En betydande källa till växthusgaser har börjat läcka in i jordens atmosfär från en osannolik plats. Ovanför polcirkeln har mark som varit frusen i tiotusentals år börjat tina för första gången. Enligt nuvarande beräkningar innehåller ständigt frusen mark, så kallad permafrost, mer än dubbelt så mycket kol som finns i dagens atmosfär. När permafrosten tinar kan en stor mängd av detta lagrade kol frigöras som koldioxid eller metangas.
I mer tempererade miljöer återgår det mesta av kolet i dött växtmaterial relativt snabbt till atmosfären tack vare mikrober som bryter ner organiskt material. Resterna av döda växter har dock ackumulerats i årtusenden i permafrostjordar och sediment i regioner som Alaskas nordsluttning och Sibirien.
”När organiskt material väl har införlivats i permafrosten är det i stort sett ute ur systemet. Det är som att förvara mat i frysen – nedbrytningshastigheten är dramatiskt nedsatt”, säger Julie Jastrow, ekolog vid US Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory.
”Så länge jorden eller sedimenten förblir frusna finns det mycket lite mikrobiell aktivitet för att bryta ned det organiska materialet”, tillägger Julie Jastrow. ”När jorden börjar tina kommer dock den mikrobiella aktiviteten att öka, och när mikroberna äter det organiska materialet kommer en del av kolet att släppas ut i atmosfären. Oron är att denna extra källa till växthusgaser skulle påskynda uppvärmningsprocessen och leda till att ännu mer permafrost tinas upp.”
Frys- och tinavbrottscyklerna som är förknippade med den arktiska tundran ger upphov till ett fenomen som kallas kryoturbation, där de översta jordlagren rör ihop sig med de lägre lagren. Enligt Jastrow transporterade denna process för tusentals år sedan döda växter nedåt genom sedimenten till permafrosten innan de kunde brytas ned.
”Problemet är att det finns massor av kol som är relativt lätt att bryta ned och som är begravt där nere, men det är skyddat genom att vara i ett fruset tillstånd. Om det tinas upp och mikroberna agerar på det kommer man – precis som vid förbränning av fossila bränslen – att frigöra kol som har varit borta från det globala kretsloppet under lång tid, och det kan verkligen inte sättas tillbaka där det kom ifrån. Vad vi ännu inte vet är hur mycket av detta gamla kol som kommer att frigöras, hur snabbt och i vilken form – koldioxid eller metan?”, sade hon.
För forskare och beslutsfattare som oroar sig för klimatförändringarna är en särskilt oroväckande aspekt av permafrostens upptining det faktum att dessa jordar och sediment vanligtvis innehåller en stor mängd is. Om vatten från tinande is dräneras bort kommer koldioxidutsläppen främst att bestå av koldioxid. Men i områden med dålig dränering samlas vattnet och en betydande mängd metan kan släppas ut. När kol släpps ut som metan kommer det att generera 25 gånger så stor uppvärmningseffekt under ett århundrade som om det släpptes ut som koldioxid.
Jastrow och hennes kollegor vid Argonne och University of Alaska-Fairbanks tog prover av permafrostjordar från Alaskas norra sluttning mellan Brooks Range och Prudhoe Bay. Genom att noggrant undersöka de kemiska formerna av kol och mineraler i permafrostjordar och genom att observera beteendet hos mikrober som livnär sig på kolet när dessa jordar långsamt värms upp under olika dräneringsförhållanden planerar forskarna att utveckla indikatorer för nedbrytbarhet och prediktiva modeller som kan användas för att bättre förutse kolets öde i tinande permafrost.
Forskningen vid Argonne kommer att fokusera på terrängen i hela den nordliga permafrostregionen, som förutom tundran även omfattar buskmarker, boreala skogar och torvmarker under polcirkeln. ”Vårt uppdrag är att undersöka både mängden kol och dess potentiella nedbrytbarhet. Permafrostforskare tror nu att det finns betydligt mer kol i dessa områden än vad de flesta tidigare trott, men vi har fortfarande bara mycket grova uppskattningar”, säger hon.
I slutändan kommer Argonne-arbetet att stödja DOE:s mål att utveckla klimatmodeller som bättre kan förutsäga konsekvenserna för olika biomes. För att förstå de långsiktiga beteendena hos terrestra ekosystem krävs en mer omfattande bild av de olika faktorer som styr hur kolets kretslopp mellan marken och atmosfären i olika regioner. ”Vi ställs ofta inför frågan om våra mätningar är felaktiga eller om våra modeller är felaktiga, och vanligtvis är det något av båda”, sade Jastrow.
Argonne-undersökningarna kommer att ge de värdefulla ”ground truthing”-data som behövs för att testa och förbättra de kolcykelmodeller som håller på att utvecklas för permafrostregioner. Framtida forskning kommer att omfatta provtagning på fler platser, särskilt i låglandsområden som är fuktigare och mindre lättillgängliga, när DOE fortsätter sitt arbete med att koppla ihop kolmodeller med klimatmodeller.