Железо обвинили в утечке углекислого газа из многолетней мерзлоты
В условиях изменения климата происходит активная фотоминерализация органического углерода многолетнемерзлых пород. Текущие прогнозы эмиссии углекислого газа из многолетней мерзлоты на ближайшие 300 лет ее не учитывают, и потому занижены как минимум на 14 процентов, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Geophysical Research Letters. Наибольшую роль в этом процессе играет присутствие ионов железа, которые катализируют реакцию фотодекарбоксилирования.
При текущих темпах повышения среднегодовых температур воздуха к 2100 году из многолетней мерзлоты может высвободиться до 15 процентов законсервированного углерода. Большая его часть покинет многолетнемерзлые породы в виде выбросов углекислого газа в атмосферу, однако свой вклад внесет и боковой перенос органического вещества оттаявших почв в поверхностные воды, где складываются условия для его быстрого окисления за счет фотоминерализации. Эти события приведут к существенному сдвигу в изменении климата в сторону еще большего потепления.
Ученые под руководством Дженнифер Боуэн (Jennifer Bowen) из Университета Мичигана представили первую количественную оценку потери органического углерода многолетней мерзлотой за счет фотоминерализации в поверхностных водах. Для этого в 2018 году они отобрали монолитные образцы многолетнемерзлых пород в Норт-Слоуп (Аляска) в шести различных подтипах тундры (сильно увлажненной кислой таликовой, сильно увлажненной кислой ручейковой, влажной осоковой, а также влажной осоковой, сильно увлажненной кислой и сильно увлажненной некислой тундр Сагвона) с глубины ниже 60 сантиметров. Кроме того, авторы поставили модельный эксперимент, имитирующий процесс фотоминерализации: в лабораторных условиях из этих образцов в течение четырех часов выщелачивали растворенное органическое вещество водой, которая предварительно была окислена УФ-излучением. Количество углерода в породе и фильтратах определяли с помощью ускорительной масс-спектрометрии.
Выяснилось, что растворенное органическое вещество многолетнемерзлых пород чувствительно к воздействию света и подвергается под его влиянием фотоминерализации, окисляясь до углекислого газа. Эффективность этого процесса снижалась от ультрафиолетового излучения к излучению с длинами волн в области видимого спектра (р<0,05). Ученые обнаружили, что огромный вклад в фотоминерализацию органического углерода вносит железо, растворенное в фильтрате многолетнемерзлых пород — с ростом его концентрации в растворе процесс усиливался (р<0,001).
Авторы исследования впервые представили механизм взаимодействия железа с растворенным органическим веществом в многолетней мерзлоте: они считают, что ионы железа Fe3+ катализируют фотодекарбоксилирование органических кислот, входящих в состав лигнина и танинов — важнейших компонентов реликтовой органики многолетнемерзлых пород. В результате железо восстанавливается до Fe2+, а углерод карбоксильной группы карбоновых кислот окисляется до углекислого газа, который составляет до 90 процентов от всего CO2, выделяющегося в результате фотоминерализации. Этот процесс также оказался связан с воздействием ультрафиолета, необходимого для фотодекарбоксилирования (р<0,05).
Авторы исследования пришли к выводу, что текущие прогнозы эмиссии углекислого газа из многолетней мерзлоты (2,08⋅1010 тонн к 2300 году) занижены на 14 процентов — именно таким может стать потенциальный вклад фотоминерализации в окисление растворенного органического вещества, законсервированного сейчас в многолетнемерзлых породах.
Таяние многолетней мерзлоты на полуострове Ямал уже привело к высвобождению метана в атмосферу — ученые смогли установить это в ходе исследования причин возникновения Еркутинского кратера в 2017 году.
Марина Попова
Это дает основание полагать, что нынешнее ослабление АМОЦ повлияет на весь глобальный климат
Во время последнего ледникового периода потепление на севере Атлантики и ослабление Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (АМОЦ) приводили к изменению количества осадков в удаленных от этой области регионах: области южноазиатских муссонов и субтропиков северного полушария становились более влажными, а регион южноамериканских муссонов — более засушливым. Это удалось установить по изотопному анализу сталагмитов в пещерах на пяти континентах. Подобные события в прошлом могут указывать на то, что нынешние быстрое потепление климата и ослабление АМОЦ будут также иметь последствия для всей атмосферной циркуляции. Такие выводы содержит исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Во время последнего ледникового периода (120-15 тысяч лет назад) происходили быстрые изменения климата в тысячелетнем масштабе, которые получили название осцилляций Дансгора — Эшгера. Они состояли из относительно теплых и холодных фаз и стремительных (в течение десятилетий) переходов между ними. За ходом этих циклов климатологи наблюдают с помощью прокси-данных — ледяных кернов из Гренландии и Антарктиды, а также древних морских и озерных отложений. Наиболее заметно осцилляции Дансгора — Эшгера проявляются в Северной Атлантике, где во время таких событий сокращается площадь морского льда, быстро растет температура воздуха над Гренландией, а также происходит реорганизация Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции. Однако до сих пор глобальные сдвиги в циркуляциях атмосферы и океана во время таких циклов реконструировали лишь по спорадическим и локальным данным — например, сталагмитам в пещерах на севере Турции. Ученые под руководством Йенс Фольмейстера (Jens Fohlmeister) из Потсдамского института изучения климатических изменений исследовали пространственное распределение переходов между холодными (стадиальными) и теплыми (интерстадиальными) фазами осцилляций Дансгора—Эшгера и их влияние на атмосферную циркуляцию. Для этого они использовали данные изотопного анализа о соотношении стабильных изотопов кислорода 18O и 16O. Известно, что во время потепления в пресной воде растет содержание тяжелого изотопа 18O и падает содержание легкого изотопа 16O. Их соотношение описывается показателем δ18O, и в палеоклиматологии его конкретные значения приняты для разных температур. Авторы установили величины δ18O в 111 спелеотемах из 67 пещер, расположенных на всех континентах, кроме Антарктиды. Спелеотемы — это вторичные минеральные отложения, которые образуются в пещерах, например, сталагмиты. Также палеоклиматологи рассчитали средние значения температур и количества осадков за каждое столетие, используя модели из ансамбля CMIP5 с высоким разрешением. Авторы исследования обнаружили, что временной ряд δ18O отражает закономерности переходов от стадиальных фаз к интерстадиальным во всех 111 спелеотемах. Медианная амплитуда интерстадиального перехода δ18O в течение последнего ледникового периода в них составила от −3,1 до +2,4 промилле. Ученым удалось выявить влияние потепления на севере Атлантики и ослабление АМОЦ на климат в удаленных от этого региона широтах. Например, в регионе южноазиатских муссонов (территории нынешних Индии и Китая) и субтропиках северного полушария (Карибский бассейн) интерстадиальные периоды сопровождались выпадением бóльшего количества осадков, чем стадиальные, за счет сдвига субтропической зоны конвергенции на север. В области муссонов в Южной Америки тенденция была противоположной — теплые периоды были более засушливыми. Авторы отметили, что полученные результаты подтверждают влияние потепления в северной части Атлантики и ослабления АМОЦ на глобальный климат: эти события уже приводили к крупномасштабным изменениям количества и сезонности осадков в различных регионах планеты — то есть по сути изменению всей атмосферной циркуляции. Эта связь может служить архетипом для последствий быстрого изменения климата, которое происходит сейчас и также сопровождается таянием Гренландского ледового щита и ослаблением АМОЦ. Недавно ученые смоделировали, как будет меняться АМОЦ в XXI веке, впервые опираясь на данные о температуре морской поверхности в северной части Атлантического океана за последние 150 лет. Согласно их прогнозу, тренд на ослабление этой циркуляции приведет к тому, что АМОЦ с высокой вероятностью не сможет существовать в прежнем виде уже в период 2025-2095 годов.
