Bijna een kwart van het land op het noordelijk halfrond, ter grootte van ongeveer 9 miljoen vierkante mijl, is gelaagd met permafrost-grond, bezinken, en rotsen die jarenlang vastgevroren zijn. Uitgestrekte permafrost zijn te vinden in Alaska, Siberië, en het Canadese Noordpoolgebied, waar aanhoudend vriestemperaturen koolstof hebben vastgehouden, in de vorm van verrotte stukjes planten en dieren, opgesloten in de grond.

Wetenschappers schatten dat meer dan 1 400 gigaton koolstof zit vast in de permafrost van de aarde. Naarmate de mondiale temperatuur stijgt, en permafrost ontdooit, dit bevroren reservoir zou mogelijk in de atmosfeer kunnen ontsnappen als kooldioxide en methaan, klimaatverandering aanzienlijk versterken. Echter, er is weinig bekend over de stabiliteit van permafrost, vandaag of vroeger.

Nu geologen aan het MIT, Bostoncollege, en elders hebben de geschiedenis van de permafrost in de afgelopen 1,5 miljoen jaar gereconstrueerd. De onderzoekers analyseerden grotafzettingen op locaties in het westen van Canada en vonden bewijs dat, tussen 1,5 miljoen en 400, 000 jaar geleden, permafrost was gevoelig voor ontdooien, zelfs op hoge Arctische breedtegraden. Vanaf dat moment, echter, permafrost-dooi is beperkt tot subarctische gebieden.

De resultaten, gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang , suggereren dat de permafrost van de planeet in de afgelopen 400 naar een stabielere toestand is verschoven, 000 jaar, en is sindsdien minder vatbaar voor ontdooien. In deze stabielere toestand, permafrost heeft waarschijnlijk veel van de koolstof vastgehouden die het in die tijd heeft opgebouwd, weinig kans hebben om het geleidelijk los te laten.

"De stabiliteit van de laatste 400, 000 jaar kan zelfs tegen ons werken, in die tijd heeft het ervoor gezorgd dat koolstof zich in de permafrost gestaag heeft opgehoopt. Nu smelten zou kunnen leiden tot aanzienlijk grotere uitstoot van koolstof in de atmosfeer dan in het verleden, " zegt co-auteur van de studie David McGee, universitair hoofddocent bij MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen.

McGee's co-auteurs zijn Ben Hardt en Irit Tal van het MIT; Nicole Biller Celander, Jeremy Shakun, en Corinne Wong aan het Boston College; Alberto Reyes aan de Universiteit van Alberta; Bernard Lauriol aan de Universiteit van Ottawa; en Derek Ford aan de McMaster University.

Gestapelde opwarming

Perioden van opwarming in het verleden worden beschouwd als interglaciale perioden, of tijden tussen wereldwijde ijstijden. Deze geologisch korte vensters kunnen permafrost voldoende opwarmen om te ontdooien. Tekenen van oude permafrostdooi zijn te zien in stalagmieten en andere minerale afzettingen die achterblijven als water door de grond en in grotten stroomt. deze grotten, vooral op hoge Arctische breedtegraden, zijn vaak afgelegen en moeilijk toegankelijk, en als een resultaat, er is weinig bekend over de geschiedenis van permafrost, en de stabiliteit in het verleden in opwarmende klimaten.

Echter, in 2013, onderzoekers van de Universiteit van Oxford konden grotafzettingen van een paar locaties in Siberië bemonsteren; hun analyse suggereerde dat permafrost-dooi wijdverspreid was in Siberië vóór 400, 000 jaar geleden. Vanaf dat moment, de resultaten toonden een sterk verminderd bereik van permafrostdooi.

Shakun en Biller-Celander vroegen zich af of de trend naar een stabielere permafrost wereldwijd was, en probeerde soortgelijke studies in Canada uit te voeren om de permafrostgeschiedenis daar te reconstrueren. Ze sloten zich aan bij baanbrekende grotwetenschappers Lauriol en Ford, die monsters leverden van grotafzettingen die ze in de loop der jaren verzamelden uit drie verschillende permafrostregio's:de zuidelijke Canadese Rockies, Nahanni National Park in de Northwest Territories, en de noordelijke Yukon.

In totaal, het team heeft 74 monsters van speleothemen verkregen, of delen van stalagmieten, stalactieten, en stroomstenen, van ten minste vijf grotten in elke regio, die verschillende grotdiepten vertegenwoordigen, geometrieën, en glaciale geschiedenissen. Elke bemonsterde grot bevond zich op blootgestelde hellingen die waarschijnlijk de eerste delen van het permafrostlandschap waren die door de opwarming ontdooiden.

De monsters werden naar MIT gevlogen, waar McGee en zijn lab precieze geochronologische technieken gebruikten om de leeftijd van de lagen van elk monster te bepalen, elke laag weerspiegelt een periode van permafrostdooi.

"Elke speleothem werd in de loop van de tijd afgezet als gestapelde verkeerskegels, " zegt McGee. "We zijn begonnen met de buitenste, jongste lagen tot nu toe de meest recente tijd dat de permafrost ontdooide."

Arctische verschuiving

McGee en zijn collega's gebruikten technieken van uranium/thorium-geochronologie om de lagen van elk speleothem te dateren. De dateringstechniek is gebaseerd op het natuurlijke vervalproces van uranium tot zijn dochterisotoop, thorium 230, en het feit dat uranium oplosbaar is in water, terwijl thorium dat niet is.

"In de rotsen boven de grot, als wateren doorsijpelen, ze accumuleren uranium en laten thorium achter, McGee legt uit. "Zodra dat water het stalagmietoppervlak bereikt en neerslaat op tijdstip nul, je hebt uranium, en geen thorium. Dan geleidelijk, uranium vervalt en produceert thorium."

Het team boorde kleine hoeveelheden uit elk monster en loste ze op via verschillende chemische stappen om uranium en thorium te isoleren. Daarna lieten ze de twee elementen door een massaspectrometer lopen om hun hoeveelheden te meten, de verhouding die ze gebruikten om de leeftijd van een bepaalde laag te berekenen.

Uit hun analyse blijkt de onderzoekers merkten op dat monsters verzameld uit de Yukon en de meest noordelijke locaties monsters droegen die niet jonger waren dan 400, 000 jaar oud, wat suggereert dat er sindsdien geen permafrost-dooi heeft plaatsgevonden op die locaties.

"Misschien is er een ondiepe dooi geweest, maar in termen van het ontdooien van de hele rots boven de grot, dat is de afgelopen 400 niet gebeurd, 000 jaar, en was vroeger veel gebruikelijker, ' zegt McGee.

De resultaten suggereren dat de permafrost van de aarde vóór 400 veel minder stabiel was, 000 jaar geleden en was meer vatbaar voor ontdooien, zelfs tijdens interglaciale perioden toen de niveaus van temperatuur en atmosferische koolstofdioxide op één lijn lagen met moderne niveaus, zoals ander werk heeft aangetoond.

"Om dit bewijs te zien van een veel minder stabiel Noordpoolgebied vóór 400, 000 jaar geleden, suggereert, zelfs onder vergelijkbare omstandigheden, het noordpoolgebied kan een heel andere plaats zijn, McGee zegt. "Het roept bij mij vragen op over de reden waarom het noordpoolgebied in deze stabielere toestand verschuift. en waardoor het eruit kan verschuiven."