Topnienie zmarzliny niszczy lądowe magazyny węgla

Rzeki spływające z obszaru torfowisk Syberii, Kanady i Alaski łączą te ogromne lądowe magazyny węgla z sąsiednim ekosystemem morskim. Tą drogą, wraz z ocieplaniem klimatu, coraz więcej materii organicznej trafia do Oceanu Arktycznego, zmieniając jego skład chemiczny. Jakie konsekwencje dla klimatu na całym świecie ma topnienie (czy raczej tajanie) wieloletniej zmarzliny?

Wielkie rozmarzanie, wielkie emisje

Wieloletnia zmarzlina znajduje się pod około 2/3 północnych torfowisk. Jej obecność sprzyja odkładaniu się torfu: latem ta nieprzepuszczalna warstwa zapewnia wysokie wysycenie gleby wodą, zimą jest zaś dodatkowym czynnikiem zmniejszającym temperaturę gruntu. Ogranicza także ilość dostępnej dla bakterii materii organicznej. Torf natomiast słabo przewodzi ciepło, chroniąc w ten sposób głębsze warstwy gruntu przed rozmarzaniem nawet przy temperaturach powietrza powyżej 0^oC (Frolking i in., 2011). Dzięki tym zależnościom ogromne ilości częściowo rozłożonej materii organicznej miały szansę zostać zachowane przez tysiąclecia na rozległych obszarach Alaski czy Syberii. Szacuje się, że na półkuli północnej w wiecznej zmarzlinie jest w sumie zmagazynowane około 1700 Gt węgla organicznego – dwa razy więcej niż w atmosferze* (Schädel i in., 2013), a jego uwolnienie byłoby w obecnych warunkach klimatycznych procesem praktycznie nieodwracalnym (Eglin i in. 2010).

Raporty IPCC nie pozostawiają złudzeń jeśli chodzi o przetrwanie zmarzliny w dłuższym horyzoncie czasowym. Prognozy wskazują, że borealne i subarktyczne obszary zostaną ogrzane o 1-3 °C przed 2029 rokiem i o 5-6 °C do końca stulecia. Już teraz gleby zalegające na zmarzlinie ogrzewają się szybciej niż rosną temperatury powietrza w Arktyce – o 1,5-2,5 stopnia w przeciągu ostatnich 30 lat. W arktycznej części Kanady południowa granica zasięgu zmarzliny przesunęła się według danych z 2001 roku średnio o 39 km na północ, a w niektórych miejscach nawet o 200 km.

Dane ze stacji NOAA w Barrow (USA, Alaska) pokazują, że jesienne (październik-grudzień) emisje CO₂ z okolicznej tundry były w roku 2014 o 73% większe niż w 1975 (Commane i in. 2017). Przyczyną jest aktywność mikroorganizmów trwająca jeszcze długo – ze względu na coraz cieplejsze i bardziej śnieżne zimy – po zapadnięciu roślin w „sen zimowy”. Ziemia coraz wcześniej odmarza wiosną i coraz później zamarza jesienią, a ciepło generowane przez mikroorganizmy podgrzewa glebę, napędzając sprzężenia zwrotne (Hollesen i in. 2015, Treat i in. 2016). Szybsze topnienie zmarzliny wynika również z osiadania gruntu spowodowanego jej rozpadem* oraz zmiany w ilości i rodzaju opadów (Turetsky i in. 2007, Bring i in. 2016). Naukowcy przypuszczają, że niemal cała leżąca blisko powierzchni zmarzlina zniknie do końca XXI wieku (Tarnocai i in. 2009).

Dla torfowisk, których biochemia jest wrażliwa na nawet małe zmiany ekologiczne i hydrologiczne, sytuacja taka może mieć poważne konsekwencje. Jednym z miejsc, które wzbudza szczególne zainteresowanie badaczy, jest zachodnia Syberia – obszar w dużej części pokryty torfowiskami, w tym największym na świecie, liczącym sobie 10 tys. lat Bagnem Vasyugan. Można tu obserwować jak zwiększająca się co roku grubość leżącej nad zmarzliną „aktywnej” warstwy gleby (zamarzającej jedynie zimą) powoduje, że zarówno ukształtowanie terenu jak i warunki hydrologiczne ulegają dużym zmianom (Bring i in. 2016). Część obszarów się zapada, powstają w nich jeziorka termokrasowe przewodzące ciepło z powierzchni w głąb gleby (Tarnocai i in. 2009) lub podmokłe zagłębienia. Inne tereny zostają – wydawało by się paradoksalnie – osuszone w wyniku np. przerwania ciągłości nieprzepuszczalnej warstwy zmarzliny (Lawrence i in. 2015).

Wszystkie te zmiany wpływają na wielkość emisji gazów cieplarnianych z torfowisk, jednak szacowanie ich bilansu jest trudne, bo zaczyna w dużej mierze zależeć od zmian w topografii terenu – coraz mniej stałej wraz z ocieplaniem się klimatu* (Startsev in., 2016). Sytuację komplikują dodatkowo przeobrażenia szaty roślinnej. Mech jest świetnym izolatorem w lecie, a zimą pozwala falom chłodu penetrować w głąb gleby. Jego obecność sprzyja w ten sposób stabilności wiecznej zmarzliny (Sazonova i in. 2004). Obserwowane obecnie wycofywanie mchów z dotychczas zajmowanych terenów staje się więc kolejnym czynnikiem przyspieszającym topnienie zmarzliny. Jej rozpad jest natomiast zagrożeniem dla przetrwania ogromnych zbiorników węgla organicznego w glebach na północy globu, gdyż zmarzlina ogranicza ich niszczenie wynikające z rozkładu, pożarów i wypłukiwania z wodą (Hodgkins i in. 2014, Treat i in. 2016).

Co spływa do Oceanu Arktycznego?

O ile emisje gazów cieplarnianych z rozmarzającej wieloletniej zmarzliny i naruszonych torfowisk oddziałują na klimat bezpośrednio, wpływ materii organicznej wypłukiwanej z wodą jest bardziej skomplikowany, ale również istotny. Rozmarzanie zmarzliny przyczynia się do modyfikacji składu chemicznego słodkiej wody w rzekach spływających z obszarów torfowisk – znajduje się w niej m.in. więcej wapnia, magnezu i siarczanów. Wpływa to na skrócenie okresu, przez jaki rzeki są zamarznięte zimą, a tym samym wydłuża czas, w którym ich brzegi mogą ulegać erozji, wzbogacając w ten sposób wody w fosfor czy organiczne związki węgla. Według oszacowań utrata organicznego węgla z arktycznych rzek i zapadających się linii brzegowych może wzrosnąć pod koniec tego wieku o 75% (Abbott i in. 2016). Będzie to wpływać na bilans emisji CO₂, gdyż „stara” materia organiczna wyniesiona na powierzchnię gruntu w wyniku powstawania form termokrasowych i wymyta do rzek, jest o ponad 40% bardziej podatna na rozłożenie przez mikroorganizmy niż „nowa” (Cory i in. 2013).

Topnienie zmarzliny będzie też zwiększać ilość wody gruntowej spływającej do rzek i strumieni – już teraz jest to obserwowane w głównych rzekach Kanady i Alaski (Lawrence i in. 2015). To kolejna cegiełka dokładana do coraz większych przepływów rzek wpadających do Oceanu Arktycznego. Ze względu na ocieplenie i zmiany we wzorcach opadowych 6 największych rzek euroazjatyckich zwiększyło od roku 1936 do 1999 ilość wody odprowadzanej do Oceanu Arktycznego o 7%, co miało zauważalny wpływ na Oscylację Północnoatlantycką (NAO) i średnią globalną temperaturę powietrza. Prognozy mówią o wzroście przepływów do 2100 roku o 18-70% w stosunku do wartości obecnych (dla prognoz wzrostu temperatury IPCC), NASA podaje natomiast liczbę 35% dla podwojonej koncentracji atmosferycznego CO₂ (Peterson i in., 2002, C. G. Fichot i in. 2012, B. Thibodeau i in., 2014).

Rosnąca ilość słodkiej wody wpływającej do Oceanu Arktycznego budzi niepokój naukowców. Modele klimatyczne przewidują, że gdy jej objętość przekroczy pewną krytyczną wartość, przestanie być możliwe formowanie w północnym Atlantyku tzw. „wody głębinowej” (North Atlantic Deep Water, NADW), co zaburzy cyrkulację termohalinową. Te obawy są tym bardziej uzasadnione, że oprócz wody rzecznej, do Oceanu Arktycznego trafia też woda z topniejących lodowców Grenlandii oraz coraz intensywniejszych opadów pojawiających się nad tym akwenem (M. C. Serreze i in. 2006).

Dodatkowo wraz ze zwiększonymi opadami nad obszarem Arktyki oraz wzmożonym rozpadem zmarzliny coraz więcej materii organicznej jest wymywane do rzek. Ostatecznie te ogromne ilości związków próchnicznych trafiają na początku sezonu topnienia lodu morskiego do Oceanu Arktycznego. Powoduje to redukcję ilości światła w powierzchniowej warstwie wody, co ogranicza fotosyntezę (Sipler i in., 2017), wody przybrzeżne ulegają zakwaszeniu, zwiększa się też ilość produktów dla organizmów cudzożywnych. Modyfikuje to skład planktonu – zmniejsza się w nim udział większych organizmów kluczowych dla łańcuchów troficznych Arktyki, światowego cyklu węglowego i azotowego (Sipler i in., 2017) oraz będących ważnym producentem siarczku dimetylu. Związek ten stymuluje powstawanie chmur nad oceanem, redukcja populacji określonych gatunków planktonu wpływa więc także na ilość światła słonecznego docierającego do Arktyki.

Duże znaczenie dla tego, jak wiele rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) spłynie rzekami do Oceanu Arktycznego, ma kondycja północnych torfowisk. Są one bowiem ważnym źródłem DOC. Gdy średnia temperatura roczna powietrza danego obszaru jest niższa niż −2°C, znajdująca się pod torfem zmarzlina nie roztapia się, co pozwala ograniczyć ucieczkę tego typu węgla z torfu. Niestety modele pokazują, że w obecnym stuleciu obszar zachodniej Syberii o średniej rocznej temperaturze powietrza przekraczającej −2°C, zwiększy się prawie dwukrotnie. Oznacza to około 700% większe koncentracje DOC w strumieniach i rzekach oraz wzrost o około 29–46% ilości DOC spływającej do Oceanu Arktycznego do 2100 roku (Frey i in. 2005).

Łosie i renifery pomagają powstrzymać topnienie wiecznej zmarzliny

We wnioskach badania opublikowanego w Geophysical Research Letters w 2016 roku wskazano, że rozpad zmarzliny już teraz wpływa na funkcjonowanie ekosystemów na wysokich szerokościach półkuli północnej. Ponieważ zmiany składu chemicznego wód Oceanu Arktycznego mogą mieć znaczenie dla prądów morskich i pogody na całym świecie, proponowane są nawet programy geoinżynieryjne w celu ograniczenie topnienia zmarzliny, szczególnie na terenach zajętych przez torfowiska.

W 1989 roku grupa naukowców ze stacji badawczej w Czerskim założyła na ok. 15 km² „park plejstoceński” (Zimmerman i Labonte, 2015). Podstawą naukową tego projektu były badania tzw. „stepu mamuciego”, czyli wysokoproduktywnych zbiorowisk roślinnych z dużą ilością sporych roślinożerców (porównywalne z afrykańską sawanną), które znajdowały się na Syberii około 14 tys. lat temu i wcześniej, zarówno podczas glacjałów, jak i interglacjałów. Zniknięcie z tych terenów mamutów i nosorożców włochatych – w wyniku gwałtownej zmiany klimatu i nadmiernych polowań ludzi – spowodowało przekształcenie stepu w torfowiska i rzadkie lasy. Naukowcy, pod kierownictwem Siergieja Zimova, chcieli sprawdzić, czy da się te zmiany odwrócić. Rozpoczęto wprowadzanie do ekosystemu dużych roślinożerców zaadaptowanych do zimnych warunków, takich jak konie jakuckie, łosie, renifery, bizony leśne, piżmowoły i jelenie. Okazało się, że mimo pewnych przeszkód (śmiertelność zwierząt, kłusownictwo), teren dość szybko przekształcił się w wysokoproduktywną równinę trawiastą. Trawa ma wyższe albedo niż mech czy tajga, lepiej też penetruje korzeniami glebę, stwarzając dobre warunki do życia dla bakterii żywiących się metanem, a do tego roślinożercy naruszając pokrywę śnieżną pozwalają zimnu przenikać w głąb gruntu. Wszystko to sprzyja zmniejszeniu emisji gazów cieplarnianych i pozwala chronić wieloletnią zmarzlinę.

To jednak tylko pilotażowy, pojedynczy eksperyment. Na obecną chwilę wszystko wskazuje na to, że topnienie zmarzliny jest jak powoli rozpędzająca się lawina, która po kolei uruchamia kolejne sprzężenia zwrotne. I choć ze względu na dużą ilość ciepła potrzebną do topnienia lodu, resztki zmarzliny mogą na większych głębokościach przetrwać nawet przez tysiąclecia (Stendel i Christensen, 2002), to według modeli, globalne ocieplenie zapoczątkowuje nieodwracalny proces topnienia, samopodtrzymujący się ciepłem wydzielanym przez mikroby, w wyniku czego przez stulecia będą rosły emisje z oddychania ekosystemów (Tarnocai i in. 2009). Szacunki mówią o nawet 220 Gt węgla uwolnionego z gleb wiecznej zmarzliny do 2100 roku i 500 GtC do 2300 (Zech i in., 2011, Schneider von Deimling i in. 2012, Zimmerman i Labonte 2015, raport Permafrost Carbon Network z 2015 roku, Abbott i in. 2016). Jeśli te prognozy są trafne, to ilość paliw kopalnych, którą ludzkość może spalić, by nie przekroczyć progu 2^oC ocieplenia, może być sporo mniejsza niż wskazują dotychczasowe, pomijające te procesy, obliczenia (Zimmerman i Labonte 2015).

Zobacz film: O topnieniu zmarzliny i erozji brzegów opowiada prof. Hugues Lantuit, geomorfolog, specjalista od zmarzliny na wybrzeżach.

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna: dr hab. Bohdan H. Chojnicki

* T. Schuur Prognoza dla wiecznej zmarzliny Świat Nauki, styczeń 2017 (305)