Team optrævler mysterier om kulstoffrigivelse i permafrostjord

Ligesom detektiver, Argonne-forskere studerer spor fra frigivelsen af ​​kulstof i optøende permafrostområder, samle sporene sammen for at skabe detaljerede kort for at forudsige virkningen af ​​stigende globale temperaturer på fremtidige drivhusgasemissioner.

Webster's Dictionary definerer en ond cirkel som "en gensidig årsag og virkning, hvor to eller flere elementer intensiverer og forværrer hinanden, forværre situationen."

Frigivelsen af ​​kulstof fra optøende jord i permafrostområder repræsenterer netop en sådan cyklus.

Permafrostpåvirket jord - hvor underjordiske temperaturer forbliver under frysepunktet i to eller flere på hinanden følgende år - indeholder enorme mængder organisk kulstof, der nedbrydes og kommer ind i atmosfæren. Hastigheden af ​​en sådan frigivelse er accelereret med klimaændringerne, da regionerne hurtigt bliver varmere, og overfladejorden tøs op til større dybder om sommeren. Frigivelse af lagret kulstof som drivhusgasser (f. kuldioxid og metan) ud i atmosfæren forårsager yderligere opvarmning og flere kulstofemissioner.

For at hjælpe med at forstå cyklussen, forskere er nødt til omhyggeligt at undersøge mulighederne for, at disse kulstoflagre kan fremskynde den globale opvarmning ved at måle, hvor meget af drivhusgasserne, der udledes fra nedbrydning af kulstof fra permafrost. Et team af forskere ledet af Julie Jastrow og Roser Matamala, terrestriske økologer ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, bidrager til denne indsats gennem et integreret sæt af forskningstilgange.

Deres arbejde, for nylig udgivet i Videnskabens fremskridt , fokuseret på at kvantificere, hvor meget kulstof der er lagret i permafrost-påvirket jord og, mere specifikt, hvor det opbevares i jordlagene.

Fordi jordbunden rummer mere end to tredjedele af Jordens terrestriske kulstofpulje – mere end dobbelt så stor som mængden af ​​kulstof til stede i atmosfæren – spiller de en væsentlig rolle i det globale kulstofkredsløb. Meget af kulstoffet i jorden er organisk materiale, der dannes, når døde plantematerialer nedbrydes, og mikrobielt affald ophobes over perioder, der spænder fra årtier til tusinder af år.

Holdet brugte big data - en enorm mængde data, der vokser med tiden - og geospatiale analysemetoder til at udvikle de første højopløselige kort over jordens kulstoflagring og distribution i flere dybder for permafrostregioner på den nordlige halvkugle.

Ligesom detektiver, geospatiale analytikere samler og vælger et bjerg af data, der er sorteret geografisk, finde de mest relevante data og bruge visualisering og statistiske teknikker til at identificere og analysere tendenser. Holdet identificerede også hvilke miljøforhold - såsom temperatur, nedbør, topografi eller vegetation - forudsiger bedst jordens kulstofmængder i permafrostområder.

Deres detektivarbejde giver en baseline, der er afgørende for videnskabsmænd, der udvikler jordsystemets modeller, der bruges til at forudsige mængden og typen af ​​drivhusgasemissioner, der frigives, når permafrost-påvirket jord begynder at tø.

Jord i permafrostregioner bevarer mere organisk kulstof end i andre regioner, da organiske overfladematerialer blandes i dybere lag på grund af hyppige frysnings- og optøningscyklusser - en proces kaldet kryoturbation - og gentagen nedgravning af akkumulerede tørveaflejringer af vind- og vandtransporterede sedimenter. Yderligere klimatiske faktorer hjælper med at reducere nedbrydningshastigheder og bevare store lagre af organisk kulstof i disse jordsystemer over lange perioder.

I den forædlede luft til stede på høje breddegrader og højder, hvor de fleste permafrostpåvirkede jorde forekommer, ekstreme klimaer fører til større temperaturstigninger end i andre dele af verden. Permafrosten varmer allerede, optøning og forsvinden fra nogle dele af disse kolde områder, men den progressive hastighed af tab af permafrost, der er forudsagt af fremtidige klimaopvarmningsscenarier, kan frigive betydelige yderligere drivhusgasser til atmosfæren før og efter slutningen af ​​dette århundrede.

Kulstofkortlægningsundersøgelsen - ledet af Umakant Mishra, en geospatial videnskabsmand fra Argonne nu med Sandia National Laboratories – inkluderede også adskillige samarbejdspartnere tilknyttet Permafrost Carbon Network. Dette internationale hold indsamlede data, der kvantificerer kulstof i jordprøver indsamlet fra mere end 2, 500 forskellige steder på tværs af den nordlige cirkumpolare, eller arktisk permafrostområde, og på næsten 200 steder på tværs af det tibetanske plateau - den største permafrostregion i høj højde på lavere breddegrader.

Målinger af jordens organiske kulstof brugt til at producere tidligere cirkumpolære estimater blev kombineret med store mængder af nye jordbundsdata bidraget af forskere fra Canada, Rusland, Sydkorea og Sverige. Dataene var organiseret efter dybde-0 til 1, 1 til 2, og 2 til 3 meter - for at beregne profiler af jordens organiske kulstoflagre på hvert prøvested. Disse samarbejdsbestræbelser øgede stikprøveantallet med 42 % - til 69 % - sammenlignet med tidligere undersøgelser, afhængig af dybde.

Holdet kompilerede derefter nyligt tilgængelige kort i høj opløsning over miljøfaktorer, der påvirker jorddannelsen, og skalerede dem til en ensartet opløsning på 250 kvadratmeter. Korrelerer disse relationer med miljøkortene, de genererede skøn over jordens organiske bestande for både de nordlige cirkumpolære og tibetanske permafrostregioner.

Et vigtigt fund tyder på, at mere kulstof forekommer tættere på overfladen - inden for en meter - end forskere tidligere troede, at gøre mere af regionens kulstof sårbart over for optøning, nedbrydning og frigivelse, når den globale lufttemperatur stiger, potentielt nærer opvarmningscyklussen.

Forskerne fandt ud af, at fordelingen af ​​kulstoflagre i begge permafrostregioner afhænger af komplekse forhold mellem flere miljøfaktorer. Temperatur, nedbør, topografiske egenskaber og vegetationstype var væsentlige forudsigere for kulstoflagre. Analysen pegede også på topografi som en vigtig faktor i forudsigelsesusikkerheder; denne information kan bruges til at prioritere, hvor der er størst behov for yderligere prøver af jordkulstofprofiler.

"Samlet set, dette nye billede af, hvordan de enorme mængder af organisk kulstof, der er lagret i permafrost-påvirket jord, er fordelt over en stor del af verdens koldeste landområder, vil bidrage til at forbedre jordens systemmodellers evne til at forudsige virkningen af ​​stigende globale temperaturer på fremtidige emissioner af drivhuse gasser fra disse hurtigt skiftende områder, " sagde Jastrow.

Studiet, "Rumlig heterogenitet og miljøprædiktorer for permafrostregionens organiske kulstoflagre i jorden, " er offentliggjort i Videnskabens fremskridt .