«Наблюдение за этими карибу, марширующими гуськом по тундре, открывает перспективу того, что мы делаем здесь, в Арктике», — сказал Миллер, главный исследователь эксперимента по исследованию уязвимости углеродных коллекторов в арктических коллекторах (CARVE), который проводится в течение пяти лет под руководством НАСА. Кампания по изучению того, как изменение климата влияет на углеродный цикл Арктики.«Арктика имеет решающее значение для понимания глобального климата», — сказал он. «Изменение климата уже происходит в Арктике быстрее, чем ее экосистемы могут адаптироваться. Смотреть на Арктику — все равно что смотреть на канарейку в угольной шахте для всей системы Земли».
На борту самолета NASA C-23 Sherpa из летной базы НАСА в Уоллопсе, остров Уоллопс, штат Вирджиния, Миллер, руководитель проекта CARVE Стив Динардо из Лаборатории реактивного движения и научная группа CARVE исследуют глубину замороженных земель за Полярным кругом. Команда измеряет выбросы парниковых газов, углекислого газа и метана в результате таяния вечной мерзлоты — сигналы, которые могут иметь ключевое значение для будущего климата Земли.
Что лежит подВечная мерзлота (многолетняя мерзлота) лежит в основе большей части Арктики.
Каждое лето оттаивают верхние слои этих почв. Толщина талого слоя варьируется от примерно 4 дюймов (10 сантиметров) в самых холодных регионах тундры до нескольких ярдов или метров в южных бореальных лесах. Этот активный слой почвы на поверхности обеспечивает ненадежную точку опоры, на которой выживает арктическая растительность. Чрезвычайно холодные и влажные условия Арктики не позволяют мертвым растениям и животным разлагаться, поэтому каждый год в резервуары органического углерода, улавливаемого под верхним слоем почвы, добавляется еще один слой.
На протяжении сотен тысячелетий вечная мерзлота в почвах Арктики накапливала огромные запасы органического углерода — по оценкам, от 1400 до 1850 петаграмм (петаграмма составляет 2,2 триллиона фунтов или 1 миллиард метрических тонн). Это примерно половина всего органического углерода, хранящегося в почвах Земли. Для сравнения, с 1850 года в результате сжигания ископаемого топлива и деятельности человека было выделено около 350 петаграмм углерода.
Большая часть этого углерода находится в уязвимых к таянию почвах в пределах 10 футов (3 метров) от поверхности.Но, как выяснили ученые, вечная мерзлота и накопленный в ней углерод не могут быть такими постоянными, как следует из ее названия. И это их беспокоит.«Вечная мерзлота нагревается даже быстрее, чем температура воздуха в Арктике — от 2,7 до 4,5 градусов по Фаренгейту (от 1,5 до 2,5 градусов по Цельсию) всего за последние 30 лет», — сказал Миллер. «Поскольку тепло с поверхности Земли проникает в вечную мерзлоту, оно угрожает мобилизовать эти резервуары органического углерода и выбросить их в атмосферу в виде углекислого газа и метана, нарушая углеродный баланс Арктики и значительно усугубляя глобальное потепление».
Современные климатические модели не учитывают адекватно влияние изменения климата на вечную мерзлоту и то, как ее деградация может повлиять на региональный и глобальный климат. Ученые хотят знать, какое количество углерода вечной мерзлоты может быть уязвимо для выброса по мере потепления климата Земли и как быстро он может высвободиться.Лучшее понимание арктического углеродаВходит РЕЗЬБА.
Вот уже третий год это исследование программы NASA Earth Ventures расширяет наше понимание того, как водный и углеродный циклы в Арктике связаны с климатом, а также то, какое влияние пожары и таяние вечной мерзлоты оказывают на выбросы углерода в Арктике. CARVE проверяет гипотезы о том, что арктические резервуары углерода уязвимы к потеплению климата, одновременно предоставляя первые прямые измерения и подробные региональные карты арктических источников углекислого газа и метана и демонстрируя новые возможности дистанционного зондирования и моделирования. Участвуют около двух десятков ученых из 12 институтов.«Арктика резко нагревается — в два-три раза быстрее, чем в регионах средних широт, — но нам не хватает постоянных наблюдений и точных климатических моделей, чтобы с уверенностью знать, как баланс углерода между живыми существами будет реагировать на изменение климата и связанные с ним явления в мире.
21 век », — сказал Миллер. «Изменения климата могут вызвать преобразования, которые просто необратимы в течение нашей жизни, потенциально вызывая быстрые изменения в системе Земли, которые потребуют адаптации со стороны людей и экосистем».Команда CARVE выполнила тестовые полеты в 2011 году и научные полеты в 2012 году. В апреле и мае они выполнили первые две из семи запланированных ежемесячных кампаний в 2013 году, и в настоящее время они проводят свою июньскую кампанию.Каждая двухнедельная полетная кампания через Арктику Аляски предназначена для учета сезонных изменений в углеродном цикле Арктики: весеннее таяние в апреле / мае, пик летнего вегетационного периода в июне / июле и ежегодные осенние заморозки и первый снег в Сентябрь октябрь.
С базы в Фэрбенксе, Аляска, C-23 летает до восьми часов в день к местам на Северном склоне Аляски, во внутренних районах и в долине реки Юкон над тундрой, вечной мерзлотой, северными лесами, торфяниками и водно-болотными угодьями.C-23 не выиграет ни одного конкурса красоты — его пилоты называют его «грузовиком UPS с плохой работой носа». Внутри очень шумно — для общения пилоты и экипаж надевают шумоподавляющие наушники. «Когда снимаешь наушники, это похоже на гонку NASCAR», — пошутил Миллер.Но то, чего С-23 не хватает в красоте и бесшумности, компенсируется надежностью и способностью, так сказать, летать «в грязи».
Большую часть времени он пролетает на высоте около 152 метров над уровнем земли, периодически поднимаясь на большую высоту для сбора фоновых данных. Большинство воздушных миссий по измерению содержания углекислого газа и метана в атмосфере не летают так низко. «CARVE показывает, что вам нужно летать очень близко к поверхности в Арктике, чтобы зафиксировать интересный углеродный обмен, происходящий между поверхностью Земли и атмосферой», — сказал Миллер.
На борту самолета сложные приборы «вынюхивают» парниковые газы в атмосфере. Они включают в себя очень чувствительный спектрометр, который анализирует солнечный свет, отраженный от поверхности Земли, для измерения содержания углекислого газа, метана и окиси углерода в атмосфере. Этот прибор представляет собой бортовой тренажер для миссии НАСА Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), которая будет запущена в 2014 году. Другие инструменты анализируют пробы воздуха извне самолета на те же химические вещества.
Также собираются авиационные навигационные данные и основные данные о погоде. Первоначальные данные передаются ученым в течение 12 часов. Пробы воздуха отправляются в Лабораторию стабильных изотопов и радиоуглеродную лабораторию Института арктических и альпийских исследований Университета Колорадо в Боулдере для анализа, чтобы определить источники углерода и то, возник ли он в результате таяния вечной мерзлоты.По словам Миллера, большая часть научных исследований CARVE будет получена благодаря полетам не менее трех лет. «Мы демонстрируем возможности использования надежных и недорогих винтовых самолетов для частых, повторяющихся измерений с течением времени, чтобы отслеживать изменения от месяца к месяцу и из года в год».
Наземные наблюдения дополняют данные с самолета и используются для их калибровки и проверки. Наземные площадки служат опорными точками для полетов CARVE.
Наземные данные включают пробы воздуха с высоких башен и измерения влажности и температуры почвы, чтобы определить, является ли почва мерзлой, оттаявшей или затопленной.Повесть о двух парниковых газах
Важно точно охарактеризовать почвы и состояние земной поверхности. Существует сильная корреляция между характеристиками почвы и выбросами углекислого газа и метана. Исторически сложилось так, что холодные влажные почвы арктических экосистем накапливали больше углерода, чем выделяли.
Если из-за изменения климата Арктика станет теплее и суше, ученые ожидают, что большая часть углерода будет выделяться в виде двуокиси углерода. Если станет теплее и влажнее, большая часть будет в форме метана.Различие очень важно.
Молекула на молекулу, метан в 22 раза более мощный парниковый газ, чем углекислый газ в 100-летнем масштабе и в 105 раз более мощный в 20-летнем масштабе. Если только один процент углерода вечной мерзлоты, высвобождаемый за короткий период времени, составляет метан, он будет иметь такое же парниковое воздействие, как и 99 процентов, выбрасываемых в виде двуокиси углерода. Определение отношения метана к диоксиду углерода является основной целью CARVE.
Есть и другие корреляции между характеристиками арктических почв и выбросами углекислого газа и метана. Изменения в сроках весеннего таяния и продолжительности вегетационного периода имеют большое влияние на продуктивность растительности и на то, генерируют или хранят углерод в регионах высоких северных широт.CARVE также изучает влияние лесных пожаров на углеродный цикл Арктики.
Пожары в бореальных лесах или тундре ускоряют таяние вечной мерзлоты и выброс углерода. Подробные записи наблюдений за пожарами с 1942 года показывают, что среднегодовое количество лесных пожаров на Аляске увеличилось, а пожары с площадью пожара более 100 000 акров происходят все чаще, и ученые ожидают, что тенденции будут ускоряться в условиях потепления Арктики.
Одновременные измерения парниковых газов CARVE помогут количественно определить, сколько углерода выбрасывается в атмосферу в результате пожаров на Аляске — решающего и неопределенного элемента его углеродного бюджета.Первые результаты
Научная группа CARVE занята анализом данных за первый полный год научных полетов. То, что они обнаружили, по словам Миллера, одновременно удивительно и потенциально тревожно.
«Некоторые из измеренных нами концентраций метана и углекислого газа были большими, и мы наблюдаем очень разные закономерности, чем предполагают модели», — сказал Миллер. «Во время весеннего таяния мы наблюдали крупные эпизодические выбросы углекислого газа и метана с более высоким уровнем выбросов, чем обычно, во внутренних районах Аляски и на Северном склоне, и они продолжались до тех пор, пока не наступили осенние заморозки. Приведем еще один пример в июле 2012 года. мы видели уровни метана над болотами в пустыне Инноко, которые были на 650 частей на миллиард выше нормальных фоновых уровней. Это похоже на то, что вы можете найти в большом городе ».
В конечном итоге ученые надеются, что их наблюдения укажут на то, может ли наступить необратимая точка перелома вечной мерзлоты. Хотя ученые еще не верят, что Арктика достигла этого переломного момента, никто не знает наверняка. «Мы надеемся, что CARVE сможет найти этот« дымящийся пистолет », если он существует», — сказал Миллер.Другие учреждения, участвующие в CARVE, включают Городской колледж Нью-Йорка; совместный институт исследований в области наук об окружающей среде Университета Колорадо / Национального управления океанических и атмосферных исследований, Боулдер, штат Колорадо; Государственный университет Сан-Диего; Калифорнийский университет в Ирвине; Калифорнийский технологический институт, Пасадена; Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс; Калифорнийский университет в Беркли; Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния; Калифорнийский университет в Санта-Барбаре; Лаборатория исследования системы Земли NOAA, Боулдер, штат Колорадо; и Мельбурнский университет, Виктория, Австралия.
Для получения дополнительной информации о CARVE посетите: http://science.nasa.gov/missions/carve/.