Вечная мерзлота, леса и лесные пожары: непримиримые антагонисты?

Распространение пожаров в районах вечной мерзлоты

Лесные и тундровые пожары – с одной стороны, бедствие, которое наносит большой ущерб здоровью, экологии и экономике, а с другой, они являются составной частью естественного развития растительности. В России в 2021 году, по данным Рослесхоза, произошло около 14 тыс. лесных пожаров, а их площадь превысила 10 млн га. С этой проблемой сталкиваются и другие страны с похожим климатом и растительностью, включая США и Канаду. При этом в Канаде в этом году было меньше пожаров, примерно 6 тыс. с площадью более 4 млн га, а в США, наоборот, больше - 44 тыс. с площадью более 2 млн га, с катастрофическими последствиями для населения и инфраструктуры юго-западных штатов.

В России сильнейшие пожары в 2021 г. были в Якутии, где лето было таким жарким последний раз в 1888 году и где широко развита вечная мерзлота. Во втором десятилетии XXI века число пожаров в Сибири выросло в два с половиной раза по сравнению с предыдущим десятилетием. Число пожаров и их площадь положительно коррелируют с летней температурой воздуха и отрицательно – с дождями. С продвижением к северу частота пожаров в целом снижается, а интервалы между пожарами увеличиваются, достигая трёхсот лет на северной границе лиственничных лесов.

 Лесные и тундровые пожары в Арктике, отсюда.

В последние десятилетия наблюдается потепление климата, поэтому растёт число и площадь лесных пожаров. Дым от лесных пожаров лета 2021 г. в Якутии достиг территории Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов, горело почти 2 миллиона га леса.

Возникновение пожара определяется наличием горючих материалов, их способностью воспламенения и источником огня. В болотных лесных и тундровых сообществах всегда достаточно горючих материалов. Увеличение летних температур снижает влажность и повышает вероятность возгорания. Динамика пожаров и их площадей связана со степенью засушливости климата и периодами особенной жары, так называемыми «волнами тепла». Наблюдается смещение зоны пожаров к северу. Растёт число пожаров в тундре и лесотундре. В некоторых районах Восточной Сибири граница пожаров достигла побережья Северного Ледовитого океана. Тундровые пожары наблюдаются на Ямале, Таймыре, на Аляске, в Канаде и даже в Гренландии.

 Пожары в Арктике: 1- Западная Сибирь (Урал – Енисей), 2 – Восточная Сибирь (Енисей-Колыма), 3 – Колыма –Чукотка. Координаты пожаров (термических точек) указаны звездочками. © В.И.Харук

В некоторых районах Восточной Сибири граница пожаров достигла побережья Северного Ледовитого океана. 

   Динамика северной границы пожаров © В.И.Харук

Тундровые пожары наблюдаются на Ямале, Таймыре, Аляске и в Гренландии. По словам Мишель Мак из Университета Флориды, «такие сильные пожары в Арктической тундре не происходили в течение последних 10,000 лет».

Опасность лесотундровых пожаров заключается в выбросе большого количества углекислого газа, выделяемого при сгорании органических отложений в почвогрунтах и кровле вечной мерзлоты. Эмиссии углекислого газа, а также других парниковых газов усиливают происходящее потепление климата.

Основной причиной тундровых пожаров, как, впрочем, и лесных, являются грозы, особенно так называемые «сухие грозы», возникающие во время антициклонов. Было установлено, что частота разрядов молний увеличивается примерно на 12 % на каждый ºC повышения температуры.

Леса и мерзлота

Как же влияют пожары на вечную мерзлоту? Прежде всего, рассмотрим влияние растительности. Влияние растительного покрова на температуру горных пород многообразно, сложно и недостаточно изучено. Деревья и густые заросли кустарников летом защищают землю от инсоляции. Уменьшение солнечной радиации, достигающей горных пород, может доходить до 70% в густом лесу. В сочетании с переносом тепла и влаги в растительном покрове испарение из почвы может быть уменьшено в несколько раз по сравнению с открытыми участками. Турбулентный теплообмен всегда меньше в лесах, как и скорость ветра. Максимальное охлаждение наблюдается в еловых и сосновых лесах с понижением температуры на 0,5-2°C по сравнению с открытыми участками.

С увеличением сомкнутости крон в направлении с севера на юг роль лесов в формировании среднегодовой температуры пород меняется. В редколесьях лесотундры, редкостойных лесах и кустарниках северной тайги сокращение притока радиации к поверхности почвы компенсируется уменьшением турбулентного теплообмена, и в них накапливается более высокий и рыхлый, чем на безлесных участках, снежный покров. В результате среднегодовая температура пород в северных лесах может превышать температуру пород на безлесных участках. Таким образом разность среднегодовых температур на высоте крон деревьев и поверхности Земли может менять величину и даже знак. При слабых ветрах, характерных для лесной зоны, высота снежного покрова часто меньше, чем на безлесных участках. Поэтому в средней, южной тайге и в области развития талых пород, т.е. на юге страны, лес является охлаждающим фактором. В Центральной Якутии в лесах температура горных пород ниже, чем на открытых участках, на 1—2°С.

Деревья формируют горизонт растительного опада (подстилку) на поверхности горных пород (почвенный горизонт О), и, поскольку в течение короткого летнего сезона в районах с вечной мерзлотой скорость распада органического материала идёт медленно, обычно присутствует заметный органический слой. Это может формировать значительный эффект температурной сдвижки, образующейся за счёт разности теплопроводностей материала в талом и мёрзлом состоянии и заметно понижающей температуру горных пород. Поэтому острова вечной мерзлоты могут присутствовать во влажных лесных районах у подножия склонов, например, на северных склонах Тянь-Шаня в Китае, даже в Швейцарии, и в Скандинавии.

Различные растительные покровы имеют разные альбедо (коэффициенты отражения солнечной радиации). В Квебеке сухой покров, состоящий из лишайника Cladonia stellaris имел альбедо от 0.23 до 0.26, тогда как альбедо чёрной ели составляет 0,16, а осоки от 0,07 (влажные участки) до 0,11 (сухие участки). Светлый лишайник (Cladonia stellaris) отражает больше поступающей солнечной радиации, чем другие растения. Поэтому выпас оленей может повысить температуру поверхности горных пород за счёт уменьшения влияния лишайникового покрова.

Напочвенный растительный покров действует и непосредственно, как теплоизолятор, причём как зимой, так и летом. Суммарный эффект в годовом цикле зависит от разницы значе­ний термических сопротивлений напочвенного покрова в зимнее и летнее время. Слой мха толщиной 2—3 см сокращает сумму летних температур в 1,5 раза и более. В результате формируется температурная сдвижка («тепловой диод»), которая может вызвать понижение среднегодовой температуры в мощных моховых покровах на 5°С и даже более градусов. 

При определённом сочетании условий влажный напочвенный покров может оказывать и отепляющее влияние на подстилающие породы. Такое явление наблюдается, например, в Западной Сибири, на участках повышенной мощности снежного покрова (более 0,8-1,0 м и более) и развития мощных моховых покровов. Однако в целом для территории тундры разрушение напочвенного покрова – после действия человека или после пожара -- как правило, приводит к заметному повышению температур горных пород, увеличению активного слоя (слоя сезонного протаивания) и, часто, выраженному термокарсту. Вырубка лесов и пожары в лиственничниках Центральной Якутии также вызывают повышение температуры горных пород, увеличение активного слоя и оттаивание вечной мерзлоты.

 Изменение мощности активного слоя и оттаивание мерзлоты в результате уничтожения леса.

Таким образом, лес часто является защитным слоем для вечной мерзлоты. После пожаров вечная мерзлота начинает разрушаться. Потепление климата и лесные пожары ускоряют деградацию вечной мерзлоты.

Вечная мерзлота не остаётся в долгу, и в ещё большей степени помогает лесу. Дело в том, что тайга в значительной степени существует благодаря вечной мерзлоте. Кровля мерзлоты образует водоупор, обеспечивающий сохранение в слое сезонного протаивания влаги. Если бы вечной мерзлоты не было бы, атмосферные осадки просочились бы вниз, уменьшив количество доступной деревьям влаги. В районах с низким уровнем осадков, в частности, на значительной части Якутии, при отсутствии вечной мерзлоты могла бы сформироваться пустыня. Не исключено, что так и будет, если вечная мерзлота деградирует в результате потепления. 

Лесам нужны пожары?

Однако таёжные деревья -- лиственница и сосна -- являются так называемыми пирофитами, растениями, приспособленными к воздействию огня и, в определённых условиях, требующими его для своего развития. Подрост в лиственничном лесу возникает преимущественно после пожаров, на гарях обычно расселяются молодые деревья. В среднем в Якутии сосновые леса сейчас горят примерно каждые 10 лет, лиственничные – каждые 20 лет. Считается, что в среднем в России в XIX в. интервал между пожарами составлял около 100 лет, а в XX в. он сократился примерно до 60 лет.

Царица наших сибирских лесов – лиственница, занимавшая в стране около половины всей территории лесов, -- морозостойка и долговечна, живёт до 400 лет и более (возраст отдельных экземпляров превышает 1000 лет!), обладает хорошей огнестойкостью, превосходящей в несколько раз другие породы деревьев. Плотный лишайниково-моховой покров, возникающий, если пожары редки, крайне неблагоприятен для успешного возобновления лиственницы. После пожаров возрастает глубина сезонного протаивания, почва минерализуется и обогащается полезными элементами. Это создаёт благоприятные условия для прорастания семян лиственницы, укоренения и развития молодого поколения деревьев. На гарях семена лиственниц начинают прорастать прямо на поверхности почвы. Деревья начинают расти очень быстро, но, по мере развития напочвенного покрова, понижения температуры почвы и уменьшения слоя сезонного протаивания, рост замедляется. Происходит и резкое снижение количества подроста в лиственничниках. Поэтому периодические природные пожары представляют важный фактор сохранения лиственничных лесов в мерзлотной зоне. По некоторым данным, плотный лишайниково-моховой покров, возникающий, если пожары редки, крайне неблагоприятен для успешного возобновления лиственницы. 

Пожары также способствуют сохранению биоразнообразия в лесных экосистемах. Например, гари – это своего рода «стартовые площадки» для продвижения на север менее холодостойких видов – таких как кедр, пихта и ель. 

На Аляске пробовали активно бороться с пожарами -- в результате деревья состарились, на них стали нападать насекомые-вредители.

Однако дым от пожаров нарушает среду обитания человека. Дым содержит канцерогенные вещества, сажу и пыль, а также летучие продукты горения – углекислый и угарный газы, двуокись серы и другие. При воздействии дыма в организме человека происходят функциональные нарушения в нервной и ферментных системах, обмене веществ, возникают онкологические патологии, болезни органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, наблюдаются сильные аллергические реакции. Вместе с тем, учитывая стимулируемое потеплением возрастание горимости, необходимо осознать, что в будущем задымлённость воздуха будет возрастать, а наши возможности бороться с пожарами – уменьшаться. Поэтому необходимо как усиление технического обеспечения «огнеборцев», так и совершенствование методов и стратегии борьбы с лесными пожарами.

***

Приводят ли пожары к ускорению глобального потепления? Да, приводят, поскольку при пожарах в атмосферу выбрасывается большое количество СО2 и других парниковых газов, увеличивающих парниковый эффект. Вместе с тем, выбрасываемые при пожарах в атмосферу аэрозоли, частично блокируя солнечной излучение, влекут снижение температуры воздуха.

Наконец, несмотря на возрастающую горимость, сибирские леса увеличивают свою продуктивность благодаря возрастанию годичного прироста вследствие потепления климата, увеличения продолжительности вегетационного периода, а также возрастания концентрации углекислого газа в атмосфере: ведь СО2 -- это источник углерода для фотосинтеза.

Авторы:  Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Харук Вячеслав Иванович, заведующий лабораторией мониторинга леса и отделом экологии и мониторинга леса Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, доктор биологических наук, профессор.

Литература 

Коннова Л.А., Львова Ю.В. Деградация вечной мерзлоты в контексте безопасности жизнедеятельности в Арктической зоне Российской Федерации//Проблемы управления рисками в техносфере. 2019. No3(51).С.27–34.

Харук В.И., Двинская М.Л. 2020. Климатогенная динамика пожаров в арктической зоне Сибири //Материалы VII Международной научной конференции «Региональные проблемы дистанционного зондирования земли» 29 сентября – 2 октября. Красноярск. С. 25-28

Харук В.И., Пономарев Е.И. 2020. Пожары и гари тайги сибирской. Наука из первых рук, 87(2): 56–71. https://scfh.ru/papers/pozhary-i-gari-sibirskoy-taygi/

Bhatt, U. S., Walker, D. A., Raynolds, M. K., Bieniek, P. A., Epstein, H. E., Comiso, J. C., et al. (2017). Changing seasonality of panarctic tundra vegetation in relationship to climatic variables. Environmental Research Letters, 12(5), 055003. https://doi.org/10.1088/1748‐9326/aa6b0b

Kharuk, V. I., and E. I. Ponomarev. 2017. Spatiotemporal characteristics of wildfire frequency and relative area burned in larch-dominated forests of Central Siberia. Russian Journal of Ecology 48 (6): 507–512. https//doi: 10.1134/S1067413617060042.

Kharuk, V.I, M.L. Dvinskaya, K.J. Ranson, S.T. Im. 2005. Expansion of evergreen conifers to the larch-dominated zone and climatic trends. Russian Journal of Ecology 36(3): 164–170. doi:10.1007/S11184-0050055-5.

Moskovchenko, D.V., S.P. Aref’ev, M.D. Moskovchenko, A.A. Yurtaev.
2020. Spatiotemporal Analysis of Wildfires in the Forest Tundra of Western Siberia. Contemporary Problems of Ecology 13: 193–203. https://doi.org/10.1134/S1995425520020092

Romps, D., J. Seeley,  D. Vollaro, J. Molinari. 2014. Projected increase in lightning strikes in the United States due to global warming. Science 346 (6211): 851–854 https//doi: 0.1126/science.1259100