Вечная мерзлота (от «perma» — « постоянный » и « мороз ») — это почва или подводные отложения , температура которых постоянно сохраняется ниже 0 °C (32 °F) в течение двух и более лет: самая старая вечная мерзлота непрерывно замерзала около 700 000 лет. [1] В то время как самая неглубокая вечная мерзлота имеет вертикальную протяженность менее метра (3 футов), самая глубокая - более 1500 м (4900 футов). [2] Точно так же площадь отдельных зон вечной мерзлоты может ограничиваться узкими горными вершинами или простираться на обширные арктические регионы. [3] Земля под ледниками и ледяными щитами обычно не считается вечной мерзлотой, 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% мировой поверхности покрыто вечной мерзлотой [5] с общей площадью около 18 миллионов км 2 (6,9 миллионов квадратных миль). [6] Сюда входят значительные территории Аляски , Гренландии , Канады и Сибири . Он также расположен в высокогорных регионах, ярким примером которых является Тибетское нагорье . Лишь незначительная часть вечной мерзлоты существует в Южном полушарии , где она сосредоточена на склонах гор, например, в Андах Патагонии , Южных Альпах Новой Зеландии или самых высоких горах Антарктиды . [3] [1]
Вечная мерзлота содержит большое количество мертвой биомассы , которая накапливалась на протяжении тысячелетий, не имея возможности полностью разложиться и высвободить углерод , что делает тундровую почву поглотителем углерода . [3] Поскольку глобальное потепление нагревает экосистему, замерзшая почва оттаивает и становится достаточно теплой, чтобы разложение началось заново, ускоряя углеродный цикл вечной мерзлоты . В зависимости от условий во время оттепели при разложении может выделяться либо углекислый газ, либо метан , и эти выбросы парниковых газов действуют как обратная связь с изменением климата . [7] [8] [9] Выбросы от таяния вечной мерзлоты окажут достаточное воздействие на климат, что повлияет на глобальные углеродные балансы . Точные оценки выбросов вечной мерзлоты сложно смоделировать из-за неопределенности относительно различных процессов оттаивания. Существует широко распространенное мнение, что они будут меньше, чем выбросы, вызванные деятельностью человека, и недостаточно велики, чтобы привести к « безудержному потеплению ». [10] Вместо этого прогнозируемые ежегодные выбросы вечной мерзлоты сравнивались с глобальными выбросами от вырубки лесов или с годовыми выбросами крупных стран, таких как Россия, США или Китай. [11]
Помимо воздействия на климат, таяние вечной мерзлоты несет в себе дополнительные риски. Ранее замерзшая почва часто содержит достаточно льда, и когда он оттаивает, гидравлическое насыщение внезапно превышается, поэтому почва 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 могут обрушиться в случае таяния. [12] По оценкам, к 2050 году почти 70% такой инфраструктуры окажется под угрозой, и что связанные с этим затраты могут вырасти до десятков миллиардов долларов во второй половине века. [13] Кроме того, в вечной мерзлоте имеется от 13 000 до 20 000 участков, загрязненных токсичными отходами , [14] а также природные залежи ртути , [15] которые склонны к утечкам и загрязнению окружающей среды по мере прогрессирования потепления. [16] Наконец, существуют опасения по поводу того, что потенциально патогенные микроорганизмы переживут оттепель и будут способствовать будущим эпидемиям и пандемиям , [17] [18], хотя этот риск является умозрительным и считается неправдоподобным большей частью научного сообщества. [19] [20] [21]
Вечная мерзлота — это почва , камни или отложения , которые замерзают более двух лет подряд. На практике это означает, что вечная мерзлота возникает при средней годовой температуре -2 ° C (28,4 ° F) или ниже. В самых холодных регионах глубина сплошной вечной мерзлоты может превышать 1400 м (4600 футов). [22] Обычно он существует под так называемым активным слоем , который ежегодно замерзает и оттаивает и поэтому может поддерживать рост растений, поскольку корни могут удерживаться 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 наименьшей протяженностью активного слоя (в среднем менее 50 сантиметров (1,6 фута), а иногда и всего 30 сантиметров (0,98 фута)), в то время как южная Норвегия и Монгольское нагорье являются самыми твердыми. только районы, где средний активный слой глубже 600 сантиметров (20 футов), с рекордом 10 метров (33 фута). [24] [25] Границу между активным слоем и самой вечной мерзлотой иногда называют таблицей вечной мерзлоты. [26]
Около 15% территории Северного полушария , не полностью покрытой льдом, непосредственно подстилает вечная мерзлота; 22% определяются как часть зоны или региона вечной мерзлоты. [5] Это связано с тем, что лишь немногим более половины этой территории определяется как сплошная зона вечной мерзлоты, где 90–100% земли покрыто вечной мерзлотой. Вместо этого около 20% определяется как прерывистая вечная мерзлота, где охват составляет от 50% до 90%. Наконец, оставшиеся <30% регионов вечной мерзлоты состоят из территорий с покрытием 10–50%, которые определяются как спорадические зоны вечной мерзлоты, и некоторых территорий, которые имеют изолированные участки вечной мерзлоты, покрывающие 10% или менее их площади. [27] [28] : 435 Большая часть этой территории находится в Сибири, северной Канаде, Аляске и Гренландии. Под активным слоем годовые колебания температуры вечной мерзлоты с глубиной уменьшаются. Наибольшая глубина вечной мерзлоты наблюдается непосредственно перед точкой, где геотермальное тепло поддерживает температуру выше точки замерзания. Выше этого нижнего предела может находиться 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 , например, в Северной Скандинавии и северо-восточной части европейской части России к западу от Урала , где снег действует как изолирующее одеяло. Исключением могут быть и ледниковые районы. Поскольку все ледники у своего основания нагреваются за счет геотермального тепла, ледники умеренного пояса , которые повсюду находятся вблизи точки плавления под давлением , могут иметь жидкую воду на границе с землей и, следовательно, свободны от подстилающей вечной мерзлоты. [30] «Ископаемые» аномалии холода в геотермическом градиенте в районах, где в плейстоцене образовалась глубокая вечная мерзлота, сохраняются на глубине до нескольких сотен метров. Об этом свидетельствуют измерения температуры в скважинах Северной Америки и Европы. [31]
Подземная температура меняется от сезона к сезону меньше, чем температура воздуха, при этом среднегодовые температуры имеют тенденцию увеличиваться с глубиной в результате геотермического градиента земной коры. Таким образом, если средняя годовая 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 (от 23 до 32 ° F). В упомянутых выше районах с влажной зимой может не быть даже прерывистой вечной мерзлоты до температуры -2 ° C (28 ° F). Прерывистую вечную мерзлоту часто подразделяют на обширную прерывистую вечную мерзлоту, где вечная мерзлота покрывает от 50 до 90 процентов ландшафта и обычно встречается в районах со среднегодовой температурой от -2 до -4 ° C (28 и 25 ° F), и спорадическую. вечная мерзлота, где вечная мерзлота занимает менее 50 процентов ландшафта и обычно встречается при среднегодовых температурах от 0 до -2 ° C (от 32 до 28 ° F). [32]
В почвоведении спорадическую зону вечной мерзлоты называют сокращенно СЗЗ , а обширную прерывистую зону вечной мерзлоты — ДПЗ . [33] Исключения встречаются в незамерзшей Сибири и на Аляске , где нынешняя глубина вечной мерзлоты является реликтом климатических условий ледниковых периодов, когда зимы были на 11 °C (20 °F) холоднее, чем сегодня.
При среднегодовой температуре поверхности почвы ниже -5 ° C (23 ° F) влияние аспекта никогда не может быть достаточным для оттаивания 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 меняется по всему миру в северном или южном направлении из-за региональных климатических изменений. В южном полушарии большая часть эквивалентной линии проходила бы в пределах Южного океана , если бы там была суша. Большая часть Антарктического континента покрыта ледниками, под которыми большая часть территории подвержена таянию основания . [36] Открытая территория Антарктиды в значительной степени покрыта вечной мерзлотой, [37] часть которой вдоль береговой линии подвержена потеплению и таянию. [38]
Ряд возвышенностей как в Северном , так и в Южном полушарии достаточно холоден, чтобы поддерживать вечно мерзлую почву: некоторые из наиболее известных примеров включают Канадские Скалистые горы , Европейские Альпы , Гималаи и Тянь-Шань . В целом было обнаружено, что для обширной альпийской вечной мерзлоты требуется среднегодовая температура воздуха -3 ° C (27 ° F), хотя она может варьироваться в зависимости от местной топографии , а известно, что в некоторых горных районах вечная мерзлота поддерживается на уровне -1 ° C. (30 °Ф). Также возможно, что подземная альпийская вечная мерзлота будет покрыта более теплой почвой, поддерживающей растительность. [39]
Альпийскую вечную мерзлоту особенно трудно изучать, и систематические исследования начались только в 1970-х годах. [39] Следовательно, остаются неопределенности относительно его географии. Совсем недавно, в 2009 году, вечная мерзлота была обнаружена в новом районе – 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, что глобальная протяженность составляет 3 560 000 км 2 (1 370 000 квадратных 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 встречается под морским дном и существует на континентальных шельфах полярных регионов. [2] Эти области образовались во время последнего ледникового периода , когда большая часть воды на Земле была связана ледяными щитами на суше и когда уровень моря был низким. Когда ледяные щиты растаяли и снова превратились в морскую воду во время отступления ледников голоцена , прибрежная вечная мерзлота превратилась в затопленные шельфы в относительно теплых и соленых граничных условиях по сравнению с поверхностной вечной мерзлотой. С тех пор эти условия привели к постепенному и продолжающемуся сокращению площади подводной вечной мерзлоты. [6] Тем не менее, его присутствие остается важным фактором при «проектировании, строительстве и эксплуатации прибрежных сооружений, сооружений, основанных на морском дне, искусственных островов , подводных трубопроводов и скважин , пробуренных для разведки и добычи». [43] Подводная вечная мерзлота также может перекрывать отложения клатрата метана , которые когда-то считались основным переломным моментом климата в так называемой гипотезе клатратной пушки , но теперь считается, что они больше не играют никакой роли в прогнозируемом изменении климата. [44]
Во время последнего ледникового максимума непрерывная вечная мерзлота покрывала гораздо большую площадь, чем сегодня, охватывая всю свободную ото льда Европу на юге примерно до Сегеда (юго-восточная Венгрия ) и Азовское море (тогда суша) [45] и Восточную Азию на юге. до современных Чанчуня и Абасири . [46] В Северной Америке существовал только чрезвычайно узкий пояс вечной мерзлоты к югу от ледникового щита примерно на широте Нью-Джерси, через южную Айову и северный Миссури , но вечная мерзлота была более обширной в более засушливых западных регионах, где она простиралась до южных регионов. граница Айдахо и Орегона . [47] В Южном полушарии есть некоторые свидетельства существования бывшей вечной мерзлоты этого периода в центральном Отаго и аргентинской Патагонии , но, вероятно, она была прерывистой и связана с тундрой. Альпийская вечная мерзлота также встречалась в Дракенсберге во время ледниковых максимумов на высоте около 3000 метров (9840 футов). [48] [49]
Вечная мерзлота простирается до глубины основания, где геотермальное тепло от Земли и среднегодовая температура на поверхности достигают равновесной температуры 0 ° C (32 ° F). [51] Базовая глубина вечной мерзлоты может сильно варьироваться – она составляет менее метра (3 футов) в районах, где она самая мелкая, [2] но достигает 1493 м (4898 футов) в северных бассейнах рек Лены и Яны в Сибирь . [22] Расчеты показывают, что время формирования вечной мерзлоты значительно замедляется после первых нескольких метров. Например, более полумиллиона лет потребовалось для формирования глубокой вечной мерзлоты , лежащей под заливом Прадхо на Аляске , — период времени, охватывающий несколько ледниковых и межледниковых циклов плейстоцена . [50] : 18
На глубину основания влияет геология подстилающей основы, в частности теплопроводность , которая в вечной мерзлоте в почве ниже, чем в коренных породах . [51] Более низкая проводимость делает вечную мерзлоту менее подверженной влиянию геотермического градиента , который представляет собой скорость повышения температуры по отношению к увеличению глубины в недрах Земли. Это происходит, когда внутренняя тепловая энергия Земли генерируется в результате радиоактивного распада нестабильных изотопов и течет к поверхности за счет проводимости со скоростью ~ 47 тераватт (ТВт). [52] Вдали от границ тектонических плит это эквивалентно среднему тепловому потоку 25–30 °C/км (124–139 °F/миль) у поверхности. [53]
Когда содержание льда в вечной мерзлоте превышает 250 процентов (от льда к сухой почве по массе), ее классифицируют как массивный лед. Состав массивных ледяных тел может варьироваться во всех мыслимых градациях: от ледяной грязи до чистого льда. Массивные ледяные пласты имеют минимальную толщину не менее 2 м и небольшой диаметр не менее 10 м. [55] Первые зарегистрированные наблюдения этого явления в Северной Америке были сделаны европейскими учёными на реке Каннинг (Аляска) в 1919 году . [56] В русской литературе приводятся более ранние даты — 1735 и 1739 годы во время Великой Северной экспедиции П. Лассиниуса и Харитона Лаптева , соответственно. Российские исследователи, в том числе И. А. Лопатин, Б. Хегбомов, С. Табер и Г. Бесков, также сформулировали оригинальные теории ледяных включений в промерзающих почвах. [57]
Хотя в вечной мерзлоте существует четыре категории льда – поровый лед, жильные жилы льда (также известные как жильный лед), погребенный поверхностный лед и внутриседиментальный (иногда также называемый конституционным [57] ) лед – только последние две имеют тенденцию быть достаточно большими, чтобы соответствовать критериям как массивный грунтовый лед. [58] [26] Эти два типа обычно встречаются по отдельности, но могут быть найдены вместе, как, например, на побережье Туктояктука в западной арктической Канаде , где расположены остатки Лаврентидского ледникового щита . [59]
Погребенный поверхностный лед может образоваться из снега, замерзшего озерного или морского льда , наледей (речных льдов) и даже погребенного ледникового льда из бывших ледниковых щитов плейстоцена . 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 отложениями древнего льда включают долину реки Енисей в Сибири , Россия, а также банки и остров Байлот в канадских Нунавуте и Северо-Западных территориях . [61] [62] [54] Некоторые из погребенных остатков ледникового покрова, как известно, содержат термокарстовые озера . [60]
Внутриседиментальный или конституциональный лед широко наблюдался и изучался по всей Канаде. Он образуется при замерзании подземных вод и подразделяется на интрузивный, инъекционный и сегрегационный лед. Последний является преобладающим типом, образующимся после кристаллизационной дифференциации во влажных осадках , происходящей при миграции воды к фронту замерзания под действием сил Ван-дер-Ваальса . [56] [55] [58] Это медленный процесс, который в основном происходит в илах с соленостью менее 20% морской воды : иловые отложения с более высокой соленостью и глинистые отложения вместо этого имеют движение воды до образования льда, в котором преобладают реологические процессы. Следовательно, для образования внутриседиментационного льда в верхних 2,5 метра глинистых отложений требуется от 1 до 1000 лет, тогда как для торфяных отложений требуется от 10 до 10 000 лет, а для илистых отложений - от 1 000 до 1 000 000 лет. [26]
Процессы вечной мерзлоты, такие как тепловое сжатие , образующее трещины, которые в конечном итоге превращаются в ледяные клинья , и солифлюкция – постепенное движение почвы вниз по склону по мере ее многократного замерзания и оттаивания – часто приводят к образованию многоугольников грунта, колец, ступеней и других форм узорчатого грунта, встречающихся в арктические, перигляциальные и альпийские районы. [63] [64] В богатых льдом районах вечной мерзлоты таяние подземного льда инициирует термокарстовые формы рельефа, такие как термокарстовые озера , оттепели, термоэрозионные овраги и отслоения активного слоя. [65] [66] Примечательно, что необычно глубокая вечная мерзлота в арктических вересковых пустошах и болотах часто привлекает талую воду в теплое время года, которая скапливается и замерзает, образуя ледяные линзы , а окружающая земля начинает выступать наружу под уклоном. В конечном итоге это может привести к образованию крупномасштабных форм рельефа вокруг этого ядра вечной мерзлоты, таких как палсы - длинные (15–150 м (49–492 футов)), широкие (10–30 м (33–98 футов)) но неглубокие (<1–6 м (3 фута 3 дюйма – 19 футов 8 дюймов) в высоту) торфяные насыпи – и еще более крупные пинго , которые могут иметь высоту 3–70 м (10–230 футов) и 30–1000 м ( 98–3281 фут) в диаметре . [67] [68]
Только растения с неглубокими корнями могут выжить в условиях вечной мерзлоты. Ель черная переносит ограниченные зоны корневой системы и доминирует во флоре там, где обширна вечная мерзлота. Аналогично, среда обитания видов животных , живущих в берлогах и норах, ограничена вечной мерзлотой, и эти ограничения также оказывают вторичное влияние на взаимодействие между видами внутри экосистемы . [69]
Несмотря на то, что вечная мерзлота заморожена, она не является полностью непригодной для микроорганизмов , хотя их количество может широко варьироваться, обычно от 1 до 1000 миллионов на грамм почвы. [70] [71] Цикл углерода вечной мерзлоты (арктический углеродный цикл) связан с переносом углерода из вечномерзлых почв к наземной растительности и микробам, в атмосферу, обратно к растительности и, наконец, обратно в вечномерзлые почвы посредством захоронения и осаждения из-за криогенные процессы. Некоторая часть этого углерода переносится в океан и другие части земного шара в рамках глобального углеродного цикла. Цикл включает обмен углекислого газа и метана между земными компонентами и атмосферой, а также перенос углерода между сушей и водой в виде метана, растворенного органического углерода , растворенного неорганического углерода , твердых частиц неорганического углерода и твердых частиц органического углерода . [72]
Большинство бактерий и грибов, обнаруженных в вечной мерзлоте, невозможно культивировать в лаборатории, но идентичность микроорганизмов можно установить с помощью методов, основанных на ДНК . Например, анализ генов 16S рРНК из образцов вечной мерзлоты позднего плейстоцена на Колымской низменности в Восточной Сибири выявил восемь филотипов , которые принадлежали к типам Actinomycetota и Pseudomonadota . [73] В 2016 году было обнаружено, что «Муот-да-Барба-Пейдер», альпийский участок вечной мерзлоты на востоке Швейцарии, является местом обитания разнообразного микробного сообщества. Известные группы бактерий включали тип 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 разнообразные приспособления к минусовым условиям, включая пониженные и анаэробные метаболические процессы. [74]
В мире только два крупных города построены в районах сплошной вечной мерзлоты (где мерзлая почва образует непрерывный отрицательный слой), 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 распространиться на почву, оттаивая ее. Поскольку лед превращается в воду, способность земли обеспечивать структурную поддержку ослабляется, пока здание не дестабилизируется. Например, при строительстве Транссибирской магистрали по этим причинам через месяц работы начал разрушаться паромоторный заводской комплекс, построенный в 1901 году . [76] : 47 Кроме того, на территории, подстилаемой вечной мерзлотой, отсутствуют грунтовые воды . Любое существенное поселение или сооружение должно иметь альтернативные меры для получения воды. [75] [76] : 25
Распространенным решением является устройство фундамента на деревянных сваях — метод, впервые предложенный советским инженером Михаилом Кимом в Норильске. [77] Тем не менее, вызванное потеплением изменение силы трения на сваях все равно может вызвать движение за счет ползучести , даже если почва остается замерзшей. [78] Институт вечной мерзлоты Мельникова в Якутске установил, что свайные фундаменты должны иметь 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 строятся на обширной гравийной подушке (обычно толщиной 1–2 м (3 фута 3 дюйма – 6 футов 7 дюймов)); или использование тепловых трубок с безводным аммиаком . [80] В Трансаляскинской трубопроводной системе используются тепловые трубы, встроенные в вертикальные опоры, чтобы предотвратить проседание трубопровода, а на железной дороге Цинцзан в Тибете используются различные методы для поддержания прохлады земли, как в районах с морозоустойчивой почвой . Вечная мерзлота может привести к необходимости создания специальных ограждений для подземных коммуникаций, называемых « утилидорами ». [81]
В глобальном масштабе вечная мерзлота потеплела примерно на 0,3 ° C (0,54 ° F) в период с 2007 по 2016 год, при этом более сильное потепление наблюдалось в сплошной зоне 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 гг.). Это потепление неизбежно приводит к таянию вечной мерзлоты: толщина активного слоя увеличилась в европейской и российской Арктике на протяжении XXI века, а также 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) при среднегодовой скорости ~ 0,65 сантиметра (0,26 дюйма). [24] На Юконе зона сплошной вечной мерзлоты, возможно, сместилась на 100 километров (62 мили) к полюсу с 1899 года, но точные данные датируются только 30 годами. Площадь подводной вечной мерзлоты также уменьшается; По состоянию на 2019 год ~ 97% вечной мерзлоты под шельфовыми ледниками Арктики становится теплее и тоньше. [84] [10] : 1281 Основываясь на высоком согласии между прогнозами моделей, пониманием фундаментальных процессов и палеоклиматическими данными, практически несомненно, что протяженность и объем вечной мерзлоты будут продолжать сокращаться по мере потепления глобального климата, при этом степень потерь будет определена. по величине потепления. [83] : 1283
Оттаивание вечной мерзлоты связано с широким спектром проблем, и Международная ассоциация вечной мерзлоты (IPA) существует для того, чтобы помочь в их решении. Он созывает международные конференции по вечной мерзлоте и поддерживает Глобальную наземную сеть по вечной мерзлоте , которая реализует специальные проекты, такие 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 воздействию биогенных процессов, которые облегчают его попадание в атмосферу в виде углекислого газа и метана . [11] Поскольку выбросы углерода в результате таяния вечной мерзлоты способствуют тому же потеплению, которое способствует оттаиванию, это хорошо известный пример положительной обратной связи по изменению климата , [87] и поскольку широко распространенное таяние вечной мерзлоты фактически необратимо, оно также считается одним из переломных моментов в климатической системе . [88]
В северном приполярном регионе вечная мерзлота содержит органическое вещество, эквивалентное 1400–1650 миллиардам тонн чистого углерода, которое накапливалось за тысячи лет. Это количество равно почти половине всего органического материала во всех почвах , [89] [11] и примерно в два раза превышает содержание углерода в атмосфере , или примерно в четыре раза превышает выбросы углерода человеком в период между началом промышленной революции и 2011. [90] Кроме того, большая часть этого углерода (~ 1035 миллиардов тонн) хранится в так называемой приповерхностной вечной мерзлоте, на глубине не более 3 метров (9,8 футов) от поверхности. [89] [11] Однако ожидается, что только часть этого накопленного углерода попадет в атмосферу. [91] В целом ожидается, что объем вечной мерзлоты в верхних 3 м земли будет уменьшаться примерно на 25% на каждый 1 °C (1,8 °F) глобального потепления, [83] : 1283, но даже в рамках RCP8.5 Согласно сценарию, связанному с глобальным потеплением на более чем 4 °C (7,2 °F) к концу 21 века, [92] ожидается, что от 5% до 15% углерода вечной мерзлоты будет потеряно «в течение десятилетий и столетий». [11]
Точное количество углерода, которое будет высвобождено в результате потепления в данном районе вечной мерзлоты, зависит от глубины оттаивания, содержания углерода в талой почве, физических изменений в окружающей среде, а также микробной и растительной активности в почве. [93] Примечательно, что оценки выбросов углерода сами по себе не в полной мере отражают влияние таяния вечной мерзлоты на изменение климата. Это связано с тем, что углерод может выделяться в результате аэробного или 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. [94] [95] Хотя лишь небольшая часть углерода вечной мерзлоты попадет в атмосферу в виде метана, эти выбросы вызовут 40-70% общего потепления, вызванного таянием вечной мерзлоты в 21 веке. Большая часть неопределенности относительно возможных масштабов выбросов метана из вечной мерзлоты вызвана трудностью учета недавно обнаруженных процессов резкого оттаивания, которые часто увеличивают долю метана, выделяемого над углекислым газом, по сравнению с обычными процессами постепенного оттаивания. [96] [11]
Еще одним фактором, усложняющим прогнозы выбросов углерода в вечной мерзлоте, является продолжающееся «озеленение» Арктики. Поскольку изменение климата нагревает воздух и почву, регион становится более благоприятным для растений, включая более крупные кустарники и деревья, которые раньше не могли здесь выжить. Таким образом, Арктика теряет все больше и больше своих тундровых биомов, но приобретает больше растений, которые продолжают поглощать больше углерода. Некоторые выбросы, вызванные таянием вечной мерзлоты, будут компенсированы увеличением роста растений, но точная пропорция неизвестна. Считается очень маловероятным, что такое озеленение сможет компенсировать все выбросы в результате таяния вечной мерзлоты в 21 веке, и еще менее вероятно, что оно сможет продолжать идти в ногу с этими выбросами после 21 века. [11] Кроме того, изменение климата также увеличивает риск лесных пожаров в Арктике, которые могут существенно ускорить выбросы углерода из вечной мерзлоты. [87] [98]
В целом ожидается, что совокупные выбросы парниковых газов в результате таяния вечной мерзлоты будут меньше, чем совокупные антропогенные выбросы, но все же существенны в глобальном масштабе, причем некоторые эксперты сравнивают их с выбросами, вызванными вырубкой лесов . [11] Согласно шестому оценочному докладу МГЭИК , выбросы углекислого газа и метана из вечной мерзлоты могут составлять эквивалент 14–175 миллиардов тонн углекислого газа на 1 °C (1,8 °F) потепления. [83] : 1237 Для сравнения, к 2019 году ежегодные антропогенные выбросы только углекислого газа составили около 40 миллиардов тонн. [83] : 1237 В крупном обзоре, опубликованном в 2022 году, сделан вывод, что если цель предотвращения потепления на 2 °C (3,6 °F) будет реализована, то среднегодовые выбросы вечной мерзлоты на протяжении 21 века будут эквивалентны показателям 2019 года. Годовые выбросы России. В рамках РТК4.5, сценария, который считается близким к нынешней траектории, и при котором потепление остается немного ниже 3 °C (5,4 °F), годовые выбросы вечной мерзлоты будут сопоставимы с выбросами в 2019 году в Западной Европе или США, тогда как в рамках РТК4.5 В сценарии сильного глобального потепления и наихудшей реакции вечной мерзлоты они приблизится к выбросам Китая в 2019 году. [11]
Меньше исследований пытались описать воздействие непосредственно с точки зрения потепления. В документе 2018 года подсчитано, что если бы глобальное потепление было ограничено 2 °C (3,6 °F), постепенное таяние вечной мерзлоты добавит примерно 0,09 °C (0,16 °F) к глобальной температуре к 2100 году [99] , а в обзоре 2022 года был сделан вывод, что каждый Глобальное потепление на 1 °C (1,8 °F) вызовет резкую оттепель на 0,04 °C (0,072 °F) и 0,11 °C (0,20 °F) к 2100 и 2300 годам. Около 4 °C (7,2 °F) может произойти глобальное потепление, внезапное (около 50 лет) и повсеместное разрушение районов вечной мерзлоты, что приведет к дополнительному потеплению на 0,2–0,4 °C (0,36–0,72 °F). [88] [100]
По мере стекания или испарения воды структура почвы ослабевает, а иногда и становится вязкой, пока не восстановит прочность при уменьшении содержания влаги. Одним из видимых признаков деградации вечной мерзлоты является случайное смещение деревьев из вертикальной ориентации в районах вечной мерзлоты. [101] Глобальное потепление привело к увеличению нарушений склонов вечной мерзлоты и увеличению поступления отложений в речные системы, что привело к исключительному увеличению речных отложений. [102] С другой стороны, нарушение ранее твердой почвы увеличивает дренаж водоемов в северных водно-болотных угодьях . Это может привести к их высыханию и поставить под угрозу выживание растений и животных, привыкших к экосистеме водно-болотных угодий. [103]
В высокогорьях большая часть структурной стабильности может быть связана с ледниками и вечной мерзлотой. [104] По мере потепления климата вечная мерзлота оттаивает, снижая устойчивость склонов и увеличивая нагрузку за счет увеличения давления поровой воды , что в конечном итоге может привести к обрушению склонов и камнепадам . [105] [106] За последнее столетие было зарегистрировано все больше случаев обрушения альпийских горных склонов в горных хребтах по всему миру, и некоторые из них были связаны с таянием вечной мерзлоты, вызванным изменением климата. Одним из таких примеров считается оползень Валь-Пола в 1987 году , в результате которого погибли 22 человека в итальянских Альпах . [107] В 2002 г. произошли массивные камне- и ледопады (до 11,8 млн м 3 ), землетрясения (до 3,9 баллов по Рихтеру ), наводнения (до 7,8 млн м 3 воды), быстрое каменно-ледовое течение на большие расстояния (до 7,8 млн м 3 воды). до 7,5 км при скорости 60 м/с) были связаны с нестабильностью склонов в высокогорной вечной мерзлоте. [108]
Таяние вечной мерзлоты также может привести к образованию замороженных лепестков обломков (FDL), которые определяются как «медленно движущиеся оползни, состоящие из почвы, камней, деревьев и льда». [109] Это заметная проблема в южной части хребта Брукс на Аляске , где некоторые FDL имеют ширину более 100 м (110 ярдов), высоту 20 м (22 ярда) и длину 1000 м (1100 ярдов). 2012. [110] [111] По состоянию на декабрь 2021 года в южной части хребта Брукс было выявлено 43 доли замороженных обломков, где они потенциально могли угрожать как коридору Трансаляскинской трубопроводной системы (TAPS), так и шоссе Далтон , которое является основным Транспортное сообщение между внутренней Аляской и северным склоном Аляски . [112]
По состоянию на 2021 год непосредственно на вершине вечной мерзлоты Арктики расположено 1162 населенных пункта, в которых проживает около 5 миллионов человек. Ожидается, что к 2050 году слой вечной мерзлоты под 42% этих поселений оттает, что затронет всех их жителей (в настоящее время 3,3 миллиона человек). [114] Следовательно, оттепель угрожает широкому спектру объектов инфраструктуры в районах вечной мерзлоты. [12] [115] : 236 По оценкам, к 2050 году почти 70% глобальной инфраструктуры, расположенной в районах вечной мерзлоты, будут подвергаться высокому риску таяния вечной мерзлоты, включая 30–50% «критической» инфраструктуры. Сопутствующие затраты могут достичь десятков миллиардов долларов ко второй половине века. [13] Сокращение выбросов парниковых газов в соответствии с Парижским соглашением , по прогнозам, стабилизирует риск после середины столетия; в противном случае ситуация будет продолжать ухудшаться. [113]
Только на Аляске ущерб инфраструктуре к концу столетия составит 4,6 миллиарда долларов (в долларовом выражении 2015 года), если RCP8.5 , сценарий изменения климата с высоким уровнем выбросов , будет реализован. Более половины причинен ущерб зданиям (2,8 миллиарда долларов), но есть также ущерб дорогам (700 миллионов долларов), железным дорогам (620 миллионов долларов), аэропортам (360 миллионов долларов) и трубопроводам (170 миллионов долларов). [116] Аналогичные оценки были сделаны для RCP4.5, менее интенсивного сценария, который приведет к повышению температуры примерно на 2,5 °C (4,5 °F) к 2100 году, уровню потепления, аналогичному текущим прогнозам. [117] В этом случае общий ущерб от таяния вечной мерзлоты снижается до 3 миллиардов долларов, ущерб автомобильным и железным дорогам снижается примерно на две трети (с 700 и 620 миллионов долларов до 190 и 220 миллионов долларов), а ущерб трубопроводам снижается более более чем в десять раз, со 170 до 16 миллионов долларов. В отличие от других издержек, связанных с изменением климата на Аляске, таких как ущерб от увеличения количества осадков и наводнений, адаптация к изменению климата не является жизнеспособным способом уменьшить ущерб от таяния вечной мерзлоты, поскольку она будет стоить больше, чем ущерб, понесенный при любом сценарии. [116]
В Канаде на Северо-Западных территориях проживает всего 45 000 человек в 33 общинах, однако ожидается, что таяние вечной мерзлоты обойдется им в 1,3 миллиарда долларов в течение 75 лет, или около 51 миллиона долларов в год. В 2006 году стоимость адаптации домов Инувиалуита к таянию вечной мерзлоты оценивалась в 208 долларов США/м 2 , если они были построены на свайном фундаменте, и 1000 долларов США/м 2 в противном случае. В то время средняя площадь жилого дома на территории составляла около 100 м 2 . Ущерб, вызванный оттепелью, также вряд ли будет покрыт страхованием жилья , и для решения этой проблемы территориальное правительство в настоящее время финансирует программы помощи в ремонте и усовершенствовании (CARE) и обеспечения помощи в чрезвычайных ситуациях (SAFE), которые обеспечивают долгосрочную и краткосрочную помощь. срочные простительные кредиты, чтобы помочь домовладельцам адаптироваться. Вполне возможно, что в будущем вместо этого будет осуществляться принудительное переселение как более дешевый вариант. Однако это фактически оторвет местных инуитов от их исконной родины. Сейчас их средний личный доход составляет лишь половину среднего дохода жителя СЗТ, а это значит, что затраты на адаптацию для них уже непропорциональны. [118]
К 2022 году в некоторых городах Севера России уже будут повреждены до 80% зданий. [13] К 2050 году ущерб жилой инфраструктуре может достичь 15 миллиардов долларов, а общий ущерб общественной инфраструктуре может составить 132 миллиарда долларов. [119] Сюда входят объекты по добыче нефти и газа , 45% из которых, как полагают, находятся под угрозой. [113]
За пределами Арктики Цинхай-Тибетское нагорье (иногда известное как «Третий полюс») также имеет обширную территорию вечной мерзлоты. Она нагревается вдвое быстрее, чем в среднем по миру, и 40% ее территории уже считается «теплой» вечной мерзлотой, что делает ее особенно нестабильной. Население Цинхай-Тибетского нагорья составляет более 10 миллионов человек, что в два раза превышает численность населения регионов вечной мерзлоты в Арктике. В зоне вечной мерзлоты расположено более 1 миллиона м 2 зданий, а также 2631 км линий электропередачи и 580 км2. железных дорог. [120] Есть также 9389 км дорог, и около 30% из них уже страдают от таяния вечной мерзлоты. [13] По оценкам, при сценарии, наиболее похожем на сегодняшний день, SSP2-4.5 , около 60% существующей инфраструктуры будет подвергаться высокому риску к 2090 году, и простое ее поддержание будет стоить 6,31 миллиарда долларов, а адаптация снизит эти затраты на 20,9% в год. большинство. Удерживание глобального потепления на уровне 2 °C (3,6 °F) сократит эти затраты до 5,65 миллиарда долларов, а выполнение оптимистической цели Парижского соглашения по снижению температуры на 1,5 °C (2,7 °F) сэкономит еще 1,32 миллиарда долларов. В частности, менее 20% железных дорог будут подвергаться высокому риску к 2100 году при температуре ниже 1,5 °C (2,7 °F), однако при потеплении 2 °C (3,6 °F) этот показатель увеличивается до 60%, тогда как при SSP5-8,5 этот уровень риска будет достигнута к середине столетия. [120]
На протяжении большей части 20-го века считалось, что вечная мерзлота «на неопределенный срок» сохранит все, что там погребено, и это сделало районы глубокой вечной мерзлоты популярными местами для захоронения опасных отходов. В таких местах, как канадское нефтяное месторождение Прадхо-Бэй , были разработаны процедуры, документирующие «подходящий» способ закачки отходов под вечную мерзлоту. Это означает, что по состоянию на 2023 год в арктических районах вечной мерзлоты насчитывается около 4500 промышленных предприятий, которые либо активно перерабатывают, либо хранят опасные химические вещества. Кроме того, существует от 13 000 до 20 000 сильно загрязненных объектов, 70% из них находятся в России, и их загрязнения в настоящее время заперты в вечной мерзлоте. Ожидается, что около пятой части как промышленных, так и загрязненных территорий (1000 и 2200–4800) начнут оттаивать в будущем, даже если потепление не увеличится по сравнению с уровнями 2020 года. Согласно сценарию изменения климата, согласующемуся с целями Парижского соглашения , RCP2.6 , только около 3% дополнительных объектов начнут оттаивать в период до 2050 года, но к 2100 году ожидается, что еще около 1100 промышленных объектов и от 3500 до 5200 загрязненных объектов начнут оттаивать даже затем. Согласно сценарию RCP8.5 с очень высокими выбросами, 46% промышленных и загрязненных территорий начнут оттаивать к 2050 году, и практически все они будут затронуты оттепелью к 2100 году. [14] Особое значение имеют хлорорганические соединения и другие стойкие органические загрязнители. обеспокоенность из-за их способности неоднократно достигать местных сообществ после их повторного выпуска в результате биомагнификации в рыбе. В худшем случае будущие поколения, родившиеся в Арктике, войдут в жизнь с ослабленной иммунной системой из-за накопления загрязняющих веществ из поколения в поколение. [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 ТЭЦ № 3 компании «Норильск-Таймыр Энерджи». В результате вылилось 6000 тонн топлива на землю и 15 000 тонн в грунт. вода, загрязняющая Амбарную , Далдыкан и многие более мелкие реки на полуострове Таймыр , доходя даже до озера Пясино , которое является важнейшим источником воды в этом районе. Было объявлено чрезвычайное положение на федеральном уровне. [121] [122] Это событие было названо вторым по величине разливом нефти в современной истории России. [123] [124]
Еще одной проблемой, связанной с таянием вечной мерзлоты, является выброс природных залежей ртути . По оценкам, в вечной мерзлоте заморожено 800 000 тонн ртути. По наблюдениям, после оттепели около 70% его просто поглощается растительностью. [16] Однако, если потепление продолжится при РТК8.5, то выбросы ртути в атмосферу из вечной мерзлоты к 2200 году будут соответствовать нынешним глобальным выбросам от всей человеческой деятельности. Богатые ртутью почвы также представляют гораздо большую угрозу для людей и окружающей среды. если они тают возле рек. Согласно RCP8.5, к 2050 году в бассейн реки Юкон попадет достаточно ртути , чтобы сделать 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 EPA даже к 2300 году. [15]
Известно, что бактерии способны оставаться в состоянии покоя , чтобы выжить в неблагоприятных условиях, а вирусы вообще не проявляют метаболической активности вне клеток-хозяев. Это вызвало опасения, что таяние вечной мерзлоты может высвободить ранее неизвестные микроорганизмы, которые могут заразить людей или важный домашний скот и сельскохозяйственные культуры , что потенциально может привести к разрушительным эпидемиям или пандемиям . [17] [18] Кроме того, некоторые ученые утверждают, что горизонтальный перенос генов может происходить между более старыми, ранее замороженными бактериями, и современными, и одним из результатов может стать введение новых генов устойчивости к антибиотикам в геном нынешних патогенов, усугубляя ситуацию. уже ожидается, что это станет трудной проблемой в будущем. [125] [16]
В то же время такие известные патогены, как грипп и оспа, по-видимому, не способны выжить при оттаивании [20] , а другие ученые утверждают, что риск того, что древние микроорганизмы смогут пережить оттепель и представлять угрозу для людей, с научной точки зрения не является правдоподобным. [19] Аналогичным образом, некоторые исследования показывают, что устойчивость древних бактерий к противомикробным препаратам будет сопоставима или даже уступает современным. [126] [21]
В 2012 году российские исследователи доказали, что вечная мерзлота может служить естественным хранилищем древних форм жизни, возродив образец Silene stenophylla из ткани возрастом 30 000 лет, найденной в норе белки ледникового периода в вечной мерзлоте Сибири . Это самая древняя растительная ткань, когда-либо возрождавшаяся. Полученное растение оказалось плодородным, дало белые цветы и жизнеспособные семена. Исследование показало, что живые ткани могут выдерживать сохранение льда в течение десятков тысяч лет. [127]
В период с середины XIX до середины XX века большая часть литературы по фундаментальной науке о вечной мерзлоте и инженерным аспектам вечной мерзлоты была написана на русском языке. Одно из самых ранних письменных сообщений о существовании вечной мерзлоты датируется 1684 годом , когда работы по раскопкам колодцев в Якутске были поставлены в тупик из-за ее присутствия. [76] : 25 Значительную роль в первоначальных исследованиях вечной мерзлоты сыграли Александр фон Миддендорф (1815–1894) и Карл Эрнст фон Бэр , балтийский немецкий учёный Кенигсбергского университета , член Санкт -Петербургской Академии наук. . Баер начал публиковать работы по вечной мерзлоте начиная с 1838 года, и его часто считают «основателем научных исследований вечной мерзлоты». Собрав и проанализировав все доступные данные о подземном льду и вечной мерзлоте, Бэр заложил основу современной терминологии вечной мерзлоты. [128]
Известно также, что Бэр в 1843 году составил первый в мире учебник по вечной мерзлоте «Материалы для изучения многолетнего подземного льда», написанный на его родном языке. Однако в то время он не был напечатан, а русский перевод не был готов до 1942 года. Оригинальный немецкий учебник считался утерянным, пока машинописный текст 1843 года не был обнаружен в архивах библиотеки Гиссенского университета . Текст объемом 234 страницы был доступен в Интернете с дополнительными картами, предисловием и комментариями. [128] Примечательно, что южная граница вечной мерзлоты в Евразии , проведенная Бэром в 1843 году, хорошо соответствует фактической южной границе, подтвержденной современными исследованиями. [27] [128]
Начиная с 1942 года Саймон Уильям Мюллер углубился в соответствующую русскую литературу, хранящуюся в Библиотеке Конгресса и Библиотеке Геологической службы США, чтобы к 1943 году предоставить правительству инженерное руководство и технический отчет о вечной мерзлоте. [129] В этом отчете английский термин был введен как сокращение вечно мерзлой земли, [130] что считалось прямым переводом русского термина «вечная мерзлота» (русский язык: вечная мерзлота ). В 1953 году этот перевод подвергся критике со стороны другого исследователя Геологической службы США Инны Пуаре, поскольку она считала, что этот термин породил нереалистичные ожидания относительно его стабильности: [76] : 3 совсем недавно некоторые исследователи утверждали, что более подходящим переводом было бы «постоянное повторное замораживание». . [131] Сам отчет был засекречен (как Армия США. Управление начальника инженеров, Стратегическое инженерное исследование , № 62, 1943), [130] [132] до тех пор, пока в 1947 году не была выпущена исправленная версия, которая считается первый североамериканский трактат по этому вопросу. [129] [133]
С 11 по 15 ноября 1963 года на территории Университета Пердью в американском городке Уэст-Лафайет, штат Индиана, прошла Первая Международная конференция по вечной мерзлоте . В нем приняли участие 285 участников (включая «инженеров, производителей и строителей», присутствовавших вместе с исследователями) из ряда стран ( Аргентина , Австрия , Канада, Германия, Великобритания, Япония, Норвегия , Польша , Швеция, Швейцария, США и США). СССР ). Это положило начало современному научному сотрудничеству по этому вопросу. Конференции продолжают проводиться каждые пять лет. Во время Четвертой конференции в 1983 году специальная встреча стран-участниц «Большой четверки» (США, СССР, Китай и Канада) официально создала Международную ассоциацию вечной мерзлоты . [134]
В последние десятилетия исследования вечной мерзлоты привлекли больше внимания, чем когда-либо, из-за той роли, которую они играют в изменении климата . В результате произошло массовое увеличение количества опубликованной научной литературы . Примерно в 1990 году почти не публиковалось статей, содержащих слова «вечная мерзлота» и «углерод»: к 2020 году ежегодно публиковалось около 400 таких статей. [11]
Очень маловероятно, что газовые клатраты (в основном метан) в более глубоких слоях вечной мерзлоты и подводных клатратах приведут к заметному отклонению от траектории выбросов в течение этого столетия.