Rozmarzająca zmarzlina

Wieloletnia zmarzlina pokrywa 24% powierzchni lądowej półkuli północnej, obejmując rozległe obszary Alaski, Kanady, Syberii i Grenlandii. Jest to bogata w węgiel zamarznięta powierzchnia w postaci gleb, skał, piasku. Występuje zarówno na lądach, jak i pod dnem przybrzeżnych mórz i oceanów.

—

Autorzy pracy mówią wprost:

Szelfy kontynentalne Oceanu Arktycznego i otaczających go mórz zawierają duże zapasy materii organicznej (OM) i metanu (CH₄), co stanowi potencjalne sprzężenie zwrotne ekosystemu ze zmianą klimatu, nieuwzględnione w międzynarodowych porozumieniach klimatycznych.

Aby porównać ogólne wymuszanie klimatu z podmorskiej zmarzliny naukowcy przeliczyli emisje metanu (CH₄) na ekwiwalent (równoważnik) dwutlenku węgla (CO₂e), stosując 100-letni współczynnik przeliczeniowy z potencjałem cieplarnianym 28-krotnie większym dla metanu w horyzoncie czasowym 100 lat uwzględnionym w Piątym Raporcie Oceny IPCC (Schuur i in . 2013 , Abbott i in . 2016 ). Po przeliczeniu [tabela S5 w artykule], CH₄ odpowiadał za ponad połowę całkowitego wymuszania klimatu, stanowiąc średnio 65%, 67% i 72% skumulowanych uwolnień CO₂e dla RCP2.6, RCP4.5 i RCP8.5, odpowiednio.

—

Kierownik katedry badań kanadyjskich na Wydziale Biologii Integracyjnej Uniwersytetu Guelph w Kanadzie, Meritt R. Turetsky, wraz ze swoimi współpracownikami, dokonał głębszej analizy dotyczącej rozmrażającej się zmarzliny lądowej, ostrzegając świat przed grożącym podwojeniem ocieplenia klimatu przez coraz szybciej uwalniające się z niej gazy cieplarniane. ²

Na wstępie swojej pracy naukowcy napisali:

Gdy temperatura gleby wzrasta powyżej zera, mikroorganizmy rozkładają materię organiczną w glebie. Gazy cieplarniane, takie jak: dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu – są uwalniane do atmosfery, przyspieszając globalne ocieplenie. Gleby w regionie wieloletniej zmarzliny zawierają dwa razy więcej węgla niż atmosfera – prawie 1600 miliardów ton.

—

Fot.2. Odwilż wieloletniej zmarzliny (Wikipedia Commons).

—

Arktyczna zmarzlina (permafrost) to ¹/₅ zamarzniętych gleb na wysokich szerokościach, która podlega nagłemu i nieustannemu odmrażaniu (tajaniu), doprowadzając do osuwisk i powodzi, co skutkuje uwalnianiem węgla do atmosfery.

—

Rys.1. ¹/₅ zamarzniętych gleb na wysokich szerokościach gwałtownie tajają i stają się niestabilne, prowadząc do osuwisk i powodzi, co powoduje uwalnianie węgla do atmosfery (Meritt R. Turetsky i inni, 2019).

—

Na powyższym rysunku pokazane są poziomy gleb bogatych w węgiel – w kilogramach węgla na metr kwadratowy (kg C/m²) oraz w % regionów narażonych na rodzaj tajania:

A) Nagłe odmrażanie:

> 139 (8%) ; 139-105 (10%) ; 104-70 (60%) ; 69-36 (19%)

B) Stopniowe odmrażanie:

>139 (4%) ; 139-105 (3%) ; 104-70 (26%) ; 69-36 (39%)

1. North Slope, Alaska, USA

Nagłe rozmrażanie powoduje osuwiska i erozję gór.

2. Cieśnina Dmitrija Łaptiewa, półnowschodnia Syberia 

Wieloletnia zmarzlina zawierająca grube warstwy lodu gruntowego zapada się nagle, gdy lód się topi.

3. Nizina Zatoki Hudsona

Rozmrażanie torfowisk może spowodować uwolnienie dużej ilości węgla.

4. Tavvavuoma, północna Szwecja 

Narastające jeziora roztopowe są głównym źródłem metanu.

—

W skład wieloletniej zmarzliny wchodzą różnego rodzaju gleby, skały lub osady, często wymieszane z dużymi bryłami lodu. Na Ziemi, na półkuli północnej, jest około ¼  gleb zamarzniętych w ten sposób. Węgiel w nich gromadził się przez okresy długich tysiącleci, dlatego, że materia organiczna, składająca się ze szczątków martwych roślin, zwierząt i mikroorganizmów, nie uległa rozkładowi.

Naukowcy dalej napisali:

Modelarze próbują przewidzieć, ile tego węgla zostanie uwolnione, gdy topi się wieczna zmarzlina. Jest to skomplikowane: na przykład muszą zrozumieć, ile węgla w powietrzu zostanie pobrane przez rośliny i zwrócone do gleby, uzupełniając część utraconych. Prognozy sugerują, że powolne i stałe rozmrażanie spowoduje uwolnienie około 200 miliardów ton węgla w ciągu najbliższych 300 lat w ramach scenariusza emisji „biznes jak zwykle”. Odpowiada to około 15% całego węgla w glebie gromadzonego obecnie na zamarzniętej północy.

Zespół naukowy Meritta stwierdził, że powinno być wdrożone więcej badań dotyczących klimatu i gleby, w nurtującej kwestii, ile i skąd będą pochodzić największe emisje gazów cieplarnianych, takich jak: dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu.

Nadal jest słabo poznana erozja rozmrożonych gleb na zboczach wzgórz, gdyż zapadające się zbocza są trudne do wykrycia za pomocą satelitów i tylko przeprowadzono kilka badań tego typu na dużą skalę. Dlatego też naukowcy muszą ustalić, ile węgla z wieloletniej zmarzliny przemieszcza się po rozmrożeniu, no i co dzieje się dalej z tym węglem. Na przykład nadal nie wiadomo, ile pozostanie go w ziemi i zostanie w niej zakopane, a ile dostanie się niestety do atmosfery już jako gaz cieplarniany, w warunkach tlenowych jako dwutlenek węgla, a w warunkach beztlenowych jako metan. No i też badacze rozważają, co się stanie z tym węglem, jeśli dostanie się do naturalnych jezior, rzek czy estuariów?

Dalej, wspomniani naukowcy analizują w jakim stopniu wzrost roślin mógłby zrównoważyć węgiel uwalniany przez wieloletnią zmarzlinę, która rozmarza i zapadając się tworzy specyficzne jeziora termokrasowe. Wiadomo już, że z biegiem czasu te jeziora są zarastane przez rośliny mokradłowe, które ostatecznie mają tendencje do osuszania i przekształcania ich z powrotem w tundrę. A obszary zerodowane są kolonizowane skutecznie przez rośliny, co pomaga stabilizować gleby i przyspieszać ich regenerację, tym bardziej, że wzrost poziomu CO₂, wilgotności gleb oraz nutrientów w nich zawartych, sprzyja rozwojowi roślinności i jej nasilonym procesom fotosyntezy. Dlatego też modelarze będą musieli dokładnie szacować procesy biogeochemiczne pod względem przyszłych sprzężeń zwrotnych obiegu węgla pomiędzy gatunkami tundrowymi a przekształcaną geomorfologią w krajobrazie tundry.

Na koniec Meritt ze swoim zespołem naukowym stwierdzili fakt, że rozmieszczenie lodu w ziemi jest właśnie głównym czynnikiem wpływającym na losy węgla w wieloletniej zmarzlinie. Jednak obserwacje ogólne lodu na ziemi są nieliczne. Bardziej rozpowszechnione są pomiary geofizyczne, które mogłyby stworzyć mapę zagłębień lodu pod powierzchnią, ujawniając, gdzie się koncentruje i jak szybko topi się.

—

Fot.3. Jeziora termokrasowe (Wikiversity)

—

Niemiecki badacz Boris Biskaborn, z Instytutu Alfreda Wegenera, Centrum Badań Polarnych i Morskich im. Helmholtza, wraz ze swoim międzynarodowym zespołem badawczym, po głębszej analizie terenowej, stwierdził fakt, że wieloletnia zmarzlina ociepla się w skali globalnej. ³

Stosując globalny zestaw danych serii czasowych temperatury wieloletniej zmarzliny, na podstawie programu Globalna Sieć Lądowa dla Zmarzliny (GTNP – Global Terrestrial Network for Permafrost), naukowcy obliczyli zmiany temperatury w regionach wieloletniej zmarzliny w okresie 2007-2016, poczynając od Międzynarodowego Roku Polarnego (IPY – International Polar Year) (2007-2009).

Szacunki pomiarowe w latach 2007-2016, pokazały wyraźnie, że temperatura gruntu, znajdującego się w pobliżu głębokości zerowej rocznej amplitudy w strefie ciągłej wieloletniej zmarzliny, wzrosła o 0,39 ± 0,15°C. W tym samym okresie, nieciągła wieloletnia zmarzlina ogrzała się o 0,20 ± 0,10°C. Wieloletnia zmarzlina w górach ociepliła się o 0,19 ± 0,05°C, a na Antarktydzie o 0,37 ± 0,10°C. W skali globalnej temperatura wieloletniej zmarzliny wzrosła o 0,29 ± 0,12°C.

—

Rys.2. Temperatura i tempo zmian wieloletniej zmarzliny w pobliżu głębokości zerowej amplitudy rocznej. a , b Średnie roczne temperatury gruntu w latach 2014–2016 na półkuli północnej i Antarktydzie, n  = 129 odwiertów. c , d Dekadowe tempo zmian temperatury wieloletniej zmarzliny w latach 2007-2016, n  = 123 odwierty. Źródło: World Borders pochodzące z http://thematicmapping.org/downloads/world_borders.php i na licencji CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

—

Kolorem zielonym na rysunku zakodowano zmiany w zakresie średniej dokładności pomiaru ~±0,1°C. Ciągła strefa wieloletniej zmarzliny zaznaczona bladoniebieskim kolorem (>90% pokrycia); nieciągła strefa wieloletniej zmarzliny zaznaczona jasnoróżowym kolorem (<90% pokrycia). Strefy wieloletniej zmarzliny pochodzą z mapy Międzynarodowego Stowarzyszenia Wieloletniej Zmarzliny (IPA – International Permafrost Association).

Autorzy w pracy ogólnie stwierdzili:

Nasze wyniki pokazują, że w ciągu dekady po IPY wieloletnia zmarzlina ogrzała się w 71 otworach, w 12 ochłodziła, a w pozostałych 40 pozostała niezmieniona (w zakresie dokładności pomiaru). Z kolei temperatura gruntu wzrosła powyżej 0°C w pięciu otworach wiertniczych, co wskazuje na rozmarzanie na głębokości pomiarowej 10 m w rocznej amplitudzie zerowej (Z*).

W serwisie Polarpedia został w następujący sposób wyjaśniony termin rocznej amplitudy (ZAA – Zero Annual Amplitude) zerowej w kontekście wyjaśnienia profilu termicznego wieloletniej zmarzliny:

Głębokość zerowej amplitudy rocznej (ZAA) to odległość między powierzchnią gruntu a punktem pod powierzchnią, gdzie na grunt nie mają wpływu różnice temperatur w ciągu roku.

W wieloletniej zmarzlinie górna warstwa, zwana „warstwą aktywną” , podlega topnieniu i zamarzaniu przez cały rok. Pod tą warstwą temperatura zawsze spada poniżej 0°C, dlatego gleba jest trwale zamarznięta. Idąc głębiej, roczne wahania temperatury stają się coraz mniej znaczące, aż w końcu poniżej pewnego poziomu temperatura pozostaje stała przez cały rok.

Punkt, w którym roczna zmiana temperatury jest mniejsza niż 0,1°C, określa się jako „głębokość zerowej amplitudy rocznej” (ZAA).

Głębokość tego punktu może wahać się od 10 do 20 metrów pod powierzchnią, co zależy od warunków klimatycznych i gleby. Pod ZAA temperatura gleby stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem głębokości, z powodu ciepła geotermalnego pochodzącego z dołu. Tutaj temperatura gleby (poniżej 0°C przez całą wieloletnią zmarzlinę) wynosi ponownie 0°C. Punkt ten oddziela zatem zamarzniętą glebę od niezamarzniętej gleby i wskazuje dolną granicę wieloletniej zmarzliny.

—

Rys.3. Wyjaśnienie terminów na powyższym rysunku, dotyczących wieloletniej zmarzliny (permafrostu): a) wieloletnia zmarzlina: sezonowe tajanie i ponowne zamarzanie, wieloletnie zamarzanie, wieloletnie rozmarzanie ; temperatura minimalna zimowa, 0 st.C i < 0 st.C (kolor niebieski) b) powierzchnia zmarzliny i aktywna warstwa, temperatura maksymalna letnia, > 0 st.C, zerowa amplituda roczna (ZAA), podstawa zmarzliny, przepływ geotermalnego ciepła c) powierzchnia gruntu, głębokość wiecznej zmarzliny (Źródło: Polarpedia.pl)

—

Referencje:

1. Sayedi S. S. et al., 2020 ; Subsea permafrost carbon stocks and climate change sensitivity estimated by expert assessment ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abcc29
2. Turetsky M. R. et al., 2019 ; Permafrost collapse is accelerating carbon release ; Nature ; https://www.nature.com/articles/d41586-019-01313-4
3. Biskaborn B. K. et al., 2019 ; Permafrost is warming at a global scale ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-018-08240-4