Новое исследование дает одно из самых ясных на сегодняшний день представлений о том, что происходит при таянии арктической вечной мерзлоты. Исследование, проведенное под руководством геофизика Майкла Роулинса из Массачусетского университета в Амхерсте, предоставляет подробную информацию о том, как повышение температуры изменяет водные системы и высвобождает долго хранившийся в замороженном состоянии углерод.
Исследовательская группа изучила регион на Северном склоне Аляски, примерно размером с Висконсин, где сотни рек и ручьев впадают в море Бофорта. Используя данные моделирования за 44 года с разрешением в один километр, они обнаружили, что сток резко увеличивается, реки переносят все большее количество углерода, а сезон оттепели затягивается на более поздний период года, достигая теперь конца лета и осени. Результаты исследования были опубликованы в журнале Global Biogeochemical Cycles.
Арктические реки играют огромную роль в глобальной системе.
Реки в Арктике оказывают удивительно большое влияние на планету. Они сбрасывают около 11% мировой речной воды в океан, объем которого составляет всего 1% от мирового объема. Это делает Северный Ледовитый океан особенно чувствительным к изменениям, происходящим в реках и ручьях региона.
Хотя большая часть этой воды поступает за счет таяния снега, все большее значение приобретает оттаивание вечной мерзлоты. В почве есть слой, известный как «активный слой», который замерзает и оттаивает каждый год. По мере потепления климата этот слой становится глубже, позволяя большему количеству грунтовых вод поступать в арктические реки.
Оттаивающая почва высвобождает древний углерод.
Активный слой содержит большие объемы органического материала, замороженного на протяжении тысяч лет. По мере его углубления все больше этого материала высвобождается в реки в виде растворенного органического углерода (РОУ), в конечном итоге достигая океана.
Северный Ледовитый океан уже получает непропорционально большую долю этого углерода по сравнению с другими частями мира. Ежегодно более 275 миллионов тонн его превращается в углекислый газ, что способствует глобальному потеплению и создает замкнутый цикл, который может усилить изменение климата.
Ограниченность наблюдений делает моделирование необходимым.
Понимание того, как отдельные реки реагируют на потепление, представляет собой сложную задачу, поскольку прямые измерения в северной части Аляски ограничены.
«Сложность ответа на этот вопрос заключается в том, что прямые наблюдения в северной Аляске крайне редки», — говорит Роулинс, доцент кафедры наук о Земле, географии и климате Массачусетского университета в Амхерсте. «Количественных измерений проб воды из рек недостаточно, чтобы оценить объемы поступления воды в эстуарии вдоль всего Северного склона Аляски».
Для решения этой проблемы Роулинс в течение последних 25 лет разрабатывал модель водного баланса вечной мерзлоты. Эта модель оценивает ключевые процессы, такие как накопление снега, таяние и изменения в активном слое, чтобы лучше отражать реальные условия. В 2021 году она была расширена для моделирования растворенного органического углерода, а в 2024 году была применена на территории площадью 22,45 миллиона квадратных километров арктических земель.
Модель предполагает, что в течение следующих 80 лет в Арктике может наблюдаться увеличение стока на 25%, подземного течения на 30% и усиление засухи в южных районах.
Моделирование высокого разрешения выявляет новые закономерности.
В предыдущих версиях модели использовались ячейки сетки шириной 25 километров. В данном исследовании этот подход улучшен за счет учета изменений в гораздо более мелком масштабе.
«Обычно мы запускали модель на сетке с ячейками размером 25 километров, — говорит Роулинс. — Но это новое исследование — первое, в котором удалось охватить такую обширную территорию Арктики — размером примерно с Висконсин — с точностью до километра и на такой длительный период времени: наша модель имитирует ежедневные речные потоки и прибрежный экспорт в течение 44 лет, с 1980 по 2023 год».
Для запуска модели требовались значительные вычислительные мощности. Каждая симуляция занимала 10 непрерывных дней на суперкомпьютере в Массачусетском центре высокопроизводительных вычислений имени Грина.
«Наши поставки пресной воды и растворенного органического углерода в прибрежные эстуарии будут полезны широкому кругу заинтересованных сторон, интересующихся этими уникальными экосистемами на побережье северной Аляски, — говорит Роулинс, — включая проект «Экосистемы лагуны Бофорта», который помогает точно количественно оценить, что именно поступает в эти прибрежные эстуарии».
Наибольший рост выбросов углекислого газа зафиксирован на северо-западе Аляски.
Исследователи обнаружили, что, хотя сток и оттаивание увеличиваются по всему региону, наибольший рост экспорта углерода наблюдается на северо-западе Аляски.
«Там более равнинная местность, — говорит Роулинс, — а это значит, что там гораздо больше углерода, образовавшегося в результате разложения органических веществ в вечной мерзлоте и накапливавшегося в течение десятков тысяч лет. Это древний углерод. Чем дальше на восток, тем более гористой становится местность. Почва там более каменистая и песчаная, поэтому при таянии вечной мерзлоты высвобождается гораздо меньше растворенного органического углерода».
Удлинение сезона оттепели приводит к переменам.
Одним из наиболее примечательных результатов является то, насколько сильно эти изменения напрямую связаны с оттаиванием вечной мерзлоты. Сезон оттаивания теперь длится дольше, чем раньше, продолжаясь до сентября и даже октября.
Эти изменения, вероятно, влияют на соленость, круговорот питательных веществ и пищевые цепи в море Бофорта. В настоящее время исследователи изучают, как многоугольники ледяных клиньев, распространенная особенность арктического ландшафта, влияют на перемещение воды и углерода в сторону прибрежных районов.
Критический пробел в понимании круговорота углерода.
«Количество растворенного органического углерода, попадающего в океан через реки и ручьи, — это часть углеродного цикла, о которой мы мало знаем», — говорит Роулинс. «Нам крайне необходимы дополнительные исследования связи между сушей и океаном, если мы хотим в полной мере справиться с проблемой глобального потепления и его влиянием на прибрежные экосистемы».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом США и НАСА.
Источник: www.sciencedaily.com
