Таяние вечной мерзлоты меняет целые речные системы в арктической части Аляски

Фото из открытых источников

В результате таяния вечной мерзлоты на Аляске выделяются кислоты и металлы, которые окрашивают реки в оранжевый цвет, изменяя химический состав воды на протяжении десятков километров. Результаты исследования были опубликованы в журнале AGU Advances.

На склонах холмов в арктической Аляске просачивающаяся вода переносит кислоту и металлы в реки, которые выше по течению от этих источников чистые. Вероятная причина — оттаивание земли, поскольку оно позволяет воде проникать глубже в породы, содержащие серосодержащие минералы.

В одной из рек повышенный уровень металлов сохранялся на протяжении 103 километров (64 мили) вниз по течению. Иными словами, небольшое количество кислых притоков может изменить химический состав реки на протяжении десятков километров.

«Больше всего нас удивило, что кислотные источники оказались такими же кислыми и богатыми металлами, как сильно загрязненные воды с мест добычи полезных ископаемых, но эти образцы воды были взяты из национальных парков США и впадают в чистые арктические реки», - объясняет соавтор исследования Бретт Пулен из Калифорнийского университета Дэвис, сравнивая эти источники с совершенно другим типом мест.

В течение лета 2022-2024 годов команда провела отбор проб в шести водосборных бассейнах в западной части хребта Брукс, в пределах и вокруг национального заповедника Ноатак и национального парка Кобэк-Вэлли.

Под всеми шестью водоразделами земля остается промерзшей круглый год. По мере таяния вечной мерзлоты вода и воздух могут достигать таких минералов, как пирит. В результате последующих реакций выделяются кислота, сульфаты и смесь металлов.

Вблизи шахт ученые называют этот процесс кислым шахтным стоком. Здесь же, без проведения каких-либо земляных работ, это кислый сток из горных пород, и он часто окрашивает ручьи в оранжевый цвет. В четырех из шести водосборных бассейнов этот сток впервые выходит на поверхность из-под земли в местах, расположенных на склонах холмов.

По шкале pH, чем ниже значение, тем кислее вода. В местах выхода родников среднее значение pH составляло 3,2, по сравнению с примерно 8,3 в реках выше по течению. Каждое изменение по шкале соответствует десятикратному изменению, поэтому вода в родниках была более чем в 100 000 раз кислее.

В одном литре просачивающейся воды содержалось в среднем 451 миллиграмм 23 металлов в совокупности, по сравнению с примерно одной десятой миллиграмма выше по течению. Это в тысячи раз больше металлов.

Вода в трех водосборных бассейнах оказалась более кислой и богатой металлами, чем вода, отобранная в районе месторождений руды Ред Дог и Су-Лик в тех же горах. Исключением стал один источник, в водосборном бассейне ручья Наколикурок, вода в котором была близка к нейтральной и содержала мало металлов.

Карбонатные минералы в горных породах помогают речной воде нейтрализовать кислоту, поэтому основные реки не стали кислыми. Однако многие металлы остались в воде.

«Влияние на качество воды ниже по течению было настолько значительным, что мы часто могли видеть это невооруженным глазом», — сказал Пулен, добавив, что данные подтверждают это, демонстрируя явное увеличение содержания многих металлов, вызывающих опасения. Во всех шести водосборных бассейнах содержание нескольких металлов, включая никель, алюминий и железо, было в 3–21 раз выше в основных реках ниже мест кислотного стока, чем выше них.

Команда более тщательно изучила одну реку — Салмон — в 19 точках вдоль этих 64 миль. Более половины ее притоков несли кислые стоки. Чуть ниже первых из них pH реки упал с 8,3 до 7,7, а затем вернулся примерно к 8,0.

Содержание никеля на последнем участке было примерно в 65 раз выше, чем на первом, а содержание растворенного цинка и кадмия — примерно в 18 и 28 раз выше соответственно. Чистые притоки разбавляли металлы по пути, но недостаточно, чтобы вернуть их к исходному уровню.

«Результаты нашего исследования указывают на наличие оснований для беспокойства, особенно в отношении здоровья рыб и других водных животных, поскольку многие из измеренных нами металлов, как известно, токсичны», - пояснил Пулен.

По словам Пулена, для людей уровень свинца и мышьяка низок, поэтому изменение не представляет непосредственной угрозы для здоровья тех, кто использует эти реки в качестве источника питьевой воды. Даже в местах выхода воды из рек оба показателя были ниже 10 микрограммов на литр, а содержание ртути также было низким.

В закисленных притоках концентрация селена превысила федеральный порог, установленный для защиты жизни в проточной воде. Однако высокое содержание сульфатов в этих ручьях может затруднить усвоение селена животными.

Для определения токсичности других металлов для рыб потребуются дополнительные исследования. Исследование 2024 года, проведенное несколькими теми же учеными, связало оранжевые ручьи в регионе с резким сокращением численности рыб и разнообразия мелких обитателей ручьев.

Чтобы выяснить, когда началось осушение, команда обратилась к двум более длинным архивам данных. Один из них охватывает реку Агашашок, один из шести водосборных бассейнов, где впервые на спутниковых снимках летом 2019 года появилось просачивание воды.

Второй источник воды находится на станции в реке Вулик, расположенной выше по течению от рудника Ред Дог, одного из крупнейших в мире карьеров по добыче цинка, который сбрасывает очищенную воду.

По словам Пулена, в обеих реках металлы резко появились в 2019 и 2020 годах, после чего их концентрация снижалась в течение нескольких лет. После этого концентрация сульфатов была на 174–263% выше, чем раньше. Общее содержание цинка в реке Вулик увеличилось до 770%.

Это были не постепенные сугробы, а скачки. Они произошли сразу после самых высоких зимних температур воздуха и самых обильных снегопадов в регионе в 2018 и 2019 годах.

«Когда выпадает больше снега, он изолирует почву, предотвращая повторное замерзание», — сказал соавтор исследования Тейлор Эвингер из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Мы считаем, что вода проникла глубже в почву из-за оттаивания, взаимодействовала с этими минералами, и все эти водосборные бассейны активизировались примерно в одно и то же время».

После 2019 года реки в регионе также стали нести больше воды, что должно было привести к разбавлению сульфатов, поэтому изменение уровня воды не может объяснить скачки.

По состоянию на 2025 год более 200 рек и ручьев в районе хребта Брукс были отмечены на спутниковых снимках как потенциально подверженные воздействию кислотного стока горных пород.

Пулен заявил, что модели не предсказывали подобного нарушения в Арктике, и что исследования в Канаде подтвердили это параллельно. «Количество наблюдений и их пространственный масштаб вызывают беспокойство».

Содержание сульфатов в канадских реках Маккензи и Пил увеличилось на 6–20% за десятилетие, что значительно медленнее, чем скачки более чем на 200%, наблюдаемые здесь.

Группа исследователей пришла к выводу, что столь резкие эффекты в небольших водосборных бассейнах могут быть замаскированы к тому моменту, когда их вода достигает устья крупной арктической реки.

К 2024 году уровни сульфатов и цинка приблизились к показателям, наблюдавшимся до 2019 года. Вероятно, подобные небольшие эпизоды случались и раньше, но на фоне событий 2019 и 2020 годов они выглядели незначительными.

Причины повторного падения уровня неизвестны. Команда предположила, что запасы реактивных минералов могут быть ограничены, или что пути движения подземных вод меняются из года в год.

Команда не смогла добраться до захороненных минералов или проследить подземные пути воды. Вопрос о том, какое количество металла попадает в прибрежные воды Арктики, остается открытым. «В конечном итоге, проблема динамична и меняется с каждым годом, пока мы отбираем пробы рек, что подчеркивает необходимость продолжения ее изучения», — сказал Пулен.

Чтобы предсказать, где произойдет следующее выделение влаги, исследователям еще предстоит выяснить, какие ландшафты и погодные условия способствуют этому явлению.