Круговорот углерода вечной мерзлоты

Цикл углерода
Часть серии о

По регионам Наземный морской Атмосферный Глубокий углерод Почва Вечная мерзлота бореальный лес Геохимия
Углекислый газ В атмосфере Закисление океана Удаление Спутниковые измерения
Типы углерода Общий углерод (TC) Общий органический углерод (TOC) Общий неорганический углерод (TIC) Растворенный органический углерод (DOC) Растворенный неорганический углерод (DIC) Твердый органический углерод (POC) Основное производство морской Черный углерод Синий углерод
Метаболические пути Фотосинтез Хемосинтез Цикл Кальвина Обратный цикл Кребса Фиксация углерода C3 C4 Углеродное дыхание Почва Фото
Угольные насосы Биологический насос Насос растворимости Липидный насос Морской снег Микробная петля Вирусный шунт Желейный насос Китовый насос Континентальный шельфовый насос
Связывание углерода Биосеквестрация Поглотитель углерода Хранение углерода в почве Хранение углекислого газа в океане
Метан Атмосферный метан Метаногенез Выбросы метана Арктический Водно-болотные угодья Аэробное производство Гипотеза клатратской пушки Клатрат углекислого газа
Биогеохимический Морские циклы Питательный цикл Карбонатно-силикатный цикл Глубина карбонатной компенсации Коэффициент Редфилда
Другой Прокси реконструкции климата Глубокая углеродная обсерватория Глобальный углеродный проект Улавливание и хранение углерода Территориализация углеродного управления Сеть наблюдения за общим содержанием углерода C4MIP
v т е

Цикл вечной мерзлоты углерода является суб-цикл большего глобального углеродного цикла . Мерзлота определяется как подповерхностного материала , который остается ниже 0 ^O C (32 ^о F) в течение по крайней мере двух лет подряд. Поскольку вечномерзлые почвы остаются замороженными в течение длительного времени, они накапливают большое количество углерода и других питательных веществ в своей замороженной структуре в течение этого времени. Вечная мерзлота представляет собой большой резервуар углерода, который редко учитывается при определении глобальных резервуаров углерода в земной среде. Однако недавние и продолжающиеся научные исследования меняют эту точку зрения. ^[1]

Углеродный цикл вечной мерзлоты (арктический углеродный цикл) связан с переносом углерода из вечной мерзлоты в наземную растительность и микробы, в атмосферу , обратно в растительность и, наконец, обратно в вечномерзлые почвы через захоронение и осаждение из-за криогенных процессов. Часть этого углерода переносится в океан и другие части земного шара через глобальный углеродный цикл. Цикл включает обмен диоксида углерода и метана между компонентами Земли и атмосферой, а также перенос углерода между землей и водой в виде метана, растворенного органического углерода , растворенного неорганического углерода , неорганического углерода в виде частиц и органического углерода в виде частиц. ^[2]

Хранилище [ править ]

Почвы, как правило, являются крупнейшими резервуарами углерода в наземных экосистемах . Это также верно для почв в Арктике, подстилаемых вечной мерзлотой. В 2003 году Tarnocai и др. использовали Базу данных по почвам северных и средних широт для определения запасов углерода в криопочвах - почвах, содержащих вечную мерзлоту, в пределах двух метров от поверхности почвы. ^[3] Почвы, затронутые вечной мерзлотой, покрывают почти 9% площади суши, но содержат от 25 до 50% органического углерода почвы. Эти оценки показывают, что многолетнемерзлые почвы являются важным резервуаром углерода. ^[4] Эти почвы не только содержат большое количество углерода, но и изолируют углерод посредством криотурбации и криогенных процессов. ^[3]^[5]

Процессы [ править ]

Углерод в вечной мерзлоте не образуется. Органический углерод, полученный из наземной растительности, должен быть включен в столб почвы и впоследствии включен в вечную мерзлоту для эффективного хранения. Поскольку вечная мерзлота медленно реагирует на изменения климата, накопление углерода удаляет углерод из атмосферы на длительные периоды времени. Методы радиоуглеродного датирования показывают, что возраст углерода в вечной мерзлоте зачастую тысячи лет. ^[6]^[7] Накопление углерода в вечной мерзлоте является результатом двух основных процессов.

Первый процесс, который захватывает и сохраняет углерод, - это сингенетический рост вечной мерзлоты . ^[8] Этот процесс является результатом постоянного активного слоя, в котором толщина и обмен энергией между вечной мерзлотой, активным слоем, биосферой и атмосферой приводят к вертикальному увеличению высоты поверхности почвы. Это разложение почвы является результатом эоловых или речных отложений и / или образования торфа . Скорость накопления торфа достигает 0,5 мм / год, в то время как осаждение может вызвать подъем на 0,7 мм / год. Толстые иловые отложения, образовавшиеся в результате обильных отложений лёсса во время последнего ледникового максимума, образуют мощные богатые углеродом почвы, известные как едома . ^[9] По мере того как этот процесс происходит, органическая и минеральная почва, которая откладывается, включается в вечную мерзлоту по мере подъема поверхности вечной мерзлоты.
Второй процесс, отвечающий за накопление углерода, - криотурбация , перемешивание почвы из-за циклов замораживания-оттаивания. Криотурбация перемещает углерод с поверхности на глубину почвенного профиля. Морозное пучение - наиболее распространенная форма криотурбации. В конце концов углерод, образующийся на поверхности, перемещается в активный слой достаточно глубоко, чтобы встраиваться в вечную мерзлоту. Когда криотурбация и осаждение отложений действуют вместе, скорость накопления углерода увеличивается. ^[9]

Текущие оценки [ править ]

Количество углерода, хранящегося в многолетнемерзлых грунтах, изучено плохо. Текущая исследовательская деятельность направлена на лучшее понимание содержания углерода в почвах по всему столбу почвы. По оценкам последних исследований (2009 г.), содержание углерода в почвах в вечной мерзлоте северного приполярья составляет примерно 1700 Pg . ^[5] (1 Pg = 1 Gt = 10 ¹⁵ г) Эта оценка количества углерода, хранящегося в вечной мерзлоте, более чем вдвое превышает его количество в настоящее время в атмосфере. ^[1]Эта последняя оценка содержания углерода в вечномерзлых почвах разбивает столб почвы на три горизонта: 0–30 см, 0–100 см и 1–300 см. Самый верхний горизонт (0–30 см) содержит около 200 мкг органического углерода. Горизонт 0–100 см содержит примерно 500 мкг органического углерода, а горизонт 0–300 см содержит примерно 1024 мкг органического углерода. Эти оценки более чем вдвое увеличили ранее известные запасы углерода в вечномерзлых почвах. ^[3]^[4]^[5] Дополнительные запасы углерода существуют в едоме (400 пг ), богатом углеродом лёссе.месторождения, обнаруженные по всей Сибири и в отдельных регионах Северной Америки, и дельтовые отложения (240 пг) по всей Арктике. Эти отложения обычно глубже 3 м, исследованных традиционными исследованиями. ^[5] Многие опасения возникают из-за большого количества углерода, хранящегося в вечномерзлых почвах. До недавнего времени количество углерода, присутствующего в вечной мерзлоте, не учитывалось в климатических моделях и глобальных балансах углерода. ^[1]^[9] Таяние вечной мерзлоты может привести к выбросу в атмосферу большого количества старого углерода, хранящегося в вечной мерзлоте.

Выбросы углерода из вечной мерзлоты [ править ]

Углерод, хранящийся в арктических почвах и вечной мерзлоте, подвержен высвобождению благодаря нескольким различным механизмам. Углерод, который хранится в вечной мерзлоте, выбрасывается обратно в атмосферу в виде диоксида углерода (CO ₂ ) или метана (CH ₄ ). При аэробном дыхании выделяется углекислый газ, а при анаэробном дыхании выделяется метан.

Микробная активность выделяет углерод через дыхание. Повышенное микробное разложение из-за условий потепления считается основным источником углерода в атмосфере. Скорость микробного разложения в органических почвах, включая талая вечная мерзлота, зависит от мер экологического контроля. Эти меры контроля включают температуру почвы, доступность влаги, доступность питательных веществ и доступность кислорода. ^[9]
Клатрат или гидраты метана встречаются внутри и под слоями вечной мерзлоты. Из-за низкой проницаемости вечной мерзлоты газообразный метан не может вертикально перемещаться через толщу почвы. По мере увеличения температуры вечной мерзлоты проницаемость также увеличивается, позволяя однажды захваченному газу метану двигаться вертикально и улетучиваться. Диссоциация газовых гидратов является обычным явлением вдоль арктического побережья, однако оценки диссоциации газовых гидратов от вечной мерзлоты суши остаются неясными. ^[2]
Деградация термокарста / вечной мерзлоты в результате изменения климата и повышения средней годовой температуры воздуха по всей Арктике угрожает выбросом большого количества углерода обратно в атмосферу. При потеплении климата пространственная протяженность вечной мерзлоты уменьшается, высвобождая большое количество накопленного углерода. ^[1]
При изменении температуры воздуха и вечной мерзлоты изменяется и надземная растительность. Повышение температуры способствует передаче углерода почвы растущей растительности на поверхности. Этот перенос удаляет углерод из почвы и перемещает его в земной резервуар углерода, где растения обрабатывают, хранят и вдыхают его, перемещая в атмосферу. ^[10]
Лесные пожары в бореальных лесах и тундровые пожары изменяют ландшафт и выбрасывают в атмосферу большое количество хранящегося органического углерода в результате сгорания. Когда эти огни горят, они удаляют органические вещества с поверхности. Удаление защитного органического мата, изолирующего почву, подвергает нижележащую почву и вечную мерзлоту воздействию повышенного солнечного излучения , которое, в свою очередь, увеличивает температуру почвы, толщину активного слоя и изменяет влажность почвы. Изменения влажности и насыщения почвы изменяют соотношение кислородного и бескислородного разложения в почве. ^[11]
Гидрологические процессы удаляют и мобилизуют углерод, унося его вниз по потоку. Мобилизация происходит за счет вымывания, опадания подстилки и эрозии. Считается, что мобилизация в первую очередь связана с увеличением первичной продукции в Арктике, что приводит к увеличению количества опада из листьев, попадающих в ручьи, и увеличению содержания растворенного органического углерода в ручье. Выщелачивание почвенного органического углерода из вечномерзлых почв также ускоряется из-за потепления климата и эрозии вдоль берегов рек и ручьев, высвобождающих углерод из ранее замерзшей почвы. ^[6]

Углерод постоянно циркулирует между почвой, растительностью и атмосферой. В настоящее время поток углерода из вечномерзлых грунтов минимален, однако исследования показывают, что в будущем потепление и деградация вечной мерзлоты увеличат поток CO ₂ из почв. Оттепель углубляет активный слой, обнажая старый углерод, который хранился десятилетиями, веками, тысячелетиями. Количество углерода, которое будет высвобождено в условиях потепления, зависит от глубины таяния, содержания углерода в талой почве и физических изменений в окружающей среде. ^[7]Вероятность мобилизации всего пула углерода и его попадания в атмосферу мала, несмотря на большие объемы, хранящиеся в почве. Хотя прогнозируется повышение температуры, это не означает полной потери вечной мерзлоты и мобилизации всего углеродного пула. Большая часть грунта, покрытого вечной мерзлотой, останется замороженной, даже если повышение температуры приведет к увеличению глубины оттаивания или усилению термокарстирования и деградации вечной мерзлоты. ^[4]

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Ожидается, что более теплые условия вызовут пространственное уменьшение площади вечной мерзлоты и утолщение активного слоя . Это уменьшение площади и объема вечной мерзлоты позволяет мобилизовать хранящийся в почве органический углерод в биосферу и атмосферу в виде двуокиси углерода и метана. ^[1] Кроме того, считается, что эти изменения влияют на экосистемы и изменяют растительность, присутствующую на поверхности. ^[10] Ожидается, что увеличение поглощения углерода растениями будет относительно небольшим по сравнению с количеством углерода, выделяемого в результате деградации вечной мерзлоты. Растительность тундры содержит 0,4 кг углерода на м ^{2, в} то время как переход к бореальным лесам может увеличить запас углерода над землей до 5 кг углерода на м ^2.. Однако в тундровой почве содержится в десять раз больше. ^[9]

Кроме того, внезапное и устойчивое выделение углекислого газа и метана из вечной мерзлоты может привести к циклу положительной обратной связи, когда потепление выделяет углекислый газ в атмосферу. Этот углекислый газ, парниковый газ , вызывает повышение концентрации в атмосфере, вызывая последующее потепление. ^[5] Этот сценарий считается сценарием потенциального безудержного изменения климата .

См. Также [ править ]

Пожары и круговорот углерода в бореальных лесах
Цикл углерода

Ссылки [ править ]

^ a b c d e Зимов С.А., Щур Е.А., Чапин Ф.С. (июнь 2006 г.). «Изменение климата. Вечная мерзлота и глобальный углеродный бюджет». Наука . 312 (5780): 1612–3. DOI : 10.1126 / science.1128908 . PMID 16778046 .
^ а б Макгуайр, AD, Андерсон, LG, Кристенсен, Т.Р., Даллимор, С., Го, Л., Хейс, DJ, Хейманн, М., Лоренсон, Т.Д., Макдональд, Р.В., и Руле, Н. (2009) . «Чувствительность углеродного цикла в Арктике к изменению климата». Экологические монографии . 79 (4): 523–555. DOI : 10.1890 / 08-2025.1 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-000E-D87B-C .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ a b c Tarnocai, C., Kimble, J., Broll, G. (2003). «Определение запасов углерода в криозолях с использованием базы данных почв северных и средних широт» (PDF) . В Филлипс, Марсия; Спрингман, Сара М; Аренсон, Лукас У (ред.). Мерзлота: Труды 8 - й Международной конференции по мерзлоте, Цюрих, Швейцария, 21-25 июля 2003 . Лондон: Momenta. С. 1129–34. ISBN 978-90-5809-584-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ a b c Bockheim, JG & Hinkel, KM (2007). «Важность« глубинного »органического углерода в почвах арктической Аляски, пострадавших от вечной мерзлоты» . Журнал Американского общества почвоведов . 71 (6): 1889–92. Bibcode : 2007SSASJ..71.1889B . DOI : 10.2136 / sssaj2007.0070N . Архивировано из оригинала 17 июля 2009 года . Проверено 5 июня 2010 года .
^ a b c d e Tarnocai, C., Canadell, JG, Schuur, EAG, Kuhry, P., Mazhitova, G., and Zimov, S. (2009). «Запасы органического углерода в почве в северной приполярной зоне вечной мерзлоты» (PDF) . Глобальные биогеохимические циклы . 23 (2): GB2023. Bibcode : 2009GBioC..23.2023T . DOI : 10.1029 / 2008GB003327 . Архивировано из оригинального (PDF) 15 октября 2015 года. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ a b Го, Л., Чиен-Лу Пинг и Макдональд, Р. У. (июль 2007 г.). «Пути мобилизации органического углерода из вечной мерзлоты в арктические реки в условиях меняющегося климата ». Письма о геофизических исследованиях . 34 (13): L13603. Bibcode : 2007GeoRL..3413603G . DOI : 10.1029 / 2007GL030689 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ a b Новинский Н.С., Танева Л., Трумбор С.Е., Велкер Дж. М. (январь 2010 г.). «Разложение старого органического вещества в результате более глубоких активных слоев в эксперименте по изменению глубины снежного покрова» . Oecologia . 163 (3): 785–92. Bibcode : 2010Oecol.163..785N . DOI : 10.1007 / s00442-009-1556-х . PMC 2886135 . PMID 20084398 .
^ Андерсон, DA; Bray, MT; Французский, HM; Шур Ю. (1 октября 2004 г.). «Сингенетический рост вечной мерзлоты: криостратиграфические наблюдения из туннеля CRREL возле Фэрбенкса, Аляска». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 15 (4): 339–347. DOI : 10.1002 / ppp.486 . ISSN 1099-1530 .
^ a b c d e Schuur, EAG, Bockheim, J., Canadell, JG, Euskirchen, E., Field, CB, Горячкин, SV, Hagemann, S., Kuhry, P., Lafleur, PM, Lee, H. , Мажитова Г., Нельсон Ф. Е., Ринке А., Романовский В. Е., Скикломанов Н., Тарноцай К., Веневский С., Фогель Ю. Г., Зимов С. А. (2008). «Уязвимость углерода вечной мерзлоты к изменению климата: последствия для глобального углеродного цикла» . Биология . 58 (8): 701–714. DOI : 10.1641 / B580807 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ a b Кейн, ES & Vogel, JG (февраль 2009 г.). «Модели общего накопления углерода в экосистеме с изменениями температуры почвы в лесах бореальной черной ели» (PDF) . Экосистемы . 12 (2): 322–335. DOI : 10.1007 / s10021-008-9225-1 . Архивировано из оригинального (PDF) 16 июля 2011 года . Проверено 5 июня 2010 года .
Перейти ↑ Meyers-Smith, IH, McGuire, AD, Harden, JW, Chapin, FS (2007). «Влияние возмущения на углеродный обмен в условиях обрушения вечной мерзлоты и прилегающих сгоревших лесов» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 112 (G4): G04017. Bibcode : 2007JGRG..11204017M . DOI : 10.1029 / 2007JG000423 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки [ править ]

Международная ассоциация вечной мерзлоты
Центр вечной мерзлоты
Углерод в эксперименте по уязвимости арктических коллекторов

[zimov-1] Зимов С.А., Щур Е.А., Чапин Ф.С. (июнь 2006 г.). «Изменение климата. Вечная мерзлота и глобальный углеродный бюджет». Наука . 312 (5780): 1612–3. DOI : 10.1126 / science.1128908 . PMID 16778046 .

[mcguire-2] а б Макгуайр, AD, Андерсон, LG, Кристенсен, Т.Р., Даллимор, С., Го, Л., Хейс, DJ, Хейманн, М., Лоренсон, Т.Д., Макдональд, Р.В., и Руле, Н. (2009) . «Чувствительность углеродного цикла в Арктике к изменению климата». Экологические монографии . 79 (4): 523–555. DOI : 10.1890 / 08-2025.1 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-000E-D87B-C .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[kimble-3] Tarnocai, C., Kimble, J., Broll, G. (2003). «Определение запасов углерода в криозолях с использованием базы данных почв северных и средних широт» (PDF) . В Филлипс, Марсия; Спрингман, Сара М; Аренсон, Лукас У (ред.). Мерзлота: Труды 8 - й Международной конференции по мерзлоте, Цюрих, Швейцария, 21-25 июля 2003 . Лондон: Momenta. С. 1129–34. ISBN 978-90-5809-584-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[bockheim-4] Bockheim, JG & Hinkel, KM (2007). «Важность« глубинного »органического углерода в почвах арктической Аляски, пострадавших от вечной мерзлоты» . Журнал Американского общества почвоведов . 71 (6): 1889–92. Bibcode : 2007SSASJ..71.1889B . DOI : 10.2136 / sssaj2007.0070N . Архивировано из оригинала 17 июля 2009 года . Проверено 5 июня 2010 года .

[tarnocai-5] Tarnocai, C., Canadell, JG, Schuur, EAG, Kuhry, P., Mazhitova, G., and Zimov, S. (2009). «Запасы органического углерода в почве в северной приполярной зоне вечной мерзлоты» (PDF) . Глобальные биогеохимические циклы . 23 (2): GB2023. Bibcode : 2009GBioC..23.2023T . DOI : 10.1029 / 2008GB003327 . Архивировано из оригинального (PDF) 15 октября 2015 года. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[guo-6] Го, Л., Чиен-Лу Пинг и Макдональд, Р. У. (июль 2007 г.). «Пути мобилизации органического углерода из вечной мерзлоты в арктические реки в условиях меняющегося климата ». Письма о геофизических исследованиях . 34 (13): L13603. Bibcode : 2007GeoRL..3413603G . DOI : 10.1029 / 2007GL030689 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[nowinski-7] Новинский Н.С., Танева Л., Трумбор С.Е., Велкер Дж. М. (январь 2010 г.). «Разложение старого органического вещества в результате более глубоких активных слоев в эксперименте по изменению глубины снежного покрова» . Oecologia . 163 (3): 785–92. Bibcode : 2010Oecol.163..785N . DOI : 10.1007 / s00442-009-1556-х . PMC 2886135 . PMID 20084398 .

[8] Андерсон, DA; Bray, MT; Французский, HM; Шур Ю. (1 октября 2004 г.). «Сингенетический рост вечной мерзлоты: криостратиграфические наблюдения из туннеля CRREL возле Фэрбенкса, Аляска». Вечная мерзлота и перигляциальные процессы . 15 (4): 339–347. DOI : 10.1002 / ppp.486 . ISSN 1099-1530 .

[schuur-9] Schuur, EAG, Bockheim, J., Canadell, JG, Euskirchen, E., Field, CB, Горячкин, SV, Hagemann, S., Kuhry, P., Lafleur, PM, Lee, H. , Мажитова Г., Нельсон Ф. Е., Ринке А., Романовский В. Е., Скикломанов Н., Тарноцай К., Веневский С., Фогель Ю. Г., Зимов С. А. (2008). «Уязвимость углерода вечной мерзлоты к изменению климата: последствия для глобального углеродного цикла» . Биология . 58 (8): 701–714. DOI : 10.1641 / B580807 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[kane-10] Кейн, ES & Vogel, JG (февраль 2009 г.). «Модели общего накопления углерода в экосистеме с изменениями температуры почвы в лесах бореальной черной ели» (PDF) . Экосистемы . 12 (2): 322–335. DOI : 10.1007 / s10021-008-9225-1 . Архивировано из оригинального (PDF) 16 июля 2011 года . Проверено 5 июня 2010 года .

[meyers-11] Перейти ↑ Meyers-Smith, IH, McGuire, AD, Harden, JW, Chapin, FS (2007). «Влияние возмущения на углеродный обмен в условиях обрушения вечной мерзлоты и прилегающих сгоревших лесов» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 112 (G4): G04017. Bibcode : 2007JGRG..11204017M . DOI : 10.1029 / 2007JG000423 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )