Физики выяснили, при какой температуре вечная мерзлота начнет массово высвобождать парниковые газы: критический порог в -5°C

Вечная мерзлота занимает около 25 процентов территории Северного полушария Земли. Под поверхностью грунта на глубине сотен метров скрыто очень большое количество углерода — по оценкам исследователей, около 1700 гигатонн. Это примерно в три раза больше того объема, который сейчас находится во всей земной атмосфере. Долгое время этот углерод находился в стабильном состоянии, однако рост средних температур в Арктике, происходящий в четыре раза быстрее, чем в остальном мире, запустил процесс сильного изменения структуры северных почв.

Суть проблемы заключается в механизме углеродной обратной связи. В замерзшем грунте содержится огромное количество органических веществ, преимущественно древних растительных остатков. При повышении температуры лед тает, и микроорганизмы начинают перерабатывать эту органику. В результате их жизнедеятельности в почве образуются парниковые газы: углекислый газ и метан. Выходя на поверхность и попадая в атмосферу, они усиливают парниковый эффект, что ведет к дальнейшему росту температур и еще более интенсивному таянию мерзлоты.

Долгое время сам замерзший грунт выступал естественным физическим барьером. Лед полностью заполнял пустоты между частицами песка и глины, сводя газопроницаемость почвы практически к нулю. Газ накапливался под землей, но не мог выйти наружу. Однако процесс разрушения этого барьера оставался плохо изученным. Климатологи и геологи не знали точных температурных значений, при которых почва начинает пропускать накопившиеся газы, и не понимали динамику этого процесса.

Группа исследователей из Университета Лидса провела эксперимент, результаты которого опубликованы в издании Earth's Future. Ученые впервые в непрерывном режиме измерили, как меняется способность мерзлоты пропускать газ при постепенном нагревании и последующем охлаждении.

Сложности изучения полярных почв

Главная проблема при изучении вечной мерзлоты заключается в невозможности провести точные измерения на реальных образцах. Естественный грунт очень неоднороден. Кроме того, извлечение керна с большой глубины и его транспортировка в лабораторию неизбежно приводят к микроскопическим повреждениям и частичному оттаиванию, что искажает первоначальную физическую структуру породы.

Чтобы получить достоверные данные, физикам пришлось создать синтетическую мерзлоту в лабораторных условиях. Для этого они использовали кварцевый песок определенной фракции, предварительно вымоченный торф и лед, полученный из дождевой воды. Компоненты смешивались в пропорциях, характерных для сибирской едомы — особого типа богатой льдом и органикой вечной мерзлоты, которая сформировалась еще в эпоху плейстоцена.

Полученные образцы помещались в специальную установку, способную с высокой точностью контролировать температуру, измерять объем свободного газа в пустотах и фиксировать проницаемость грунта. Чтобы имитировать естественные условия залегания породы на глубине около 30 метров, на образец подавалось давление в 0,35 мегапаскаля. В качестве тестового газа, который должен был проходить сквозь почву, использовался увлажненный гелий.

В ходе эксперимента установку медленно нагревали от -18°C до +5°C, делая замеры на каждом градусе. Затем процесс обращали вспять, постепенно замораживая грунт до исходных значений.

Нелинейная динамика газопроницаемости

Главным открытием исследования стало доказательство того, что мерзлота теряет свои изолирующие свойства не постепенно, а скачкообразно. Климатические модели прошлого часто предполагали линейную зависимость: чем выше температура, тем больше оттаивает грунт и тем больше газа он пропускает. Физические измерения показали принципиально иную картину.

В диапазоне от -18°C до -5°C проницаемость грунта остается минимальной и практически не меняется. Ледяная структура внутри образца сохраняет полную стабильность, несмотря на общий рост температуры. Газ через такую породу пройти не может.

Однако как только температура преодолевает отметку -5°C, физика процесса кардинально меняется. В диапазоне от -5°C до -1°C газопроницаемость синтетической мерзлоты увеличивается на два порядка — то есть возрастает от 25 до 100 раз в зависимости от изначального уровня влажности образца.

Этот резкий скачок объясняется микроструктурными изменениями. При приближении к нулю градусов лед начинает таять неравномерно. В первую очередь он переходит в жидкое состояние на границах соприкосновения с твердыми частицами породы — песчинками и волокнами торфа. Образуются микроскопические свободные пространства. По мере дальнейшего повышения температуры эти локальные пустоты быстро соединяются друг с другом, формируя сквозные каналы. Грунт перестает быть монолитным и начинает беспрепятственно пропускать газ под давлением к поверхности.

Асимметрия фазовых переходов

Не менее важным результатом эксперимента стало обнаружение несовпадения графиков изменения проницаемости при таянии и при заморозке. В физике это явление называется гистерезисом. Выяснилось, что при охлаждении уже оттаявшего грунта его газопроницаемость падает при иных температурных значениях, чем росла при нагревании.

Анализ данных показал, что таяние и замерзание почвы происходят по разным механизмам. При повышении температуры таяние льда начинается глобально, по всей площади соприкосновения воды и твердых частиц внутри породы. Но при обратном процессе — понижении температуры — вода замерзает локально. В первую очередь лед формируется в наиболее узких участках, соединяющих крупные пустоты внутри грунта.

Замерзание этих узких перешейков приводит к тому, что каналы выхода газа полностью перекрываются, хотя в более крупных порах вода все еще может оставаться в жидком состоянии. Из-за этого проницаемость почвы при охлаждении падает быстрее и при более высоких температурах, чем того можно было бы ожидать, глядя на график оттаивания.

Кроме того, математическая обработка результатов выявила еще одно долгосрочное последствие. После того как грунт проходит полный цикл оттаивания и последующей заморозки, его внутренняя геометрия меняется. Возникающие при таянии газовые пути становятся менее извилистыми. Это означает, что при каждом следующем цикле сезонного потепления породе будет физически проще пропускать метан и углекислый газ, так как структура грунта уже перестроилась.

Значение для прогнозирования климата

Полученные физиками из Лидса данные требуют пересмотра существующих методов климатического моделирования. До сих пор считалось, что постепенное потепление климата приведет к медленному утолщению активного слоя мерзлоты (верхнего слоя, который оттаивает каждое лето) и такому же медленному увеличению выбросов углерода.

Эксперимент доказывает, что выделение парниковых газов будет происходить резко, как только обширные участки арктических почв достигнут физического температурного порога в -5°C. Разрушение изолирующих свойств льда при этой температуре носит лавинообразный характер.

Понимание точной механики того, как замерзшая вода блокирует или пропускает газ внутри грунта, позволит ученым намного точнее рассчитать реальные объемы метана и углекислого газа, которые попадут в атмосферу в ближайшие десятилетия. Эти данные необходимы для оценки реальной скорости глобального потепления и подготовки к изменениям среды, которые неизбежно последуют за масштабным оттаиванием северных территорий.

Источник: Earth's Future