Tréhu A., Liu C.-S. World atlas of submarine gas hydrates in continental margins. Switzerland, Springer Cham, 2022. 501 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978–3–030–81186–0
  10. Liu Z., Sun B., Wang Z., Chen L., Sun X. Deep ocean bubble transport model coupled with multiple hydrate behavior characteristics. AIChE Journal, 2022, vol. 68, no. 7, pp. e17666. doi: 10.1002/aic.17666
  11. Sauer S., Hong W.-L., Yao H., Lepland A., Klug M., Eichinger F., Himmler T., Crémière A., Panieri G., Schubert C.J., Knies J. Methane transport and sources in an Arctic deep–water cold seep offshore NW Svalbard (Vestnesa Ridge, 79°N). Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2021, vol. 167, pp. 103430. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dsr.2020.103430
  12. Liu C., Xianyin A., Munnecke A., Zhang Y., Zhu T. Hydrocarbon-seep deposits in the lower Permian Angie Formation, Central Lhasa Block, Tibet. Gondwana Research, 2021, vol. 90, pp. 258‒272. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gr.2020.10.017
  13. Li A., Cai F., Wu N., Li Q., Yan G., Sun Y., Dong G., Luo D., Wang X. Gas emissions in a transtensile regime along the western slope of the Mid-Okinawa Trough. Frontiers in Earth Science, 2021, vol. 9, pp. 1‒12. DOI: https://doi.org/10.3389/feart.2021.557634
  14. Fu X., Waite W.F., Ruppel C.D. Hydrate formation on marine seep bubbles and the implications for water column methane dissolution. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2021, vol. 126, no. 9, pp. e2021JC017363. DOI: https://doi.org/10.1029/2021JC017363
  15. Zhao J., Mai D., Zhang H., Wang S. Automatic detection and segmentation on gas plumes from multibeam water column images. Remote Sensing, 2020, vol. 12, no. 18, pp. 3085. DOI: https://doi.org/10.3390/rs12183085
  16. Oppo D., De Siena L., Kemp D. A record of seafloor methane seepage across the last 150 million years. Scientific Reports, 2020, vol. 10, pp. 1–12. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598–020–59431–3
  17. Weidner E., Weber T.C., Mayer L., Jakobsson M., Chernykh D., Semiletov I. A wideband acoustic method for direct assessment of bubble–mediated methane flux. Continental Shelf Research, 2019, vol. 173, pp. 104–115. DOI: https://doi.org/10.1016/j.csr.2018.12.005
  18. Römer M., Hsu C.-W., Loher M., Macdonald I., Ferreira C., Pape T., Mau S., Bohrmann G., Sahling H. Amount and fate of gas and oil discharged at 3400 m water depth from a natural seep site in the Southern Gulf of Mexico. Frontiers in Marine Science, 2019, vol. 6, pp. 1–18. DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2019.00700
  19. Serov P., Vadakkepuliyambatta S., Mienert J., Patton H., Portnov A., Silyakova A., Panieri G., Carroll M.L., Carroll J., Andreassen K., Hubbard A. Postglacial response of Arctic Ocean gas hydrates to climatic amelioration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017, vol. 114, no. 24, pp. 6215–6220. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1619288114
  20. Andreassen K., Hubbard A., Winsborrow M., Patton H., Vadakkepuliyambatta S., Plaza-Faverola A., Gudlaugsson E., Serov P., Deryabin A., Mattingsdal R., Mienert J., Bunz S. Massive blow-out craters formed by hydrate-controlled methane expulsion from the Arctic seafloor. Science, 2017, vol. 356, no. 6341, pp. 948–952. doi: 10.1126/science.aal4500
  21. Shakhova N., Semiletov I., Sergienko V., Lobkovsky L., Yusupov V., Salyuk A., Salomatin A., Chernykh D., Kosmach D., Panteleev G., Nicolsky D., Samarkin V., Joye S., Charkin A., Dudarev O., Meluzov A., Gustafsson O. The East Siberian Arctic Shelf: towards further assessment of permafrost-related methane fluxes and role of sea ice. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2015, vol. 373, no. 2052, pp. 20140451. doi: 10.1098/rsta.2014.0451
  22. Weber T.C., Mayer L., Jerram K., Beaudoin J., Rzhanov Y., Lovalvo D. Acoustic estimates of methane gas flux from the seabed in a 6000 km2 region in the Northern Gulf of Mexico. Geochem. Geophys. Geosyst, 2014, vol. 15, no. 5, pp. 1911–1925. DOI: https://doi.org/10.1002/2014GC005271
  23. Shakhova N., Semiletov I., Leifer I., Sergienko V., Salyuk A., Kosmach D., Chernykh D., Stubbs C., Nicolsky D., Tumskoy V., Gustafsson Ö. Ebullition and storm-induced methane release from the East Siberian Arctic Shelf. Nature Geoscience, 2014, vol. 7, no. 1, pp. 64–70. DOI: https://doi.org/10.1038/ngeo2007
  24. Avdeiko G.P., Gavrilenko G.M., Chertkova L.V. “Volcanologist” explores the underwater torch (On geological surveys of a research vessel in the Pacific Ocean). Nature, 1986, vol. 7, pp. 80–87. (In Russ.)
  25. Obzhirov A.I., Sokolova N.L., Telegin Y.A. Geological conditions of the formation and dissociation of gas hydrates in the Sea of Okhotsk: tectonic and genetic aspects. Lithology and Mineral Resources, 2021, vol. 56, no. 4, pp. 333–342. DOI: https://doi.org/10.1134/S0024490221040064
  26. Jackson R.B., Saunois M., Bousquet P., Canadell J.G., Poulter B., Stavert A.R., Bergamaschi P., Niwa Y., Segers A., Tsuruta A. Increasing anthropogenic methane emissions arise equally from agricultural and fossil fuel sources. Environmental Research Letters, 2020, vol. 15, no. 7, pp. 071002. DOI: https://dx.doi.org/10.1088/1748–9326/ab9ed2
  27. Lan X., Thoning K.W., Dlugokencky E.J. Trends in globally-averaged CH4, N2O, and SF6 determined from NOAA Global Monitoring Laboratory measurements. Version 2024-06. 2024. Available at: https://gml.noaa.gov/ccgg/trends_doi.htmlhttps://doi.org/10.15138/P8XG–AA10 (accessed 10 June 2024).
  28. Dlugokencky E.J., Steele L.P., Lang P.M., Masarie K.A. The growth rate and distribution of atmospheric methane. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1994, vol. 99, no. D8, pp. 17021–17043. DOI: https://doi.org/10.1029/94JD01245
  29. Masarie K.A., Tans P.P. Extension and integration of atmospheric carbon dioxide data into a globally consistent measurement record. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1995, vol. 100, no. D6, pp. 11593–11610. DOI: https://doi.org/10.1029/95JD00859
  30. Shakhova N., Semiletov I., Chuvilin E. Understanding the permafrost-hydrate system and associated methane releases in the East Siberian Arctic Shelf. Geosciences, 2019, vol. 9, no. 6, pp. 251. doi: 10.3390/geosciences9060251
  31. Shakhova N., Semiletov I., Gustafsson O., Sergienko V., Lobkovsky L., Dudarev O., Tumskoy V., Grigoriev M., Mazurov A., Salyuk A., Ananiev R., Koshurnikov A., Kosmach D., Charkin A., Dmitrevsky N., Karnaukh V., Gunar A., Meluzov A., Chernykh D. Current rates and mechanisms of subsea permafrost degradation in the East Siberian Arctic Shelf. Nature Communications, 2017, vol. 8, no. 1, pp. 15872. doi: 10.1038/ncomms15872
  32. Jansson P., Ferré B., Silyakova A., Dølven K.O., Omstedt A. A new numerical model for understanding free and dissolved gas progression toward the atmosphere in aquatic methane seepage systems. Limnology and Oceanography: Methods, 2019, vol. 17, no. 3, pp. 179–239. doi: 10.1002/lom3.10307
  33. McGinnis D.F., Greinert J., Artemov Y., Beaubien S.E., Wüest A. Fate of rising methane bubbles in stratified waters: How much methane reaches the atmosphere? Journal of Geophysical Research: Oceans, 2006, vol. 111, no. C9, pp. 1–15. DOI: https://doi.org/10.1029/2005JC003183
  34. Chernykh D., Shakhova N., Yusupov V., Gershelis E., Morgunov B., Semiletov I. First calibrated methane bubble wintertime observations in the Siberian Arctic Seas: selected results from the fast ice. Geosciences, 2023, vol. 13, no. 8, pp. 228. doi: 10.3390/geosciences13080228
  35. Leifer I., Culling D. Formation of seep bubble plumes in the Coal Oil Point seep field. Geo-Marine Letters, 2010, vol. 30, pp. 339–353. doi: 10.1007/s00367–010–0187–x
  36. Di P., Feng D., Tao J., Chen D. Using time-series videos to quantify methane bubbles flux from natural cold seeps in the South China Sea. Minerals, 2020, vol. 10, no. 3, pp. 1–17. doi: 10.3390/min10030216
  37. You K. Biodegradation of ancient organic carbon fuels seabed methane emission at the Arctic Continental Shelves. Global Biogeochemical Cycles, 2024, vol. 38, no. 2, pp. e2023GB007999. DOI: https://doi.org/10.1029/2023GB007999
  38. Resplandy L., Hogikyan A., Müller J.D., Najjar R.G., Bange H.W., Bianchi D., Weber T., Cai W.-J., Doney S.C., Fennel K., Gehlen M., Hauck J., Lacroix F., Landschützer P., Le Quéré C., Roobaert A., Schwinger J., Berthet S., Bopp L., Chau T.T.T., Dai M., Gruber N., Ilyina T., Kock A., Manizza M., Lachkar Z., Laruelle G.G., Liao E., Lima I.D., Nissen C., Rödenbeck C., Séférian R., Toyama K., Tsujino H., Regnier P. A synthesis of global coastal ocean greenhouse gas fluxes. Global Biogeochemical Cycles, 2024, vol. 38, no. 1, pp. e2023GB007803. DOI: https://doi.org/10.1029/2023GB007803
  39. Mao Y., Lin T., Li H., He R., Ye K., Yu W., He Q. Aerobic methane production by phytoplankton as an important methane source of aquatic ecosystems: reconsidering the global methane budget. Science of The Total Environment, 2024, vol. 907, pp. 167864. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167864
  40. Ordóñez C., DelSontro T., Langenegger T., Donis D., Suarez E.L., McGinnis D.F. Evaluation of the methane paradox in four adjacent pre–alpine lakes across a trophic gradient. Nature Communications, 2023, vol. 14, no. 1, pp. 2165. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467–023–37861–7
  41. Bartosiewicz M., Venetz J., Läubli S., Sepúlveda Steiner O., Bouffard D., Zopfi J., Lehmann M.F. Detritus-hosted methanogenesis sustains the methane paradox in an alpine lake. Limnology and Oceanography, 2023, vol. 68, no. 1, pp. 248–264. DOI: https://doi.org/10.1002/lno.12263
  42. Jacques C., Sapart C.J., Fripiat F., Carnat G., Zhou J., Delille B., Röckmann T., Van der Veen C., Niemann H., Haskell T., Tison J.-L. Sources and sinks of methane in sea ice: Insights from stable isotopes. Elementa: Science of the Anthropocene, 2021, vol. 9, no. 1, pp. 1–21. DOI: https://doi.org/10.1525/elementa.2020.00167
  43. Clift R., Grace J.R., Weber M.E. Bubbles, drops, and particles. New York, Academic Press, 1978. 380 p.
  44. 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, vol. 327, no. 5970, pp. 1246–1250. DOI: doi: 10.1126/science.1182221
  45. Serov P., Mattingsdal R., Winsborrow M., Patton H., Andreassen K. Widespread natural methane and oil leakage from sub-marine Arctic reservoirs. Nature Communications, 2023, vol. 14, no. 1, pp. 1782. doi: 10.1038/s41467–023–37514–9
  46. Chernykh D.V., Salomatin A.S., Yusupov V.I., Shakhova N.E., Kosmach D.A., Dudarev O.V., Gershelis E.V., Silionov V.I., Ananiev R.A., Grinko A.A., Semiletov I.P. Acoustic investigations of the deepest methane seeps in the okhotsk sea. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no. 10, pp. 57–68. doi: 10.18799/24131830/2021/10/3286
  47. Judd A. The global importance and context of methane escape from the seabed. Geo-Mar Lett, 2003, vol. 23, pp. 147–154. doi: 10.1007/s00367–003–0136–z
  48. Dmitrenko I., Hoelemann J., Kirillov S., Berezovskaya S.L., Kassens H. Role of barotropic sealevel changes in current formation on the eastern shelf of the Laptev Sea. Doklady earth sciences, 2001, vol. 377, no. 5, pp. 243–249. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. a) image of seeps detected at East Siberian Arctic Shelf; b) study area with seeps detected in 2011 (red dots) [21]; the hydrological station, where the chains of rising bubbles were recorded, marked with a yellow star

Download (152KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. a) underwater remotely operated vehicle “GNOM”; b) fragments of video recording of bubbles rising from the seabed

Download (113KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Histogram of size distribution of rising bubbles. The number of rising bubbles forming columns is marked at the heights of the columns

Download (66KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Examples of chains of rising bubbles floating from the seabed, with an intensity of: a) 2.0 bubbles per second; b) 6.0 bubbles per second

Download (147KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Graphs of changes in: a) temperature and salinity; green line – salinity, red line – temperature; b) CH4 amount contained in the bubble during rise

Download (84KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Examples of chains of rising bubbles obtained in an experimental stand: a) ~40 ml∙min⁻¹; b) ~110 ml∙min⁻¹

Download (78KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. a) graphical interpretation of experiments to determine the rate of bubble velocities depending on the magnitude of their flux; b) graphs of the dependence of the rate of bubbles chains rise on the observation time. Blue line ~40 ml∙m⁻¹, red line ~110 ml∙min⁻¹

Download (95KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Echogram of the gas seep, within the boundaries of which the video recordings of rising up bubble chains were obtained

Download (160KB)
Indexing metadata


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

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».