Когда замерзшая арктическая тундра начинает оттаивать примерно в июне каждого года, снег тает и земля размягчается, почва может выделять большое количество парниковых газов, а именно двуокиси углерода и метана. О таких релизах мало что известно.
Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE) в сотрудничестве с группой других ученых, проводящих измерения как в полевых условиях, так и в лаборатории, количественно оценили масштаб таких выбросов и объяснили лежащие в основе явления механизмы. Их исследование было основано на весеннем импульсе на севере Аляски, который они задокументировали в 2014 году и включал выбросы CO2, эквивалентные 46 процентам чистого CO2. который поглощается в летние месяцы, и выбросы метана, которые добавляют 6 процентов к летним потокам. Более того, последние климатические тенденции могут сделать такие выбросы более частыми, заключают ученые.
«Мы видим, что последствия изменения климата в Арктике происходят быстрее, чем в любой другой части мира», - сказала ученый из лаборатории Беркли Наама Раз-Ясиф. «Поэтому нам нужно понимать процессы, которые происходят, и чего ожидать в будущем. Количество CO2 и метана (CH4) в атмосфере определяет парниковый эффект, поэтому нам нужно больше знать об этих источниках».
Их исследование было недавно опубликовано в журнале Geophysical Research Letters в статье под названием «Крупные выбросы CO2 и CH4 Многоугольная тундра во время весенней оттепели на севере Аляски. Ведущим автором был экогидролог Раз-Ясиф. Соавторами были исследователи из лаборатории Беркли Маргарет Торн, Юксин Ву и Тим Книфси; Дэйв Биллесбах из Университета Небраски; Анна Лильедал и Владимир Романовский из Университета Аляски; Дэвид Кук из Аргоннской национальной лаборатории и Стэн Вульшлегер из Окриджской национальной лаборатории.
Исследование было проектом Экосистемного эксперимента нового поколения Министерства энергетики США (NGEE-Arctic), целью которого является получение прогнозного понимания обратной связи арктической наземной экосистемы с климатом. Команда использовала две башни высотой 4 метра для сбора показаний потока газа. Башни расположены примерно в 5 км друг от друга недалеко от Барроу, Аляска, самого северного города в США, одна башня находится в ведении NGEE, а другая - Центра климатических исследований Министерства энергетики США.
"Обычно мы измеряем только то, что происходит летом", - сказал Раз-Ясиф. «Мы предполагаем, что зимой ничего не происходит, потому что она замерзла, поэтому биологической активности нет. Но в 2014 году мы замерили большой поток углерода и метана, выбрасываемых из-под земли, в самом начале оттепелей и снеготаяния. Сначала мы не знали, правда ли это или ошибка измерения. Затем мы подтвердили это с помощью другой башни в 5 км (башня ARM), которая измерила очень похожий поток того же размера за тот же период».
Той весной они измерили в общей сложности три импульса, самый продолжительный из которых длился пять дней. Эти выводы важны для понимания углеродного баланса экосистем Арктики. Пока что Арктика считается поглотителем углерода, то есть она ежегодно поглощает CO22, чем выделяет, в основном благодаря растительности, которая растет летом. (Океаны и леса являются гораздо более крупными поглотителями углерода.) «Учитывая наши выводы, Арктика является еще меньшим поглотителем углерода, чем мы думали, поскольку в некоторые годы почти половина летнего поглощения CO2 компенсируется этими весенними выбросами», - сказал Раз-Ясиф.
Газы, захваченные в среднем слое
Почему почва выделяет газы? Почвы повсюду полны микробов, а микробная активность выделяет газы. Что отличает Арктику, так это то, как промерзает земля. Когда поздней осенью температура начинает падать, почва промерзает от вечной мерзлоты вверх и от поверхности вниз. Активный слой между ними оказывается в ловушке посередине.
«Примерно в течение месяца после замерзания поверхности средний слой все еще активен», - объяснил Раз-Ясиф. «Температура по-прежнему около 0 (по Цельсию), поэтому микробная активность продолжается, производя углерод и метан, но они остаются в ловушке под поверхностью льда. Они не могут выделяться, поэтому хранятся всю зиму».
При таянии ледяной шапки весной газы улетучиваются в атмосферу.
Ученые подтвердили эти наблюдения несколькими способами. Во-первых, они измеряли температуру почвы каждые 10 см в вечной мерзлоте на глубине 1,5 метра под землей каждые 5 минут круглый год. Во-вторых, они извлекли большие керны из мерзлого грунта, которые были доставлены в лабораторию для экспериментов.
» (ученый из лаборатории Беркли) Юсин Ву разморозил ядро в контролируемых условиях, но точно так же, как в природе», - сказал Раз-Ясиф. «Когда в лаборатории растаял поверхностный лед, он измерил большой поток углерода и метана. Он образовался из газов, попавших в почву за зиму».
Отдельно ученый из лаборатории Беркли Тимоти Книфси провел компьютерную томографию сотен замороженных кернов и обнаружил богатые газом каналы и карманы вблизи поверхности, которые, по мнению ученых, могут служить зонами накопления и путями потока газа.
Весенние бобовые не ежегодные, но могут стать более частыми
На самом деле, именно эти каналы и карманы обеспечивают эмиссионные импульсы, заключают ученые в своей статье. Импульсы пружин в 2013 и 2016 годах не регистрировались, а в 2015 году измерить не удалось из-за неисправности оборудования. Поскольку это не ежегодное событие, они проанализировали условия, при которых могут возникать пульсации.
«Процесс, скорее всего, произойдет, когда на льду идут дожди», - сказал Раз-Ясиф. «Когда он неоднократно оттаивает и замерзает, в мерзлой почве образуются трещины, и через эти трещины может выделяться газ».
В теплые годы ученые ожидают, что весенние пульсации будут более частыми. «Мы ожидаем, что из-за более продолжительных и теплых осенних сезонов и более частых пульсаций из-за большего количества дождей на льду весной будет накапливаться больше газа», - сказал Раз-Ясиф..
Одно можно сказать наверняка: теперь ученые знают, что нельзя игнорировать выбросы газа ранней весной. «Теперь мы поставим башни намного, намного раньше, на всякий случай, если будет другое событие, мы обязательно его успеем», - сказал Раз-Ясиф. «Это одна из тех вещей, когда ты осознаешь это, ты открываешь глаза и ищешь это».
NGEE-Arctic поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. ARM - это пользовательский ресурс Министерства энергетики США.