Замороженный фонд: Вечная мерзлота

Вечная мерзлота является определяющей физической особенностью сибирских и арктических тундр. Этот слой земли, который остается на уровне или ниже 0°C в течение по крайней мере двух лет подряд, лежит примерно на 24% поверхности суши Северного полушария. В Сибири вечная мерзлота может простираться до глубин, превышающих 1000 метров, в то время как в арктических прибрежных равнинах она обычно колеблется от 200 до 600 метров. Непрерывная зона вечной мерзлоты охватывает самые северные районы; на юг она становится прерывистой, спорадической или изолированной. Этот замороженный субстрат действует как почти непроницаемый барьер, предотвращая слив воды вниз. В результате активный слой - мелководная зона поверхности, которая оттаивает каждое лето - становится заболоченным, создавая насыщенные почвы, которые поддерживают только специально адаптированные растения.

Виды вечной мерзлоты

Вечная мерзлота классифицируется по содержанию льда. Богатая льдом вечная мерзлота содержит значительные объемы грунтового льда в виде линз, клиньев и массивных тел, часто превышающих 50 % по объёму. Этот лед может быть древним, восходящим к последнему ледниковому максимуму. Ледяная бедная вечная мерзлота содержит мало видимого льда и ведет себя больше как замороженная порода. Сибирская тундра имеет обширный богатый льдом вечный слой в Якутских низинах, где содержание льда может достигать 90 % в некоторых слоях. Понимание этих изменений имеет решающее значение, потому что богатая льдом вечная мерзлота гораздо более уязвима для вызванного оттаиванием коллапса, что приводит к драматическим изменениям ландшафта.

Вечная мерзлота и хранение углерода

В регионах вечной мерзлоты на севере хранится примерно 1400-1600 миллиардов метрических тонн органического углерода - примерно в два раза больше, чем в настоящее время в атмосфере. Этот углерод накапливался в течение тысячелетий, поскольку мертвый растительный материал замерзал до того, как могло произойти разложение. По мере оттаивания вечной мерзлоты микробная активность высвобождает углекислый газ и метан, создавая мощную петлю обратной связи с климатом. Арктическая тундра уже перешла от чистого поглотителя углерода к чистому источнику в некоторых районах в течение определенных лет, согласно данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) . Ученые внимательно следят за этим выбросом углерода, потому что даже небольшой процент накопленного углерода, если он будет испущен, может резко ускорить глобальное потепление.

Растительность и состав почвы

Растительность сибирской и арктической тундры является низкорослой, редкой и узкоспециализированной. Только около 1700 видов растений выживают в этих обширных регионах - по сравнению с десятками тысяч в умеренных лесах. Доминирующие формы включают мхи, лишайники, осадки, травы и карликовые кустарники, такие как Salix arctica (Арктическая ива) и Кассиопе тетрагона (Арктическая колокольня). Эти растения обычно имеют высоту менее 20 сантиметров, адаптация, которая защищает их от высыхающих ветров и позволяет им оставаться в более теплом микроклимате вблизи поверхности земли.

Адаптация растений к экстремальным условиям

Растения в тундре развили замечательные стратегии. Многие выполняют фотосинтез при очень низких температурах, используя специализированную форму метаболизма, которая работает даже вблизи замерзания. Они часто растут в плотных подушках или сгустках, чтобы уменьшить потерю тепла и захватить продувающийся снег для изоляции. Волосатые стебли и листья помогают улавливать тепло, в то время как темная пигментация поглощает больше солнечного излучения. Большинство тундровых растений являются многолетниками с мелководными корневыми системами, которые распространяются горизонтально в тонком активном слое. Они быстро завершают свои жизненные циклы в течение короткого 6-10-недельного вегетационного периода, часто цветут и задают семена в течение месяца таяния снега. Арктический мак (] Папавер радикатум поворачивает свои цветочные головы, чтобы следовать за солнцем, максимизируя поглощение тепла — поведение, известное как гелиотропизм.

Динамика почвы в тундре

Почвы тундры классифицируются главным образом как гелизолы — почвы с вечной мерзлотой в пределах 100 сантиметров от поверхности. Они тонкие, кислые и бедные питательными веществами, потому что низкие температуры замедляют разложение и выветривание минералов. Органическое вещество накапливается в виде толстого, торфяного слоя над минеральной почвой, особенно в районах с плохим дренажем. В течение короткого лета активный слой может оттаивать на глубину 30—100 сантиметров, в зависимости от растительного покрова и текстуры почвы. Это оттаивание создает динамическую среду, где вода перемещается по почве, транспортируя питательные вещества и кислород. В заболоченных местах доминируют анаэробные условия, приводящие к накоплению торфа и производству метана.

Особенности поверхности: узорчатая земля и криогенные формы рельефа

Поверхность тундры неоднородна. Циклы замораживания, рост льда и динамика вечной мерзлоты создают замечательный массив узорчатых наземных особенностей, которые охватывают тысячи квадратных километров. Эти особенности видны с воздуха как геометрические узоры и являются одними из самых отличительных физических характеристик региона.

Узорчатая земля

Узорчатая земля принимает форму кругов, полигонов, полос и сетей. Ледяные клиновые полигоны являются наиболее распространенным типом в арктических и сибирских тундрах. Они образуются, когда термические трещины сжатия открываются через замерзшую землю каждую зиму и заполняются льдом; ледяные клинья увеличиваются на протяжении веков, подталкивая окружающую почву к образованию хребтов. Получающиеся полигоны могут иметь диаметр 10-30 метров. На более крутых склонах полигоны удлиняются в каменные полосы, где отсортированный мусор выравнивается вниз по склону. Морозные кипения (круглые пятна голой почвы) образуются в результате криотурбации — извержения почвы повторным замораживанием и оттаиванием.

Ледяные клинья и пингос

Ледяные клинья — массивные, вертикально ориентированные тела льда, которые могут быть шириной в несколько метров и глубиной в десятки метров. Они формируются в течение тысяч лет и обеспечивают запись прошлых климатических условий. Когда ледяные клинья тают, земля над ними сжимается в удлиненные углубления, называемые термокарстовыми впадинами, которые часто заполняются водой для образования линейных прудов.Пингос — это большие ледяные холмы, которые резко поднимаются вверх от плоской тундровой равнины. Они образуются, когда вода выталкивается вверх под давлением замерзания, создавая линзу льда, которая поднимает надлежащую почву и растительность. Высоты пинго варьируются от нескольких метров до более 50 метров, с диаметрами до 600 метров. Сибирская тундра, особенно регион гор Бирранга, содержит некоторые из крупнейших в мире пингос.

Термокарстовые озера

При оттаивании богатой льдом вечной мерзлоты земля спадает и образует углубления, собирающие воду, создавая термокарстовые озера. Эти озера обильны как в сибирской, так и в арктической тундре и характеризуются нерегулярными, скальпированными береговыми линиями. Они расширяются поперечно за счёт термической эрозии их берегов, особенно в теплое лето. Некоторым термокарстовым озерам тысячи лет и они выросли до нескольких километров. Однако они также уязвимы для дренажа: когда озеро размывается через плотину вечной мерзлоты или когда его вода оттаивает связь с подземным путем, оно может катастрофически стекать, оставляя за собой сухой бассейн. Этот процесс ускоряется с изменением климата.

Климат и сезонные циклы

Климат тундры определяется экстремальными холодами и низкими осадками, а также замечательными сезонными контрастами в солнечном свете. Зимы длинные, темные и горько холодные; лето короткое, прохладное и купаемое в непрерывном дневном свете. Понимание этого климатического режима необходимо для понимания физических особенностей региона.

Температурные крайности и солнечное излучение

В сибирской тундре зимние температуры могут опускаться ниже -50 ° C (-58 ° F) в таких регионах, как Оймякон и Верхоянск, которые являются одними из самых холодных населенных мест на Земле. Арктическая тундра испытывает менее экстремальные минимумы, как правило, -30 ° C до -35 ° C зимой, но все еще суровая. Средняя температура самого теплого месяца ниже 10 ° C (50° F), что определяет границу климата тундры. Солнечное излучение резко варьируется: солнце остается ниже горизонта в течение недель до месяцев зимой (полярная ночь), в то время как летом солнце остается над горизонтом в течение недель (полуночное солнце). Этот 24-часовой дневной свет летом стимулирует быстрый рост растений и плавит активный слой, но низкий угол солнца ограничивает общий вход энергии, сохраняя температуры прохладными.

Осадки и снежный покров

Тундра технически является холодной пустыней, получая только 150-250 миллиметров осадков ежегодно — в основном в виде снега. Однако низкие скорости испарения и заболачивание, вызванное вечной мерзлотой, создают общий влажный ландшафт. Снежный покров является важной физической особенностью: он изолирует землю, предотвращая более глубокое замерзание вечной мерзлоты, и обеспечивает важный источник воды для растений и животных. Глубина и продолжительность снега широко варьируются; ветер перераспределяет снег в глубокие дрейфы в углублениях и обнажает гребни хребтов. Эти снежные узоры влияют на распределение растительных сообществ и образование ледяных линз.

Ветер и снегопад

Сильные, устойчивые ветры являются отличительной чертой арктических и сибирских тундр. Средняя скорость ветра может превышать 20 км/ч, а порывы 50 км/ч или более являются обычным явлением. Этот ветер очищает свободные от снега поверхности, обнажает скалы и растительность кристаллами льда и приводит к образованию саструги — твердых, покрытых ветром хребтов снега. Ветер также усиливает охлаждающий эффект (охлаждение ветра), что затрудняет выживание растений и животных. В сибирской тундре, катабатические ветры , которые сливают холодный воздух с внутренних ледяных щитов, могут вызвать быстрое падение температуры на 20 ° C или более в минутах.

Ледниковые и периглациальные ландшафты

В то время как сама тундра в значительной степени свободна от постоянных ледяных щитов сегодня, ледниковые процессы оставили неизгладимый отпечаток. Арктическая тундра Канады и Гренландии содержит горные ледники и ледяные шапки, которые простираются вниз к побережью. Сибирская тундра была сильно оледенела во время последнего ледникового периода, и реликтовые ледниковые особенности остаются широко распространенными.

Ледниковая история и реликтовые особенности

Во время последнего ледникового максимума (около 20 000 лет назад) Лаврентийский и Евразийский ледяные щиты покрыли большую часть Северного полушария. Отступление этих ледников оставило после себя эскеров — тонкие хребты песка и гравия, отложенные талыми реками подо льдом, — и драмлинов , обтекаемые холмы до тех пор. В сибирской тундре обширные участки ледниковых до и вымывных равнин образовались по мере таяния льда. Многие из этих отложений теперь заморожены в вечной мерзлоте, сохраняя древние ландшафты. Плато Путорана в центральной Сибири, например, представляет собой обширные базальтовые плато, вырезанные ледниками в глубокие кань

Ледяные щиты и шельфовые ледники

В арктической тундре, особенно в Канадском арктическом архипелаге и северной Гренландии, остаются несколько ледяных щитов и ледяных шапок. Девонская ледяная шапка (около 14 000 км2) и Барнская ледяная шапка являются остатками бывшего ледяного щита Лорантида. Эти ледяные шапки влияют на местный климат и гидрологию, питая талые воды, которые вырезают долины и отложения на равнинах тундры. Летом надледниковые озера образуются на поверхности льда и могут быстро стекать через трещины, создавая йокуллаупы (ледниковые наводнения), которые меняют ландшафт тундры.

Реки и озера

На дренажную систему тундры сильно влияют вечная мерзлота и сезонная влажность. Реки часто плетут, с перемещением каналов, которые несут осадочную воду во время кратковременного летнего таяния. Многие реки в Сибири, такие как Лена, Обь и Енисей, берут начало в горах на юг и текут на север через тундру в Северный Ледовитый океан. Эти реки создают обширные дельты и поймы, которые являются одними из самых биологически продуктивных районов в тундре.

Термокарстское озеро: расширение и дренаж

Как уже упоминалось, термокарстовые озера являются доминирующей особенностью. Они покрывают до 30-40% поверхности суши в некоторых регионах, таких как дельта реки Лена и северный склон Аляскина. Эти озера подвергаются циклическим процессам: они образуются в углублениях оттаивания, расширяются термической эрозией и в конечном итоге дренируются или заполняются осадком. Недавние исследования Геологической службы США (USGS) показывают, что повышение температуры воздуха ускоряет расширение и дренаж термокарстовых озер, что приводит к чистой потере поверхностных вод в некоторых районах арктической тундры.

Пруды и водно-болотные угодья

За озерами тундра усеяна бесчисленными небольшими прудами и обширными водно-болотными угодьями. Эти водоемы образуются в мелководных углублениях, создаваемых таянием ледяного клина, активностью животных или неравномерной оттепелью. Их часто окаймляют кольца растительности, стабилизирующие края. Районы водно-болотных угодий являются важными местами обитания перелетных птиц, а также служат горячими точками для метанового выброса. Анаэробное разложение органического вещества в насыщенных, холодных отложениях производит метановые пузырьки, которые можно увидеть поднимающимися из прудов летом.

Влияние человека и меняющаяся тундра

Уникальные физические особенности сибирской и арктической тундр в настоящее время изменяются изменением климата и деятельностью человека. Повышение глобальных температур приводит к беспрецедентным темпам таяния вечной мерзлоты, что приводит к оседаниям грунта, повреждению инфраструктуры и выбросу парниковых газов. В Сибири образовались массивные кратеры в местах, где взрывы метана, вероятно, из-за таяния вечной мерзлоты, сдули надлежащую почву. На полуострове Ямал произошло несколько таких событий, кратеры глубиной до 50 метров.

Человеческая инфраструктура — дороги, трубопроводы, здания и аэропорты — очень уязвима для деградации вечной мерзлоты. Основой многих структур является то, что земля остается замороженной; когда она оттаивает, почва теряет свою несущую силу, что приводит к наклону, растрескиванию и коллапсу. Арктический совет подчеркнул, что многие северные общины сталкиваются с затратами на перемещение в миллиарды долларов, поскольку оттаивание вечной мерзлоты угрожает существующим поселениям. Кроме того, промышленная деятельность, такая как добыча полезных ископаемых, добыча нефти и газа и туризм, еще больше нарушают хрупкую поверхность тундры, ускоряя образование термокарста и изменяя структуру дренажа.

Оригинальное название: A Fragile Landscape

Сибирские и арктические тундры обладают набором уникальных физических особенностей — вечной мерзлоты, узорчатой земли, термокарстовых озер и сурового климата — которые вместе создают одну из самых экстремальных и чувствительных сред Земли. Эти особенности не только формируют биологию и экологию региона, но и оказывают глобальное влияние через хранение углерода и обратную связь с климатом. Понимание отличительных характеристик этих тундр имеет важное значение для прогнозирования того, как они будут реагировать на продолжающиеся изменения окружающей среды. По мере нагревания планеты замороженные ландшафты севера быстро развиваются, что делает их критическим центром для научных исследований и усилий по сохранению.