op Bethel, Alaska, muren splijten, huizen storten in, en de hoofdweg ziet eruit als een kinderachtbaan. In de kustplaats Kongiganak, zinkende begraafplaatsen voorkomen dat Alaskanen hun doden in de grond begraven. Het dorp Shishmaref, gelegen op een eiland vijf mijl van het westelijke vasteland van Alaska, zoveel is uitgehold dat het overweegt een totale verhuizing te overwegen. Deze gemeenschappen worden geteisterd door permafrost die aan het ontdooien is.

Permafrost is grond die twee of meer opeenvolgende jaren bevroren blijft. Het is samengesteld uit gesteente, bodem, sedimenten, en variërende hoeveelheden ijs die de elementen aan elkaar binden. Sommige permafrost is al tien- of honderdduizenden jaren bevroren.

Gevonden onder een laag aarde, permafrost kan van drie voet tot 4 zijn, 900 meter dik. Het slaat de op koolstof gebaseerde overblijfselen op van planten en dieren die bevroor voordat ze konden ontbinden. Wetenschappers schatten dat de permafrost van de wereld 1 bevat 500 miljard ton koolstof, bijna het dubbele van de hoeveelheid koolstof die momenteel in de atmosfeer aanwezig is.

Helaas, wanneer permafrost opwarmt en ontdooit, het geeft kooldioxide en methaan af in de atmosfeer. Naarmate de wereldwijde thermostaat stijgt, permafrost, in plaats van koolstof op te slaan, een belangrijke bron van uitstoot van de planeetverwarming zou kunnen worden.

Permafrost is op sommige plaatsen al aan het ontdooien, en als het probleem zich uitbreidt, wetenschappers maken zich zorgen dat het een op hol geslagen proces van opwarming van de aarde kan veroorzaken.

Het opwarmende noordpoolgebied

Permafrost beslaat ongeveer 24 procent van de blootgestelde landmassa van het noordelijk halfrond - ongeveer 9 miljoen vierkante mijl. Het wordt gevonden op hoge breedtegraden en grote hoogten, voornamelijk in Siberië, het Tibetaanse plateau, Alaska, Noord-Canada, Groenland, delen van Scandinavië en Rusland. Het continentaal plat onder de Noordelijke IJszee, die tijdens de laatste ijstijd zijn blootgelegd, bevatten ook permafrost.

Echter, polaire en hooggelegen gebieden zijn enkele van de meest klimaatgevoelige plaatsen op aarde. Het noordpoolgebied warmt twee keer zo snel op als de rest van de planeet, met een snelheid van temperatuurverandering die niet is waargenomen in ten minste de laatste 2, 000 jaar, volgens de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). in 2016, jaargemiddelde oppervlaktetemperaturen waren 3,5 graden Celsius warmer dan aan het begin van de 20e eeuw. Dat jaar, de permafrosttemperaturen in het noordpoolgebied waren de warmste ooit gemeten.

in Alaska, permafrost temperaturen zijn maar liefst 2˚C opgewarmd in de afgelopen decennia. Een recente studie toont aan dat bij elke 1˚C temperatuurstijging, Door ontdooiing kan 1,5 miljoen vierkante mijl permafrost verloren gaan.

Wanneer Permafrost ontdooit

O. Roger Anderson, een bioloog bij het Lamont-Doherty Earth Observatory van het Earth Institute, legde uit waarom permafrost koolstof vrijgeeft als het ontdooit.

De 'actieve laag' aarde bovenop de permafrost, die twee tot drie meter diep kan zijn, ontdooit elke zomer en kan het plantenleven ondersteunen. Deze laag maakt koolstof vrij uit de wortels van planten die CO2 uitademen, en van microben in de bodem. Sommige microben breken de organische stof af tot CO2. anderen, genaamd archaea, in plaats daarvan methaan produceren, wanneer de omstandigheden anaëroob zijn - wanneer de grond verzadigd is met water of er geen zuurstof beschikbaar is. Methaan is 20 tot 30 keer krachtiger dan koolstofdioxide bij het verergeren van de opwarming van de aarde, maar het blijft minder lang in de atmosfeer.

Terwijl de permafrost ontdooit, de actieve laag verdiept zich. De microben worden actief en plantenwortels kunnen verder naar beneden doordringen, waardoor er meer CO2 wordt geproduceerd. De hoeveelheid methaan die wordt gegenereerd, hangt af van hoe verzadigd de grond is.

Wetenschappers kennen de relatieve hoeveelheden kooldioxide- en methaanemissies niet die het gevolg kunnen zijn van grootschalige ontdooiende permafrost, zei Anderson, omdat dit nog nooit is gebeurd in de menselijke geschiedenis. Echter, onderzoek naar de bovenste laag van de toendra (boomloze vlaktes over de permafrost) suggereert dat de gemiddelde uitstoot van kooldioxide ongeveer 50 keer hoger is dan die van methaan.

"En we weten dat voor elke 10 graden Celsius dat de grond opwarmt, de uitstoot van CO2 zal verdubbelen, ' zei Anderson.

Een studie uit 2017 schatte dat als de mondiale temperatuur 1,5˚C boven de 1861 niveaus stijgt, ontdooiende permafrost zou 68 tot 508 gigaton koolstof kunnen vrijgeven. Zonder rekening te houden met menselijke activiteiten, deze koolstof alleen zou de mondiale temperatuur met 0,13 tot 1,69 C tegen 2300 doen stijgen. Aangezien we misschien al 1,5 ˚C opwarming boven het pre-industriële niveau hebben vastgehouden, deze hoeveelheid extra opwarming kan leiden tot catastrofale gevolgen van klimaatverandering.

Hoewel een warmer noordpoolgebied meer planten zou kunnen ondersteunen, en planten nemen koolstofdioxide op via fotosynthese, de nieuwe groei zal naar verwachting slechts ongeveer 20 procent van de koolstofafgifte van de permafrost compenseren.

Wat beschermt permafrost?

Een ding dat permafrost beschermt tegen de gevolgen van klimaatverandering is turf, de gedeeltelijk vervallen vegetatie die zich ophoopt in met water verzadigde omgevingen zonder zuurstof. Gevonden in een groot deel van het lage Noordpoolgebied, veen kan over de gehele actieve laag liggen of deze omsluiten of als permafrost worden ingevroren.

Ben Gaglioti, een postdoctoraal onderzoeker bij Lamont-Doherty Earth Observatory, bestudeerde sedimentrecords in het noorden van Alaska om te bepalen hoeveel koolstof de permafrost vrijgaf als reactie op opwarmingsperioden aan het einde van de laatste ijstijd. Het blijkt dat de permafrost veel gevoeliger was - wat betekent dat er meer koolstof vrijkwam - tijdens eerdere opwarmingsgebeurtenissen, met geleidelijk minder respons in de loop van de tijd. In de laatste 150 jaar van opwarming, er is relatief weinig respons.

"Onze hypothese is dat de ophoping van organisch materiaal of veen in het stroomgebied heeft plaatsgevonden vanwege een relatief warm en stabiel klimaat sinds de ijstijd, "zei Gaglioti. "Dat veen, die begon op te stapelen rond 13, 000 jaar geleden, doet uitstekend werk bij het isoleren van de onderliggende grond tegen dooi, dus we denken dat het de permafrost buffert."

Gaglioti's modellen laten zien dat de gevoeligheid van de onderliggende permafrost sterk afhankelijk is van de dikte van het veen. "Het lot van de onderliggende permafrost berust in zekere zin op de stabiliteit van de veenlaag, " hij zei.

Een onomkeerbare cyclus?

Bosbranden kunnen het veen afpellen en permafrost gevoeliger maken voor klimaatverandering - en naar verwachting zullen ze toenemen in toendragebieden, zei Gaglioti. Warmere en drogere zomers maken de vegetatie brandbaarder. Warmere temperaturen veroorzaken ook meer onweersbuien en blikseminslagen die bosbranden kunnen veroorzaken.

Bij branden komt niet alleen CO2 vrij als ze branden; daarna, de zwartgeblakerde grond absorbeert meer zonnestraling en warmt verder op. En zodra vuur het veen en de vegetatie verwijdert die de grond in de schaduw stellen, het landschap kan te goed gedraineerd worden om het veen te regenereren.

Veel wetenschappers zijn bezorgd dat het ontdooien van permafrost een omslagpunt kan zijn dat een onomkeerbare cyclus in gang zet:wanneer permafrost zijn koolstof afgeeft als CO2 of methaan, het zal de opwarming versnellen, die dan meer permafrost zal doen ontdooien, enzovoort. Er zal niets zijn dat mensen kunnen doen om het te stoppen.

De regio's waar de permafrost het hele jaar door bevroren is, verschuiven al naar het noorden; en in sommige gebieden de toendra bevriest nu later in de herfst, waardoor microben meer tijd hebben om organisch materiaal af te breken en planten te laten ademen.

Gevolgen van ontdooiende permafrost

Als het ijs in de permafrost smelt, de grond wordt onstabiel en kan inzakken, die steen en aardverschuivingen veroorzaken, overstromingen en kusterosie.

In sommige delen van Siberië is de grond 280 voet diep ingestort. De knikkende aarde kan gebouwen beschadigen, wegen, elektriciteitsleidingen en andere infrastructuur.

Het kan ook natuurlijke ecosystemen schaden. Thermokarstmeren - depressies die ontstonden toen het ontdooien van permafrost instortte en gevuld werd met smeltwater - zijn belangrijk voor dieren in het wild en leveren water aan lokale gemeenschappen. Maar als de onderliggende permafrost blijft ontdooien, meren en wetlands kunnen volledig leeglopen, vernietiging van deze biologisch belangrijke hulpbronnen.

Als de sedimenten van aardverschuivingen modderige stromen en meren, ze beïnvloeden het plantenleven aan de basis van de voedselketen en mogelijk alle wezens die ervan afhankelijk zijn. Veranderingen in het landschap kunnen de fok- en migratiepatronen van kariboes veranderen. En terwijl het noordpoolgebied opwarmt, bevers trekken noordwaarts. Hun dammen overspoelen nieuwe gebieden, het creëren van drassige stukken die zorgen voor meer warm water om de permafrost verder te ontdooien.

Bij het ontdooien van permafrost kan meer vrijkomen dan alleen koolstofemissies. in 2016, een jonge jongen stierf en tientallen werden in het ziekenhuis opgenomen nadat ze miltvuur hadden opgelopen op het Yamal-schiereiland in Siberië. Een met miltvuur geïnfecteerd rendierkarkas dat 75 jaar eerder bevroor, werd blootgelegd toen de permafrost ontdooide. Miltvuursporen kwamen in de grond en in het water terecht, en uiteindelijk de voedselvoorziening, de mens besmetten.

Mensen en dieren en hun ziekten zijn al honderden jaren bevroren in de permafrost, maar bacteriën en virussen kunnen honderdduizenden jaren in permafrost overleven - wetenschappers hebben onlangs een 30, 000 jaar oud virus dat amoeben infecteert. Ziekten zoals de Spaanse griep, pokken of de pest die zijn uitgeroeid, kunnen worden bevroren in de permafrost. Terwijl het noordpoolgebied opwarmt, meer activiteit, zoals mijnbouw naar zeldzame aarde of edele metalen, zou ons mogelijk opnieuw met hen in contact kunnen brengen.

Bouwen op permafrost is problematisch, niet alleen omdat de grond onstabiel is, maar omdat de hitte van gebouwen en leidingen zelf permafrost kan opwarmen. Constructies moeten worden gebouwd op houten palen of op dikke grindpads. Water- en rioolleidingen dienen bovengronds te worden gelegd. Sommige Bethelwegen en landingsbanen van luchthavens zijn uitgerust met met vloeistof gevulde pijpen die warmte van de permafrost afvoeren, en het ziekenhuis heeft machines geïnstalleerd die de grond constant gekoeld houden.

In Inuvik, een stad in het noordwesten van Canada, onderzoekers experimenteren met nieuwe soorten palen om gebouwen te stabiliseren, maar een perfecte oplossing hebben ze nog niet gevonden. Ze zeggen dat het moeilijk is om te weten wat het beste werkt, omdat niemand in het noordpoolgebied ooit de snelheid van de permafrostverandering heeft meegemaakt die tegenwoordig plaatsvindt.

Veel vragen blijven

Hoewel het meest recente rapport van het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering erkende dat de permafrost aan het opwarmen is, zijn klimaatmodellen hielden geen rekening met deze emissies bij het maken van klimaatprojecties.

Dat komt omdat uiteindelijk hoeveel de planeet opwarmt door ontdooide permafrost hangt af van hoeveel koolstof er vrijkomt, hoe snel, en of het nu in de vorm van CO2 of methaan is. Maar om dit fenomeen beter te begrijpen en nauwkeurigere klimaatprojecties te kunnen maken, wetenschappers moeten de kwetsbaarheid van permafrost voor ontdooien en de vele gevolgen daarvan voor het noordpoolgebied en de planeet beter kunnen inschatten.

"Wetenschappelijk onderzoek is zo belangrijk om te begrijpen, " zei Anderson. "We kunnen gewoon niet voorspellen op basis van wat al bekend is, omdat we nog nooit eerder in deze mate permafrost hebben ontdooid. Alleen door zorgvuldiger wetenschappelijk onderzoek kunnen we deze vragen beantwoorden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.