Permafrost

يتشكل الصقيع الدائم عادةً في أي مناخ يكون فيه متوسط ​​درجة حرارة الهواء السنوية أقل من درجة تجمد الماء. وتُستثنى من ذلك الغابات الشمالية الرطبة ، كما هو الحال في شمال إسكندنافيا والجزء الشمالي الشرقي من روسيا الأوروبية غرب جبال الأورال ، حيث يعمل الثلج كغطاء عازل. وقد تُشكل المناطق الجليدية استثناءً أيضاً. وبما أن جميع الأنهار الجليدية تُدفأ عند قاعدتها بفعل الحرارة الجوفية، فإن الأنهار الجليدية المعتدلة ، القريبة من نقطة انصهار الضغط في جميع أجزائها، قد تحتوي على ماء سائل عند سطح التماس مع الأرض، وبالتالي فهي خالية من الصقيع الدائم الموجود أسفلها. ^{[ 30 ]} وتستمر الشذوذات الباردة "الأحفورية" في التدرج الحراري الأرضي في المناطق التي تشكل فيها الصقيع الدائم العميق خلال العصر البليستوسيني حتى عمق عدة مئات من الأمتار. ويتضح ذلك من قياسات درجة الحرارة في الآبار في أمريكا الشمالية وأوروبا. ^{[ 31 ]}

التربة الصقيعية المتقطعة

The below-ground temperature varies less from season to season than the air temperature, with mean annual temperatures tending to increase with depth due to the geothermal crustal gradient. Thus, if the mean annual air temperature is only slightly below 0 °C (32 °F), permafrost will form only in spots that are sheltered (usually with a northern or southern aspect, in the north and south hemispheres respectively) creating discontinuous permafrost. Usually, permafrost will remain discontinuous in a climate where the mean annual soil surface temperature is between −5 and 0 °C (23 and 32 °F). In the moist-wintered areas mentioned before, there may not even be discontinuous permafrost down to −2 °C (28 °F). Discontinuous permafrost is often further divided into extensive discontinuous permafrost, where permafrost covers between 50 and 90 percent of the landscape and is usually found in areas with mean annual temperatures between −2 and −4 °C (28 and 25 °F), and sporadic permafrost, where permafrost cover is less than 50 percent of the landscape and typically occurs at mean annual temperatures between 0 and −2 °C (32 and 28 °F).^[32]

In soil science, the sporadic permafrost zone is abbreviated SPZ and the extensive discontinuous permafrost zone DPZ.^[33] Exceptions occur in un-glaciated Siberia and Alaska where the present depth of permafrost is a relic of climatic conditions during glacial ages where winters were up to 11 °C (20 °F) colder than those of today.

تتميز مناطقٌ عديدة في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي ببرودةٍ كافيةٍ لتكوين تربةٍ متجمدةٍ على مدار العام، ومن أبرز الأمثلة على ذلك جبال روكي الكندية ، وجبال الألب الأوروبية ، وجبال الهيمالايا ، وجبال تيان شان . وبشكلٍ عام، وُجد أن وجود التربة الصقيعية في المناطق الجبلية يتطلب متوسط ​​درجة حرارة هواء سنوية تبلغ -3 درجات مئوية (27 درجة فهرنهايت) ، مع العلم أن هذه الدرجة قد تختلف باختلاف التضاريس المحلية ، ومن المعروف أن بعض المناطق الجبلية تدعم وجود التربة الصقيعية عند درجة حرارة -1 درجة مئوية (30 درجة فهرنهايت) . كما يُمكن أن تُغطى التربة الصقيعية تحت سطح التربة الجبلية بتربةٍ أكثر دفئًا تدعم نمو النباتات. ^{[ 39 ]}    

يُعدّ التربة الصقيعية في جبال الألب من أصعب المناطق دراسةً، ولم تبدأ الجهود البحثية المنهجية في دراستها إلا في سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 39 ]} ونتيجةً لذلك، لا تزال هناك شكوكٌ حول جغرافيتها. وفي عام 2009، تم اكتشاف تربة صقيعية في منطقة جديدة، وهي أعلى قمة في أفريقيا، جبل كليمنجارو ( 4700 متر فوق مستوى سطح البحر ، ويقع ^على بُعد 3 درجات تقريبًا جنوب خط الاستواء ). ^{[ 40 ]} وفي عام 2014، حددت مجموعة من التقديرات الإقليمية لامتداد التربة الصقيعية في جبال الألب امتدادًا عالميًا يبلغ 3,560,000 كيلومتر مربع ^. [ ^{34 ] ومع} ذلك، بحلول عام 2014، لم تكن التربة الصقيعية في جبال الأنديز قد رُسمت خرائطها بالكامل، ^{[ 41 ]} على الرغم من أنه تم وضع نماذج لامتدادها لتقييم كمية المياه المحتجزة في هذه المناطق. ^{[ 42 ]}    

توجد التربة الصقيعية تحت سطح البحر في الجروف القارية للمناطق القطبية. ^{[ 2 ]} تشكلت هذه المناطق خلال العصر الجليدي الأخير ، عندما كانت نسبة كبيرة من مياه الأرض محصورة في الصفائح الجليدية على اليابسة، وكان مستوى سطح البحر منخفضًا. ومع ذوبان الصفائح الجليدية وتحولها إلى مياه بحر مرة أخرى خلال انحسار العصر الجليدي الهولوسيني ، أصبحت التربة الصقيعية الساحلية جروفًا مغمورة في ظل ظروف حدودية دافئة ومالحة نسبيًا، مقارنةً بالتربة الصقيعية السطحية. ومنذ ذلك الحين، أدت هذه الظروف إلى التراجع التدريجي والمستمر في امتداد التربة الصقيعية تحت سطح البحر. ^{[ 6 ]} ومع ذلك، يظل وجودها عاملًا مهمًا في "تصميم وبناء وتشغيل المنشآت الساحلية، والهياكل المقامة على قاع البحر، والجزر الاصطناعية ، وخطوط الأنابيب تحت سطح البحر ، والآبار المحفورة لأغراض الاستكشاف والإنتاج". ^{[ 43 ]} يمكن أن تغطي التربة الصقيعية تحت سطح البحر أيضًا رواسب من كلاثرات الميثان ، والتي كان يُعتقد سابقًا أنها نقطة تحول مناخية رئيسية فيما كان يُعرف بفرضية مدفع الكلاثرات ، ولكن لم يعد يُعتقد الآن أنها تلعب أي دور في تغير المناخ المتوقع. ^{[ 44 ]}

At the Last Glacial Maximum, continuous permafrost covered a much greater area than it does today, covering all of ice-free Europe south to about Szeged (southeastern Hungary) and the Sea of Azov (then dry land)^[45] and East Asia south to present-day Changchun and Abashiri.^[46] In North America, only an extremely narrow belt of permafrost existed south of the ice sheet at about the latitude of New Jersey through southern Iowa and northern Missouri, but permafrost was more extensive in the drier western regions where it extended to the southern border of Idaho and Oregon.^[47] In the Southern Hemisphere, there is some evidence for former permafrost from this period in central Otago and ArgentinePatagonia, but was probably discontinuous, and is related to the tundra. Alpine permafrost also occurred in the Drakensberg during glacial maxima above about 3,000 metres (9,840 ft).^[48][49]

يمتد الجليد الدائم إلى عمق أساسي حيث تصل الحرارة الجوفية المنبعثة من الأرض ومتوسط ​​درجة الحرارة السنوية على السطح إلى درجة حرارة توازن تبلغ 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) . ^{[ 51 ]} يمكن أن يتباين هذا العمق الأساسي للجليد الدائم بشكل كبير - فهو أقل من متر واحد (3 أقدام) في المناطق الأقل عمقًا، ^{[ 2 ]} ولكنه يصل إلى 1493 مترًا (4898 قدمًا) في أحواض نهري لينا ويانا الشمالية في سيبيريا . ^{[ 22 ]} تشير الحسابات إلى أن زمن تكوين الجليد الدائم يتباطأ بشكل كبير بعد الأمتار القليلة الأولى. على سبيل المثال، استغرق تكوين الجليد الدائم العميق الذي يقع أسفل خليج برودو في ألاسكا أكثر من نصف مليون سنة ، وهي فترة زمنية تمتد على مدى عدة دورات جليدية وما بين جليدية من العصر البليستوسيني . ^{[ 50 ] : 18}     

يتأثر عمق قاعدة التربة الصقيعية بالتركيب الجيولوجي للتربة، وخاصةً بالتوصيل الحراري ، الذي يكون أقل في التربة الصقيعية منه في الصخور الأساسية . ^{[ 51 ]} انخفاض التوصيل الحراري يجعل التربة الصقيعية أقل تأثراً بالتدرج الحراري الأرضي ، وهو معدل ارتفاع درجة الحرارة مع ازدياد العمق في باطن الأرض. يحدث هذا التدرج نتيجةً لتوليد الطاقة الحرارية الداخلية للأرض من خلال التحلل الإشعاعي للنظائر غير المستقرة ، وتتدفق هذه الطاقة إلى السطح بالتوصيل بمعدل 47 تيراواط تقريباً . ^{[ 52 ]} بعيداً عن حدود الصفائح التكتونية، يُعادل هذا تدفقاً حرارياً متوسطاً يتراوح بين 25 و30  درجة مئوية/كم (124-139  درجة فهرنهايت/ميل) بالقرب من السطح. ^{[ 53 ]}

When the ice content of a permafrost exceeds 250 percent (ice to dry soil by mass) it is classified as massive ice. Massive ice bodies can range in composition, in every conceivable gradation from icy mud to pure ice. Massive icy beds have a minimum thickness of at least 2 m and a short diameter of at least 10 m.^[55] First recorded North American observations of this phenomenon were by European scientists at Canning River (Alaska) in 1919.^[56] Russian literature provides an earlier date of 1735 and 1739 during the Great North Expedition by P. Lassinius and Khariton Laptev, respectively. Russian investigators including I. A. Lopatin, B. Khegbomov, S. Taber and G. Beskow had also formulated the original theories for ice inclusion in freezing soils.^[57]

While there are four categories of ice in permafrost – pore ice, ice wedges (also known as vein ice), buried surface ice and intrasedimental (sometimes also called constitutional^[57]) ice – only the last two tend to be large enough to qualify as massive ground ice.^[58][26] These two types usually occur separately, but may be found together, like on the coast of Tuktoyaktuk in western Arctic Canada, where the remains of Laurentide Ice Sheet are located.^[59]

Buried surface ice may derive from snow, frozen lake or sea ice, aufeis (stranded river ice) and even buried glacial ice from the former Pleistocene ice sheets. The latter hold enormous value for paleoglaciological research, yet even as of 2022, the total extent and volume of such buried ancient ice is unknown.^[60] Notable sites with known ancient ice deposits include Yenisei River valley in Siberia, Russia as well as Banks and Bylot Island in Canada's Nunavut and Northwest Territories.^[61][62][54] Some of the buried ice sheet remnants are known to host thermokarst lakes.^[60]

لوحظ الجليد الداخلي أو الجليد البنيوي على نطاق واسع في جميع أنحاء كندا، وخضع لدراسات مكثفة. يتشكل هذا الجليد عندما تتجمد المياه الجوفية في مكانها، وينقسم إلى ثلاثة أنواع: الجليد المتداخل، والجليد الناتج عن الحقن، والجليد الانفصالي. يُعدّ النوع الأخير هو السائد، ويتشكل بعد التمايز البلوري في الرواسب الرطبة ، والذي يحدث عندما تنتقل المياه إلى جبهة التجمد تحت تأثير قوى فان دير فالس . ^{[ 56 ] [ 55 ] [ 58 ]} هذه عملية بطيئة، تحدث بشكل أساسي في الطمي الذي تقل ملوحته عن 20% من ملوحة مياه البحر ؛ أما في رواسب الطمي ذات الملوحة الأعلى، وفي رواسب الطين، فإن حركة المياه قبل تشكل الجليد تهيمن عليها العمليات الريولوجية . وبالتالي، يستغرق تكوين الجليد داخل الرواسب في الطبقة العليا من الرواسب الطينية التي يبلغ سمكها 2.5 متر ما بين سنة واحدة و1000 سنة، بينما يستغرق تكوينه في رواسب الخث ما بين 10 سنوات و10000 سنة ، وفي رواسب الطمي ما بين 1000 سنة و1000000 سنة. ^{[ 26 ]}

Permafrost processes such as thermal contraction generating cracks which eventually become ice wedges and solifluction – gradual movement of soil down the slope as it repeatedly freezes and thaws – often lead to the formation of ground polygons, rings, steps and other forms of patterned ground found in arctic, periglacial and alpine areas.^[63][64] In ice-rich permafrost areas, melting of ground ice initiates thermokarst landforms such as thermokarst lakes, thaw slumps, thermal-erosion gullies, and active layer detachments.^[65][66] Notably, unusually deep permafrost in Arctic moorlands and bogs often attracts meltwater in warmer seasons, which pools and freezes to form ice lenses, and the surrounding ground begins to jut outward at a slope. This can eventually result in the formation of large-scale land forms around this core of permafrost, such as palsas – long (15–150 m (49–492 ft)), wide (10–30 m (33–98 ft)) yet shallow (<1–6 m (3 ft 3 in – 19 ft 8 in) tall) peatmounds – and the even larger pingos, which can be 3–70 m (10–230 ft) high and 30–1,000 m (98–3,281 ft) in diameter.^[67][68]

• 
  A group of palsas, as seen from above, formed by the growth of ice lenses.
• 
  Injection ice in a pingo, Mackenzie delta area.
• 
  Pingos near Tuktoyaktuk, Northwest Territories, Canada
• 
  Ground polygons
• 
  Stone rings on Spitsbergen
• 
  Helicopter view of ground polygons and ice lenses at Padjelanta National Park, Sweden
• 
  Ice wedges seen from top
• 
  Solifluction on Svalbard
• 
  Contraction crack (ice wedge) polygons on Arctic sediment.

Only plants with shallow roots can survive in the presence of permafrost. Black spruce tolerates limited rooting zones, and dominates flora where permafrost is extensive. Likewise, animal species which live in dens and burrows have their habitat constrained by the permafrost, and these constraints also have a secondary impact on interactions between species within the ecosystem.^[69]

While permafrost soil is frozen, it is not completely inhospitable to microorganisms, though their numbers can vary widely, typically from 1 to 1000 million per gram of soil.^[70][71]

The permafrost carbon cycle (Arctic Carbon Cycle) deals with the transfer of carbon from permafrost soils to terrestrial vegetation and microbes, to the atmosphere, back to vegetation, and finally back to permafrost soils through burial and sedimentation due to cryogenic processes. Some of this carbon is transferred to the ocean and other portions of the globe through the global carbon cycle. The cycle includes the exchange of carbon dioxide and methane between terrestrial components and the atmosphere, as well as the transfer of carbon between land and water as methane, dissolved organic carbon, dissolved inorganic carbon, particulate inorganic carbon and particulate organic carbon.^[72]

لا يمكن استزراع معظم البكتيريا والفطريات الموجودة في التربة الصقيعية في المختبر، ولكن يمكن الكشف عن هوية الكائنات الدقيقة باستخدام تقنيات تعتمد على الحمض النووي . على سبيل المثال، كشف تحليل جينات 16S rRNA من عينات التربة الصقيعية التي تعود إلى أواخر العصر البليستوسيني في سهل كوليما بشرق سيبيريا عن ثمانية أنماط وراثية ، تنتمي إلى شعبتي الأكتينوميسيتوتا والزائفة الدودية . ^{[ 73 ]} في عام 2016، وُجد أن موقع "موت دا باربا بايدر"، وهو موقع للتربة الصقيعية في جبال الألب شرق سويسرا، يضم مجتمعًا ميكروبيًا متنوعًا. وشملت مجموعات البكتيريا البارزة شعبة أسيدوباكتيريوتا ، وأكتينوميسيتوتا ، وAD3، وبكتيرويدوتا ، وكلوروفليكسوتا ، وجيماتيمونادوتا ، وOD1، ونيتروسبيروتا ، وبلانكتوميسيتوتا ، وبسودومونادوتا ، وفيروكوميكروبيوتا ، بالإضافة إلى الفطريات حقيقية النواة مثل أسكوميكوتا ، وبازيديوميكوتا ، وزيغوميسيكوتا . وفي الأنواع الحية حاليًا، لاحظ العلماء مجموعة متنوعة من التكيفات مع ظروف ما دون الصفر، بما في ذلك عمليات التمثيل الغذائي المختزلة واللاهوائية. ^{[ 74 ]}

لا توجد سوى مدينتين كبيرتين في العالم مبنيتين في مناطق ذات تربة صقيعية دائمة (حيث تشكل التربة المتجمدة طبقة متصلة تحت الصفر)، وكلاهما في روسيا: نوريلسك في إقليم كراسنويارسك، وياكوتسك في جمهورية ساخا . [ 75 ] ^{يُعدّ البناء على} التربة الصقيعية الدائمة صعبًا لأن حرارة المبنى (أو خط الأنابيب ) قد تنتشر إلى التربة، مما يؤدي إلى ذوبانها. ومع تحوّل محتوى الجليد إلى ماء، تضعف قدرة الأرض على توفير الدعم الهيكلي، حتى يصبح المبنى غير مستقر. على سبيل المثال، أثناء بناء خط سكة حديد ترانس-سيبيريا ، بدأ مجمع مصنع محركات بخارية بُني عام 1901 بالانهيار في غضون شهر من بدء تشغيله لهذه الأسباب. ^{[ 76 ] : 47} إضافةً إلى ذلك، لا تتوفر المياه الجوفية في المناطق التي تقع تحتها تربة صقيعية دائمة. لذا، فإن أي مستوطنة أو منشأة كبيرة تحتاج إلى إيجاد حلول بديلة للحصول على المياه. ^{[ 75 ] [ 76 ] : 25}

A common solution is placing foundations on wood piles, a technique pioneered by Soviet engineer Mikhail Kim in Norilsk.^[77] However, warming-induced change of friction on the piles can still cause movement through creep, even as the soil remains frozen.^[78] The Melnikov Permafrost Institute in Yakutsk found that pile foundations should extend down to 15 metres (49 ft) to avoid the risk of buildings sinking. At this depth the temperature does not change with the seasons, remaining at about −5 °C (23 °F).^[79]

Two other approaches are building on an extensive gravel pad (usually 1–2 m (3 ft 3 in – 6 ft 7 in) thick); or using anhydrous ammoniaheat pipes.^[80] The Trans-Alaska Pipeline System uses heat pipes built into vertical supports to prevent the pipeline from sinking and the Qingzang railway in Tibet employs a variety of methods to keep the ground cool, both in areas with frost-susceptible soil. Permafrost may necessitate special enclosures for buried utilities, called "utilidors".^[81]

• 
  A building on elevated piles in permafrost zone.
• 
  Heat pipes in vertical supports maintain a frozen bulb around portions of the Trans-Alaska Pipeline that are at risk of thawing.^[82]
• 
  Pile foundations in Yakutsk, a city underlain with continuous permafrost.
• 
  District heating pipes run above ground in Yakutsk.

Globally, permafrost warmed by about 0.3 °C (0.54 °F) between 2007 and 2016, with stronger warming observed in the continuous permafrost zone relative to the discontinuous zone. Observed warming was up to 3 °C (5.4 °F) in parts of Northern Alaska (early 1980s to mid-2000s) and up to 2 °C (3.6 °F) in parts of the Russian European North (1970–2020). This warming inevitably causes permafrost to thaw: active layer thickness has increased in the European and Russian Arctic across the 21st century and at high elevation areas in Europe and Asia since the 1990s.^[83]:1237

Between 2000 and 2018, the average active layer thickness had increased from ~127 centimetres (4.17 ft) to ~145 centimetres (4.76 ft), at an average annual rate of ~0.65 centimetres (0.26 in).^[24]

In Yukon, the zone of continuous permafrost might have moved 100 kilometres (62 mi) poleward since 1899, but accurate records only go back 30 years. The extent of subsea permafrost is decreasing as well; as of 2019, ~97% of permafrost under Arctic ice shelves is becoming warmer and thinner.^{[84][10]:1281}

Based on high agreement across model projections, fundamental process understanding, and paleoclimate evidence, it is virtually certain that permafrost extent and volume will continue to shrink as the global climate warms, with the extent of the losses determined by the magnitude of warming.^[83]:1283

Permafrost thaw is associated with a wide range of issues, and International Permafrost Association (IPA) exists to help address them. It convenes International Permafrost Conferences and maintains Global Terrestrial Network for Permafrost, which undertakes special projects such as preparing databases, maps, bibliographies, and glossaries, and coordinates international field programmes and networks.^[85]

مع ازدياد الاحترار الأخير الذي يُعمّق الطبقة النشطة المعرضة لذوبان التربة الصقيعية، يتعرض الكربون المخزن سابقًا لعمليات بيولوجية تُسهّل دخوله إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون والميثان . [ 11 ] ولأن ^{انبعاثات الكربون الناتجة} عن ذوبان التربة الصقيعية تُساهم في نفس الاحترار الذي يُسهّل الذوبان، فإنها تُعد مثالًا معروفًا على التغذية الراجعة الإيجابية لتغير المناخ . ^{[ 87 ]} يُدرج ذوبان التربة الصقيعية أحيانًا كإحدى نقاط التحول الرئيسية في النظام المناخي نظرًا لوجود عتبات محلية وعدم إمكانية عكسها فعليًا. ^{[ 88 ]} ومع ذلك، فبينما توجد عمليات ذاتية الاستدامة تنطبق على النطاق المحلي أو الإقليمي، يُثار جدل حول ما إذا كانت تُلبي التعريف الدقيق لنقطة التحول العالمية، حيث أن ذوبان التربة الصقيعية، في مجمله، يكون تدريجيًا مع الاحترار. ^{[ 89 ]}

في المنطقة القطبية الشمالية، تحتوي التربة الصقيعية على مواد عضوية تعادل 1400-1650  مليار طن من الكربون النقي، تراكمت على مدى آلاف السنين. وتعادل هذه الكمية ما يقارب نصف إجمالي المواد العضوية في جميع أنواع التربة ، ^{[ 90 ] [ 11 ]} وهي تعادل ضعف محتوى الكربون في الغلاف الجوي تقريبًا ، أو ما يقارب أربعة أضعاف انبعاثات الكربون الناتجة عن الأنشطة البشرية بين بداية الثورة الصناعية وعام 2011. ^{[ 91 ]}  علاوة على ذلك، يُخزَّن معظم هذا الكربون (حوالي 1035 مليار طن) فيما يُعرف بالتربة الصقيعية القريبة من السطح، على عمق لا يتجاوز 3 أمتار (9.8 قدم) تحت سطح الأرض. ^{[ 90 ] [ 11 ]} ومع ذلك، يُتوقع أن يدخل جزء ضئيل فقط من هذا الكربون المُخزَّن إلى الغلاف الجوي. ^{[ 92 ]} بشكل عام، من المتوقع أن ينخفض ​​حجم التربة الصقيعية في الطبقة العليا من الأرض (حتى عمق 3 أمتار) بنحو 25% لكل درجة مئوية (1.8 درجة فهرنهايت) من الاحترار العالمي، ^{[ 83 ] : 1283} ومع ذلك، حتى في ظل سيناريو RCP8.5 المرتبط بارتفاع الاحترار العالمي بأكثر من 4 درجات مئوية (7.2 درجة فهرنهايت) بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين، ^{[ 93 ]} من المتوقع فقدان ما بين 5% إلى 15% من الكربون الموجود في التربة الصقيعية "على مدى عقود وقرون". ^{[ 11 ]}     

تعتمد كمية الكربون المنبعثة نتيجة الاحترار في منطقة معينة من التربة الصقيعية على عمق الذوبان، ومحتوى الكربون في التربة الذائبة، والتغيرات الفيزيائية في البيئة، ونشاط الكائنات الحية الدقيقة والنباتات في التربة. ^{[ 94 ]} ومن الجدير بالذكر أن تقديرات انبعاث الكربون وحدها لا تعكس بشكل كامل تأثير ذوبان التربة الصقيعية على تغير المناخ. وذلك لأن الكربون يمكن أن ينطلق من خلال التنفس الهوائي أو اللاهوائي ، مما ينتج عنه انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ أو الميثان (CH4 ₎ على التوالي. وبينما يبقى الميثان في الغلاف الجوي لأقل من 12 عامًا، فإن قدرته على إحداث الاحترار العالمي تفوق قدرة _ثاني أكسيد الكربون بنحو 80 ضعفًا على مدى 20 عامًا، ونحو 28 ضعفًا على مدى 100 عام. ^{[ 95 ] [ 96 ]} على الرغم من أن جزءًا صغيرًا فقط من الكربون الموجود في التربة الصقيعية سيدخل الغلاف الجوي على شكل غاز الميثان، إلا أن هذه الانبعاثات ستتسبب في 40-70% من إجمالي الاحترار الناجم عن ذوبان التربة الصقيعية خلال القرن الحادي والعشرين. ويعود جزء كبير من عدم اليقين بشأن المدى النهائي لانبعاثات غاز الميثان من التربة الصقيعية إلى صعوبة حساب عمليات الذوبان المفاجئة المكتشفة حديثًا، والتي غالبًا ما تزيد من نسبة الميثان المنبعث مقارنةً بثاني أكسيد الكربون، وذلك مقارنةً بعمليات الذوبان التدريجي المعتادة. ^{[ 97 ] [ 11 ]}

من العوامل الأخرى التي تُعقّد توقعات انبعاثات الكربون من التربة الصقيعية، ظاهرة "الاخضرار" المستمرة في القطب الشمالي. فمع ارتفاع درجة حرارة الهواء والتربة نتيجة لتغير المناخ، تُصبح المنطقة أكثر ملاءمةً للنباتات، بما في ذلك الشجيرات والأشجار الأكبر حجمًا التي لم تكن قادرة على البقاء فيها سابقًا. وبالتالي، يفقد القطب الشمالي المزيد من مناطق التندرا الأحيائية، ولكنه في الوقت نفسه يكتسب المزيد من النباتات التي تمتص المزيد من الكربون. سيتم تعويض بعض الانبعاثات الناتجة عن ذوبان التربة الصقيعية من خلال هذا النمو النباتي المتزايد، ولكن النسبة الدقيقة غير مؤكدة. يُعتبر من غير المرجح أن يُعوّض هذا الاخضرار جميع الانبعاثات الناتجة عن ذوبان التربة الصقيعية خلال القرن الحادي والعشرين، والأقل احتمالًا أن يستمر في مواكبة تلك الانبعاثات بعد القرن الحادي والعشرين. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، يزيد تغير المناخ أيضًا من خطر حرائق الغابات في القطب الشمالي، مما قد يُسرّع بشكل كبير من انبعاثات الكربون من التربة الصقيعية. ^{[ 87 ] [ 99 ]}

التأثير على درجات الحرارة العالمية

إجمالاً، من المتوقع أن تكون الانبعاثات التراكمية لغازات الاحتباس الحراري الناتجة عن ذوبان التربة الصقيعية أقل من الانبعاثات البشرية المنشأ التراكمية، إلا أنها ستظل كبيرة على المستوى العالمي، حيث يقارنها بعض الخبراء بالانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات . ^{[ 11 ]} ويُقدّر التقرير التقييمي السادس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ أن ثاني أكسيد الكربون والميثان المنبعثين من التربة الصقيعية قد يصلان إلى ما يعادل 14-175 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون لكل درجة مئوية واحدة (1.8 درجة فهرنهايت) من الاحترار. ^{[ 83 ] : 1237} وللمقارنة، بحلول عام 2019، بلغت الانبعاثات البشرية المنشأ السنوية لثاني أكسيد الكربون وحده حوالي 40 مليار طن. ^{[ 83 ] : 1237} وخلصت مراجعة رئيسية نُشرت عام 2022 إلى أنه في حال تحقق هدف منع ارتفاع درجة الحرارة بمقدار درجتين مئويتين (3.6 درجة فهرنهايت) ، فإن متوسط ​​الانبعاثات السنوية من التربة الصقيعية طوال القرن الحادي والعشرين سيعادل الانبعاثات السنوية لروسيا عام 2019. في ظل سيناريو RCP4.5، وهو سيناريو يُعتبر قريبًا من المسار الحالي حيث يبقى الاحترار أقل بقليل من 3 درجات مئوية (5.4 درجة فهرنهايت) ، ستكون انبعاثات التربة الصقيعية السنوية مماثلة لانبعاثات عام 2019 في أوروبا الغربية أو الولايات المتحدة، بينما في ظل سيناريو الاحترار العالمي المرتفع وأسوأ استجابة ارتدادية للتربة الصقيعية، ستقترب من انبعاثات عام 2019 في الصين. ^{[ 11 ]}       

Fewer studies have attempted to describe the impact directly in terms of warming. A 2018 paper estimated that if global warming was limited to 2 °C (3.6 °F), gradual permafrost thaw would add around 0.09 °C (0.16 °F) to global temperatures by 2100,^[100] while a 2022 review concluded that every 1 °C (1.8 °F) of global warming would cause 0.04 °C (0.072 °F) and 0.11 °C (0.20 °F) from abrupt thaw by the year 2100 and 2300. Around 4 °C (7.2 °F) of global warming, abrupt (around 50 years) and widespread collapse of permafrost areas could occur, resulting in an additional warming of 0.2–0.4 °C (0.36–0.72 °F).^[88][101]

As the water drains or evaporates, soil structure weakens and sometimes becomes viscous until it regains strength with decreasing moisture content. One visible sign of permafrost degradation is the random displacement of trees from their vertical orientation in permafrost areas.^[102] Global warming has been increasing permafrost slope disturbances and sediment supplies to fluvial systems, resulting in exceptional increases in river sediment.^[103] On the other hands, disturbance of formerly hard soil increases drainage of water reservoirs in northern wetlands. This can dry them out and compromise the survival of plants and animals used to the wetland ecosystem.^[104]

In high mountains, much of the structural stability can be attributed to glaciers and permafrost.^[105] As climate warms, permafrost thaws, decreasing slope stability and increasing stress through buildup of pore-water pressure, which may ultimately lead to slope failure and rockfalls.^[106][107] Over the past century, an increasing number of alpine rock slope failure events in mountain ranges around the world have been recorded, and some have been attributed to permafrost thaw induced by climate change. The 1987 Val Pola landslide that killed 22 people in the Italian Alps is considered one such example.^[108] In 2002, massive rock and ice falls (up to 11.8 million m³), earthquakes (up to 3.9 Richter), floods (up to 7.8 million m³ water), and rapid rock-ice flow to long distances (up to 7.5 km at 60 m/s) were attributed to slope instability in high mountain permafrost.^[109]

Permafrost thaw can also result in the formation of frozen debris lobes (FDLs), which are defined as "slow-moving landslides composed of soil, rocks, trees, and ice".^[110] This is a notable issue in the Alaska's southern Brooks Range, where some FDLs measured over 100 m (110 yd) in width, 20 m (22 yd) in height, and 1,000 m (1,100 yd) in length by 2012.^[111][112] As of December 2021, there were 43 frozen debris lobes identified in the southern Brooks Range, where they could potentially threaten both the Trans Alaska Pipeline System (TAPS) corridor and the Dalton Highway, which is the main transport link between the Interior Alaska and the Alaska North Slope.^[113]

Infrastructure

حتى عام 2021، بلغ عدد المستوطنات الواقعة مباشرة فوق التربة الصقيعية في القطب الشمالي 1162 مستوطنة، يقطنها ما يُقدّر بنحو 5 ملايين نسمة. وبحلول عام 2050، من المتوقع أن تذوب طبقة التربة الصقيعية تحت 42% من هذه المستوطنات، مما سيؤثر على جميع سكانها (البالغ عددهم حاليًا 3.3  مليون نسمة). ^{[ 115 ]} ونتيجة لذلك، فإن نطاقًا واسعًا من البنية التحتية في مناطق التربة الصقيعية مُهدد بالذوبان. ^{[ 12 ] [ 116 ] : 236.} وبحلول عام 2050، تشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 70% من البنية التحتية العالمية الواقعة في مناطق التربة الصقيعية ستكون مُعرّضة لخطر كبير من ذوبان التربة الصقيعية، بما في ذلك 30-50% من البنية التحتية "الحيوية". وقد تصل التكاليف المرتبطة بذلك إلى عشرات المليارات من الدولارات بحلول النصف الثاني من القرن. ^{[ 13 ]} ومن المتوقع أن يُساهم خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بما يتماشى مع اتفاقية باريس في استقرار المخاطر بعد منتصف القرن؛ وإلا، فستستمر في التفاقم. ^{[ 114 ]}

في ألاسكا وحدها، ستصل الأضرار التي ستلحق بالبنية التحتية بحلول نهاية القرن إلى 4.6  مليار دولار (بقيمة الدولار في عام 2015) في حال تحقق سيناريو تغير المناخ RCP8.5 ، وهو سيناريو الانبعاثات العالية . أكثر من نصف هذه الأضرار ناتج عن تلف المباني (2.8 مليار دولار)، بالإضافة إلى تلف الطرق (700 مليون دولار)، والسكك الحديدية (620 مليون دولار)، والمطارات (360 مليون دولار)، وخطوط الأنابيب (170 مليون دولار ). ^{[ 117 ]} وقد أُجريت تقديرات مماثلة لسيناريو RCP4.5، وهو سيناريو أقل حدة، يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بنحو 2.5 درجة مئوية (4.5 درجة فهرنهايت) بحلول عام 2100، وهو مستوى احترار مماثل للتوقعات الحالية. ^{[ 118 ]} في هذه الحالة، تنخفض الأضرار الإجمالية الناجمة عن ذوبان التربة الصقيعية إلى 3 مليارات دولار، بينما تقل الأضرار التي تلحق بالطرق والسكك الحديدية بنحو الثلثين (من 700 و620 مليون دولار إلى 190 و220 مليون دولار )، وتنخفض الأضرار التي تلحق بخطوط الأنابيب بأكثر من عشرة أضعاف، من 170 مليون دولار إلى 16 مليون دولار. وعلى عكس التكاليف الأخرى الناجمة عن تغير المناخ في ألاسكا، مثل الأضرار الناجمة عن زيادة هطول الأمطار والفيضانات، فإن التكيف مع تغير المناخ ليس وسيلة فعالة للحد من الأضرار الناجمة عن ذوبان التربة الصقيعية، إذ ستكون تكلفته أعلى من الأضرار المتكبدة في أي من السيناريوهين. ^{[ 117 ]}           

In Canada, Northwest Territories have a population of only 45,000 people in 33 communities, yet permafrost thaw is expected to cost them $1.3 billion over 75 years, or around $51 million a year. In 2006, the cost of adapting Inuvialuit homes to permafrost thaw was estimated at $208/m² if they were built at pile foundations, and $1,000/m² if they didn't. At the time, the average area of a residential building in the territory was around 100 m². Thaw-induced damage is also unlikely to be covered by home insurance, and to address this reality, territorial government currently funds Contributing Assistance for Repairs and Enhancements (CARE) and Securing Assistance for Emergencies (SAFE) programs, which provide long- and short-term forgivable loans to help homeowners adapt. It is possible that in the future, mandatory relocation would instead take place as the cheaper option. However, it would effectively tear the local Inuit away from their ancestral homelands. Right now, their average personal income is only half that of the median NWT resident, meaning that adaptation costs are already disproportionate for them.^[119]

By 2022, up to 80% of buildings in some Northern Russia cities had already experienced damage.^[13] By 2050, the damage to residential infrastructure may reach $15 billion, while total public infrastructure damages could amount to 132 billion.^[120] This includes oil and gas extraction facilities, of which 45% are believed to be at risk.^[114]

خارج منطقة القطب الشمالي، تضم هضبة تشينغهاي-التبت (المعروفة أحيانًا باسم "القطب الثالث") مساحة شاسعة من التربة الصقيعية. وتشهد هذه الهضبة ارتفاعًا في درجات الحرارة بمعدل ضعف المتوسط ​​العالمي، ويُعتبر 40% منها تربة صقيعية "دافئة"، مما يجعلها غير مستقرة بشكل خاص. يبلغ عدد سكان هضبة تشينغهاي-التبت أكثر من 10 ملايين نسمة، أي ضعف عدد سكان المناطق ذات التربة الصقيعية في القطب الشمالي، وتوجد فيها مبانٍ تزيد مساحتها عن  مليون متر ^مربع ، بالإضافة إلى 2631  كيلومترًا من خطوط الكهرباء ، و580  كيلومترًا من خطوط السكك الحديدية. ^{[ 121 ]} كما يوجد بها 9389  كيلومترًا من الطرق، وقد تضرر حوالي 30% منها بالفعل جراء ذوبان التربة الصقيعية. ^{[ 13 ]} تشير التقديرات إلى أنه في ظل السيناريو الأكثر شبهاً بالوضع الحالي، وهو SSP2-4.5 ، ستكون حوالي 60% من البنية التحتية الحالية معرضة لخطر كبير بحلول عام 2090، وستبلغ تكلفة صيانتها وحدها 6.31  مليار دولار، مع إمكانية خفض هذه التكاليف بنسبة 20.9% كحد أقصى من خلال التكيف. وسيؤدي كبح الاحتباس الحراري عند درجتين مئويتين (3.6 درجة فهرنهايت) إلى خفض هذه التكاليف إلى 5.65 مليار دولار، بينما سيؤدي تحقيق هدف اتفاقية باريس المتفائل المتمثل في 1.5 درجة مئوية (2.7 درجة فهرنهايت) إلى توفير 1.32 مليار دولار إضافية . وعلى وجه الخصوص، ستكون أقل من 20% من خطوط السكك الحديدية معرضة لخطر كبير بحلول عام 2100 في ظل 1.5 درجة مئوية (2.7 درجة فهرنهايت) ، إلا أن هذه النسبة ترتفع إلى 60% عند درجتين مئويتين (3.6 درجة فهرنهايت) ، في حين أنه في ظل SSP5-8.5، يتم الوصول إلى هذا المستوى من المخاطر بحلول منتصف القرن. ^{[ 121 ]}          

خلال معظم القرن العشرين، ساد الاعتقاد بأن التربة الصقيعية ستحفظ أي شيء مدفون فيها "إلى أجل غير مسمى"، مما جعل المناطق العميقة من التربة الصقيعية مواقع شائعة للتخلص من النفايات الخطرة. في أماكن مثل حقل برودو باي النفطي في كندا، وُضعت إجراءات توثق الطريقة "المناسبة" لحقن النفايات تحت التربة الصقيعية. هذا يعني أنه اعتبارًا من عام 2023، يوجد حوالي 4500 منشأة صناعية في مناطق التربة الصقيعية في القطب الشمالي، إما تعالج أو تخزن مواد كيميائية خطرة. إضافةً إلى ذلك، يوجد ما بين 13000 و20000 موقع ملوث بشدة، ^{[ 122 ]} 70% منها في روسيا، وتلوثها محتجز حاليًا في التربة الصقيعية. ^{[ 123 ]}

About a fifth of both the industrial and the polluted sites (1000 and 2200–4800) are expected to start thawing in the future even if the warming does not increase from its 2020 levels. Only about 3% more sites would start thawing between now and 2050 under the climate change scenario consistent with the Paris Agreement goals, RCP2.6, but by 2100, about 1100 more industrial facilities and 3500 to 5200 contaminated sites are expected to start thawing even then. Under the very high emission scenario RCP8.5, 46% of industrial and contaminated sites would start thawing by 2050, and virtually all of them would be affected by the thaw by 2100.^[14]

Organochlorines and other persistent organic pollutants are of a particular concern, due to their potential to repeatedly reach local communities after their re-release through biomagnification in fish. At worst, future generations born in the Arctic would enter life with weakened immune systems due to pollutants accumulating across generations.^[16]

A notable example of pollution risks associated with permafrost was the 2020 Norilsk oil spill, caused by the collapse of diesel fuel storage tank at Norilsk-Taimyr Energy's thermal power plant No. 3. It spilled 6,000 tonnes of fuel into the land and 15,000 into the water, polluting Ambarnaya, Daldykan and many smaller rivers on Taimyr Peninsula, even reaching lake Pyasino, which is a crucial water source in the area. State of emergency at the federal level was declared.^[124][125] The event has been described as the second-largest oil spill in modern Russian history.^[126][127]

من المشكلات الأخرى المرتبطة بذوبان التربة الصقيعية إطلاق رواسب الزئبق الطبيعية . يُقدّر أن 800 ألف طن من الزئبق متجمدة في التربة الصقيعية. ووفقًا للملاحظات، يمتص الغطاء النباتي حوالي 70% منها بعد الذوبان. ^{[ 16 ]} مع ذلك، إذا استمر الاحترار وفقًا لسيناريو RCP8.5، فإن انبعاثات الزئبق من التربة الصقيعية إلى الغلاف الجوي ستعادل الانبعاثات العالمية الحالية الناتجة عن جميع الأنشطة البشرية بحلول عام 2200. كما تُشكّل التربة الغنية بالزئبق خطرًا أكبر بكثير على الإنسان والبيئة إذا ذابت بالقرب من الأنهار. فبموجب سيناريو RCP8.5، ستدخل كمية كافية من الزئبق إلى حوض نهر يوكون بحلول عام 2050 تجعل أسماكه غير صالحة للأكل وفقًا لإرشادات وكالة حماية البيئة الأمريكية . وبحلول عام 2100، ستتضاعف تركيزات الزئبق في النهر. وعلى النقيض من ذلك، حتى لو اقتصرت إجراءات التخفيف على سيناريو RCP4.5، فإن مستويات الزئبق سترتفع بنحو 14٪ بحلول عام 2100، ولن تتجاوز إرشادات وكالة حماية البيئة حتى عام 2300. ^{[ 15 ]}