Сезонная и вертикальная изменчивость концентрации метана над мерзлотными экосистемами Центральной Якутии

Изменения климата привели к быстрым изменениям окружающей среды в регионах многолетней мерзлоты. По прогнозам МГЭИК, в будущем ожидается продолжение глобального потепления (IPCC, 2023). Повышение температуры может иметь важные последствия для стабильности многолетнемерзлых почв, в которых, как считается, хранится в два раза больше углерода, чем в настоящее время в атмосфере (Schuur et al., 2022; Biskaborn et al., 2019). Особо значимы сибирские мерзлотные почвы с их огромными запасами органического углерода (Dolman et al., 2012; Шепелев и др., 2024). Поскольку разложение органического вещества в значительной степени определяется состоянием многолетней мерзлоты, существует риск, что при ее оттаивании большая часть хранящегося углерода высвободится в атмосферу (Zhang et al., 2023; Mu et al., 2020; Blok et al., 2010; Максимов, 2007). Таким образом будут запущены процессы обратных связей между климатическими изменениями и высвобождением почвенного углерода (Wang et al., 2024; Natali et al., 2015).

В бассейне реки Лена на протяжении тысячелетий накапливались значительные запасы углерода в озерных отложениях, а также в почвах водно-болотных угодий, лесов и тундры. Этому способствовали низкие температуры в северных широтах, которые подавляют разложение органического вещества микроорганизмами (Delwiche et al., 2021). За последние 60 лет среднегодовая температура воздуха в Центральной Якутии повысилась на 2.9 °С (Desyatkin et al., 2025). При этом, согласно детальному анализу данных 18 метеорологических станций, наиболее быстрые темпы прироста отмечаются в весенний и осенний сезоны (Salehnia et al., 2025). С потеплением климата и деградацией мерзлоты законсервированный углерод становится уязвимым. В осадочных низменностях с многолетней мерзлотой образуются термокарстовые (аласные) озера, расширение этих озер приводит к увеличению эмиссии углерода в виде метана. Проведенные на территории Якутии исследования позволили установить, что «горячими точками» положительного потока СН4 также являются эвтрофные озера и их берега (van Huissteden et al., 2008, 2011).

Исследования на станции «Спасская падь» выявили, что лесные участки демонстрируют отрицательные потоки метана, что свидетельствует о поглощении СН4 из атмосферы метанотрофными организмами (van Huissteden et al., 2008). В свою очередь, Карсанаев и соавторы (2022) в результате камерных измерений потоков метана в тундровых экосистемах севера Якутии установили, что в мерзлотных экосистемах важную роль играют сфагновые мхи (Sphagnum sp.). Метанотрофные организмы в симбиозе со сфагнумом обеспечивают снижение общего выброса метана на 50 %. Учитывая широкое распространение сфагновых мхов в лесах Центральной Якутии, можно предположить, что аналогичный механизм играет роль и в районе исследования.

Возрастающий интерес к концентрации метана в атмосфере обусловлен тем, что скорость роста концентрации метана примерно в 2–4 раза выше, чем у СО2. Это ставит метан на второе место по значимости после углекислого газа (Семилетов, Шахова, 2024). По данным GML NOAA, в ноябре 2025 г. среднемесячное значение составило 1945.85 ppb (NOAA GML, 2026). По сравнению с доинду-стриальным уровнем СН4 ∼722 ppb в 1750 г. (IPCC, 2021) рост концентрации в атмосфере составляет более чем в два раза.

В связи с климатической значимостью метана и необходимостью оценки вклада сибирских экосистем в глобальный углеродный баланс в Якутии были проведены самолетные исследования в рамках проекта JR-Station. Общие принципы организации измерений сети наблюдений представлены в работах Sasakawa et al. (2010, 2025). Результаты программы над территорией Сибири представлены в работах Аршинова и соавт. (2018), Антохиной и соавт. (2019), Антоновича и соавт. (2022), Belikov et al. (2019).

Несмотря на активные исследования потоков метана на поверхности и наличие данных для некоторых регионов Сибири, систематические наблюдения над вертикальным распределением метана в атмосфере над Центральной Якутией остаются крайне ограниченными. Такие данные позволят определить региональный вклад мерзлотных экосистем в глобальный бюджет метана, а также верифицировать модели переноса парниковых газов. Цель настоящей работы заключается в анализе данных концентрации метана в атмосфере над Центральной Якутией, полученных в ходе самолетных измерений в 2017–2021 гг., для характеристики сезонной динамики, вертикального распределения, изменения концентрации за исследуемый период и сравнения локальных концентраций с глобальным фоном.

Материалы

Объектом исследования является содержание метана в атмосфере над мерзлотными ландшафтами Центральной Якутии. Для определения условий формирования наблюдаемых концентраций метана далее приводится характеристика региона. Растительность региона представлена сочетанием хвойных, мелколиственных лесов, кустарниковых зарослей, луговых сообществ и сельскохозяйственных угодий (Ефимова, 2011). Климатические особенности определяются географическим положением, образованием зимой мощного антициклона, свободным вторжением арктического воздуха, малой доступностью теплых и влажных воздушных масс с востока и юга, а также сложным рельефом (Чевычелов и др., 2022). Засушливый климат способствует развитию в Якутии аласных ландшафтов, формирующих замкнутые экосистемы. Площадь активных термокарстовых впадин (аласов) в Центрально-Якутской низменности составляет около 20–30 % от всей ее территории (Desyatkin et al., 2023). Согласно Соловьеву (1973, цит. по Desyatkin et al., 2025), территория находится в зоне сплошной многолетней мерзлоты мощностью от 10–50 до 400 м и более. В современных исследованиях отмечается, что повышающаяся из года в год температура воздуха усиливает прогревание сезонноталого слоя почвы и увеличивает глубину протаивания (Desyatkin et al., 2025; Tei et al., 2013). Водная сеть представлена рекой Леной, ее притоками, а также малыми и средними реками, чей сток изменился за последние десятилетия в связи с изменением климата (Andreeva, Lebedeva, 2025). В Якутии термокарстовые озера составляют около 80 % всех озер. За 2000–2019 гг. их площадь в бассейнах рек Суола и Таатта увеличилась в два раза, что, скорее всего, связано с активацией криогенных процессов (Нестерова и др., 2021).

Самолетный мониторинг проводился над лесной научной станцией «Спасская падь», расположенной в 30 км к северу от г. Якутска, на левом берегу реки Лена. Высота местности составляет около 220 м. Станция основана в 1952 г., находится в ведении Института биологических проблем криолитозоны СО РАН с 1992 г. На станции ведутся исследования по физиологии и биохимии растений, метеорологии и почвоведению. Общая площадь исследуемой территории составляет 441 га, где доминируют сухие лиственничные леса, озера встречаются локально. Территория лесного стационара типична для равнинных лесов Центральной Якутии. Типы леса представлены здесь брусничными лиственничниками (Laricetum vacciniosum), толокнянковыми сосняками (Pinetum arctostaphylosum) и разнотравными березняками (Betuletum mixtoherbosum). Основная лесообразующая порода на станции – лиственница Гмелина – Каяндера (Larix gmelinii/Larix cajanderi) (89 %), также встречаются сосна (2 %) и береза (9 %). Возраст лиственниц первого яруса составляет 170–180 лет, высота деревьев 18–20 м. Во втором ярусе произрастают молодняк лиственницы, береза и шиповник (Оконешникова и др., 2018; Ohta et al., 2001). Особенностью возрастной структуры лесных экосистем на станции «Спасская падь» является преобладание спелых и перестойных древостоев, на долю которых приходится 65 % (Максимов, 2007). Почвообразующими породами под лиственничными лесами «Спасской пади» служат песчано-суглинистые карбонатные отложения (Оконешникова и др., 2018).

Методы

Измерения концентрации над научной станцией «Спасская падь» (Центральная Якутия) проводились каждый месяц в дневное время с помощью самолетного мониторинга на высотах 500–3000 м. В те же дни выполнялся отбор проб воздуха с метеорологической вышки высотой 34 м. На каждой высоте образцы воздуха отбирались поршневым насосом в стеклянные колбы объемом 1 литр, которые предварительно продувались около минуты. Результаты определялись на газовом хроматографе GC-8A, Shimadzu (Япония).

За период 2017–2021 гг. общий объем выборки составил 40 измерений: 24 измерения в теплый период (апрель – сентябрь) и 16 измерений в холодный период (октябрь – март). Основным ограничением является неравномерное распределение измерений по сезонам. Отсутствие измерений в отдельные месяцы также может влиять на репрезентативность сезонных средних. Тем не менее распределение измерений в целом охватывает ключевые месяцы каждого сезона, что позволяет считать полученные результаты адекватными. Статистическая обработка выполнена с применением методов описательной статистики (расчет средних арифметических, минимальных и максимальных значений) и анализа временных рядов (оценка темпа роста концентраций за исследуемый период). Данные обработаны в Excel и визуализированы в среде Phyton.

Результаты

Данные концентрации метана на высотах от 34 до 3000 м над Центральной Якутией за 2017–2021 гг. представлены на рис. 1. Диапазон средних значений по всем высотам варьирует в пределах 1920–2060 ppb.

Концентрация метана демонстрирует се- зонный ход: минимальные значения фиксируются в теплый период, максимальные – в холодный. Снижение концентрации метана начинается весной (апрель) и достигает минимума в мае – июне в пределах 1920–1990 ppb. Теплый период длится до конца сентября, далее средние значения концентрации возрастают и достигают максимума в диапазоне 1970–2060 ppb в разные месяцы холодного периода.

Концентрация метана (СН») на разных высотах над Центральной Якутией

Дата

Рис. 1. Динамика концентрации метана на разных высотах (34–3000 м) над Центральной Якутией за 2017–2021 гг.

Fig. 1. The dynamics of methane concentration at different altitudes (34–3000 m) over Central Yakutia for 2017–2021

Анализ временного ряда за 2017–2021 гг. выявил общий рост средних концентраций метана на 92.7 ppb, среднегодовой прирост составил 18.5 ppb. Прирост средних значений концентрации метана отмечается как в теплый период, так и в холодный (табл. 1). В теплый период темп прироста составил 4.5

% (более 80 ppb), опережая холодный период с темпом 3.3 % (более 60 ppb). В 2021 г. фиксируется значительный прирост относительно 2020 г.: +54 ppb в теплый период и +37 ppb в холодный период, что в 2–3 раза превышает среднегодовые значения предыдущих лет.

Таблица 1. Средние концентрации метана по годам и сезонам, ppb

	Теплый период (ppb)	Холодный период (ppb)	Разница (ppb)
2017	1934.9	–	–
2018	1945.9	1965.9	+20.0
2019	1956.6	1989.6	+33.1
2020	1967.9	1995.1	+27.3
2021	2022.2	2031.6	+9.4

При анализе вертикального распределения метана (рис. 2) выявлено, что в исследуемый период максимальные значения концентрации метана фиксируются на высотах 34 м и 100 м (26 измерений из 40 наблюдений), большей частью на высоте 34 м. При этом диапазон значений широкий. С увеличением высоты концентрация мета- на снижается и становится более стабильной. Минимальные концентрации метана фиксируются на высоте 2000–3000 м (33 измерения из 40 наблюдений). Такая картина наблюдается как в теплый, так и в холодный период. Белые ячейки на рис. 2 соответствуют отсутствию данных.

Рис. 2. Вертикальное распределение метана на высотах 34–3000 м за 2017–2021 гг.

Fig. 2. Vertical distribution of methane at altitudes of 34–3000 m for the period 2017–2021

За исследуемый период минимальная концентрация 1907.3 ppb зафиксирована на высоте 3000 м в июне 2017 г. Максимальное значение отмечено на высоте 500 м, оно составило 2094.9 ppb в сентябре 2021 г. Отсутствие измерений на высоте 34 м в сентябре 2021 г. не позволяет сопоставить значение на высоте 500 м с приземным слоем в этот период.

2017–2021 гг. Ноябрьские концентрации выше июньских в обоих наборах данных. Отсутствие данных за ноябрь 2017–2018 гг. в Якутии ограничивает анализ, но имеющиеся данные показывают, что локальные концентрации метана в Якутии выше глобальных фоновых значений (NOAA). В июне это превышение составляет около 80–111 ppb, в ноябре – 100–120 ppb. При этом в 2021 г. резко сократилась амплитуда между зимними и летними значениями – с 43.5 ppb в 2019 г. до 29.9 ppb в 2021 г.

Таблица 2. Средние значения концентрации метана по данным станции «Спасская падь» и фонового мониторинга GML NOAA, ppb

	Данные станции «Спасская падь»	Данные GML NOAA	Данные станции «Спасская падь»		Данные GML NOAA
Июнь 2017	1919.6	1842.9	Ноябрь 2017	–	1858.6
Июнь 2018	1931.2	1851.9	Ноябрь 2018	–	1866.2
Июнь 2019	1940.7	1858.6	Ноябрь 2019	1984.2	1875.6
Июнь 2020	1949.7	1871.9	Ноябрь 2020	2000.4	1891.5
Июнь 2021	1999.1	1888.1	Ноябрь 2021	2029.0	1909.2

Обсуждение

Полученные данные показывают устойчивый сезонный ход концентрации метана, минимальные значения фиксируются в теплый период (апрель – сентябрь), максимальные – в холодный (октябрь – март). Летнее снижение концентрации метана над Центральной Якутией может быть обусловлено деятельностью метанотрофных организмов в лиственничных лесах (van Huissteden et al., 2008) и сфагновыми мхами (Карсанаев и др., 2022). В зимний период при отсутствии биологической активности в районе исследования преобладающее значение приобретают антропогенные источники. К аналогичному выводу о доминировании антропогенных источников в холодное время года приходят и авторы исследований в арктической зоне (Панов и др., 2022).

Сезонная амплитуда составляет 20–30 ppb (2018–2020 гг.), что значительно ниже значений, характерных для Западной Сибири. По данным Аршинова и соав. (2009), амплитуда годового хода метана в Западной Сибири превышает 100 ppb и может достигать 200 ppb. Это различие объясняется преобладанием в Центральной Якутии сухих лиственничных лесов и незначительной долей термокарстовых и эвтрофных озер. В зимний период происходит накопление метана в условиях зимней инверсии, антициклона и слабого ветра. В 2021 г. отмечаются максимальные значения концентрации метана в атмосфере за весь исследуемый период и резкое сокращение сезонной амплитуды. Это может быть связано с резким ростом лесных пожаров. По данным Рослесхоза, площадь лесных пожаров в 2021 г. была рекордной за последние более 10 лет (Андреев, 2021) и составила около 8 млн га, тогда как в 2019 г. – 3.9 млн га (https://rosleshoz. .

Анализ вертикального профиля позволяет выделить два характерных слоя. В приземном слое (34–100 м) концентрация метана максимальна и наиболее изменчива, что указывает на определяющую роль локальных процессов. С увеличением высоты концентрация снижается и становится более стабильной, достигая минимальных значений на высотах 2000–3000 м, где доминируют фоновые значения, формируемые глобальными атмосферными процессами. Эти результаты согласуются с данными самолетного зондирования над Западной Сибирью, в ходе которого также отмечены снижение и сглаживание концентрации метана с высотой (Антохина и др., 2019).

Ветровой режим в районе исследований также вносит вклад в сезонную изменчивость концентрации метана в атмосфере. По данным датчика ветра Vaisala (Финляндия), установленного на станции «Спасская падь», за 2018–2021 гг. в холодный период устойчиво преобладали ветры северо-западного направления (47 %). В теплый период доля северо-западного сектора снизилась до 31 %, при этом доля юго-восточного возросла до 27 %. Средняя скорость ветра в холодный период составила 1.7 м/с, в теплый – 2.17 м/с. Доля слабого ветра менее 1.5 м/с зимой составила 50 % против 35 % летом. В холодный период скорость ветра >2.5 м/с зарегистрирована в 19 % случаев, тогда как в теплый почти в два раза чаще. Таким образом, в теплый период движения воздушных масс более изменчивы и скорость выше, что способствовало рассеиванию метана. В холодный период сочетание устойчивого северо-западного переноса с преобладанием слабых ветров создало благоприятные условия для накопления метана в приземном слое (рис. 3, табл. 3).

Рис. 3. Роза ветров теплого (А) и холодного (Б) периодов 2018–2021 гг.

Fig. 2. Wind rose for the warm (А) and cold (Б) periods of 2018-2021.

Таблица 3. Распределение направлений ветра (%) по сезонам за 2018–2021 гг.

	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
Холодный период	3.1	2.2	5.5	19.0	8.6	6.1	8.3	47.1
Теплый период	6.9	3.3	6.3	27.4	12.6	4.6	7.0	31.8

За исследуемый период 2017–2021 гг. анализ полученных самолетных данных над научной станцией «Спасская падь» (Центральная Якутия) выявлен устойчивый рост концентрации метана, что согласуется с глобальным трендом NOAA. При этом локальные концентрации превышают фоновые, что указывает на вклад региональных природных источников, таких как водно-болотные угодья (East et al., 2024) и деградация мерзлоты. Прогнозируемое расширение термокарстовых озер, как показано в работах для территории Якутии, будет серьезно влиять на экосистемы многолетней мерзлоты и инфраструктуру региона (van Huissteden et al., 2011).