Een belangrijke bron van broeikasgassen is in de atmosfeer van de aarde beginnen lekken vanuit een onwaarschijnlijke plaats. Boven de poolcirkel is land dat al tienduizenden jaren bevroren is, voor het eerst gaan ontdooien. Volgens de huidige schattingen bevat de eeuwig bevroren grond, permafrost genaamd, meer dan twee keer de hoeveelheid koolstof die in de atmosfeer van vandaag aanwezig is. Als de permafrost ontdooit, kan een enorme hoeveelheid van deze opgeslagen koolstof vrijkomen in de vorm van kooldioxide of methaangas.
In gematigder omgevingen wordt de meeste koolstof in dood plantenmateriaal relatief snel weer in de atmosfeer opgenomen door de werking van microben die organisch materiaal afbreken. De resten van dode planten hebben zich echter millennia lang opgehoopt in de permafrostbodem en sedimenten in gebieden als de noordelijke helling van Alaska en Siberië.
“Als organisch materiaal eenmaal in de permafrost is opgenomen, is het zo goed als uit het systeem verdwenen. Het is alsof je voedsel in de vriezer bewaart – de afbraak wordt drastisch vertraagd”, zegt Julie Jastrow, ecoloog bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van energie (DOE).
“Zolang de bodem of het sediment bevroren blijft, is er heel weinig microbiële activiteit om het organisch materiaal af te breken”, voegt Jastrow toe. “Zodra de bodem echter begint te ontdooien, zal de microbiële activiteit toenemen en als de microben zich voeden met het organische materiaal, zal een deel van de koolstof vrijkomen in de atmosfeer. De zorg is dat deze extra bron van broeikasgassen het opwarmingsproces zal versnellen, waardoor nog meer permafrost zal ontdooien.”
De vries-dooicycli van de Arctische toendra veroorzaken een fenomeen dat bekend staat als cryoturbatie, waarbij de bovenste lagen van de bodem samendrommen met de onderste lagen. Volgens Jastrow zijn duizenden jaren geleden door dit proces dode planten door het sediment naar beneden getransporteerd, de permafrost in, voordat ze konden worden afgebroken.
“Het probleem is dat er daar beneden veel relatief gemakkelijk afbreekbare koolstof ligt begraven, maar die wordt beschermd doordat hij bevroren is. Als die bevroren toestand ontdooit en de microben erop inwerken, komt er – net als bij de verbranding van fossiele brandstoffen – koolstof vrij die al heel lang uit de mondiale cyclus is verdwenen, en die echt niet meer kan worden teruggeplaatst waar hij vandaan kwam. Wat we nog niet weten is hoeveel van deze oude koolstof vrijkomt, hoe snel, en in welke vorm – kooldioxide of methaan?”, zei ze.
Voor onderzoekers en beleidsmakers die zich zorgen maken over klimaatverandering, is één bijzonder verontrustend aspect van de dooi van permafrost het feit dat deze bodems en sedimenten gewoonlijk een grote hoeveelheid ijs bevatten. Als het water van dooiend ijs wegvloeit, zal de koolstofuitstoot voornamelijk bestaan uit koolstofdioxide. Maar in slecht gedraineerde gebieden blijft het water staan en kan een aanzienlijke hoeveelheid methaan worden uitgestoten. Wanneer koolstof vrijkomt in de vorm van methaan, genereert dit over een eeuw 25 keer zoveel opwarmingseffecten als wanneer het vrijkomt in de vorm van kooldioxide.
Jastrow en haar collega’s bij Argonne en de University of Alaska-Fairbanks namen monsters van permafrostbodems van de North Slope van Alaska tussen de Brooks Range en Prudhoe Bay. Door de chemische vormen van koolstof en mineralen in permafrostbodems nauwkeurig te bestuderen en door het gedrag van microben te observeren die zich voeden met de koolstof wanneer deze bodems langzaam worden opgewarmd onder verschillende drainageomstandigheden, zijn de onderzoekers van plan ontbindbaarheidsindicatoren en voorspellende modellen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt om beter te anticiperen op het lot van koolstof in ontdooiende permafrost.
Het Argonne-onderzoek zal zich richten op terreinen in de gehele noordelijke permafrostregio, die naast toendra’s ook struikgewas, boreaal bos en veengebied onder de poolcirkel omvat. “Ons mandaat is te kijken naar zowel de hoeveelheid koolstof als de potentiële afbreekbaarheid ervan. Permafrost-onderzoekers geloven nu dat er aanzienlijk meer koolstof in deze gebieden zit dan de meeste mensen eerder dachten, maar we hebben nog steeds slechts zeer ruwe schattingen,” zei ze.
Uiteindelijk zullen de Argonne-inspanningen DOE’s doel ondersteunen om klimaatmodellen te ontwikkelen die de gevolgen voor verschillende biomen beter kunnen voorspellen. Om het langetermijngedrag van terrestrische ecosystemen te begrijpen, is een vollediger beeld nodig van de verschillende factoren die bepalen hoe de koolstofcycli tussen het land en de atmosfeer in verschillende regio’s verlopen. “We worden vaak geconfronteerd met de vraag of onze metingen niet kloppen of onze modellen niet, en meestal is het een beetje van allebei,” zei Jastrow.
De Argonne-studies zullen de waardevolle “ground truthing”-gegevens opleveren die nodig zijn om de koolstofcyclusmodellen te testen en te verbeteren die worden ontwikkeld voor permafrostgebieden. Toekomstig onderzoek zal bemonstering van meer locaties inhouden, met name in laaglandgebieden die natter en minder toegankelijk zijn, aangezien de DOE haar inspanningen voortzet om koolstofmodellen te koppelen aan klimaatmodellen.