Багаторічна мерзлота — утворення, поширення і вплив

У літературі існує плутанина щодо значення багаторічної мерзлоти. Проблема полягає в тому, що це слово часто по-різному використовують геологи та ґрунтознавці.

Перші застосовують такий термін до набору ґрунтів, реголітів і відкладень, в той час як фахівці з ґрунтознавства класифікують перші два метри.

Але багаторічна мерзлота – це процес, який не тільки виходить за рамки предмета дослідження ґрунтознавців, а й впливає на клімат всієї Землі.

Історія походження

Визначення багаторічної мерзлоти містить верхню частину земної кори (багаторічно — мерзлі породи), яка знаходиться в замерзлому стані при температурі нижче 0 градусів не менше двох років. Область підземного заледеніння ще називають криолітозоною без періодичного відтавання. Раніше для її позначення використовувався термін»вічна мерзлота”.

Умовою утворення багаторічної мерзлоти може бути будь-який клімат, де середньорічна температура повітря нижче точки замерзання води. Більша частина кріолітозони, що існує сьогодні, сформувалася під час холодних льодовикових періодів і збереглася протягом теплих міжльодовикових періодів, включаючи голоцен.

Голоцен – це геологічна епоха, яка почалася приблизно 11 700 років тому.

Деяка відносно неглибока мерзлота, від 30 до 70 метрів, сформувалася в другій частині голоцену (Останні 6 тис.років), а інша частина під час Малого льодовикового періоду (від 400 до 150 років тому).

Останнє максимальне промерзання ґрунту було 18 000-20 000 років тому під час останнього льодовикового періоду. У той час вся Північна територія Франції була кріолітозоною, а рівень моря знаходився нижче на 120 метрів.

Мінімальне замерзання датується 6 тис. років тому під час Атлантичної фази, відомої як кліматичний оптимум голоцену. З того часу, крім потепління, під час середньовічного кліматичного оптимуму, до Малого льодовикового періоду, літо в Північній півкулі похолодало, що призвело до тенденції територіального розширення кріолітозони.

Кріолітозона займала набагато більшу площу в четвертинні льодовикові періоди. На не глибоких ділянках вона сформувалися відносно швидко, перші 100 метрів ґрунту могли замерзнути всього за кілька сотень років. Наприклад, за 350 років холодної погоди ґрунт може замерзнути на глибину до 80 метрів, але для замерзання до глибини близько 220 метрів потрібно в десять разів більше часу. За оцінками вчених, знадобилося більше пів мільйона років, щоб мерзлота могла сформуватися під поверхнею ґрунту на Алясці.

Розташування на земній кулі

Географія кріолітозони дуже велика. Вона присутня у високих широтах (Полярна і субполярна вічна мерзлота), але також буває і на великих висотах (субвертикальні стіни до 3500 метрів над рівнем моря). Як видно по геологічних картах, вона покриває одну п’яту поверхні Землі.

Поширеність в північних широтах:

  • 90% Гренландія.
  • 80% Аляска.
  • 50% Канада і Росія.

Зазвичай кріолітозона постійна за межами 60 градусів широти і більш спорадична для альпійської місцевості. Регіони багаторічної мерзлоти низовини традиційно діляться на кілька зон на основі оцінки географічної безперервності ландшафту. Наука визнає наступні види багаторічної мерзлоти:

  • безперервна мерзлота (що лежить в основі 90-100% ландшафту);
  • переривчаста (50-90%);
  • спорадична (0-50%).

У північній півкулі райони, мерзлота, займає приблизно 25% (23 млн км 2) площі суші. У переривчастих і спорадичних зонах поширення є складним і неоднорідним. Її товщина варіюється від менше одного до більше 1500 метрів. У горах Середньої і низької широти її розподіл тісно пов’язаний з характеристиками поверхні суші:

  • особливості рельєфу;
  • рослинність;
  • сніговий покрив.

Підводна кріолітозона зустрічається при температурі близько 0 °C на великих площах арктичного континентального шельфу. Континентальний шельф-це розширений периметр кожного континенту і відповідної прибережної рівнини, який був частиною континенту під час льодовикових періодів, але знаходиться під водою в міжльодовикові періоди, такі як поточна епоха.

Кріолітозона є географічно безперервною під вільними від льоду районами антарктичного континенту, а також під областями, в яких крижаний покрив замерзає до свого дна.

Термічно вона складається з трьох шарів:

  • Активний, відтає влітку і може досягати трьох метрів;
  • схильний до сезонних коливань, але постійно нижче точки замерзання, становить частину вічної мерзлоти і простягається на глибину від 10 до 15 метрів;
  • може досягати декількох сотень метрів або перевищувати 1 тис.метрів (в Якутії), не відчуває сезонних коливань температури та постійно знаходиться в замерзлому стані.

Температура підвищується під впливом геотермальних потоків і досягає 0 °C в нижній межі вічної мерзлоти. Тут лід може забивати пори ґрунту або утворювати крижані тіла різних генезисів. Крім того, субарктичні райони обумовлені непроникністю льоду в безкисневих болотних і заболочених місцях, де розвивалися метаногенні мікроорганізми. Метан також зустрічається в термокарстових озерах.

Постійна кріолітозона може мати різні характеристики і форми, бути багатою органічними ґрунтами або піщаними і кам’янистими, містити заморожену воду або бути відносно сухою. Вона вважається як частиною кріосфери, так і частиною геосфери, бо містить камені і ґрунту. Її верхня поверхня, звана активним шаром, зазвичай відтає і замерзає в залежності від пори року.

Вчені розрізняють теплу і холодну постійну кріолітозону. Тепла має більш високу температуру ніж -2 °C і вважається нестабільною. Холодна має температуру -2 °C або нижче.

Вплив на навколишнє середовище

Замерзання ґрунту змінює її фізичні властивості. Це явище важливо для циркуляції речовин, які живлять поверхневу рослинність і ґрунтові організми. У холодних наземних екосистемах тайгового типу, тундрі, цей особливий колообіг води регулює життя ґрунту і впливає на поверхневе життя (через кореневі функції, мікоризу, тимчасові водно-болотні угіддя і так далі). Циркуляція води в мерзлих ґрунтах також відповідає повільним і тонким теплообмінам, які можуть пробудити грибні або симбіотичні бактеріальні колонії.

Вчені виявили, що через глобальне потепління швидкість відтавання землі зросла.

Це негативно впливає на атмосферу, землю, воду і живих істот. Деградація приземної багаторічної мерзлоти впливає на господарську діяльність і може становити серйозну загрозу використанню природних ресурсів і сталому розвитку арктичних спільнот. Майже чотири мільйони людей і 70% сучасної інфраструктури знаходяться в районах з високим потенціалом відтавання.

Третина панарктичної інфраструктури та 45% родовищ вуглеводнів в російській Арктиці знаходяться в регіонах, де нестабільність грунту, пов’язана з відлигами, може завдати серйозної шкоди штучному середовищу. Багато міст, розташованих на кріолітозоні, піддаються загрозі руйнування.

Утворення, збереження або зникнення кріолітозони дуже тісно пов’язані зі зміною клімату. Ось чому глобальна мережа дослідників вивчає товщу мерзлоти як індикатор глобального потепління на основі опитувань, вимірювань температури та супутникового моніторингу, ініційованих глобальною мережею наземного моніторингу. Швидка відлига може значно збільшити кількість парникових газів, що виділяються замороженими стародавніми рослинами та тваринами.

Недавні зміни

Потепління з кінця 1960-х років спостерігалося в профілях температури кріолітозони в багатьох місцях. За останні кілька десятиліть температура в цілому знизилася в низинах і горах. Виняток становлять деякі недавно оголені осушені басейни озер і розширюються берегові лінії.

Відтавання спостерігалося в багатьох низинних і гірських районах в останні десятиліття-велика частина доказів є непрямою і заснована на змінах в лісовій і тундровій рослинності, різному осіданні поверхні землі і втрати озер.

Щорічне відтавання в західній частині Північної Америки призвело до осідання грунту, появи западин, збільшення дренажу озера.

У регіональному та глобальному масштабах зміни зональних меж мерзлоти важко ідентифікувати через Тривимірні неоднорідності. Деградація кріолітозони і зміни в її розподілі пов’язані з підвищеним утворенням шару або тіла незамерзлого грунту, що виникає через локальну аномалії в термічних, гідрологічних, гідрогеологічних або гідрохімічних умовах.

Зміни зональних кордонів кріолітозони, модельованих з використанням сценаріїв зміни клімату, зазвичай засновані на прогнозах збільшення товщини активного шару і змін температури на відносно невеликих глибинах.

Тепла мерзлота розкладається як зверху, так і знизу, збільшуючи ступінь утворення талика. Південна межа рухається на північ нерегулярним чином і регулюється локальними факторами, які включають торфовище.

Торф являє собою скупчення частково розклалася рослинної речовини. Він утворюється на водно-болотних угіддях або торфовищах, які по-різному називаються:

  • болотами;
  • мускусами;
  • покозинами;
  • торф’яно-болотними лісами.

Рух “кордону” між спорадичною і переривчастою зонами мерзлоти багато в чому визначається розвитком і поширеністю відкритих таликів. У районах, багатих льодом, південна “межа” зони безперервної кріолітозони залишається відносно стабільною, оскільки її повне зникнення може зайняти від століть до тисячоліть, що ускладнює визначення географічних змін.

Швидка прибережна ерозія, незважаючи на те, що вона підтримується штормами і пов’язаної з ними інтенсивністю хвиль, сильно залежить від кількості і типу грунтового льоду.

Зміни в розподілі, передбачувані моделями, вимагають великої верифікації на основі польового або дистанційного зондування протягом тривалих періодів часу. Моніторинг термічного стану в глобальному масштабі необхідний для розуміння гідрологічних зв’язків, майбутніх змін у розподілі та для перевірки глобальних і регіональних моделей.

Очікується, що зміна клімату матиме значний вплив на надземний і підземний Клімат. Хоча широко поширені зміни кріолітозони зазвичай займають століття, за оцінками вчених, до середини XXI століття її площа в Північній півкулі зменшиться на 20-35%. Крім того, екологічна програма ООН передбачає, що до 2080 року глибина відтавання може збільшитися на 30-50%.

Викиди парникових газів

Кріолітозона зберігає величезну кількість вуглецю і метану (вдвічі більше вуглецю, ніж міститься в атмосфері). Очікується, що в умовах потепління ці гази будуть виділятися. Цей процес вже почався в деяких частинах світу, включаючи Західний Сибір, і очікується, що він серйозно зросте до 2020 року.

Третина грунтового вуглецю Землі міститься в арктичній тундровій грунті, що зберігається в замороженому органічній речовині.

Якщо високі північні широти значно нагріваються, мерзлота відтає, дозволяючи органічній речовині розкладатися. Розкладання випустить вуглець в атмосферу. Це вже відбувається в активному шарі щоліта.

У нормальних кліматичних умовах грунт залишається досить холодною, щоб розкладання було дуже повільним. Але в міру підвищення температури повітря і прогріву землі цей процес прискориться. Деякі вважають, що арктична тундра може перетворитися з поглинача вуглецю в джерело вуглецю до середини 2020-х років.

Дослідники підрахували: до 2200 року 60% мерзлоти Північної півкулі, ймовірно, розтане, що може призвести до викиду в атмосферу близько 190 мільярдів тонн вуглецю.

Ця кількість становить близько половини всього вуглецю, випущеного в індустріальну епоху. Вплив цього на швидкість атмосферного потепління може бути незворотнім.

У вологих районах більша частина викидів буде вироблятися метаном, парниковим газом, який має від 20 до 25 разів більшу теплотворну здатність, ніж вуглекислий газ. У міру того як земля нагрівається, метан або потрапляє безпосередньо в атмосферу, або бактерії розкладають його на вуглекислий газ.

Це те, що, як вважають, відбувається навколо озер Сибіру. У 2006 році дослідники, що працюють на двох північних сибірських озерах, виявили, що метан виділяється зі швидкістю в п’ять разів швидше, ніж спочатку передбачалося. Дослідження також виявило розширення “відлигових озер”. Спостереження, проведені в районах вічної мерзлоти і торфовищ Канади та Швеції, також показують ці тенденції.

Недавні дослідження показали, що кількість метану, що виділяється в даний час з регіону арктичного шельфу, приблизно дорівнює кількості метану, що виділяється у всіх океанах світу. Це особливо небезпечно через малу глибину шельфу. В інших регіонах, де існують гідрати метану, вони досить глибокі, щоб окислюватися до вуглекислого газу, перш ніж досягти поверхні. У цьому регіоні метан виділяється прямо в повітря.

Сценарій лиха

Коли атмосфера прогрівається, мерзлота тане, виділяючи парниковий газ, який додатково нагріває атмосферу. В даний час кліматичні моделі не враховують впливу метану, що виділяється при таненні кріолітозони, що означає: навіть самі екстремальні сценарії потепління, можуть бути недостатньо екстремальними. Стрибок концентрації метану в атмосфері може спровокувати катастрофічне глобальне потепління.

На Землі вже відбувалося масове виділення метану: палеоценовий еоценовий тепловий максимум.

Дослідження, присвячені цьому періоду часу, показують, що в атмосферу було викинуто велику кількість метану. Але потепління, яке відбувається через антропогенну зміну клімату, є безпрецедентним за своєю швидкістю – сьогодні світ нагрівається в десять разів швидше, ніж тоді. З цієї причини важко виключити будь-який сценарій глобального потепління.

Посилання на основну публікацію