Andrew Haverdink، دانشجوی تحصیلات تکمیلیِ قدبلندی که شلوار پیش‌بندی ضدآب و چکمه‌های لاستیکی به پا داشت، مته‌ای دو‌دسته را از خاک یخ‌زده‌ای بیرون کشید که بخش بزرگی از پارک ملی Denali در آلاسکا را پوشانده است و سپس استوانهٔ توخالی را از انتهای مته جدا کرد. 

او جلوی یک برزنت آبی زانو زد، استوانه را با سینی پلاستیکی هم‌راستا کرد و میله‌ای را از انتهای دیگر آن عبور داد. مغزه‌ای استوانه‌ای، یکپارچه و بی‌نقص از خاک باستانی بیرون آمد؛ پرمافراستی تیره و غنی که دست‌کم یک فوت طول داشت.

در اواخر صبح یکی از روزهای اوایل ژوئیه، Haverdink در کنار گروهی از دانشجویان و کارکنان Northern Arizona University مشغول جمع‌آوری نمونه و داده از یک قطعهٔ پژوهشی بود؛ قطعه‌ای که نوارهای نقشه‌برداری روی توده‌های علف، درختچه‌های توسکا و گیاهان گل‌دار آتش‌علف‌مانند، آن را به بخش‌های مختلف تقسیم کرده بود. 

اواخر ژوئن ۲۰۱۳، برخورد صاعقه در این بخش عمدتاً بی‌درخت از توندرا، در منطقه‌ای دورافتاده در شمال پارک، آتش‌سوزی‌ای به راه انداخت. بادهای شدید و رو به پایینِ چینوک ــ که هنگامی شکل می‌گیرند که هوای مرطوب اقیانوسی از رشته‌کوه عبور می‌کند و سپس از رشته‌کوه آلاسکا پایین می‌آید ــ آتش را به سراسر نزدیک به ۳۵ هزار جریب گستراند. آتش بخش بزرگی از پوشش گیاهی را سوزاند و تا عمق زیادی در خاک سطحی نفوذ کرد و لایهٔ عایقی‌ای را از بین برد که پرمافراست یخ‌زده را حفظ می‌کند؛ پرمافراستی که مخزن عظیمی از کربن است و زیر ۸۵ درصد از خاک آلاسکا قرار دارد. 

در نخستین بررسی میدانی خود در سال ۲۰۱۶، پژوهشگران دریافتند در مناطقی که آتش شدیدتر و عمیق‌تر سوخته بود، خاکِ ذوب‌شدهٔ بالای پرمافراست (که «لایهٔ فعال» نامیده می‌شود) بین یک فوت تا نزدیک به دو فوت عمیق‌تر از قطعات بیرون از محدودهٔ سوخته بود؛ نشانه‌ای از ذوب‌شدن عمیق خاک.

نکتهٔ مهم این است که آتش از دو مجموعه شبکهٔ نقشه‌برداری‌ای هم گذشت که National Park Service در سال ۲۰۰۱ ایجاد کرده بود؛ یکی از آن‌ها همان جایی بود که پژوهشگران آن صبح ایستاده بودند. Xanthe Walker، یکی از پژوهشگران اصلی پروژه که آن صبح بر کار Haverdink نظارت می‌کرد، می‌گوید این تصویری که پیش از آتش‌سوزی ثبت شده بود، فرصتی کم‌نظیر در اختیار گروه Northern Arizona قرار داد تا تغییرات پوشش گیاهی، کربن و پرمافراست را در گذر زمان بررسی کنند.

او می‌گوید این مشاهدات مستقیم از آتش‌سوزی‌ها در عرض‌های جغرافیایی بالا به دانشمندان کمک می‌کند تأثیر آتش‌سوزی‌های طبیعی و از دست رفتن پرمافراست بر تغییرات اقلیمی را بهتر درک کنند.

Walker می‌گوید: «عدم‌قطعیت زیادی وجود دارد. این زیست‌بوم‌ها بسیار گسترده‌اند و آتش‌سوزی‌های عظیمی در آن‌ها رخ می‌دهد؛ آتش‌سوزی‌هایی که هیچ‌کس تا به حال به محلشان نرفته یا آن‌ها را بررسی نکرده است.»

این پژوهشگران بخشی از گروه رو‌به‌رشدی هستند که می‌کوشد پیامدهای آتش‌سوزی در منطقهٔ قطبی-شمالی را روشن کند؛ آتش‌سوزی‌هایی که بیشتر از گذشته رخ می‌دهند، با حرارت بیشتری می‌سوزند و چشم‌انداز و پرمافراست یخ‌زده را در معرض اقلیمِ در حال گرم‌شدن قرار می‌دهند. 

این پژوهش سرنخ‌های مهمی دربارهٔ سازوکارهای پیچیده‌ای به دست می‌دهد که بازخوردهای زنجیره‌ای اقلیمی را به حرکت درمی‌آورند: با افزایش دما، آتش‌سوزی‌ها مکررتر و شدیدتر می‌شوند، پرمافراست بیشتری ذوب می‌شود و گازهای گلخانه‌ای آزاد می‌کند؛ گازهایی که خطر تشدید گرمایش، آتش‌سوزی‌ها و از دست رفتن پرمافراست را در پی دارند. 

برای دستیابی به تصویری روشن‌تر از آیندهٔ اقلیمی‌مان، باید بدانیم این اثرها تا چه اندازه قدرتمندند، چگونه روی هم انباشته می‌شوند و دگرگونی‌های دیگر چشم‌انداز تا چه حد ممکن است شدت آن‌ها را کاهش دهند.

نکتهٔ قابل‌توجه آنکه، مدل‌سازی‌های پیشین نشان می‌داد جذب دی‌اکسیدکربن از سوی درختان و گیاهانِ در حال گسترش، دست‌کم در دوره‌های طولانی و با گرمایش متوسط، می‌تواند تا حد زیادی انتشار کربن از خاک‌های گرم‌شونده و پرمافراستِ در حال ذوب را جبران کند. اما بهبود مشاهدات و تحلیل‌ها نشانه‌های نگران‌کننده‌ای از تأثیر افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای در منطقهٔ قطبی-شمالی در دهه‌های پیش رو آشکار کرده است؛ آن هم در شرایطی که جهان می‌کوشد گرمایش جهانی را در محدوده‌های نسبتاً ایمن نگه دارد.
   

مسئلهٔ پرمافراست 

پرمافراست ۱۵ درصد از سطح خشکی نیمکرهٔ شمالی را تشکیل می‌دهد و حدود ۱.۵ تریلیون تُن کربن در خود جای داده است؛ مقداری تقریباً دو برابر کربن موجود در جو. بیشتر این پرمافراست در آخرین عصر یخبندان شکل گرفت، اما در نیم‌قرن گذشته، هم‌زمان با افزایش دما و تشدید آتش‌سوزی‌ها، با سرعتی فزاینده در حال ذوب‌شدن بوده است. با ذوب‌شدن آن، میکروب‌ها شروع به تجزیهٔ مواد آلی می‌کنند و این مواد را به شکل دی‌اکسیدکربن و متان وارد هوا می‌کنند. هر دوی این گازها گازهای گلخانه‌ای قدرتمندی هستند که تغییرات اقلیمی را تشدید می‌کنند.

با این حال، پیامدهای از دست رفتن پرمافراست آن‌قدرها هم که در نگاه اول به نظر می‌رسد، سرراست نیست. به‌ویژه، دانشمندان مدت‌هاست دربارهٔ این موضوع بحث می‌کنند که در چند قرن آینده کدام عامل بیشترین تأثیر را بر تبادل گازهای گلخانه‌ای خواهد گذاشت: از دست رفتن کربن موجود در خاک و پرمافراست، یا جذب کربن از طریق پدیده‌ای موسوم به «سبزشدن قطب شمال»؛ اصطلاحی برای گسترش گیاهان جذب‌کنندهٔ کربن در چشم‌انداز، هم‌زمان با افزایش دما. 

ذوب‌شدن پرمافراست نیز می‌تواند به پدیدهٔ دوم کمک کند؛ زیرا با عمیق‌ترشدن لایهٔ خاکِ بدون یخ، نیتروژن، فسفر و دیگر مواد مغذی بیشتری در دسترس گیاهان قرار می‌گیرد. درختان و درختچه‌های کربن‌گیر با ریشه‌های عمیق‌تر می‌توانند در جاهایی رشد کنند و استقرار یابند که پیش‌تر امکان رشد در آن‌ها را نداشتند.

اما با افزایش آتش‌سوزی‌ها در منطقهٔ قطبی-شمالی و ذوب‌شدن پرمافراست، پژوهشگران توانسته‌اند با استفاده از بررسی‌های میدانی مانند پژوهش‌های گروه Northern Arizona University، مشاهدات ماهواره‌ای، پروازهای لیدار، شبکهٔ رو‌به‌گسترش برج‌های سنجش گازهای گلخانه‌ای و ابزارهای دیگر، پیامدهای این رخدادها را از نزدیک مطالعه کنند. 

یافته‌ها بسیاری از پژوهشگران را نگران کرده است. 

به‌ویژه، به نظر می‌رسد پرمافراست بیش از آنکه به‌تدریج ذوب شود ــ همان‌طور که مدل‌های مهم اقلیمی شبیه‌سازی کرده‌اند ــ مستعد ذوب ناگهانی است. مقاله‌ای در سال ۲۰۲۰ نشان داد که این روند می‌تواند بسیار بیشتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد کربن آزاد کند؛ یعنی انتشار ناشی از ذوب پرمافراست را دو برابر کند و جذب کربن از طریق رشد آیندهٔ گیاهان را خنثی سازد. 

افزون بر این، حتی اگر در نهایت میزان کربن آزادشده و جذب‌شده از طریق سبزشدن قطب شمال برابر شود، به نظر می‌رسد انتشار ناشی از آتش‌سوزی‌ها در عرض‌های جغرافیایی بالا و از دست رفتن پرمافراست، همین حالا گرمایش را تشدید می‌کند.  

Susan Natali، دانشمند اقلیم قطب شمال در Woodwell Climate Research Center، و همکارانش در سال‌های اخیر چندین مقاله منتشر کرده‌اند که در آن‌ها نتیجه گرفته‌اند انتشار ترکیبی ناشی از این بازخوردها، سیاره را سریع‌تر از پیش‌بینی‌های کنونی از آستانهٔ ۲ درجهٔ سانتی‌گراد عبور خواهد داد. او و پژوهشگران دیگر همچنین دریافتند که با درنظرگرفتن انتشار ناشی از ذوب پرمافراست، آتش‌سوزی‌ها و عوامل دیگر، حدود ۴۰ درصد از منطقهٔ قطبی-شمالی از یک چاهک کربن به منبع کربن تبدیل شده است. 

Natali در ایمیلی نوشت: «هرچه بیشتر دربارهٔ فرایندهایی مانند ذوب ناگهانی، آتش‌سوزی‌هایی که عمیق‌تر می‌سوزند و انتشار گازها در فصل سرد بیاموزیم، و هرچه بیشتر شاهد افزایش آشفتگی‌ها باشیم، احتمال تضعیف چاهک‌های کربن و گسترش مناطقِ منبع کربن بیشتر می‌شود.»

با این حال، هنوز دربارهٔ تفاوت تأثیر آتش‌سوزی‌ها و ذوب پرمافراست بر چشم‌اندازها، در شرایط متفاوت و زیست‌بوم‌های گوناگون، عدم‌قطعیت زیادی وجود دارد. 

او می‌گوید: «این فقط یک چالش علمی است، چون اندازه‌گیری چنین پهنهٔ عظیمی واقعاً دشوار است؛ پهنه‌ای که یک سامانهٔ واحد نیست. این منطقه از تعداد بسیار زیادی اکوسیستم متفاوت تشکیل شده است.»

نتایج متفاوت است

پژوهشگران Northern Arizona University در تلاش‌ها برای مطالعهٔ پیامدهای آتش‌سوزی‌های فزاینده در بخش‌های مختلف آلاسکا پیشگام بوده‌اند. در دو دههٔ گذشته، Michelle Mack، استاد بوم‌شناسی اکوسیستم که پیش‌تر استاد راهنمای دورهٔ پسادکتری Walker بود، بر تکرار بررسی‌های میدانی در مناطق سوختهٔ جنگلی و توندرا نظارت داشته است؛ از بخش‌های نسبتاً گرم جنوب داخلی آلاسکا تا ناحیهٔ یخ‌زدهٔ North Slope. 

همسر و همکار همیشگی او، Ted Schuur، نیز استاد این دانشگاه است و بر چندین محل پایش پرمافراست و پژوهش تجربی در منطقهٔ مطالعاتی Eight Mile Lake، درست در شمال پارک ملی Denali، نظارت می‌کند.

اگر بخواهیم یک نکتهٔ اصلی را از مجموعهٔ پژوهش‌های دانشمندان Northern Arizona بیرون بکشیم، آن نکته این است: موضوع پیچیده است. اقلیم و اکوسیستم محلی، شدت آتش‌سوزی‌های رخ‌داده، نوع پرمافراست و عوامل متعدد دیگر می‌توانند میزان جذب یا از دست رفتن کربن، مقدار پرمافراستِ ذوب‌شده، میزان احتمالی بازیابی آن و قابلیت اشتعال آیندهٔ چشم‌انداز را به‌طور چشمگیری تغییر دهند.

در یکی از پژوهش‌های اولیه، پژوهشگران و همکارانشان پس از مجموعه‌ای از آتش‌سوزی‌های بزرگ جنگل‌های شمالی در سال ۲۰۰۴، ده‌ها تودهٔ جنگلی را که درختان صنوبر سیاه در آن‌ها غالب بودند، بررسی کردند. یکی از یافته‌های برجسته این بود که آتش‌سوزی‌های شدید، با از بین بردن بخش زیادی از مواد آلیِ در حال تجزیه در خاک سطحی، باعث جایگزینی درختان صنوبر سیاه با درختان پهن‌برگ شدند که سریع‌تر رشد می‌کنند و کمتر آتش‌گیرند. Mack، Walker و همکارانشان در مقاله‌ای در Science در سال ۲۰۲۱ نوشتند که محل‌هایی که درختان پهن‌برگ در آن‌ها غالب بودند، حدود پنج برابر بیشتر از توده‌هایی که دوباره صنوبر سیاه در آن‌ها غالب شد، کربن خاک ذخیره کردند.

Walker می‌گوید این یعنی جذب کربن پس از آتش‌سوزی در این توده‌های جنگلی «بیش از میزانی بود که کربن آزادشده در آتش‌سوزی اولیه را جبران کند». 

اما آتش‌سوزی توندرا در رودخانهٔ Anaktuvuk در سال ۲۰۰۷، که همچنان بزرگ‌ترین آتش‌سوزی ثبت‌شده در North Slope آلاسکا به شمار می‌رود، نمونه‌ای کاملاً متفاوت است. در تحلیل اولیهٔ این آتش‌سوزی، Mack، Schuur و همکارانشان دریافتند که آتش بیش از دو میلیون تُن کربن وارد جو کرد؛ مقداری که عملاً با میزان کربنی برابر بود که اکوسیستم‌های توندرا در سراسر جهان در آن سال از هوا جذب کردند.

مطالعات بعدی نشان داد که بیش از یک‌سوم چشم‌انداز سوخته فرونشست کرد، لغزید و فروریخت؛ زیرا گوه‌های یخی زیر آن از هم فروپاشیدند. این‌ها نشانه‌های آشکار ذوب ناگهانی پرمافراست‌اند. Adrian Rocha، دانشیار دانشگاه Notre Dame، می‌گوید نزدیک به دو دهه بعد، بخش زیادی از مواد آلیِ ذوب‌شده و در حال تجزیه در شدیدترین بخش‌های منطقهٔ سوخته همچنان دی‌اکسیدکربن و متان آزاد می‌کند. 

به گفتهٔ Rocha، که همچنان با استفاده از برج‌های شارِ Eddy covariance ــ برای اندازه‌گیری تبادل گازهای گلخانه‌ای میان زمین و جو ــ این منطقه را پایش می‌کند، بازیابی تمام کربنی که در آنجا از دست رفته، دهه‌ها تا قرن‌ها طول خواهد کشید؛ البته اگر اصلاً چنین بازیابی‌ای رخ دهد. 

Mack می‌گوید این اندازه‌گیری‌های میدانی برای درک این موضوع حیاتی‌اند که کدام اکوسیستم‌ها بازیابی می‌شوند، کدام‌یک به وضعیت‌های جدیدی تغییر می‌کنند، چه مقدار کربن آزاد می‌کنند و رشد گیاهان در چه زمان و مکان‌هایی می‌تواند این مقدار را جبران کند.

بااین‌حال، اهمیت پیامدهای ذوب پرمافراست روشن است.

او می‌گوید: «اگر از دیدگاه بوم‌شناسان اکوسیستم یک گام به عقب برداریم، می‌دانیم که کربن ذخیره‌شده در زیر زمین و در پرمافراست بسیار بیشتر از کربن موجود در پوشش گیاهی روی زمین است. اگر کربن پرمافراست آزاد شود، ممکن است همهٔ این جزئیات جالب دیگر را تحت‌الشعاع قرار دهد.»

در آزمایشگاه

گروه پژوهشی Northern Arizona University محموله‌ای از نمونه‌های خاک را از Denali به آزمایشگاه فرستاد. این مواد شامل توده‌های خزه و بقایای گیاهیِ در حال تجزیه، موسوم به «براونی»، و نیز مغزه‌های پرمافراست و نمونه‌هایی از لایهٔ خاکِ بدون یخ بود. در ماه‌های پس از آن، پژوهشگران نمونه‌های مختلف را برش دادند، خشک کردند، وزن کردند، سوزاندند و تحلیل کردند و یافته‌های میدانی و آزمایشگاهی خود را در پایگاه‌های داده وارد کردند.

Walker می‌گوید آن‌ها در حال بررسی پرسش‌های گوناگونی هستند؛ از جمله اینکه لایهٔ آلی سطحی از نخستین بررسی پس از آتش‌سوزی تاکنون تا چه اندازه بازیابی شده و از زمان آتش‌سوزی چه مقدار کربن از دست رفته یا دوباره جذب شده است. 

تحلیل‌ها هنوز ادامه دارد، اما به نظر می‌رسد در مناطقی که شدیدتر سوخته‌اند، لایهٔ ذوب‌شدهٔ خاک بالای پرمافراست حدود ۱۳ سال بعد همچنان عمیق‌تر مانده است. 

Walker در ایمیلی توضیح داد: «ذوب خاک در هر تابستان همچنان به عمق بیشتری می‌رسد؛ بیشتر از آنچه احتمالاً پیش از آتش‌سوزی رخ می‌داد، و در نتیجه خاک بیشتری در معرض تجزیه قرار می‌گیرد.» 

آن‌ها اکنون امیدوارند با تحلیل‌های آزمایشگاهی مشخص کنند چه مقدار از این کربن در حال از دست رفتن است.

گامی به‌سوی آیندهٔ اقلیم

در آخرین بعدازظهرم در Healy آلاسکا، Schuur را در مسیر باریکی از تخته‌های چوبی دنبال کردم که بالای دشتی از توندرا در شمال Denali کشیده شده بود؛ به امید آنکه نگاهی به آیندهٔ اقلیم‌مان بیندازم.

در سال ۲۰۰۸، او و گروه پژوهشی‌اش روشی طراحی کردند تا پرمافراست را در معرض دماهایی قرار دهند که انتظار می‌رود دو یا سه دههٔ دیگر تجربه کنیم. آن‌ها اطراف ده‌ها قطعهٔ پژوهشی مشخص‌شده حصارهای برف‌گیر نصب کردند. این کار باعث شد برف بیشتری روی زمین انباشته شود؛ برفی که برخلاف تصور، مانند پتو عمل می‌کند و در زمستان عایق حرارتی بیشتری فراهم می‌آورد و قطعات آزمایشی را گرم‌تر از قطعات شاهد نگه می‌دارد. 

Schuur و همکارانش دریافتند که در طول آزمایش ۱۳ساله، میزان کربن خاک در این قطعات ۱۰ در ۱۰ متری ۲۳ درصد کاهش یافت. زمین در بسیاری از نقاط فرونشست کرد و گودال‌هایی به عمق چند فوت شکل گرفت.

وقتی پاهایم را پاشنه‌به‌پنجه روی تخته‌ها گذاشتم و به مرکز یکی از قطعات رفتم، حدود چهار فوت پایین‌تر رفتم و فرونشست زمین را در سه بُعد تجربه کردم. وقتی از مسیر چوبی به لبهٔ آن نگاه کردم، احساس کردم تا عمق دیافراگمم در یک استخر خالی فرو رفته‌ام. 

اما Schuur چیز دیگری هم برای نشان‌دادن به من داشت. وقتی از خط‌الرأسی میان قطعات گذشتیم، به گودالی کم‌عمق‌تر ــ اما به همان اندازه آشکار ــ در سمت دیگر اشاره کرد. اینجا محلِ قطعهٔ شاهدی بود که به‌تنهایی، بدون کمک گرمایش شبیه‌سازی‌شده یا آتش‌سوزی، ذوب و فروریخته بود. 

او گفت: «هر قطعه مسیر خاص خودش را طی می‌کند. این اتفاق‌ها به این دلیل رخ می‌دهد که کل منطقه در حال گرم‌شدن است... و اگر سطح زمین را اول بسوزانید، همهٔ این تغییرات سریع‌تر می‌شوند.»

Schuur انتظار دارد پرمافراستی که زیر سراسر این دشت قرار دارد، تا پایان سال ۲۰۴۰ به‌طور عمیقی ذوب شود. 

او می‌گوید: «با توجه به روند کنونی گرمایش، دیگر پرمافراستی در سطح زمین باقی نخواهد ماند.»

اگر جهان به‌طور چشمگیری انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش ندهد و آتش‌سوزی‌ها را مهار نکند، این پدیده دهه‌به‌دهه در سراسر ایالت پیشروی خواهد کرد؛ تا جایی که حتی پرمافراست زیر North Slope آلاسکا نیز به همان اندازه فرونشست کند و کربنی را که هزاران سال در خود نگه داشته است، آزاد سازد.