چگونه یک فاجعه آب و هوایی که به سرعت در حال ذوب شدن است را مطالعه کنیم

اندرو هاوردینک، یک دانش‌آموز قدبلند در مقطع کارشناسی ارشد با کفش بارانی و چکمه‌های لاستیکی، مته‌ای دو دستی را از خاک یخ‌زده‌ای که در زیربنای بیشتر پارک ملی دنالی آلاسکا قرار دارد، بیرون آورد و سپس لوله توخالی را از انتهای سوراخ جدا کرد.

او در مقابل یک برزنت آبی زانو زد، بشکه را با یک سینی پلاستیکی ردیف کرد و یک میله را از انتهای مخالف آن هل داد. یک هسته جامد و استوانه ای کامل از خاک باستانی پدیدار شد - منجمد تاریک و غنی که حداقل یک فوت طول دارد.

در اواخر آن صبح در اوایل ژوئیه، هاوردینک در میان تیمی از دانشجویان و کارکنان دانشگاه آریزونا شمالی بود که نمونه‌ها و داده‌ها را از یک طرح تحقیقاتی جمع‌آوری می‌کردند که بر اساس نوار نقشه‌بردار بر روی ساق‌ها، توسکا و علف‌های آتشین تقسیم شده بود.

در اواخر ژوئن 2013، یک صاعقه باعث آتش‌سوزی در این بخش از تاندرای عمدتا بدون درخت، در بخش شمالی پارک شد. آتش سوزی که توسط شینوکس ها شلاق خورده است، بادهای پایین شیب شدیدی ایجاد می شود که با غلبه بر هوای مرطوب اقیانوس و سپس پایین آمدن از رشته کوه آلاسکا، آتش تقریبا 35000 هکتار را درنوردید. در بسیاری از پوشش گیاهی و در اعماق خاک سطحی سوخت و لایه عایق را که یخ‌های دائمی منجمد را حفظ می‌کند، از بین برد، یک انبار عظیم کربن که زیر 85 درصد آلاسکا قرار دارد.

در طول اولین بررسی خود، در سال 2016، محققان دریافتند که در مکان‌هایی که آتش داغ‌ترین و عمیق‌ترین سوخت را می‌سوزاند، خاک ذوب‌شده بالای یخ‌های دائمی (معروف به لایه فعال) بین یک پا و تقریبا دو فوت عمیق‌تر از قسمت‌های خارج از جای زخم سوختگی امتداد می‌یابد که نشانه‌ای از ذوب عمیق است.

اندرو هاوردینک، دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه آریزونا شمالی، هسته‌های منجمد دائمی را در منطقه شمالی پارک ملی دنالی آلاسکا حفاری می‌کند. معبد جیمز

مهمتر از همه، آتش همچنین از دو مجموعه از شبکه های بررسی که خدمات پارک ملی در سال 2001 ایجاد کرد، از جمله شبکه ای که محققان در آن صبح ایستاده بودند، عبور کرد. زانت واکر، یکی از محققین اصلی پروژه، که صبح آن روز مشغول نظارت بر کار هاوردینک بود، می‌گوید این عکس لحظه‌ای قبل از آتش‌سوزی به گروه آریزونا شمالی فرصتی نادر برای مطالعه چگونگی تغییر پوشش گیاهی، کربن و یخ‌های دائمی آتش در طول زمان ارائه کرد.

او می‌گوید این مشاهدات مستقیم از آتش‌سوزی‌های عرض جغرافیایی به دانشمندان کمک می‌کند تا تأثیرات آتش‌سوزی جنگلی و از بین رفتن یخ‌های دائمی بر تغییرات آب و هوا را بهتر درک کنند.

واکر می گوید: «ابهامات زیادی وجود دارد. "اینها زیست بوم های عظیم با آتش سوزی های عظیم هستند که هیچ کس هرگز به آنها نرفته و هرگز به آنها نگاه نکرده است."

آنها در میان گروه رو به رشدی از محققان هستند که تلاش می‌کنند تا آنچه را که پس از آتش‌سوزی‌ها در منطقه شمالگان شمالی اتفاق می‌افتد، باز کنند، زیرا آتش‌سوزی‌ها بیشتر رخ می‌دهند، داغ‌تر از قبل می‌سوزند و مناظر و منجمد دائمی منجمد را در معرض آب و هوای گرم‌تر قرار می‌دهند.

این کار سرنخ‌های مهمی را در مورد مکانیسم‌های پیچیده ایجادکننده اثرات بازخورد آبشاری آب و هوایی ارائه می‌کند: از آنجایی که دمای گرمایش باعث آتش‌سوزی‌های مکرر و شدیدتر می‌شود، یخ‌زدگی بیشتر برفک می‌زند، انتشار گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌شود که تهدیدی برای گرم شدن بیشتر، آتش‌سوزی‌ها و تلفات دائمی یخبندان است.

درک اینکه این اثرات چقدر قدرتمند هستند، چگونه ترکیب می شوند و تا چه اندازه تغییرات دیگر چشم انداز ممکن است آنها را کاهش دهد، برای به دست آوردن تصویر واضح تری از آینده آب و هوایی ما ضروری است.

قابل‌توجه، مدل‌سازی‌های گذشته نشان می‌دهد که جذب دی‌اکسید کربن از درختان و گیاهان در حال گسترش ممکن است تا حد زیادی آزاد شدن کربن از گرم شدن خاک‌ها و ذوب یخ‌های دائمی را، حداقل در دوره‌های طولانی و در سطوح متوسط ​​گرم شدن، خنثی کند. اما مشاهدات و تحلیل‌های رو به بهبود نشانه‌های نگران‌کننده‌ای را در مورد تأثیرات افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای قطب شمال در دهه‌های نزدیک آینده نشان داده است، زیرا جهان در تلاش برای حفظ گرمایش جهانی در محدوده‌های نسبتا ایمن است.

مشکل منجمد دائمی

منجمد دائمی 15 درصد از سطح زمین نیمکره شمالی را تشکیل می دهد و حدود 1.5 تریلیون تن کربن دارد که تقریبا دو برابر مقدار موجود در جو است. بیشتر آن در آخرین عصر یخبندان شکل گرفته است، اما در طول نیم قرن گذشته، در بحبوحه افزایش دما و تشدید آتش سوزی، با سرعت فزاینده ای در حال آب شدن بوده است. با ذوب شدن، میکروب ها شروع به تجزیه آن ماده آلی می کنند و آن را به شکل دی اکسید کربن و متان در هوا آزاد می کنند. هر دو گازهای گلخانه ای قدرتمندی هستند که به تغییرات آب و هوایی دامن می زنند.

با این حال، تأثیرات از دست دادن منجمد دائمی آنقدرها که در ابتدا به نظر می رسد ساده نیست. قابل توجه است که یک بحث علمی طولانی مدت در مورد اینکه چه چیزی می تواند قوی ترین اثر را بر تبادل گازهای گلخانه ای در چند قرن آینده داشته باشد وجود داشته است: از بین رفتن کربن در خاک و منجمد دائمی یا جذب کربن از به اصطلاح "سبز شدن قطب شمال"، که گسترش گیاهان جذب کننده کربن را در سراسر مناظر با افزایش دما توصیف می کند.

ذوب شدن دائمی منجمد می تواند به پدیده دوم کمک کند زیرا لایه خاک یخ زده عمیق تر می شود و نیتروژن، فسفر و سایر مواد مغذی بیشتری را در دسترس گیاهان قرار می دهد. درختان و درختچه‌های مکنده کربن با سیستم ریشه‌ای عمیق‌تر می‌توانند در مکان‌هایی که در گذشته نمی‌توانستند رشد کنند و رشد کنند.

ساحل رودخانه ای در امتداد رودخانه Itkillik در شمال آلاسکا، یخ های دائمی یدوما غنی از یخ را نشان می دهد. میخائیل کانفسکی؛ دانشگاه آلاسکا فیربانکس

اما با شعله‌ور شدن آتش‌سوزی‌های قطب شمال و ذوب شدن یخ‌های دائمی، محققان با استفاده از نظرسنجی‌های انجام‌شده توسط تیم دانشگاه آریزونا شمالی، مشاهدات ماهواره‌ای، پروازهای لیدار، شبکه گسترده‌ای از برج‌های اندازه‌گیری گازهای گلخانه‌ای و ابزارهای دیگر، توانسته‌اند از نزدیک آنچه را که دقیقا پس از آن اتفاق می‌افتد، مطالعه کنند.

این یافته ها بسیاری از محققان را نگران کرده است.

به طور خاص، به نظر می رسد همیشه منجمد به طور خاص مستعد ذوب شدن ناگهانی به جای نسخه تدریجی است که مدل های اصلی آب و هوا شبیه سازی کرده اند. یک مقاله در سال 2020 نشان داد که این می‌تواند کربن بسیار بیشتری نسبت به آنچه قبلا درک می‌شد آزاد کند، و انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از ذوب منجمد دائمی را دوبرابر کند و جذب کربن را از رشد گیاه در آینده جبران کند.

علاوه بر این، حتی اگر سطح کربن در نهایت از طریق سبز شدن قطب شمال به پایان برسد، انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از آتش‌سوزی‌های عرض جغرافیایی بالا و از بین رفتن یخ‌های دائمی به نظر می‌رسد در حال حاضر گرم شدن را تسریع می‌کنند.

سوزان ناتالی، دانشمند آب و هوای قطب شمال در مرکز تحقیقات آب و هوای وودول، و همکارانش چندین مقاله در سال‌های اخیر منتشر کرده‌اند که به این نتیجه رسیده‌اند که مجموع انتشارات حاصل از این اثرات بازخوردی، سیاره را سریع‌تر از آنچه که در حال حاضر پیش‌بینی می‌شود، از ۲ درجه سانتی‌گراد عبور می‌کند. او و سایر محققان همچنین دریافتند که حدود 40 درصد از منطقه قطب شمال از یک مخزن کربن به منبع کربن تبدیل شده است، زمانی که انتشار گازهای گلخانه ای از ذوب یخ های دائمی، آتش سوزی ها و سایر نیروها در نظر گرفته شود.

ناتالی در ایمیلی گفت: "هرچه بیشتر در مورد فرآیندهایی مانند ذوب ناگهانی، آتش سوزی های عمیق تر و انتشار گازهای گلخانه ای در فصل سرد بیشتر یاد بگیریم، و هر چه بیشتر شاهد افزایش اختلالات باشیم، احتمال ضعیف شدن سینک و گسترش مناطق منبع افزایش می یابد."

اما هنوز ابهام قابل توجهی در مورد تفاوت بین راه هایی که آتش سوزی و ذوب شدن منجمد دائمی ممکن است مناظر را تحت شرایط مختلف در بیوم های مختلف تغییر دهد، وجود دارد.

او می‌گوید: «این فقط یک چالش علم است، زیرا اندازه‌گیری چنین منطقه عظیمی که یک سیستم نیست، واقعا دشوار است. این اکوسیستم‌های بسیار، بسیار، بسیار، بسیار متنوعی است.»

نتایج ممکن است متفاوت باشد

محققان دانشگاه شمالی آریزونا در خط مقدم تلاش‌ها برای مطالعه پیامدهای تشدید آتش‌سوزی در بخش‌های مختلف آلاسکا بوده‌اند. در طول دو دهه گذشته، میشل مک، پروفسور بوم‌شناسی اکوسیستم که قبلا مشاور فوق‌دکتری واکر بود، بر روی مکان‌های آتش‌سوزی در سراسر جنگل‌ها و تندراها، از مناطق نسبتا گرم جنوبی تا شیب شمالی سرد، نظارت داشته است.

میشل مک، استاد بوم شناسی اکوسیستم در دانشگاه آریزونا شمالی، بر بررسی های پس از آتش سوزی در سراسر آلاسکا نظارت داشته است. مت «مارتیان» ویلیامز

همسر و همکار مکرر او، تد شوور، همچنین استاد دانشگاه است و بر چندین سایت نظارت بر یخبندان و تحقیقات تجربی در منطقه مطالعاتی دریاچه هشت مایل، درست در شمال پارک ملی دنالی، نظارت دارد.

اگر تنها نکته‌ای از مجموعه علمی که دانشمندان آریزونا شمالی تولید کرده‌اند وجود داشته باشد، این است: پیچیده است. آب و هوا و اکوسیستم محلی، شدت آتش‌سوزی‌های رخ داده، نوع یخ‌های دائمی، و عوامل متعدد دیگر می‌توانند به طور قابل‌توجهی جذب یا از دست دادن کربن، مقدار یخ‌زدگی دائمی که ذوب می‌شود، میزان بازیابی آن، و قابلیت اشتعال‌پذیری چشم‌انداز در آینده را تغییر دهند.

در یک مطالعه اولیه، محققان و همکارانشان ده ها توده تحت سلطه درختان صنوبر سیاه را پس از یک سری آتش سوزی های بزرگ شمالی در سال 2004، بین رشته کوه بروکس و رشته کوه آلاسکا بررسی کردند. یکی از یافته‌های قابل‌توجه: سوختگی‌های شدیدی که مواد آلی در حال پوسیدگی در خاک سطحی را پشت سر گذاشت، باعث تغییر به سمت درختان برگ‌ریز با رشد سریع‌تر و کمتر قابل اشتعال شد.

مکان‌هایی که درختان برگ‌ریز غالب بودند، حدود پنج برابر بیشتر از توده‌هایی که به صنوبر سیاه بازگشته بودند، کربن خاک ذخیره می‌کردند، مک، واکر و نویسندگان همکارشان در مقاله علمی 2021 اشاره کردند.

واکر می‌گوید که این بدان معناست که جذب کربن بعدی در آن غرفه‌ها "بیش از جبران" مقدار آزاد شده در آتش اولیه است.

آتش‌سوزی در سال 2019 این جنگل صنوبر را در پناهگاه حیات‌وحش ملی کنای آلاسکا سوخت. GETTY IMAGES

اما آتش سوزی تاندرای رودخانه آناکتوووک در سال 2007، که همچنان بزرگترین آتش سوزی ثبت شده در دامنه شمالی آلاسکا است، مطالعه موردی کاملا متفاوتی را ارائه می دهد. در تجزیه و تحلیل اولیه در آنجا، مک، شوور و همکارانشان دریافتند که آتش سوزی بیش از 2 میلیون تن کربن را به اتمسفر آزاد کرد، که اساسا مقداری را که اکوسیستم های تندرا در سراسر جهان در آن سال از هوا حذف کردند، نفی می کند.

مطالعات بعدی نشان داد که بیش از یک سوم از مناظر سوخته غرق شده، سر خورده و مچاله می شود، زیرا یخ های زیرین فرو می ریزند، که نشانه های آشکار ذوب شدن ناگهانی یخ های دائمی است. آدریان روچا، دانشیار دانشگاه نوتردام، می‌گوید: نزدیک به دو دهه بعد، بسیاری از مواد آلی ذوب شده و در حال پوسیدگی همچنان به انتشار دی‌اکسید کربن و متان در شدیدترین تکه‌های زخم آتش ادامه می‌دهند.

به گفته روشا، که به نظارت بر سایت با استفاده از برج‌های شار کوواریانس ادی، که مبادله گازهای گلخانه‌ای بین زمین و جو را اندازه‌گیری می‌کنند، ادامه می‌دهد تا بتوان کل کربن از دست رفته در آنجا را بازیابی کرد، البته اگر اصلا اتفاق بیفتد، دهه‌ها تا قرن‌ها طول خواهد کشید.

مک می‌گوید این اندازه‌گیری‌های روی زمین برای درک اینکه چه نوع اکوسیستم‌هایی بهبود می‌یابند، که به حالت‌های جدید تغییر می‌کنند، چه مقدار زیادی کربن آزاد می‌کنند یا کمی، و چه زمانی و در کجا رشد گیاه می‌تواند آن را جبران کند، حیاتی است.

با این حال، خطر ذوب شدن منجمد دائمی روشن است.

او می‌گوید: «اگر به‌عنوان اکولوژیست‌های اکوسیستم عقب‌نشینی کنیم، می‌دانیم که کربن ذخیره‌شده در زیر زمین در یخ‌های دائمی بسیار بیشتر از سطح روی زمین در پوشش گیاهی است. "اگر کربن دائمی منجمد آزاد شود، می تواند تمام این جزئیات جالب دیگر را باتلاق کند."

در آزمایشگاه

تیم تحقیقاتی دانشگاه آریزونا شمالی پالتی از نمونه های خاک را از دنالی ارسال کرد. این مواد شامل خزه‌ها و مواد گیاهی در حال پوسیدگی معروف به «براونی» و همچنین هسته‌های منجمد دائمی و نمونه‌هایی از لایه خاک منجمد نشده بود. در ماه‌های پس از آن، آنها نمونه‌های مختلف را برش داده، خشک کرده، وزن کرده، سوزانده و آنالیز کرده‌اند و یافته‌های آزمایشگاهی و آزمایشگاهی خود را در پایگاه‌های داده وارد کرده‌اند.

یک هسته منجمد دائمی استخراج شده از طرح تحقیقاتی دنالی. معبد جیمز

واکر می گوید که آنها در حال بررسی انواع سؤالات تحقیقاتی هستند، از جمله اینکه لایه آلی بالایی از زمان بررسی اولیه پس از آتش سوزی تا چه حد بهبود یافته است و چه مقدار کربن از بین رفته و پس از آتش سوزی بازیابی شده است.

تجزیه و تحلیل هنوز در حال انجام است، اما در مناطقی که به شدت سوخته‌اند، به نظر می‌رسد که لایه ذوب شده خاک بالای یخ‌های دائمی حدود 13 سال عمیق‌تر باقی می‌ماند.

واکر در ایمیلی توضیح داد: «برفک در هر تابستان نسبت به قبل از آتش سوزی بیشتر به خاک می رسد، که خاک بیشتری را در معرض تجزیه قرار می دهد.

آنها اکنون امیدوارند از تجزیه و تحلیل های آزمایشگاهی برای تعیین میزان از دست رفتن کربن استفاده کنند.

قدم گذاشتن در آینده آب و هوا

در آخرین بعدازظهر خود در هیلی، آلاسکا، شوور را در امتداد مسیری باریک از تخته‌های چوبی معلق در بالای یک میدان تندرا در شمال دنالی دنبال کردم، به این امید که بتوانم نگاهی اجمالی به آینده آب و هوایی خود داشته باشم.

در سال 2008، او و تیم تحقیقاتی‌اش راهی ابداع کردند تا با ایجاد حصارهای برفی در اطراف ده‌ها قطعه تحقیقاتی تعیین‌شده، یخ‌های دائمی را تحت تأثیر سطوح دمایی که دو یا سه دهه آینده انتظار می‌رود، قرار دهند. این باعث شد تا برف اضافی جمع شود - که به طور غیرمستقیم مانند یک پتو عمل می کند و عایق حرارتی در طول زمستان اضافه می کند که زمین های آزمایش را گرمتر از کنترل ها نگه می دارد.

در طول این آزمایش 13 ساله، سطح کربن خاک در آن قطعات 10 در 10 متری 23 درصد کاهش یافت، شوور و همکارانش دریافتند. زمین در بسیاری از سایت ها فروریخت و دهانه هایی به عمق چندین فوت تشکیل داد.

همانطور که پاشنه تا پنجه در امتداد تخته ها به وسط یک قطعه قدم گذاشتم، حدود چهار فوت پایین آمدم و فرونشست سه بعدی را تجربه کردم. با نگاه کردن به لبه پیاده رو، احساس کردم که در اعماق یک استخر خالی هستم.

تد شوور یک تور با راهنما از پروژه گرمایش آزمایشی کربن در پرمافراست، در نزدیکی هیلی، آلاسکا ارائه می دهد. معبد جیمز

با این حال، شوور چیز دیگری داشت که به من نشان دهد. در حالی که یک خط الراس بین قطعه‌ها ایجاد می‌کردیم، او به سمت استخری کم‌عمق‌تر – البته نه کمتر واضح – در طرف دیگر اشاره کرد. این یک مکان کنترلی بود که بدون هیچ کمکی از گرم شدن شبیه سازی شده یا آتش سوزی، خود به خود ذوب و فرو ریخته بود.

او گفت: «هر طرحی در مسیر خودش پیش می‌رود. این چیزها به این دلیل اتفاق می‌افتد که کل مکان در حال گرم شدن است... و اگر ابتدا سطح را بسوزانید، همه این تغییرات سریع‌تر انجام می‌شوند.»

شوور انتظار دارد که تا پایان سال 2040، یخ‌های دائمی زیربنای کل میدان به شدت ذوب شود.

او می‌گوید: «بر اساس گرمایش فعلی ما هیچ یخ‌زدگی دائمی سطحی وجود نخواهد داشت.

تا زمانی که جهان به طور اساسی انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش ندهد و آتش سوزی ها را تحت کنترل نگیرد، همین پدیده دهه به دهه در این ایالت رخ می دهد تا زمانی که حتی یخ های دائمی در زیر شیب شمالی آلاسکا به اعماق مشابهی فرو رود و کربنی را که هزاران سال در خود نگه داشته است، از دست بدهد.