Как необычная дружба разрушила мифы о вечной мерзлоте

This is a sanctioned rendition of an Eos article.

On a bright, frosty day in Fairbanks, Alaska, I followed researchers Taylor D. Sullivan and Daniel Vandevort into a cold, dusty, underground tunnel.

Они надели каски поверх вязаных шапок и провели меня через гофрированную металлическую трубу в земляной туннель. Салливан включил фонарик и осветил грунтовые стены терракотового цвета. Мы стояли внутри просторного прохода из вечной мерзлоты, уходящего в сторону холма на площадь более пяти футбольных полей.

Над нами витал запах заплесневелого сыра на скотном дворе. Пахло “бизоньими кусками и кусками мамонта”, сказал Sullivan, геофизик инженерных войск армии США из Научно-технической лаборатории по изучению северных районов, которой принадлежит туннель. Vandervort, гражданский инженер из этой лаборатории, сказал, что запах может держаться на человеке несколько дней.

Это был март 2022 года, когда я приехал на Аляску, чтобы узнать о символе изменения климата—ужасной петле обратной связи в арктическом оттаивании. Многие люди изучают таяние вечной мерзлоты, но мало кто посещает Арктику зимой. В частности, я был здесь, чтобы увидеть неразгаданную тайну таяния вечной мерзлоты: зимние выбросы метана.

Дело не только в Арктике: начиная с 2007 г. выбросы метана во всем мире растут ускоренными темпами, и ученые не уверены в их причинах. В прошлом году в атмосферу попало около 640 млн. метрических тонн метана, и его глобальная концентрация достигла самого высокого значения с момента начала сбора данных в 1983 г.

Хотя ученые полагают, что арктический метан составляет лишь небольшую часть сегодняшнего роста выбросов, они опасаются, что ситуация изменится. По словам Susan Natali из Центра климатических исследований Вудвелла в Фалмуте (штат Массачусетс), выбросы парниковых газов в результате таяния вечной мерзлоты могут использовать до 25–40% допустимых выбросов, чтобы удержать повышение температуры ниже 2°C.

Знаменательное открытие российского ученого и американского исследователя, изучавших зимние выбросы метана в 1990-х годах, выявило неучтенный ранее источник выделения метана. В последующие годы оценки потепления климата за счет вечной мерзлоты увеличились более чем в два раза.

В то время между российскими и американскими учеными не было тесного взаимодействия, и это разделение вернулось с конфликтом на Украине. Языковой барьер не позволял россиянам попасть в ведущие западные издания, а страна только что пережила распад Советского Союза в 1991 г.

Terry Chapin, в то время преподаватель Калифорнийского университета в Беркли, стремился изменить эту ситуацию не только по академическим соображениям. Его жена, Мини, изучала русский язык в колледже. “Для нас с Мини это был шанс заняться наукой вместе”.

В 1991 году Чейпин познакомился с сибирским ученым Sergey Zimov на конференции по изменению климата Арктики в Университете штата Орегон. Геофизик Зимов проделал большой путь. Он жил на удаленной северной исследовательской станции в России, которую основал в 1970-х годах вместе с тремя другими семьями. С тех пор на станции он изучал вечную мерзлоту, тундру, озера и многое другое.

“Я был просто поражен его гениальностью”, сказал Чейпин.

Находясь вдали от залов западных учреждений, Зимов имел далеко идущие планы. “У нас были такие прекрасные долгие споры”, – говорит Чейпин. “И почти в каждом случае он убеждал меня в своей правоте”.

Одна из идей Зимова: не странно ли, что в глобальных базах данных атмосферный метан достигает максимума в высоких широтах в зимний период? “Все это не укладывается в общепринятые объяснения причин выброса метана с поверхности Земли, – говорит Чейпин.

В течение многих лет Чейпин с женой навещали Зимова на его Северной Сибирской научной станции. Во время третьего визита он работал с Зимовым над тем, что стало фундаментальным открытием.

Шведский стол ледникового периода

Прошли десятилетия, и едва я сделал десяток шагов по туннелю вечной мерзлоты, как появился бизон эпохи палеолита. Его бивень торчал у самой земли, скрытый за электрическими проводами. Я спросил, можно ли его потрогать, и Вандерворт пожал плечами. “Это не музей”.

На ощупь желобки бивня были гладкими, как речной камень. Из стен выступали еще кости, и Салливан с Вандервортом объяснили их происхождение (последний ледниковый период) и возраст (от 14 до 30 тыс. лет). Эти звери бродили по травянистым равнинам внутренних районов Аляски в эпоху плейстоцена, спасаясь от когтей короткомордых медведей размером с лошадь и саблезубых кошек.

Салливан и Вандерворт вели меня дальше по коридору, увешанному лампочками, взбивая ногами мелкую пыль. Sullivan остановился, чтобы провести руками по свисающим с потолка туннеля прядям осоки. Осока была мертва уже 31 000 лет, но холод сохранил ее в таком идеальном состоянии, что травинки все еще светились зеленым хлорофиллом.

До дружбы Чейпина и Зимова ученые считали, что эти реликты ледникового периода имеют мало общего с арктическим таянием. Исследования, проведенные в начале 1990-х годов на Аляске и в Миннесоте, позволили предположить, что парниковые газы из замерзшей земли исходят от современных растений. Это не так уж и далеко от правды: в современных лесах деревья всасывают углерод, но со временем перегнивают и выбрасывают его обратно в атмосферу. Подобно циркулирующей воде в фонтане, углерод остается в замкнутом цикле.

Но во время пребывания в Черском Чейпин собрал образцы метана из озерных пузырей над оттаивающей вечной мерзлотой и привез их в США, где уговорил своего друга провести радиоуглеродное датирование. Возраст углерода в метане составил 27 200 лет—он не проникал в нашу атмосферу со времен мамонтов.

Микробы, живущие в донных отложениях сибирских озер, превращали углерод ледникового периода в современные выбросы метана, пишут Зимов и Чейпин в своей эпохальной статье в журнале Science в 1997 г.

Микробы могут охлаждаться

Но это было не единственное их открытие. Зимов выкопал несколько кернов вечной мерзлоты из разрушающегося берега сибирского озера. Он залил эти керны озерной водой и держал их в разных температурах в лаборатории.

Газ скапливался в верхней части кернов, и Зимов сделал поразительный вывод: микробы вечной мерзлоты выкачивали метан даже при температуре от 0 до 1°С. Микробы, живущие в этой болотной экосистеме, прекрасно себя чувствовали при низких температурах.

Керны Зимова имитировали среду многих заболоченных ландшафтов вечной мерзлоты. В этой бедной кислородом среде обломки ледникового периода не могут сравниться с бактериями, которые перерабатывают целлюлозу отмерших растений в ацетат, газообразный водород и простые углеводы. Голодные метаногены—микробы, вырабатывающие метан—поглощают эти соединения и выделяют метан.

On the other side of the world, I observed the mirrored reflection of the Siberian permafrost in the walls of the tunnel at Zimova and Cheypina. It so happened that the permafrost at the Scientific and Technical Laboratory for the Study of Northern Regions turned out to be “one of the most accessible large-scale locations of rich carbon permafrost on Earth,” as stated in an article published in the journal Frontiers in Earth Science. Edooms, a type of carbon-rich permafrost with a thick layer of ice, is the same type that underlies the lakes at Zimova and Cheypin, and it has become synonymous with the collective concern of scientists about thawing permafrost.

В размороженном состоянии кубический сантиметр вечной мерзлоты может содержать миллиард микробов: миллиард микробов, поместившихся в кубике сахара.

“Статья Chapin обладает дальновидностью в том смысле, что зимнее оттаивание озер происходит именно сейчас”, говорит эколог Ben Poulter, работающий в Центре космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте (штат Мэриленд) и составляющий таблицы источников метана по всему миру.

Аспирантка этой пары, Katey Walter Anthony, в дальнейшем доказала, что на выбросы метана из озер может приходиться половина всего потепления от таяния вечной мерзлоты, хотя они занимают лишь незначительную часть площади суши.

Как это часто бывает в науке, эти открытия начались с простого вопроса о зимних выбросах метана, а ответ на него привел к большему количеству вопросов, чем ответов. В следующем выпуске The Curve мы узнаем о современных исследованиях этого вопроса, включающих в себя передовое выборочное обследование воздушных проб, визиты на атомные подводные лодки и несколько разъяренных лосей.

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), штатный писатель

Сериал The Curve рассказывает о загадочном росте содержания метана в нашей атмосфере и поисках его источника.

Text © 2023. The authors. CC BY-NC-ND 3.0

Unless otherwise stated, images are protected by copyright. Use of these images without explicit permission from the owner is not allowed.