Арктические реки Аляски столкнулись с серьезной проблемой — они приобрели оранжевый оттенок. Ранее чистые реки теперь мутнеют и приобретают оранжевый цвет из-за частиц железа, и это не просто некрасиво. Эти частицы могут задушить рыбу и насекомых, угрожая пищевой цепи и экосистеме в целом.
Ученые давно указывают на то, что причиной загрязнения рек в отдаленном районе Брукс-Рейндж на севере Аляски может быть оттаивание ранее замерзшей почвы, и недавно опубликованное в журнале Communications Earth & Environment исследование это доказывает. Исследование также показывает два различных способа, которыми оттаивающая почва вызывает коррозию рек, и может помочь ученым предсказать, куда, вероятно, распространится ущерб в дальнейшем.
«Можно было бы подумать, что если какая-либо экосистема и может спрятаться от последствий глобального потепления и значительного воздействия человека, то это именно эта. Но это не так», — заявил в своем заявлении Тим Лайонс, соавтор исследования и биогеохимик из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Безопасного места не существует».
От таяния вечной мерзлоты до апельсиновой воды
Вечная мерзлота — это горные породы или почва, содержащие лед, который был замерзшим в течение двух и более лет. На Аляске потепление происходит в два-три раза быстрее, чем в среднем по миру, что приводит к таянию части вечной мерзлоты, которая была замерзшей тысячи лет. Это таяние вечной мерзлоты уже угрожает фьорду Трейси-Арм, популярному месту для круизов по Аляске.
По мере того как из-за изменения климата замерзшая вечная мерзлота начинает оттаивать, она может превратиться в грязь, не способную выдержать вес почвы или растительности над ней. Это может угрожать рукотворной инфраструктуре, такой как дома, трубопроводы и дороги. Кроме того, это может обнажить частицы железа из горных пород, которые окрашивают реки в оранжевый цвет — этот процесс называется ржавлением.
Ржавление имеет серьезные экологические последствия. Мелкие частицы железа могут оставаться во взвешенном состоянии в воде на протяжении более 60 миль, подавляя рост водорослей, нарушая популяции насекомых и забивая жабры рыб. Эти изменения, возможно, уже затрагивают лосося на Аляске и в Канаде, который использует галечные русла рек для нереста и питается водорослями на ранних стадиях своей жизни.
Проблема, нисходящая сверху вниз, словно фальшивое золото.
В рамках этого нового исследования команда рассмотрела широкий региональный обзор хребта Брукс протяженностью около 600 миль. Затем они сфокусировались на конкретной речной системе, а после этого еще более детально изучили один ручей. Такой подход «сверху вниз» помог им связать более крупные региональные закономерности с конкретными процессами, происходящими на местах.
«На средних, более густо поросших лесом высотах ничего особенного не происходит. Но на более высоких и более низких высотах мы наблюдали совершенно разные явления», — сказал Роман Дайал, соавтор исследования, почетный профессор математики и биологии Тихоокеанского университета Аляски.
На больших высотах проблема начинается в каменистой почве, содержащей пирит, также известный как «золото дураков». Поскольку земля была промерзшей в течение многих лет, вода и воздух не влияли на пирит. Однако повышение температуры начало растапливать почву, запуская процесс, называемый кислотным дренажем горных пород. Минералы и породы подвергаются воздействию кислорода и воды, что ухудшает качество воды.
«Когда пирит соприкасается с водой, он распадается. Он распадается на железо и серу, образуя серную кислоту, а также сульфаты и другие токсичные металлы», — сказал Лайонс. «Когда богатая железом вода смешивается с большим количеством кислорода, железо превращается в частицы, похожие на ржавчину, которые окрашивают воду и донные отложения в оранжевый цвет».
На более низких высотах ситуация совершенно иная. Ландшафт покрыт болотами, которые меняют свою форму и расширяются вниз по мере таяния вечной мерзлоты. В этих более влажных местах почва бедна кислородом. Поэтому вместо того, чтобы дышать кислородом, микроорганизмы в воде (в основном бактерии) поглощают железо.
«Когда мы дышим, кислород поступает внутрь и превращается в углекислый газ, который мы выдыхаем», — сказал Дайал. «Аналогично, микробы потребляют железо в низинных почвах и превращают его в водорастворимую форму, которая просачивается в ручьи и вызывает ржавление при контакте с насыщенной кислородом поверхностной водой».
В совокупности, как кислый дренаж горных пород, так и поглощение микроорганизмами большего количества железа помогают объяснить, почему оранжевая вода появляется на таких обширных и отдаленных территориях северной Аляски, в непосредственной близости от районов, где тает вечная мерзлота.
Прямая ссылка
Команда также обнаружила отложенный эффект, который может помочь прогнозировать будущее загрязнение. Летом активный верхний слой почвы оттаивает до самой глубокой точки. Затем он снова замерзает перед зимой. Железо, высвободившееся во время одного летнего оттаивания, может задерживаться и затем вымываться в реки в следующем году.
Изучение долгосрочных данных о температуре грунта и химическом составе водных потоков позволяет использовать этот временной лаг для прогнозирования повышения уровня металлов.
«Это означает, что мы можем использовать температуру грунта для прогнозирования качества воды в будущем», — добавил соавтор исследования и эколог из Университета Аляски Пэдди Салливан. В 2019 году Салливан впервые заметил резкие изменения в русле реки, которые выглядели «как сточные воды», во время полевых работ в регионе.
Поскольку шахты обычно контролируют водные ресурсы вблизи себя, чтобы минимизировать загрязнение, команда сотрудничала с учеными цинкового рудника Ред Дог на северо-западе Аляски. У этих ученых есть долгосрочные данные о температуре, полученные из скважин, пробуренных глубоко в землю, и из анализа химического состава воды в ручьях. Сопоставление подземных измерений с изменениями химического состава воды в ручьях напрямую связало таяние вечной мерзлоты с ржавением рек.
Хотя эту проблему трудно локализовать и контролировать, прогнозирование мест возможного следующего загрязнения может помочь выявить и защитить критически важные места обитания. Такое прогнозирование особенно важно для сообществ, зависящих от этих вод, и для рыболовов, живущих там и занимающихся традиционными видами рыбной ловли.
«После начала этого уже не исправить, — сказал Лайонс. — Но мы можем предупредить людей, живущих ниже по течению, и усердно работать над защитой тех мест, которые еще безопасны и менее уязвимы для коррозии».