Танення вельму та вивільнення метану: Земля, що пам'ятає льодовик

Заморожений принаймні протягом двох років, за визначенням

Пермаліт визначається виключно за температурою та часом: ґрунт, який залишався при або нижче 0°C протягом щонайменше двох безперервних років. Вище нього знаходиться активний шар – верхній прошарок ґрунту, який тане щовесни та повторно замерзає щосереди, підтримуючи все, що там росте: коріння, мікроби та інфраструктуру поверхні. Під активним шаром сам пермаліт може сягати кількох метрів або сотень метрів у глибину, а в частинах Сибіру – досягати десятків тисяч років – ґрунт, який справді залишався замороженим з часів останньої льодовикової епохи.

Рівняння Стефана: наскільки глибоко проникають літні опалення?

Класична задача Стефана — спочатку сформульована для росту льодяного крила в 19 столітті — моделює, на яку відстань проникає передній край танення (або замерзання) у ґрунт як рухомий перетин, де тепло, що проводиться від поверхні, повністю споживається на пізній фазі танення льоду, а не підвищує температуру далі:

d(t) ≈ sqrt( 2 * k * ΔT * t / L ) k = тепловіддача розмороженого ґрунту ΔT = температура вище за заморожування на поверхні t = час L = питома теплота плавлення на одиницю об’єму льоду в ґрунті Залежність від квадратного кореня часу є ключовою особливістю: глибина танення росте швидко спочатку і потім сповільнюється, оскільки кожен додатковий сантиметр вже розмороженого ґрунту трохи краще ізолює заморожений ґрунт під ним. Це також означає, що товщина активного шару дуже чутлива до того, скільки льодянистого ґрунту потрібно розтопити (L) — вологіший, більш льодянистий ґрунт тане повільніше при однаковому тепловому вході, ніж сухий ґрунт.

d(t) ≈ sqrt( 2 * k * ΔT * t / L )

k  = thermal conductivity of the thawed soil
ΔT = temperature above freezing at the surface
t  = time
L  = latent heat of fusion per unit volume of ice in the soil

Первинний лід та опущення термокарсту

Значна частина первісного мерзлоту не є просто замороженим вологим ґрунтом – вона містить надлишок первинного льоду: лідкові шорстки, лідновісні пластини та великі льодові маси, які займають більше об’єму, ніж нормальний порожнинний простір ґрунту. Коли цей надлишок льоду тане, а вода відтікає або випаровується, ґрунт не має куди перерозподілити втрачений об’єм, і поверхня сама опускається, щоб заповнити цю щілину. Це – термокарст: утворення просік, зсуви схилів, нахилені «п'яні ліси» та нові тазові озера, що утворюються там, де раніше був твердий ґрунт – і це причина того, що танення мерзлоту змінює ландшафти не просто розм’якшуючи їх.

Метеановий зворотний зв’язок

Пермафрост містить величезний резерв органічної вуглецевої речовини – рослинних та тваринних матеріалів, заморожених до повного розкладання, оцінюється приблизно в 1500 мільярдів тонн по всій Арктиці. Більше вуглецю, ніж зараз знаходиться в атмосфері. Танення цього льоду повертає цю вуглецеву речовину назад до мікроорганізмів, які відновлюють розкладання після паузи, яка в деяких випадках тривала тисячоліття. У добре дренованих аеробних ґрунтах це переважно призводить до вивільнення CO2; у заболочених умовах з низьким вмістом кисню, характерних для термокарстових озер і водно-болотних угідь, метангенні мікроорганізми виробляють метан – значно потужніший парниковий газ, ніж CO2, молекулярно за молекулою, особливо при порівнянні з періодом у 20 років, який часто використовується кліматичними науковцями, хоча він також розкладається швидше в атмосфері.

Зворотний механізм, але наскільки швидко?

Для більшості пермафросту, зворотний механізм карбону діє поступово: активний шар поглиблюється трохи більше кожного десятиліття у міру того, як клімат стає теплішим, вивільняючи вуглець поступово протягом десятиліть чи століть, а не в одному драматичному імпульсі. Однак локальні раптові процеси танення – формування термокарстового озера, обвалення схилу – можуть дестабілізувати угле-багатий, льодяний ґрунт значно швидше, ніж передбачає поступовий тренд, хоч вони впливають лише на меншу частину загальної площі пермафросту в будь-який момент часу. Поточні дослідження розглядають поступове та раптове танення як два окремі процеси саме тому, що їх об'єднання призвело б до неточної репрезентації швидкості та неоднорідності повернення замороженого вуглецю в обіг.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Permafrost Thaw & Methane Release і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.