چرا رودخانه‌های آلاسکا نارنجی شده‌اند؟

بعدازظهر ابری ماه ژوئیه در پارک ملی دره کوباک آلاسکا، بخشی از بزرگ‌ترین قطعه از حیات وحش حفاظت‌شده در ایالات متحده آمریکا بود. گروه پژوهشی ۹۵ کیلومتر با نزدیک‌ترین روستا و ۴۰۰ کیلومتر از سیستم جاده فاصله داشت. نهری که از کنار پاهای آن‌ها عبور می‌کرد، آلوده به‌نظر می‌رسید. بستر نهر نارنجی بود؛ گویی سنگ‌ها به آب هویج آغشته شده‌اند. سطح هم دارای درخشش رنگین‌کمانی شبیه بنزین بود. پاتریک سالیوان، بوم‌شناس دانشگاه آلاسکا در انکوریج گفت: «این چیز بدی است.»

سالیوان که برای محافظت دربرابر خرس‌های گریزلی سلاحی به سینه‌اش بسته بود، به صفحه حسگری نگاه می‌کرد که آن را در آب فرو برده بود. او اندازه‌گیری‌ها را برای رومن دیال، استاد زیست‌شناسی و ریاضی در دانشگاه اقیانوس آرام آلاسکا خواند. اکسیژن محلول بسیار کم بود و pH آب ۶٫۴، یعنی از رودخانه نسبتا قلیایی که جریان به آن می‌ریخت، حدود ۱۰۰ برابر اسیدی‌تر بود. رسانایی الکتریکی که نشانگر فلزات یا مواد معدنی محلول است، به مقدار فاضلاب‌های صنعتی نزدیک‌تر بود تا جریان کوهستانی معمولی.

تابستان گذشته، پژوهشگران هنگام پرواز از بریتیش کلمبیا به قلمروهای شمال غرب، دو جریان آب نارنجی را مشاهده کردند. تیموتی لیونز، ژئوشیمیدان دانشگاه کالیفرنیا ریورساید که با دیال و سالیوان کار می‌کرد، گفت: «همین اتفاق در سایر مناطق شمالگان نیز درحال رخ دادن است.»

دانشمندانی که رودخانه‌های زنگ‌زده آلاسکار را مطالعه کرده‌اند، علت اصلی این امر را تغییرات اقلیمی می‌دانند.

پارک ملی دره کوبوک از سال ۲۰۰۶ حدود ۲٫۴ درجه سانتی‌گراد گرم‌تر شده است و ممکن است تا سال ۲۱۰۰، ۱۰٫۲ درجه دیگر گرم‌تر شود. گرما ممکن است هم‌اکنون نیز شروع به ذوب کردن ۴۰ درصد از خاک منجمد این پارک کرده باشد. در گذشته، لایه منجمد خاک معمولا در تمام طول سال یخ‌زده باقی می‌ماند.

این امر که دقیقا چگونه ذوب لایه منجمد خاک این رودخانه‌ها را نارنجی می‌کند، معما بوده است. حل کردن این معما برای درک اثرات اکولوژیکی گسترده و کمک به جوامع وابسته به آن‌ها برای سازگار شدن مفید است.

برخی از دانشمندان فکر می‌کنند اسید حاصل از مواد معدنی، آهن را از سنگ بستری که برای اولین‌بار در هزاران سال اخیر درمعرض آب قرار گرفته است، خارج می‌کند (فرضیه اسید-سنگ). برخی دیگر فکر می‌کنند آهن موجود در تالاب‌ها در اثر فعالیت باکتری‌ها آزاد شده است (فرضیه باکتری‌ها یا تالاب).

پژوهشگران برای کشف این موضوع که کدام فرضیه درمورد جریان‌های آب نارنجی درست است، از سالمون بازدید کردند. اگر فرضیه اسید-سنگ درست باشد، ماهی‌های پایین‌دست کوه‌های خاص ممکن است درمعرض خطر مرگ باشند. اگر فرضیه باکتری‌ها درست باشد، زنگ‌زدگی می‌تواند به‌تدریج جریان‌ها را تقریبا در هر جایی که خاک منجمد وجود دارد، خفه کند.

اولین کسانی که رودخانه‌های زنگ‌زده آلاسکا را مستند کردند، کارکنان سازمان زمین‌شناسی و سرویس پارک‌های ملی ایالات متحده بودند که درحال بررسی این موضوع بودند که چگونه تغییرات خاک منجمد در رشته‌کوه بروکس بر ماهی‌هایی مانند دالی واردن (گونه‌ای قزل آلا) تاثیر می‌گذارد.

وقتی در آگوست ۲۰۱۸ زیست‌شناسی به نام مایک کری با هلی‌کوپتر پرواز کرد تا حسگر آب را که در جریان پاکیزه‌ای در شرق سالمون رها کرده بود، بازیابی کند، متوجه شد کف آن با لجن نارنجی‌رنگی پوشیده شده است. او ماهی یا حشره‌ای پیدا نکرد و با خود گفت: «تنوع زیستی نابود شده است.»

دیال و سالیوان که درحال مطالعه مسیر شمال خط درختان در محدوده گرم‌تر رشته کوه بروکس بودند، از سرعت تغییر نهرها متحیر شدند. در یکی از سفرهای اکتشافی آن‌ها در سال ۲۰۲۰، آب درون یکی از نهرها چنان اسیدی بود که پودر شیری را که با خود برده بودند، لخته کرد.

لایه منجمد خاک حاوی مواد حیوانی و گیاهی است که دو برابر بیشتر از اتمسفر کربن را درخود جای داده است. وقتی لایه منجمد خاک ذوب می‌شود، میکروب‌ها این مواد را هضم می‌کند و متان و کربن دی اکسید را منتشر می‌کنند.

در سال ۲۰۱۶ در روسیه، آزاد شدن ویروس سیاه‌زخم درنتیجه‌ی ذوب لایه منجمد خاک جان پسری ۱۲ ساله را گرفت. ذوب لایه منجمد خاک می‌تواند ویروس‌ها و مواد شیمیایی را آزاد کند که عواقب بالقوه غیرمنتظره‌ای خواهد داشت.

زنگ زدن رودخانه‌ها دانشمندان آلاسکا را سردرگم کرده بود. آن‌ها فکر می‌کردند علت این امر ذوب‌شدن لایه منجمد خاک است، اما از چگونگی آن مطمئن نبودند. سپس دیوید کوپر، بوم‌شناس دانشگاه ایالتی کلرادو پیشنهاد کرد میکروب‌های درون خاک نه تنها متان، بلکه آهن محلول نیز تولید می‌کنند.

کوپر در سال ۲۰۲۱ همراه دیال به سفر تحقیقاتی در حوالی سالمون آمده بود و در آنجا آهن فراوانی را در آب مشاهده کرد. او با خود فکر کرد علت این امر ممکن است باکتری‌ها باشند. در فرایند شیمیایی شکستن ترکیبات کربنی برای به دست آوردن انرژی، اتم‌های هیدروژن با یک الکترون اضافی تولید می‌شوند. بسیاری از باکتری‌ها برای گرفتن الکترون اضافی، به مولکول‌های اکسیژن متکی هستند (فرایند احیا). اما در محیط های پرآب که اکسیژن آزاد وجود ندارد، تنفس باکتریایی می‌تواند عناصر دیگری مانند گوگرد را احیا کند یا می‌تواند آهن اکسیدشده را احیا کند که به همراه مواد آلی و منگنز به خاک رنگ قهوه‌ای می‌دهد.

کوپر فکر می‌کند ذوب شدن خاک منجمد زیر تالاب‌ها به باکتری‌ها اجازه می‌دهد آهن اکسیدشده را احیا کنند. آهن احیاشده برخلاف آهن اکسیدشده در آب محلول است. اگر آهن احیاشده توسط آب زیرزمینی حرکت داده شود و به جریان اکسیژن‌داری برسد، می‌تواند بار دیگر اکسید شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، آهن به شکل زنگ از آب جدا می‌شود و جریان آب را نارنجی می‌کند.

پژوهشگران در نقطه‌ای از منطقه که پوشش گیاهی از بین رفته و سیاه شده بود، از جریان آب نمونه‌برداری کردند. وقتی سالیوان حسگر را درون بطری فرو برد، pH برابر ۲٫۹۵ را نشان داد که همچون pH سرکه است. علت سوختن پوشش گیاهی نیز همین آب اسیدی بود و این مدل سوختگی‌ها در چند نقطه به چشم می‌خورد.

اگرچه فرضیه باکتری‌ها علت نارنجی بودن را توضیح می‌دهد، نمی‌تواند علت اسیدی بودن را توضیح دهد. در اواخر سال ۲۰۲۲، لیونز برای پیشنهاد این ایده که آب با مواد معدنی موجود در سنگ بستر واکنش نشان می‌دهد، با دیال تماس گرفت.

بیشتر ذخایر سنگ معدن غنی از مواد معدنی سولفیدی مانند پیریت هستند که ترکیبی از گوگرد و آهن است. اگر ماده معدنی سولفیدی در معرض آب و اکسیژن قرار گیرد (همین اتفاق، وقتی معدن‌چیان شکستن سنگ را شروع می‌کنند، نیز رخ می‌دهد) گوگرد از فلز جدا می‌شود و با مولکول‌های هیدرژون و اکسیژن پیوند می‌خورد و اسید سولفوریک را تولید می‌کند.

آلودگی ناشی از اسید و فلزات، ازجمله آهن مشکلی در معادن غرق در آب و در برکه‌های پر از پسماند معدنی است. وقتی نهرها سنگ‌های سولفیدی موجود در ذخایر سنگ معدن را دچار فرسایش می‌کنند، زه‌کشی اسید-سنگ می‌تواند به‌طور طبیعی اتفاق افتد.

بومیان آلاسکا از سال‌ها پیش شاهد جریان‌های نارنجی رنگ در اطراف رشته کوه بروکس بوده‌اند، اما در گذشته گسترش آن نسبت به زمان حال کمتر بوده است. لیونز فکر می‌کند ذوب لایه منجمد خاک سنگ بستر را از دیواره یخی آزاد کرده است و به آب اکسیژن‌دار امکان می‌دهد برای اولین‌بار در طول هزاران سال اخیر به شیل غنی از پیریت برسد. این امر موجب تشکیل اسید سولفوریک و اکسید شدن آهن باقیمانده می‌شود که معمولا به شکل زنگ از آب بیرون می‌زند. اسیدیته، آهن اکسیدشده را حل می‌کند و به آن امکان می‌دهد مانند آهن احیاشده در زمین جاری شود.

رشته‌کوه بروکس همچنین دارای مقدار زیادی سنگ آهک قلیایی است. اگر آب اسیدی به جریان یا رودخانه قلیایی برسد، pH آن افزایش پیدا می‌کند و آهن به شکل ماده زردرنگی از آن بیرون می‌ریزد. لیونز گفت: «در این‌جا، سنگ‌های شیل با پیریت را دارید که منبع اسید و آهن هستند و سپس سنگ‌های آهکی آن اسید را خنثی می‌کنند و موجب می‌شوند آهن از محلول خارج شود.»

موضوع ترسناک این است که اسید ممکن است فلزات دیگری مانند مس، روی، کادمیوم، سرب و حتی آرسنیک را بشورد و به پایین‌دست منتقل کند. مناطق معدنکاری اغلب دارای مواد معدنی سولفیدی هستند که هزاران سال این واکنش‌ها را پایدار نگه می‌دارند. تراوش‌های روی تپه از لایه منجمد خاک ممکن است برای دهه‌ها یا قرن‌ها ادامه داشته باشند. به همین دلیل است که این موضوع از نقطه نظر بازگشت به حالت طبیعی بسیار چالش‌برانگیز است. تا زمانی که آب و اکسیژن و همچنان ماده معدنی وجود داشته باشد، این روند ادامه پیدا خواهد کرد.

چند روز بعد، پژوهشگران در منطقه‌ای دورتر و قبل از پیوستن سالمون به رود کوبوک، نهر زشتی را مشاهده کردند که از جنگلی باتلاقی خارج می‌‌شد و بیشتر عنابی رنگ بود تا نارنجی. در آنجا تالاب بزرگی وجود داشت و آن‌ها فکر کردند فرضیه تالاب یا همان فعالیت باکتری‌ها درست از آب درآمده است.

پژوهشگران از چندین محل در حوالی رودخانه سالمون نمونه‌برداری کردند. به‌نظر می‌رسید شواهدی در حمایت از هر دو فرضیه وجود داشته باشد. در برخی مناطق، به‌نظر می‌رسید ذوب لایه منجمد خاک به آب امکان می‌دهد آهن را از سنگ بستر خارج کند . اگرچه در اطراف جریان آب زشتی که به آن اشاره شد، طبق فرضیه تالاب‌ها، احتمال بیشتری وجود داشت که ذوب لایه منجمد خاک باکتری‌های احیاکننده آهن را فعال کرده باشد. در بسیاری از مناطق، هر دو مکانیسم احتمالا نقش داشتند.

رود ولیک نیز از رشته کوه بروکس جریان پیدا می‌کند و بسیاری از شاخه‌های آن نارنجی شده‌اند. در دهانه ولیک روستایی به نام کیوالینا وجود دارد که ۴۴۴ سکنه آن به رودخانه متکی هستند. تغییرات اندک در کیفیت آب می‌تواند پیامدهای قابل‌توجهی برای آن‌ها داشته باشد.

پژوهشگران به همراه یک ماهی‌گیر به رودخانه رفتند و ماهیگیر چندین ماهی صید کرد. یکی از آن‌ها دالی واردن بود که برای معیشت مردم کیوالینا اهمیت زیادی دارد و به احتمال زیاد از اولین ماهی‌هایی است که تحت‌تاثیر زنگ‌زدگی رودخانه قرار می‌گیرد.

کیوالینا جای سختی برای زندگی است. بدون لوله‌کشی، ساکنان آن مجبورند آب را در بشکه‌ها حمل کنند. برخی از خانه‌ها با فرونشست زمین درحال ترک خوردن هستند. مردم کیوالینا برای صید ماهی و آب آشامیدنی به رودخانه‌هایی وابسته هستند که از رشته کوه بروکس جاری می‌شوند. اکنون انشعابات ولیک شروع به زنگ زدن کرده‌اند و احتمالا ماهی ارزشمند دالی واردن را به خطر خواهند انداخت.

آهن و فلزات دیگر می‌توانند با خفه‌کردن بی مهرگانی که ماهی‌ها از آن‌ها تغذیه می‌کنند، ماهی‌ها را از گرسنگی بکشند و اگر بستر رودخانه پر از آهن شود، تخم‌های ماهی نیز ممکن است از بین برود. اگر آهن و آلومینیوم روی آبشش ماهی‌ها را بگیرد، مانع از تنفس آن‌‌ها می‌شود. به‌گفته‌ی مردم محلی، اخیرا برخی از ماهی‌های دالی واردن تغییر شکل پیدا کرده‌اند.

از سال ۱۹۸۹، «رد داگ» یکی از بزرگ‌ترین معادن روی جهان برای اقتصاد منطقه‌ای بسیار مهم بوده است. هر سال پس از شروع شکستن یخ‌ها، معدن که ۶۴ کیلومتر با ساحل فاصله دارد، فاضلاب تصفیه‌شده را به نهر رد داگ می‌ریزد که به ولیک و سپس به دریا می‌ریزد. ساکنان کیوالینا معدن را علت خراب شدن آب خود می‌دانند. برخی از مردم آب آشامیدنی خود را با قایق از رودخانه دیگری می‌آورند.

از برخی جهات، نهر رد داگ پس از افتتاح معدن تمیزتر شد، زیرا این نهر منبع طبیعی زهکشی اسید-سنگ قبل از وجود معدن بود. درواقع، رنگ نارنجی نهر موجب شد در دهه ۱۹۶۰ خلبان آزمایشی که از آن‌جا عبور می‌کرد، با تصور اینکه ممکن است مواد معدنی ارزشمندی در آن‌ منطقه جود داشته باشد، آن را گزارش کند.

پس از نصب لوله‌هایی برای منحرف کردن رود رد داگ و جریان‌های دیگر اطراف ذخایر سنگ معدن، غلظت فلزات سنگین در پایین‌دست کم و از شدت اسیدیته نهر نیز کاسته شد. در همین حین، غلظت کل مواد جامد محلول افزایش یافت که عمدتا به خاطر هیدروکسید کلسیم و سولفات‌هایی بود که معدن برای حذف فلزات آن‌ها را به فاضلاب اضافه می‌کرد.

در طول تابستان گرم سال ۲۰۱۹، غلظت کل مواد جامد محلول در پایین‌دست به اندازه‌ای زیاد شد که به حد مجاز تعیین‌شده در رد داگ رسید و معدن مجبور شد به مدت بیش از یک سال تخلیه فاضلاب خود به نهر را متوقف کند. مشکل این بود که نهرهای بالا دست معدن زنگ‌زده بودند و آب شیری زردرنگ را وارد ولیک می‌کردند. معدن در صورتی می‌توانست تخلیه فاضلاب را از سر بگیرد که با راه‌اندازی سیستم تصفیه فاضلاب به روش اسمز معکوس، فاضلاب پاک‌تری را رها می‌کرد.

از آن زمان، جریان‌های بیشتری در بالای معدن به خاطر ذوب خاک منجمد نارنجی شده‌اند. با وجود راه‌اندازی سیستم تصفیه، کل مواد جامد محلول همچنان افزایش پیدا کرده است و به‌گفته‌ی کارشناسان، ماهی‌هایی که در این آب‌ها شنا می‌کنند، احتمالا فورا نمی‌میرند، اما استرس پایداری به آن‌ها وارد می‌شود.

خاک منجمد به آلاینده‌ای بزرگ‌تر از معدن تبدیل شده است و برای حل این مشکل کار زیادی نمی‌توان انجام داد. در معادن قدیمی، آهک اغلب به حوضچه‌های پسماند معدنی ریخته می‌شود تا اسید را خنثی کند، اما نمی‌توان کل نهرها را آهک‌پاشی کرد.

شاید تنها نکته امیدوارکننده این باشد که وقتی کل لایه منجمد ذوب شد و تمام آهن‌ها زنگ زدند، این رودخانه‌های وحشی بتوانند آلودگی را بشویند و خودشان را احیا کنند؛ هرچند چنین فرایندی حداقل ده‌ها سال طول می‌کشد.