Besneeuwde toppen rijzen in één richting op; drassige toendra verspreidt zich over de andere. Fuzzy hoofden van langstelige planten zwaaien in de wind, afgewisseld met bosbessen. Dit is Alaska's Eight Mile Lake, waar de dichtstbijzijnde stad iets meer dan duizend inwoners heeft.

Onderzoekers ondersteund door het Department of Energy's Office of Science bezoeken hier en andere afgelegen locaties om te bestuderen hoe permafrost - grond die meerdere jaren achter elkaar bevroren is - ontdooit. Omdat bodems in systemen op hoge breedtegraden waar dit gebeurt bijna twee keer zoveel koolstof opslaan als de hele atmosfeer, het uitzoeken van het ontdooiproces is essentieel voor het modelleren van terrestrische ecosystemen en klimaat. Door de modellen van het aardsysteem te verbeteren, kunnen wetenschappers de waarschijnlijke omvang en effecten van toekomstige klimaatverandering beter begrijpen.

De vriezer van de aarde

De diepe lagen van Permafrost werken als de ijskist van de wereld, organisch materiaal zoals dode planten en dieren gedurende duizenden jaren tegen degradatie opsluiten. De koude temperaturen en de drassige bodem vertragen de ontbinding tot bijna stilstand.

Maar vandaag warmt het noordpoolgebied op in een tempo dat de afgelopen drie miljoen jaar niet is voorgekomen. Twee keer zo snel stijgen als de rest van de aarde, de gemiddelde temperatuur van het noordpoolgebied zou tussen 2081 en 2100 met maar liefst 14 ° F kunnen stijgen.

Door deze opwarming kan permafrost veel sneller en uitgebreider ontdooien dan ooit tevoren. Afhankelijk van de snelheid en mate van klimaatverandering, het noordpoolgebied zou in de volgende eeuw 30 tot 70 procent van zijn permafrost kunnen verliezen.

Organische stof in ontdooide permafrost kan snel ontleden. Als bacteriën, schimmels, en andere kleine organismen breken de materie af, ze stoten de broeikasgassen koolstofdioxide en methaan uit. Elke stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde met 1 graad C (1,8 graad F) kan ertoe leiden dat de permafrost voldoende ontdooit om anderhalf jaar aan door de mens veroorzaakte kooldioxide-emissies vrij te geven. Broeikasgassen van de ontdooide permafrost zouden leiden tot meer klimaatverandering, wat dan zou kunnen leiden tot meer ontdooiing van de permafrost - een zichzelf versterkende cyclus.

"Dit is het belangrijkste omslagpunt, " zei Jizhong Zhou, een onderzoeker aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en professor aan de Universiteit van Oklahoma.

Een lonende samenwerking

Hoewel onderzoekers begrijpen waarom permafrost belangrijk is, veel vragen blijven onbeantwoord. Zelfs modellen met diepgaande informatie over land, oceaan, en atmosferische processen missen voldoende details over het noordpoolgebied.

Dat is waar veld- en laboratoriumonderzoek om de hoek komen kijken. Vóór 2012 permafrost-onderzoekers en klimaatmodelleurs werkten meestal afzonderlijk. Maar via het Next-Generation Ecosystem Experiments Arctic (NGEE Arctic)-project, teams van het DOE-hoofdkwartier, DOE nationale laboratoria, en universiteiten brachten veld, laboratorium, en het modelleren van onderzoekers om hun behoeften en expertise te delen.

"Dit is een niveau van dynamiek en interacties dat we in het verleden niet hebben gehad, " zei Stan Wullschleger, NGEE Arctic directeur en een onderzoeker bij Oak Ridge National Laboratory. "[Deze samenwerkingen] zorgen voor een veel beter geïnformeerde, rijkere discussie over hoe veld, laboratorium, en modellerende wetenschappers kunnen interageren."

Onderzoek in een brutaal landschap

Het bestuderen van permafrost is verre van eenvoudig. Als de temperatuur meer dan 20 graden onder nul daalt, draden worden zo broos dat ze door een simpele beweging barsten. Omdat korte winterdagen zonnepanelen onbruikbaar maken, onderzoekers moeten batterijen ter grootte van een auto rondslepen om hun instrumenten van stroom te voorzien. Maar de essentiële gegevens die deze onderzoeken opleveren, maken het allemaal de moeite waard.

Een belangrijk type veldonderzoek stelt wetenschappers in staat om te onderzoeken hoe temperatuur de snelheid van ontdooien beïnvloedt. Om te simuleren hoe een permafrost-ecosysteem zou reageren op zowel warmere zomers als winters, onderzoekers creëren ecosysteem in miniatuur. Om zomerse omstandigheden na te bootsen, ze gebruiken kassen met open dak die de lucht verwarmen. Voor winterse omstandigheden, ze zetten hekken op waar de sneeuw zich ophoopt, de grond verwarmend als een dekbed dat een bed isoleert.

Hoewel het lijkt alsof de zomer de permafrost het meest zou beïnvloeden, het is eigenlijk de opwarming van de winter die ontdooiing veroorzaakt. Een grote studie ondersteund door het Office of Science wees uit dat, hoewel zomerse omstandigheden de grond niet opwarmden, opwarming in de winter verhoogde de bodemtemperatuur met 3-5° F. Na slechts drie jaar, deze veranderingen leidden tot een toename van de ademhaling met 45 procent, het proces dat koolstofdioxide produceert. Er waren enkele verhogingen van de plantengroei en de opname van koolstofdioxide, maar het was lang niet genoeg om de releases te compenseren.

Veranderingen in de waterbeweging kunnen ook het ontdooien versnellen. Momenteel, partjes ijs vormen een vijfde van de bovenste laag permafrost. Deze ijswiggen zijn zo fundamenteel voor het landschap dat wanneer ze smelten, de grond stort echt in. De resulterende verschuivingen kunnen troggen en meren zo met elkaar verbinden dat ze leeglopen, de waterverdeling van het ecosysteem te transformeren.

Uit een onderzoek van NGEE Arctic is gebleken dat temperatuurstijgingen van slechts 9 ° F ervoor kunnen zorgen dat ijswiggen binnen 15 tot 20 jaar instorten. En het hoeven geen veranderingen in de gemiddelde temperatuur te zijn - een ongewoon hete zomer kan het proces op gang brengen.

"Het is een transformatie die niet gemakkelijk ongedaan wordt gemaakt. Zeker niet tijdens ons leven, " zei Sue Natali, een permafrost-onderzoeker bij Woods Hole Research Center.

Terug in het Lab

Het landschap zien verschuiven is verhelderend, maar veldwerk alleen kan de onderliggende processen niet beschrijven. Door monsters terug naar het laboratorium te brengen, kunnen onderzoekers specifieke variabelen isoleren.

Omdat smeltende ijswiggen grote veranderingen in de waterverdeling kunnen veroorzaken, het is essentieel om te weten hoe de ontbinding kan variëren, afhankelijk van het waterpeil van de bodem. Een NGEE Arctic-studie ontdekte substantiële verschillen tussen ontbinding in droge bodems met zuurstof (aëroob) en drassige bodems die geen zuurstof bevatten (anaëroob). Onderzoekers ontdekten dat droge, aërobe bodems gaven twee keer zoveel koolstofdioxide en methaan vrij na ontdooien dan drassige bodems, anaërobe deden het na ontdooien.

microben, zoals bacteriën en schimmels, zijn een ander belangrijk aandachtspunt van laboratoriumonderzoek. Verschillende studies hebben onderzocht welke van deze kleine organismen het meest voorkomen in permafrost voor en na het ontdooien en vergeleken het verschil tussen microben in verschillende lagen. Uit een door het Office of Science ondersteunde studie bleek dat na slechts 18 maanden opwarming, de ademhaling van de microben die koolstofdioxide produceert, nam toe met 38 procent.

Klimaatmodellen brengen het allemaal samen

Deze veld- en laboratoriumobservaties maken klimaatmodellen nauwkeuriger dan ooit tevoren. In feite, de modellen van de eerste generatie bevatten helemaal geen permafrost.

"Het besef dat de modellen de grootste koolstofpool misten, was een echte drijvende kracht achter wat we sindsdien hebben gedaan, " zei Charlie Koven, een LBNL klimaatmodelleur.

Onderzoekers gebruiken veld- en laboratoriumgegevens om modellen te helpen de echte wereld zo goed mogelijk weer te geven. Om de specificiteit te vergroten, ze voeden gegevens zoals bodemtemperatuur, ontdooisnelheden, en waterbeweging direct in modellen. Om de nauwkeurigheid te testen, onderzoekers voeren het model uit onder bepaalde omstandigheden en vergelijken de resultaten vervolgens met praktijkexperimenten die onder vergelijkbare omstandigheden zijn uitgevoerd.

Door veel van deze gegevens te gebruiken, een klimaatmodel ondersteund door het Office of Science laat zien dat als de klimaatverandering in het huidige tempo doorgaat, tegen het einde van de eeuw zou de helft van 's werelds permafrost kunnen ontdooien.

De volgende uitdaging is om complexe microbiële gegevens te integreren in computermodellen die al miljoenen regels code bevatten.

Of onderzoekers nu sneeuw meten op enkele van de meest wrede plekken op aarde, grond ontdooien in een laboratorium, of het onderzoeken van een computerscherm, elk draagt ​​bij aan ons begrip van de enorme koolstofvoorraden in het Noordpoolgebied.

"[NGEE Arctic] was en is nog steeds een geweldig voorbeeld van hoe de nationale laboratoria kunnen samenwerken, "zei Wullschleger. "Dit soort [aanpak] versnelt de verbetering van klimaatmodellen gewoon echt."