Введение

Почва, замерзшая в течение не менее двух лет. Замерзшая почва. Вечная мерзлота — это почва или подводные отложения, которые непрерывно остаются в замерзшем состоянии в течение двух лет и более: самая древняя вечная мерзлота оставалась непрерывно замороженной около 700 000 лет. Земля под ледниками и ледниковыми щитами обычно не классифицируется как вечная мерзлота, поэтому на суше вечная мерзлота обычно залегает под так называемым активным слоем почвы, который замерзает и оттаивает в зависимости от сезона. Около 15% Северного полушария, или 11% поверхности Земли, подстилается вечной мерзлотой, общей площадью около 400 км². Это включает в себя обширные территории Аляски, Канады, Гренландии и Сибири. Она также встречается в высокогорных районах, ярким примером является Тибетское плато. В Южном полушарии вечная мерзлота встречается лишь в небольшом количестве, в основном на горных склонах, таких как Анды в Патагонии, Южные Альпы Новой Зеландии или самые высокие горы Антарктиды. Выбросы при оттаивании вечной мерзлоты окажут существенное влияние на климат и глобальный углеродный цикл. Точно предсказать объем выделяемых вечной мерзлотой парниковых газов сложно из-за неопределенности в отношении различных процессов оттаивания. Существует общее мнение, что эти выбросы будут меньше антропогенных и недостаточны для запуска неконтролируемого потепления. Скорее, годовые выбросы от вечной мерзлоты сопоставимы с глобальными выбросами от обезлесения или с годовыми выбросами крупных стран, таких как Россия, Соединенные Штаты или Китай. Помимо климатического воздействия, оттаивание вечной мерзлоты несет дополнительные риски. Ранее замороженная почва часто содержит достаточно льда, чтобы при оттаивании происходило резкое превышение гидравлической насыщенности, что приводит к значительным смещениям грунта и даже обрушениям. Многие здания и инфраструктура были построены на вечной мерзлоте в ее замороженном и стабильном состоянии и поэтому уязвимы к обрушению при оттаивании. По состоянию на 2018 год средняя толщина вечной мерзлоты в Северном полушарии составляет ~, но наблюдаются значительные региональные различия. Северо-восточная Сибирь, Аляска и Гренландия характеризуются наиболее сплошной вечной мерзлотой и наименьшей толщиной активного слоя (менее в среднем, а иногда и всего лишь ), в то время как южная Норвегия и Монгольское плато — единственные районы, где средняя толщина активного слоя превышает , с рекордным значением . Граница между активным слоем и самой вечной мерзлотой иногда называется горизонтом вечной мерзлоты. Большая часть этой территории находится в Сибири, северной Канаде, Аляске и Гренландии. Под активным слоем амплитуда годовых колебаний температуры вечной мерзлоты уменьшается с глубиной. Максимальная глубина вечной мерзлоты достигается непосредственно перед точкой, где геотермальное тепло поддерживает температуру выше нуля. Выше этой нижней границы может существовать вечная мерзлота с постоянной годовой температурой — «изотермальная вечная мерзлота».

Непрерывность охвата

Пермафрост обычно формируется в любом климате, где среднегодовая температура воздуха ниже температуры замерзания воды. Исключения встречаются во влажных бореальных лесах, таких как в Северной Скандинавии и северо-восточной части Европейской России к западу от Урала, где снег служит теплоизолирующим слоем. Ледниковые области также могут являться исключением. Поскольку все ледники подогреваются снизу геотермальным теплом, умеренные ледники, находящиеся близко к точке плавления под давлением по всей толще, могут содержать жидкую воду на границе с землей и, следовательно, не имеют подстилающего пермафроста. "Ископаемые" холодные аномалии в геотермическом градиенте в районах, где глубокий пермафрост развивался в плейстоцене, сохраняются на глубине до нескольких сотен метров. Это подтверждается измерениями температуры в скважинах в Северной Америке и Европе.

Непрерывная вечная мерзлота

Температура под землей меняется меньше от сезона к сезону, чем температура воздуха, при этом среднегодовая температура, как правило, увеличивается с глубиной из-за геотермального градиента земной коры. Таким образом, если среднегодовая температура воздуха лишь немного ниже 0°C, вечная мерзлота будет формироваться только в защищенных местах (обычно с северной или южной экспозицией, соответственно в северном и южном полушариях), образуя прерывистую вечную мерзлоту. Обычно вечная мерзлота остается прерывистой в климате, где среднегодовая температура поверхности почвы находится в диапазоне от 0 до -2°C. Во влажных районах с обильными осадками, упомянутых ранее, может отсутствовать даже прерывистая вечная мерзлота на глубине до 2 метров. Прерывистая вечная мерзлота часто подразделяется на обширную прерывистую вечную мерзлоту, при которой вечная мерзлота покрывает от 50 до 90 процентов территории и обычно встречается в районах со среднегодовой температурой от -1 до 5°C, и спорадическую вечную мерзлоту, при которой покрытие вечной мерзлотой составляет менее 50 процентов территории и обычно наблюдается при среднегодовой температуре от -2 до 0°C. В почвоведении спорадическая зона вечной мерзлоты обозначается аббревиатурой SPZ, а обширная прерывистая зона вечной мерзлоты – DPZ. Исключения встречаются в незаледенной Сибири и Аляске, где современная глубина вечной мерзлоты является реликтом климатических условий ледниковых периодов, когда зимы были до 10°C холоднее, чем сегодня.

Альпийская вечная мерзлота

В различных широтах как Северного, так и Южного полушарий существуют высоты, на которых достаточно холодно для поддержания многолетнемерзлой почвы: одними из наиболее известных примеров являются Канадские Скалистые горы, Европейские Альпы, Гималаи и Тянь-Шань. В целом, установлено, что для существования обширной альпийской многолетней мерзлоты требуется среднегодовая температура воздуха в , хотя это значение может меняться в зависимости от местной топографии, и в некоторых горных районах известно о наличии многолетней мерзлоты при . Также возможно, что подпочвенная альпийская многолетняя мерзлота покрыта более теплым почвенным слоем, поддерживающим растительность. [[Файл:Sayedi 2020 post LGM вечная мерзлота. Изменения в распространении и структуре подледниковой многолетней мерзлоты между последним ледниковым максимумом и настоящим временем. В 2014 году, на основе совокупности региональных оценок, было установлено общее глобальное распространение альпийской многолетней мерзлоты в . Однако к 2014 году альпийская многолетняя мерзлота в Андах не была полностью картирована, хотя ее распространение было смоделировано для оценки количества воды, заключенной в этих районах.

Подводная вечная мерзлота

Подводная вечная мерзлота распространена под морским дном и существует на континентальных шельфах полярных регионов. Эти области сформировались во время последнего ледникового периода, когда большая часть воды на Земле была заключена в ледяные щиты на суше, а уровень моря был низким. По мере таяния ледяных щитов и превращения их в морскую воду в период голоцена, при отступлении ледников, прибрежная вечная мерзлота оказалась затопленной, образовав шельфовые зоны с относительно теплыми и солеными условиями по сравнению с наземной вечной мерзлотой. С тех пор эти условия привели к постепенному и продолжающемуся сокращению площади подводной вечной мерзлоты. Подводная вечная мерзлота также может перекрывать залежи метангидратов, которые ранее рассматривались как потенциальная точка невозврата в климатической системе в рамках так называемой гипотезы «гидратного пистолета», но в настоящее время не считаются значимым фактором прогнозируемых изменений климата.

Прошлая протяженность вечной мерзлоты

В последний ледниковый максимум сплошная вечная мерзлота покрывала значительно большую территорию, чем сейчас, охватывая всю незаледененную Европу к югу до Сегеда (юго-восточная Венгрия) и Азовского моря (тогда сухопутную территорию) и Восточной Азии к югу до современных Чанчуня и Абашири. В Северной Америке к югу от ледникового покрова существовал лишь крайне узкий пояс вечной мерзлоты примерно на широте Нью-Джерси, проходящий через южную Айову и северную Миссури, однако вечная мерзлота была более распространена в засушливых западных регионах, простираясь до южной границы Айдахо и Орегона. В Южном полушарии имеются некоторые свидетельства существования вечной мерзлоты этого периода в центральном Отаго и Аргентинской Патагонии, но она, вероятно, была прерывистой и связана с тундрой. Альпийская вечная мерзлота также встречалась в Дракенсберге во время ледниковых максимумов на высоте выше приблизительно .

Влияние на глобальные температуры

Прогнозы вечной мерзлоты в масштабе столетия (2022 год). 9 вероятных сценариев выбросов парниковых газов в результате таяния вечной мерзлоты в XXI веке, демонстрирующих ограниченную, умеренную и интенсивную реакцию выбросов на низкие, средние и высокие траектории представительных концентраций. Вертикальная шкала использует выбросы отдельных крупных стран для сравнения: правая сторона шкалы показывает их совокупные выбросы с начала промышленной революции, а левая – совокупные выбросы каждой страны в оставшейся части XXI века, если их уровни останутся неизменными по сравнению с 2019 годом. Обзор 2022 года показал, что каждый градус глобального потепления приведет к выбросам и таянию в результате резкого оттаивания к 2100 и 2300 годам. При глобальном потеплении около 1,5°C может произойти резкий (примерно в течение 50 лет) и широкомасштабный коллапс областей вечной мерзлоты, что приведет к дополнительному потеплению на .

Нестабильность грунта, вызванная оттаиванием

Сильная береговая эрозия на арктическом побережье Аляски. По мере стока или испарения воды структура почвы ослабевает и иногда становится вязкой, пока не восстанавливает прочность с уменьшением содержания влаги. Одним из видимых признаков деградации вечной мерзлоты является случайное отклонение деревьев от вертикального положения в районах распространения вечной мерзлоты. Глобальное потепление усиливает нарушения устойчивости склонов, содержащих вечную мерзлоту, и поступление осадочного материала в речные системы, что приводит к значительному увеличению количества наносов в реках. С другой стороны, нарушение ранее твердой почвы увеличивает дренаж водоемов в северных болотистых местностях. Это может привести к их высыханию и поставить под угрозу выживание растений и животных, адаптированных к экосистеме водно-болотных угодий. В высокогорьях значительная часть структурной стабильности обеспечивается ледниками и вечной мерзлотой. По мере потепления климата вечная мерзлота оттаивает, снижая устойчивость склонов и увеличивая напряжение из-за накопления порового давления воды, что в конечном итоге может привести к обрушению склонов и оползням. За прошедшее столетие было зарегистрировано растущее число случаев обрушения горных склонов в горных массивах по всему миру, некоторые из которых связывают с оттаиванием вечной мерзлоты, вызванным изменением климата. Оползень в Валь-Пола в 1987 году, унесший жизни 22 человек в итальянских Альпах, является одним из таких примеров. В 2002 году массовые обвалы скальных и ледяных пород (до 11,8 млн м3), землетрясения (до 3,9 баллов по шкале Рихтера), наводнения (до 7,8 млн м3 воды) и быстрое течение скальных и ледяных масс на большие расстояния (до 7,5 км со скоростью 60 м/с) были связаны с нестабильностью склонов в высокогорной вечной мерзлоте. Оттаивание вечной мерзлоты на острове Гершель, Канада, 2013 год. Оттаивание вечной мерзлоты также может приводить к образованию лопастей обломков, содержащих мерзлоту (FDL), которые определяются как «медленно движущиеся оползни, состоящие из почвы, скальных пород, деревьев и льда». Это заметная проблема в южной части горного хребта Брукс на Аляске, где к 2012 году некоторые FDL достигали в ширину, в высоту и в длину. По состоянию на декабрь 2021 года в южной части горного хребта Брукс было выявлено 43 лопасти обломков, содержащих мерзлоту, которые потенциально могут угрожать как трассе Трансаляскинского нефтепровода (TAPS), так и шоссе Далтон, являющемуся основной транспортной артерией между внутренними районами Аляски и Северным склоном Аляски.

Инфраструктура

[[Файл:Hjort 2018 инфраструктура вечной мерзлоты. png|thumb|Карта вероятного риска для инфраструктуры от таяния вечной мерзлоты, ожидаемого к 2050 году. В результате широкий спектр инфраструктуры в районах вечной мерзлоты находится под угрозой таяния. По оценкам, к 2050 году почти 70% мировой инфраструктуры, расположенной в районах вечной мерзлоты, окажутся в зоне высокого риска таяния, включая 30–50% "критической" инфраструктуры. Связанные с этим затраты могут достичь десятков миллиардов долларов к второй половине столетия. Сокращение выбросов парниковых газов в соответствии с Парижским соглашением, как ожидается, стабилизирует риск после середины века; в противном случае он продолжит ухудшаться. Аналогичные оценки были сделаны для сценария RCP4.5, менее интенсивного, который приводит к потеплению примерно к 2100 году на уровне, сопоставимом с текущими прогнозами. В этом случае общий ущерб от таяния вечной мерзлоты сокращается до 3 миллиардов долларов, а ущерб дорогам и железным дорогам уменьшается примерно на две трети (с 700 и 620 миллионов долларов до 190 и 220 миллионов долларов), а ущерб трубопроводам сокращается более чем в десять раз, с 170 миллионов долларов до 16 миллионов долларов. В отличие от других издержек, связанных с изменением климата на Аляске, таких как ущерб от увеличения осадков и наводнений, адаптация к изменению климата не является эффективным способом снижения ущерба от таяния вечной мерзлоты, поскольку она обойдется дороже, чем ущерб, понесенный в любом из сценариев. К 2022 году до 80% зданий в некоторых городах Северной России уже пострадали. Это включает в себя объекты добычи нефти и газа, 45% которых, по оценкам, находятся в зоне риска. [[Файл:Ran 2022 QTP Ущерб вечной мерзлоты 2050. png|thumb|left|Детальная карта инфраструктуры Циньхай-Тибетского нагорья, находящейся под угрозой таяния вечной мерзлоты в соответствии со сценарием SSP2 4.5.

Выброс токсичных загрязняющих веществ

[Файл:Langer 2023 оттаило загрязнение. png|миниатюра|Графическое представление утечек различных токсичных веществ, вызванных оттаиванием ранее стабильной вечной мерзлоты. Особую обеспокоенность вызывают органохлорины и другие стойкие органические загрязнители из-за их потенциала повторного попадания в местные сообщества после высвобождения через биоаккумуляцию в рыбе. В худшем случае будущие поколения, рожденные в Арктике, могут появиться на свет с ослабленной иммунной системой из-за накопления загрязняющих веществ в поколениях. [Файл:Langer 2023 alaska distributions. png|миниатюра|слева|Распределение токсичных веществ, в настоящее время находящихся в различных местах вечной мерзлоты на Аляске, по секторам. Количество скелетов рыбы отражает токсичность каждого вещества. Событие было описано как вторая по масштабу авария с разливом нефти в современной российской истории. Другая проблема, связанная с оттаиванием вечной мерзлоты, – это высвобождение природных залежей ртути. По оценкам, в вечной мерзлоте заморожено около 800 000 тонн ртути. По наблюдениям, примерно 70% из них поглощается растительностью после оттаивания.

Микроорганизмы

[[Файл:Алимпийские 2023 вирусы вечной мерзлоты.jpg|thumb|left|Некоторые из древних вирусов, поедающих амеб, возрождённые исследовательской группой Жана Мишеля Клавэри. По часовой стрелке сверху: Pandoravirus yedoma; Pandoravirus мамонт и Megavirus мамонт; Cedratvirus lena; Pithovirus мамонт; Megavirus мамонт; Pacmanvirus lupus. Кроме того, некоторые учёные утверждают, что горизонтальный перенос генов может происходить между более древними, ранее замороженными бактериями и современными, и одним из последствий может стать внедрение новых генов устойчивости к антибиотикам в геном современных патогенов, что усугубит и без того ожидаемую сложную проблему в будущем. Другие учёе утверждают, что риск того, что древние микроорганизмы смогут пережить оттаивание и представлять угрозу для человека, научно необоснован. В то же время, некоторые исследования показывают, что устойчивость древних бактерий к антимикробным препаратам может быть сопоставима или даже ниже, чем у современных.

Растения

В 2012 году российские исследователи доказали, что вечная мерзлота может служить естественным хранилищем древних форм жизни, возродив образец Silene stenophylla из 30 000-летней ткани, обнаруженной в норе белки ледникового периода в сибирской вечной мерзлоте. Это самая древняя растительная ткань, когда-либо успешно возрождённая. Полученное растение оказалось плодородным, давая белые цветы и жизнеспособные семена. Исследование продемонстрировало, что живая ткань способна сохраняться в замороженном состоянии на протяжении десятков тысяч лет.

История научных исследований

[[Файл:Schuur 2022 литература по вечной мерзлоте углерода. Ежегодное количество научных работ, опубликованных по теме вечной мерзлоты, возросло с незначительного числа в 1990 году до примерно 400 к 2020 году. Также известно, что в 1843 году Карл Эрнст фон Бэр написал первый в мире учебник по вечной мерзлоте – «Материалы для изучения многолетнего грунтового льда», написанный на его родном языке. Однако он не был опубликован в то время, а русский перевод был готов только в 1942 году. Оригинальный немецкий учебник считался утраченным, пока в архивах библиотеки университета Гиссена не была обнаружена его рукопись 1843 года. 234-страничный текст был сделан доступным в сети Интернет с дополнительными картами, предисловием и комментариями. В этом отчете был предложен английский термин как сокращение от permanently frozen ground, что рассматривалось как прямой перевод русского термина вечная мерзлота (вечная мерзлота). В 1953 году этот перевод подвергся критике со стороны другого исследователя USGS, Инны Поир, поскольку она считала, что термин создал нереалистичные ожидания относительно его стабильности; в последнее время некоторые исследователи утверждают, что «вечно замерзающая» земля была бы более подходящим переводом. Сам отчет был засекречен (как Армия США. Офис начальника инженерных войск, Стратегическое инженерное исследование, № 62, 1943) до публикации пересмотренной версии в 1947 году, которая считается первым североамериканским трудом по данной теме. С 11 по 15 ноября 1963 года на территории Университета Пердью в американском городе Вест-Лафайетт, штат Индиана, состоялась Первая международная конференция по вечной мерзлоте. В ней приняли участие 285 участников (включая «инженеров, производителей и строителей», которые участвовали вместе с исследователями) из различных стран (Аргентина, Австрия, Канада, Германия, Великобритания, Япония, Норвегия, Польша, Швеция, Швейцария, США и СССР). Это ознаменовало начало современного научного сотрудничества в этой области. Конференции продолжают проводиться каждые пять лет. Во время Четвертой конференции в 1983 году специальная встреча стран-участниц «Большой четверки» (США, СССР, Китай и Канада) официально учредила Международную ассоциацию по изучению вечной мерзлоты. В последние десятилетия исследования вечной мерзлоты привлекают больше внимания, чем когда-либо, в связи с ее ролью в изменении климата. Как следствие, наблюдается резкий рост числа опубликованных научных работ. Около 1990 года почти не публиковалось статей, содержащих слова «вечная мерзлота» и «углерод»: к 2020 году ежегодно публиковалось около 400 таких статей. Южная граница распространения вечной мерзлоты в Евразии по данным Карла Эрнста фон Бэра (1843) и других авторов.