METHANE EMISSIONS FROM LAKES AND RESERVOIRS: UNCERTAINTIES DUE TO FORMATION AND BREAK-UP OF THE ICE COVER

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

In terms of contribution to global warming, methane is the second most potent greenhouse gas after carbon dioxide in the Earth’s atmosphere. Freshwater bodies (lakes and reservoirs), being the most significant source of methane on a global scale, are distributed over the Earth’s surface in such a way that bulk of them is covered with ice for several months of the year. During the freeze-up, the water column is getting isolated from the atmosphere so that methane emissions cease or become restricted to open holes and cracks in the ice cover. Methane accumulated both under ice and within ice-trapped gas bubbles is released at spring ice melt. This review article examines in detail the ways of methane release from the bottom of seasonally ice-covered lakes and reservoirs, the mechanisms of methane accumulation in their water column and ice cover as well as under-ice processes facilitating and impeding such an accumulation. Factors controlling methane emissions at spring ice melt and current approaches for estimating the magnitude of these emissions are also discussed. The data systematized in the article can be used for: 1) planning field studies on seasonally ice-covered water bodies throughout winter/spring period; 2) development of process-oriented models that take into account the influence of ice cover on the spatiotemporal carbon dynamics of freshwater ecosystems and methane emissions from these ecosystems.

Авторлар туралы

N. Ustinov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS

Moscow, Russia

S. Agafonova

Lomonosov Moscow State University

Email: sv_ice@list.ru
Moscow, Russia

V. Kazantsev

Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS

Moscow, Russia

Әдебиет тізімі

  1. Бородай Н.И. Материалы к изучению строения ледяного покрова Байкала // Труды Байкальской лимнологической станции. Т. IX. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1939. С. 71–114.
  2. Вайнберг Б.П. Лед. Свойства, возникновение и исчезновение льда. М.; Л.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1940. 524 с.
  3. Верещагин Г.Ю. Газы, выделяющиеся со дна Байкала и на его побережье // Природные газы СССР. Вып. 27б. Л.: Госхимтехиздат. 1933. С. 1–21.
  4. Гранин Н.Г., Гранина Л.З. Газовые гидраты и выходы газов на Байкале // Геология и геофизика. 2002. Т. 43. № 7. С. 629–637.
  5. Калинин В.Г. Зимний режим водохранилищ и его определяющие факторы // Географический вестник. 2012. № 1(20). С. 52–55.
  6. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника, 2-е изд., доп. и перераб. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 462 с.
  7. Сазонов К.Е. Изучение физических свойств льда в России и СССР (конец XIX в. — 1940 г.). Плотность и пористость льда // Проблемы Арктики и Антарктики. 2023. Т. 69. № 4. С. 501–518.
  8. Цуриков В.Л. Наблюдения над ледяным покровом Южного Байкала в 1934 г. // Труды Байкальской лимнологической станции. Т. IX. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1939. С. 23–44.
  9. Bastviken D., Cole J., Pace M., Tranvik L. Methane emissions from lakes: Dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a global estimate // Glob. Biogeochem. Cycles. 2004. V. 18. № 4. P. 1–12.
  10. Bertilsson S., Burgin A., Carey C.C. et al. The under-ice microbiome of seasonally frozen lakes // Limnol. Oceanogr. 2013. V. 58. № 6. P. 1998–2012.
  11. Boereboom T., Depoorter M., Coppens S., Tison J.-L. Gas properties of winter lake ice in Northern Sweden: implication for carbon gas release // Biogeosciences. 2012. V. 9. № 2. P. 827–838.
  12. Bussmann I., Damm E., Schlüter M., Wessels M. Fate of methane bubbles released by pockmarks in Lake Constance // Biogeochemistry. 2012. V. 112. № 1. P. 613–623.
  13. Carte A.E. Air Bubbles in Ice // Proc. Phys. Soc. 1961. V. 77. № 3. P. 757–768.
  14. Deemer B.R., Harrison J.A., Li S., Beaulieu J.J., Del Sontro T., Barros N., Bezerra-Neto J.F., Powers S.M., dos Santos M.A., Vonk J.A. Greenhouse Gas Emissions from Reservoir Water Surfaces: A New Global Synthesis // BioScience. 2016. V. 66. № 11. P. 949–964.
  15. Demarty M., Bastien J., Tremblay A. Carbon dioxide and methane annual emissions from two boreal reservoirs and nearby lakes in Quebec, Canada // Biogeosciences Discuss. 2009. V. 6. № 2. P. 2939 –2963.
  16. Demarty M., Bastien J., Tremblay A. Annual follow-up of carbon dioxide and methane diffusive emissions from two boreal reservoirs and nearby lakes in Québec, Canada // Biogeosciences Discuss. 2010. V. 7. № 4. P. 5429–5461.
  17. Demarty M., Bastien J., Tremblay A. Annual follow-up of gross diffusive carbon dioxide and methane emissions from a boreal reservoir and two nearby lakes in Quebec, Canada // Biogeosciences. 2011. V. 8. № 1. P. 41–53.
  18. Demirbas A. Methane Gas Hydrate. London, UK: Springer, 2010. 186 p.
  19. Denfeld B.A., Baulch H.M., del Giorgio P.A., Hampton S.E., Karlsson J. A synthesis of carbon dioxide and methane dynamics during the ice-covered period of northern lakes // Limnol. Oceanogr. Lett. 2018. V. 3. № 3. P. 117–131.
  20. Duchemin É., Lucotte M., Canuel R., Soumis N. First assessment of methane and carbon dioxide emissions from shallow and deep zones of boreal reservoirs upon ice break‐up // Lakes Reserv.: Res. Manag. 2006. V. 11. № 1. P. 9–19.
  21. Dück Y., Liu L., Lorke A., Ostrovsky I., Katsman R., Jokiel. C. A novel freeze corer for characterization of methane bubbles and assessment of coring disturbances // Limnol. Oceanogr. Methods. 2019. V. 17. № 5. P. 305–319.
  22. Egorov A., Nigmatulin R., Rozhkov A. Temperature effects in deep-water hydrate foam // Heat Mass Transf. 2019. V. 55. № 12. P. 235–246.
  23. Engram M., Anthony K., Sachs T., Kohnert K., Serafimovich A., Grosse G., Meyer F. Remote sensing northern lake methane ebullition // Nat. Clim. Change. 2020. V. 10. № 6. P. 511–517.
  24. Engram M., Anthony K.W., Meyer F.J., Grosse G. Synthetic aperture radar (SAR) backscatter response from methane ebullition bubbles trapped by thermokarst lake ice // Can. J. Remote Sens. 2013. V. 38. № 6. P. 667–682.
  25. Gorsky A.L., Lottig N.R., Stoy P.C., Desai A.R., Dugan H.A. The Importance of Spring Mixing in Evaluating Carbon Dioxide and Methane Flux From a Small North-Temperate Lake in Wisconsin, United States // J. Geophys. Res. Biogeosciences. 2021. V. 126. № 12. P. 1–13.
  26. Granin N.G., Aslamov I.A., Kozlov V.V. et al. Methane hydrate emergence from Lake Baikal: direct observations, modelling, and hydrate footprints in seasonal ice cover // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 1–10.
  27. Greene S., Walter Anthony K.M., Archer D., Sepulveda-Jauregui A., Martinez-Cruz K. Modeling the impediment of methane ebullition bubbles by seasonal lake ice // Biogeosciences. 2014. V. 11. № 23. P. 6791–6811.
  28. Gudasz C., Bastviken D., Steger K., Premke K., Sobek S., Tranvik L.J. Temperature-controlled organic carbon mineralization in lake sediments // Nature. 2010. V. 466. № 7305. P. 478–481.
  29. Hemmingsen E. Permeation of Gases through Ice // Tellus. 1959. V. 11. № 3. P. 355–359.
  30. Hughes-Allen L., Bouchard F., Laurion I. et al. Season al. patterns in greenhouse gas emissions from thermokarst lakes in Central Yakutia (Eastern Siberia) // Limnol. Oceanogr. 2021. V. 66. № S1. P. S98–S116.
  31. Jammet M., Crill P., Dengel S., Friborg T. Large methane emissions from a subarctic lake during spring thaw: Mechanisms and landscape significance // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2015. V. 120. № 11. P. 2289–2305.
  32. Jansen J., Thornton B.F., Jammet M.M., Wik M., Cortés A., Friborg T., MacIntyre S., Crill P.M. Climate-Sensitive Controls on Large Spring Emissions of CH4 and CO2 From Northern Lakes // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2019. V. 124. № 7. P. 2379–2399.
  33. Johnson M.S., Matthews E., Bastviken D., Deemer B., Du J., Genovese V. Spatiotemporal methane emission from global reservoirs // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2021. V. 126. № 8. P. 1–19.
  34. Jin Y., Chen X., Guan H., Zhao H., Yu R., Li Z., Xu S. Bubbles dominated the significant spatiotemporal variability and accumulation of methane concentrations in an ice-covered reservoir // Sci. Total. Environ. 2024. V. 918. P. 170362.
  35. Kankaala P., Huotari J., Peltomaa E., Saloranta T., Ojala A. Methanotrophic activity in relation to methane efflux and total heterotrophic bacterial production in a stratified, humic, boreal lake // Limnol. Oceanogr. 2006. V. 51. № 2. P. 1195–1204.
  36. Kankaala P., Taipale S., Nykänen H., Jones R.I. Oxidation, efflux, and isotopic fractionation of methane during autumnal turnover in a polyhumic, boreal lake // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2007. V. 112. P. 1–7.
  37. Karlsson J., Giesler R., Persson J., Lundin E. High emission of carbon dioxide and methane during ice thaw in high latitude lakes // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. № 6. 1123–1127.
  38. Kazantsev V.S., Krivenok L.A., Dvornikov Y.A. Preliminary data on the methane emission from lake seeps of the Western Siberia permafrost zone // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2020. V. 606. № 1. P. 012022.
  39. Kida M., Khlystov O., Zemskaya T. et al. Coexistence of structure I and II gas hydrates in Lake Baikal suggesting gas sources from microbial and thermogenic origin // Geophys. Res. Lett. 2006. V 33. № 24. P. 1–4.
  40. Krylov A.A., Khlystov O.M., Semenov P.B. et al. Sources of Hydrocarbon Gases in the Kedr Mud Volcano, Southern Basin of Lake Baikal: Results of Experimental Studies // Lithol. Miner. Resour. 2023. V. 58. № 6. P. 534–543.
  41. Kuhlbusch T.A., Zepp R.G. Carbon trace gases in lake and beaver pond ice near Thompson, Manitoba, Canada // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. № D22. P. 27693–27698.
  42. Langenegger T., Vachon D., Donis D., McGinnis D.F. What the bubble knows: Lake methane dynamics revealed by sediment gas bubble composition // Limnol. Oceanogr. 2019. V. 64. № 4. P. 1526–1544.
  43. Langer M., Westermann S., Walter Anthony K., Wischnewski K., Boike J. Frozen ponds: production and storage of methane during the Arctic winter in a lowland tundra landscape in northern Siberia, Lena River delta // Biogeosciences. 2015. V. 12. № 4. P. 977–990.
  44. Laudon H., Sjöblom V., Buffam I., Seibert J., Mörth M. The role of catchment scale and landscape characteristics for runoff generation of boreal streams // J. Hydrol. 2007. V. 344. № 3. P. 198–209.
  45. Leppäranta M. Freezing of lakes and the evolution of their ice cover. Berlin, Heidelberg: Springer, 2015. 301 p.
  46. Li L., Xue B. Methane emissions from northern lakes under climate change: a review // SN Appl. Sci. 2021. V. 3. № 12. P. 1–12.
  47. Lindgren P.R., Grosse G., Walter Anthony K.M., Meyer F.J. Detection and spatiotemporal analysis of methane ebullition on thermokarst lake ice using high-resolution optical aerial imagery // Biogeosciences. 2016. V 13. № 1. P. 27–44.
  48. Lipp G., Körber Ch., Englich S., Hartmann U., Rau G. Investigation of the behavior of dissolved gases during freezing // Cryobiology. 1987. V. 24. № 6. P. 489–503.
  49. Liu L., Wilkinson J., Koca K., Buchmann C., Lorke A. The role of sediment structure in gas bubble storage and release: Sediment Structure Affects Ebullition // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2016. V. 121. № 7. P. 1992–2005.
  50. López Bellido J., Peltomaa E., Ojala A. An urban boreal lake basin as a source of CO 2 and CH4 // Environ. Pollut. 2011. V. 159. № 6. P. 1649–1659.
  51. MacFarling Meure C., Etheridge D., Trudinger C. et al. Law Dome CO 2, CH4 and N2O ice core records extended to 2000 years BP // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. № 14. P. 1–4.
  52. Marcek H.A.M., Lesack L.F.W., Orcutt B.N., Wheat C.G., Dallimore S.R., Geeves K., Lapham L.L. Continuous Dynamics of Dissolved Methane Over 2 Years and its Carbon Isotopes (δ13C, ∆14C) in a Small Arctic Lake in the Mackenzie Delta // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2021. V. 126. № 3. P. 1–23.
  53. Martinez-Cruz K., Sepulveda-Jauregui A., Walter Anthony K., Thalasso F. Geographic and seasonal variation of dissolved methane and aerobic methane oxidation in Alaskan lakes // Biogeosciences. 2015. V. 12. № 15. P. 4595–4606.
  54. 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? / J. Geophys. Res. Oceans. 2006. V. 111. № C9. P. 1–15.
  55. Michmerhuizen C.M., Striegl R.G., McDonald M.E. Potential methane emission from north-temperate lakes following ice melt // Limnol. Oceanogr. 1996. V. 41. № 5. P. 985–991.
  56. Morgunova I., Semenov P., Kursheva A. et al. Molecular Indicators of Sources and Biodegradation of Organic Matter in Sediments of Fluid Discharge Zones of Lake Baikal.// Geosciences. 2022. V. 12. № 2. P. 72.
  57. Negandhi K., Laurion I., Whiticar M.J., Galand P.E., Xu X., Lovejoy C. Small Thaw Ponds: An Unaccounted Source of Methane in the Canadian High Arctic // PLoS ONE. 2013. V. 8. № 11. P. 1–9.
  58. Phelps A.R., Peterson K.M., Jeffries M.O. Methane efflux from high-latitude lakes during spring ice melt // J. Geophys. Res. Atmos. 1998. V. 103. № D22. P. 29029–29036.
  59. Pickrill R.A. Shallow seismic stratigraphy and pockmarks of a hydrothermally influenced lake, Lake Rotoiti, New Zealand // Sedimentology. 1993. V. 40. № 5. P. 813–828.
  60. Pointner G., Bartsch A., Dvornikov Y.A., Kouraev A.V. Mapping potential signs of gas emissions in ice of Lake Neyto, Yamal, Russia, using synthetic aperture radar and multispectral remote sensing data // The Cryosphere. 2021. V. 15. № 4. P. 1907–1929.
  61. Ricão Canelhas M., Denfeld B.A., Weyhenmeyer G.A., Bastviken D., Bertilsson S. Methane oxidation at the water-ice interface of an ice-covered lake // Limnol. Oceanogr. 2016. V. 61. № S1. P. S78–S90.
  62. Rosentreter J.A., Borges A.V., Deemer B.R., Holgerson M.A., Liu S., Song C., Eyre B.D. Half of global methane emissions come from highly variable aquatic ecosystem sources // Nat. Geosci. 2021. V. 14. № 4. P. 225–230.
  63. Saunois M., Martinez A., Poulter B. et al. Global Methane Budget 2000–2020 // Earth Syst. Sci. Data Discuss. [preprint]. 2024. P. 1–147.
  64. Sepulveda-Jauregui A., Walter Anthony K.M., Martinez-Cruz K., Greene S., Thalasso F. Methane and carbon dioxide emissions from 40 lakes along a north–south latitudinal transect in Alaska // Biogeosciences. 2015. V. 12. № 11. P. 3197–3223.
  65. Smith L.K., Lewis Jr.W.M. Seasonality of methane emissions from five lakes and associated wetlands of the Colorado Rockies // Glob. Biogeochem. Cycles. 1992. V. 6. № 4. P. 323–338.
  66. Spangenberg I., Overduin P.P., Damm E. et al. Methane pathways in winter ice of a thermokarst lake–lagoon–coastal water transect in north Siberia // The Cryosphere. 2021. V. 15. № 3. P. 1607–1625.
  67. Stern L.A., Circone S., Kirby S.H., Durham W.B. Anomalous Preservation of Pure Methane Hydrate at 1 atm // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 9. P. 1756–1762.
  68. Striegl R.G., Michmerhuizen C.M. Hydrologic influence on methane and carbon dioxide dynamics at two north-central Minnesota lakes // Limnol. Oceanogr. 1998. V. 43. № 7. P. 1519–1529.
  69. Sundh I., Bastviken D., Tranvik L.J. Abundance, activity, and community structure of pelagic methane-oxidizing bacteria in temperate lakes // Appl. Environ. Microbiol. 2005. V. 71. № 11. P. 6746–6752.
  70. Tang K.W., McGinnis D.F., Frindte K., Brüchert V., Grossart H.-P. Paradox reconsidered: Methane oversaturation in well-oxygenated lake waters // Limnol. Oceanogr. 2014. V. 59. № 1. P. 275–284.
  71. Van Rensbergen P., De Batist M., Klerkx J. et al. Sublacustrine mud volcanoes and methane seeps caused by dissociation of gas hydrates in Lake Baikal // Geology. 2002. V. 30. № 7. P. 631–634.
  72. Walter Anthony K.M., Anthony P. Constraining spatial variability of methane ebullition seeps in thermokarst lakes using point process models // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2013. V. 118. № 3. P. 1015–1034.
  73. Walter Anthony K.M., Vas D.A., Brosius L., Chapin III F.S., Zimov S.A., Zhuang Q. Estimating methane emissions from northern lakes using ice-bubble surveys // Limnol. Oceanogr. Methods. 2010. V. 8. № 11. P. 592–609.
  74. Walter Anthony K.M., Anthony P., Grosse G., Chanton J. Geologic methane seeps along boundaries of Arctic permafrost thaw and melting glaciers // Nat. Geosci. 2012. V. 5. № 6. P. 419–426.
  75. Walter Anthony K.M., Lindgren P., Hanke P. et al. Decadalscale hotspot methane ebullition within lakes following abrupt permafrost thaw // Environ. Res. Lett. 2021. V. 16. № 3. P 1–21.
  76. Walter Anthony, K.M., Daanen R., Anthony P., Schneider von Deimling T., Ping C.-L., Chanton J.P., Grosse G. Methane emissions proportion al.to permafrost carbon thawed in Arctic lakes since the 1950s // Nat. Geosci. 2016. V. 9. № 9. P. 679–682.
  77. Walter K.M., Chanton J.P., Chapin III F.S., Schuur E.a.G., Zimov S.A. Methane production and bubble emissions from arctic lakes: Isotopic implications for source pathways and ages // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2008. V. 113. № G3. P. 1–16.
  78. Walter K.M., Zimov S., Chanton J.P., Verbyla D., Chapin III. F.S. Methane Bubbling From Siberian Thaw Lakes as a Positive Feedback to Climate Warming // Nature. 2006. V. 443. № 7107. P. 71–75.
  79. Wik M., Crill P.M., Bastviken D., Danielsson Å., Norback E. Bubbles trapped in arctic lake ice: Potential implications for methane emissions // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2011. V. 116. № G3. P. 1–10.
  80. Wik M., Varner R.K., Anthony K.W., MacIntyre S., Bastviken D. Climate-sensitive northern lakes and ponds are critical components of methane release // Nat. Geosci. 2016. V. 9. № 2. P. 99–105.
  81. Zhao K., Tedford E.W., Zare M., Lawrence G.A. Impact of atmospheric pressure variations on methane ebullition and lake turbidity during ice-cover // Limnol. Oceanogr. Lett. 2021. V. 6. № 5. P. 253–261 https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/global.html

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу


Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қол жетімді Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 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».