Вечная мерзлота

Эта статья о замороженной земле. Для других видов использования см. Fevermafrot (устранение неоднозначности) .

Вечная мерзлота
Степень и типы вечной мерзлоты в северном полушарии в соответствии с Международной ассоциацией вечной мерзлоты

Вечная мерзлота (от Perma- « постоянный » и мороз )- это почва или подводное осадок , который непрерывно остается ниже 0 ° C (32 ° F) в течение двух или более лет: самая старая вечная мерзлота непрерывно замораживалась в течение 700 000 лет. В то время как самая мелкая вечная мерзлота имеет вертикальную протяженность ниже метра (3 фута), самая глубокая превышает 1500 м (4900 футов). Аналогичным образом, площадь отдельных зон вечной мерзлоты может быть ограничена узкими горными вершинами или простирается по обширным арктическим регионам. Земля под ледниками и ледяными щитами обычно не определяется как вечная мерзлота, поэтому на земле вечная мерзлота обычно расположена под так называемым активным слоем почвы, который замерзает и оттаивает в зависимости от сезона.

Около 15% северного полушария или 11% глобальной поверхности подкрепляется вечной мерзлотой, покрывая общую площадь около 18 миллионов км ² (6,9 миллиона кв. Миль). Это включает в себя большие площади Аляски , Канады , Гренландии и Сибири . Он также расположен в районах высокой горной, а тибетское плато является выдающимся примером. Только меньшинство вечной мерзлоты существует в южном полушарии , где оно направлено на горные склоны, как в , южных Андах Патагонии Альп в Новой Зеландии или в самые высокие горы Антарктики .

Permafrost contains large amounts of dead biomass that have accumulated throughout millennia without having had the chance to fully decompose and release their carbon, making tundra soil a carbon sink. As global warming heats the ecosystem, frozen soil thaws and becomes warm enough for decomposition to start anew, accelerating the permafrost carbon cycle. Depending on conditions at the time of thaw, decomposition can release either carbon dioxide or methane, and these greenhouse gas emissions act as a climate change feedback. The emissions from thawing permafrost will have a sufficient impact on the climate to impact global carbon budgets. It is difficult to accurately predict how much greenhouse gases the permafrost releases because of the different thaw processes are still uncertain. There is widespread agreement that the emissions will be smaller than human-caused emissions and not large enough to result in runaway warming. Instead, the annual permafrost emissions are likely comparable with global emissions from deforestation, or to annual emissions of large countries such as Russia, the United States or China.

Apart from its climate impact, permafrost thaw brings more risks. Formerly frozen ground often contains enough ice that when it thaws, hydraulic saturation is suddenly exceeded, so the ground shifts substantially and may even collapse outright. Many buildings and other infrastructure were built on permafrost when it was frozen and stable, and so are vulnerable to collapse if it thaws. Estimates suggest nearly 70% of such infrastructure is at risk by 2050, and that the associated costs could rise to tens of billions of dollars in the second half of the century. Furthermore, between 13,000 and 20,000 sites contaminated with toxic waste are present in the permafrost, as well as the natural mercury deposits, which are all liable to leak and pollute the environment as the warming progresses. Lastly, concerns have been raised about the potential for pathogenic microorganisms surviving the thaw and contributing to future pandemics. However, this is considered unlikely, and a scientific review on the subject describes the risks as "generally low".

Classification and extent

Permafrost temperature profile. Permafrost occupies the middle zone, with the active layer above it, while geothermal activity keeps the lowest layer above freezing. The vertical 0 °C or 32 °F line denotes the average annual temperature that is crucial for the upper and lower limit of the permafrost zone, while the red lines represent seasonal temperature changes and seasonal temperature extremes. Solid curved lines at the top show seasonal maximum and minimum temperatures in the active layer, while the red dotted-to-solid line depicts the average temperature profile with depth of soil in a permafrost region.

Permafrost is soil, rock or sediment that is frozen for more than two consecutive years. In practice, this means that permafrost occurs at a mean annual temperature of −2 °C (28.4 °F) or below. In the coldest regions, the depth of continuous permafrost can exceed 1,400 m (4,600 ft). It typically exists beneath the so-called active layer, which freezes and thaws annually, and so can support plant growth, as the roots can only take hold in the soil that's thawed. Active layer thickness is measured during its maximum extent at the end of summer: as of 2018, the average thickness in the Northern Hemisphere is ~145 centimetres (4.76 ft), but there are significant regional differences. Northeastern Siberia, Alaska and Greenland have the most solid permafrost with the lowest extent of active layer (less than 50 centimetres (1.6 ft) on average, and sometimes only 30 centimetres (0.98 ft)), while southern Norway and the Mongolian Plateau are the only areas where the average active layer is deeper than 600 centimetres (20 ft), with the record of 10 metres (33 ft). The border between active layer and permafrost itself is sometimes called permafrost table.

Around 15% of Northern Hemisphere land that is not completely covered by ice is directly underlain by permafrost; 22% is defined as part of a permafrost zone or region. This is because only slightly more than half of this area is defined as a continuous permafrost zone, where 90%–100% of the land is underlain by permafrost. Around 20% is instead defined as discontinuous permafrost, where the coverage is between 50% and 90%. Finally, the remaining <30% of permafrost regions consists of areas with 10%–50% coverage, which are defined as sporadic permafrost zones, and some areas that have isolated patches of permafrost covering 10% or less of their area. Most of this area is found in Siberia, northern Canada, Alaska and Greenland. Beneath the active layer annual temperature swings of permafrost become smaller with depth. The greatest depth of permafrost occurs right before the point where geothermal heat maintains a temperature above freezing. Above that bottom limit there may be permafrost with a consistent annual temperature—"isothermal permafrost".

Continuity of coverage

Permafrost typically forms in any climate where the mean annual air temperature is lower than the freezing point of water. Exceptions are found in humid boreal forests, such as in Northern Scandinavia and the North-Eastern part of European Russia west of the Urals, where snow acts as an insulating blanket. Glaciated areas may also be exceptions. Since all glaciers are warmed at their base by geothermal heat, temperate glaciers, which are near the pressure melting point throughout, may have liquid water at the interface with the ground and are therefore free of underlying permafrost. "Fossil" cold anomalies in the geothermal gradient in areas where deep permafrost developed during the Pleistocene persist down to several hundred metres. This is evident from temperature measurements in boreholes in North America and Europe.

Discontinuous permafrost

Excavating ice-rich permafrost with a jackhammer in Alaska.

The below-ground temperature varies less from season to season than the air temperature, with mean annual temperatures tending to increase with depth due to the geothermal crustal gradient. Thus, if the mean annual air temperature is only slightly below 0 °C (32 °F), permafrost will form only in spots that are sheltered (usually with a northern or southern aspect, in the north and south hemispheres respectively) creating discontinuous permafrost. Usually, permafrost will remain discontinuous in a climate where the mean annual soil surface temperature is between −5 and 0 °C (23 and 32 °F). In the moist-wintered areas mentioned before, there may not even be discontinuous permafrost down to −2 °C (28 °F). Discontinuous permafrost is often further divided into extensive discontinuous permafrost, where permafrost covers between 50 and 90 percent of the landscape and is usually found in areas with mean annual temperatures between −2 and −4 °C (28 and 25 °F), and sporadic permafrost, where permafrost cover is less than 50 percent of the landscape and typically occurs at mean annual temperatures between 0 and −2 °C (32 and 28 °F).

In soil science, the sporadic permafrost zone is abbreviated SPZ and the extensive discontinuous permafrost zone DPZ. Exceptions occur in un-glaciated Siberia and Alaska where the present depth of permafrost is a relic of climatic conditions during glacial ages where winters were up to 11 °C (20 °F) colder than those of today.

Continuous permafrost

Estimated extent of alpine permafrost by region

Locality	Area
Qinghai-Tibet Plateau	1,300,000 km2 (500,000 sq mi)
Khangai-Altai Mountains	1,000,000 km2 (390,000 sq mi)
Brooks Range	263,000 km2 (102,000 sq mi)
Siberian Mountains	255,000 km2 (98,000 sq mi)
Greenland	251,000 km2 (97,000 sq mi)
Ural Mountains	125,000 km2 (48,000 sq mi)
Andes	100,000 km2 (39,000 sq mi)
Rocky Mountains (US and Canada)	100,000 km2 (39,000 sq mi)
Alps	80,000 km2 (31,000 sq mi)
Fennoscandian mountains	75,000 km2 (29,000 sq mi)
Remaining	<50,000 km2 (19,000 sq mi)

At mean annual soil surface temperatures below −5 °C (23 °F) the influence of aspect can never be sufficient to thaw permafrost and a zone of continuous permafrost (abbreviated to CPZ) forms. A line of continuous permafrost in the Northern Hemisphere represents the most southern border where land is covered by continuous permafrost or glacial ice. The line of continuous permafrost varies around the world northward or southward due to regional climatic changes. In the southern hemisphere, most of the equivalent line would fall within the Southern Ocean if there were land there. Most of the Antarctic continent is overlain by glaciers, under which much of the terrain is subject to basal melting. The exposed land of Antarctica is substantially underlain with permafrost, some of which is subject to warming and thawing along the coastline.

Alpine permafrost

A range of elevations in both the Northern and Southern Hemisphere are cold enough to support perennially frozen ground: some of the best-known examples include the Canadian Rockies, the European Alps, Himalaya and the Tien Shan. In general, it has been found that extensive alpine permafrost requires mean annual air temperature of −3 °C (27 °F), though this can vary depending on local topography, and some mountain areas are known to support permafrost at −1 °C (30 °F). It is also possible for subsurface alpine permafrost to be covered by warmer, vegetation-supporting soil.

Changes in subsea permafrost extent and structure between the Last Glacial Maximum and now.

Alpine permafrost is particularly difficult to study, and systematic research efforts did not begin until the 1970s. Consequently, there remain uncertainties about its geography. As recently as 2009, permafrost had been discovered in a new area – Africa's highest peak, Mount Kilimanjaro (4,700 m (15,400 ft) above sea level and approximately 3° south of the equator). In 2014, a collection of regional estimates of alpine permafrost extent had established a global extent of 3,560,000 km² (1,370,000 sq mi). Yet, by 2014, alpine permafrost in the Andes has not been fully mapped, although its extent has been modeled to assess the amount of water bound up in these areas.

Subsea permafrost

Subsea permafrost occurs beneath the seabed and exists in the continental shelves of the polar regions. These areas formed during the last Ice Age, when a larger portion of Earth's water was bound up in ice sheets on land and when sea levels were low. As the ice sheets melted to again become seawater during the Holocene glacial retreat, coastal permafrost became submerged shelves under relatively warm and salty boundary conditions, compared to surface permafrost. Since then, these conditions led to the gradual and ongoing decline of subsea permafrost extent. Nevertheless, its presence remains an important consideration for the "design, construction, and operation of coastal facilities, structures founded on the seabed, artificial islands, sub-sea pipelines, and wells drilled for exploration and production". Subsea permafrost can also overlay deposits of methane clathrate, which were once speculated to be a major climate tipping point in what was known as a clathrate gun hypothesis, but are now no longer believed to play any role in projected climate change.

Past extent of permafrost

At the Last Glacial Maximum, continuous permafrost covered a much greater area than it does today, covering all of ice-free Europe south to about Szeged (southeastern Hungary) and the Sea of Azov (then dry land) and East Asia south to present-day Changchun and Abashiri. In North America, only an extremely narrow belt of permafrost existed south of the ice sheet at about the latitude of New Jersey through southern Iowa and northern Missouri, but permafrost was more extensive in the drier western regions where it extended to the southern border of Idaho and Oregon. In the Southern Hemisphere, there is some evidence for former permafrost from this period in central Otago and Argentine Patagonia, but was probably discontinuous, and is related to the tundra. Alpine permafrost also occurred in the Drakensberg during glacial maxima above about 3,000 metres (9,840 ft).

Manifestations

Time required for permafrost to reach depth at Prudhoe Bay, Alaska

Time (yr)	Permafrost depth
1	4.44 m (14.6 ft)
350	79.9 m (262 ft)
3,500	219.3 m (719 ft)
35,000	461.4 m (1,514 ft)
100,000	567.8 m (1,863 ft)
225,000	626.5 m (2,055 ft)
775,000	687.7 m (2,256 ft)

Base depth

Permafrost extends to a base depth where geothermal heat from the Earth and the mean annual temperature at the surface achieve an equilibrium temperature of 0 °C (32 °F). This base depth of permafrost can vary wildly – it is less than a meter (3 ft) in the areas where it is shallowest, yet reaches 1,493 m (4,898 ft) in the northern Lena and Yana River basins in Siberia. Calculations indicate that the formation time of permafrost greatly slows past the first several metres. For instance, over half a million years was required to form the deep permafrost underlying Prudhoe Bay, Alaska, a time period extending over several glacial and interglacial cycles of the Pleistocene.

Base depth is affected by the underlying geology, and particularly by thermal conductivity, which is lower for permafrost in soil than in bedrock. Lower conductivity leaves permafrost less affected by the geothermal gradient, which is the rate of increasing temperature with respect to increasing depth in the Earth's interior. It occurs as the Earth's internal thermal energy is generated by radioactive decay of unstable isotopes and flows to the surface by conduction at a rate of ~47 terawatts (TW). Away from tectonic plate boundaries, this is equivalent to an average heat flow of 25–30 °C/km (124–139 °F/mi) near the surface.

Massive ground ice

Labelled example of a massive buried ice deposit in Bylot Island, Canada.

When the ice content of a permafrost exceeds 250 percent (ice to dry soil by mass) it is classified as massive ice. Massive ice bodies can range in composition, in every conceivable gradation from icy mud to pure ice. Massive icy beds have a minimum thickness of at least 2 m and a short diameter of at least 10 m. First recorded North American observations of this phenomenon were by European scientists at Canning River (Alaska) in 1919. Russian literature provides an earlier date of 1735 and 1739 during the Great North Expedition by P. Lassinius and Khariton Laptev, respectively. Russian investigators including I.A. Lopatin, B. Khegbomov, S. Taber and G. Beskow had also formulated the original theories for ice inclusion in freezing soils.

While there are four categories of ice in permafrost – pore ice, ice wedges (also known as vein ice), buried surface ice and intrasedimental (sometimes also called constitutional) ice – only the last two tend to be large enough to qualify as massive ground ice. These two types usually occur separately, but may be found together, like on the coast of Tuktoyaktuk in western Arctic Canada, where the remains of Laurentide Ice Sheet are located.

Buried surface ice may derive from snow, frozen lake or sea ice, aufeis (stranded river ice) and even buried glacial ice from the former Pleistocene ice sheets. The latter hold enormous value for paleoglaciological research, yet even as of 2022, the total extent and volume of such buried ancient ice is unknown. Notable sites with known ancient ice deposits include Yenisei River valley in Siberia, Russia as well as Banks and Bylot Island in Canada's Nunavut and Northwest Territories. Some of the buried ice sheet remnants are known to host thermokarst lakes.

Intrasedimental or constitutional ice has been widely observed and studied across Canada. It forms when subterranean waters freeze in place, and is subdivided into intrusive, injection and segregational ice. The latter is the dominant type, formed after crystallizational differentiation in wet sediments, which occurs when water migrates to the freezing front under the influence of van der Waals forces. This is a slow process, which primarily occurs in silts with salinity less than 20% of seawater: silt sediments with higher salinity and clay sediments instead have water movement prior to ice formation dominated by rheological processes. Consequently, it takes between 1 and 1000 years to form intrasedimental ice in the top 2.5 meters of clay sediments, yet it takes between 10 and 10,000 years for peat sediments and between 1,000 and 1,000,000 years for silt sediments.

Cliff wall of a retrogressive thaw slump located on the southern coast of Herschel Island within an approximately 22-metre (72 ft) by 1,300-metre (4,300 ft) headwall.

Landforms

See also: Patterned ground

Permafrost processes such as thermal contraction generating cracks which eventually become ice wedges and solifluction – gradual movement of soil down the slope as it repeatedly freezes and thaws – often lead to the formation of ground polygons, rings, steps and other forms of patterned ground found in arctic, periglacial and alpine areas. In ice-rich permafrost areas, melting of ground ice initiates thermokarst landforms such as thermokarst lakes, thaw slumps, thermal-erosion gullies, and active layer detachments. Notably, unusually deep permafrost in Arctic moorlands and bogs often attracts meltwater in warmer seasons, which pools and freezes to form ice lenses, and the surrounding ground begins to jut outward at a slope. This can eventually result in the formation of large-scale land forms around this core of permafrost, such as palsas – long (15–150 m (49–492 ft)), wide (10–30 m (33–98 ft)) yet shallow (<1–6 m (3 ft 3 in – 19 ft 8 in) tall) peat mounds – and the even larger pingos, which can be 3–70 m (10–230 ft) high and 30–1,000 m (98–3,281 ft) in diameter.

• 
  A group of palsas, as seen from above, formed by the growth of ice lenses.
• 
  Pingos near Tuktoyaktuk, Northwest Territories, Canada
• 
  Ground polygons
• 
  Stone rings on Spitsbergen
• 
  Helicopter view of ground polygons and ice lenses at Padjelanta National Park, Sweden
• 
  Ice wedges seen from top
• 
  Solifluction on Svalbard
• 
  Contraction crack (ice wedge) polygons on Arctic sediment.

Ecology

A peat plateau complex south of Fort Simpson, Northwest Territories.

Only plants with shallow roots can survive in the presence of permafrost. Black spruce tolerates limited rooting zones, and dominates flora where permafrost is extensive. Likewise, animal species which live in dens and burrows have their habitat constrained by the permafrost, and these constraints also have a secondary impact on interactions between species within the ecosystem.

Cracks forming at the edges of the Storflaket permafrost bog in Sweden.

While permafrost soil is frozen, it is not completely inhospitable to microorganisms, though their numbers can vary widely, typically from 1 to 1000 million per gram of soil. The permafrost carbon cycle (Arctic Carbon Cycle) deals with the transfer of carbon from permafrost soils to terrestrial vegetation and microbes, to the atmosphere, back to vegetation, and finally back to permafrost soils through burial and sedimentation due to cryogenic processes. Some of this carbon is transferred to the ocean and other portions of the globe through the global carbon cycle. The cycle includes the exchange of carbon dioxide and methane between terrestrial components and the atmosphere, as well as the transfer of carbon between land and water as methane, dissolved organic carbon, dissolved inorganic carbon, particulate inorganic carbon and particulate organic carbon.

Most of the bacteria and fungi found in permafrost cannot be cultured in the laboratory, but the identity of the microorganisms can be revealed by DNA-based techniques. For instance, analysis of 16S rRNA genes from late Pleistocene permafrost samples in eastern Siberia's Kolyma Lowland revealed eight phylotypes, which belonged to the phyla Actinomycetota and Pseudomonadota. "Muot-da-Barba-Peider", an alpine permafrost site in eastern Switzerland, was found to host a diverse microbial community in 2016. Prominent bacteria groups included phylum Acidobacteriota, Actinomycetota, AD3, Bacteroidota, Chloroflexota, Gemmatimonadota, OD1, Nitrospirota, Planctomycetota, Pseudomonadota, and Verrucomicrobiota, in addition to eukaryotic fungi like Ascomycota, Basidiomycota, and Zygomycota. In the presently living species, scientists observed a variety of adaptations for sub-zero conditions, including reduced and anaerobic metabolic processes.

Construction on permafrost

There are only two large cities in the world built in areas of continuous permafrost (where the frozen soil forms an unbroken, below-zero sheet) and both are in Russia – Norilsk in Krasnoyarsk Krai and Yakutsk in the Sakha Republic. Building on permafrost is difficult because the heat of the building (or pipeline) can spread to the soil, thawing it. As ice content turns to water, the ground's ability to provide structural support is weakened, until the building is destabilized. For instance, during the construction of the Trans-Siberian Railway, a steam engine factory complex built in 1901 began to crumble within a month of operations for these reasons. Additionally, there is no groundwater available in an area underlain with permafrost. Any substantial settlement or installation needs to make some alternative arrangement to obtain water.

A common solution is placing foundations on wood piles, a technique pioneered by Soviet engineer Mikhail Kim in Norilsk. However, warming-induced change of friction on the piles can still cause movement through creep, even as the soil remains frozen. The Melnikov Permafrost Institute in Yakutsk found that pile foundations should extend down to 15 metres (49 ft) to avoid the risk of buildings sinking. At this depth the temperature does not change with the seasons, remaining at about −5 °C (23 °F).

Two other approaches are building on an extensive gravel pad (usually 1–2 m (3 ft 3 in – 6 ft 7 in) thick); or using anhydrous ammonia heat pipes. The Trans-Alaska Pipeline System uses heat pipes built into vertical supports to prevent the pipeline from sinking and the Qingzang railway in Tibet employs a variety of methods to keep the ground cool, both in areas with frost-susceptible soil. Permafrost may necessitate special enclosures for buried utilities, called "utilidors".

• 
  A building on elevated piles in permafrost zone.
• 
  Heat pipes in vertical supports maintain a frozen bulb around portions of the Trans-Alaska Pipeline that are at risk of thawing.
• 
  Pile foundations in Yakutsk, a city underlain with continuous permafrost.
• 
  District heating pipes run above ground in Yakutsk.

Impacts of climate change

See also: Effects of climate change

Recently thawed Arctic permafrost and coastal erosion on the Beaufort Sea, Arctic Ocean, near Point Lonely, Alaska in 2013.

Increasing active layer thickness

Globally, permafrost warmed by about 0.3 °C (0.54 °F) between 2007 and 2016, with stronger warming observed in the continuous permafrost zone relative to the discontinuous zone. Observed warming was up to 3 °C (5.4 °F) in parts of Northern Alaska (early 1980s to mid-2000s) and up to 2 °C (3.6 °F) in parts of the Russian European North (1970–2020). This warming inevitably causes permafrost to thaw: active layer thickness has increased in the European and Russian Arctic across the 21st century and at high elevation areas in Europe and Asia since the 1990s.

Between 2000 and 2018, the average active layer thickness had increased from ~127 centimetres (4.17 ft) to ~145 centimetres (4.76 ft), at an average annual rate of ~0.65 centimetres (0.26 in).

In Yukon, the zone of continuous permafrost might have moved 100 kilometres (62 mi) poleward since 1899, but accurate records only go back 30 years. The extent of subsea permafrost is decreasing as well; as of 2019, ~97% of permafrost under Arctic ice shelves is becoming warmer and thinner.

Based on high agreement across model projections, fundamental process understanding, and paleoclimate evidence, it is virtually certain that permafrost extent and volume will continue to shrink as the global climate warms, with the extent of the losses determined by the magnitude of warming.

Permafrost thaw is associated with a wide range of issues, and International Permafrost Association (IPA) exists to help address them. It convenes International Permafrost Conferences and maintains Global Terrestrial Network for Permafrost, which undertakes special projects such as preparing databases, maps, bibliographies, and glossaries, and coordinates international field programmes and networks.

Climate change feedback

Main article: Permafrost carbon cycle

Permafrost peatlands (a smaller, carbon-rich subset of permafrost areas) under varying extent of global warming, and the resultant emissions as a fraction of anthropogenic emissions needed to cause that extent of warming.

As recent warming deepens the active layer subject to permafrost thaw, this exposes formerly stored carbon to biogenic processes which facilitate its entrance into the atmosphere as carbon dioxide and methane. Because carbon emissions from permafrost thaw contribute to the same warming which facilitates the thaw, it is a well-known example of a positive climate change feedback. Permafrost thaw is sometimes included as one of the major tipping points in the climate system due to the exhibition of local thresholds and its effective irreversibility. However, while there are self-perpetuating processes that apply on the local or regional scale, it is debated as to whether it meets the strict definition of a global tipping point as in aggregate permafrost thaw is gradual with warming.

In the northern circumpolar region, permafrost contains organic matter equivalent to 1400–1650 billion tons of pure carbon, which was built up over thousands of years. This amount equals almost half of all organic material in all soils, and it is about twice the carbon content of the atmosphere, or around four times larger than the human emissions of carbon between the start of the Industrial Revolution and 2011. Further, most of this carbon (~1,035 billion tons) is stored in what is defined as the near-surface permafrost, no deeper than 3 metres (9.8 ft) below the surface. However, only a fraction of this stored carbon is expected to enter the atmosphere. In general, the volume of permafrost in the upper 3 m of ground is expected to decrease by about 25% per 1 °C (1.8 °F) of global warming, yet even under the RCP8.5 scenario associated with over 4 °C (7.2 °F) of global warming by the end of the 21st century, about 5% to 15% of permafrost carbon is expected to be lost "over decades and centuries".

Точное количество углерода, которое будет выпущено из -за потепления в данной области вечной мерзлоты, зависит от глубины оттаивания, содержания углерода в оттенок почве, физических изменений в окружающей среде, а также микробной и растительной активности в почве. Notably, estimates of carbon release alone do not fully represent the impact of permafrost thaw on climate change. This is because carbon can be released through either aerobic or anaerobic respiration, which results in carbon dioxide (CO₂) or methane (CH₄) emissions, respectively. While methane lasts less than 12 years in the atmosphere, its global warming potential is around 80 times larger than that of CO₂ over a 20-year period and about 28 times larger over a 100-year period. В то время как только небольшая доля карбона вечной мерзлоты войдет в атмосферу в качестве метана, эти выбросы приведут к 40-70% от общего потепления, вызванного вечной мерзлотой в течение 21-го века. Большая часть неопределенности относительно возможной степени выбросов метана вечной мерзлоты вызвана сложностью учета недавно обнаруженных резких процессов оттаивания, которые часто увеличивают фракцию метана, излучаемого по поводу диоксида углерода по сравнению с обычными постепенными процессами оттаивания.

Вечная мерзлота оттаивает пруды на торфяне в Гудзон -заливе , Канада, в 2008 году.

Другим фактором, который усложняет проекции выбросов углерода вечной мерзлоты, является продолжающаяся «озеленение» Арктики. Поскольку изменение климата согревает воздух и почву, регион становится более гостеприимным для растений, включая более крупные кустарники и деревья, которые не могли выжить там раньше. Таким образом, Арктика теряет все больше и больше своих биомов тундры , однако она получает больше растений, которые приходят для поглощения большего количества углерода. Некоторые из выбросов, вызванных вечной мерзлотой, будут компенсированы этим повышенным ростом растений, но точная доля является неопределенной. Считается очень маловероятным, что это озеленение может компенсировать все выбросы от оттаивания вечной мерзлоты в течение 21 -го века, и что еще менее вероятно, что оно может продолжать идти в ногу с этими выбросами после 21 -го века. Кроме того, изменение климата также увеличивает риск лесных пожаров в Арктике, что может существенно ускорить выбросы углерода для вечной мерзлоты.

Влияние на глобальные температуры

Девять вероятных сценариев выбросов парниковых газов из вечной мерзлоты в течение 21 -го века, которые показывают ограниченную, умеренную и интенсивную CO ₂ и CH ₄ Ответ эмиссии на пути с низким, средним и высокоэмиссионным репрезентативным концентрацией . Вертикальная планка использует выбросы выбранных крупных стран в качестве сравнения: правая сторона шкалы показывает их кумулятивные выбросы с момента начала промышленной революции , в то время как левая сторона показывает кумулятивные выбросы каждой страны для остальной части 21-го век, если они остались неизменными с уровня 2019 года.

В целом, ожидается, что кумулятивные выбросы парниковых газов из вечной мерзлоты будут меньше, чем кумулятивные антропогенные выбросы, но все же существенные в глобальном масштабе, причем некоторые эксперты сравнивают их с выбросами, вызванными дефоролесностью . оценивается Шестой отчет об оценке МГЭИК , что углекислый газ и метатан, выпущенные из вечной мерзлоты, могут составить эквивалент 14–175 миллиардов тонн углекислого газа на 1 ° C (1,8 ° F) потепления. Для сравнения, к 2019 году ежегодные антропогенные выбросы только углекислого газа составляли около 40 миллиардов тонн. Основной обзор, опубликованный в 2022 году, пришел к выводу, что, если была реализована цель предотвращения 2 ° C (3,6 ° F) потепления, то среднегодовые выбросы вечной мерзлоты в течение 21 -го века будут эквивалентны годовым выбросам России 2019 года. Под RCP4,5, сценарий, который рассматривается близко к текущей траектории, и когда потепление остается немного ниже 3 ° C (5,4 ° F), ежегодные выбросы вечной мерзлоты будут сопоставимы с выбросами 2019 года в Западной Европе или Соединенных Штатах, в то время как под Сценарий высокого глобального потепления и ответа на обратную связь с вечной мерзлотой, они будут подходить к выбросам Китая в 2019 году.

Меньшее количество исследований пыталось описать влияние непосредственно с точки зрения потепления. В статье в 2018 году, если глобальное потепление было ограничено 2 ° C (3,6 ° F), постепенное оттаивание вечной мерзлоты добавило бы около 0,09 ° C (0,16 ° F) к глобальным температурам к 2100 году, к 2100 году. В то время как обзор 2022 года пришел к выводу, что каждые 1 ° C (1,8 ° F) глобального потепления будут вызывать 0,04 ° C (0,072 ° F) и 0,11 ° C (0,20 ° F) от резкой оттаивания к 2100 и 2300. Около 4 ° C (7,2 ° F) глобального потепления, резкого (около 50 лет) и широко распространенный коллапс областей вечной мерзлоты, что приводит к дополнительному потеплению 0,2–0,4 ° C (0,36–0,72 ° F).

Индуцированная оттаиваемая нестабильность земли

Тяжелая эрозия прибрежных районов на Арктическом океанском побережье Аляски .

По мере того, как вода истощает или испаряется, структура почвы ослабевает и иногда становится вязкой, пока не восстановит силу с уменьшением содержания влаги. Одним из видимых признаков деградации вечной мерзлоты является случайное смещение деревьев из их вертикальной ориентации в областях вечной мерзлоты. Глобальное потепление увеличивает нарушения наклона вечной мерзлоты и поставки осадок для речных систем, что приводит к исключительному увеличению речных осадков. С другой стороны, нарушение ранее жесткой почвы увеличивает дренаж водохранилищ на северных водно -болотных угодьях . Это может высушить их и поставить под угрозу выживание растений и животных, используемых в экосистеме водно -болотных угодий.

В высоких горах большая часть структурной стабильности может быть связана с ледниками и вечной мерзлотой. По мере того, как климат нагревается, оттаивание вечной мерзлоты, снижение устойчивости склона и увеличение стресса за счет накопления давления в пор , что в конечном итоге может привести к разрушению склона и ракат . За прошедшее столетие было зарегистрировано все большее количество событий сбоя в альпийских скалах в горных хребтах по всему миру, а некоторые были связаны с оттаиванием вечной мерзлоты, вызванной изменением климата. 1987 года Оползкий оползень Val Pola , в результате которого погибли 22 человека в итальянских Альпах, считается одним из таких примеров. В 2002 году массивные рок и ледяные водопады (до 11,8 миллионам ³ ), землетрясения (до 3,9 Рихтера ), наводнения (до 7,8 миллионов М ³ Вода), и быстрый поток скал на большие расстояния (до 7,5 км при 60 м/с) были отнесены к нестабильности наклона в вечной мерзлоте с высокой горой.

Оттаивание вечной мерзлоты на острове Гершель , Канада, 2013.

Оттаивание вечной мерзлоты также может привести к формированию замороженных лопат мусора (FDL), которые определяются как «медленные оползни, состоящие из почвы, пород, деревьев и льда». Это заметная проблема в Аляски диапазоне южных ручьев , где некоторые FDL измеряли более 100 м (110 ярдов) по ширине, 20 м (22 ярда) высоты и 1000 м (1100 ярдов) к 2012 году. По состоянию на декабрь 2021 года в хребте Южного Брукса было выявлено 43 замороженных доли мусора, где они могли бы потенциально угрожать как коридору Транс -Аляски (TAPS), так и шоссе Далтона , которое является основным транспортным звеном между внутренней Аляской и Аляска Северный склон .

Инфраструктура

Карта вероятного риска к инфраструктуре из вечной мерзлоты, как ожидается, произойдет к 2050 году.

По состоянию на 2021 год существует 1162 поселения, расположенные непосредственно на арктической вечной мерзлоте, в которых приходится 5 миллионов человек. К 2050 году, как ожидается, оттаивает уровень вечной мерзлоты ниже 42% этих поселений, затрагивая всех их жителей (в настоящее время 3,3 миллиона человек). Следовательно, широкий спектр инфраструктуры в районах вечной мерзлоты угрожает оттепель. К 2050 году, по оценкам, почти 70% глобальной инфраструктуры, расположенной в районах вечной меры, будут подвергаться высоким риску оттаивания вечной мерзлоты, включая 30–50% «критической» инфраструктуры. Связанные затраты могут достигать десятков миллиардов долларов ко второй половине века. Сокращение выбросов парниковых газов в соответствии с Парижским соглашением , по прогнозам, стабилизирует риск после середины века; В противном случае, это продолжит ухудшаться.

Только на Аляске ущерб инфраструктуре к концу столетия составит 4,6 млрд. Долл. США (на долларовую стоимость 2015 года), если был реализован RCP8.5 с высоким уровнем выбросов , сценарий изменения климата . Более половины вытекают из ущерба зданиям (2,8 миллиарда долларов), но есть также ущерб дорогам (700 миллионов долларов), железных дороги (620 миллионов долларов), аэропорты (360 миллионов долларов) и трубопроводы (170 миллионов долларов). Аналогичные оценки были сделаны для RCP4.5, менее интенсивный сценарий, который приводит к примерно 2,5 ° C (4,5 ° F) к 2100 году, уровень потепления, аналогичный текущим прогнозам. В этом случае общий ущерб от оттаивания вечной мерзлоты сокращается до 3 миллиардов долларов, в то время как убытки на дороги и железные дороги уменьшаются примерно на две трети (с 700 до 620 миллионов долларов США до 190 долл. Складка, от 170 до 16 миллионов долларов. В отличие от других затрат, связанных с изменением климата на Аляске, таких как ущерб от увеличения осадков и наводнения, адаптация к изменению климата не является жизнеспособным способом уменьшить ущерб от оттаивания вечной мерзлоты, так как это будет стоить дороже, чем ущерб, нанесенный под любым сценарием.

В Канаде на северо -западных территориях население всего 45 000 человек в 33 общинах, однако, как ожидается, оттаивание вечной мерзлоты будет стоить им 1,3 миллиарда долларов за 75 лет или около 51 миллиона долларов в год. В 2006 году стоимость адаптации домов инувиалиутов к вечной мерзлотой была оценена в 208 долл. США/м. ² Если они были построены на фондах свай и 1000 долларов США/м ² Если они этого не сделали. В то время средняя площадь жилого здания на территории была около 100 м. ² Полем Ущерб, вызванный оттаиванием, также вряд ли будет покрыт страхованием жилья , и для решения этой реальности территориальное правительство в настоящее время финансирует помощь в ремонте и усовершенствованиях (уход) и обеспечивая помощь в чрезвычайных ситуациях (безопасных), которые обеспечивают долговременные и короткие Термин прощается, чтобы помочь домовладельцам адаптироваться. Вполне возможно, что в будущем обязательное перемещение вместо этого будет иметь место в качестве более дешевого варианта. Тем не менее, это эффективно отрывает местные инуиты от их наследственных родинов. Прямо сейчас их средний личный доход составляет только вдвое меньше среднего жителя NWT, что означает, что затраты на адаптацию уже непропорциональны им.

К 2022 году до 80% зданий в некоторых городах северной России уже нанесло ущерб. К 2050 году ущерб жилой инфраструктуре может достигать 15 миллиардов долларов, в то время как общий ущерб общественной инфраструктуре может составить 132 миллиарда. Это включает в себя нефтегазовые средства, из которых 45% считаются риску.

Подробная карта инфраструктуры плато Цинхай-Тибета, подвергающаяся риску, от оттаивания вечной мерзлоты в рамках сценария SSP2-4.5.

За пределами Арктики плато Цинхай -Тибета (иногда известное как «Третий полюс»), также имеет обширную область вечной мерзлоты. Он нагревается в два раза превышает средний показатель, а 40% его уже считается «теплой» вечной мерзлотой, что делает ее особенно нестабильной. Плато Цинхай -Тибета насчитывает более 10 миллионов человек - удваивает население вечной мерзлоты в Арктике - и более 1 миллиона М ² зданий расположены в области вечной мерзлоты, а также 2631 км линий электропередачи и 580 км железных дорог. Существует также 9 389 км дорог, а около 30% уже получают ущерб от оттаивания вечной мерзлоты. Оценки показывают, что в соответствии с сценарием, наиболее аналогичным сегодня, SSP2-4.5 , около 60% текущей инфраструктуры будет подвергаться высоким риску к 2090 году, а просто поддержание ее будет стоить 6,31 миллиарда долларов, а адаптация снизила эти затраты на 20,9% больше всего. Проведение глобального потепления до 2 ° C (3,6 ° F) снизит эти затраты до 5,65 млрд. Долл. США, и выполнить оптимистичную цель Парижского соглашения 1,5 ° C (2,7 ° F) сэкономит еще 1,32 млрд. Долл. США. В частности, менее 20% железных дорог будут подвергаться высокому риску к 2100 году при 1,5 ° C (2,7 ° F), однако это увеличивается до 60% при 2 ° C (3,6 ° F), в то время как под SSP5-8,5, этот уровень этого уровня риска встречается к середине века.

Высвобождение токсичных загрязнителей

Графическое представление утечек от различных токсичных опасностей, вызванных оттепелью ранее стабильной вечной мерзлоты.

В течение большей части 20 -го века считалось, что вечной мерзлота «бесконечно» сохранит все, что там зарядилось, и это сделало глубокие районы вечной мерзлоты популярными местами для утилизации опасных отходов. В таких местах, как канадское нефтяное месторождение Prudhoe Bay , были разработаны процедуры, документирующие «соответствующий» способ внедрения отходов под вечной мерзлотой. Это означает, что по состоянию на 2023 год в районах Арктической вечной мерзлоты насчитывается ~ 4500 промышленных объектов, которые либо активно обрабатывают, либо хранят опасные химические вещества. Кроме того, существует от 13 000 до 20 000 участков, которые были сильно загрязнены, 70% из них в России, и их загрязнение в настоящее время оказано в ловушке для вечной мерзлоты.

Ожидается, что около пятого из промышленных и загрязненных участков (1000 и 2200–4800) начнет оттаивание в будущем, даже если потепление не увеличится с уровней 2020 года. Только примерно на 3% больше участков начнут оттаиваться в период между настоящим до 2050 годами в соответствии с сценарием изменения климата в соответствии с целями Парижского соглашения , RCP2,6 , но к 2100 году, как ожидается, примерно на 1100 промышленных объектов и от 3500 до 5200 загрязненных участков начнут оттаивать даже оттаивание. затем. В соответствии с очень высоким сценарием выбросов RCP8,5, 46% промышленных и загрязненных участков начнут к оттаиванию к 2050 году, и практически все они будут затронуты оттаиванием к 2100 году.

Органохлорины и другие постоянные органические загрязняющие вещества вызывают особую озабоченность из-за их потенциала для неоднократного достижения местных сообществ после переиздания путем биомагнификации в рыбе. В худшем случае будущие поколения, родившиеся в Арктике, попадут в жизнь с ослабленной иммунной системой из -за загрязняющих веществ, накапливающихся в поколении.

Распределение токсичных веществ, в настоящее время расположенных на различных вечной мерзлота -сайтах на Аляске, по сектору. Количество рыбных скелетов представляет токсичность каждого вещества.

Примечательным примером рисков загрязнения, связанного с вечной мерзлотой, был разлив нефти в Норильске 2020 года , вызванный коллапсом резервуара для хранения топлива дизельного топлива Norilsk-Taimyr Energy на термической электростанции № 3. Он пролил 6000 тонн топлива и 15 000 на Вода, загрязняющие Амбарнайю , Далдейкан и многие меньшие реки на полуострове Таймир , даже достигая озера Пьясино , который является важным источником воды в этом районе. Чрезвычайное положение на федеральном уровне было объявлено. Мероприятие было описано как второй по величине разлив нефти в современной российской истории.

Еще одна проблема, связанная с оттаиванием вечной мерзлоты, - это освобождение природных ртутных месторождений. По оценкам, 800 000 тонн ртути заморожены в вечной мерзлотой. Согласно наблюдениям, около 70% этого просто поглощаются растительностью после оттаивания. Однако, если потепление продолжится в соответствии с RCP8.5, то выбросы вечной мерзлоты ртути в атмосферу будут соответствовать нынешним глобальным выбросам от всей деятельности человека на 2200. Богатые ртутные почвы также представляют гораздо большую угрозу для людей и окружающей среды, если они оттаивают. Рядом с реками. В соответствии с RCP8.5 достаточно ртути выйдет в бассейн реки Юкон к 2050 году, чтобы сделать свою рыбу небезопасной, чтобы поесть в соответствии с руководящими принципами EPA . К 2100 году концентрации ртути в реке удвоятся. В отличие от этого, даже если смягчение смягчения ограничено сценарием RCP4,5, уровни ртути увеличатся примерно на 14% к 2100 году и не нарушат руководящие принципы EPA даже на 2300.

Возрождение древних организмов

Микроорганизмы

Основная статья: патогенные микроорганизмы в замороженных средах

Некоторые из древних вирусов, питающихся амебы, возрожденные исследовательской группой Жан-Мишель Клавери. По часовой стрелке сверху: pandoravirus yedoma ; Пандоравирус Мамонт и Мегавирус Мамонт ; Седратвирус Лена ; Питовирус Мамонт ; Мегавирус мамонт ; Pacmanvirus волчанка .

Бактерии известны тем, что способны оставаться бездействующими, чтобы выжить в неблагоприятных условиях, а вирусы не являются метаболически активными вне клеток -хозяев, в первую очередь. Это мотивировало опасения, что оттаивание вечной мерзлоты может освободить ранее неизвестные микроорганизмы, которые могут быть способны заразить либо людей, либо важные скот и сельскохозяйственные культуры , что может привести к повреждению эпидемий или пандемиков . Кроме того, некоторые ученые утверждают, что горизонтальный перенос генов может возникнуть между старшими, ранее замороженными бактериями и современными, и одним из результатов может быть введение новых генов устойчивости к антибиотикам в геном современных патогенов, усугубляя то, что уже ожидается сложная проблема в будущем.

В то же время заметные патогенные микроорганизмы, такие как грипп и оспа, кажутся неспособными выжить, будучи оттаиваемыми, И другие ученые утверждают, что риск того, что древние микроорганизмы способны выжить в оттаивание и угрожать людям, не является научно правдоподобным. Аналогичным образом, некоторые исследования показывают, что возможности устойчивости к антимикробным препаратам древних бактерий будут сопоставимы или даже уступают современным.

Растения

В 2012 году российские исследователи доказали, что вечной мерзлота может служить естественным хранилищем для древних форм жизни, возродив образец Silene Stenophylla из 30 000-летней ткани, обнаруженной в ледникового периода белке в сибирской пермафроте. Это самая старая растительная ткань, когда -либо возрожденная. Результирующее растение было плодородным, производя белые цветы и жизнеспособные семена. Исследование показало, что живая ткань может пережить сохранение льда в течение десятков тысяч лет.

История научных исследований

С середины 19 -го века до середины 20 -го века большая часть литературы по базовой науке вечной мерзлоты и инженерных аспектам вечной мерзлоты была написана на русском языке. Один из самых ранних письменных сообщений, описывающих существование вечной мерзлоты, датируемые 1684 году , когда скважины усилия по раскопкам в Якутске были озадачены его присутствием. Значительная роль в первоначальном исследовании вечной мерзглоты сыграла Александр фон Миддендорфом (1815–1894) и Карл Эрнст фон Баер , немецкий ученый из Балтийского университета в Университете Кенигсберга , и член Академии наук Сент -Петерсбург . Баер начал публиковать работы по вечной мерзлоте в 1838 году и часто считается «основателем научных исследований вечной мерзлоты». Baer заложил основу для современной вечной терминологии, составляя и анализируя все доступные данные о наземном льду и вечной мерзлоте.

Южный предел вечной мерзлоты в Евразии по словам Карла Эрнста фон Баера (1843) и других авторов.

Также известно, что Baer составила первый в мире учебник для вечной мерзлоты в 1843 году «Материалы для изучения многолетнего земли», написанных на его родном языке. Тем не менее, это не было напечатано тогда, и российский перевод не был готов до 1942 года. Первоначальный немецкий учебник считался потерянным до тех пор, пока был обнаружен типография в библиотечном архиве Гессен с 1843 года . 234-страничный текст был доступен в Интернете с дополнительными картами, предисловием и комментариями. Примечательно, что южный предел вечной мерзлоты Бара в Евразии, нарисованный в 1843 году, хорошо соответствует фактическому южному пределу, подтвержденному современными исследованиями.

Начиная с 1942 года, Сион Уильям Мюллер углубился в соответствующую российскую литературу, принадлежащую Библиотеке Конгресса и Библиотекой геологической службы США , чтобы он смог предоставить правительству руководство по инженерному поле и технический отчет о вечной мерзлоте к 1943 году. Этот отчет придумал английский термин как сокращение постоянно замороженной земли, в том, что считалось прямым переводом русского термина, Vechnaia merzlota (русский: veчnan merзlota ). В 1953 году этот перевод подвергся критике со стороны другого исследователя USGS Inna Poiré, поскольку, по ее мнению, этот термин создал нереалистичные ожидания относительно ее стабильности: Совсем недавно некоторые исследователи утверждают, что «постоянное возмещение» будет более подходящим переводом. Сам отчет был классифицирован (как армия США. Офис начальника инженеров, стратегическое инженерное исследование , № 62, 1943), До тех пор, пока в 1947 году не была выпущена пересмотренная версия, которая рассматривается как первый североамериканский трактат по этому вопросу.

Ежегодное количество научных исследований, опубликованных по предмету вечной мерзлоты, выросло с почти ничего примерно до 400 к 2020 году.

В период с 11 по 15 ноября 1963 года первая международная конференция по вечной мерзлоте состоялась на территории Университета Пердью в американском городе Западный Лафайет, штат Индиана . В нем участвовали 285 участников (в том числе «инженеры, производители и строители», которые посещали вместе с исследователями) из ряда стран ( Аргентина , Австрия , Канада, Германия, Великобритания, Япония, Норвегия , Польша , Швеция, Швейцария, США и СССР ). Это ознаменовало начало современного научного сотрудничества по этому вопросу. Конференции продолжают проходить каждые пять лет. Во время четвертой конференции в 1983 году специальная встреча между странами участников «Большой четверки» (США, СССР, Китай и Канада) официально создала Международную ассоциацию вечной мерзлоты .

В последние десятилетия исследования вечной мерзлоты привлекли больше внимания, чем когда -либо из -за ее роли в изменении климата . произошло массовое ускорение Следовательно, в опубликованной научной литературе . Примерно в 1990 году почти не было выпущено документов, в которых были слова «вечная мерзлота» и «Углерод»: к 2020 году около 400 таких работ были опубликованы каждый год.

Ссылки

Источники

• IPCC AR5 WG1 (2013), Stocker, TF; и др. (Ред.), Изменение климата 2013: Наука по физической науке. Рабочая группа 1 (WG1) вклад в межправительственную группу по изменению климата (IPCC) 5 -й отчет об оценке (AR5) , издательство Кембриджского университета {{citation}}: CS1 Maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) . Изменение климата 2013 Рабочая группа 1 веб -сайт.
• МГЭИК (2021). Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pirani, A.; Коннорс, SL; и др. (ред.). Изменение климата 2021: Основа физической науки (PDF) . Вклад рабочей группы I в шестой отчет об оценке межправительственной группы по изменению климата. Издательство Кембриджского университета (в прессе).

Внешние ссылки

• Международная ассоциация вечной мерзлоты (IPA)
• Карта вечной мерзлоты в Антарктиде.
• Вечная мерзлота - что это? - Институт Альфреда Вегенере на YouTube видео