Net als rechercheurs, Wetenschappers van Argonne bestuderen aanwijzingen van het vrijkomen van koolstof in ontdooiende permafrostgebieden, de aanwijzingen samenvoegen om gedetailleerde kaarten te maken om de impact van stijgende mondiale temperaturen op de toekomstige uitstoot van broeikasgassen te voorspellen.

Webster's Dictionary definieert een vicieuze cirkel als "een wederzijdse oorzaak en gevolg waarin twee of meer elementen elkaar versterken en verergeren, verslechtering van de situatie."

Het vrijkomen van koolstof uit ontdooiende bodems in permafrostgebieden vertegenwoordigt zo'n cyclus.

Door permafrost aangetaste bodems - waar de temperaturen onder het vriespunt twee of meer opeenvolgende jaren onder het vriespunt blijven - bevatten enorme hoeveelheden organische koolstof die uiteenvalt en in de atmosfeer terechtkomt. De snelheid van een dergelijke afgifte is versneld met de klimaatverandering, aangezien de regio's snel warmer worden en de oppervlaktebodems in de zomer tot grotere diepten ontdooien. Het vrijkomen van opgeslagen koolstof als broeikasgas (bijv. koolstofdioxide en methaan) in de atmosfeer veroorzaakt verdere opwarming en meer koolstofemissies.

Om de cyclus te begrijpen, wetenschappers moeten het potentieel van deze koolstofvoorraden om de opwarming van de aarde te versnellen zorgvuldig onderzoeken door te meten hoeveel van de broeikasgassen worden uitgestoten door de ontbindende permafrost-koolstof. Een team van onderzoekers onder leiding van Julie Jastrow en Roser Matamala, terrestrische ecologen van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), draagt ​​hieraan bij door middel van een geïntegreerde reeks onderzoeksbenaderingen.

Hun werk, onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , gericht op het kwantificeren van hoeveel koolstof is opgeslagen in door permafrost aangetaste bodems en, specifieker, waar het in de bodemlagen wordt opgeslagen.

Omdat de bodem meer dan tweederde van de terrestrische koolstofpool van de aarde bevat - meer dan twee keer de hoeveelheid koolstof die in de atmosfeer aanwezig is - spelen ze een belangrijke rol in de wereldwijde koolstofcyclus. Een groot deel van de koolstof in de bodem is organisch materiaal dat wordt gevormd als dode plantenmaterialen ontleden en microbieel afval zich ophoopt over perioden van tientallen tot duizenden jaren.

Het team gebruikte big data - een enorme hoeveelheid gegevens die met de tijd groeit - en geospatiale analysemethoden om de eerste kaarten met hoge resolutie te ontwikkelen van koolstofopslag en -verdeling in de bodem op meerdere diepten voor permafrostregio's op het noordelijk halfrond.

Net als rechercheurs, geospatiale analisten verzamelen en doorzoeken een berg gegevens die geografisch zijn gesorteerd, het vinden van de meest relevante gegevens en het gebruik van visualisatie- en statistische technieken om trends te identificeren en te analyseren. Het team identificeerde ook welke omgevingsomstandigheden, zoals temperatuur, neerslag, topografie of vegetatie:voorspel de hoeveelheid koolstof in de bodem in permafrostregio's het best.

Hun speurwerk biedt een basis die van cruciaal belang is voor wetenschappers die de modellen van het aardsysteem ontwikkelen die worden gebruikt om de hoeveelheid en het type broeikasgasemissies te voorspellen die vrijkomen wanneer door permafrost aangetaste bodems beginnen te ontdooien.

Bodems in permafrostregio's houden meer organische koolstof vast dan in andere regio's, omdat organische oppervlaktematerialen zich vermengen tot diepere lagen als gevolg van frequente bevriezings- en ontdooicycli - een proces dat cryoturbatie wordt genoemd - en herhaalde begraving van opgehoopte turfafzettingen door wind- en watergetransporteerde sedimenten. Bijkomende klimatologische factoren helpen de afbraaksnelheid te verminderen en grote voorraden organische koolstof in deze bodemsystemen gedurende lange perioden te behouden.

In de ijle lucht die aanwezig is op hoge breedtegraden en hoogten, waar de meeste door permafrost aangetaste bodems voorkomen, klimaatextremen leiden tot grotere temperatuurstijgingen dan in andere delen van de wereld. Permafrost warmt al op, ontdooien en verdwijnen uit sommige delen van deze koude streken, maar het progressieve tempo van het verlies van permafrost, voorspeld door toekomstige klimaatopwarmingsscenario's, zou voor en na het einde van deze eeuw aanzienlijke extra broeikasgassen in de atmosfeer kunnen vrijgeven.

De studie naar koolstofkartering, geleid door Umakant Mishra, een geospatiale wetenschapper uit Argonne, nu bij Sandia National Laboratories - omvatte ook tal van medewerkers die verbonden waren aan het Permafrost Carbon Network. Dit internationale team heeft gegevens verzameld over het kwantificeren van koolstof in bodemmonsters van meer dan 2, 500 verschillende locaties in de noordelijke circumpolaire, of Arctische permafrostregio, en op bijna 200 locaties op het Tibetaanse plateau - het grootste permafrostgebied op grote hoogte op lagere breedtegraden.

Metingen van organische koolstof in de bodem die werden gebruikt om eerdere circumpolaire schattingen te maken, werden gecombineerd met grote hoeveelheden nieuwe bodemgegevens die werden bijgedragen door wetenschappers uit Canada, Rusland, Zuid Korea en Zweden. De gegevens waren geordend op diepte - 0 tot 1, 1 tot 2, en 2 tot 3 meter - om profielen van organische koolstofvoorraden in de bodem op elke bemonsterde locatie te berekenen. Deze gezamenlijke inspanningen verhoogden het aantal steekproeven met 42% - tot 69% - in vergelijking met eerdere onderzoeken, afhankelijk van de diepte.

Het team stelde vervolgens nieuw beschikbare kaarten met hoge resolutie samen van omgevingsfactoren die de bodemvorming beïnvloeden en schaalde deze op tot een uniforme resolutie van 250 vierkante meter. Door deze relaties te correleren met de omgevingskaarten, ze genereerden schattingen van de organische bodemvoorraden voor zowel de noordelijke circumpolaire als Tibetaanse permafrostregio's.

Een belangrijke bevinding suggereert dat er dichter bij het oppervlak - binnen een meter - meer koolstof voorkomt dan wetenschappers eerder dachten, meer van de koolstof in de regio kwetsbaar maken voor ontdooien, ontleding en vrijkomen als de mondiale luchttemperaturen stijgen, mogelijk de opwarmingscyclus voeden.

De onderzoekers ontdekten dat de verdeling van koolstofvoorraden in beide permafrostregio's afhangt van complexe relaties tussen meerdere omgevingsfactoren. Temperatuur, neerslag, topografische eigenschappen en vegetatietype waren significante voorspellers van koolstofvoorraden. De analyse wees ook op topografie als een belangrijke factor in voorspellingsonzekerheden; deze informatie kan worden gebruikt om prioriteiten te stellen waar aanvullende monsters van bodemkoolstofprofielen het meest nodig zijn.

"Algemeen, dit nieuwe beeld van hoe de enorme hoeveelheden organische koolstof die zijn opgeslagen in door permafrost aangetaste bodems zijn verdeeld over veel van 's werelds koudste landgebieden, zal helpen om het vermogen van aardse systeemmodellen te verbeteren om de impact van stijgende mondiale temperaturen op toekomstige emissies van broeikasgassen te voorspellen gassen uit deze snel veranderende regio's, ' zei Jastrow.

De studie, "Ruimtelijke heterogeniteit en omgevingsvoorspellers van organische koolstofvoorraden in de bodem in de permafrostregio, " is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .