Methane emissions from the East Siberian Arctic Shelf inferred from accurate observations of atmospheric methane mole fractions

Abstract

In the Arctic, vast carbon reservoirs are preserved by cold climate conditions. Due to climate change, they are at risk of degradation, which could lead to increased levels of greenhouse gases in the atmosphere. One of these reservoirs is the seabed of the East Siberian Arctic Shelf (ESAS), which has in recent years attracted attention as a potentially large source of methane (CH4) to the atmosphere, both at present and in warmer conditions projected by climate models for the coming decades. Yet, estimates of the current annual CH4 outgassing of the shelf as well as key controls of the emissions are highly uncertain. One reason for the uncertainties is limited data coverage. Thus, this work aims at (1) improving the data availability on CH4 emissions from the East Siberian Arctic Shelf and (2) estimating current CH4 emissions from this region to the atmosphere. To achieve the first goal, an observation station for atmospheric greenhouse gases was established in the remote locality Ambarchik at the coast of the East Siberian Sea. The station Ambarchik operates continuously since it was established in August 2014 and provides accurate CO2 and CH4 data suitable for estimating the sources and sinks of these gases via inverse modeling of atmospheric transport. As a side product of the calibration efforts of Ambarchik data, an improvement of the accuracy of measurements of greenhouse gas mole fractions in humid air with the widely used instruments manufactured by Picarro, Inc. was achieved. To achieve the second goal, data obtained at Ambarchik were used together with data from other sites to estimate CH4 emissions from the ESAS to the atmosphere via an inverse model of atmospheric CH4 transport. Results indicate that the ESAS CH4 emission budget is on the low end of literature estimates (0.4–1.5 Tg CH4/yr compared to 0–17 Tg; 1 Tg = 1e12 g). Retrieved spatial emission patterns indicate emissions originate predominantly from shallow areas of the ESAS. Seasonal variations indicate potentially large emissions during fall, continued emissions during the ice-covered period, and limited emissions during ice melt. While this allowed some speculation on the underlying emission controls, the explanatory power of the retrieved spatiotemporal emission patterns was limited by limitations of the atmospheric data coverage and the model. Overall, the estimated budget indicates that the relevance of the ESAS for the present global atmospheric CH4 budget is small.

In der Arktis sind enorme Kohlenstoffreservoire durch das kalte Klima konserviert. Durch den Klimawandel droht ihre Zersetzung, was zu einer Erhöhung des Treibhausgasgehalts in der Atmosphäre führen könnte. Eines dieser Reservoire ist der Meeresboden des Ostsibirischen Arktischen Schelfs, das in den letzten Jahren Beachtung als möglicherweise starke Quelle für Methan in der Atmosphäre auf sich gezogen hat, sowohl gegenwärtig als auch in wärmeren Bedingungen die von Klimamodellen für die kommenden Jahrzehnte vorhergesagt werden. Dennoch sind Abschätzungen der momentanen jährlichen Methanausgasung des Schelfs sowie maßgebliche Einflüsse von denen die Emissionen gesteuert werden höchst unsicher. Ein Grund für die Unsicherheiten ist die beschränkte Datenabdeckung. Deshalb zielt diese Arbeit darauf ab, (1) die Datenlage über Methanemissionen des Ostsibirischen Arktischen Schelfs zu verbessern und (2) die momentanen Methanemissionen aus dieser Region abzuschätzen. Um das erste Ziel zu erreichen wurde eine Beobachtungsstation für Treibhausgase in der Atmosphäre im abgelegenen Ort Ambarchik an der Küste der Ostsibirischen See eingerichtet. Die Station Ambarchik arbeitet kontinuierlich seit ihrer Einrichtung im August 2014 und liefert genaue CO2- und CH4-Daten die geeignet sind um die Quellen und Senken dieser Gase mittels inverser Modellierung des atmosphärischen Transports abzuschätzen. Als Nebenprodukt der Bemühungen um die Kalibration der Ambarchik-Daten wurde eine Verbesserung der Genauigkeit von Messungen des Stoffmengengehaltes von Treibhausgasen in feuchter Luft mit den weithin genutzten Instrumenten von Picarro, Inc. erreicht. Um das zweite Ziel zu erreichen wurden die in Ambarchik gewonnen Daten zusammen mit Daten anderer Stationen genutzt um Methanemissionen vom Ostsibirischen Arktischen Schelf in die Atmosphäre mittels eines inversen Modells des atmosphärischen Methantransports abzuschätzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Methanemissionen des Schelfs am unteren Ende der Abschätzungen in der Fachliteratur liegen (0.4–1.5 Tg CH4 pro Jahr gegenüber 0–17 Tg; 1 Tg = 1e12 g). Erfasste räumliche Muster deuten darauf hin dass die Emissionen vorwiegend von flachen Bereichen des Schelfs stammen. Zeitliche Variationen deuten auf möglicherweise hohe Emissionen im Herbst, fortgesetzte Emissionen während der eisbedeckten Periode, und begrenzte Emissionen während der Eisschmelze hin. Während dies Spekulationen über die zugrundeliegenden steuernden Einflüsse erlaubte, war die Aussagekraft der räumlichen und zeitlichen Emissionsmuster begrenzt aufgrund von Limitierungen der Datenlage und des Modells. Insgesamt deutet das abgeschätzte Budget darauf hin, dass das Ostsibirische Arktische Schelf derzeit für den globalen atmosphärischen Methanhaushalt von geringer Bedeutung ist.