Таяние вечной мерзлоты и его влияние на климат

Пейзаж арктической тундры летом. Фото представлено автором

Глобальные изменения приводят к изменению погодных условий на региональном, континентальном и полушаровом уровнях. Одним из регионов, наиболее уязвимых к изменению климата, является Арктика, которая в последние десятилетия нагревалась почти в четыре раза быстрее, чем остальная часть планеты.

В арктических регионах сосредоточены крупнейшие в мире запасы органического углерода и азота, связанные с вечной мерзлотой.

Что такое вечная мерзлота?

Вечная мерзлота – это слой под поверхностью Земли, температура которого остается на уровне или ниже 0°C в течение как минимум двух лет подряд. Она может находиться как на суше, так и на дне океана.

Под «активным слоем» вечной мерзлоты понимается поверхностный слой, который оттаивает летом и замерзает осенью, толщина которого зависит от региона, где он расположен. В северном полушарии она занимает около 23 млн км² (более чем в два раза больше площади Европы) и обязана своим происхождением оледенениям, происходившим в плейстоцене. Вечная мерзлота удерживала отмершие остатки растений и гумус до того, как они начали разлагаться, а значит, и органический углерод и азот.

Деталь активного слоя в богатой льдом зоне вечной мерзлоты. Виктория Мартин (Венский университет), предоставлено автором.

Когда земля растает

Согласно климатическим моделям, из-за глобального потепления площадь вечной мерзлоты в недрах земли к 2100 году сократится на 93 %.

Последствия этого сокращения уже заметны в северном полушарии в результате повышения температуры почвы.

Эволюция площади, занятой вечной мерзлотой, в период с 2003 по 2017 гг. ЕКА.

При низком содержании льда в вечной мерзлоте происходит постепенное таяние сверху вниз в течение летнего периода. Однако таяние богатой льдом вечной мерзлоты приводит к термокарстовым процессам, которые происходят внезапно и приводят к изменению гидрологических условий на земле.

Из-за потери объема, когда мерзлый грунт превращается в воду, грунт проседает и разрушается. Хотя образование термокарста является локальным изменением теплового режима грунта, его широкое распространение затрагивает большие территории, достигая 40 % северного региона вечной мерзлоты.

Термокарстовые процессы оказывают влияние на ландшафт, например, вызывают эрозию на побережье или образование многочисленных озер во внутренних районах. Эти озера динамичны и меняются в зависимости от годового цикла замерзания-оттаивания.

Мерзлотный керн толщиной около 40 см. Верхняя часть, находящаяся в контакте с активным слоем, богата замерзшим органическим веществом, а в нижней части преобладают ледяные клинья. Фото Николя Валиенте

Последствия для населения и климата

Таяние вечной мерзлоты, особенно связанное с образованием термокарста, оказывает серьезное влияние на местные сообщества в этих регионах, нанося серьезный ущерб их инфраструктуре.

Кроме того, это таяние имеет глобальные последствия для климата. Подобно огромному холодильнику, таяние, вызванное повышением температуры, ускоряет разложение органических веществ, которые хранились тысячелетиями.

Когда существующие микроорганизмы активизируются и расщепляют органические вещества, они выделяют парниковые газы, такие как углекислый газ (CO₂), метан (CH₄) и закись азота (N₂O).

Маркировка свежесобранных образцов из палса. Характерные полигоны являются хорошими индикаторами наличия богатой льдом вечной мерзлоты и термокарстовых процессов. Иван Янссенс (Университет Антверпена) Фото автора.

Положительная обратная связь по углероду

Вечная мерзлота содержит примерно в два раза больше углерода, чем в настоящее время содержится в атмосфере. Только в Северном полушарии в ней содержится около 1,7 триллиона тонн углерода.

По мере таяния вечной мерзлоты водонасыщенные условия определяют, какие микробные процессы преобразуют имеющийся органический углерод. В хорошо дренированных почвах окислительные (кислородные) условия способствуют разложению органического вещества с образованием CO₂. В болотах и на заболоченных территориях условия в основном аноксичные, что способствует не только выделению CO₂, но и метана, потенциал глобального потепления которого почти в 30 раз выше, чем CO₂.

Таким образом, последние исследования показывают роль микробных процессов в перенасыщении обоих газов в термокарстовых озерах. Однако это не все «плохие новости». Считается, что до 60 % CH₄, образующегося в этих системах, метаболизируется метанотрофными организмами, что снижает его потенциальное воздействие на атмосферу.

Озера, образовавшиеся в результате оттаивания вечной мерзлоты в дельте реки Маккензи, Канада. Фото Николя Валиенте

Что происходит с азотом?

По сравнению с углеродным циклом, о круговороте азота в почвах, подверженных воздействию вечной мерзлоты, известно очень мало.

Полярные регионы испытывают дефицит азота из-за низкой скорости минерализации и биологической фиксации. Доступность азота определяет первичную продуктивность экосистем.

Микроорганизмы могут использовать азот либо для производства биомассы, либо для получения энергии в ходе метаболических процессов. Некоторые из них, такие как нитрификация и денитрификация, производят закись азота в качестве побочного продукта. N₂O является важным парниковым газом, потенциал которого в 273 раза больше, чем у CO₂.

По мере того как глобальное потепление разрушает отложения вечной мерзлоты, часть накопленного азота может высвободиться, что повлияет на продуктивность наземных, водных и морских экосистем. Это может привести к дополнительным выбросам N₂O, но также может смягчить обратную связь с климатом, способствуя увеличению поглощения углерода существующей растительностью и микробными сообществами.

Поскольку в ближайшие десятилетия прогнозируется значительное усиление таяния вечной мерзлоты, необходимо приложить больше усилий для углубления понимания микробных процессов, контролирующих круговорот углерода и азота в этих регионах, особенно связанных с выбросами парниковых газов.