Выбросы углекислого газа из ретрогрессивных оползней при таянии многолетней мерзлоты в Сибири

БЕР К.

Факультет наук о земных системах Института грунтоведения и Центр исследований земных систем и устойчивого развития Гамбургского университета, г. Гамбург, Германия

christian.beer@uni-hamburg.de

РУНГЕ А.

Отдел мерзлотоведения Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца Института имени Альфреда Вегенера, г. Потсдам, Германия

ГРОССЕ Г.

Отдел мерзлотоведения Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца Института имени Альфреда Вегенера; Институт наук о Земле Потсдамского университета; г. Потсдам, Германия

ХУГЕЛИУС Г.

Факуьтет физической географии и Болинский центр исследований климата Стокгольмского университета, г. Стокгольм, Швеция

КНОБЛАУХ К.

Скачать препринт

Представляем вниманию читателей адаптированный перевод статьи немецких исследователей «Выбросы углекислого газа из ретрогрессивных оползней таяния в Сибири» (Beer et al., 2023), опубликованной в журнале Environmental Research Letters («Ученые записки об экологических исследованиях») издательством британской благотворительной научной организации IOP (Institute of Physics – «Институт физики»), ставшей фактически международной. Эта статья находится в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0, которая позволяет распространять, переводить, адаптировать и дополнять ее при условии указания типов изменений и ссылки на первоисточник. В нашем случае полная ссылка на источник для представленного перевода (Beer et al., 2023) приведена в конце. В сезон плюсовых температур таяние богатых льдом многолетнемерзлых грунтов, слагающих склоны холмов или долин, берегов рек или морей, может привести к возникновению оползней, характеризующихся быстрым ретрогрессивным развитием. То есть у подножия склона возникает термокарстовая просадка или провал. Затем стенка отрыва, вогнутая в сторону бровки, продвигается все выше, формируя подковообразное в плане углубление в склоне. Сверху и по бокам оно имеет крутые, вертикальные или уступатые стенки. Дно у него примерно соответствует крутизне склона. По дну стекают жидкая грязь и обломки из оттаявших и эродированных материалов стенок и самого дна. Весь этот процесс обнажает и делает доступной для нагревания и эрозии все бОльшую поверхность мерзлого грунта, что способствует таянию многолетней мерзлоты на все большей площади, иногда на многих гектарах, и меняет рельеф. На английском языке такого рода термокарстово-термоэрозионные формы называют retrogressive thaw slumps (RTS). На русский язык этот термин переводят по-разному. Здесь будем переводить его как «ретрогрессивные оползни таяния» (РОТ). Развитие РОТ делает органические вещества, которые были в замерзшем состоянии в течение столетий или тысячелетий, доступными для разложения. Недавние исследования показали, что за последние два десятилетия площади, затронутые такими процессами из-за потепления климата, увеличились по всей Арктике, а также на других территориях, где распространена многолетняя мерзлота. Объединив модель динамики углерода в грунтах с дистанционно обнаруживаемыми зонами РОТ и базой данных по органическому углероду в почвах, авторы переведенной статьи (Beer et al., 2023) показали, что ретрогрессивные оползни таяния в Сибири превратили ранее квазинейтральные экосистемы в мощные источники углекислого газа (в среднем на уровне 367±213 атомов углерода с 1 м2 РОТ в год). В глобальном масштабе недавние выбросы СО2 из всех Сибирских зон развития РОТ включили 0,42±0,22 Тг (тераграмм) углерода в год, что пока незначительно (1 Тг=10 9 кг=10 12 г). Однако в будущем (в зависимости от дальнейших изменений климата, скорости таяния многолетнемерзлых грунтов и роста площадей РОТ) такие процессы на склонах могут привести к изменениям ландшафтов в районах распространения многолетней мерзлоты и начать вносить весьма значимый вклад в выбросы СО2 в атмосферу.

DOI: 10.58339/2949-0677-2024-6-1/2-64-73

УДК: 551.343; 551.345; 551.583

Финансирование: Авторы благодарны за финансовую поддержку со стороны фондов DFG- BE 6485/1-1, DFG-BE 6485/4-1, программы ESA CCI, программы ESA CCI+Permafrost (проекта EU Horizon 2020 Arctic Passion, гранта № 101003472), проекта BMBF KoPf Synthesis (гранта 03F0834B), а также за поддержку со стороны Министерства образования и науки Германии (проекта KOPF-Synthesis Project 03F0834A) и кластера передового опыта Гамбургского университета CLICCS (EXC2037/1).

Ссылка для цитирования: Бер К., Рунге А., Гроссе Г., Хугелиус Г., Кноблаух К. Выбросы углекислого газа из ретрогрессивных оползней при таянии многолетней мерзлоты в Сибири // Геоинфо. 2024. Т. 6. № 1/2. С. 64–73 DOI:10.58339/2949-0677-2024-6-1/2-64-73

Статья в РИНЦ: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=71171294

Ключевые слова: многолетняя мерзлота; потепление климата; склон; ретрогрессивный оползень таяния (РОТ); органические вещества; микробиологическое разложение; органический углерод; углекислый газ; эмиссия.

Список литературы

Rantanen M., Karpechko A.Y., Lipponen A., Nordling K., Hyvarinen O., Ruosteenoja K., Laaksonen A., Laaksonen A. The Arctic has warmed nearly four times faster than the globe since 1979 // Commun. Earth Environ. 2022. Vol. 3. Article 168.
Biskaborn B.K. et al. Permafrost is warming at a global scale // Nat. Commun. 2019. Vol. 10. Article 264.
Smith S.L., O’Neill H.B., Isaksen K., Noetzli J., Romanovsky V.E. The changing thermal state of permafrost // Nat. Rev. Earth Environ. 2022. Vol. 3. P. 10–23.
Park H., Kim Y., Kimball J.S. Widespread permafrost vulnerability and soil active layer increases over the high northern latitudes inferred from satellite remote sensing and process model assessments // Remote Sens. Environ. 2016. Vol. 175. P. 349–358.
Peng S. et al. Simulated high-latitude soil thermal dynamics during the past 4 decades // Cryosphere. 2016.Vol. 10. P. 179–192.
Porada P., Ekici A., Beer C. Effects of bryophyte and lichen cover on permafrost soil temperature at large scale // The Cryosphere. 2016. Vol. 10. P. 2291–2315.
Beer C., Porada P., Ekici A., Brakebusch M. Effects of short-term variability of meteorological variables on soil temperature in permafrost regions // Cryosphere. 2018. Vol. 12. P. 741–757.
Heim B., Lisovski S., Wieczorek M., Morgenstern A., Juhls B., Shevtsova I., Herzschuh U., Boike J., Fedorova I., Herzschuh U. Spring snow cover duration and tundra greenness in the Lena Delta, Siberia: two decades of MODIS satellite time series (2001–2021) // Environ. Res. Lett. 2022. Vol. 17. Article 085005.
Nitzbon J., Westermann S., Langer M., Martin L.C.P., Strauss J., Laboor S., Boike J. Fast response of cold ice-rich permafrost in northeast Siberia to a warming climate // Nat. Commun. 2020. Vol. 11. Article 2201.
Morgenstern A., Overduin P.P., Gunther F., Stettner S., Ramage J., Schirrmeister L., Grosse G., Grosse G. Thermo-erosional valleys in Siberian ice-rich permafrost // Permafr. Periglac. Process. 2021. Vol. 32. P. 59–75.
Grosse G., Robinson J.E., Bryant R., Taylor M.D., Harper W., DeMasi A., Harden J.W. Distribution of late Pleistocene ice-rich syngenetic permafrost of the Yedoma Suite in east and central Siberia, Russia: Open File Report 2013-1078. U.S. Geological Survey, 2013. P. 37.
Gunther F., Overduin P.P., Sandakov A.V., Grosse G., Grigoriev M.N. Short- and long-term thermo-erosion of ice-rich permafrost coasts in the Laptev Sea region // Biogeosciences. 2013. Vol. 10. P. 4297–4318.
Burn C.R., Lewkowicz A.G. Canadian landform examples – 17 retrogressive thaw slumps // Can. Geogr. 1990. Vol. 34. P. 273–276.
Turetsky M. et al. Permafrost collapse is accelerating carbon release // Nature. 2019. Vol. 569. P. 32–34.
Runge A., Nitze I., Grosse G. Remote sensing annual dynamics of rapid permafrost thaw disturbances with LandTrendr // Remote Sens. Environ. 2022. Vol. 268. Article 112752.
Lantuit H., Pollard W.H. Temporal stereophotogrammetric analysis of retrogressive thaw slumps on Herschel Island, Yukon Territory // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2005. Vol. 5. P. 413–423.
Beel C.R., Lamoureux S.F., Orwin J.F., Pope M.A., Lafreniere M.J., Scott N.A. Differential impact of thermal and physical permafrost disturbances on high Arctic dissolved and particulate fluvial fluxes // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. Article 11836.
Kokelj S.V., Kokoszka J., van der Sluijs J., Rudy A.C.A., Tunnicliffe J., Shakil S., Zolkos S., Zolkos S. Thaw-driven mass wasting couples slopes with downstream systems, and effects propagate through Arctic drainage networks // Cryosphere. 2021. Vol. 15. P. 3059–3081.
Knoblauch C., Beer C., Schuett A., Sauerland L., Liebner S., Steinhof A., Grigoriev M.N., Faguet A., Pfeiffer E.-M. Carbon dioxide and methane release following abrupt thaw of Pleistocene permafrost deposits in Arctic Siberia // J. Geophys. Res. 2021. Vol. 126. Article e2021JG006543.
Andren O., Katterer T., ICBM: the introductory carbon balance model for exploration of soil carbon balances // Ecol. Appl. 1997. Vol. 7. P. 1226–1236.
Beer C., Knoblauch C., Hoyt A.M., Hugelius G., Palmtag J., Mueller C.W., Trumbore S. Vertical pattern of organic matter decomposability in cryoturbated permafrost-affected soils // Environ. Res. Lett. 2022. Vol. 17. Article 104023.
Knoblauch C., Beer C., Sosnin A., Wagner D., Pfeiffer E.-M. Predicting long-term carbon mineralization and trace gas production from thawing permafrost of Northeast Siberia // Glob. Change Biol. 2013. Vol. 19. P. 1160–1172.
Schadel C. et al. Potential carbon emissions dominated by carbon dioxide from thawed permafrost soils // Nat. Clim. Change. 2016. Vol. 6. P. 950–953.
Vaughn L.J.S., Torn M.S. 14C evidence that millennial and fast-cycling soil carbon are equally sensitive to warming // Nat. Clim. Change. 2019. Vol. 9. P. 467–471.
Kennedy R.E., Yang Z.G., Cohen W.B. Detecting trends in forest disturbance and recovery using yearly Landsat time series. 1. LandTrendr – temporal segmentation algorithms // Remote Sens. Environ. 2010. Vol. 114. P. 2897–2910.
Kennedy R.E., Yang Z.Q., Gorelick N., Braaten J., Cavalcante L., Cohen W.B., Healey S. Implementation of the LandTrendr algorithm on Google Earth Engine // Remote Sens. 2018. Vol. 10. № 5. Article 691. doi.org/10.3390/rs10050691691.
Runge A., Grosse G. Mosaicking Landsat and Sentinel-2 data to enhance Landtrendr time series analysis in Northern high latitude permafrost regions // Remote Sens. 2020. Vol. 12. Article 2471.
Runge A., Grosse G. Comparing spectral characteristics of Landsat-8 and Sentinel-2 same-day data for Arctic-Boreal regions // Remote Sens. 2019. Vol. 11. Article 1730.
Cohen W.B., Yang Z.G., Kennedy R. Detecting trends in forest disturbance and recovery using yearly Landsat time series/ 2. TimeSync – tools for calibration and validation // Remote Sens. Environ. 2010. Vol. 114. P. 2911–2924.
Huang C., Wylie B., Yang L., Homer C., Zylstra G. Derivation of a tasselled cap transformation based on Landsat 7 at-satellite reflectance // Int. J. Remote Sens. 2002. Vol. 23. P. 1741–1748.
Gunther F., Grosse G., Wetterich S., Jones B.M., Kunitsky V.V., Kienast F., Schirrmeister L. The batagay mega thaw slump, Yana Uplands, Yakutia, Russia: permafrost thaw dynamics on decadal time scale: paper presented at the Past Gateways Palaeo-Arctic Spatial and Temporal Gateways. 2015.
Kokelj S.V., Tunnicliffe J., Lacelle D., Lantz T.C., Chin K.S., Fraser R. Increased precipitation drives mega slump development and destabilization of ice-rich permafrost terrain, northwestern Canada // Glob. Planet. Change. 2015. Vol. 129. P. 56–68.
Lacelle D., Brooker A., Fraser R.H., Kokelj S.V. Distribution and growth of thaw slumps in the Richardson Mountains – Peel Plateau region, northwestern Canada // Geomorphology. 2015. Vol. 235. P. 40–51.
Ramage J.L., Irrgang A.M., Herzschuh U., Morgenstern A., Couture N., Lantuit H. Terrain controls on the occurrence of coastal retrogressive thaw slumps along the Yukon Coast, Canada // J. Geophys. Res. 2017. Vol. 122. P. 1619–1634.
Hugelius G. et al. Estimated stocks of circumpolar permafrost carbon with quantified uncertainty ranges and identified data gaps // Biogeosciences. 2014. Vol. 11. P. 6573–6593.
Hugelius G., Tarnocai C., Broll G., Canadell J.G., Kuhry P., Swanson D.K. The Northern Circumpolar Soil Carbon Database: spatially distributed datasets of soil coverage and soil carbon storage in the northern permafrost regions // Earth Syst. Sci. Data. 2013. Vol. 5. P. 3–13.
Soil Survey Staff. Soil Taxonomy: a Basic System of Soil Classification for Making and Interpreting Soil Surveys. Handbook (2nd edn). Natural Resources Conservation Service, U.S. Department of Agriculture, 1999. Vol. 436.
Ekici A., Beer C., Hagemann S., Boike J., Langer M., Hauck C. Simulating high-latitude permafrost regions by the JSBACH terrestrial ecosystem model // Geosci. Model. Dev. 2014. Vol. 7. P. 631–647.
Beer C., Zimov N., Olofsson J., Porada P., Zimov S. Protection of permafrost soils from thawing by increasing herbivore density // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. Article 4170.
Turner K.W., Pearce M.D., Hughes D.D. Detailed characterization and monitoring of a retrogressive thaw slump from remotely piloted aircraft systems and identifying associated influence on carbon and nitrogen export // Remote Sens. 2021. Vol. 13. № 2. Article 171. doi.org/10.3390/rs13020171.
Strauss J. et al. Deep Yedoma permafrost: a synthesis of depositional characteristics and carbon vulnerability // Earth-Sci. Rev. 2017. Vol. 172. P. 75–86.
Eckhardt T., Knoblauch C., Kutzbach L., Holl D., Simpson G., Abakumov E., Pfeiffer E.-M. Partitioning net ecosystem exchange of CO2 on the pedon scale in the Lena River Delta, Siberia // Biogeosciences. 2019. Vol. 16. P. 1543–1562.
Friedlingstein P., O’Sullivan M., Jones M.W., Andrew R.M., Gregor L., Hauck J., Zheng B. Global carbon budget 2022 // Earth Syst. Sci. Data. 2022. Vol. 14. P. 4811–4900.
Segal R.A., Lantz T.C., Kokelj S.V. Acceleration of thaw slump activity in glaciated landscapes of the Western Canadian Arctic // Environ. Res. Lett. 2016. Vol. 11. Article 034025.
Lewkowicz A.G., Way R.G. Extremes of summer climate trigger thousands of thermokarst landslides in a high Arctic environment // Nat. Commun. 2019. Vol. 10. Article 1329.
Lantz T.C., Kokelj S.V. Increasing rates of retrogressive thaw slump activity in the Mackenzie Delta region, NWT, Canada // Geophys. Res. Lett. 2008. Vol. 35. Article. L06502.
Farquharson L.M., Romanovsky V.E., Cable W.L., Walker D.A., Kokelj S.V., Nicolsky D. Climate change drives widespread and rapid thermokarst development in very cold permafrost in the Canadian high Arctic // Geophys. Res. Lett. 2019. Vol. 46. P. 6681–6689.
Ward Jones M.K., Pollard W.H., Jones B.M. Rapid initialization of retrogressive thaw slumps in the Canadian high Arctic and their response to climate and terrain factors // Environ. Res. Lett. 2019. Vol. 14. Article 055006.
Bernhard P., Zwieback S., Hajnsek I. Accelerated mobilization of organic carbon from retrogressive thaw slumps on the northern Taymyr Peninsula // Cryosphere, 2022, Vol. 16. P. 2819–2835.
Turetsky M.R. et al. Carbon release through abrupt permafrost thaw // Nat. Geosci. 2020. Vol. 13. P. 138–143.