Co ma wspólnego tajemnicza epidemia wąglika w odległym zakątku Syberii i pojawianie się gigantycznych kraterów w syberyjskiej tundrze? I czy informacja, że są one związane z ogrzewaniem się Arktyki i rozmarzaniem wieloletniej zmarzliny oznacza, że w naszych szerokościach geograficznych możemy spać spokojnie?

Zacznijmy od tego, czym jest wieloletnia zmarzlina. Jej angielska nazwa „permafrost” pochodzi od dwóch słów: permanently + frozen, czyli stale (trwale) + zamarznięte. Wieloletnia zmarzlina to zamarznięty grunt: gleba, skała lub materiał organiczny, który utrzymuje się w temperaturze 0°C lub niższej przez co najmniej dwa kolejne lata. Kiedyś nazywano wieloletnią zmarzlinę „wieczną zmarzliną”. Dopiero niedawno naukowcy doszli do wniosku, że zmarzlina na skutek zmian klimatu może rozmarzać całkowicie i nie może już być nazywaną „wieczną”.  

Występowanie wieloletniej zmarzliny, źródło: https://nsidc.org/cryosphere/sotc/permafrost.html

Na półkuli północnej regiony, w których występuje wieloletnia zmarzlina, zajmują około 1/4 powierzchni lądu, czyli 23 mln km². Jej grubość waha się od mniej niż jednego metra do ponad 1500 metrów. Najmłodsza zmarzlina pochodzi z okresu  tzw. małej epoki lodowcowej - sprzed kilkuset lat, ale większość istniejącej dziś wieloletniej zmarzliny powstała w okresach zlodowacenia, nawet 30 000 lat temu i przetrwała cieplejsze okresy między zlodowaceniami. Jednak obecne gwałtowne ocieplenie, szczególnie widoczne w obszarze Arktyki, nie pozostaje bez wpływu na głębokość rozmarzania zmarzliny w porze ciepłej. W wielu rejonach występowania zmarzliny warstwa czynna (warstwa rozmarzająca) z roku na rok staje się coraz głębsza. Rozmarzanie jest bardzo poważnym wyzwaniem dla budynków i różnych konstrukcji technicznych występujących w rejonach polarnych. Szacuje się, że około 70% infrastruktury jest zagrożone zniszczeniem do 2050 roku, co może dotknąć ponad 3,5 miliona ludzi żyjących w rejonie występowania zmarzliny.

No dobrze, ale co epidemia wąglika i syberyjskie kratery mają wspólnego z rozmarzaniem wieloletniej zmarzliny?

W 2016 roku Rosja walczyła z tajemniczą epidemią wąglika. Kilkadziesiąt osób trafiło do szpitala, była nawet ofiara śmiertelna. Okazało się, że zarazę przenoszą renifery. Ponad 2000 zwierząt zostało zakażonych. Początkowo nie było wiadomo, jak wybuchła epidemia i skąd wzięły się laseczki wąglika. Okazało się, że najbardziej prawdopodobna hipoteza związana jest z falą upałów, która przyspieszyła rozmarzanie wieloletniej zmarzliny. Wraz z gruntem rozmarzła padlina renifera zarażonego wąglikiem kilkadziesiąt lat temu.

Innym zaskakującym zjawiskiem związanym z rozmarzaniem wieloletniej zmarzliny jest tworzenie się gigantycznych kraterów na Syberii. W 2020 roku masywny krater nagle pojawił się w syberyjskiej tundrze. Potężny wybuch metanu wyrzucił lód i skały na setki metrów i pozostawił wielką, okrągłą dziurę w ziemi. Jest to już 17 otwór, który pojawił się na półwyspach Jamał i Gydańskim w rosyjskiej Arktyce od 2013 roku, kiedy zauważono pierwszy z nich. Uważa się, że kratery mają związek ze zmianą klimatu i znacznie szybszym niż dotychczas rozmarzaniem wieloletniej zmarzliny.

Skąd się bierze metan w rozmarzającej zmarzlinie, jakie ma to konsekwencje i czy może mieć wpływ na nas w Polsce?

Wieloletnia zmarzlina może zawierać materię organiczną, która wcześniej nie uległa rozkładowi z powodu niskiej temperatury. Zmarzlina działa jak pokrywa, blokując zamarznięte osady organiczne głęboko pod ziemią. Jej górna warstwa, nazywana warstwą czynną, rozmarza i ponownie zamarza każdego roku w sposób naturalny. Jednak przez ostatnie dekady proces rozmarzania znacznie się nasilił. Wraz z rozmarzaniem warstwy czynnej, rozmrożeniu ulega również materia organiczna w niej zawarta. Wtedy drobnoustroje zaczynają ją rozkładać - rozpoczyna się proces uwalniania dwutlenku węgla (w procesie tlenowym) lub metanu (w procesie beztlenowym). A dwutlenek węgla i metan to gazy, które obok pary wodnej w największym stopniu odpowiadają za efekt cieplarniany.

Przez wieki w trwale zamarzniętej glebie Arktyki znajdowały się ogromne ilości węgla. Jego uwalnianie do atmosfery to powód do niepokoju także poza daleką północą, ponieważ rozkład materii organicznej spowoduje dodatkową produkcję gazów cieplarnianych i może podnieść globalne temperatury jeszcze bardziej.

Jak szybko to nastąpi? Naukowcy wiedzą, że nawet przy gwałtownych zmianach klimatu zasoby węgla uwięzione w wieloletniej zmarzlinie nie zostaną uwolnione natychmiast. Ten proces może zająć dziesiątki lub setki lat. Dodatkowo nie możemy oszacować tempa uwalniania węgla z dużą dokładnością, ponieważ musimy wziąć pod uwagę różne scenariusze wzrostu temperatury, które z kolei zależą od decyzji dotyczących zużycia energii i źródeł jej pozyskiwania.

Szacuje się, że do końca wieku z wieloletniej zmarzliny może się uwolnić nawet 180 miliardów ton węgla, co odpowiada ponad 500 miliardom ton dwutlenku węgla. Pamiętajmy, że to emisja dodatkowa – ponad to, co wyprodukuje człowiek.

Podmorska zmarzlina i jej wpływ na klimat

Ten scenariusz może być jeszcze gorszy, jeżeli uwzględnimy gazy uwalniane z podmorskiej zmarzliny, czyli wieloletniej zmarzliny występującej pod dnem morskim. Ma ona temperaturę bliską 0°C i obejmuje duże obszary szelfu kontynentalnego - poszerzoną linię kontynentu i równinę przybrzeżną, która była jego częścią w okresie zlodowacenia. Pomimo swojej nazwy, podmorska zmarzlina nie utworzyła się pod morzem czy oceanem. Odnosi się do wieloletniej zmarzliny, która bardzo dawno temu powstała na lądzie, a następnie została zalana, gdy poziom morza wzrósł o 120 metrów w porównaniu do poziomu sprzed 18 000 lat.

Obejmuje ona duże obszary szelfu kontynentalnego Arktyki. Wschodniosyberyjski Szelf Arktyczny jest największym i najpłytszym szelfem na oceanie światowym. Jego całkowita powierzchnia wynosi 2 miliony km². Pod szelfem znajduje się prawdopodobnie największy na świecie zbiornik metanu.

Degradacja podmorskiej zmarzliny ma wpływ na potencjalne uwalnianie metanu z dna morskiego do oceanu i atmosfery. Metan jest najpowszechniejszym gazem występującym w osadach w zmarzlinie i pod nią, a ocieplenie osadów, które prowadzi do rozmarzania podmorskiej zmarzliny, może również powodować uwolnienie metanu. Ten gaz uwalniany spod dna morskiego często przekształca się w dwutlenek węgla w wyniku aktywności drobnoustrojów w słupie wody - procesu, który powoduje, że wody oceaniczne są bardziej kwaśne. Pewna część metanu może również przemieszczać się przez słup wody i docierać do atmosfery nad szelfami kontynentalnymi.

Naukowcy badający podmorską zmarzlinę, porównują szelf do butelki szampana. Gaz wytwarza się w niej i gromadzi się tak długo, jak długo korek nie pozwala mu uciec. Tym korkiem jest podmorska wieloletnia zmarzlina, która służyła do zatrzymywania gazu i nie pozwalała mu przedostać się do oceanu, a następnie do atmosfery. Ta pokrywa była wcześniej nieprzepuszczalna, więc nie było się czym martwić.

Ale kiedy pokrywa traci swoją ciągłość – a tak dzieje się teraz z powodu zmiany klimatu - mamy poważny powód do zmartwień. Obszary wolne od zmarzliny to miejsca, w których metan będzie się uwalniać, a jego ilość będzie wzrastać wraz z dalszym rozmarzaniem podmorskiej zmarzliny.

Żeby opowieść była jeszcze bardziej dramatyczna, musimy przyznać, że naukowcy wciąż nie wiedzą, ile metanu zostanie uwolnione w wyniku rozmarzania podwodnej zmarzliny. Dlatego większość modeli klimatycznych w ogóle nie uwzględnia metanu pochodzącego z tego źródła. A ponieważ wiemy, że dodatnie sprzężenie zwrotne przyspieszy ten proces, możemy spodziewać się, że nawet najbardziej pesymistyczne scenariusze naukowe mogą być niedoszacowane.

Tekst: dr Agata Goździk