Железо обвинили в утечке углекислого газа из многолетней мерзлоты

Текущие прогнозы эмиссии углекислого газа из многолетней мерзлоты на ближайшие 300 лет ее не учитывают, и потому занижены как минимум на 14 процентов, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Geophysical Research Letters. Наибольшую роль в этом процессе играет присутствие ионов железа, которые катализируют реакцию фотодекарбоксилирования.

При текущих темпах повышения среднегодовых температур воздуха к 2100 году из многолетней мерзлоты может высвободиться до 15 процентов законсервированного углерода. Большая его часть покинет многолетнемерзлые породы в виде выбросов углекислого газа в атмосферу, однако свой вклад внесет и боковой перенос органического вещества оттаявших почв в поверхностные воды, где складываются условия для его быстрого окисления за счет фотоминерализации. Эти события приведут к существенному сдвигу в изменении климата в сторону еще большего потепления.

Ученые под руководством Дженнифер Боуэн (Jennifer Bowen) из Университета Мичигана представили первую количественную оценку потери органического углерода многолетней мерзлотой за счет фотоминерализации в поверхностных водах. Для этого в 2018 году они отобрали монолитные образцы многолетнемерзлых пород в Норт-Слоуп (Аляска) в шести различных подтипах тундры (сильно увлажненной кислой таликовой, сильно увлажненной кислой ручейковой, влажной осоковой, а также влажной осоковой, сильно увлажненной кислой и сильно увлажненной некислой тундр Сагвона) с глубины ниже 60 сантиметров. Кроме того, авторы поставили модельный эксперимент, имитирующий процесс фотоминерализации: в лабораторных условиях из этих образцов в течение четырех часов выщелачивали растворенное органическое вещество водой, которая предварительно была окислена УФ-излучением. Количество углерода в породе и фильтратах определяли с помощью ускорительной масс-спектрометрии.

Лабильность растворенного органического вещества в зависимости от длины волны и количества железа в фильтратах многолетней мерзлоты. Цветами показаны различные типы тундры.

J. C. Bowen et al. / Geophysical Research Letters, 2020.

Выяснилось, что растворенное органическое вещество многолетнемерзлых пород чувствительно к воздействию света и подвергается под его влиянием фотоминерализации, окисляясь до углекислого газа. Эффективность этого процесса снижалась от ультрафиолетового излучения к излучению с длинами волн в области видимого спектра (р<0,05). Ученые обнаружили, что огромный вклад в фотоминерализацию органического углерода вносит железо, растворенное в фильтрате многолетнемерзлых пород — с ростом его концентрации в растворе процесс усиливался (р<0,001).

Авторы исследования впервые представили механизм взаимодействия железа с растворенным органическим веществом в многолетней мерзлоте: они считают, что ионы железа Fe3+ катализируют фотодекарбоксилирование органических кислот, входящих в состав лигнина и танинов — важнейших компонентов реликтовой органики многолетнемерзлых пород. В результате железо восстанавливается до Fe2+, а углерод карбоксильной группы карбоновых кислот окисляется до углекислого газа, который составляет до 90 процентов от всего CO2, выделяющегося в результате фотоминерализации. Этот процесс также оказался связан с воздействием ультрафиолета, необходимого для фотодекарбоксилирования (р<0,05).

Авторы исследования пришли к выводу, что текущие прогнозы эмиссии углекислого газа из многолетней мерзлоты (2,08⋅1010 тонн к 2300 году) занижены на 14 процентов — именно таким может стать потенциальный вклад фотоминерализации в окисление растворенного органического вещества, законсервированного сейчас в многолетнемерзлых породах.