Сонный гигант Арктики зашевелился

Когда растает вечная мерзлота? В какой форме она отдаст свой углерод небу? Арктика очень важна для понимания глобального климата. Это аналог канарейки в угольной шахте для всей Земли. Погоды меняются в Арктике быстрее, чем успевают адаптироваться экосистемы.

Для детального изучения того, что творится за полярным кругом, НАСА учредило пятилетний проект CARVE (Carbon in Arctic Reservoirs Vulnerability Experiment), цель которого — измерение выхода углекислого газа и метана из вечной мерзлоты с помощью специального ЛА C-23 Sherpa.

Вечная мерзлота (многолетнемёрзлая почва) покрывает почти всю сухопутную часть Арктики. Летом верхний слой тает: в самой холодной тундре на 10 см в глубину, а в южных областях тайги — на несколько метров. Холода затрудняют разложение мёртвых растений и животных, поэтому с каждым годом под верхним слоем почвы запасается всё больше органического углерода.

За сотни тысяч лет в вечной мерзлоте накопилось примерно 1400–1850 Пг. Это около половины органического углерода, находящегося в земных почвах. (Для сравнения: с 1850 года в результате сжигания ископаемого топлива и прочей человеческой деятельности было произведено около 350 Пг углерода.) Основная часть этого углерода находится в пределах трёх метров от поверхности, то есть в уязвимой зоне.

При этом вечная мерзлота нагревается быстрее воздуха: за 30 лет температура почвы в Арктике выросла на 1,5–2,5 °C. Если резервуары органического углерода разгерметизируются, он поступит в атмосферу в виде углекислого газа и метана — парниковых газов, которые значительно усугубят глобальное потепление, что может привести к быстрым изменениям экосистем по всей Земле.

Ситуация осложняется тем, что деградация вечной мерзлоты по-разному скажется на региональном и глобальном климате. И современные климатические модели не способны адекватно предсказать последствия. Поэтому и появился проект CARVE.

Ему уже третий год. Это часть программы НАСА Earth Venture. В основе проекта гипотеза о том, что арктические резервуары углерода уязвимы к потеплению. Его результат — первые прямые измерения и подробные региональные карты источников углекислого газа и метана Арктики, а также демонстрации новых методов дистанционного зондирования и моделирования. В CARVE участвуют около двух десятков учёных из 12 организаций.

В 2011 году были только пробные полёты, а настоящая наука началась в 2012-м. На 2013 год запланированы семь кампаний, и две из них уже завершены.

Каждая двухнедельная кампания предполагает пролёт над Северным склоном Аляски, её внутренними частями и долиной реки Юкон с измерением сезонных колебаний углеродного цикла: таяние весной в апреле и мае, пик вегетации в июне и июле, начало повторного замерзания и первый снег в сентябре и октябре. Военно-транспортный самолёт C-23 проводит в воздухе по восемь часов в день.

Машина не претендует на участие в конкурсе красоты. «Грузовик с плохой пластикой носа», — вот как называют его пилоты. Внутри ужасно шумно — приходится надевать наушники.

Но большего и не требуется. C-23 держится в основном на высоте около 150 м, а если и забирается выше, то лишь для сбора фоновых данных. Для получения сведений о газообмене между поверхностью планеты и атмосферой этого достаточно. Большинство аналогичных аппаратов летают выше, и это плохо.

Самолёт напичкан сложным оборудованием: очень чувствительные спектрометры анализируют солнечный свет, отражённый от земли, и таким образом измеряют содержание в атмосфере углекислого газа, метана и окиси углерода. Аналогичный прибор будет отправлен в космос со спутником ОСО-2 (Orbiting Carbon Observatory-2) в 2014 году. Другие инструменты анализируют пробы воздуха на предмет тех же веществ. Собираются также навигационные данные и информация о погоде. Всё это поступает в распоряжение учёных в течение 12 часов, а воздух отправляется для дополнительной проверки в лабораторию стабильных изотопов и радиоуглеродную лабораторию Института исследований Арктики и Альп Колорадского университета.

Для калибровки инструментария используются данные, получаемые на земле: анализ проб воздуха, измерения температуры и влажности. Очень важно в точности описать состояние поверхности суши, ибо существует очень сильная корреляция между характеристиками почвы и высвобождением углекислого газа и метана. Исторически сложилось так, что холодная и влажная почва арктических экосистем сохранила больше углерода, чем выпустила. Если климат Арктики станет тёплым и сухим, то углерод будет выходить в основном в виде углекислого газа. Если же тёплым и влажным — жди метана.

Разница коренная. Метан в 22 раза мощнее углекислого газа как парниковый газ в 100-летней перспективе и в 105 раз мощнее — в 20-летней. Если хотя бы 1% углерода, содержащегося в вечной мерзлоте, в течение короткого времени будет выпущен в виде метана, он окажет на природу такое же влияние, как остальные 99%, отправленные в воздух в форме углекислого газа. Оценка соотношения двух газов — одна из основных задач CARVE.

Есть и другие корреляции между характеристиками арктической почвы и высвобождением двуокиси углерода и метана. Колебания продолжительности периодов весеннего таяния и летней вегетации серьёзно влияют на продуктивность растительности и определяют, сколько углерода будет накоплено и сколько выпущено.

Изучается также воздействие лесных пожаров на углеродный цикл Арктики. Пожары в бореальных лесах и тундре ускоряют таяние вечной мерзлоты и высвобождение углерода. С 1942 года среднегодовое количество пожаров на Аляске увеличилось, и пожары, выжигающие пятна площадью более 40 тыс. га, происходят чаще. В результате ещё больше углерода оказывается в атмосфере.

Анализ предварительных данных, полученных за первый год исследований, опроверг некоторые прогнозы моделей. Например, весной и летом из внутренних регионов Аляски и с Северного склона выбрасывается больше углекислого газа и метана, чем предполагалось. В июле 2012 года уровень метана над болотами Инноко превышал фон на 650 частей на миллиард, как будто это не пустоши, а большой город.

В конечном счёте CARVE должен ответить на вопрос, действительно ли таяние вечной мерзлоты необратимо, и планета вот-вот пройдёт переломный момент. Некоторые учёные полагают, что эта точка уже позади, но хорошо бы получить надёжные результаты измерений.

Подготовлено по материалам Лаборатории реактивного движения НАСА.