Optøning af verdens fryser - optøning af permafrost

Sneklædte tinder rejser sig i én retning; moset tundra breder sig over den anden. Uklare hoveder af langstilkede planter svajer i vinden, blandet med moseblåbær. Dette er Alaskas Eight Mile Lake, hvor den nærmeste by har en befolkning på godt tusind mennesker.

Forskere støttet af Department of Energy's Office of Science besøger her og andre fjerntliggende steder for at undersøge, hvordan permafrost - jord, der er frosset i flere år i træk - optøer. Fordi jord i systemer med høj breddegrad, hvor dette sker, lagrer næsten dobbelt så meget kulstof som hele atmosfæren, at finde ud af optøningsprocessen er afgørende for at modellere terrestriske økosystemer og klima. Forbedring af jordsystemmodeller kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå det sandsynlige omfang og virkningerne af fremtidige klimaændringer.

Jordens fryser

Permafrostens dybe lag fungerer som verdens iskiste, låse organisk materiale som døde planter og dyr væk fra nedbrydning i tusinder af år. De kolde temperaturer og vandlidende jord bremser nedbrydningen til næsten standsning.

Men i dag varmes Arktis op i et tempo, der ikke har fundet sted i de sidste tre millioner år. Stiger med en hastighed dobbelt så hurtigt som resten af ​​Jorden, Arktis gennemsnitstemperatur kan stige med så meget som 14° F mellem 2081 og 2100.

Denne opvarmning kan få permafrost til at tø meget hurtigere og mere omfattende end nogensinde før. Afhængig af hastigheden og omfanget af klimaændringer, Arktis kan miste 30 til 70 procent af sin permafrost i det næste århundrede.

Organisk stof i optøet permafrost kan nedbrydes hurtigt. Som bakterier, svampe, og andre små organismer nedbryder stoffet, de frigiver drivhusgasserne kuldioxid og metan. Hver stigning på 1 grad C (1,8 grader F) i de gennemsnitlige globale temperaturer kan resultere i, at permafrost optøs nok til, at den frigiver et halvt års værdi af menneskeskabte kuldioxidemissioner. Drivhusgasser fra den optøede permafrost ville føre til flere klimaændringer, hvilket så kunne føre til mere optøning af permafrost – en selvforstærkende cyklus.

"Dette er det vigtigste vendepunkt, "sagde Jizhong Zhou, en forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) og professor ved University of Oklahoma.

Et givende samarbejde

Mens forskere forstår, hvorfor permafrost er vigtig, mange spørgsmål forbliver ubesvarede. Selv modeller, der har dybdegående information om land, ocean, og atmosfæriske processer mangler nok detaljer om Arktis.

Det er her felt- og laboratorieforskning kommer ind i billedet. Før 2012, Permafrostforskere og klimamodelbyggere arbejdede normalt hver for sig. Men gennem Next-Generation Ecosystem Experiments Arctic (NGEE Arctic)-projektet, hold fra DOE hovedkvarter, DOE nationale laboratorier, og universiteter samlede felt, laboratorium, og modellering af forskere til at dele deres behov og ekspertise.

"Dette er et niveau af dynamik og interaktioner, som vi bare ikke har haft tidligere, " sagde Stan Wullschleger, NGEE arktisk direktør og forsker ved Oak Ridge National Laboratory. "[Disse samarbejder] giver en meget mere informeret, rigere diskussion om, hvordan felt, laboratorium, og modelleringsforskere kan interagere."

Forskning i et brutalt landskab

At studere permafrost er langt fra nemt. Når temperaturen falder mere end 20 grader under nul, ledninger bliver så sprøde, at et enkelt skub knækker dem. Fordi korte vinterdage gør solpaneler ubrugelige, forskere skal slæbe rundt på batterier i bilstørrelse for at drive deres instrumenter. Men de væsentlige data, som disse undersøgelser giver, gør det hele umagen værd.

En stor type feltundersøgelse giver forskere mulighed for at undersøge, hvordan temperaturen påvirker optøningshastigheden. For at simulere, hvordan et permafrost-økosystem ville reagere på både varmere somre og vintre, forskere skaber økosystem i miniature. For at efterligne sommerforhold, de bruger åbne drivhuse, der opvarmer luften. Til vinterforhold, de sætter hegn op, hvor sne hober sig op, opvarmer jorden som en dyne, der isolerer en seng.

Selvom det ser ud som om sommeren ville påvirke permafrosten mest, det er faktisk vinteropvarmning, der forårsager optøning. En større undersøgelse støttet af Office of Science viste, at selvom sommerforholdene ikke opvarmede jorden, vinteropvarmning øgede jordtemperaturen med 3-5° F. Efter kun tre år, disse ændringer førte til en stigning på 45 procent i respirationen, den proces, der producerer kuldioxid. Der var nogle stigninger i plantevækst og optagelse af kuldioxid, men det var ikke nær nok til at opveje udgivelserne.

Ændringer i vandbevægelsen kan også fremskynde optøningen. I øjeblikket, isskiler udgør en femtedel af det øverste lag af permafrost. Disse iskiler er så grundlæggende for landskabet, at når de smelter, jorden falder faktisk sammen. De resulterende forskydninger kan forbinde trug og søer så meget, at de dræner ud, transformerer økosystemets vandfordeling.

En undersøgelse foretaget af NGEE Arctic fandt ud af, at temperaturstigninger på så lidt som 9°F kan få iskiler til at falde ind inden for 15 til 20 år. Og det behøver ikke at være ændringer i gennemsnitstemperaturen – en usædvanlig varm sommer kan sætte gang i processen.

"Det er en transformation, der ikke let kan fortrydes. Bestemt ikke i vores levetid, " sagde Sue Natali, en permafrostforsker ved Woods Hole Research Center.

Tilbage i laboratoriet

At se landskabets skift er oplysende, men feltarbejde alene kan ikke beskrive de underliggende processer. At bringe prøver tilbage til laboratoriet giver forskere mulighed for at isolere specifikke variabler.

Fordi smeltende iskiler kan forårsage store ændringer i vandfordelingen, det er vigtigt at vide, hvordan nedbrydning kan variere afhængigt af jordens vandstand. En NGEE Arctic -undersøgelse fandt betydelige forskelle mellem nedbrydning i tør jord med ilt (aerob) og vandfyldt jord, der ikke har ilt (anaerob). Forskere fandt ud af, at tør, aerobe jordarter frigiver dobbelt så meget kuldioxid og metan efter optøning end vandtæt, anaerobe dem gjorde efter optøning.

Mikrober, såsom bakterier og svampe, er et andet hovedfokus for laboratorieforskning. Forskellige undersøgelser har undersøgt, hvilke af disse bittesmå organismer, der er mest almindelige i permafrost før og efter optøning og sammenlignet forskellen mellem mikrober i forskellige lag. En undersøgelse understøttet af Office of Science viste, at efter kun 18 måneders opvarmning, mikrobernes respiration, der producerer kuldioxid, steg med 38 procent.

Klimamodeller bringer det hele sammen

Disse felt- og laboratorieobservationer gør klimamodeller mere nøjagtige end nogensinde før. Faktisk, de første generations modeller inkluderede slet ikke permafrost.

"Erkendelsen af, at modellerne manglede den største enkeltpulje af kulstof, var en reel drivkraft for, hvad vi har gjort siden da, " sagde Charlie Koven, en LBNL klimamodeller.

Forskere bruger felt- og laboratoriedata til at hjælpe modeller med at afspejle den virkelige verden så tæt som muligt. For at øge specificiteten, de leverer data såsom jordtemperatur, hastigheder for optøning, og vandbevægelse direkte ind i modeller. For at teste nøjagtigheden, forskere kører modellen med visse betingelser og sammenligner derefter resultaterne med eksperimenter i den virkelige verden udført under sammenlignelige forhold.

Ved at bruge meget af disse data, en klimamodel støttet af Office of Science viser, at hvis klimaforandringerne fortsætter med den nuværende hastighed, halvdelen af ​​verdens permafrost kunne tø op i slutningen af ​​århundredet.

Den næste udfordring er at integrere komplekse mikrobielle data i computermodeller, der allerede har millioner af linjer kode.

Hvorvidt forskere måler sne nogle af de mest brutale steder på Jorden, optøende jord i et laboratorium, eller undersøge en computerskærm, hver bidrager til vores forståelse af Arktis store kulstoflagre.

"[NGEE Arctic] var og er fortsat et godt eksempel på, hvordan de nationale laboratorier kan interagere, " sagde Wullschleger. "Denne form for en [tilgang] fremskynder bare virkelig forbedring af klimamodeller."