permafrost, de eeuwig bevroren ondergrond in de noordelijkste regio's van de aarde, verzamelt en bewaart plantaardig en dierlijk materiaal al lang voor de laatste ijstijd. Bij de afbraak van een deel van deze organische stof komt op natuurlijke wijze koolstofdioxide vrij (CO ₂ ) het hele jaar door in de atmosfeer, waar het tijdens de warmere maanden wordt opgenomen door de plantengroei.

Deze regio, het noordelijke permafrostgebied genoemd, is moeilijk te studeren, en experimenten zijn er maar weinig in vergelijking met die op warmere en minder afgelegen locaties. Echter, een nieuwe synthese die datasets bevat die zijn verzameld van meer dan 100 Arctische studielocaties door tientallen instellingen, waaronder het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), suggereert dat naarmate de mondiale temperatuur stijgt, de afbraak van organisch materiaal in permafrostbodems tijdens de wintermaanden kan aanzienlijk groter zijn dan eerder werd gedacht. De nieuwe cijfers duiden op een uitstoot van CO ₂ die de overeenkomstige zomeropname ver overtreft.

Nog belangrijker, bij het modelleren van de koolstofbalans met behulp van de grote verzameling gegevens, vonden de wetenschappers dat de CO ₂ die in de winter door permafrostgrond vrijkomt, zou tegen 2100 met 41 procent kunnen toenemen als de door de mens veroorzaakte uitstoot van broeikasgassen in het huidige tempo aanhoudt.

De studie, gepubliceerd in Natuur Klimaatverandering afgelopen oktober, is de meest uitgebreide studie over dit fenomeen tot nu toe. Het benadrukt de noodzaak van meer onderzoek naar de netto CO . van de permafrostregio ₂ uitstoot, en het toont de aanzienlijke impact aan die deze emissies kunnen hebben op het broeikaseffect en de opwarming van de aarde.

De studie brengt een combinatie van metingen in het veld en laboratoriumstudies - of bodemincubaties - zoals die uitgevoerd in Argonne samen. Om beter te begrijpen hoe toekomstige opwarming CO . kan beïnvloeden ₂ emissies in permafrostgebieden, de wetenschappers van Argonne hebben een verscheidenheid aan permafrostbodems bemonsterd en CO . gecontroleerd ₂ vrijkomen bij een reeks laboratoriumgecontroleerde temperaturen boven en onder het vriespunt die typische Arctische omstandigheden nabootsen. De onderzoekers wilden achterhalen hoe verschillende bodemeigenschappen of andere factoren de afbraaksnelheid en CO . beïnvloeden ₂ vrijkomen uit bevroren en ontdooide bodems - informatie die zou kunnen helpen bij het verbeteren van klimaat- en aardsysteemmodellen.

"Klimaat- en aardsysteemmodellen behandelen deze winterpermafrost CO . vaak ₂ emissies als onbeduidend of zelfs onbestaande, " zei Roser Matamala, een wetenschapper in de Environmental Science-divisie van Argonne en een bijdrage aan het onderzoek. "Maar deze studie met zijn grote hoeveelheid gegevens die zich over meerdere seizoenen uitstrekt, toont aan dat de winterademhaling substantieel en significant is. De studie moet modelbouwers ervan overtuigen dat deze flux van koolstof in de winter naar de atmosfeer niet langer over het hoofd kan worden gezien. Het is niet klein, en daar moet rekening mee worden gehouden."

Het noordelijke permafrostgebied beslaat ongeveer 15 procent van het landoppervlak van de aarde, die zich uitstrekt van de kustlijn van de Noordelijke IJszee tot een groot deel van Alaska, Noord-Canada en Noord-Eurazië. De altijd bevroren grond in deze regio's bevat meer koolstof dan de mens ooit heeft uitgestoten, en ongeveer een derde van de koolstof die in de hele aarde is opgeslagen, bevindt zich in deze regio.

Gedurende de zomer, planten waarvan de wortels in ontdooide grond boven de eeuwig bevroren ondergrond groeien, nemen CO . op ₂ terwijl ze fotosynthetiseren. Tegelijkertijd, microben geven CO . af ₂ in de atmosfeer omdat ze actief organisch bodemmateriaal afbreken. In de winter, wanneer de oppervlaktegrond en de onderliggende permafrost beide bevroren zijn, de snelheid van verval en de hoeveelheid CO ₂ terug naar de atmosfeer aanzienlijk daalt. Nog, een kleine hoeveelheid microbiële activiteit blijft een deel van het organische materiaal in dunne, niet-bevroren waterfilms die bodemdeeltjes omringen, vrijkomen van kleinere hoeveelheden CO ₂ . Voor jaren, deze balans was doorgeslagen in de richting van meer absorptie in plaats van vrijkomen van CO ₂ , maar deze studie geeft aan dat het verlies van CO ₂ van permafrostbodems naar de atmosfeer gedurende het hele jaar is nu groter dan de opname ervan in de zomer.

"Arctische bodems hebben onevenredig grote hoeveelheden organisch materiaal vastgehouden omdat bevroren omstandigheden het microbiële verval van dode plantenwortels en bladeren enorm vertragen, " zei Argonne bodemwetenschapper en studiemedewerker Julie Jastrow. "Maar net zoals voedsel in het vriesvak van een koelkast sneller zal bederven dan in een vrieskist, de temperatuur van seizoensgebonden bevroren bodems en permafrost beïnvloedt de hoeveelheid microbiële activiteit en ontbinding."

Volgens de wetenschappers van Argonne, microbiële activiteit kan exponentieel toenemen als de temperatuur op aarde de permafrost opwarmt tot een niveau net onder het vriespunt. Zelfs voordat de permafrost ontdooit, de versnelling van de microbiële activiteit in permafrostgrond zorgt voor een versnelling van de CO ₂ uitstoot.

Op basis van deze resultaten en opschaling over het noordpoolgebied, de auteurs schatten dat ongeveer 1,7 miljard ton CO ₂ worden vrijgegeven tijdens de huidige winterseizoenen, maar dat in de zomermaanden slechts 1 miljard metrische ton door fotosynthesizers zou worden ingenomen.

Computermodellen toonden ook aan dat als mensen hun eigen emissies zelfs maar minimaal zouden verminderen, winter CO ₂ De uitstoot in de permafrostregio zou tegen 2100 nog steeds met 17 procent toenemen.