Вечная мерзлота (от perma- ' постоянный ' и frost ) - это почва или подводные отложения , которые непрерывно остаются ниже 0 °C (32 °F) в течение двух лет или более: самая старая вечная мерзлота была непрерывно заморожена в течение приблизительно 700 000 лет. [1] В то время как самая мелкая вечная мерзлота имеет вертикальную протяженность менее метра (3 фута), самая глубокая - более 1500 м (4900 футов). [2] Аналогичным образом, площадь отдельных зон вечной мерзлоты может быть ограничена узкими горными вершинами или простираться через обширные арктические регионы. [3] Земля под ледниками и ледяными щитами обычно не определяется как вечная мерзлота, поэтому на суше вечная мерзлота обычно расположена под так называемым активным слоем почвы, который замерзает и оттаивает в зависимости от сезона. [4]
Около 15% Северного полушария или 11% поверхности Земли покрыто вечной мерзлотой, [5] охватывающей общую площадь около 18 миллионов км 2 (6,9 миллионов квадратных миль). [6] Сюда входят большие площади Аляски , Канады , Гренландии и Сибири . Она также расположена в высокогорных районах, ярким примером которых является Тибетское нагорье . Лишь небольшая часть вечной мерзлоты находится в Южном полушарии , где она приурочена к горным склонам, таким как Анды Патагонии , Южные Альпы Новой Зеландии или самые высокие горы Антарктиды . [3] [1]
Вечная мерзлота содержит большое количество мертвой биомассы , которая накапливалась на протяжении тысячелетий, не имея возможности полностью разложиться и высвободить свой углерод , что делает почву тундры поглотителем углерода . [3] Поскольку глобальное потепление нагревает экосистему, замерзшая почва оттаивает и становится достаточно теплой для того, чтобы разложение началось заново, ускоряя углеродный цикл вечной мерзлоты . В зависимости от условий во время оттаивания, разложение может выделять либо углекислый газ , либо метан , и эти выбросы парниковых газов действуют как обратная связь по изменению климата . [7] [8] [9] Выбросы от таяния вечной мерзлоты окажут достаточное влияние на климат, чтобы повлиять на глобальные углеродные бюджеты . Трудно точно предсказать, сколько парниковых газов выделяет вечная мерзлота, поскольку различные процессы оттаивания все еще неопределенны. Существует широко распространенное мнение, что выбросы будут меньше, чем выбросы, вызванные деятельностью человека, и недостаточно большими, чтобы привести к неуправляемому потеплению . [10] Вместо этого ежегодные выбросы от вечной мерзлоты, вероятно, сопоставимы с глобальными выбросами от вырубки лесов или с ежегодными выбросами крупных стран, таких как Россия , США или Китай . [11]
Помимо воздействия на климат, таяние вечной мерзлоты несет с собой еще больше рисков. Ранее замерзшая земля часто содержит достаточно льда, так что при ее таянии гидравлическое насыщение внезапно превышается, поэтому земля существенно смещается и может даже полностью обрушиться. Многие здания и другая инфраструктура были построены на вечной мерзлоте, когда она была замерзшей и стабильной, и поэтому уязвимы для обрушения, если она растает. [12] По оценкам, к 2050 году под угрозой окажется почти 70% такой инфраструктуры, и что связанные с этим расходы могут вырасти до десятков миллиардов долларов во второй половине века. [13] Кроме того, в вечной мерзлоте находится от 13 000 до 20 000 участков, загрязненных токсичными отходами , [14] а также природные месторождения ртути , [15] которые все могут вытекать и загрязнять окружающую среду по мере потепления. [16] Наконец, были высказаны опасения относительно возможности выживания патогенных микроорганизмов при таянии и содействия будущим пандемиям . [17] [18] Однако это считается маловероятным, [19] [20] и научный обзор по этому вопросу описывает риски как «в целом низкие». [21]
Вечная мерзлота — это почва , скала или осадок , которые находятся в замороженном состоянии более двух лет подряд. На практике это означает, что вечная мерзлота возникает при среднегодовой температуре −2 °C (28,4 °F) или ниже. В самых холодных регионах глубина непрерывной вечной мерзлоты может превышать 1400 м (4600 футов). [22] Обычно она находится под так называемым активным слоем , который ежегодно замерзает и оттаивает, и поэтому может поддерживать рост растений, поскольку корни могут удержаться только в оттаявшей почве. [2] Толщина активного слоя измеряется во время его максимальной протяженности в конце лета: [23] по состоянию на 2018 год средняя толщина в Северном полушарии составляет ~145 сантиметров (4,76 фута), но существуют значительные региональные различия. Северо-Восточная Сибирь , Аляска и Гренландия имеют самую прочную вечную мерзлоту с самой низкой протяженностью активного слоя (менее 50 сантиметров (1,6 фута) в среднем, а иногда только 30 сантиметров (0,98 фута)), в то время как юг Норвегии и Монгольское нагорье являются единственными районами, где средний активный слой глубже 600 сантиметров (20 футов), с рекордным значением 10 метров (33 фута). [24] [25] Граница между активным слоем и самой вечной мерзлотой иногда называется столом вечной мерзлоты. [26]
Около 15% земель Северного полушария , которые не полностью покрыты льдом, непосредственно подстилаются вечной мерзлотой; 22% определяются как часть зоны или региона вечной мерзлоты. [5] Это связано с тем, что только чуть больше половины этой площади определяется как сплошная зона вечной мерзлоты, где 90%–100% земли подстилается вечной мерзлотой. Около 20% вместо этого определяются как прерывистая вечная мерзлота, где покрытие составляет от 50% до 90%. Наконец, оставшиеся <30% регионов вечной мерзлоты состоят из областей с покрытием 10%–50%, которые определяются как спорадические зоны вечной мерзлоты, и некоторых областей, которые имеют изолированные участки вечной мерзлоты, покрывающие 10% или менее их площади. [27] [28] : 435 Большая часть этой площади находится в Сибири, северной Канаде, на Аляске и в Гренландии. Под активным слоем годовые колебания температуры вечной мерзлоты уменьшаются с глубиной. Наибольшая глубина вечной мерзлоты находится прямо перед точкой, где геотермальное тепло поддерживает температуру выше точки замерзания. Выше этого нижнего предела может быть вечная мерзлота с постоянной годовой температурой — «изотермическая вечная мерзлота». [29]
Вечная мерзлота обычно образуется в любом климате , где среднегодовая температура воздуха ниже точки замерзания воды. Исключения встречаются во влажных бореальных лесах , таких как Северная Скандинавия и северо-восточная часть Европейской России к западу от Урала , где снег действует как изолирующее одеяло. Ледниковые районы также могут быть исключениями. Поскольку все ледники нагреваются у своего основания геотермальным теплом, умеренные ледники , которые находятся вблизи точки плавления под давлением на всем протяжении, могут иметь жидкую воду на границе с землей и, следовательно, свободны от подстилающей вечной мерзлоты. [30] «Ископаемые» холодные аномалии в геотермическом градиенте в районах, где глубокая вечная мерзлота развивалась в плейстоцене, сохраняются до нескольких сотен метров. Это очевидно из измерений температуры в скважинах в Северной Америке и Европе. [31]
Температура под землей меняется меньше от сезона к сезону, чем температура воздуха, при этом среднегодовая температура имеет тенденцию к увеличению с глубиной из-за геотермического градиента земной коры. Таким образом, если среднегодовая температура воздуха лишь немного ниже 0 °C (32 °F), вечная мерзлота будет образовываться только в защищенных местах (обычно с северной или южной стороны , в северном и южном полушариях соответственно), создавая прерывистую вечную мерзлоту. Обычно вечная мерзлота остается прерывистой в климате, где среднегодовая температура поверхности почвы составляет от −5 до 0 °C (23 и 32 °F). В упомянутых ранее районах с влажной зимой может даже не быть прерывистой вечной мерзлоты до −2 °C (28 °F). Прерывистая вечная мерзлота часто далее подразделяется на обширную прерывистую вечную мерзлоту, где вечная мерзлота покрывает от 50 до 90 процентов ландшафта и обычно встречается в районах со среднегодовыми температурами от −2 до −4 °C (от 28 до 25 °F), и спорадическую вечную мерзлоту, где вечная мерзлота покрывает менее 50 процентов ландшафта и обычно встречается при среднегодовых температурах от 0 до −2 °C (от 32 до 28 °F). [32]
В почвоведении спорадическая зона вечной мерзлоты сокращенно обозначается как SPZ , а обширная зона прерывистой вечной мерзлоты — DPZ . [33] Исключения встречаются в не покрытых льдом районах Сибири и Аляски , где нынешняя глубина вечной мерзлоты является реликтом климатических условий ледниковых периодов, когда зимы были на 11 °C (20 °F) холоднее, чем сегодня.
При среднегодовых температурах поверхности почвы ниже −5 °C (23 °F) влияние экспозиции никогда не может быть достаточным для таяния вечной мерзлоты и формирования зоны сплошной вечной мерзлоты (сокращенно CPZ ). Линия сплошной вечной мерзлоты в Северном полушарии [35] представляет собой самую южную границу, где земля покрыта сплошной вечной мерзлотой или ледниковым льдом. Линия сплошной вечной мерзлоты изменяется по всему миру на север или юг из-за региональных климатических изменений. В Южном полушарии большая часть эквивалентной линии попала бы в Южный океан , если бы там была суша. Большая часть Антарктического континента покрыта ледниками, под которыми большая часть рельефа подвержена базальному таянию . [36] Открытая земля Антарктиды в значительной степени подстилается вечной мерзлотой, [37] часть которой подвержена потеплению и таянию вдоль береговой линии. [38]
Диапазон высот как в Северном , так и в Южном полушарии достаточно холоден, чтобы поддерживать вечномерзлую почву: некоторые из наиболее известных примеров включают Канадские Скалистые горы , Европейские Альпы , Гималаи и Тянь-Шань . В целом было обнаружено, что обширная альпийская вечная мерзлота требует среднегодовой температуры воздуха −3 °C (27 °F), хотя это может варьироваться в зависимости от местной топографии , и некоторые горные районы, как известно, поддерживают вечную мерзлоту при −1 °C (30 °F). Также возможно, что подповерхностная альпийская вечная мерзлота покрыта более теплой, поддерживающей растительность почвой. [39]
Альпийская вечная мерзлота особенно трудна для изучения, и систематические исследования начались только в 1970-х годах. [39] Следовательно, остаются неопределенности относительно ее географии. Совсем недавно, в 2009 году, вечная мерзлота была обнаружена в новой области - на самой высокой вершине Африки, горе Килиманджаро (4700 м (15 400 футов) над уровнем моря и примерно в 3° к югу от экватора ). [40] В 2014 году совокупность региональных оценок протяженности альпийской вечной мерзлоты установила глобальную протяженность в 3 560 000 км 2 (1 370 000 кв. миль). [34] Тем не менее, к 2014 году альпийская вечная мерзлота в Андах не была полностью нанесена на карту, [41] хотя ее протяженность была смоделирована для оценки количества воды, связанной в этих областях. [42]
Подводная вечная мерзлота залегает под морским дном и существует на континентальных шельфах полярных регионов. [2] Эти области образовались во время последнего ледникового периода , когда большая часть воды Земли была связана в ледяных щитах на суше и когда уровень моря был низким. По мере того, как ледяные щиты таяли, чтобы снова стать морской водой во время отступления ледников в голоцене , прибрежная вечная мерзлота стала подводными шельфами в относительно теплых и соленых пограничных условиях по сравнению с поверхностной вечной мерзлотой. С тех пор эти условия привели к постепенному и продолжающемуся снижению протяженности подводной вечной мерзлоты. [6] Тем не менее, ее наличие остается важным фактором для «проектирования, строительства и эксплуатации прибрежных объектов, сооружений, основанных на морском дне, искусственных островов , подводных трубопроводов и скважин , пробуренных для разведки и добычи». [43] Подводная вечная мерзлота может также покрывать отложения метанового клатрата , которые когда-то считались важным переломным моментом в климате в так называемой гипотезе клатратной пушки , но теперь больше не считаются играющими какую-либо роль в прогнозируемом изменении климата. [44]
В период последнего ледникового максимума непрерывная вечная мерзлота охватывала гораздо большую площадь, чем сегодня, охватывая всю свободную ото льда Европу на юг примерно до Сегеда (юго-восточная Венгрия ) и Азовского моря (тогда суша) [45] и Восточную Азию на юг до современных Чанчуня и Абасири . [46] В Северной Америке существовал только чрезвычайно узкий пояс вечной мерзлоты к югу от ледяного щита примерно на широте Нью-Джерси через южную Айову и северную часть Миссури , но вечная мерзлота была более обширной в более сухих западных регионах, где она простиралась до южной границы Айдахо и Орегона . [47] В Южном полушарии есть некоторые свидетельства бывшей вечной мерзлоты этого периода в центральном Отаго и аргентинской Патагонии , но, вероятно, она была прерывистой и связана с тундрой. Альпийская вечная мерзлота также наблюдалась в Драконовых горах во время ледниковых максимумов на высоте около 3000 метров (9840 футов). [48] [49]
Вечная мерзлота простирается до базовой глубины, где геотермальное тепло Земли и среднегодовая температура на поверхности достигают равновесной температуры 0 °C (32 °F). [51] Эта базовая глубина вечной мерзлоты может сильно варьироваться — она составляет менее метра (3 фута) в районах, где она самая мелкая, [2] но достигает 1493 м (4898 футов) в северных бассейнах рек Лена и Яна в Сибири . [22] Расчеты показывают, что время формирования вечной мерзлоты значительно замедляется после первых нескольких метров. Например, для формирования глубокой вечной мерзлоты под заливом Прадхо, Аляска , потребовалось более полумиллиона лет , период времени, охватывающий несколько ледниковых и межледниковых циклов плейстоцена . [ 50] : 18
Базовая глубина зависит от геологии, в частности от теплопроводности , которая ниже для вечной мерзлоты в почве, чем в коренной породе . [51] Более низкая проводимость оставляет вечную мерзлоту менее подверженной влиянию геотермического градиента , который является скоростью увеличения температуры по отношению к увеличению глубины в недрах Земли. Это происходит, когда внутренняя тепловая энергия Земли генерируется радиоактивным распадом нестабильных изотопов и течет к поверхности посредством теплопроводности со скоростью ~47 тераватт (ТВт). [52] Вдали от границ тектонических плит это эквивалентно среднему тепловому потоку 25–30 °C/км (124–139 °F/миля) вблизи поверхности. [53]
Когда содержание льда в вечной мерзлоте превышает 250 процентов (льда к сухой почве по массе), она классифицируется как массивный лед. Массивные ледяные тела могут варьироваться по составу, во всех мыслимых градациях от ледяной грязи до чистого льда. Массивные ледяные пласты имеют минимальную толщину не менее 2 м и короткий диаметр не менее 10 м. [55] Первые зарегистрированные североамериканские наблюдения этого явления были сделаны европейскими учеными в Каннинг-Ривер (Аляска) в 1919 году. [56] Русская литература приводит более раннюю дату 1735 и 1739 годов во время Великой Северной экспедиции П. Лассиниуса и Харитона Лаптева соответственно. Русские исследователи, включая И. А. Лопатина, Б. Хегбомова, С. Табера и Г. Бескова, также сформулировали оригинальные теории для ледяных включений в замерзающих почвах. [57]
Хотя в вечной мерзлоте существует четыре категории льда — пористый лед, ледяные клинья (также известные как жильный лед), погребенный поверхностный лед и внутриосадочный (иногда также называемый конституционным [57] ) лед — только последние два, как правило, достаточно велики, чтобы считаться массивным подземным льдом. [58] [26] Эти два типа обычно встречаются отдельно, но могут быть найдены вместе, как, например, на побережье Туктояктука в западной части арктической Канады , где находятся остатки ледникового щита Лаврентида . [59]
Погребенный поверхностный лед может происходить из снега, замерзшего озера или морского льда , наледи (речной лед, севший на мель) и даже погребенного ледникового льда из бывших плейстоценовых ледниковых щитов. Последние имеют огромную ценность для палеогляциологических исследований, однако даже по состоянию на 2022 год общая протяженность и объем такого погребенного древнего льда неизвестны. [60] Известные места с известными древними ледяными отложениями включают долину реки Енисей в Сибири , Россия, а также Банкс и остров Байлот в канадских Нунавуте и Северо-Западных территориях . [61] [62] [54] Известно, что некоторые из остатков погребенного ледяного щита содержат термокарстовые озера . [60]
Внутриосадочный или конституционный лед широко наблюдался и изучался по всей Канаде. Он образуется, когда грунтовые воды замерзают на месте, и подразделяется на интрузивный, инъекционный и сегрегационный лед. Последний является доминирующим типом, образующимся после кристаллизационной дифференциации во влажных отложениях , которая происходит, когда вода мигрирует к фронту замерзания под воздействием сил Ван-дер-Ваальса . [56] [55] [58] Это медленный процесс, который в основном происходит в илах с соленостью менее 20% от морской воды : в иловых отложениях с более высокой соленостью и глинистых отложениях движение воды до образования льда доминирует реологическими процессами. Следовательно, для образования внутриосадочного льда в верхних 2,5 метрах глинистых отложений требуется от 1 до 1000 лет, тогда как для торфяных отложений требуется от 10 до 10 000 лет, а для иловых отложений — от 1 000 до 1 000 000 лет. [26]
Процессы вечной мерзлоты, такие как тепловое сжатие , приводящее к образованию трещин, которые в конечном итоге становятся ледяными клиньями , и солифлюкция — постепенное движение почвы вниз по склону, поскольку она многократно замерзает и оттаивает — часто приводят к образованию наземных полигонов, колец, ступеней и других форм узорчатой почвы, встречающихся в арктических, перигляциальных и альпийских районах. [63] [64] В районах вечной мерзлоты, богатых льдом, таяние подземного льда инициирует термокарстовые формы рельефа, такие как термокарстовые озера , проталины, термоэрозионные овраги и активные отрывы слоев. [65] [66] Примечательно, что необычно глубокая вечная мерзлота на арктических пустошах и болотах часто привлекает талую воду в теплое время года, которая скапливается и замерзает, образуя ледяные линзы , а окружающая земля начинает выступать наружу на склоне. Это может в конечном итоге привести к образованию крупномасштабных форм рельефа вокруг этого ядра вечной мерзлоты, таких как палсы — длинные (15–150 м (49–492 фута)), широкие (10–30 м (33–98 футов)) но неглубокие (<1–6 м (3 фута 3 дюйма – 19 футов 8 дюймов)) торфяные холмы — и еще более крупные пинго , которые могут быть высотой 3–70 м (10–230 футов) и диаметром 30–1000 м (98–3281 фут) [ 67] [68]
Только растения с неглубокими корнями могут выжить в условиях вечной мерзлоты. Черная ель переносит ограниченные зоны корневой системы и доминирует во флоре там, где вечная мерзлота обширна. Аналогично, виды животных , которые живут в логовах и норах, имеют свою среду обитания, ограниченную вечной мерзлотой, и эти ограничения также оказывают вторичное влияние на взаимодействие между видами в экосистеме . [69]
Хотя вечная мерзлота заморожена, она не является полностью негостеприимной для микроорганизмов , хотя их количество может сильно варьироваться, как правило, от 1 до 1000 миллионов на грамм почвы. [70] [71] Цикл углерода вечной мерзлоты (арктический цикл углерода) занимается переносом углерода из вечной мерзлоты в наземную растительность и микробов, в атмосферу, обратно в растительность и, наконец, обратно в вечной мерзлоте через захоронение и седиментацию из-за криогенных процессов. Часть этого углерода переносится в океан и другие части земного шара через глобальный углеродный цикл. Цикл включает обмен углекислым газом и метаном между наземными компонентами и атмосферой, а также перенос углерода между сушей и водой в виде метана, растворенного органического углерода , растворенного неорганического углерода , частиц неорганического углерода и частиц органического углерода . [72]
Большинство бактерий и грибов, обнаруженных в вечной мерзлоте, невозможно культивировать в лабораторных условиях, но идентичность микроорганизмов может быть выявлена с помощью методов на основе ДНК . Например, анализ генов 16S рРНК из образцов вечной мерзлоты позднего плейстоцена в Колымской низменности Восточной Сибири выявил восемь филотипов , которые принадлежали к типам Actinomycetota и Pseudomonadota . [73] В 2016 году было обнаружено, что в «Муот-да-Барба-Пейдер», высокогорном месте вечной мерзлоты на востоке Швейцарии, обитает разнообразное микробное сообщество. Известные группы бактерий включают филюм Acidobacteriota , Actinomycetota , AD3, Bacteroidota , Chloroflexota , Gemmatimonadota , OD1, Nitrospirota , Planctomycetota , Pseudomonadota и Verrucomicrobiota , а также эукариотические грибы, такие как Ascomycota , Basidiomycota и Zygomycota . У ныне живущих видов ученые наблюдали различные адаптации к условиям минусовых температур, включая сокращенные и анаэробные метаболические процессы. [74]
В мире есть только два крупных города, построенных в районах сплошной вечной мерзлоты (где замерзшая почва образует сплошной слой с температурой ниже нуля), и оба находятся в России — Норильск в Красноярском крае и Якутск в Республике Саха . [75] Строительство на вечной мерзлоте затруднено, поскольку тепло здания (или трубопровода ) может распространяться на почву, оттаивая ее. По мере того, как ледяной контент превращается в воду, способность грунта обеспечивать структурную поддержку ослабевает, пока здание не дестабилизируется. Например, во время строительства Транссибирской магистрали комплекс завода по производству паровых двигателей , построенный в 1901 году, начал разрушаться в течение месяца эксплуатации по этим причинам. [76] : 47 Кроме того, в районе, подстилаемом вечной мерзлотой, нет грунтовых вод . Любое существенное поселение или сооружение должно принять какие-то альтернативные меры для получения воды. [75] [76] : 25
Распространенным решением является размещение фундаментов на деревянных сваях , метод, впервые примененный советским инженером Михаилом Кимом в Норильске. [77] Однако вызванное потеплением изменение трения на сваях все еще может вызвать движение посредством ползучести , даже если почва остается замерзшей. [78] Институт мерзлотоведения им. Мельникова в Якутске обнаружил, что свайные фундаменты должны простираться на глубину до 15 метров (49 футов), чтобы избежать риска проседания зданий. На этой глубине температура не меняется в зависимости от сезона, оставаясь на уровне около −5 °C (23 °F). [79]
Два других подхода заключаются в строительстве на обширной гравийной подушке (обычно толщиной 1–2 м (3 фута 3 дюйма – 6 футов 7 дюймов)); или с использованием безводных аммиачных тепловых труб . [80] Трансаляскинской трубопроводной системе используются тепловые трубы, встроенные в вертикальные опоры, чтобы предотвратить проседание трубопровода, а железная дорога Цинцзан в Тибете использует различные методы для поддержания прохлады земли, оба в районах с восприимчивой к морозу почвой . Вечная мерзлота может потребовать специальных ограждений для подземных коммуникаций, называемых « утилидорами ». [81]
В глобальном масштабе вечная мерзлота нагрелась примерно на 0,3 °C (0,54 °F) в период с 2007 по 2016 год, причем более сильное потепление наблюдалось в зоне непрерывной вечной мерзлоты по сравнению с прерывистой зоной. Наблюдаемое потепление составило до 3 °C (5,4 °F) в некоторых частях Северной Аляски (с начала 1980-х до середины 2000-х годов) и до 2 °C (3,6 °F) в некоторых частях Европейского Севера России (1970–2020 годы). Это потепление неизбежно приводит к таянию вечной мерзлоты: толщина активного слоя увеличилась в Европейской и Российской Арктике в течение 21-го века и в высокогорных районах Европы и Азии с 1990-х годов. [83] : 1237
В период с 2000 по 2018 год средняя толщина активного слоя увеличилась с ~127 сантиметров (4,17 фута) до ~145 сантиметров (4,76 фута) со средней годовой скоростью ~0,65 сантиметра (0,26 дюйма). [24]
В Юконе зона непрерывной вечной мерзлоты могла сместиться на 100 километров (62 мили) к полюсу с 1899 года, но точные записи датируются только 30 годами. Протяженность подводной вечной мерзлоты также уменьшается; по состоянию на 2019 год ~97% вечной мерзлоты под арктическими шельфовыми льдами становится теплее и тоньше. [84] [10] : 1281
На основании высокой степени согласованности модельных прогнозов, фундаментального понимания процессов и палеоклиматических данных можно с уверенностью сказать, что протяженность и объем вечной мерзлоты будут продолжать сокращаться по мере потепления глобального климата, причем масштаб потерь будет определяться величиной потепления. [83] : 1283
Таяние вечной мерзлоты связано с широким спектром проблем, и Международная ассоциация по вечной мерзлоте (IPA) существует для того, чтобы помочь в их решении. Она созывает международные конференции по вечной мерзлоте и поддерживает Глобальную наземную сеть по вечной мерзлоте , которая занимается специальными проектами, такими как подготовка баз данных, карт, библиографий и глоссариев, а также координирует международные полевые программы и сети. [85]
Поскольку недавнее потепление углубляет активный слой, подверженный таянию вечной мерзлоты, это подвергает ранее хранившийся углерод биогенным процессам, которые облегчают его попадание в атмосферу в виде углекислого газа и метана . [11] Поскольку выбросы углерода от таяния вечной мерзлоты способствуют тому же потеплению, которое облегчает таяние, это хорошо известный пример положительной обратной связи по изменению климата . [87] Таяние вечной мерзлоты иногда включается в качестве одной из основных точек перелома в климатической системе из-за проявления локальных порогов и его эффективной необратимости. [88] Однако, хотя существуют самовоспроизводящиеся процессы, которые применяются в локальном или региональном масштабе, ведутся споры о том, соответствует ли это строгому определению глобальной точки перелома, поскольку в целом таяние вечной мерзлоты происходит постепенно с потеплением. [89]
В северном циркумполярном регионе вечная мерзлота содержит органическое вещество, эквивалентное 1400–1650 миллиардам тонн чистого углерода, который был накоплен за тысячи лет. Это количество равно почти половине всего органического материала во всех почвах , [90] [11] и примерно в два раза превышает содержание углерода в атмосфере , или примерно в четыре раза больше, чем выбросы углерода человеком между началом промышленной революции и 2011 годом. [91] Кроме того, большая часть этого углерода (~1035 миллиардов тонн) хранится в том, что определяется как приповерхностная вечная мерзлота, не глубже 3 метров (9,8 футов) под поверхностью. [90] [11] Однако ожидается, что только часть этого хранящегося углерода попадет в атмосферу. [92] В целом, ожидается, что объем вечной мерзлоты в верхних 3 м земли уменьшится примерно на 25% на 1 °C (1,8 °F) глобального потепления, [83] : 1283 , однако даже при сценарии RCP8.5 , связанном с более чем 4 °C (7,2 °F) глобального потепления к концу 21-го века, [93] ожидается, что около 5% - 15% углерода вечной мерзлоты будет потеряно «за десятилетия и столетия». [11]
Точное количество углерода, которое будет высвобождаться из-за потепления в данной зоне вечной мерзлоты, зависит от глубины оттаивания, содержания углерода в оттаявшей почве, физических изменений в окружающей среде, а также микробной и растительной активности в почве. [94] Примечательно, что оценки выброса углерода сами по себе не в полной мере отражают влияние оттаивания вечной мерзлоты на изменение климата. Это связано с тем, что углерод может высвобождаться либо посредством аэробного , либо анаэробного дыхания , что приводит к выбросам углекислого газа (CO 2 ) или метана (CH 4 ) соответственно. Хотя метан сохраняется в атмосфере менее 12 лет, его потенциал глобального потепления примерно в 80 раз больше, чем у CO 2 за 20-летний период и примерно в 28 раз больше за 100-летний период. [95] [96] Хотя только небольшая часть углерода вечной мерзлоты попадет в атмосферу в виде метана, эти выбросы вызовут 40-70% общего потепления, вызванного таянием вечной мерзлоты в течение 21-го века. Большая часть неопределенности относительно окончательного объема выбросов метана вечной мерзлоты вызвана трудностью учета недавно обнаруженных процессов резкого таяния, которые часто увеличивают долю метана, выбрасываемого по сравнению с диоксидом углерода, по сравнению с обычными процессами постепенного таяния. [97] [11]
Другим фактором, усложняющим прогнозы выбросов углерода от вечной мерзлоты, является продолжающееся «озеленение» Арктики. Поскольку изменение климата нагревает воздух и почву, регион становится более гостеприимным для растений, включая более крупные кустарники и деревья, которые не могли выживать там раньше. Таким образом, Арктика теряет все больше и больше своих тундровых биомов, но при этом приобретает больше растений, которые продолжают поглощать больше углерода. Некоторые из выбросов, вызванных таянием вечной мерзлоты, будут компенсированы этим усиленным ростом растений, но точная пропорция не определена. Считается очень маловероятным, что это озеленение может компенсировать все выбросы от таяния вечной мерзлоты в течение 21-го века, и еще менее вероятно, что оно сможет продолжать идти в ногу с этими выбросами после 21-го века. [11] Кроме того, изменение климата также увеличивает риск лесных пожаров в Арктике, что может существенно ускорить выбросы углерода от вечной мерзлоты. [87] [99]
В целом ожидается, что совокупные выбросы парниковых газов от таяния вечной мерзлоты будут меньше совокупных антропогенных выбросов, но все же существенными в глобальном масштабе, причем некоторые эксперты сравнивают их с выбросами, вызванными вырубкой лесов . [11] В Шестом оценочном докладе МГЭИК подсчитано , что выбросы углекислого газа и метана из вечной мерзлоты могут составить эквивалент 14–175 миллиардов тонн углекислого газа на 1 °C (1,8 °F) потепления. [83] : 1237 Для сравнения, к 2019 году годовые антропогенные выбросы только углекислого газа составили около 40 миллиардов тонн. [83] : 1237 В крупном обзоре, опубликованном в 2022 году, сделан вывод о том, что если цель предотвращения потепления на 2 °C (3,6 °F) будет достигнута, то среднегодовые выбросы вечной мерзлоты в течение всего 21-го века будут эквивалентны годовым выбросам России в 2019 году. В сценарии RCP4.5, который считается близким к текущей траектории и в котором потепление остается немного ниже 3 °C (5,4 °F), годовые выбросы от вечной мерзлоты будут сопоставимы с выбросами Западной Европы или Соединенных Штатов в 2019 году, тогда как в сценарии с высоким уровнем глобального потепления и наихудшим вариантом реагирования вечной мерзлоты они будут приближаться к выбросам Китая в 2019 году. [11]
Меньше исследований пытались описать воздействие непосредственно с точки зрения потепления. В статье 2018 года подсчитано, что если глобальное потепление будет ограничено 2 °C (3,6 °F), постепенное таяние вечной мерзлоты добавит около 0,09 °C (0,16 °F) к глобальной температуре к 2100 году, [100] в то время как обзор 2022 года пришел к выводу, что каждый 1 °C (1,8 °F) глобального потепления вызовет 0,04 °C (0,072 °F) и 0,11 °C (0,20 °F) резкого таяния к 2100 и 2300 годам. Около 4 °C (7,2 °F) глобального потепления, может произойти резкое (около 50 лет) и широкомасштабное разрушение областей вечной мерзлоты, что приведет к дополнительному потеплению на 0,2–0,4 °C (0,36–0,72 °F). [88] [101]
По мере того, как вода стекает или испаряется, структура почвы ослабевает и иногда становится вязкой, пока не восстановит прочность с уменьшением содержания влаги. Одним из видимых признаков деградации вечной мерзлоты является случайное смещение деревьев из их вертикальной ориентации в районах вечной мерзлоты. [102] Глобальное потепление увеличивает нарушения склонов вечной мерзлоты и поступление осадков в речные системы, что приводит к исключительному увеличению речных осадков. [103] С другой стороны, нарушение ранее твердой почвы увеличивает дренаж водохранилищ на северных водно-болотных угодьях . Это может высушить их и поставить под угрозу выживание растений и животных, используемых в экосистеме водно-болотных угодий. [104]
В высоких горах большую часть структурной устойчивости можно отнести к ледникам и вечной мерзлоте. [105] По мере потепления климата вечная мерзлота тает, что снижает устойчивость склонов и увеличивает напряжение за счет нарастания давления поровой воды , что в конечном итоге может привести к обрушению склонов и камнепадам . [106] [107] За последнее столетие было зафиксировано все больше случаев обрушения склонов альпийских скал в горных хребтах по всему миру, и некоторые из них были отнесены к таянию вечной мерзлоты, вызванному изменением климата. Оползень 1987 года в Валь-Пола , в результате которого погибло 22 человека в итальянских Альпах, считается одним из таких примеров. [108] В 2002 году обильные обвалы камней и льда (до 11,8 млн м 3 ), землетрясения (до 3,9 баллов по шкале Рихтера ), наводнения (до 7,8 млн м 3 воды) и быстрый поток камней и льда на большие расстояния (до 7,5 км при 60 м/с) были связаны с неустойчивостью склонов в высокогорной вечной мерзлоте. [109]
Таяние вечной мерзлоты также может привести к образованию замороженных обломочных лепестков (FDL), которые определяются как «медленно движущиеся оползни, состоящие из почвы, камней, деревьев и льда». [110] Это заметная проблема в южном хребте Брукс на Аляске , где к 2012 году некоторые FDL имели ширину более 100 м (110 ярдов), высоту 20 м (22 ярда) и длину 1000 м (1100 ярдов). [111] [112] По состоянию на декабрь 2021 года в южном хребте Брукс было обнаружено 43 замороженных обломочных лепестка, где они потенциально могут угрожать как коридору Трансаляскинской трубопроводной системы (TAPS), так и шоссе Далтон , которое является основным транспортным сообщением между Внутренней Аляской и Северным склоном Аляски . [113]
По состоянию на 2021 год непосредственно на арктической вечной мерзлоте расположено 1162 поселения, в которых проживает около 5 миллионов человек. К 2050 году ожидается, что слой вечной мерзлоты под 42% этих поселений растает, что затронет всех их жителей (в настоящее время 3,3 миллиона человек). [115] Следовательно, оттаивание угрожает широкому спектру инфраструктуры в районах вечной мерзлоты. [12] [116] : 236 К 2050 году, по оценкам, почти 70% мировой инфраструктуры, расположенной в районах вечной мерзлоты, будут подвержены высокому риску таяния вечной мерзлоты, включая 30–50% «критической» инфраструктуры. Сопутствующие расходы могут достичь десятков миллиардов долларов ко второй половине века. [13] Прогнозируется, что сокращение выбросов парниковых газов в соответствии с Парижским соглашением стабилизирует риск после середины века; в противном случае он продолжит ухудшаться. [114]
Только на Аляске ущерб инфраструктуре к концу века составит 4,6 млрд долларов (по курсу 2015 года), если RCP8.5 , сценарий изменения климата с высоким уровнем выбросов , будет реализован. Более половины приходится на ущерб зданиям (2,8 млрд долларов), но есть также ущерб дорогам (700 млн долларов), железным дорогам (620 млн долларов), аэропортам (360 млн долларов) и трубопроводам (170 млн долларов). [117] Аналогичные оценки были сделаны для RCP4.5, менее интенсивного сценария, который приводит к примерно 2,5 °C (4,5 °F) к 2100 году, уровню потепления, аналогичному текущим прогнозам. [118] В этом случае общий ущерб от таяния вечной мерзлоты сокращается до 3 миллиардов долларов, в то время как ущерб автомобильным и железным дорогам уменьшается примерно на две трети (с 700 и 620 миллионов долларов до 190 и 220 миллионов долларов), а ущерб трубопроводам сокращается более чем в десять раз, с 170 миллионов долларов до 16 миллионов долларов. В отличие от других расходов, связанных с изменением климата на Аляске, таких как ущерб от увеличения количества осадков и наводнений, адаптация к изменению климата не является жизнеспособным способом сокращения ущерба от таяния вечной мерзлоты, поскольку это будет стоить больше, чем ущерб, нанесенный в любом из сценариев. [117]
В Канаде, в Северо-Западных территориях проживает всего 45 000 человек в 33 общинах, однако ожидается, что таяние вечной мерзлоты обойдется им в 1,3 миллиарда долларов за 75 лет, или около 51 миллиона долларов в год. В 2006 году стоимость адаптации домов инувиалуитов к таянию вечной мерзлоты оценивалась в 208 долларов/м 2 , если они были построены на свайном фундаменте, и в 1000 долларов/м 2, если они не были построены. В то время средняя площадь жилого дома на территории составляла около 100 м 2 . Ущерб, вызванный таянием, также вряд ли будет покрываться страхованием жилья , и для решения этой проблемы правительство территории в настоящее время финансирует программы Contributing Assistance for Repairs and Enhancements (CARE) и Securing Assistance for Emergencies (SAFE), которые предоставляют долгосрочные и краткосрочные безвозмездные ссуды, чтобы помочь домовладельцам адаптироваться. Возможно, что в будущем вместо этого будет иметь место принудительное переселение как более дешевый вариант. Однако это фактически оторвет местных инуитов от их исконных земель. Прямо сейчас их средний личный доход составляет всего половину от дохода среднестатистического жителя Северо-Западных территорий, что означает, что расходы на адаптацию для них уже несоразмерны. [119]
К 2022 году до 80% зданий в некоторых городах Северной России уже подверглись повреждениям. [13] К 2050 году ущерб жилой инфраструктуре может достичь 15 миллиардов долларов, а общий ущерб общественной инфраструктуре может составить 132 миллиарда долларов. [120] Сюда входят объекты добычи нефти и газа , из которых 45%, как полагают, находятся под угрозой. [114]
За пределами Арктики, Цинхай-Тибетское плато (иногда известное как «Третий полюс»), также имеет обширную зону вечной мерзлоты. Оно нагревается в два раза быстрее среднемирового уровня, и 40% его уже считается «теплой» вечной мерзлотой, что делает его особенно нестабильным. На Цинхай-Тибетском плато проживает более 10 миллионов человек — вдвое больше населения регионов вечной мерзлоты в Арктике — и более 1 миллиона м2 зданий расположены в зоне вечной мерзлоты, а также 2631 км линий электропередач и 580 км железных дорог. [121] Также имеется 9389 км дорог, и около 30% уже получают повреждения от таяния вечной мерзлоты. [13] Оценки показывают, что при сценарии, наиболее похожем на сегодняшний, SSP2-4.5 , около 60% текущей инфраструктуры будут подвержены высокому риску к 2090 году, и простое ее поддержание обойдется в 6,31 млрд долларов, с адаптацией, сокращающей эти расходы максимум на 20,9%. Удержание глобального потепления на уровне 2 °C (3,6 °F) сократит эти расходы до 5,65 млрд долларов, а выполнение оптимистичной цели Парижского соглашения в 1,5 °C (2,7 °F) сэкономит еще 1,32 млрд долларов. В частности, менее 20% железных дорог будут подвержены высокому риску к 2100 году при 1,5 °C (2,7 °F), однако этот уровень риска увеличивается до 60% при 2 °C (3,6 °F), в то время как при SSP5-8.5 этот уровень риска достигается к середине столетия. [121]
На протяжении большей части 20-го века считалось, что вечная мерзлота будет «бесконечно» сохранять все, что там захоронено, и это сделало глубокие районы вечной мерзлоты популярными местами для утилизации опасных отходов. В таких местах, как канадское нефтяное месторождение Прадхо-Бей , были разработаны процедуры, документирующие «надлежащий» способ закачки отходов под вечную мерзлоту. Это означает, что по состоянию на 2023 год в районах арктической вечной мерзлоты насчитывается около 4500 промышленных предприятий, которые либо активно перерабатывают, либо хранят опасные химикаты. Кроме того, существует от 13 000 до 20 000 участков, которые были сильно загрязнены, 70% из них находятся в России, и их загрязнение в настоящее время удерживается вечной мерзлотой. [ необходима цитата ]
Ожидается, что около пятой части как промышленных, так и загрязненных участков (1000 и 2200–4800) начнут оттаивать в будущем, даже если потепление не усилится по сравнению с уровнями 2020 года. Только около 3% больше участков начнут оттаивать между настоящим моментом и 2050 годом в соответствии со сценарием изменения климата, соответствующим целям Парижского соглашения , RCP2.6 , но к 2100 году ожидается, что около 1100 дополнительных промышленных объектов и от 3500 до 5200 загрязненных участков начнут оттаивать даже тогда. В соответствии со сценарием очень высоких выбросов RCP8.5, 46% промышленных и загрязненных участков начнут оттаивать к 2050 году, и практически все они будут затронуты оттаиванием к 2100 году. [14]
Хлорорганические соединения и другие стойкие органические загрязнители вызывают особую озабоченность из-за их способности многократно достигать местных сообществ после их повторного высвобождения посредством биоусиления в рыбе. В худшем случае будущие поколения, рожденные в Арктике, войдут в жизнь с ослабленной иммунной системой из-за загрязняющих веществ, накапливающихся на протяжении поколений. [16]
Ярким примером рисков загрязнения, связанных с вечной мерзлотой, стал разлив нефти в Норильске в 2020 году , вызванный обрушением резервуара для хранения дизельного топлива на тепловой электростанции № 3 компании Norilsk-Taimyr Energy. В результате разлива на землю попало 6000 тонн топлива, а в воду — 15 000 тонн, что привело к загрязнению рек Амбарная , Далдыкан и многих более мелких рек на полуострове Таймыр , достигнув даже озера Пясино , которое является важнейшим источником воды в этом районе. Было объявлено чрезвычайное положение на федеральном уровне. [122] [123] Событие было описано как второй по величине разлив нефти в современной истории России. [124] [125]
Еще одной проблемой, связанной с таянием вечной мерзлоты, является высвобождение природных залежей ртути . По оценкам, в вечной мерзлоте заморожено 800 000 тонн ртути. Согласно наблюдениям, около 70% из них просто поглощается растительностью после таяния. [16] Однако, если потепление продолжится в соответствии с RCP8.5, то выбросы ртути в атмосферу из вечной мерзлоты к 2200 году будут соответствовать текущим глобальным выбросам от всей деятельности человека. Богатые ртутью почвы также представляют гораздо большую угрозу для людей и окружающей среды, если они оттаивают вблизи рек. Согласно RCP8.5, к 2050 году в бассейн реки Юкон попадет достаточно ртути, чтобы сделать ее рыбу небезопасной для употребления в пищу в соответствии с рекомендациями Агентства по охране окружающей среды . К 2100 году концентрация ртути в реке удвоится. Напротив, даже если смягчение последствий будет ограничено сценарием RCP4.5, уровень ртути увеличится примерно на 14% к 2100 году и не нарушит рекомендации Агентства по охране окружающей среды даже к 2300 году. [15]
Бактерии известны тем, что способны оставаться в состоянии покоя , чтобы выживать в неблагоприятных условиях, а вирусы изначально не метаболически активны вне клеток-хозяев. Это вызвало опасения, что таяние вечной мерзлоты может освободить ранее неизвестные микроорганизмы, которые могут быть способны инфицировать как людей, так и важный скот и сельскохозяйственные культуры , что может привести к разрушительным эпидемиям или пандемиям . [17] [18] Кроме того, некоторые ученые утверждают, что горизонтальный перенос генов может происходить между старыми, ранее замороженными бактериями и современными, и одним из результатов может стать введение новых генов устойчивости к антибиотикам в геном нынешних патогенов, что усугубит то, что, как ожидается, станет сложной проблемой в будущем. [126] [16]
В то же время такие известные патогены, как грипп и оспа , по-видимому, не способны выжить при размораживании, [20] и другие ученые утверждают, что риск того, что древние микроорганизмы смогут пережить размораживание и одновременно представлять угрозу для людей, не является научно обоснованным. [19] Аналогичным образом, некоторые исследования показывают, что способность древних бактерий к устойчивости к противомикробным препаратам будет сопоставима с современными или даже ниже. [127] [21]
В 2012 году российские исследователи доказали, что вечная мерзлота может служить естественным хранилищем древних форм жизни, оживив образец Silene stenophylla из 30 000-летней ткани, найденной в норе белки ледникового периода в сибирской вечной мерзлоте. Это самая старая растительная ткань, когда-либо возрожденная. Полученное растение было фертильным, производя белые цветы и жизнеспособные семена. Исследование показало, что живая ткань может выживать при консервации во льду в течение десятков тысяч лет. [128]
В период с середины XIX века до середины XX века большая часть литературы по фундаментальной науке о вечной мерзлоте и инженерным аспектам вечной мерзлоты была написана на русском языке. Один из самых ранних письменных отчетов, описывающих существование вечной мерзлоты, датируется 1684 годом , когда работы по выемке грунта в Якутске были озадачены ее наличием. [76] : 25 Значительную роль в первоначальных исследованиях вечной мерзлоты сыграли Александр фон Миддендорф (1815–1894) и Карл Эрнст фон Бэр , балтийский немецкий ученый из Кенигсбергского университета и член Санкт-Петербургской академии наук . Бэр начал публиковать работы по вечной мерзлоте в 1838 году и часто считается «основателем научных исследований вечной мерзлоты». Бэр заложил основу современной терминологии вечной мерзлоты, собрав и проанализировав все доступные данные о подземном льде и вечной мерзлоте. [129]
Бэр также известен тем, что составил первый в мире учебник по вечной мерзлоте в 1843 году, «Материалы для изучения многолетнего грунтового льда», написанный на его родном языке. Однако тогда он не был напечатан, а русский перевод был готов только в 1942 году. Считалось, что оригинальный немецкий учебник был утерян, пока машинописный текст 1843 года не был обнаружен в библиотечном архиве Гиссенского университета . 234-страничный текст был доступен онлайн с дополнительными картами, предисловием и комментариями. [129] Примечательно, что южная граница вечной мерзлоты в Евразии, проведенная Бэром в 1843 году, хорошо соответствует фактической южной границе, подтвержденной современными исследованиями. [27] [129]
Начиная с 1942 года, Саймон Уильям Мюллер углубился в соответствующую русскую литературу, имеющуюся в Библиотеке Конгресса и Библиотеке Геологической службы США , чтобы он смог предоставить правительству инженерное полевое руководство и технический отчет о вечной мерзлоте к 1943 году. [130] В этом отчете английский термин был введен как сокращение от permanently frozen ground, [131] что считалось прямым переводом русского термина vechnaia merzlota ( вечная мерзлота ). В 1953 году этот перевод подвергся критике со стороны другого исследователя USGS Инны Пуаре, поскольку она считала, что термин создавал нереалистичные ожидания относительно его стабильности: [76] : 3 совсем недавно некоторые исследователи утверждали, что «perpetually refreezing» был бы более подходящим переводом. [132] Сам отчет был засекречен (как Армия США. Управление начальника инженерных служб, Стратегическое инженерное исследование , № 62, 1943), [131] [133] пока в 1947 году не была выпущена пересмотренная версия, которая считается первым североамериканским трактатом по этой теме. [130] [134]
Между 11 и 15 ноября 1963 года на территории Университета Пердью в американском городе Уэст-Лафайет, штат Индиана , прошла Первая международная конференция по вечной мерзлоте . В ней приняли участие 285 человек (включая «инженеров, производителей и строителей», присутствовавших вместе с исследователями) из ряда стран ( Аргентина , Австрия , Канада, Германия, Великобритания, Япония, Норвегия , Польша , Швеция, Швейцария, США и СССР ). Это ознаменовало начало современного научного сотрудничества по этой теме. Конференции продолжают проводиться каждые пять лет. Во время Четвертой конференции в 1983 году на специальной встрече стран-участниц «Большой четверки» (США, СССР, Китай и Канада) была официально создана Международная ассоциация по вечной мерзлоте . [135]
В последние десятилетия исследования вечной мерзлоты привлекли больше внимания, чем когда-либо, из-за ее роли в изменении климата . В результате этого наблюдалось значительное ускорение в опубликованной научной литературе . Около 1990 года почти не было опубликовано статей, содержащих слова «вечная мерзлота» и «углерод»: к 2020 году ежегодно публиковалось около 400 таких статей. [11]
Весьма маловероятно, что газовые клатраты (в основном метановые) в более глубокой наземной вечной мерзлоте и подводных клатратах приведут к заметному отклонению от траектории выбросов в течение этого столетия.
{{citation}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ). Веб-сайт рабочей группы 1 по изменению климата 2013 г.