Углеродная история тающей Арктики
Большая часть крайнего севера нашей планеты, Арктика, была постоянно покрыта льдом в течение тысяч лет, но сейчас ситуация меняется. Сжигая ископаемое топливо, такое как уголь и нефть, мы быстро возвращаем углерод, хранившийся в течение миллионов лет в земной коре, обратно в атмосферу. Это увеличивает содержание углекислого газа (CO2) в атмосфере и вызывает повышение температуры поверхности Земли. Потепление, таяние морского льда и ледников меняют обстановку в Арктике. Через несколько десятилетий Северный полюс может впервые в истории человечества освободиться ото льда. Потепление Арктики будет иметь глобальные последствия: повысится уровень моря, изменятся климат и характер осадков, исчезнут рыбы, птицы и морские млекопитающие. В этой статье мы расскажем о том, как значительные изменения в арктической среде могут повлиять на всю планету.
Полярное таяние в условиях потепления
Арктика и Антарктика - это северный и южный полярные регионы Земли. Они выделяются на нашей планете как враждебные ледяные пустыни со средней зимней температуро й-40 °C на Северном полюсе и-60 °C на Южном полюсе. Зимой в полярных регионах месяцами царит полная темнота, а летом солнце не заходит никогда. Хотя оба полярных региона холодные и получают одинаковое количество солнечного света в течение года, между Арктикой и Антарктикой есть принципиальная разница.
Антарктида - это континент, покрытый льдом и окруженный Южным океаном. Арктика - это в основном океан, покрытый морским льдом и окруженный тремя континентами: Северной Америкой, Азией и Европой. Текущее изменение климата приводит к повышению температуры воздуха и океана в Арктике, в результате чего площадь, покрытая морским льдом, сокращается. За последние 30 лет растаяло около 2,4 миллиона квадратных километров арктического морского льда - это эквивалентно площади Западной Европы (рис. 1). Хотя Арктика - это океан, морской лед действует как поверхность суши, создавая важную среду обитания для многих животных, таких как тюлени и белые медведи (рис. 2). С 1970-х годов исчезло почти 40 % всего арктического морского льда, и крупные и мелкие животные, живущие на этом льду, теряют свои дома и должны искать другие места для жизни, пока не вымерли. С другой стороны, некоторые виды рыб и водорослей, известных как фитопланктон, теперь могут процветать в новых свободных ото льда районах (рис. 2).
Поглощение двуокиси углерода фитопланктоном
Текущее изменение климата приводит к тому, что температура воздуха в Арктике повышается примерно в два раза быстрее, чем средняя температура на остальной части земного шара [ 2 ]. Повышение температуры в арктическом регионе приведет не только к таянию морского льда, но и к поступлению в Северный Ледовитый океан большого количества пресной воды из тающих ледников. Эта пресная вода может быть богата питательными веществами, которые являются необходимым топливом для роста фитопланктона. Фитопланктон очень важен: как и растения на суше, эти организмы находятся в самом низу пищевой цепи, поэтому они являются основой практически любой жизни в океане. Но фитопланктон - это не просто источник пищи для мелких и крупных животных, таких как креветки и рыбы. Как и все растения, фитопланктон поглощает углекислый газ (CO2) из атмосферы и, используя солнечную энергию, расщепляют его на углерод (C) и кислород (O2). Кислород выделяется обратно в воздух или воду. Углерод используется фитопланктоном для построения своих тканей. Таким образом, растения обладают уникальной способностью превращать CO2 из атмосферы в другие соединения в процессе фотосинтеза, и вскоре вы поймете, почему это важно.
Круговорот углерода
Из 118 известных химических элементов лишь небольшое количество можно найти в живых организмах. Удивительно, но при всей сложности жизни на Земле она почти полностью состоит всего из четырех элементов: углерода (C), водорода (H), кислорода (O) и азота (N). Например, около 99 % вашего тела состоит из этих четырех элементов! Если такие организмы, как люди или фитопланктон, умирают, их тела распадаются на C, H, O и N. В ходе этого процесса углерод превращается обратно в CO2. Как мы уже говорили, фитопланктон может потреблять CO2 в процессе фотосинтеза, что уменьшает количество CO2 в атмосфере. Но когда фитопланктон умирает и разлагается, то же количество CO2 выбрасывается обратно в атмосферу. Это происходит не только с фитопланктоном - когда осенью деревья в северном полушарии теряют листву, глобальная концентрация CO2 повышается, а весной, когда отрастают новые листья, глобальная концентрация CO2 снова падает (рис. 3). Таким образом, в природе CO2 постоянно выводится из атмосферы и снова в нее поступает. Это называется биологическим круговоротом углерода. Если производство и потребление углерода находятся в равновесии, то концентрация CO2концентрация в атмосфере должна быть постоянной. Однако большие изменения в окружающей среде и деятельность человека могут нарушить это равновесие. Например, если тропический лес сменится пустыней с очень малым количеством растений, то углерод, накопленный в лесу, будет выброшен в атмосферу и не будет принят обратно.
Несмотря на то, что вы, возможно, слышали в новостях, CO2 не всегда является плохим парнем! На самом деле CO2 необходим для регулирования температуры на нашей планете. Без парниковых газов, таких как CO2жизнь на Земле не могла бы существовать, потому что средняя температура на Земле упала бы д о-18°C, что слишком холодно для живых существ [ 3 ]. Однако, сжигая ископаемое топливо, мы быстро выбрасываем в атмосферу большое количество CO2 в атмосферу. Поскольку этот CO2 не может быть поглощен обратно так же быстро, как он высвобождается при сжигании ископаемого топлива, возникает дисбаланс в углеродном цикле и увеличивается количество CO2 в атмосфере (рис. 3). Именно этот дисбаланс приводит к быстрому глобальному изменению климата, которое сегодня вызывает такие проблемы. Чтобы лучше понять и предсказать будущий климат Земли, очень важно понять и определить, каким образом CO2выбрасывается в атмосферу, а также способы его удаления из атмосферы. Поскольку Арктика превращается из ледяной пустыни в открытый океан, нам необходимо понять, как эти огромные экологические изменения в Арктике повлияют на глобальный цикл углерода.
Захоронение углерода в арктических морских отложениях
Основной способ уменьшить количество CO2В течение длительного времени в атмосфере углерод хранится в земных отложениях - там, где он хранился до тех пор, пока не был высвобожден в результате сжигания ископаемого топлива. Такое накопление происходит естественным образом, когда живые организмы, например фитопланктон, умирают и опускаются в осадок на морском дне (рис. 2). Мертвые организмы, попавшие на морское дно, служат источником пищи для других обитающих там организмов, таких как морские звезды, черви и бактерии. Эти животные потребляют органическое вещество и расщепляют его на элементы (Рисунок 2). Большая часть углерода и других элементов, высвобождающихся в ходе этого процесса, остается в воде и служит пищей для других организмов, но небольшое количество углерода попадает в океанские отложения и сохраняется в них. Хотя количество углерода, попавшего в ловушку таким образом, невелико [ 4 ], после захоронения он не может вернуться в атмосферу. Поскольку океаны покрывают более 70 % поверхности Земли, этот процесс оказывает огромное влияние на круговорот углерода. Мы называем этот процесс улавливания углерода захоронением, и это очень важный механизм, который регулирует выбросы CO2Концентрация углерода в атмосфере, а значит, и температура на Земле на протяжении миллиардов лет. Процессы, контролирующие захоронение углерода, все еще не очень хорошо изучены, и ученые работают над тем, чтобы понять их лучше.
Увеличит ли потепление Арктики захоронение углерода в арктических шельфовых отложениях?
Северный Ледовитый океан в некоторых местах очень глубок, почти 5,5 км, но вблизи суши он мельче (всего 50-340 м). Эти гораздо более мелкие участки составляют около половины Северного Ледовитого океана. Летом, когда световой день длится 24 часа, на этих мелководных участках растет много фитопланктона. Рост фитопланктона поддерживает богатые и разнообразные экосистемы в океане, на льду и на морском дне, поэтому эти арктические шельфовые области особенно важны для круговорота и захоронения углерода. Согласно одной из гипотез, при наличии достаточного количества питательных веществ для роста фитопланктона потепление в Арктике может привести к большому цветению фитопланктона, что приведет к увеличению количества CO2забирается из атмосферы и накапливается на морском дне Северного Ледовитого океана (рис. 2). Однако реакция окружающей среды на изменение состояния морского льда сложна, изменчива и не вполне понятна. Например, спутниковые наблюдения показали, что в некоторых районах Арктики более короткие сезоны морского льда и, следовательно, более длинные вегетационные сезоны увеличивают общее количество фитопланктона, но в других районах сокращение морского льда, по-видимому, влияет на циркуляцию воды, что изменяет доступность питательных веществ и уменьшает количество фитопланктона.
Поскольку CO2 в атмосфере равномерно распределен по всему миру, изменения в арктическом углеродном цикле отразятся на всей планете. Поэтому изменения в количестве углерода, захороненного в Арктике, также важны для всего мира. Необходимо провести гораздо больше исследований, чтобы понять критически важную роль углеродного цикла в Северном Ледовитом океане для глобального климата. Ученые всего мира участвуют в этой масштабной исследовательской работе. Недавно к этим международным исследованиям добавился проект Changing Arctic Ocean Seafloor (ChAOS) - крупное британское научное сотрудничество, изучающее, как на экосистемы морского дна влияют потепление в Арктике и потеря морского льда, и как эти изменения могут повлиять на захоронение углерода сейчас и в будущем.
Ученые ChAOS пытаются найти ответы на такие вопросы, как: как животные и микроорганизмы, обитающие на морском дне, отреагируют на изменения в морском льду и океанических процессах? Увеличит ли сокращение площади морского льда поступление пищи в экосистемы морского дна? Как изменятся способы рециркуляции питательных веществ и углерода между морским дном и океаном для организмов, обитающих на морском дне? И как изменится количество углерода, хранящегося в отложениях морского дна, при продолжении глобального изменения климата? Арктика - очень отдаленное и враждебное царство, куда лишь очень немногие люди когда-либо забредают. Сжигая ископаемое топливо, люди начали огромные экологические изменения в регионе, где постоянно проживает всего несколько человек. Можно ожидать, что серьезные изменения в арктической экосистеме и влияние на захоронение углерода будут усиливаться по мере дальнейшего нагревания нашей планеты. Поскольку изменения в полярных регионах затрагивают каждого из нас, независимо от того, где мы живем, крайне важно ответить на фундаментальные научные вопросы, чтобы мы могли лучше понять последствия этих огромных экологических изменений для человеческой цивилизации.
