Команда, состоящая из экологов Уолтера Оечела (SDSU и Открытый университет) и Донателлы Зона (SDSU и Университет Шеффилда), а также ученых из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), Гарвардского университета, Национального управления океанических и атмосферных исследований и Университета Монтаны, обнаружили, что гораздо больше метана уходит из арктической тундры в холодные месяцы — когда поверхность почвы промерзает (обычно с сентября по май) — а также из горной тундры, чем предполагали ранее преобладающие предположения и разработчики климатических моделей. Фактически, они обнаружили, что по крайней мере половина годовых выбросов метана происходит в холодные месяцы, и что более сухая, возвышенная тундра может быть большим источником выбросов метана, чем влажная тундра.
Это открытие ставит под сомнение критические предположения в текущих глобальных климатических моделях. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Метан является мощным парниковым газом, который усиливает атмосферное потепление и примерно в 25 раз сильнее на молекулу, чем углекислый газ, за ??100-летний период. Метан, попавший в арктическую тундру, в основном возникает в результате микробного разложения органических веществ в почве, которая сезонно оттаивает. Этот метан естественным образом просачивается из почвы в течение года, но ученые опасаются, что изменение климата может привести к еще большему выбросу органических веществ, которые в настоящее время стабилизируются в глубоком мерзлом слое почвы, называемом вечной мерзлотой.
За последние несколько десятилетий ученые использовали специализированные инструменты для точного измерения выбросов метана в Арктике и включили эти результаты в глобальные климатические модели. Однако почти все эти измерения были получены в течение короткого лета в Арктике.
По словам Эчела, долгий и жестокий холодный период в регионе, на который приходится от 70 до 80 процентов года, в значительной степени «игнорируется и игнорируется». По его словам, большинство исследователей полагают, что, поскольку в холодные месяцы земля замерзает, выбросы метана практически прекращаются на зиму.«Практически все климатические модели предполагают, что при замерзании почвы выбросы метана отсутствуют или очень мало», — сказал Оечел. «Это предположение неверно».
По его словам, вода, застрявшая в почве, не замерзает полностью даже при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Верхний слой земли, известный как активный слой, оттаивает летом и повторно замерзает зимой, и при замерзании он испытывает своего рода эффект прослоения. Когда температура около нуля градусов по Цельсию — так называемая «нулевая завеса» — верх и низ активного слоя начинают замерзать, а середина остается изолированной. Микроорганизмы в этом незамерзшем среднем слое продолжают разрушать органические вещества и ежегодно выделять метан в течение многих месяцев в холодный период Арктики.
Сколько метана выбрасывается арктической зимой? Чтобы выяснить это, Оечел и Зона наблюдали за модернизацией пяти вышек для отбора проб, чтобы они могли непрерывно работать круглый год за Полярным кругом на Аляске.
Исследователи зарегистрировали выбросы метана с этих участков в течение двух циклов лето-осень-зима с июня 2013 года по январь 2015 года. Это была трудная задача, требующая узкоспециализированных инструментов, которые должны были работать непрерывно и автономно в условиях сильного холода в течение нескольких месяцев. Они разработали противообледенительную систему, которая устраняет погрешности в измерениях и активируется только тогда, когда это необходимо для поддержания работы приборов при температуре до минус 40 градусов Цельсия.
Проанализировав данные, исследовательская группа обнаружила, что большая часть выбросов метана в холодное время года наблюдалась, когда температура колебалась около нулевой отметки.«Это чрезвычайно актуально для арктической экосистемы, поскольку период нулевой завесы длится с сентября до конца декабря и длится столько же или дольше, чем весь летний сезон», — сказал Зона, первый автор исследования. «Эти результаты противоречат тому, что предполагали разработчики моделей, а именно, что большая часть выбросов метана происходит в теплые летние месяцы, в то время как вклад метана в холодное время года почти равен нулю».Удивительно, но исследователи также обнаружили, что в холодное время года относительные выбросы метана были выше в более сухих, возвышенных тундровых участках, чем на водно-болотных угодьях, что противоречит еще одному давнему предположению о выбросах метана в Арктике.
Ранее предполагалось, что горная тундра вносит незначительный вклад в метан, сказал Зона.Замерзание поверхности препятствует окислению метана, что приводит к значительным чистым выбросам метана осенью и зимой, — сказала она. «Растения действуют как дымоходы, облегчая выход метана через замерзший слой в атмосферу».
Самые высокие годовые выбросы наблюдались на возвышенности в предгорьях хребта Брукс, где теплые почвы и глубокий активный слой привели к высокой скорости производства метана.Чтобы дополнить и проверить наземное исследование, Джон Кимбалл из Университета Монтаны и его команда использовали измерения спутниковых микроволновых датчиков для разработки региональных карт поверхностного водного покрова, включая время, степень и продолжительность сезонных наводнений и высыхания водного покрова в регионе. водно-болотные угодья. «Мы смогли использовать спутниковые данные, чтобы показать, что горные тундровые районы, которые, по-видимому, являются более крупными источниками метана по наземным приборам, составляют более половины всей тундры на Аляске», — сказал Кимбалл.
Наконец, чтобы проверить, является ли отбор проб на конкретном участке репрезентативным для выбросов метана в Арктике, исследователи сравнили свои результаты с измерениями, записанными во время полетов самолетов над регионом, проведенными НАСА в рамках эксперимента по уязвимости углерода в арктических резервуарах (CARVE). «Полеты CARVE были разработаны таким образом, чтобы охватить как можно большую часть года», — сказал Чарльз Миллер из JPL. «Это было непростое мероприятие, потребовавшее сотни часов полета в сложных условиях».По словам Зоны, данные с участков SDSU хорошо согласованы с крупномасштабными измерениями с самолетов.
«Измерения с самолетов CARVE показывают, что большие площади арктических тундр и северных лесов продолжают выбрасывать метан в атмосферу с высокой скоростью даже спустя долгое время после того, как поверхностная почва замерзнет», — сказал Ройзин Комман из Гарвардского университета, который помог получить и проанализировать данные с самолетов.Оечел и Зона подчеркнули важность того, чтобы разработчики климатических моделей обладали хорошими исходными данными о выбросах метана и корректировали свои модели с учетом выбросов метана в холодное время года в Арктике, а также вклада территорий, не являющихся водно-болотными угодьями, включая горные тундры.«Пришло время более тесно сотрудничать с разработчиками климатических моделей и гарантировать, что эти наблюдения используются для улучшения прогнозов моделей и уточнения нашего прогноза глобального бюджета метана», — сказал Зона.
Оечел добавил, что для моделей особенно важно правильно определять выход метана, потому что газ является одним из основных факторов атмосферного потепления. «Если у вас нет правильных механизмов, вы не сможете делать прогнозы на будущее, основываясь на ожидаемых климатических условиях», — сказал он. Стивен Вофси из Гарвардского университета добавил: «Теперь, когда мы знаем, насколько важна зима для бюджета метана, мы работаем над определением долгосрочных тенденций выбросов парниковых газов из тундры и их чувствительности к зимнему потеплению».