Горячие точки вечной мерзлоты
Выброс парниковых газов в атмосферу Земли — одна из главных экологических проблем. Но чтобы понимать масштабы этих выбросов и в будущем, вероятно, контролировать их, ученым нужно знать, сколько углерода потенциально может высвободиться.
Этим занялись биогеохимики Томского госуниверситета из лаборатории «БиоГеоКлим». В новом проекте они изучают экосистемы термокарстовых озер мерзлотных широт Западной Сибири. Полученные данные помогут понять, каким образом северные экосистемы будут реагировать на изменения климата.
Мерзлотный термокарст
Западно-Сибирская низменность — уникальная территория. Это крупнейший в мире торфяник с вечной мерзлотой. Вследствие природных пожаров и продолжающегося изменения климата тепло проникает в мерзлые толщи и подтапливает их. С течением времени мерзлая почва проседает, и на ее поверхности скапливается вода. Формируются термокарстовые озера, которые размывают мерзлый торф и уже своей температурой растапливают лед под собой. Такие озера менее стабильны, чем обычные: в жаркие месяцы вода может полностью испариться и набраться снова благодаря дождям, а может найти проток и уйти в другое озеро.
«Мерзлая толща по берегам со временем разрушается и обваливается в озеро. Там ее начинают перерабатывать микроорганизмы. Метаногены в процессе своей жизнедеятельности образуют метан. А есть метанотрофы — они используют метан в качестве источника энергии, а выделяют углекислый газ. И то и другое — это парниковые газы, которые опасны для экологического равновесия. Если мы хотим изучать способность озер к эмиссии парниковых газов, в первую очередь мы должны понять, сколько углерода вообще находится в озере и донных отложениях», — рассуждает кандидат биологических наук, сотрудник ТГУ и автор проекта Ринат Манасыпов.
Термокарстовые озера называют «горячими точками» из-за больших выбросов углерода в атмосферу. Согласно исследованию 2019 года, все изученные термокарстовые озера в мерзлотных широтах пересыщены содержанием метана и 85% из них — CO2. А по оценкам прошлого года запасы углерода в донных отложениях термокарстовых озер Западной Сибири превышают 1 млрд тонн. Скорость его накопления около 8 млн тонн в год, что составляет до трети всего объема высвобождаемого углерода из-за таяния вечной мерзлоты.
Образованию такого количества углерода способствовала территориальная особенность региона. Из-за того что Западная Сибирь — это низменность, многие тысячелетия в этом месте накапливался мерзлый торф.
«Западная Сибирь достаточно удобна для изучения градиента мерзлоты, потому что существует дорожная сеть, пересекающая территорию от немерзлотной зоны до зоны сплошного распространения мерзлоты. Доступность данной территории обеспечил нефтедобывающий сектор — теперь там есть дороги, по которым можно добраться до нужных участков», — добавляет Ринат Манасыпов.
Аналитика озер
Исследовательская группа лаборатории «БиоГеоКлим» начала свою работу с севера — поселка Тазовский Ямало-Ненецкого автономного округа. Из Тазовского, где мерзлота сплошная, в течение трех недель группа двигалась на юг через Уренгой, где мерзлота прерывистая, до Стрежевого, где мерзлота кончается. Следуя по 1700-километровому маршруту, исследователи проанализировали воду термокарстовых озер, расположенных в различных зонах мерзлоты.
«Мы начали с севера, чтобы успеть застать летний период, ведь там осень наступает раньше. Работаем с начала августа и спускаемся южнее. В конце августа в Тазовском уже прохладно, потому что там осень наступает, а в Стрежевом лето еще в разгаре. Выходит так, что мы охватываем всю территорию в летний период. В течение трех недель живем в поселках и на снегоболотоходах каждый день выезжаем “в поле” для пробоотбора», — рассказывает Ринат Манасыпов.
Собранные образцы отвозят в полевую станцию, где ученые подготавливают пробы — сортируют, фильтруют, центрифугируют их и так далее. Донные отложения замораживают и хранят в мобильном морозильнике, а водные образцы помещают в холодильники. Все подготовленные пробы везут в Томск. В университете их анализируют на содержание металлов, углерода, азота. Это позволяет выяснить, в каких формах вещества находятся в озерных водах термокарстового происхождения, но в разных зонах мерзлоты.
Химические элементы могут мигрировать в водной среде в трех разных формах: истиннорастворенной, коллоидной и в виде нерастворенной, твердой фракции. Первая форма подразумевает нахождение элемента в ионной форме — то есть микроэлементы становятся биодоступны, их могут потреблять растения и бактерии. Коллоидная форма уже недоступна для организмов, но все так же растворена в воде. А в виде твердых частиц химические элементы оседают на дно водоемов или выносятся в речную сеть.
«Доля биодоступных элементов в северных регионах намного ниже. Это означает, что даже при увеличении их концентрации в водоеме они останутся коллоидной формы и будут недоступны растениям. А чем южнее, тем больше этих металлов могут изымать из воды растения и бактерии. Это зависит от уровня кислотности водоемов, от субстрата, который их подстилает», — объясняет Ринат.
Климатический рисунок
Результаты нового исследования указывают, что при потеплении в широтах вечной мерзлоты доля растворенных микроэлементов в коллоидной форме изменится на 10–20%. По мнению ученых, это практически уровень погрешности и серьезных перемен в термокарстовых озерах от этого не произойдет. Однако, что касается эмиссии парниковых газов, то ее больше в зонах прерывистой мерзлоты. Это связано с активными термокарстовыми процессами и большими объемами торфяной толщи. На юге и на севере озера стабильнее.
«Получается такой небольшой горб на графике в зоне прерывистой мерзлоты. Поэтому, если при потеплении климата зоны мерзлоты будут сдвигаться, то мы не сможем точно сказать, эмиссии парниковых газов будет больше или меньше. Ведь ее мало на севере и юге. Они сдвинутся, и, возможно, эмиссии будет меньше, потому что условия изменятся. Это локальные процессы, но мы можем говорить, что наши результаты какое-то время точно будут актуальны», — рассуждает Ринат Манасыпов.
Основываясь на полученных результатах, ученый планирует создать концептуальную схему цикла углерода в разных зонах мерзлоты. Ее можно будет использовать для уточнения данных в биогеохимических и климатических моделях. В каждой из них учитывается количество углерода, который потенциально может попасть в атмосферу. На основе этой информации экологи могут прогнозировать дальнейшие природные изменения.
«Я себе это представляю как простейшую модель, но с указанием важных полученных результатов, например, какое количество углерода накапливается в толще озерных отложений, какой процент углерода находится в коллоидной фракции в озерных водах и так далее. Данные будут полезны как основа для дальнейших исследований. Их можно сравнивать с результатами, полученными в других регионах, ведь там могут идти противоположные или схожие процессы», — заключает Ринат Манасыпов.
Текст: Андрей Папиш, «Коммерсант. Наука».
Фото предоставили сотрудники лаборатории «БиоГеоКлим» ТГУ