Коротко: таяние вечной мерзлоты запускает преимущественно положительные обратные связи — разложение органического углерода даёт CO2 и CH4, что усиливает потепление и ускоряет дальнейшее таяние; частично это может быть компенсировано усилением поглощения CO2 растительностью и накоплением торфа, но эти «отрицательные» эффекты, как правило, медленнее и менее надёжны. Ниже — механизмы, количественные оценки, временные масштабы и основные неопределённости.
1) Базовые числа и конверсии
- Запас углерода в приповерхностной вечной мерзлоте: $\sim 1500\mathrm{GtC}$.
- Атмосферный эквивалент: $1\mathrm{ppm}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\approx 2.12\mathrm{GtC}$.
- Формула радиационной принудительной силы от изменения CO2: $\Delta F\approx 5.35\ln \left(\frac{C_0+\Delta C}{C_0}\right)$ (W/m${}^2$).
- Связь радиационной силы и температуры (приближение): $\Delta T\approx \lambda \Delta F$, где $\lambda \approx \frac{\mathrm{ECS}}{3.71W/{\mathrm{m}}^2}$ (для $\mathrm{ECS}\approx 3^{\circ }\mathrm{C}$ даёт $\lambda \approx 0.81{}^{\circ }C/(W/{\mathrm{m}}^2)$).
- Метан: атмосферный срок жизни ${\tau }_{CH4}\approx 12\mathrm{yr}$; глобальное потепление потенциал (GWP): ${\mathrm{GWP}}_{100}\approx 28,{\mathrm{GWP}}_{20}\approx 82$.
2) Механизмы обратных связей
- Положительные:
- Таяние → микробное разложение органики → эмиссии CO2 и CH4. Аэробные условия дают CO2, анаэробные — больше CH4 (сильный краткосрочный форсер).
- Абразия/термокарст и оседание почв увеличивают площадь активной зоны и ускоряют разложение.
- Растительная экспансия (кустарники, деревья) тёмнее отражают поверхность (понижает альбедо) — дополнительное потепление.
- Отрицательные или компенсирующие:
- CO2‑удобрение и более длинный вегетационный сезон → большее поглощение CO2 растительностью; накопление нового органического углерода (например, торфа).
- Изменения гидрологии: осушение может предпочесть CO2 перед CH4, сокращая краткосрочный эффект метана.
3) Как это ускоряет/замедляет изменение климата (пример расчёта)
- Если к 2100 году выбрасывается условно $E=50\mathrm{GtC}$ из мерзлоты, это даёт прибл. $\Delta \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\approx \frac{50}{2.12}\approx 23.6\mathrm{ppm}$.
- Радиативная сила: $\Delta F\approx 5.35\ln \left(\frac{C_0+23.6}{C_0}\right)$ (подставить текущую $C_0\approx 415\mathrm{ppm}$ для численного результата).
- При $\lambda \approx 0.81$ получим соответствующее $\Delta T$ — порядок $0.1$–$0.3^{\circ }\mathrm{C}$ для десятков-гитов углерода; точное число зависит от $E$ и времени выделения.
- Метан: относительно небольшой по массе выброс CH4 даёт сильный краткосрочный разогрев из‑за большого ${\mathrm{GWP}}_{20}$; выбросы метана на десятилетия усиливают потепление быстрее, чем эквивалентный CO2.
4) Временные масштабы
- Метан: эффект проявляется быстро (годы–десятилетия) из‑за ${\tau }_{CH4}\sim 12$ лет.
- CO2 из мерзлоты: выбросы и их климатический эффект растягиваются на десятилетия — столетия; часть CO2 выводится из атмосферы очень медленно (век—тысячелетия).
- Растительность (поглощение): реагирует на десятилетия–век (рост растительности быстрее, но долговременное накопление почвенного углерода медленнее).
- Резкие термокарстовые события (абруптный разогрев) могут дать крупные выбросы на годы–десятилетия.
5) Основные источники неопределённости
- Сколько углерода реально мобилизуется и в какие сроки (оценки варьируют: десятки—несколько сотен $\mathrm{GtC}$ к 2100 в зависимости от сценария и моделей).
- Соотношение CO2/CH4 (зависит от локальной гидрологии: влажные условия → больше CH4).
- Процессы абруптной деградации (термокарст) плохо представлены в глобальных моделях и могут увеличить быстрые выбросы.
- Реакция растительности: пределы CO2‑удобрения, факторы питания и пожары.
- Модельные неопределённости климата‑углеродных взаимодействий и выбор метрик (GWP период, интерпретация «эквивалентного CO2»).
- Наблюдательная нехватка в отдалённых арктических районах.
6) Краткий вывод
- Доминирующая вероятность: чисто положительная обратная связь (усиление потепления) — особенно через CH4 в краткосрочном и CO2 в долгосрочном плане.
- Масштаб и темпы — высокая неопределённость: воздействие на глобальную среднюю температуру к 2100 оценивают в примерном диапазоне порядка $0.1$–$0.4^{\circ }\mathrm{C}$ при умеренных сценариях и в более широких пределах при экстремальных сценариях; точные значения зависят от доли высвобождённого углерода, пути разложения (CO2 vs CH4) и сопутствующих изменений экосистем и гидрологии.
Если нужны численные примеры для разных сценариев (E = $10,50,100\mathrm{GtC}$) с явным расчётом $\Delta \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, $\Delta F$ и $\Delta T$, скажите, построю таблицу расчётов.