Замороженный фонд Аляски: вечная мерзлота и пингос в арктической тундре

Под обширными, безлесными просторами арктической тундры Аляски лежит мир, полностью сформированный холодом. Земля здесь не просто холодная - она постоянно замерзает, часто на глубине сотен метров. Эта замерзшая земля, известная как вечная мерзлота, является тихим архитектором ландшафта, который кажется чуждым и хрупким. Усеивая этот ледяной ландшафт, своеобразные холмы, называемые пингос, памятники неустанному толчку воды против замерзшей земли. Вместе вечная мерзлота и пингос образуют уникальный геологический дуэт, который рассказывает историю прошлого Аляски и намекает на ее неопределенное будущее. Поскольку Арктика нагревается примерно в два раза быстрее, эти особенности меняются - и вместе с ними, экосистемы, сообщества и глобальный климат, которые зависят от их стабильности.

Арктическая тундра Аляски простирается от хребта Брукс на севере до Северного Ледовитого океана, охватывая Северный склон, полуостров Сьюард и обширную дельту Юкон-Кускокуим. Этот регион лежит в основе некоторых из самых толстых и непрерывных вечной мерзлоты на Земле. Понимание вечной мерзлоты и пингоса - это не просто академическое упражнение; это важно для прогнозирования того, как Арктика будет реагировать на изменение климата и для управления инфраструктурой - от нефтепроводов до деревень - построенных на этой некогда твердой земле.

Что такое вечная мерзлота? Больше, чем просто замороженная грязь

Вечная мерзлота определяется как земля (почва, горная порода или осадок), которая остается на уровне или ниже 0 °C (32 °F) в течение как минимум двух лет подряд. Это определение является чисто термическим; оно не требует, чтобы земля содержала лед, хотя большинство вечной мерзлоты на Аляске делает. Замороженный слой может простираться от чуть ниже сезонно оттаиваемого активного слоя до глубин 600 метров или более в самых холодных районах, таких как залив Прудхо.

Виды вечной мерзлоты

Вечная мерзлота на Аляске неоднородна. Ученые классифицируют ее по географической непрерывности:

  • Непрерывная вечная мерзлота лежит в основе 90-100% поверхности суши, обычно находящейся к северу от хребта Брукс и вдоль арктического побережья. Здесь вечная мерзлота густая и холодная, часто ниже −5 °C.
  • Непрерывная вечная мерзлота охватывает 50—90% площади, находящейся во внутренней части Аляски и части полуострова Сьюард. Она теплее (выше −2 °C) и более уязвима для оттепели.
  • Спорадическая вечная мерзлота встречается в пятнах, часто в торфяниках или на северных склонах к югу от основной зоны вечной мерзлоты.

Эта классификация имеет значение, потому что уязвимость к оттаиванию резко возрастает, поскольку вечная мерзлота становится теплее и менее непрерывной. Что делает аляскинскую вечную мерзлоту исключительной, так это не только ее протяженность, но и содержание льда. Многие районы содержат массивные ледяные клинья - вертикальные ледяные листы, которые могут быть метров в ширину - которые образуются из воды, просачивающейся в трещины. Оттаивание этих ледяных клиньев создает термокарст: коллапс и оседание земли в нерегулярные ямы, пруды и овраги.

Как формируется вечная мерзлота

Вечная мерзлота развивается, когда средняя годовая температура земли остается ниже нуля в течение тысяч лет. Во время последнего ледникового максимума большая часть Аляски не была оледеневшей, но подвергалась интенсивным холодным и сухим условиям. Это позволило вечной мерзлоте формироваться и сохраняться. Даже сегодня, во время короткого арктического лета, только верхние 0,5-1,0 метра оттаивания почвы. Этот тонкий активный слой является местом, где растут корни растений и разлагаются органические вещества. Под ним постоянное замораживание запирает огромные запасы углерода - примерно в два раза больше углерода, чем в настоящее время в атмосфере.

Толщина активного слоя варьируется в зависимости от летнего тепла, растительного покрова и типа почвы. В ненарушенной тундре мхи и осадки изолируют вечную мерзлоту, сохраняя активный слой неглубоким. Когда этот изолирующий коврик нарушается огнем, дорожками транспортного средства или конструкцией, активный слой углубляется, ускоряя оттаивание вечной мерзлоты, процесс, известный как термическая эрозия .

Узорчатая земля и периглациальные формы земель

Вечная мерзлота приводит к образованию уникальных поверхностных особенностей, которые в совокупности называются узорчатой землей . Повторяющиеся циклы замерзания-оттепели сортируют камни по кругам, полигонам, полосам и сетям. На Арктической прибрежной равнине полигоны ледяного клина доминируют над ландшафтом. Эти полигоны с низким рельефом ограничены впадинами, которые отмечают местоположение зарытых ледяных клиньев. Когда ледовые клинья тают, полигоны разрушаются в беспорядок термокарстовых прудов — признак потепления Арктики.

Другие периглациальные особенности включают pingos (обсуждается ниже), thaw slumps (оползни в форме амфитеатра на склонах) и frost boils (восходящее кипение почвы). Каждая форма является выражением взаимодействия между замороженной землей, водой и гравитацией.

Пингос: ледяные холмы Тундры

Пингос, пожалуй, наиболее визуально поразительные рельефы, созданные вечной мерзлотой. Эти куполообразные холмы, варьирующиеся от нескольких метров до более 50 метров в высоту, являются конструктивными особенностями — они выталкиваются из земли, а не вырезаются эрозией. Их название происходит от слова инувилуитов «маленький холм».Пингос встречается на Аляске в основном в Арктической прибрежной равнине и предгорьях хребта Брукс, с особенно плотными концентрациями в Национальном нефтяном заповеднике — Аляске и Арктическом национальном заповеднике дикой природы.

Как формируется пингос: открытые против закрытых систем

Пингос образуется двумя первичными механизмами, оба из которых включают в себя вторжение воды под давлением в слой вечной мерзлоты:

  • Замкнутая система пингос развивается, когда озеро или пруд дренируют, обнажая незамерзшие насыщенные осадки (талики), которые сейчас окружены вечной мерзлотой. Вечная мерзлота посягает на талик, и по мере замерзания поры вода расширяется, засевая надлежащую почву. Этот тип распространен в Арктической прибрежной равнине, где периодически стекают тысячи оттаивающих озер.
  • Открытые системы пингос образуются там, где грунтовые воды из-под вечной мерзлоты текут вверх через трещины или разломы. Артезианское давление толкает воду к поверхности, где она замерзает и поднимает землю. Они чаще встречаются в предгорьях Бруксского хребта и в районах с прерывистой вечной мерзлотой.

После образования ледяное ядро пинго защищено изоляционным слоем почвы и растительности.Крутые склоны часто остаются стабильными благодаря растительности, но если ядро начинает оттаивать из-за потепления климата или эрозии, пинго может рухнуть, оставляя заполненную водой депрессию, называемую огенами (обваленный пинго).

Известные пингосы на Аляске

Одна из наиболее изученных групп пингосов находится в Воротах Арктического национального парка и заповедника и Национальном заповеднике Ноатака. Крупнейшие пингосы на Аляске достигают высот 40-55 метров, что сопоставимо с 15-этажным зданием.Национальный парк Пино на Северо-Западных территориях Канады иногда упоминается рядом с пингосом Аляски, но на Аляске есть многочисленные примеры, которые легко доступны исследователям из Университета Аляски Фэрбенкс и Геологической службы США.

Пингос не статичны. Их рост и распад происходят на протяжении веков и тысячелетий. Некоторые пингосы в Бруксском хребте, по-видимому, активно растут сегодня, в то время как другие проявляют признаки деградации. Наличие пинго с центральным кратером («кратер-пинго») указывает на то, что ледяное ядро растаплилось и крыша рухнула. Эти процессы предлагают окно в термомеханическое поведение вечной мерзлоты.

Экологическая роль пингоса

Пингос - это больше, чем геологические курьезы - они создают уникальные микрорайоны. Повышенные, хорошо дренированные склоны пинго часто поддерживают различные растительные сообщества, чем окружающая влажная тундра. Дриас, саксифраж и различные травы могут колонизировать склоны пинго, в то время как основание окружено осадками и мхами. Мелкие млекопитающие, такие как арктические наземные белки, роют норы в склонах пинго, а медведи гризли иногда ден в разрушенных интерьерах. Птицы используют пингос в качестве наблюдательных постов. В ландшафте плоской, заболоченной тундры пингос обеспечивает топографический рельеф и разнообразие среды обитания.

Экологическая значимость и последствия для человека

Вечная мерзлота и углеродный цикл

Возможно, наиболее важной экологической ролью вечной мерзлоты является хранение углерода. Вечная мерзлота Аляски содержит примерно 1300-1600 миллиардов метрических тонн органического углерода, накопленного за тысячи лет от мертвых растений и животных, которые замерзли, прежде чем они могли полностью разложиться. Когда вечная мерзлота оттаивает, микробы становятся активными, разрушая это органическое вещество и выделяя углекислый газ и метан. Это классическая петля положительной обратной связи: потепление оттаивает вечную мерзлоту, которая выделяет парниковые газы, что ускоряет потепление.

Исследования, проведенные в Арктической карте отчета NAA и , показывают, что оттаивание вечной мерзлоты на Аляске уже высвобождает значительное количество углерода. Кроме того, лесные пожары в тундре, когда-то редкие, становятся все более частыми и серьезными, сжигая изоляционный органический слой и ускоряя деградацию вечной мерзлоты.

Инфраструктура на Шейки-Граунд

Вечная мерзлота буквально является основой для большей части инфраструктуры Аляски. Транс-Аляскинский трубопроводный комплекс является известным примером инженерных решений для размещения вечной мерзлоты — трубы с подогревом нефти поднимаются на вертикальные опоры, которые позволяют теплу рассеиваться без оттаивания земли. Но дороги, взлетно-посадочные полосы, здания и даже целые деревни полагаются на стабильную замороженную землю. Когда вечная мерзлота оттаивает, земля может утихать неравномерно, вызывая структурные повреждения. По оценкам Геофизического института Университета Аляски Фэрбенкс [FLT: 2], оттаивание вечной мерзлоты может стоить Аляске миллиарды долларов на ремонт инфраструктуры к 2100 году.

Особую уязвимость представляют общины коренных народов, многие деревни, построенные на вечной мерзлоте, испытывают повышенную эрозию, наводнения и деформацию почвы. Некоторые, такие как Шишмареф и Ньюток , уже планируют переселение.

Гидрология и ландшафты

Вечная мерзлота действует как непроницаемый барьер, который улавливает воду вблизи поверхности. Это объясняет, почему тундра настолько влажная — доминируют озера, пруды и водно-болотные угодья. Оттаивание вечной мерзлоты может сливать эти водоемы, когда вода просачивается в недавно открытые пути, или это может создать новые термокарстовые озера. Изменения в гидрологии влияют на среду обитания рыб, места размножения водоплавающих птиц и миграцию карибу, которые полагаются на определенные области, чтобы откалывать. Например, дикобразное стадо Карибу использует прибрежную равнину Арктического национального заповедника дикой природы, где термокарстовые процессы ежегодно изменяют поверхность тундры.

Изменение климата и будущее вечной мерзлоты

Согласно Арктической карте 2023 года, температура вечной мерзлоты на многих участках мониторинга на Аляске поднималась на 0,5-1,0 °C за десятилетие с 1980-х годов. Экологическая обсерватория Барроу вблизи Утцявик регистрирует околоповерхностную температуру вечной мерзлоты, которая прогрелась более чем на 2 °C с 1970-х годов. Некоторые скважины в диапазоне Брукса показывают, что температура вечной мерзлоты приближается к 0 °C, что означает, что вечная мерзлота «теплая» и восприимчива к быстрой оттепели, если климат продолжает нагреваться.

Последствия широко распространенной вечной мерзлоты простираются за пределы Аляски. Оттаивание выделяет метан, мощный парниковый газ, из термокарстовых озер и водно-болотных угодий. Метан имеет в 28 раз больше потенциала потепления углекислого газа за столетие. Некоторые модели предполагают, что обратная связь вечной мерзлоты может добавить 0,2-0,5 ° C к глобальному потеплению к 2100 году, усугубляя климатический кризис.

Пингос как индикатор перемен

Пинго обеспечивают чувствительный датчик стабильности вечной мерзлоты. Поскольку их ледяные ядра находятся в точке плавления или вблизи нее, даже небольшое потепление может привести к их деградации. Исследователи из Геологической службы США и Международной ассоциации вечной мерзлоты следят за пингосом с помощью спутниковых снимков и обзоров беспилотников для отслеживания изменений высоты, стабильности наклона и растительности. Обвал пингоса становится все более распространенным в районах прерывистой вечной мерзлоты, что свидетельствует о том, что замерзшая земля теряет свою целостность.

В некоторых регионах новые пингосы могут образовываться по мере дренажа озер и замораживания таликов, но общая тенденция указывает на сокращение числа и размера пингосов на Аляске по мере потепления климата.Потеря этих рельефов устранит не только уникальные места обитания, но и ключевые маркеры для понимания истории вечной мерзлоты.

Заключение

Вечная мерзлота и пингос — это гораздо больше, чем замороженные курьезы — они являются фундаментальными компонентами арктической тундры Аляски, которые формируют ландшафт, регулируют экосистемы, хранят огромные объемы углерода и поддерживают деятельность человека. По мере потепления климата эти особенности вступают в период быстрой трансформации. Оттаивание вечной мерзлоты угрожает инфраструктуре, выделяет парниковые газы и изменяет гидрологию. Пингос рушится, а сама тундра изменяется таким образом, что ученые только начинают понимать.

Программы в Лаборатории вечной мерзлоты Университета Аляски Фэрбенкс и Сети арктического инвентаризации и мониторинга Службы национальных парков продолжают собирать данные, которые информируют о климатических моделях и стратегиях адаптации. Для жителей Аляски, политиков и ученых эти замороженные функции являются не просто предметом изучения — они являются барометром изменений в мире потепления. Понимание вечной мерзлоты и пингоса является первым шагом к прогнозированию и, возможно, смягчению предстоящих преобразований.