Когда растает вечная мерзлота? В какой форме она отдаст свой углерод небу?

Арктика очень важна для понимания динамики глобального климата. Это аналог канарейки в угольной шахте для всей Земли. Погоды меняются в Арктике быстрее, чем успевают адаптироваться экосистемы, пишет Д. Целиков (compulenta.computerra.ru).

Для детального изучения того, что творится за полярным кругом, НАСА учредило пятилетний проект CARVE (Carbon in Arctic Reservoirs Vulnerability Experiment), цель которого — измерение выхода углекислого газа и метана из вечной мерзлоты с помощью специального ЛА C-23 Sherpa.

Вечная мерзлота (многолетнемерзлая почва) покрывает почти всю сухопутную часть Арктики. Летом верхний слой тает: в самой холодной тундре на 10 см в глубину, а в южных областях тайги — на несколько метров. Холода затрудняют разложение мертвых растений и животных, поэтому с каждым годом под верхним слоем почвы запасается все больше органического углерода.

За сотни тысяч лет в вечной мерзлоте накопилось примерно 1400—1850 Пг. Это около половины органического углерода, находящегося в земных почвах (для сравнения: с 1850 года в результате сжигания ископаемого топлива и прочей человеческой деятельности было произведено около 350 Пг углерода). Основная часть этого углерода находится в пределах трех метров от поверхности, то есть в уязвимой зоне.

При этом вечная мерзлота нагревается быстрее воздуха: за 30 лет температура почвы в Арктике выросла на 1,5—2,5 градуса Цельсия. Если резервуары органического углерода разгерметизируются, он поступит в атмосферу в виде углекислого газа и метана — парниковых газов, которые значительно усугубят глобальное потепление, что может привести к быстрым изменениям экосистем по всей Земле.

Ситуация осложняется тем, что деградация вечной мерзлоты по-разному скажется на региональном и глобальном климате. И современные климатические модели не способны адекватно предсказать последствия. Поэтому и появился проект CARVE.

Ему уже третий год. Это часть программы НАСА Earth Venture. В основе проекта гипотеза о том, что арктические резервуары углерода уязвимы к потеплению. Его результат — первые прямые измерения и подробные региональные карты источников углекислого газа и метана Арктики, а также демонстрации новых методов дистанционного зондирования и моделирования. В CARVE участвуют около двух десятков ученых из 12 организаций.

В 2011 году были только пробные полеты, а настоящая наука началась в 2012 году. На 2013 год запланированы семь кампаний, и две из них уже завершены.

Каждая двухнедельная кампания предполагает пролет над Северным склоном Аляски, ее внутренними частями и долиной реки Юкон с измерением сезонных колебаний углеродного цикла: таяние весной в апреле и мае, пик вегетации в июне и июле, начало повторного замерзания и первый снег в сентябре и октябре. Военно-транспортный самолет C-23 проводит в воздухе по восемь часов в день.

Машина не претендует на участие в конкурсе красоты. «Грузовик с плохой пластикой носа», — вот как называют его пилоты. Внутри ужасно шумно — приходится надевать наушники.

Но большего и не требуется. C-23 держится в основном на высоте около 150 м, а если и забирается выше, то лишь для сбора фоновых данных. Для получения сведений о газообмене между поверхностью планеты и атмосферой этого достаточно. Большинство аналогичных аппаратов летают выше, и это плохо.

Самолет напичкан сложным оборудованием: очень чувствительные спектрометры анализируют солнечный свет, отраженный от земли, и таким образом измеряют содержание в атмосфере углекислого газа, метана и окиси углерода. Аналогичный прибор будет отправлен в космос со спутником ОСО-2 (Orbiting Carbon Observatory-2) в 2014 году. Другие инструменты анализируют пробы воздуха на предмет тех же веществ. Собираются также навигационные данные и информация о погоде. Все это поступает в распоряжение ученых в течение 12 часов, а воздух отправляется для дополнительной проверки в лабораторию стабильных изотопов и радиоуглеродную лабораторию Института исследований Арктики и Альп Колорадского университета.

Для калибровки инструментария используются данные, получаемые на земле: анализ проб воздуха, измерения температуры и влажности. Очень важно в точности описать состояние поверхности суши, ибо существует очень сильная корреляция между характеристиками почвы и высвобождением углекислого газа и метана. Исторически сложилось так, что холодная и влажная почва арктических экосистем сохранила больше углерода, чем выпустила. Если климат Арктики станет теплым и сухим, то углерод будет выходить в основном в виде углекислого газа. Если же теплым и влажным — жди метана.

Разница коренная. Метан в 22 раза мощнее углекислого газа как парниковый газ в 100-летней перспективе и в 105 раз мощнее — в 20-летней. Если хотя бы 1% углерода, содержащегося в вечной мерзлоте, в течение короткого времени будет выпущен в виде метана, он окажет на природу такое же влияние, как остальные 99%, отправленные в воздух в форме углекислого газа. Оценка соотношения двух газов — одна из основных задач CARVE.

Есть и другие корреляции между характеристиками арктической почвы и высвобождением двуокиси углерода и метана. Колебания продолжительности периодов весеннего таяния и летней вегетации серьезно влияют на продуктивность растительности и определяют, сколько углерода будет накоплено и сколько выпущено.

Изучается также воздействие лесных пожаров на углеродный цикл Арктики. Пожары в бореальных лесах и тундре ускоряют таяние вечной мерзлоты и высвобождение углерода. С 1942 года среднегодовое количество пожаров на Аляске увеличилось, и пожары, выжигающие пятна площадью более 40 тыс. га, происходят чаще. В результате еще больше углерода оказывается в атмосфере.

Анализ предварительных данных, полученных за первый год исследований, опроверг некоторые прогнозы моделей. Например, весной и летом из внутренних регионов Аляски и с Северного склона выбрасывается больше углекислого газа и метана, чем предполагалось. В июле 2012 года уровень метана над болотами Инноко превышал фон на 650 частей на миллиард, как будто это не пустоши, а большой город.

В конечном счете, CARVE должен ответить на вопрос, действительно ли таяние вечной мерзлоты необратимо, и планета вот-вот пройдет переломный момент. Некоторые ученые полагают, что эта точка уже позади, но хорошо бы получить надежные результаты измерений.

 

Область вечной мерзлоты занимает почти четверть поверхности суши Северного полушария (Hugo Ahlenius, UNEP / GRID-Arendal)

 

Северный склон Аляски в мае и июне 2012 года. Красным и желтым обозначены места самых высоких концентраций метана, голубым — самых низких (NASA / JPL-Caltech)