Czym jest wieczna zmarzlina i gdzie występuje na Ziemi?

Wieczna zmarzlina to grunt, skała lub osad, którego temperatura przez co najmniej dwa lata nie przekracza 0 °C, bez względu na to, czy zawiera lód. Jej najstarsze fragmenty przetrwały kilkaset tysięcy lat, a mimo to nie jest wieczna. Powstaje, cienieje i zanika razem ze zmianami klimatu. Gdy rozmarza, mikroorganizmy rozkładają zamrożone szczątki roślin i uwalniają gazy, które ocieplenie jeszcze przyspieszają.

Czym jest wieczna zmarzlina?

Wieczna zmarzlina to grunt, skała lub osad, którego temperatura pozostaje równa 0 °C lub niższa przez co najmniej dwa lata. Kryterium łączy więc próg temperatury z minimalnym czasem jego trwania. Grunt, który zamarza na jedną zimę i odmarza latem, jest tylko zmarzliną sezonową.

Równie ważne jest to, czego w definicji brakuje. Definicja zmarzliny według NSIDC pomija wilgotność, pokrywę śnieżną i położenie. O statusie gruntu rozstrzyga wyłącznie temperatura. Sucha, pozbawiona lodu skała w bezlodowych dolinach Antarktydy jest zatem zmarzliną tak samo jak syberyjski muł przesycony lodem. Lód opisuje budowę zmarzliny, a nie samo jej istnienie.

Z tego samego powodu nauka odchodzi od przymiotnika „wieczna”. Zmarzlina powstaje, grubieje, cienieje i zanika razem ze zmianami klimatu, dlatego polska literatura fachowa woli nazwę „wieloletnia zmarzlina”. Obok niej funkcjonują: angielski termin permafrost, czyli „trwały mróz”, rzadsza marzłoć i dawne określenie zlodowacenie podziemne.

Wiek zmarzliny pokazuje, że „wieloletnia” to określenie wręcz skromne. Większość arktycznej zmarzliny powstała w plejstocenie, epoce zlodowaceń zakończonej około 11,7 tys. lat temu, i przetrwała cały holocen. Najstarsze datowane fragmenty, z kanadyjskiego Jukonu, liczą kilkaset tysięcy lat i przetrwały co najmniej jeden interglacjał cieplejszy od obecnego.

Jak powstaje i z czego jest zbudowany zamarznięty grunt?

Zmarzlina tworzy się tam, gdzie przez wiele lat z rzędu zimowe wychłodzenie wnika w grunt głębiej, niż sięga letnie ogrzanie. Sam mróz jednak nie wystarcza. Przy obfitych opadach śnieg narasta w lodowce, zamiast zamrażać grunt. Najgłębsza zmarzlina leży więc tam, gdzie klimat kontynentalny łączy mroźne zimy ze skąpym śniegiem, jak w Jakucji.

Pionowy profil zamarzniętego gruntu ma trzy piętra:

• Warstwa czynna – przypowierzchniowa warstwa, która co lato odmarza i co zimę zamarza ponownie; zwykle ma od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów.
• Pereletok – warstwa przejściowa, która po wyjątkowo mroźnej zimie nie odmarza przez rok, a potem wraca do cyklu sezonowego.
• Zmarzlina właściwa – grunt stale zamarznięty, od stropu aż po spąg, poniżej którego ciepło z wnętrza Ziemi podnosi temperaturę powyżej 0 °C.

Skąd więc letnie bagna w tundrze, skoro grunt ma być zamarznięty? Odmarza tylko warstwa czynna. Zmarzlina pod nią działa jak nieprzepuszczalne dno: woda z roztopów nie wsiąka i stoi na powierzchni. Warstwa czynna szybko reaguje na serię cieplejszych lat i się pogłębia. Jej rosnąca grubość jest jednym z sygnałów degradacji zmarzliny.

W głąb różnice są jeszcze większe. Miąższość, czyli grubość zmarzliny, wynosi od mniej niż 1 metra do ponad 1500 metrów: cienkie płaty leżą na obrzeżach jej zasięgu, najgrubsze pokłady we wschodniej Syberii. Lód gruntowy wypełnia pory, tworzy soczewki i pionowe kliny. Część zmarzliny zawiera ponad 30 procent lodu w postaci soczewek i warstw. Najwięcej lodu ma jedoma, plejstoceński osad pylasty Syberii i Alaski, w którym lód często stanowi większość objętości.

Zmarzlina ciągła, nieciągła i sporadyczna

Trzy główne strefy zmarzliny różnią się tym, jaka część powierzchni jest zamarznięta: w ciągłej ponad 90 procent, w nieciągłej 50–90 procent, w sporadycznej 10–50 procent. Każdej strefie odpowiada przybliżony próg średniej rocznej temperatury powietrza. Zmarzlina ciągła dominuje zwykle poniżej około −8 °C, a według innego progu poniżej −5 °C. Nieciągła mieści się mniej więcej między −1 a −8 °C, a sporadyczna między 0 a około −1 °C.

Progi się rozjeżdżają, bo podaje się je dla powietrza. O zamarznięciu gruntu decyduje jego temperatura. Między jednym a drugim działają dwa filtry. Pokrywa śnieżna zimą utrzymuje grunt o kilka stopni cieplejszym od powietrza, więc przy tej samej średniej rocznej pod grubym śniegiem zmarzlina może nie powstać. Mchy, torf i las działają odwrotnie: latem ocieniają i izolują podłoże, przez co zmarzlina trwa w cieplejszym klimacie.

Nawet obszar, który podział na strefy klimatyczne zalicza do jednego klimatu, nie jest zamarznięty równomiernie. Wewnątrz jednej strefy decydują stok, podłoże i roślinność: północne zbocza i torfowiska bywają zamarznięte, nasłonecznione piaski i koryta rzek już nie. Strefa na mapie oznacza więc udział, a nie stan każdego punktu: w strefie nieciągłej nawet połowa terenu bywa wolna od zmarzliny.

Rejony występowania wiecznej zmarzliny

Zmarzlina leży pod jedną czwartą lądów półkuli północnej. Mianownikiem są tu lądy tej półkuli, a nie wszystkie lądy Ziemi. Odsetki różnią się przede wszystkim mianownikiem. Ta sama powierzchnia podzielona przez lądy całego globu daje wyraźnie mniejszy udział. Doliczenie gruntu zamarzającego sezonowo mocno zawyża wynik.

Wyróżnia się trzy typy zmarzliny według położenia:

• Polarna – układa się strefowo, wraz z szerokością geograficzną; obejmuje Syberię, Alaskę, północną Kanadę i wolne od lodu wybrzeża Grenlandii.
• Górska – rozkłada się piętrowo, wraz z wysokością; występuje w Alpach, Górach Skalistych, Andach i na Wyżynie Tybetańskiej.
• Podmorska – leży pod dnem płytkich szelfów Oceanu Arktycznego, zalanych przez morze po ostatnim zlodowaceniu; to relikt dawnej zmarzliny lądowej.

Największy udział w terytorium zmarzlina ma w Arktyce. Zajmuje większość Alaski i Syberii oraz prawie cały wolny od lądolodu obszar Grenlandii, a w Rosji i Kanadzie znaczną część obu krajów. Według oceny IPCC dla Arktyki w regionach polarnych leży ponad 90% światowej zmarzliny ciągłej i nieciągłej. Reszta przypada głównie na wysokie góry.

W średnich szerokościach zmarzlinę utrzymuje wysokość. Klimat górski obniża średnią roczną temperaturę o około 6 °C na każdy kilometr wzniesienia. Największy obszar zmarzliny poza strefą polarną zajmuje Wyżyna Tybetańska, gdzie duża wysokość i sucha, mroźna zima działają razem.

Na półkuli południowej zmarzliny jest niewiele, choć leży tam najzimniejszy kontynent. Antarktyda ma najsurowszy klimat polarny na Ziemi. Niemal cały jej ląd przykrywa jednak lądolód. Badania zmarzliny dotyczą tam nielicznych obszarów wolnych od lodu. W pasie, gdzie na północy rozciągają się Syberia i Kanada, na południu leży głównie ocean. Zmarzlina skupia się na półkuli północnej, bo tylko tam rozległe lądy sięgają chłodnych szerokości.

Wieczna zmarzlina w Polsce na Suwalszczyźnie i ślady dawnych zlodowaceń

Wieczna zmarzlina w Polsce istnieje, choć nie przy powierzchni: reliktowa warstwa zamarzniętych skał leży kilkaset metrów pod Suwalszczyzną, w okolicach Udrynia i Szypliszek. Od lat 70. XX wieku wiedziano, że temperatura w tutejszych odwiertach z głębokością maleje, zamiast rosnąć. Zjawisko nazwano suwalską anomalią geotermiczno-hydrogeochemiczną. Jej źródłem są anortozyty, skały magmowe ubogie w izotopy promieniotwórcze, przez co strumień ciepła z wnętrza Ziemi jest tu bardzo słaby. Chłód ostatniego zlodowacenia, zlodowacenia Wisły, nie został więc wyparty przez ciepło z głębi.

Przetrwanie zmarzliny sprawdzono otworem o głębokości 450 m, ukończonym 24 lipca 2010 roku. Wyniki odwiertu PIG na Suwalszczyźnie wykazały najpierw skokowy spadek temperatury w otworze jeszcze niestabilnym termicznie. 3 sierpnia, kiedy temperatura w otworze bardziej się ustabilizowała, pomiar powtórzono i na głębokości 356 m odnotowano +0,07 °C. Państwowy Instytut Geologiczny uznał to za kopalną zmarzlinę sprzed 13 tysięcy lat.

Dodatni odczyt nie przekreśla definicji, która wymaga 0 °C lub mniej. Głębiej sonda nie przeszła, bo otwór najpewniej zamknął korek lodowy. Lód w otworze oznacza temperaturę na poziomie punktu zamarzania. To paleozmarzlina w fazie przejściowej między lodem a wodą, która dziś już nie narasta. Żeby powstawała zmarzlina ciągła, średnia roczna temperatura musiałaby spaść do progu tej strefy, daleko poniżej obecnej.

Inne informacje mają słabsze oparcie. W najwyższych partiach Tatr, między innymi na Kasprowym Wierchu, sondowania geofizyczne i pomiary temperatury u spodu pokrywy śnieżnej wskazują na płaty współczesnej zmarzliny. To jednak interpretacja metod pośrednich, a nie odwiert.

W plejstocenie było odwrotnie. W okresach zlodowaceń klimat peryglacjalny panował w tej części Polski, której nie przykrywał lądolód, a zmarzlina sięgała tam powierzchni. Ślady zostały w osadach i krajobrazie: pseudomorfozy po klinach lodowych, kriogenicznie zaburzone warstwy gleby i doliny ukształtowane przez spływ rozmarzniętego gruntu.

Dlaczego rozmarzanie zmarzliny przyspiesza ocieplenie?

Według raportu specjalnego IPCC o kriosferze arktyczna i borealna zmarzlina zawiera 1460–1600 Gt węgla organicznego. To prawie dwa razy więcej, niż zawiera atmosfera. Ten szacunek ma średni poziom pewności. Węgiel tkwi w szczątkach roślin i zwierząt, które zamarzły, zanim zdążyły się rozłożyć.

Po rozmarznięciu tę materię rozkładają mikroorganizmy. To, jaki gaz powstaje, zależy od dostępu tlenu. W przesuszonym, napowietrzonym gruncie powstaje głównie dwutlenek węgla. W podmokłym, beztlenowym podłożu, na bagnach i pod dnem jezior termokrasowych, archeony metanogenne wytwarzają metan (CH₄), który ogrzewa klimat znacznie silniej. Metan stanowi niewielką część dodatkowych emisji węgla ze zmarzliny. Przez tę siłę działania może jednak odpowiadać za 40–70% wymuszenia radiacyjnego związanego ze zmarzliną, czyli zaburzenia bilansu energii Ziemi.

Oba gazy zamykają dodatnie sprzężenie zwrotne: ocieplenie rozmraża grunt, rozkład uwalnia gazy, a gazy dalej podgrzewają klimat. Pętlę napędza wzmocnienie arktyczne, czyli szybsze ocieplanie się Arktyki niż reszty globu. Badanie fińskich klimatologów wyliczyło, że od 1979 roku Arktyka ociepla się niemal cztery razy szybciej niż glob.

Wcześniejsze prace podawały mniejsze tempo, bo wynik zależy od przyjętego okresu, zbioru danych i granicy Arktyki.

Czy zatem grozi „bomba metanowa”? IPCC nie opisuje nagłego wyrzutu. Niepewność nazywa wprost: dowody są średnie, a zgodność niska w sprawie tego, czy północna zmarzlina już dziś uwalnia dodatkowy metan i CO₂. Prognozy opisują stopniowe kurczenie się zmarzliny w skali całego regionu. Do końca stulecia powierzchnia zmarzliny przypowierzchniowej ma się zmniejszyć o 24 ± 16% w scenariuszu RCP2.6 i o 69 ± 20% w scenariuszu RCP8.5, w zakresach prawdopodobnych.

Pierwszy scenariusz jest bliski utrzymaniu ocieplenia poniżej 2 °C, drugi zakłada wysokie emisje bez ograniczeń. W scenariuszu RCP8.5 zmarzlina uwolni łącznie od dziesiątek do setek miliardów ton węgla.

Wirusy, bakterie i rtęć zamknięte w zmarzlinie

Zmarzlina konserwuje organizmy, bo łączy trzy warunki spowalniające rozpad: stały chłód, brak światła i niewiele wody w stanie ciekłym. Niektóre bakterie zwiększają szanse przetrwania, tworząc endospory, czyli uśpione formy w grubej osłonie, odporne na mróz i wysychanie.

Mollivirus sibericum, czwarty typ wirusa olbrzymiego, wyizolowano z tej samej próbki co Pithovirus sibericum. Badanie wirusów ze zmarzliny określiło jego wiek na 30 000 lat. Oba infekują ameby z rodzaju Acanthamoeba, a nie ludzi. W 2016 roku na Półwyspie Jamalskim podczas upału rozmarzły dawne szczątki reniferów. Endospory Bacillus anthracis zabiły wtedy tysiące zwierząt i zaraziły ludzi. Badanie o rtęci w zmarzlinie wyliczyło, że obszary zmarzliny półkuli północnej zawierają 1656 ± 962 Gg rtęci. Gigagram to tysiąc ton. Gleby zmarzliny przechowują prawie dwa razy więcej rtęci niż wszystkie pozostałe gleby, ocean i atmosfera razem. Rozmarzanie może ją wprowadzać do rzek i arktycznych łańcuchów pokarmowych, choć skala tego procesu jest słabo rozpoznana.

Zapadający się grunt i kratery to efekt rozmarzania tereneu

Grunt bogaty w lód po rozmarznięciu traci objętość, bo lód zajmował w nim przestrzeń, której sam osad nie wypełni. Woda z roztopów odpływa, ziarna osiadają, a powierzchnia zapada się proporcjonalnie do ilości wytopionego lodu. Taką rzeźbę nazywa się termokrasem. Najmocniej osiada jedoma, w której powstają zapadliska, jeziorka i pagórkowaty, nierówny teren.

Zagrożenie gwałtownym rozmarzaniem nie rozkłada się równo. Około 20% lądowej zmarzliny Arktyki jest narażone na lokalne gwałtowne rozmarzanie i osiadanie gruntu, przede wszystkim tam, gdzie lodu gruntowego jest najwięcej.

Budynki stoją tu zwykle na palach wmrożonych w zmarzlinę, które trzymają się dzięki przymarznięciu do gruntu. Gdy grunt się ociepla, pale tracą nośność i osiadają nierówno, więc ściany pękają, drogi i nasypy kolejowe falują, a rurociągi się wyginają. Do 2050 roku 70% infrastruktury Arktyki będzie leżało na terenach zagrożonych rozmarzaniem zmarzliny.

Torfowiska reagują na dwa sposoby. Gdy rozmarzanie otwiera wodzie drogę odpływu, torf przesycha i staje się podatny na pożary. Gdy woda nie ma ujścia, powstają podmokłe zapadliska.

Najbardziej widowiskowe są kratery gazowe, które na Półwyspie Jamalskim zaczęto znajdować od 2014 roku. Według dominującej hipotezy gaz gromadzi się w gruncie bogatym w lód, aż ciśnienie wyrzuca nadkład i zostawia głęboki lej. Mechanizm wciąż jest badany.

Tempo zmian zależy od tego, jak daleko zmarzlinie do 0 °C. Zimna zmarzlina strefy ciągłej przez lata się ociepla, zanim zacznie tajać. Ciepła zmarzlina strefy nieciągłej, bliska 0 °C, rozmarza najszybciej, zwłaszcza po pożarach i utracie roślinności.

Odbudowa utraconej zmarzliny trwałaby stulecia, a w głębokich warstwach tysiąclecia, nawet gdyby klimat się ochłodził. Ciepło i chłód przenikają w grunt bardzo powoli, co widać pod Suwalszczyzną. Lodu jedomy i uwolnionego węgla nie da się odtworzyć: zamarznięty grunt mógłby wrócić, ale bez dawnej zawartości.