Table of Contents

Вечная мерзлота — почва, которая остается на уровне или ниже 0 °C в течение по крайней мере двух лет подряд — лежит в основе обширных ландшафтов по всему Северному полушарию, от арктических низменностей Аляски и Канады до высоких плато Тибета. В течение тысячелетий эта замороженная земля действовала как геологическая глубокая заморозка, блокируя огромные запасы органического углерода. Но по мере того, как глобальные температуры растут беспрецедентными темпами, стабильность вечной мерзлоты рушится. Последующая оттепель не является постепенным, однородным таянием; это сложный, часто резкий процесс, который вызывает каскад экологических, экономических и социальных последствий. Понимание механики вечной мерзлоты и ее далеко идущих последствий больше не является академическим упражнением — это насущная необходимость для прогнозирования климата, планирования инфраструктуры и выживания арктических общин.

Природа вечной мерзлоты

Вечная мерзлота определяется строго температурой, а не содержанием льда или покровом суши. Она может быть найдена под слоями почвы, камня, песка или торфа и колеблется в толщине от менее метра до более 1500 метров в частях северной Сибири. Слой над вечной мерзлотой, который оттаивает сезонно, называется активным слоем ; его глубина варьируется с широтой, растительностью и местным климатом. Во многих регионах активный слой увеличивается в глубине, а в некоторых местах он теперь сливается с оттаиванием вечной мерзлоты ниже, создавая то, что ученые называют «таликами» — постоянно незамерзающие зоны в ранее непрерывной вечной мерзлоте.

Вечная мерзлота классифицируется на три широкие категории: непрерывная (покрывающая 90-10% ландшафта), прерывистая (50-90%) и спорадическая (10-50 %). Это распределение в значительной степени зависит от средней годовой температуры, но микроклиматические факторы — такие как снежный покров, затенение растительности и дренаж — могут создавать карманы замороженного грунта к югу от основной зоны вечной мерзлоты. Общая площадь под вечной мерзлотой в Северном полушарии составляет примерно 22-24 миллиона квадратных километров, площадь больше, чем Южная Америка.

Что делает вечную мерзлоту столь важной для глобального климата, так это ее содержание углерода. В течение десятков тысяч лет мертвые растения и животные накапливались в холодных, заболоченных почвах без полного разложения. Это органическое вещество, сохраняемое в замороженном состоянии, представляет собой углеродный бассейн, который оценивается в 1400-1600 миллиардов метрических тонн - примерно в два раза больше углерода, находящегося в настоящее время в атмосфере. По мере оттаивания вечной мерзлоты микробы становятся активными, разрушая это органическое вещество и выделяя углекислый газ (CO2) и метан (CH4). Метан примерно в 25-30 раз более мощный парниковый газ, чем CO2 в течение 100-летнего периода времени, что делает его высвобождение особенно тревожным.

Механизмы и триггеры оттепели

Термическое воздействие

Повышение температуры воздуха является основным фактором таяния вечной мерзлоты. Арктика нагревается почти в четыре раза по сравнению со средним мировым показателем — явление, известное как усиление Арктики. Теплое лето увеличивает глубину и продолжительность таяния активного слоя, в то время как более мягкие зимы уменьшают потенциал замерзания. Результатом является чистая потеря льда в матрице вечной мерзлоты, вызывая оседание поверхности земли, известное как термокарст .

Поверхностные и растительные изменения

Изменения снежного покрова могут либо ускорить, либо задержать оттепель. Глубокий снежный покров изолирует землю от экстремального зимнего холода, позволяя большему количеству тепла проникать в течение сезона оттепели. И наоборот, более раннее весеннее таяние снега подвергает более темную землю, которая поглощает больше солнечной радиации, дополнительно нагревая почву. Лесные пожары, которые становятся все более частыми и интенсивными в бореальных регионах, убирают изоляционную растительность и органические слои почвы, резко увеличивая скорость, с которой прогревается вечная мерзлота. Черный углерод, осажденный на снегу и льду, также темнеет поверхности, ускоряя таяние.

Человеческое беспокойство

Развитие инфраструктуры - дороги, трубопроводы, взлетно-посадочные полосы и здания - изменяет поверхностное альбедо, дренажные структуры и теплообмен. Гравийные площадки и возвышенные фундаменты были разработаны, чтобы минимизировать поток тепла в вечную мерзлоту, но многие старые структуры теперь терпят неудачу, поскольку земля под ними деградирует. Линейные функции, такие как зимние дороги, сейсмические линии и трубопроводы могут действовать как каналы для потока воды, способствуя тепловой эрозии и оврагу.

Последствия вечной мерзлоты

Выбросы парниковых газов и обратная связь углерода в вечной мерзлоте

Выброс CO2 и метана из таяния вечной мерзлоты представляет собой положительную петлю обратной связи с климатом: потепление вызывает оттаивание, которое выделяет больше парниковых газов, что приводит к дальнейшему потеплению. Текущие оценки предполагают, что вечная мерзлота может высвободить 30–100 миллиардов метрических тонн углерода к 2100 году, если сценарии с высокими выбросами продолжатся. Это эквивалентно 8–25 % всего антропогенного бюджета углерода, необходимого для ограничения потепления до 2 ° C. Наибольшая неопределенность заключается в судьбе метана, который может быть внезапно высвобожден из оттаивания богатых льдом отложений йедомы (древние богатые льдом илы в Сибири и Аляске) и из термокарстовых озер, где анаэробное разложение производит метановые пузырьки, которые высвобождаются из озерных отложений большими импульсами.

Неудачи инфраструктуры и экономические издержки

Оттепель вечной мерзлоты представляет собой экзистенциальную угрозу для построенной инфраструктуры в Арктике. Сцепление дорог, разрыв трубопроводов, погружение или наклон зданий и взлетно-посадочные полосы аэропортов становятся неравномерными. Исследование 2017 года показало, что к 2050 году 70% инфраструктуры в нынешней зоне вечной мерзлоты будет подвержено риску повреждения, при этом совокупные затраты достигнут десятков миллиардов долларов только на Аляске. В России, городе Норильск - крупнейшем в мире центре по производству никеля - наблюдается трещина фундаментов и сдвиг зданий, поскольку вечная мерзлота под ними деградирует. Разлив дизельного топлива в Норильске в 2020 году, один из крупнейших в истории Арктики, был непосредственно связан с оттепелью вечной мерзлоты, вызвавшей разрушение фундаментов резервуаров для хранения.

Особую уязвимость представляют общины, которые полагаются на зимние ледовые дороги для пополнения запасов: более короткие зимы и более ранние весенние оттепели сокращают эксплуатационный сезон, повышая затраты и ограничивая доступ к продовольствию, топливу и медицинским материалам.В северо-западных территориях Канады сезон для поездок на тяжелых грузовиках по ледовым дорогам за последние три десятилетия сократился на две-четыре недели.

Трансформация экосистем

Оттаивание вечной мерзлоты меняет ландшафты драматическим образом. Термокарстовая местность, характеризуемая нерегулярными гуммоками, депрессиями и небольшими озерами, может быстро развиваться по мере таяния грунтового льда и обрушения поверхности. Эти изменения изменяют дренажные сети, превращают леса в болота или водно-болотные угодья и влияют на среду обитания диких животных. Карибу и олени, которые зависят от открытой, хорошо дренированной местности для отела и миграции, вынуждены ориентироваться на все более коварной земле. Между тем, бореальные леса, которые когда-то росли на замерзшей почве, заменяются кустарниковой тундрой, изменяя альбедо и усиливая региональное потепление.

Влияние на коренные общины

Для многих коренных народов Аляски, Канады, Сибири и Скандинавии оттепель вечной мерзлоты не является абстрактной климатической метрикой — это прямое нападение на их дома, продовольственную безопасность и культурную идентичность. Традиционные подвалы, используемые для хранения рыбы и мяса, затопляются или разрушаются по мере таяния наземного льда. Продовольственная охота, рыболовство и ловля нарушаются, когда тропы становятся непроходимыми и места обитания диких животных меняются. Несколько отдаленных деревень Аляски, включая Ньюток и Шишмареф , находятся в процессе переселения целых общин, потому что земля под ними буквально рушится. Потеря земли предков и вынужденное выкорчевывание общин является глубокой культурной и психологической травмой, которую нельзя уловить в анализе экономических затрат и выгод.

Прибрежная эрозия

В арктических прибрежных зонах оттепель вечной мерзлоты взаимодействует с потерей морского льда для ускорения эрозии. Замороженные скалы, которые когда-то были заглушены морским льдом, теперь подвергаются волнам и штормовым нагонам в течение более длительных периодов. Сочетание тепловой эрозии (теплая вода, тающая богатые льдом блефы) и механического волнового действия может привести к отступлению береговых линий на 10-20 метров в год - в некоторых местах, более 30 метров. Вдоль побережья моря Бофорта Аляска темпы эрозии удвоились с середины 20-го века, угрожая нефтепромысловой инфраструктуре, археологическим объектам и деревням коренных народов.

Региональные тематические исследования

Аляска: Лаборатория оттепели

Аляска предлагает некоторые из самых драматических доказательств вечной мерзлоты в действии. Аляска шоссе построенный в 1940-х годах прорезает вечную мерзлоту, и инженеры боролись с его дестабилизирующими эффектами с тех пор. Fairbanks сидит в зоне прерывистой вечной мерзлоты, которая быстро нагревается. Мощеные дороги волнообразно, как земля оседает, и строительные фундаменты требуют дорогостоящего фундамента. Bonanza Крик экспериментальный лес вблизи Фэрбенкса принимает долгосрочные исследования по динамике вечной мерзлоты, в том числе роль черных еловых лесов в изоляции земли. Недавние исследования там показывают, что даже 1-2 ° C повышение средней годовой температуры земли может вызвать значительное оттепели и выброс углерода.

Полуостров Ямал, Сибирь: Метановые кратеры и оленеводство

Полуостров Ямал в северо-западной Сибири стал объектом глобального внимания из-за внезапного появления таинственных кратеров — больших воронкообразных отверстий, которые, как теперь известно, образуются в результате взрывного выброса метана от таяния вечной мерзлоты. Эти кратеры, некоторые более чем 50 метров в ширину, являются драматическим напоминанием о том, что оттепель вечной мерзлоты может быть резкой и насильственной. Регион также является крупным центром оленеводства; Ненецкий народ видел свои пастбища, разрушенные термокарстовыми озерами и потерей моховых пастбищ. Российские ученые связали кратеры с сочетанием потепления температуры, накопления метана высокого давления и обрушения грунтового льда в древней вечной мерзлоте.

Тибетское плато: третий полюс

Плато Цингай-Тибет, часто называемое «Третий полюс», содержит самую большую в мире площадь вечной мерзлоты. На высотах выше 4000 м эта вечная мерзлота хранит примерно 30% глобального углерода вечной мерзлоты. Темпы потепления на плато примерно в два раза превышают среднемировой показатель. Оттепель здесь угрожает железной дороге Цингай-Тибет, которая проходит более 1000 км над вечной мерзлотой. Железная дорога использовала комбинацию возвышенных мостов, щебня измельченных пород и термосифонов (пассивные охлаждающие устройства) для поддержания замерзания земли. Несмотря на эти меры, последние спутниковые данные показывают участки, где земля спадает на 10-20 см в год, вынуждая текущее обслуживание. Плато также служит регионом верховьев для крупных азиатских рек (Янцзы, Желтый, Меконг, Ганга); изменения в подземных водах и стоках, вызванные оттепелью, могут повлиять на доступность воды для миллиардов людей вниз по течению.

Северо-Западные территории, Канада: инфраструктура на тонком льду

В Северо-Западных территориях Канады трубопровод Маккензи-Вэлли, предложенный десятилетия назад, но никогда не построенный, служит в качестве предостерегающей истории. Инженеры по вечной мерзлоте теперь фокусируются на существующей Инувик ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Стратегии смягчения и адаптации

Инженерия и инфраструктура

Современная техника вечной мерзлоты подчеркивает методы пассивного охлаждения: поднятые фундаменты с воздушными зазорами (стеллажами), термосифоны, отражающие гравийные поверхности и изоляционные плиты, которые предотвращают проникновение тепла в землю. Для линейной инфраструктуры, такой как трубопроводы и дороги, ключевые конструкции, которые позволяют циркуляцию воздуха. В Китае инженеры, работающие на Цинхай-Тибетской железной дороге, успешно использовали дробленые скальные насыпи, которые действуют как термальный диод - они проветривают тепло летом и сохраняют холод зимой. Такие методы теперь экспортируются в другие арктические страны.

Модернизация существующей инфраструктуры намного дороже, чем строительство с нуля. На Аляске правительство штата инвестировало в сети мониторинга и постепенно заменяя уязвимые кульверты, мосты и здания. Программа стратегических исследований автомобильных дорог финансировала исследования взаимодействий между вечной мерзлотой и дорогами, но масштаб проблемы значительно опережает текущие бюджеты.

Мониторинг и раннее предупреждение

Понимание того, где, когда и как быстро тает вечная мерзлота, требует надежной сети наблюдения. Глобальная наземная сеть для вечной мерзлоты (GTN-P) координирует сотни скважин и станций мониторинга активного слоя. Спутниковые методы, включая InSAR (интерферометрический радар с синтетической апертурой), могут обнаруживать деформацию земли до миллиметровой точности и все чаще используются для картирования оседания. Модели машинного обучения обучаются прогнозировать области риска оттаивания, позволяя сообществам и планировщикам предвидеть проблемы, прежде чем они станут катастрофами.

Адаптация на основе сообщества

Местные наблюдения условий троп, поведения животных и «наземного ткачества» могут дополнять научные данные. На Аляске такие программы, как Научный центр адаптации к климату Аляски, работают непосредственно с деревнями для разработки планов переселения, карт опасностей сообщества и протоколов реагирования на чрезвычайные ситуации. В Канаде правительство Юкона подготовило карты опасностей вечной мерзлоты для ключевых сообществ и оказывает техническую помощь для оценки конкретных зданий.

Климатические действия и смягчение выбросов углерода

Никакое количество инженерных средств не может остановить оттаивание вечной мерзлоты, если глобальные выбросы продолжат расти. Наиболее эффективным «решением» является агрессивное сокращение антропогенных выбросов парниковых газов. Стабилизация глобального повышения температуры около 1,5 ° C — как это предусмотрено Парижским соглашением — резко снизит масштабы и тяжесть оттепели вечной мерзлоты. Некоторые предложения по отрицательным выбросам (например, крупномасштабная биоэнергия с улавливанием углерода, усиленным выветриванием или повторным заготовлением арктической тундры) были изучены, но они сталкиваются со значительными техническими и экономическими препятствиями. Наиболее реалистичным путем остается быстрая декарбонизация мировой экономики наряду с сильной защитой существующих углеродных запасов в замороженном грунте.

Путь вперед

Оттепель вечной мерзлоты не является отдаленной, гипотетической проблемой. Это происходит сейчас, под ногами жителей Арктики, и ее последствия распространяются через глобальную климатическую систему. Углерод, запертый в замороженной земле, является бомбой замедленного действия: если он будет выпущен в течение нескольких десятилетий, это может отменить многие сокращения выбросов, которые страны пообещали. Хорошая новость заключается в том, что наука о вечной мерзлоте быстро продвинулась. Модели высокого разрешения, спутниковый мониторинг и полевые эксперименты закрывают ключевые пробелы в знаниях. Задача заключается в переводе этой науки в практическую политику и адаптацию на земле.

Арктический совет предоставляет форум для восьми арктических государств для обмена данными и передовым опытом, но его эффективность политически ограничена. Расширение Углеродной сети мерзлоты — международного сотрудничества, которое синтезирует полевые измерения и моделирование — улучшит прогнозы и поможет странам включить выбросы вечной мерзлоты в свои национальные кадастры парниковых газов. Не менее важно прямая поддержка арктических сообществ, многие из которых сталкиваются с расходами на перемещение, которые намного превышают их местные бюджеты.

В конечном счете, история вечной мерзлоты - это история о обратных реакциях - как согревающая планета разблокирует древний углерод, ускоряет изменение климата и меняет ландшафт. Это суровое напоминание о том, что естественные системы Земли взаимосвязаны и что последствия наших выбросов не останутся в аккуратных границах. Поскольку вечная мерзлота продолжает таять, наш ответ должен быть как непосредственным, так и дальновидным: инвестировать в исследования, заново изобретать, как мы строим на замерзшей земле, слушать тех, кто жил на ней в течение тысячелетий, и - самое главное - прекратить относиться к атмосфере как к открытой канализации. Земля под Арктикой говорит; мы были бы мудры слушать.