The mechanism of methane emissions during surface freeze in autumn

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Currently, one of the global environmental problems is global warming caused by increased concentrations of greenhouse gases in the atmosphere. Methane is one of the key gases that affect climate change. Methane concentrations in the atmosphere have increased significantly over the past 20 years and continue to increase to this day. Scientists and politicians around the world are concerned about this problem and are looking for ways to solve global warming. Under the general trend of global warming, the study of the characteristics of methane emissions in frozen rocks is of great significance for accurately assessing and predicting the content of greenhouse gases in the atmosphere. The subject of this study is the mechanism of methane emission during surface freezing in autumn. The object of this study is methane emission under freezing conditions. In this paper, a unique software package Solidworks is considered as a method for studying methane emissions, which suggests its use in such areas as engineering geology, permafrost, soil science, etc. The scientific novelty of this study is that it develops the mechanisms of methane emission during temperature changes in autumn from different surfaces: from the surface of water bodies and from the surface of the soil, and the article proposes methods for monitoring this mechanism and managing methane emissions during seasonal cooling. In addition, a comparative table of factors influencing methane emissions in water bodies and soil during surface freezing in autumn is presented. A conclusion is made about the possibility of reducing these factors to a common denominator and applying to all elements of the ecosystem. To develop the mechanisms of methane emissions, this paper examined relevant scientific and experimental studies of the last five to ten years, such as methane measurements in peatlands of China and Japan, on Lake Kortowskie (Poland), in Northern Alaska, in the tundra and in permafrost conditions. The results of this study are the patterns of methane emissions during soil and water freezing in the autumn period. It was revealed that the factors affecting methanogenesis for both soil and water bodies have a similar origin, which is due to the fact that they are located in the same ecosystem.

References

  1. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Электронный ресурс. URL: https://www.ipcc.ch/ (дата обращения: 23.07.2024).
  2. Synthesis Report AR6. Climate Change 2023 // Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Электронный ресурс. URL: https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/resources/spm-headline-statements (дата обращения: 23.07.2024).
  3. Yang M. H., Ya T. D., Hirose N., Hideyuki F. Daily freeze-thaw cycle of the surface soil layer on the Qinghai-Tibet Plateau // Chinese Science Bulletin. 2006. № 51. С. 1974-1976.
  4. Никитина Е. Н. Изменение климата в Арктике: адаптация в ответ на новые вызовы // Контуры глобальных трансформаций: политика, экономика, право. 2019. № 5. С. 177-200. doi: 10.23932/2542-0240-2019-12-5-177-200 EDN: OISKHG.
  5. Влад И. В., Шароватов А. А. Вопросы предотвращения последствий глобального изменения климата в Арктике // Инновации и инвестиции. 2023. № 1. EDN: LFVAWK.
  6. Папцова И. И., Каманин В. М. Воздействие изменения климата на арктические экосистемы и оценки эмиссии парниковых газов при использовании морских судов // Труды Крыловского государственного научного центра. 2021. № S1. doi: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-252-254 EDN: WDGCWV.
  7. 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. V. 167. P. 103430. doi: 10.1016/j.dsr.2020.103430. EDN: PRCHSU.
  8. Бодански Д. Интервенции в области изменения климата Арктики // Международный журнал морского и прибрежного права. 2020. № 35(3). С. 596-617.
  9. Methane, explained. National Geographic. Электронный ресурс. URL: https://www.nationalgeographic.com/environment/global-warming/methane/ (дата обращения: 23.01.2025).
  10. Office of Air and Radiation, US EPA (October 7, 1999). U.S. Methane Emissions 1990-2020: Inventories, Projections, and Opportunities for Reductions (EPA 430-R-99-013). URL: https://www.ourenergypolicy.org/wp-content/uploads/2013/07/EPA-Methane-Emissions-1990-2020.pdf (дата обращения: 04.02.2025).
  11. Руководство пользователя по оценке выбросов углекислого газа, метана и закиси азота в сельском хозяйстве с использованием инструмента государственного кадастра (PDF). URL: https://www.epa.gov/sites/production/files/2017-12/documents/ag_module_users_guide.pdf (дата обращения: 11.02.2025).
  12. Buhaug H., von Uexkull N. Vicious Circles: Violence, Vulnerability, and Climate Change // Annual Review of Environment and Resources. 2021. № 46. doi: 10.1146/annurev-environ-012220-014708. EDN: QDQOJM.
  13. Sorensen P. O., Finzi A. C., Giasson M.-A., Reinmann A. B., Sanders-DeMott R., Templer P. H. Winter soil freeze-thaw cycles lead to reductions in soil microbial biomass and activity not compensated for by soil warming // Soil Biology and Biochemistry. 2018. № 116. С. 39-47. doi: 10.1016/j.soilbio.2017.09.026.
  14. Mastepanov M., Sigsgaard C., Dlugokencky E., Houweling S., Ström L., Tamstorf M., Christensen T. R. Large tundra methane burst during onset of freezing // Nature. 2009. № 456. С. 628-630. doi: 10.1038/nature07464. EDN: MLZBOB.
  15. Arndt K., Oechel W., Goodrich J., Bailey B., Kalhori A., Hashemi J., Sweeney C., Zona D. Increased methane emissions due to later soil freezing in Arctic tundra ecosystems. 2019.
  16. Ли Ч., Брушков А., Чеверев В., Соколов А., Ли К. Эмиссия метана и углекислого газа при замерзании почвы без вечной мерзлоты // Энергии. 2022. № 15. С. 2693. doi: 10.3390/en15072693.
  17. Ragg R., Peeters F., Ingwersen J., Teiber-Sießegger P., Hofmann H. Interannual Variability of Methane Storage and Emission During Autumn Overturn in a Small Lake // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2021. № 126. doi: 10.1029/2021JG006388. EDN: CEEHFB.
  18. Скверавски А. Сезонная и годовая изменчивость выбросов метана в атмосферу с поверхности эвтрофного озера, расположенного в умеренной зоне (озеро Кортовское, Польша). 2024. doi: 10.5194/egusphere-2024-1786.
  19. Kuttim M., Hofsommer M. L., Robroek B. J. M., Signarbieux C., Jassey V. E. J., Laine A. M. Freeze-thaw cycles simultaneously reduce carbon uptake by peatland photosynthesis and ecosystem respiration // Boreal Environ. 2017. № 22. С. 267-276. EDN: YFSEUZ.
  20. Tokida T., Mizoguchi M., Miyazaki T., Kagemoto A., Nagata O., Hatano R. Episodic methane ejection from peatlands during spring thaw // Chemosphere. 2007. № 70. С. 165-171. doi: 10.1016/j.chemosphere.2007.06.042. EDN: LZXJYR.
  21. Mikhailov-Fletcher S., Tans P., Brachwiler L., Miller J., Neumann M. CH4 sources estimated from atmospheric CH4 observations and its C-13/C-12 isotope ratios: 1. Inverse modeling of source processes // Global Biogeochemical Cycles. 2004. Vol. 18. № 18.
  22. Официальный сайт Solidworks. Электронный ресурс. URL: https://www.solidworks.com/ (дата обращения: 11.02.2025).
  23. Черных Д., Саломатин А., Юсупов В., Шахова Н., Космач Д., Дударев О., Гершелис Е., Силионов В., Ананьев Р., Семилетов И. Акустические исследования глубоководных газовых факлов Охотского моря // Вестник Томского политехнического университета "Инжиниринг геологических активов". 2021. № 332. С. 57-68. DOI: 18799/24131830/2021/10/3286.
  24. Лейфер И., Черных Д., Шахова Н., Семилетов И. Оценка потока газа гидролокатором с помощью пузырьковой инсонификации: применение к потоку пузырьков метана из областей просачивания во внешнем море Лаптевых // Криосфера. 2017. Т. 11. № 3. С. 1333-1350.
  25. Макаров М., Муякшин С., Кучер К., Асламов И., Гранин Н. Исследование газового сипа Исток на Селенгинском мелководье активными акустическими, пассивными акустическими и оптическими методами // Журнал исследований Великих озер. 2020. Т. 46. С. 95-101.
  26. Veloso M., Greinert J., Mienert J., De Batist M. A new methodology for quantifying bubble flow rates in deep water using split-beam echosounders: Examples from the Arctic offshore NW-Svalbard // Limnology and Oceanography-Methods. 2015. V. 13. № 6. С. 267-287. doi: 10.1002/lom3.10024. EDN: UONQKV.
  27. Huang Y., Cui J., Zhima Z., Jiang D., Wang X., Wang L. Construction of a Fine Extraction Process for Seismic Methane Anomalies Based on Remote Sensing: The Case of the 6 February 2023, Türkiye-Syria Earthquake // Remote Sensing. 2024. № 16. С. 29-36. doi: 10.3390/rs16162936. EDN: SBPIWR.
  28. Eshkuvatov H., Ahmedov B., Shah M., Begmatova D., Jamjareegulgarn P., Melgarejo-Morales A. Exploring Electromagnetic Wave Propagation Through the Ionosphere Over Seismic Active Zones // Pure Application Geophysics. 2024. № 1-15.
  29. Myrvoll-Nilsen E., Sørbye S. H., Fredriksen H. B., Rue H., Rypdal M. Statistical estimation of global surface temperature response to forcing under the assumption of temporal scaling // Earth System Dynamics. 2020. V. 11. № 2. С. 329-345. doi: 10.5194/esd-11-329-2020. EDN: OAXWBE.
  30. Von Uexkull N., Buhaug H. Security implications of climate change: A decade of scientific progress // Journal of Peace Research. 2021. № 58(1). С. 3-17. doi: 10.1177/0022343320984210. EDN: ZVWXNW.
  31. Yang Zao, Zhu Dan, Liu Liangfeng, Liu Xinwei, Chen Huai. The Effects of Freeze-Thaw Cycles on Methane Emissions From Peat Soils of a High-Altitude Peatland // Frontiers in Earth Science. 2022. № 10. doi: 10.3389/feart.2022.850220. EDN: MUAYOF.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».