Огромните кратери във вечната замръзналост на Сибир може би най-накрая имат категорично обяснение. Те се образуват, когато разстопената вода от размразяването на вечната замръзналост проникне под налягане до източници на метан в дълбочина предизвика внезапно експлозивно освобождаване на газа, което отваря огромни кратери на повърхността.

Загадъчните кратери са с дълбочина 50 метра и ширина до 70 м и се появяват за първи път на полуостровите Ямал и Гидан в Русия през 2014 г. Парчетата скала и лед, разпръснати около кратерите, показват, че са причинени от гигантски експлозии. Тези странни кратери никога не са били намирани другаде в Арктика.

От 2014 г. повече от 20 такива кратера са експлодирали, осейвайки пейзажа на полуостровите Ямал и Гидан в северозападен Сибир. Последиците от последната експлозия са открити през август.

Сега ново изследване може най-накрая да обяснява защо тези експлозии се случват само в Сибир.

Първият наблюдаван кратер във вечната замръзналост, открит през 2014 г. на полуостров Ямал, Сибир. Кредит: Morgado et al. Geophysical Research Letters

Случаят с експлодиращия вечен лед

В случая са "много, много специфични условия, подчертава съавторът на изследването Ана Моргадо (Ana Morgado), докторант и инженер-химик в университета в Кеймбридж, Великобритания. "Говорим за много нишово геоложко пространство.“

Без значение колко са нишови, експлозиите могат да предизвикат обратна връзка, водеща до още огромни изпускания на мощния парников газ метан.

"Това може да е много рядко срещано явление", коментира Моргадо. "Но количеството метан, което се отделя, може да има доста голямо влияние върху глобалното затопляне."

Учените отдавана са единодушни, че кратерите се образуват, когато газове, уловени под тундрата - включително метан - се натрупват под земята, причинявайки появата на издутина на повърхността. Когато налягането отдолу надхвърли тежестта на почвата отгоре, издутината експлодира, изригвайки газове.

Това, което все още подлежи на дебат, са по-специфичните механизми на Сибир за това как се изгражда налягането и откъде точно идва газът.

Много обяснения за кратерите се появиха през последните 10 години, приписвайки експлозиите на натрупване на газ метан под земята поради топенето на вечната замръзналост или на близостта на кратерите до запаси от природен газ.

Но авторите откриват, че затоплянето на вечната замръзналост само по себе си не би било достатъчно, за да предизвика експлозия. Новото обяснение гласи, че затоплянето на повърхността води до бърза промяна на налягането дълбоко под земята, причинявайки освобождаването на експлозивен газ метан.

“Знаехме, че нещо причинява разлагането на метановия хидратен слой", казва Моргадо. “Това е малко като детективска работа.“

Новото проучване установява, че необичайната геология на региона, съчетана със затоплянето на климата, е стартирала процес, който е довел до освобождаване на газа метан от метанови хидрати във вечната замръзналост (пермафрост).

Метановият хидрат е твърдо съединение, в което голямо количество молекули метанов газ (CH4) са затворени в кристална структура на вода, както е показано на схемата вдясно, при ниска температура и високо налягане, образувайки твърдо вещество, подобно на лед. Кредит: Liang Cui, Subhamoy Bhattacharya, Managing Global Warming, 2019

Осмозата предизвиква експлозии

Изследователите решават пъзела отдолу нагоре, като първо разглеждат основния въпрос: Дали експлозиите са причинени от физически или химически процеси?

"Има само два начина, по които може да се предизвика експлозия", обяснява Джулиан Картрайт (Julyan Cartwrigh), геофизик в Испанския национален съвет за научни изследвания и един от авторите на изследването. "Или протича химическа реакция и има експлозия като взривяване на динамит, или се помпа като гумата на велосипед, докато се взриви – това е физика."

В този случай няма доказателства, че експлозиите са причинени от химически реакции, така че трябва да има физически източник. “И тогава трябва да помислим каква е помпата, която помпа гумата на велосипедм?", разказва изследователят.

Авторите смятат, че помпата е осмозата - начинът, по който течността се движи, за да изравни концентрацията на веществата, разтворени в нея. Солената вода е класически пример. Ако съществува бариера, която ще позволи да премине водата, но не и солта, налягането може да се увеличи върху солената страна, докато водата тече към нея.

Дебелият глинест пермафрост на полуостров Ямал действа като осмотична бариера - и затоплянето я променя. Този слой с дебелина от 180 до 300 метра остава постоянно замръзнал през цялата година. “Активен слой“ от горния слой на почвата над него се размразява и замръзва отново сезонно.

Разпръснати из цялата тундра и притиснати във вечната замръзналост лежат необичайни, дебели един метър слоеве от незамръзнала вода с висока соленост, наречена крипогеги, поддържана течна чрез комбинация от налягане и соленост. Под криопегите се намира слой от кристализирани твърди частици метанови хидрати, които се поддържат стабилни от високото налягане и ниската температура.

Затоплянето причинява топене в активния слой, който се разширява по-дълбоко в пермафрост. След това разстопената вода навлиза в соления криопег чрез осмоза, причинявайки разширяването на криопего, което напуква покриващата го вечна замръзналост. Когато тези пукнатини достигнат повърхността, бързото намаляване на налягането в криопега уврежда метановите хидрати отдолу и предизвиква бърза физическа експлозия. Изображенията не са в мащаб. Кредит: AGU/Madeline Reinsel

Но по-високите температури дестабилизират тези слоеве. Изменението на климата е накарало активния слой да се стопи и да се разшири надолу, докато достигне криопега, освобождавайки вода, която се движи чрез осмотично налягане в криопега, установяват изследователите.

Но в криопегите няма достатъчно място, за да задържи допълнителната разстопена вода, под налягане от осмозата, така че налягането се увеличава. Увеличаващото се налягане създава пукнатини в почвата, които се разширяват нагоре от криопега към повърхността. След това градиентът на налягането се обръща: напуканата почва причинява внезапен спад на налягането в дълбочина. Тази промяна на налягането уврежда метановите хидрати под криопега, което причинява освобождаване на газ метан и физическа експлозия.

Проучването установява, че подготовката за експлозията може да продължи десетилетия. Така явлението съответства на нарастващото затопляне на климата, започвало през 80-те години.

Новото обяснение показва как затоплянето на климата и геологията на региона си взаимодействат, за да създадат експлозиите, които са уникални за полуостров Ямал.

Справка: Osmosis Drives Explosions and Methane Release in Siberian Permafrost; Ana M. O. Morgado, Luis A. M. Rocha, Julyan H. E. Cartwright, Silvana S. S. Cardoso;  Geophysical Research Letters  2024 https://doi.org/10.1029/2024GL108987