Sybirska zmarzlina topnieje, a jeziora uwalniają ogromne ilości uwięzionego węgla

Arktyka ociepla się trzy do czter razy szybciej niż reszta planety, a jej skutki są coraz bardziej widoczne w sercu Syberii. W Jakucji wieczna zmarzlina – grunt zamarznięty co najmniej dwa lata z rzędu – nie topnieje spokojnie. Zamiast tego grunt gwałtownie się zapada, stoki osuwają, a w zagłębieniach tworzą się nowe jeziora. To właśnie w nich naukowcy zaobserwowali rekordowe ilości starego węgla organicznego – setki miligramów na litr, z czego do trzech czwartych pochodzi z rozmarzającej zmarzliny.

Skutki sięgają dużo głębiej niż tylko osuwające się brzegi jezior.

Naukowcy obserwują w Jakucji gwałtowne przemiany krajobrazu: zapadający się grunt, nowe jeziora i lawinowy wzrost ilości węgla organicznego w wodzie. Część tego węgla zamienia się w gazy cieplarniane, ale istotna część zachowuje się inaczej, niż dotąd sądzono.

Co dzieje się z zamarzniętą Syberią

Na obszarze Arktyki tempo ocieplenia sięga trzykrotności, a nawet czterokrotności średniej dla całej Ziemi. To ogromne przyspieszenie szczególnie mocno uderza w tak zwaną wieczną zmarzlinę – grunt, który pozostaje zamarznięty co najmniej dwa lata z rzędu. W wielu regionach Syberii taki grunt jest naszpikowany lodem i materią organiczną: resztkami roślin, korzeniami, dawno obumarłymi mikroorganizmami.

Gdy temperatura rośnie, ta zmarzlina nie topnieje spokojnie. Zdarza się raczej gwałtowne załamanie struktury gruntu, osuwanie się stoków i zapadanie powierzchni. W zagłębieniach zaczyna gromadzić się woda i powstają tak zwane jeziora termokrasowe – charakterystyczne czasze wypełnione wodą, często o stromych, rozmytych brzegach.

Topnienie zmarzliny nie tylko zmienia krajobraz Syberii. Uruchamia też ogromne ilości starego węgla, który przez tysiące lat pozostawał uwięziony w lodzie i zamarzniętej ziemi.

Międzynarodowa ekipa badawcza w sercu Jakucji

Zespół badawczy z międzynarodowego projektu PRISMARCTYC przeprowadził szerokie prace terenowe w środkowej Jakucji, na wschodniej Syberii. To jeden z regionów, gdzie zmarzlina zajmuje niemal całe terytorium, a nowe jeziora wyrastają dosłownie w oczach mieszkańców.

Naukowcy skoncentrowali się na tym, co dzieje się z węglem organicznym w wodzie. Analizowali jego stężenie i pochodzenie w dwóch głównych frakcjach:

• węgiel organiczny rozpuszczony w wodzie, niewidoczny gołym okiem,
• węgiel organiczny w formie drobnych cząstek unoszących się w toni wodnej.

Badacze porównywali kilka kategorii jezior:

• Świeże jeziora termokrasowe, mające mniej niż 50 lat.
• Stare jeziora termokrasowe, liczące tysiące lat.
• Stare jeziora, których brzegi niedawno naruszyły osuwiska związane z topnieniem zmarzliny.

Taki układ pozwolił uchwycić, jak zmienia się obieg węgla w wodzie w różnych fazach rozwoju jeziora i przy różnym nasileniu procesów na brzegach.

Rekordowe dawki węgla w wodzie jezior

Pomiary w Jakucji pokazały wartości, których naukowcy wcześniej tam nie notowali. W rozpuszczonej formie węgiel organiczny osiągał w wodzie setki miligramów na litr, zwłaszcza w najmłodszych jeziorach oraz w tych starszych, do których trafił świeży materiał z osuwających się brzegów.

Analiza składu izotopowego i chemicznego pozwoliła stwierdzić, że do trzech czwartych tego rozpuszczonego węgla pochodzi z topniejącej zmarzliny. Mówiąc prościej: to starożytna materia organiczna, która wcześniej była trwale zamrożona, a teraz trafia do wody.

Do 75 procent rozpuszczonego węgla organicznego w części badanych jezior to „stare” zasoby, uwolnione wprost z rozmarzającej zmarzliny.

Inaczej wygląda historia węgla w postaci cząstek. Tutaj badania pokazały, że zdecydowana większość powstaje już w samym jeziorze – z obumarłych glonów, roślin i innych organizmów wodnych. Nie jest więc prostym „zrzutem” ze zmarzliny, ale efektem lokalnej produkcji biologicznej.

Nie cały węgiel zamienia się w gazy cieplarniane

Przez lata wielu badaczy obawiało się prostego scenariusza: zmarzlina topnieje, uwalnia ogromne ilości węgla, który szybko zamienia się w dwutlenek węgla i metan, a te trafiają do atmosfery i jeszcze bardziej napędzają ocieplenie. W Syberii widać, że proces jest bardziej złożony.

W części wód rzeczywiście rozpuszczony węgiel organiczny przechodzi w gazy cieplarniane. Odpowiadają za to głównie mikroorganizmy, które „zjadają” ten węgiel w warunkach tlenowych lub beztlenowych, produkując odpowiednio dwutlenek węgla albo metan.

Wyniki badań pokazują jednak, że znacząca część starego węgla, przeniesionego z rozmarzającego gruntu do jezior, wcale nie ulega szybkiej przemianie w gaz. Zostaje w wodzie na dłużej, może się osadzać w osadach dennych lub włączać w krążenie materii w samym ekosystemie jeziora.

Topnienie zmarzliny zmienia cały obieg węgla w jeziorach arktycznych, ale część uwolnionego węgla pozostaje „uśpiona” w wodzie czy osadach, zamiast natychmiast trafić do atmosfery.

Dlaczego to ma znaczenie dla prognoz klimatycznych

Globalne modele klimatyczne starają się opisać wszystkie duże źródła i magazyny węgla na Ziemi. Jeziora termokrasowe długo pozostawały w tych modelach traktowane bardzo schematycznie albo wręcz pomijane. Nowe dane z Syberii pokazują, że trzeba wprowadzić do obliczeń kilka ważnych procesów:

Bez uwzględnienia tych mechanizmów modele mogą przeszacowywać tempo, w jakim węgiel ze zmarzliny trafia do atmosfery, albo przeciwnie – lekceważyć nowe emisje z jezior. Dokładniejsze dane z Jakucji pomogą zsynchronizować prognozy z rzeczywistością terenową.

Różnorodność jezior oznacza różne ścieżki dla węgla

Jedno z najciekawszych spostrzeżeń z syberyjskich badań dotyczy zróżnicowania samych jezior. Młode zbiorniki, świeżo utworzone w wyniku załamania gruntu, zachowują się inaczej niż stare jeziora, które od dawna funkcjonują w krajobrazie.

W jeziorach młodych dominują procesy gwałtownego dopływu starego węgla ze zboczy i brzegów. Stare jeziora często mają już bardziej stabilny obieg materii, silniejszą produkcję biologiczną, a do tego grubą warstwę osadów na dnie, które mogą zatrzymywać część węgla.

Jeszcze inna sytuacja pojawia się tam, gdzie stare jezioro doświadcza nagłego uderzenia w postaci świeżego osuwiska z rozmarzającej skarpy. Woda dostaje wtedy jednorazowy „zastrzyk” węgla ze zmarzliny, który może wywołać krótkotrwałe, ale intensywne emisje gazów, zmianę barwy wody czy przeobrażenie całego ekosystemu.

Co to oznacza dla Arktyki i dla nas

Syberyjskie jeziora termokrasowe są jednym z wielu przykładów sprzężeń zwrotnych w klimacie. Rosnące temperatury uruchamiają topnienie zmarzliny, to z kolei zmienia obieg węgla w wodach śródlądowych. Część węgla wraca do atmosfery jako dwutlenek węgla i metan, które jeszcze bardziej podnoszą temperaturę. Inna część zostaje na dłużej uwięziona w wodzie czy osadach.

Dla Polski może się to wydawać zjawiskiem odległym, dziejącym się tysiące kilometrów od nas. W rzeczywistości ilość węgla zgromadzona w zmarzlinie Arktyki szacuje się na setki gigaton, czyli wartości porównywalne z całym węglem, jaki ludzie wyemitowali od początku rewolucji przemysłowej. Nawet jeżeli tylko część z tego zasobu trafi do atmosfery, efekt odczujemy globalnie – także w postaci częstszych fal upałów, susz czy gwałtownych burz w naszej szerokości geograficznej.

Dla czytelników, którzy mają mniejszą styczność z pojęciem „węgla organicznego”, warto doprecyzować: chodzi o wszystkie związki węgla pochodzenia żywego lub kiedyś żywego, od szczątków roślin po substancje wydzielane przez bakterie. W przyrodzie taki węgiel stale krąży między atmosferą, wodą, glebą i organizmami. Zmarzlina działała przez tysiące lat jak zamrażarka, która zatrzymała część tego obiegu. Teraz ta zamrażarka zaczyna się rozmrażać.

W praktyce oznacza to, że każdy scenariusz przyszłego klimatu musi brać pod uwagę nie tylko nasze emisje z energetyki czy transportu, ale również to, jak szybko uwalnia się uwięziony dotąd węgiel z rejonów polarnych. Badania terenowe z Jakucji są jednym z elementów tej układanki i pokazują, że przyroda reaguje na ocieplenie w sposób bardziej skomplikowany niż prosta linia „więcej ciepła = więcej gazów”. Dla polityki klimatycznej to sygnał, że margines błędu się kurczy, a każde ograniczenie emisji dziś zmniejsza ryzyko uruchomienia kolejnych, trudnych do zatrzymania procesów w Arktyce.