Кратко и по существу — какие изменения в круговороте углерода вызовет длительный прогрев Арктики и какие положительные (усиливающие) обратные связи это породит.
Основные процессы и их эффекты
- Размер запасов и выделение из вечной мерзлоты: вечная мерзлота хранит приблизительно $\sim 1,400\text{–}1,600\text{GtC}$. При оттаивании часть этого углерода минерализуется и выходит в атмосферу в виде ${\text{CO}}_2$ и ${\text{CH}}_4$; оценки выделений к 2100 г. составляют порядка $\sim 30\text{–}150\text{GtC}$ (в зависимости от сценария).
- Метан (быстро действующий парниковый газ): анаэробное разложение в топях и термокарстовых озёрах даёт ${\text{CH}}_4$ — высокое краткосрочное воздействие (${\text{GWP}}_{100}({\text{CH}}_4)\approx 28\text{–}34$). Даже относительно небольшие выбросы ${\text{CH}}_4$ сильно усиливают краткосрочное потепление.
- Таяние вечного льда и гидраты: донные гидраты хранят много углерода, но риск мгновенных больших выбросов в XXI в. мал; долгосрочно возможны существенные эмиссии, но очень большая неопределённость.
- Изменение растительности: «озеленение» тундры и расширение кустарников/лесов могут увеличить поглощение ${\text{CO}}_2$, но при этом снизить альбедо (тёмная растительность поглощает больше солнечной энергии) — чистый эффект может быть нейтральным или положительно обратным (усиление нагрева).
- Пожары и болезни в бореальных лесах: повышение частоты и интенсивности пожаров и массовая гибель лесов высвобождают углерод и уменьшают поглощение. Сажа (black carbon), осевшая на снег/лед, снижает альбедо и ускоряет таяние.
- Морская компонента: прогревание уменьшает растворимость ${\text{CO}}_2$ и может ослабить океанический поглотитель углерода в Арктике; таяние льда увеличивает теплоёмкость океана и изменяет циркуляцию.
Ключевые положительные обратные связи
- Пермафрост-углеродная обратная связь: оттаивание → эмиссии ${\text{CO}}_2/{\text{CH}}_4$ → глобальное потепление → больше оттаивания.
- Альбедо-обратная связь: потеря морского льда и снега, а также смена светлой тундры на тёмную растительность → меньше отражённого солнечного света → локальное и глобальное потепление.
- Пожары → эмиссии + сажа на льду → усиление оттаивания и роста пожаров.
- Уменьшение поглощения углерода материковыми и океаническими поглотителями → большая доля антропогенных выбросов остаётся в атмосфере → усиление потепления.
Пример количественной оценки (формулы)
- Перевод массы углерода в изменение концентрации: $\Delta \text{ppm}=\frac{\Delta C}{2.12}$ (где $\Delta C$ в $\text{GtC}$).
- Радиативное воздействие от изменения ${\text{CO}}_2$: $\Delta F=5.35\ln \left(\frac{C_0+\Delta \text{ppm}}{C_0}\right)$ (Вт/м${}^2$).
- Приближенное изменение температуры: $\Delta T\approx \lambda \Delta F$, где параметр чувствительности $\lambda$ зависит от климатического отклика (для ECS $\sim 1.5\text{–}4.5{}^{\circ }\text{C}$ при удвоении ${\text{CO}}_2$ даёт $\lambda \approx 0.4\text{–}1.2\text{K}/({\text{W/m}}^2)$).
- Пример: при $\Delta C=100\text{GtC}$ получаем $\Delta \text{ppm}\approx 47$, $\Delta F\approx 0.57{\text{W/m}}^2$ и $\Delta T\approx 0.2\text{–}0.7{}^{\circ }\text{C}$ в зависимости от $\lambda$.
Временные масштабы и неопределённости
- Процессы растягиваются на разные сроки: выделения из почвы и озёр — десятки–сотни лет; пожары и растительная смена — годы–десятилетия; гидраты — возможно сотни лет.
- Большая неопределённость связана с гидрологией, микробной динамикой, масштабом анаэробного метаногенеза, ролью озёр и болот, реакцией растительности и будущими антропогенными эмиссиями.
Краткий вывод
- Длительное потепление Арктики изменит круговорот углерода в сторону увеличения эмиссий ${\text{CO}}_2$ и ${\text{CH}}_4$, ослабит поглотители и создаст несколько мощных положительных обратных связей (пермафрост, альбедо, пожары). Это вероятно усилит и ускорит глобальное потепление; точные величины и темпы — с большой неопределённостью, но вклад арктических процессов может составлять десятки–сотни $\text{GtC}$ и заметное прирост температуры глобально.