Ważne źródło gazów cieplarnianych zaczęło wyciekać do ziemskiej atmosfery z mało prawdopodobnego miejsca. Powyżej koła podbiegunowego ziemia zamarznięta przez dziesiątki tysięcy lat po raz pierwszy zaczęła się rozmrażać. Obecne szacunki wskazują, że wiecznie zamarznięta ziemia, zwana wieczną zmarzliną, zawiera ponad dwa razy więcej węgla niż dzisiejsza atmosfera. W miarę rozmarzania wiecznej zmarzliny ogromna ilość zmagazynowanego węgla może zostać uwolniona w postaci dwutlenku węgla lub metanu.
W bardziej umiarkowanych środowiskach większość węgla zawartego w martwym materiale roślinnym stosunkowo szybko wraca do atmosfery dzięki działaniu mikrobów, które rozkładają materiały organiczne. Jednak pozostałości martwych roślin gromadziły się przez tysiąclecia w glebach i osadach wiecznej zmarzliny w regionach takich jak Północny Stok Alaski i Syberia.
„Kiedy materiał organiczny zostanie włączony do wiecznej zmarzliny, jest już całkiem poza systemem. To jak przechowywanie żywności w zamrażarce – tempo rozkładu ulega drastycznemu spowolnieniu” – mówi Julie Jastrow, ekolog z Laboratorium Narodowego Argonne Departamentu Energii USA.
„Tak długo, jak gleba lub osady pozostają zamrożone, drobnoustroje w bardzo niewielkim stopniu rozkładają materię organiczną” – dodaje Jastrow. „Kiedy jednak gleba zacznie rozmarzać, aktywność mikrobiologiczna wzrośnie, a ponieważ mikroby żywią się materiałami organicznymi, część węgla zostanie uwolniona do atmosfery. Obawiamy się, że to dodatkowe źródło gazów cieplarnianych przyspieszy proces ocieplenia, prowadząc do jeszcze większego rozmrożenia wiecznej zmarzliny.”
Cykle zamrażania i rozmrażania związane z arktyczną tundrą wywołują zjawisko znane jako krioturbacja, w którym górne warstwy gleby obracają się razem z niższymi. Według Jastrowa, tysiące lat temu proces ten przenosił martwe rośliny w dół przez osady do wiecznej zmarzliny, zanim mogły zostać rozłożone.
„Problem polega na tym, że w dole jest zakopanych mnóstwo stosunkowo łatwego do rozłożenia węgla, ale jest on chroniony przez to, że znajduje się w stanie zamrożonym. Jeśli rozmarznie i mikroby będą na niego działać, to – podobnie jak w przypadku spalania paliw kopalnych – uwolnimy węgiel, który przez długi czas był poza globalnym obiegiem i naprawdę nie da się go umieścić z powrotem tam, skąd pochodzi. Nie wiemy jeszcze, ile tego pradawnego węgla zostanie uwolnione, jak szybko i w jakiej formie – dwutlenku węgla czy metanu?” – powiedziała.
Dla naukowców i decydentów zaniepokojonych zmianami klimatu szczególnie niepokojącym aspektem rozmarzania wiecznej zmarzliny jest fakt, że te gleby i osady zazwyczaj zawierają dużą ilość lodu. Jeśli woda z rozmarzającego lodu odpłynie, emisje dwutlenku węgla będą się składały głównie z dwutlenku węgla. Jednak na obszarach słabo odwadnianych woda gromadzi się w zbiornikach i może być emitowana znaczna ilość metanu. Gdy węgiel zostanie uwolniony w postaci metanu, w ciągu stulecia spowoduje 25-krotnie większy efekt ocieplenia, niż gdyby został uwolniony w postaci dwutlenku węgla.
Jastrow i jej koledzy z Argonne i Uniwersytetu Alaska-Fairbanks pobrali próbki gleby z wiecznej zmarzliny z północnego stoku Alaski pomiędzy Brooks Range i Prudhoe Bay. Poprzez dokładne zbadanie form chemicznych węgla i minerałów w glebach wiecznej zmarzliny oraz obserwację zachowania mikroorganizmów żywiących się węglem, gdy gleby te są powoli ogrzewane w różnych warunkach odwadniania, naukowcy planują opracować wskaźniki rozkładu i modele predykcyjne, które mogą być wykorzystane do lepszego przewidywania losów węgla w rozmarzającej wiecznej zmarzlinie.
Badania prowadzone w Argonne skupią się na terenie całego północnego regionu wiecznej zmarzliny, który obejmuje krzewy, lasy borealne i torfowiska poniżej koła podbiegunowego, a także tundrę. „Naszym zadaniem jest zbadanie zarówno ilości węgla, jak i jego potencjalnej zdolności do rozkładu. Naukowcy zajmujący się wiecznej zmarzlinie uważają, że w tych regionach znajduje się znacznie więcej węgla niż większość ludzi wcześniej sądziła, ale nadal dysponujemy jedynie bardzo przybliżonymi szacunkami” – powiedziała. Zrozumienie długoterminowych zachowań ekosystemów lądowych wymaga bardziej kompleksowego obrazu różnych czynników kontrolujących obieg węgla między ziemią a atmosferą w różnych regionach. „Często stajemy przed pytaniem, czy nasze pomiary są błędne, czy nasze modele są błędne, a zazwyczaj jest to jedno i drugie,” powiedział Jastrow.
Badania w Argonne dostarczą cennych danych potrzebnych do przetestowania i ulepszenia modeli cyklu węglowego opracowywanych dla obszarów wiecznej zmarzliny. Przyszłe badania obejmą więcej miejsc, szczególnie na obszarach nizinnych, które są bardziej wilgotne i mniej dostępne, ponieważ DOE kontynuuje swoje wysiłki w celu połączenia modeli węgla z modelami klimatu.