Wetenschap
Het opwarmende klimaat zorgt ervoor dat er meer metalen in de bergstromen van Colorado terechtkomen
De opwarmende temperaturen veroorzaken een gestage stijging van koper, zink en sulfaat in de wateren van de bergstromen in Colorado, die zijn aangetast door de drainage van zure rotsen. De concentraties van deze metalen zijn de afgelopen dertig jaar grofweg verdubbeld in deze bergstromen, zo blijkt uit een nieuwe studie. Dit geeft aanleiding tot zorg voor ecosystemen, stroomafwaartse waterkwaliteit en mijnbouwsanering.
Natuurlijke chemische verwering van gesteente is de bron van de stijgende zuurgraad en metalen, maar de ultieme aanjager van deze trend is klimaatverandering, zo blijkt uit het rapport.
"Zware metalen vormen een echte uitdaging voor ecosystemen", zegt hoofdauteur Andrew Manning, een geoloog bij de US Geological Survey in Denver. "Sommige zijn behoorlijk giftig. We zien regionale, statistisch significante trends in koper en zink, twee belangrijke metalen die vaak een probleem vormen in Colorado. Het is niet dubbelzinnig en niet klein."
Het onderzoek is gepubliceerd in Water Resources Research .
Hoewel het mechanisme dat opwarmingstemperaturen koppelt aan verhoogde sulfideverwering nog steeds een open onderzoeksvraag is, wijzen de nieuwe resultaten op blootstelling van gesteente dat ooit door ijs was afgesloten als topverdachte, zei Manning. De plotselinge verschijning van ‘roestende Arctische rivieren’ die de afgelopen jaren uit gebieden met ontdooiende permafrost stromen, is waarschijnlijk hetzelfde proces, maar dan vergroot.
Colorado is bezaaid met stukken gesteente die rijk zijn aan metaalsulfiden. Glanzend ijzersulfide, bij veel Coloradans bekend als dwazengoud of pyriet, is de meest voorkomende van deze sulfidemineralen, maar koper, zink en andere metaalsulfiden komen ook vaak voor.
Blootstelling aan lucht oxideert de metaalsulfiden in het gesteente, waardoor de metalen vrijkomen in het grondwater, dat in oppervlaktestromen stroomt. Roestige rode afzettingen in stroombeddingen zijn opvallende tekenen van ijzersulfide-oxidatie. Sulfiden verzuren ook het water, wat de verwering kan versnellen. Sommige bemonsterde alpenstromen bleken een pH van slechts 3 of 4 te hebben.
Het onderzoek was gebaseerd op 40 jaar aan waterchemiegegevens, waarbij in 2021 op alle locaties eindmonsters werden genomen van 22 bovenloopstromen in 17 stroomgebieden die van nature zuur en metaalrijk genoeg zijn om waterplanten en -dieren te beperken. De bemonsteringslocaties bevonden zich op een hoogte van meer dan 3.000 meter (10.000 voet) en omvatten een mix van ongerepte, onaangeroerde gebieden en plaatsen die historisch waren gedolven maar 50 tot 100 jaar met rust waren gelaten.
"Het belangrijkste punt is dat er geen recente mijnbouw- of saneringswerkzaamheden zijn uitgevoerd", zei Manning. "Deze stroomgebieden hebben daar gewoon gestaan en reageerden op niets anders dan het klimaat."
Opwarmende, uitdrogende bergen
Bergstromen werden bemonsterd van half juli tot november, gedurende de late zomer- en herfstperioden met laag water. Uit langetermijnregistraties van het stroomvolume van nabijgelegen stroommeters blijkt dat de stroomstromen zijn afgenomen door de opwarmende temperaturen en kleinere sneeuwpakketten, wat erop wijst dat kleinere watervolumes de hogere metaalconcentraties zouden kunnen verklaren.
Maar Manning en zijn collega's ontdekten dat minder water slechts de helft van het waargenomen effect kon verklaren. Om de concentraties te bereiken die ze zagen, moesten de bergen metalen en sulfaat sneller in de rivieren brengen.
Naarmate deze metaalrijke bergstromen uitmonden in grotere rivieren, wordt het effect van de extra metaalbelasting verdund, aldus de onderzoekers.
"Ik denk niet dat dit een grote rode vlag is voor grote stedelijke gebruikers of landbouwgebruikers ver stroomafwaarts op lagere hoogten," zei Manning, "maar sommige van onze berggemeenschappen halen hun water slechts op korte afstand van deze gemineraliseerde stromen." Om het risico voor de waterkwaliteit te helpen beperken, zouden managers kunnen profiteren van geavanceerde kennis van welke metalen de stroom binnenkomen en waar en hoe snel ze toenemen, aldus Manning.
Meer metalen en zuurgraad in deze bergstromen kunnen ook van invloed zijn op beslissingen over waar beperkte middelen moeten worden geïnvesteerd in het herstel van de rivieren die door historische mijnbouw zijn veranderd en waar visvoorraden moeten worden opgeslagen ten behoeve van het toerisme.
Lokaal geval, globaal patroon
De stroomgebieden van Colorado zijn een dramatisch geval vanwege de ongebruikelijke overvloed aan metaalsulfiden in het gesteente, zei Manning, maar wetenschappers observeren subtieler stijgende sulfaatconcentraties in bergstromen over de hele wereld. De nieuwe studie is de eerste die versnelde sulfideverwering op grote schaal in een hele regio statistisch in verband brengt met stijgende temperaturen.
Uit het onderzoek bleek dat de grootste winst in metaalbelastingen in de hoogste en koudste bergstromen werd gevonden. Manning zei dat dit patroon wijst op het ontdooien van ondergronds ijs. De hoogste hoogten van Colorado hebben jaarlijkse gemiddelde temperaturen van bijna nul graden Celsius (32 graden Fahrenheit), waardoor ze precies aan de grensvoorwaarden voor permafrost voldoen. Sommige pieken zijn sinds 1980 boven de vriesgrens opgewarmd.
"IJs is als een pantser. Smelt het en je creëert vensters waardoor grondwater in gesteente kan dringen dat al duizenden jaren geen water en zuurstof heeft gezien, en het zal vrij snel beginnen te oxideren", zei Manning.
Andere mogelijke mechanismen zijn vallende grondwaterstanden, waardoor vers gesteente aan de lucht wordt blootgesteld en smeltende rotsgletsjers, waardoor plekken met geconcentreerde metalen vrijkomen die in het ijs zijn opgeslagen. Wetlands verzamelen metalen en kunnen een uitbarsting veroorzaken als het water terugkeert na droge periodes.
De studie vond geen verband tussen de mate van stijgende metaalconcentraties en de aanwezigheid van wetlands, rotsgletsjers of factoren die verband houden met dalende grondwaterstanden, hoewel deze in andere regio's een rol zouden kunnen spelen. Maar al deze mogelijke mechanismen zijn gevolgen van klimaatverandering.
"Er is gewoon geen andere logische verklaring dan dat dit een veranderend klimaatsignaal is", zei Manning. "Niets anders zou al deze stroomgebieden universeel kunnen bereiken."