Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 1, стр. 104-109

В 2000-х годах произошел концептуальный сдвиг в понимании ледников, как особого наземного биома, и от изучения структуры и физико-химических взаимодействий к оценке биосферных функций гляциальной биоты [3]. Важным аргументом в этом случае является огромная площадь, занимаемая ледниками (15.5 млн км²), что ставит их в ряд с крупнейшими биомами Земли. Круговорот биогенных парниковых газов (ПГ), к которым относятся диоксид углерода (СО₂), метан (СН₄) и закись азота (N₂O), – одна из важнейших биосферных функций любой крупной экосистемы. Ледники в современном “тающем” мире уникальны тем, что являются автотрофно-гетеротрофными экосистемами с преобладанием абиотического обмена ПГ [4], а также донором биогенных элементов и климатически активных веществ, накопленных за ледниковые эпохи, для многих водных и наземных экосистем [9]. Масштабы дополнительных выбросов ПГ в атмосферу при отступании многолетних льдов могут быть значительны, при этом, как биогенная, так и абиогенная составляющие углеродного цикла существенно ускоряются современным потеплением [2, 9, 12]. Потери массы в результате потепления особенно заметны на горных ледниках, составляя 332 Гт в год [11], что позволяет рассматривать их не только как индикатор климатических изменений, но и модель того, что может произойти с балансом ПГ при потере мощных покровных ледников. Кроме того, на территории России детальные исследования ПГ на ледниках ранее не проводились.

Наблюдения потоков ПГ проходили на двух горно-долинных ледниках с отрицательным балансом массы: Гарабаши (43°18′ с.ш., 42°28′ в.д., Северный Кавказ, 6–15 августа 2020 г.; общая площадь ледника 3.8 км²; измерения проходили в диапазоне 2383–3831 м н.у.м) и Левый Актру (50°5′ с.ш., 87°45′ в.д., Республика Алтай, 15–27 июля 2021 г.; 5.4 км²; 2075–2918 м н.у.м). Масса льда на леднике Гарабаши за 1997–2020 гг. уменьшилась на 16 м водного эквивалента, общий объем сократился на 27% [7, 10]. Аналогичные по направлению и скорости процессы, несмотря на ослабляющее влияние континентальности, происходят на горном Алтае [8], что в обоих случаях объясняется повышением температуры воздуха. Потери массы льда сопровождаются существенным увеличением площадей моренных отложений.

Полевые измерения проводили в закрытых камерах с помощью мобильных высокоточных газоанализаторов; для лабораторных оценок применялась газовая хроматография. Общее число измерений составило 264.

Среднее значение валовых потоков¹¹ СО₂ по всем исследованным экосистемам ледника Актру составило +944.4 ± 269.5 мг СО₂ м^–2 сут^–1 (от –199.7 до +8127.8, n = 86)²², что значимо не отличается от аналогичных данных, полученных на леднике Гарабаши (+915.2 ± 615 мг СО₂ м^–2 сут^–1; от –7.9 до +13 200, n = 25). Валовые потоки СО₂ в наиболее теплый период года широко варьировали в зоне влияния ледника, различаясь между экосистемами на 4–5 порядков (рис. 1). Валовый обмен на льду, в областях баланса и аккумуляции, в среднем, является слабым стоком из атмосферы (‒21.5 мг СО₂ м^–2 сут^–1), что, вероятнее всего, обязано растворению в талой воде.

Рис. 1.

Валовые потоки СО₂ в экосистемах горного ледника, ранжированные по возрастанию (Алтай, Левый Актру, 2021). Положительные значения обозначают источник СО₂ для атмосферы (красный цвет), отрицательные – сток из атмосферы (зеленый). Положительные значения отложены по логарифмической шкале, отрицательные – по шкале –lg(abs(y)). Разные латинские буквы соответствуют значимым различиям средних (Манна–Уитни, р < 0.05), одинаковые говорят об отсутствии попарных различий.

Криоконитам (КК), как особым почвоподобным органо-минеральным формам, сейчас придается большое значение, что связано с их активным участием в обменных процессах на поверхности ледников [4]. Если в области абляции наблюдается состояние, близкое к С-балансу, то на участках с КК валовый обмен возрастает на порядок (+15.3 мг СО₂ м^–2 сут^–1), что отражает растущий вклад микробного дыхания. По сравнению с КК, боковые морены “дышат” ненамного активнее (+45.2), поскольку содержат крупные валуны, галечный материал и песок на крутых склонах, откуда глинистые частицы быстро вымываются. По сравнению с боковыми участками, конечная морена демонстрирует на порядок более высокие уровни обмена (+445.3), что связано с выраженной аккумуляцией мелкозема в результате наноса водными потоками, и закреплением здесь растений. Но и в этом случае скорость валовых потоков на порядок уступает эмиссии из местных дерново-криометаморфических мерзлотных почв (Turbic Cryosols), образовавшихся около тысячи лет назад после сокращения ледника (см. рис. 1).

КК на поверхности ледника существенно снижают его альбедо. Сопоставление результатов по исследованным ледникам показывает, что наклоны зависимостей истинного альбедо от плотности КК для них не различаются (ANOVA, р = = 0.16), демонстрируя высокую положительную линейную связь (R² = 0.82). Последнее важно, поскольку от присутствия КК зависит не только величина поглощения солнечной энергии и скорость таяния, но и валовые потоки СО₂. Наклоны зависимостей для двух ледников в этом случае также совпадают (р = 0.11), демонстрируя положительную линейную связь, что позволяет использовать единое уравнение для предсказания пространственного распределения и изменчивости валовых потоков СО₂ на поверхности льда (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость валовых потоков СО₂ от проективного покрытия криоконитового и дисперсного материала на поверхности исследованных ледников. Приведены линейные регрессии и их коэффициенты детерминации.

Общее для двух ледников заключается и в том, что скорость нетто-обмена метана на молодых моренах может на 1–2 порядка превосходить его потоки на льду с КК (рис. 3), хотя отдельные участки перигляциальных экосистем могут быть как стоком (в присутствии растительности), так и источником метана для атмосферы, демонстрируя высокую вариабельность от –44.9 до +225.7 мг СО₂-экв.³³ м^–2 сут^–1. В последнем случае (морена возрастом >50 лет) эмиссия метана оказалась сопоставима по радиационному эффекту с максимальным потоком СО₂ на молодых моренах.

Рис. 3.

Валовые потоки метана в экосистемах зоны влияния ледника Гарабаши (Северный Кавказ, 2020). “Низкая плотность криоконитов” на рисунке объединяет участки с долевым проективным покрытием криоконитового и дисперсного материала от 0 до 0.2; “высокая плотность” – от 0.5 до 1. Приведены средние и их стандартные ошибки по логарифмической шкале. Разные латинские буквы соответствуют значимым различиям средних (Манна–Уитни, р < 0.05), одинаковые говорят об отсутствии попарных различий.

Чистый лед с альбедо >0.4 представляет собой очень слабый сток закиси азота из атмосферы: ‒0.67 ± 0.58 мг СО₂-экв м^–2 сут^–1 (физико-химический процесс поглощения), а конечная морена является ее слабым источником (+1.12 ± 0.80). КК и мелкодисперсный материал занимают промежуточное положение малозначимых источников, а боковые морены не показали значимо отличных от нуля потоков N₂O. Значения нетто-обмена закиси азота, полученные в экосистеме горного ледника, не могут считаться сколько-нибудь существенными даже для местного бюджета ПГ. Если рассчитать удельные вклады трех ПГ в СО₂-эквиваленте, то оказывается, что более 99% общего эффекта обеспечивается диоксидом углерода.

На поверхности льда несомненна лидирующая роль вещества КК в общем обмене ПГ. Если для современной поверхности ледника средневзвешенный по площади валовый поток всех ПГ составляет около –1.8 мг СО₂-экв. м^–2 сут^–1, что соответствует 6% площадному присутствию КК, то при постепенном увеличении их проективного покрытия в процессе таяния поток может возрасти до 16 мг СО₂-экв м^–2 сут^–1. Поскольку масса КК на леднике в ходе абляции активно увеличивается, что особенно заметно в нижней зоне ледника, это подчеркивает их потенциальный вклад в обменные процессы в ходе потепления.

Для валовых потоков СО₂ наиболее значимые корреляции отмечаются с абсолютной высотой (r = –0.83, р < 0.01), площадным присутствием КК (r = +0.55, р < 0.01) и уклоном (r = –0.48, р < 0.01). Отрицательная связь с уклоном объясняется смывом мелкозема и органического вещества на более выраженных склонах. Нетто-поток метана наилучшим образом связан с теми же переменными. По закиси азота данных получено пока недостаточно; значимая корреляция для ее потоков установлена только с абсолютной высотой. Кроме того, отмечаются средние или высокие корреляции потоков трех ПГ между собой. Это показывает, что их обмен в значительной мере подчиняется общим факторам. Множественный линейный пошаговый регрессионный анализ для трех ПГ в зоне влияния ледника на основе того же набора количественных переменных показал, что для валовых потоков диоксида углерода наиболее значима модель, построенная по абсолютной высоте и величине уклона (R² = 0.30). Аналогичная модель, полученная для нетто-потоков СН₄, имеет бо́льшую объясняющую способность (R² = 0.54). В этом случае значимы абсолютная высота и проективное покрытие растений. Для N₂O значимой модели построить не удалось, что связано, главным образом, с недостатком полевых данных. Для оценки совместного влияния количественных и качественных переменных был проведен анализ с использованием методов DistLM и PERMANOVA [1]. Из всего набора переменных для СО₂ наиболее важен тип экосистемы, который объясняет 73–76% дисперсии, а для метана – абсолютная высота местности (37–43%). Для закиси азота важнее всего гранулометрический состав поверхности (32.9%).

Несмотря на оптимальную температуру растворения (+1°С), содержание СО₂ в воде, стекающей по поверхности льда, составляет лишь 2.27–3.00 г СО₂ м^–3. Расчет для водного рН = 7 при той же температуре, актуальном атмосферном давлении и наблюдаемой концентрации газа в приземном слое дает 5.07 г СО₂ м^–3. Таким образом, свежая талая вода вдвое беднее диоксидом углерода по сравнению с водой, находящейся в фазовом равновесии при данных условиях, что может объясняться его пониженным содержанием в тающем льду. Сейчас в процесс абляции включаются слои льда, образовавшиеся в период, когда концентрация СО₂ в атмосфере была существенно ниже. В частности, анализ данных по леднику Гарабаши показывает, что в период наблюдений абляции подвергались слои льда, которые образовались 70–100 л.н., когда атмосферная концентрация диоксида углерода находилась в пределах 303–311 ppm, по сравнению с современной 415 ppm [13]. Поэтому, вероятнее всего, нельзя ожидать увеличения концентрации диоксида углерода над ледником за счет его прямого высвобождения из тающего льда. Это подтверждают и прямые измерения газообмена на участках, где мы визуально отмечали пузырьковый выход воздуха в ходе таяния, но при этом не было зафиксировано увеличения содержания СО₂. Содержание метана во всех водных пробах было равно или ниже его расчетной концентрации в воде при межфазовом равновесии при данных условиях, т.е. каких-либо дополнительных источников метана в водных пробах не было зафиксировано.

По расчетам общего баланса, проведенным на основе полевых измерений, спутниковых и аэрофотоснимков высокого разрешения, выяснено, что ледник Актру, в среднем, выделяет со своей поверхности лишь 2 кг С (СО₂) км^–2 год^–1, что можно рассматривать как околонулевой баланс. Для сравнения, по данным [5], годовой баланс мировых ледников находится в пределах 12–14 С км^–2. Тем не менее пространственный диапазон валового обмена СО₂ на исследованных ледниках меняется в очень широких пределах: от крайне вариабельного стока из атмосферы в области аккумуляции (от –17 до –556 кг С км^–2 год^–1) до заметного источника на нижнем окончании области абляции (от 200 до 334 кг С км^–2 год^–1). При добавлении к средневзвешенной по площади величине годового валового потока с поверхности ледника вклада примыкающих к нему почвоподобных участков молодых морен полученная величина существенно возрастает (1015 кг С км^–2 год^–1).