Permafrost en klimaatverandering: Modellen voorspellen de reactie van de Arctis op wereldwijde opwarming

Kustpermafrost op Muostakh Island, Siberië. Het Arctische gebied verwarmt zich bijzonder snel als gevolg van de opwarming van de aarde, met ernstige gevolgen. Het wijdverspreide permafrost in deze regio, waar de bodems momenteel twee keer zoveel koolstof opslaan als de atmosfeer, begint te ontdooien. Wetenschappers gebruiken steeds gedetailleerdere klimaatmodellen om te onderzoeken wat dit betekent voor het wereldklimaat en welke opmerkelijke terugkoppelingen in overweging moeten worden genomen.

In 1827 probeerde de Russische koopman Fyodor Shergin een put te graven in de achtertuin van zijn huis in Jakutsk, Siberië. Maar in plaats van vloeibaar water vond hij alleen maar bevroren grond. Shergin gaf op op een diepte van 15 meter. Enkele jaren later raakten wetenschappers geïnteresseerd en overtuigden ze Shergin om door te graven. Na tien jaar had de mijn zijn huidige diepte van 116 meter bereikt, en Jakutsk werd bekend als de wieg van de permafrostwetenschap.

Permanente bevroren grond, of permafrost, is een overblijfsel uit de laatste ijstijden. De temperatuur van deze bodems ligt gedurende minstens twee aaneengeschakelde jaren onder het vriespunt—ongeacht of ze bestaan uit veen, grove of fijne stenen, of ze al dan niet ijs bevatten. Het meeste permafrost bevindt zich op het noordelijk halfrond, waar het ongeveer een kwart van het landoppervlak bedekt, voornamelijk ten noorden van de Arctic Circle.

Op de oppervlakte van de permafrost ligt de zogenaamde actieve laag, die in de zomer ontdooit en planten laat groeien: graslanden, bossen of moerassen met vijvers en meren. In sommige gebieden lijkt het landschap op een mozaïek, alsof talloze polygonen met veel zorg zijn samengevoegd. Deze structuur ontstaat tijdens de koude Arctische winter, wanneer de bevroren grond samentrekt en barst. Deze scheuren vullen zich met smeltwater in de lente, dat vervolgens bevriest en ijswiggen vormt, wat het fascinerende geometrische patroon op de oppervlakte creëert.

Van de ijstijden naar de globale opwarming Deze landschappen veranderen: Metingen tonen aan dat het Arctische gebied in de afgelopen decennia aanzienlijk sneller is opgewarmd dan de aarde gemiddeld. Als gevolg daarvan begint de permafrost tot diepere lagen te ontdooien. De gevolgen omvatten verzakking en erosie.

Veel meren verdwijnen omdat het water nu kan afvloeien, terwijl nieuwe vijvers ontstaan in de depressies die zijn achtergelaten door de zakkende grond, en andere samensmelten tot meren omdat het beperkende ijs ontbreekt. Het landschap, doorkruist door waterlichamen en verzakkende permafrost, staat onder experts bekend als Thermokarst—het eerste deel van het woord beschrijft de oorzaak, het tweede de gekartelde verschijning van deze structuren.

Het ontdooien van de permafrost verandert niet alleen het aangezicht van de Arctic, maar heeft ook invloed op het wereldklimaat. Dit komt omdat permafrost enorme hoeveelheden koolstof opslaat—de bodems in de permafrostregio bevatten ongeveer twee keer zoveel als de atmosfeer. Het is vastgelegd in de vorm van dode planten, waarvan de afbraak wordt voorkomen door de lage temperaturen en de lage zuurstofniveaus.

Wanneer de permafrost ontdooit, beginnen micro-organismen het materiaal af te breken. Dit produceert broeikasgassen: koolstofdioxide (CO2) of methaan, dat ongeveer 28 keer de opwarmende werking van CO2 heeft op een tijdshorizon van 100 jaar. Deze gassen ontsnappen ook uit de vijvers en meren, waar veel koolstof eveneens wordt afgebroken.

Klimaatonderzoekers proberen daarom te begrijpen hoe de Arctic zal reageren op stijgende temperaturen: Zal het zijn grote koolstofvoorraden in de atmosfeer vrijgeven, en zo ja, wanneer en in welke vorm? Aan het Max Planck Instituut voor Meteorologie (MPI-M) onderzoeken onderzoekers de processen in de Arctic.

Victor Brovkin, geboren en getogen in Jakutsk, niet ver van Shergin’s mijn, leidt de werkgroep “Klimaat-Biosfeer interacties” aan het MPI-M en is medevoorzitter van de werkgroep “Koolstofdynamiek in de Arctic” van de Cluster of Excellence Climate, Climatic Change and Society (CLICCS) aan de Universiteit van Hamburg. Het laatste werk van zijn groep is gepubliceerd in Geophysical Research Letters, Nature Climate Change, en Environmental Research Letters.

Droger of natter: Beide hebben gevolgen Tot voor kort maakten onderzoekers zich zorgen over de vraag of de koolstof die in de bodem is opgeslagen, zal ontsnappen in de vorm van CO2 of in de vorm van methaan, dat een nog sterker opwarmend potentieel heeft. Het antwoord hangt onder andere af van de vraag of de Arctic in de toekomst natter of droger wordt. Dit komt omdat in droge bodems, micro-organismen plantaardig materiaal afbreken met behulp van zuurstof, waardoor CO2 wordt geproduceerd. In door water verzaagde bodems daarentegen is zuurstof zeldzaam of afwezig, zodat methaan wordt geproduceerd wanneer het organische materiaal afbreekt.

Het is echter nog niet duidelijk of de Arctic droger of natter wordt. Simulaties met Aardse systeem modellen (ESM’s) tonen een toenemende neerslag voor deze regio in de toekomst—wat kan leiden tot nattere omstandigheden aan de oppervlakte en kan helpen de hoge dichtheid van oppervlaktewaterlichamen en gebieden met door water verzaagde bodems te behouden.

Toch zijn er ook argumenten voor een toekomstige uitdroging van permafrostlandschappen. Volgens deze theorie zou het ontdooien van de permafrost de grondwaterstand verlagen en het gemakkelijker maken voor water om weg te vloeien, waardoor de bodem op de lange termijn uitdroogt.

Onderzoekers van MPI-M, waaronder Philipp de Vrese, gebruikten het gekoppelde klimaatmodel MPI-ESM om te laten zien wat dit zou kunnen betekenen voor methaanemissies in de Arctic. Volgens hun bevindingen zou in een nattere Arctic met een uitgebreide moerasbedekking op sommige plaatsen meer methaan worden uitgestoten—maar niet overal. Dit komt omdat de verdamping van water uit de vochtige bodems het landoppervlak koelt, wat de plantproductiviteit en methaanproductie remt.

Omgekeerd resulteert minder bodemvocht in minder wolken. Als gevolg hiervan bereikt meer zonnestraling het landoppervlak, wat de lokale opwarming versterkt. De plantengroei wordt gestimuleerd en er komt meer substraat beschikbaar voor de micro-organismen, wat de methaanproductie verhoogt. CLICCS-wetenschappers hebben onlangs aangetoond dat dit ook de reden is voor stijgende methaanemissies van vijvers. Daarom is de eenvoudige logica dat methaanfluxen toenemen in een natte Arctic en afnemen in een droge Arctic niet noodzakelijk correct.

Begrijpen van de wereldwijde effecten Wat dit alles betekent voor het wereldklimaat kan alleen worden begrepen als, naast de koolstofcyclus, ook directe interacties met de atmosfeer in overweging worden genomen: Als de bewolking boven de Arctic daadwerkelijk zou afnemen en als de hoge breedtegraden zouden opwarmen, zou het temperatuurverschil tussen de tropen en de Arctic afnemen.

Volgens de simulaties zou dit de neerslagpatronen nabij de evenaar kunnen beïnvloeden, en daarmee de methaanemissies uit tropische moerassen. Deze zijn vandaag de grootste natuurlijke bron van methaan en zouden in de toekomst zelfs nog meer in de atmosfeer kunnen afgeven.

“Het is werkelijk verbazingwekkend dat een ruimtelijk beperkt proces zulke vergaande gevolgen zou hebben,” zegt Philipp de Vrese. De wetenschappers danken hun modellen dat deze gevolgen zijn onthuld. “Aardse systeemmodellering biedt antwoorden op wereldwijde vragen. Het stelt ons in staat verschillende scenario’s te vergelijken en vooruitzichten voor de toekomst te maken,” zegt groepsleider Victor Brovkin.

Modelvorming heeft ook de toekomstige evolutie van de erosie van kustpermafrost aan het licht gebracht, zoals werk gedaan in de MPI-M werkgroep “Ocean Biogeochemistry” laat zien: Aan de Arctische kust verwijderen golven en stijgende temperaturen materiaal van de ontdooiende permafrost—momenteel ongeveer een halve meter kustterugtrekking per jaar, wat volgens berekeningen waarschijnlijk zal verdubbelen of verdrievoudigen tegen het einde van de eeuw.

Dit bedreigt niet alleen kustgemeenschappen, maar heeft ook een verdere impact op de koolstofcyclus in de oceaan: De koolstof die in het geërodeerde materiaal zit, komt in de oceaan terecht, waar deze wordt afgebroken. Hierdoor neemt het CO2-gehalte in het oceaanoppervlak toe, wat de opname van CO2 uit de atmosfeer door de oceaan vertraagt.

“De Arctische Oceaan absorbeert relatief grote hoeveelheden CO2 in verhouding tot zijn grootte,” zegt CLICCS-klimaatonderzoeker David Nielsen. “Maar aardse systeem modellen hebben dit koolstofputje nog niet goed kunnen simuleren.” Als de impact van de erosie van kustpermafrost wordt meegenomen, zou de binnen-Arctische Oceaan tussen de negen en negentien procent minder CO2 kunnen absorberen. Het toenemende CO2-gehalte in het zeewater door erosie maakt de oceaan ook zuurder, wat de gezondheid van mariene ecosystemen bedreigt.

Uitdagingen voor modellering Of, wanneer en in welke vorm de Arctic zijn grote koolstofvoorraden in de atmosfeer zal vrijgeven, en welke effecten dit zal hebben, zijn daarom complexe vragen die alleen kunnen worden begrepen met Aardse systeem modellen. Maar: “Er is momenteel een kloof tussen de ruimtelijke schaal waarop de relevante processen zich voordoen en de resolutie van de Aardse systeem modellen,” zegt Victor Brovkin.

Dit komt omdat in modellen het raster dat over het aardoppervlak is geplaatst, en dus de gesimuleerde variabelen, zoals temperatuur, neerslag of koolstoffluxen, op een kilometer tot 100-km schaal zijn. Veel relevante landschapskenmerken zijn echter heterogeen op veel fijnere, soms meterschaal.

Om rekening te houden met de rijke diversiteit van Arctische omgevingen, heeft het MPI-M samengewerkt met het Max Planck Instituut voor Biogeochemie in Jena en het Oostenrijkse bedrijf b.geos in het “Q-Arctic” project. Het team verzamelt observatiedata op locaties en via satellieten om relevante landschapskenmerken te identificeren.

Tegelijkertijd werken ze aan manieren om deze informatie te gebruiken in het ICON Aardse systeem model: Kenmerkende landschapskenmerken kunnen binnen elk rasterelement worden gedefinieerd, op basis van topografie, bodemkenmerken en vegetatieverdeling. Dit stelt het model bijvoorbeeld in staat om te bepalen welk percentage van een rastercel is bedekt met moerassen onder het gesimuleerde klimaat. De eerste resultaten die met deze aanpak zijn verkregen, zijn veelbelovend: de weergave van kleinschalige oppervlaktewaterlichamen en door water verzaagde bodems in de rastercel verbetert al de modelresultaten.

Maar net als Shergin ooit deed, zijn wetenschappers nog steeds op zoek naar diepte. De aanpak om heterogeniteit op sub-gridniveau te behandelen is momenteel beperkt tot de fysieke processen op en onder het landoppervlak. De volgende stap is om de biogeochemische en biofysische processen op hetzelfde detailniveau weer te geven.

Tot nu toe is veel van het onderzoek naar de permafrostregio gericht geweest op de koolstofemissies van ontdooiende bodems. Met hun onderzoek beoogt Brovkin’s groep deze focus te verbreden en daarmee hun begrip te verdiepen van hoe biogeochemische en biofysische terugkoppelingen in permafrostlandschappen samenwerken om het klimaat van de aarde te beïnvloeden.