Przyszłe globalne roczne zestawy danych o rozmieszczeniu zamarzniętego gruntu oparte na Modelu Liczby Mrozu z współczynnikiem Kappa

Dlaczego zamarznięty grunt pod naszymi stopami ma znaczenie

Głęboko pod śniegiem i tundrą Arktyki oraz wysoko w łańcuchach górskich od Himalajów po Andy leży grunt, który pozostaje zamarznięty rok po roku. Ta ukryta warstwa, nazywana zamarzniętym gruntem, zatrzymuje wodę, kształtuje krajobrazy, podtrzymuje budynki i drogi oraz magazynuje ogromne ilości węgla. W miarę ocieplania się planety ta zamarznięta podstawa zaczyna się rozmrażać, co ma konsekwencje dla ekosystemów, infrastruktury i klimatu. Badanie streszczone tutaj dostarcza jednej z najdokładniejszych prognoz dotychczas, jak zamarznięty grunt na Ziemi zmieni się w ciągu reszty tego stulecia, dając naukowcom, planistom i społecznościom jaśniejszy obraz tego, co może nadejść.

Bliższe spojrzenie na zamarznięty grunt świata

Zamarznięty grunt nie jest wszędzie taki sam. Część gleby lub skały pozostaje zamarznięta nieprzerwanie przez co najmniej dwa lata lub więcej, inne obszary zamarzają i rozmrażają się sezonowo, a jeszcze inne zamarzają tylko krótko. Razem te formy zamarzniętego gruntu obecnie pokrywają dużą część powierzchni lądowej półkuli północnej, w tym Syberię, Alaskę, północną Kanadę, wysoki Płaskowyż Tybetański, Alpy i części Andów. Gdy ten zamarznięty grunt się zmienia, może zaburzyć lokalne zasoby wody, destabilizować stoków i budowli oraz uwolnić pradawny węgiel, który może dodatkowo ocieplić klimat. Jednak dokładne przewidzenie, gdzie zamarznięty grunt przetrwa, a gdzie zniknie, było trudne, ponieważ zależy od subtelnych szczegółów temperatury w ciągu całego roku, a nie tylko od tego, jak zimne są zimy.

Budowanie lepszego termometru dla podziemia

Autorzy rozwiązują to wyzwanie przez dopracowanie stosunkowo prostego, ale skutecznego narzędzia znanego jako Model Liczby Mrozu. Zamiast symulować każdy proces fizyczny w glebie, model ten wykorzystuje czas trwania i natężenie okresów, gdy powietrze utrzymuje się powyżej lub poniżej zera stopni każdego roku, aby oszacować, czy grunt poniżej pozostaje zamarznięty. Kluczowym elementem jest liczbowy próg, który decyduje, kiedy lokalizacja jest uznawana za trwałe, sezonowo lub tylko krótko zamarzniętą. W przeszłości próg ten bywał wybierany dość arbitralnie, co ograniczało dokładność. W tej pracy badacze systematycznie przetestowali wiele możliwych wartości progowych wobec współczesnych, wysokorozdzielczych map zamarzniętego gruntu zbudowanych na podstawie satelitów, pomiarów terenowych i innych danych. Użyli miary statystycznej zwanej współczynnikiem Kappa, aby znaleźć progi najlepiej odpowiadające rzeczywistości, dostrajając je oddzielnie dla regionów wysokich szerokości geograficznych i wysokich gór oraz dla trzech głównych kategorii zamarzniętego gruntu.

Od modeli klimatu do szczegółowych map przyszłości

Po zidentyfikowaniu najlepszych progów zespół zwrócił się ku projekcjom klimatycznym z najnowszej generacji globalnych modeli (CMIP6). Zamiast używać surowych wyników modelu, oparli się na starannie skorygowanym i zdyskretyzowanym zbiorze danych, który dostarcza dzienne temperatury powietrza na drobnej globalnej siatce, o rozdzielczości około jednej czwartej stopnia. Od 1950 do 2099 roku obliczali coroczne wskaźniki zamarzania i rozmrażania w każdej komórce siatki, przekształcali je w wskaźnik mrozu, a następnie klasyfikowali każde miejsce jako trwale zamarznięte, sezonowo zamarznięte, przerywanie zamarznięte lub niezamarznięte. Proces powtórzono dla czterech różnych scenariuszy przyszłości, od silnych redukcji emisji i działań klimatycznych po ścieżkę o wysokich emisjach z ograniczoną mitigacją, tworząc pełny zestaw rocznych globalnych map, które są teraz publicznie dostępne.

Co mapy ujawniają o ocieplającym się świecie

Uzyskany obraz jest surowy. Niezależnie od rozważanej ścieżki przyszłości, obszary podłożone długo trwającym zamarzniętym gruntem kurczą się znacznie w ciągu stulecia, podczas gdy regiony zamarzające tylko sezonowo lub krótko się rozszerzają. Do połowy stulecia od około jednej piątej do niemal jednej trzeciej dzisiejszego trwale zmarzniętego terenu prognozuje się jego rozmrożenie, w zależności od scenariusza. Pod koniec stulecia straty stają się jeszcze większe: przy najwyższej ścieżce emisji około trzech piątych globalnego trwale zamarzniętego gruntu znika. Najbardziej dramatyczne zmiany zachodzą wzdłuż południowych krawędzi dzisiejszego pasa wiecznej zmarzliny Arktyki i w wysokich rejonach górskich, takich jak Płaskowyż Tybetański, gdzie wiele długo zamarzniętego gruntu przekształca się w gleby zamarzające jedynie sezonowo. Scenariusze o niższych emisjach wciąż pokazują istotne straty, ale tempo cofania się jest wolniejsze, a pozostałe obszary zamarznięte są większe.

Wykorzystanie nowych map do przygotowań na zmiany

Aby zapewnić wiarygodność swojego podejścia, autorzy porównali swoje historyczne rekonstrukcje z kilkoma niezależnymi mapami zamarzniętego gruntu dla Rosji, Kanady i szerszej Arktyki, znajdując silną zgodność zarówno pod względem powierzchni, jak i wzorców przestrzennych. Ponieważ otrzymany zbiór danych obejmuje całą planetę przy stosunkowo wysokiej rozdzielczości i rozciąga się na 150 lat, może teraz służyć jako wspólne odniesienie dla wielu typów badań. Hydrolodzy mogą go użyć do badania, jak mogą się zmieniać przepływy rzek i wody gruntowe; ekolodzy — jak zmieniające się wzorce zamarzania–rozmrażania wpływają na roślinność i dziką faunę; inżynierowie — gdzie drogi, rurociągi i budynki są najbardziej narażone; a naukowcy klimatu — aby lepiej oszacować, ile węgla może zostać uwolnione z rozmrażających się gleb. Dla osób niebędących specjalistami główne przesłanie jest jasne: zamarznięty grunt nie jest odległą ciekawostką pod polarną tundrą. To krucha, wrażliwa na klimat podstawa naszej planety, która już się zmienia, a nasze wybory dotyczące przyszłych emisji będą w dużym stopniu decydować o tym, ile z niej zachowamy.

Cytowanie: Pan, X., Li, H. & Nie, X. Future global annual frozen ground distribution datasets based on Frost Number Model with Kappa coefficient. Sci Data 13, 561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06918-9

Słowa kluczowe: wieczna zmarzlina, zamarznięty grunt, zmiany klimatu, ocieplenie Arktyki, Płaskowyż Tybetański