У міру нагрівання Арктики ріст річок може призвести до викидів вуглецю, еквівалентних викидам мільйонів транспортних засобів. Недавні знахідки в Дартмуті показують новаторські докази того, що вічна мерзлота Арктики значно впливає на річкові системи регіону. Це дослідження, опубліковане в Proceedings of the National Academy of Sciences, підкреслює, як вічна мерзлота — щільний шар ґрунту, який залишається замерзлим протягом принаймні двох років — змушує річки в Арктиці протікати через більш вузькі та мілкі долини порівняно з їхніми південними аналогами.
Але вічна мерзлота також стає дедалі крихкішим резервуаром величезної кількості вуглецю. Оскільки зміни клімату послаблюють вічну мерзлоту Арктики, дослідники підрахували, що кожні 1,8 градуса Фаренгейта (1 градус Цельсія) глобального потепління можуть вивільнити стільки вуглецю, скільки викидають 35 мільйонів автомобілів за рік, оскільки полярні водні шляхи розширюються та збивають талий ґрунт.
Динаміка ландшафту та дослідницька мотивація
«Вся поверхня Землі перетягує канат між такими процесами, як схили пагорбів, які вирівнюють ландшафт, і силами, подібними до річок, які їх розсікають», — сказала перший автор Джоанмарі Дель Веккьо, яка керувала дослідженням як науковий співробітник Neukom Postdoctoral. Дартмут зі своїми радниками та співавторами дослідження Марісою Палучіс, доцентом кафедри наук про Землю, та професором інженерії Коліном Мейєром.
«Ми розуміємо фізику на фундаментальному рівні, але коли все починає замерзати й танути, важко передбачити, яка сторона переможе», — сказав Дель Веккіо. «Якщо схили пагорбів переможуть, вони поховають увесь вуглець, що потрапив у ґрунт. Але якщо ситуація потеплішає і раптом річкові русла почнуть перемагати, ми побачимо велику кількість вуглецю, що викидається в атмосферу. Це, ймовірно, створить цю петлю зворотного зв’язку потепління, яка призведе до викиду більшої кількості парникових газів».
Дослідники вирішили зрозуміти, чому арктичні вододіли — загальна площа водозбору річки та пов’язаних з нею водних шляхів — як правило, мають меншу річкову площу, ніж вододіли в теплішому кліматі, які можуть мати великі притоки, що поширюються по ландшафту. Дель Веккіо, який зараз є запрошеним науковцем у Дартмуті та доцентом у Коледжі Вільяма та Мері, задумав дослідження у 2019 році під час польових досліджень на Алясці. Вона пішла в гору зі свого робочого місця на березі річки й побачила краєвид крутих гірських схилів, які не порушували річки чи струмки.
«Здавалося, що схили пагорбів вигравали, а канали програвали», — сказав Дель Веккіо. «Ми хотіли перевірити, чи температура формує цей ландшафт. Нам дуже пощастило, що ми отримали стільки даних про поверхню та цифрових даних про висоту, скільки було отримано за останні кілька років. Ми не змогли б провести це дослідження кілька років тому».
Результати дослідження та аналіз
Дослідники вивчили глибину, рельєф і умови ґрунту для понад 69 000 вододілів у Північній півкулі — від Тропіка Рака до Північного полюса — за допомогою супутникових і кліматичних даних. Вони виміряли відсоток землі, яку займає мережа русел кожної річки в межах свого вододілу, а також крутизну річкових долин.
Сорок сім відсотків проаналізованих водозборів утворені багаторічною мерзлотою. Порівняно з вододілами помірного поясу, їхні річкові долини глибші та крутіші, і приблизно на 20% менше навколишнього ландшафту зайнято руслами. Ці подібності існують, незважаючи на будь-які відмінності в льодовиковій історії, фоновій топографічній крутизні, річній кількості опадів та інших факторах, які б інакше керували поштовхом і тягненням води та землі, повідомляють дослідники. Арктичні вододіли формуються завдяки одній спільній рисі — вічній мерзлоті.
«Незалежно від того, як ми це розрізали, регіони з більшими та багатоводнішими річковими руслами тепліші з вищою середньою температурою та меншою кількістю вічної мерзлоти», — сказав Дель Веккіо. «Вам потрібно набагато більше води, щоб вирізати долини в районах із вічною мерзлотою».
Згідно з дослідженням, здатність вічної мерзлоти обмежувати слід арктичних річок також дозволяє зберігати величезну кількість вуглецю в мерзлій землі. Щоб оцінити кількість вуглецю, який буде вивільнено з цих вододілів через зміну клімату, дослідники поєднали кількість вуглецю, що зберігається у вічній мерзлоті, з ерозією ґрунту, яка призведе до відтавання ґрунту та змиву під час поширення арктичних річок.
Вплив зміни клімату та занепокоєння в майбутньому
Дослідження показують, що Арктика нагрілася більш ніж на 3,6 градуса Фаренгейта (2 градуси Цельсія) порівняно з доіндустріальним рівнем, або приблизно з 1850 року, сказав Дель Веккіо. За оцінками вчених, поступове танення вічної мерзлоти Арктики може призвести до вивільнення від 22 мільярдів до 432 мільярдів тонн вуглекислого газу до 2100 року, якщо поточні викиди парникових газів будуть приборкані, і до 550 мільярдів тонн, якщо цього не зробити, сказала вона. За оцінками Міжнародного енергетичного агентства, споживання енергії у 2022 році призвело до викиду в атмосферу понад 36 мільярдів тонн вуглекислого газу, що є рекордним показником за весь час.
Арктика була пристосована до холоду так довго, що вчені не мають уявлення про те, скільки або як швидко вуглець буде вивільнятися, якщо вічна мерзлота тане в прискореному часовому масштабі, сказав Палучіс, чия дослідницька група використовує Арктику як альтернативу. для вивчення процесів на поверхні Червоної планети на Марсі. «Хоча Арктика зазнавала потепління в минулому, страшне те, наскільки швидко воно відбувається зараз. Ландшафт повинен швидко реагувати, і це може бути травматичним», – сказала вона.
Палучіс пригадала дослідницьку поїздку в Арктику, коли вона побачила, як шматок скелі розміром з невелику будівлю відколовся від скелі. Винуватцем розколу став невеликий потік води, який просочився в скелю і послабив її.
«Цей ландшафт пристосований до більш холодних умов, тому, коли ви змінюєте його, навіть невеликої кількості води, що протікає крізь скелю, достатньо, щоб викликати суттєві зміни», — сказав Палучіс.
«Наше розуміння арктичних ландшафтів більш-менш таке, як ми були з помірними ландшафтами 100 років тому», — сказала вона. «Це дослідження є важливим першим кроком у демонстрації того, що моделі та теорії, які ми маємо для помірних вододілів, просто не можуть бути застосовані до полярних регіонів. Це абсолютно новий набір дверей, через які потрібно пройти, щоб зрозуміти ці ландшафти».
Керни відкладень, зібрані в Арктиці, показали великий стік ґрунту та відкладення вуглецю приблизно 10 000 років тому, що свідчить про набагато тепліший регіон, ніж зараз, сказав Дель Веккіо. Сьогодні такі райони, як Пенсільванія та Середньоатлантичні Сполучені Штати, які розташовані на південь від найдальшої частини льодовиків Льодовикового періоду, передвіщають майбутнє сучасної Арктики.
«У нас є деякі докази з минулого, що під час потепління в океан було викинуто багато осаду», — сказав Дель Веккіо. «І тепер у нас є знімок із нашої статті, який показує, що Арктика отримає більше водних каналів, коли стане тепліше. Але все це не те саме, що сказати: «Ось що відбувається, коли ви берете холодний пейзаж і дуже швидко підвищуєте температуру». Я не думаю, що ми знаємо, як це зміниться».