Tværs over store dele af den nordlige halvkugles høje områder gemmer den frosne jord på milliarder af tons kulstof.

I takt med at de globale temperaturer stiger, er denne “permafrost”-jord i stigende grad i fare for at tø op og potentielt frigive det kulstof, den længe har gemt, til atmosfæren.

Abrudt permafrostoptøning er et af de hyppigst diskuterede “tipping points”, der kan blive overskredet i en opvarmet verden. Forskning tyder imidlertid på, at selv om denne optøning allerede er i gang, kan den bremses med afbødning af klimaændringerne.

Det, der er irreversibelt, er imidlertid, at det kulstof, der er blevet – og bliver – udledt, undslipper. Det kulstof, der frigives fra permafrosten, går ud i atmosfæren og forbliver der, hvilket forværrer den globale opvarmning.

Kort sagt, det, der sker i Arktis, forbliver ikke i Arktis.

Permafrost og det globale klima

Permafrost er jord, der har været frosset i mindst to år i træk. Dens tykkelse varierer fra mindre end en meter til mere end en kilometer. Typisk ligger den under et “aktivt lag”, der tøer op og fryser op igen hvert år.

Et varmere klima bringer denne flerårigt frosne jord i fare. Når temperaturen stiger, tøer permafrosten op – den smelter ikke.

Der er en simpel analogi: Sammenlign, hvad der sker med en isterning og en frossen kylling, når de tages ud af fryseren. Ved stuetemperatur vil førstnævnte være smeltet og efterlade en lille vandpøl, men kyllingen vil være optøet og efterlade en rå kylling. Til sidst vil kyllingen begynde at gå i opløsning.

Det er præcis, hvad der sker med permafrosten, når temperaturen stiger. En fjerdedel af landmassen på den nordlige halvkugle er dækket af permafrost, der fungerer som Jordens gigantiske fryser og holder enorme mængder organisk materiale frosset.

Global permafrost map, International Permafrost Association. Kilde: Brown, J., O.J. Ferrians, Jr., J.A. Heginbottom, og E.S. Melnikov, eds. 1997. Circum-Arctic map of permafrost and ground-ice conditions. Washington, DC: U.S. Geological Survey in Cooperation with the Circum-Pacific Council for Energy and Mineral Resources. Circum-Pacific Map Series CP-45, skala 1:10.000.000, 1 ark.

Dette organiske materiale omfatter resterne af døde planter, dyr og mikrober, der ophobede sig i jorden og blev frosset til permafrost for tusindvis af år siden.

Permafrost, herunder gamle knogler (venstre billede) og organisk materiale (højre billede) i permafrosttunnelen nær Fox, Alaska. Credit: C. Schädel

De arktiske temperaturer er steget mere end dobbelt så hurtigt som det globale gennemsnit. Det har fået permafrosten til at tø op mange steder og har udløst nyligt vækkede mikrober til at nedbryde det organiske materiale og dermed frigive CO2 eller metan til atmosfæren.

Både gasser er drivhusgasser, men metan er 28-36 gange mere potent end CO2 i løbet af et århundrede. Der er imidlertid mere CO2 end metan i atmosfæren, og metan oxideres til CO2 på tidsskalaer på omkring et årti. Så det er ændringen i atmosfærens CO2-koncentration, der virkelig betyder noget for klimaændringerne på lang sigt.

Kulstoffrigivelse fra permafrost

Så, hvilken rolle vil permafrosten spille for fremtidige kulstofemissioner? Og er der et vendepunkt, der kan udløse hurtig optøning?

Videnskabsfolk anslår, at der er ca. dobbelt så meget kulstof lagret i permafrost, som der cirkulerer i atmosfæren. Det drejer sig om ca. 1460-1600 mia. tons kulstof.

Det meste af det er i øjeblikket frosset og opbevaret, men hvis blot en lille del af det frigives til atmosfæren, vil emissionerne sandsynligvis være store – potentielt af samme størrelsesorden som kulstoffrigivelsen fra andre miljøstrømme, f.eks. skovrydning.

Det ville stadig være omkring en størrelsesorden mindre end emissionerne fra afbrænding af fossile brændstoffer ved udgangen af dette århundrede. Ikke desto mindre fremskynder hvert ekstra CO2- eller metanmolekyle, der tilføres atmosfæren, klimaændringerne og påvirker hele planeten og dens klima.

Med vores nuværende viden er frigivelse af kulstof fra permafrost en gradvis og vedvarende proces, der kontinuerligt tilføjer kulstof til atmosfæren – og dermed forstærker opvarmningen yderligere.

Når det organiske materiale i permafrost nedbrydes og frigiver CO2 og metan, er der ingen mulighed for at få det tilbage. I denne forstand er permafrostens optøning irreversibel – og opfylder dermed en af betingelserne i definitionen af et tipping point.

Den seneste forskning tyder imidlertid på, at hvis temperaturstigningen blev langsommere og stoppede, ville permafrostens optøning også blive langsommere – og potentielt stoppe, hvilket ville begrænse yderligere emissioner. Ikke desto mindre vil det tage noget tid. Permafrostoptøning er lidt ligesom et tungt godstog – når først det er i gang, kan det ikke stoppes med det samme. Og selv efter at man har bremset det, vil det fortsætte med at rulle fremad i et stykke tid. Forskning tyder på, at emissionerne kan fortsætte i årtier til århundreder, selv når permafrostens optøning er blevet langsommere.

Det tyder på, at permafrosten som helhed ikke vil være overgået til en helt ny tilstand – som det er tilfældet med nogle vendepunkter, f.eks. afsmeltningen af Grønlands indlandsis. Som følge heraf ville det være muligt at forhindre yderligere emissioner, hvis den globale opvarmning blev standset.

Men som tingene ser ud nu, er der allerede blevet observeret optøning af permafrosten mange steder i Arktis. Og som det understreges i den nylige særrapport om havet og kryosfæren fra Det Mellemstatslige Panel om Klimaændringer (IPCC), vil opvarmningen i dette århundrede medføre betydelige emissioner fra permafrosten:

“Inden 2100 vil det overfladenære permafrostareal falde med 2-66 % for RCP2.6 og 30-99 % for RCP8.5. Dette kan frigive 10 til 100 gigatons kulstof i form af CO2 og metan til atmosfæren for RCP8.5, med potentiale til at fremskynde klimaændringerne.”

Hvordan man kan tilføje sikkerhed til permafrostkulstoffrigivelsen

Det endelige bidrag fra permafrostkulstof til klimaændringerne afhænger af en række faktorer: Hvor meget af kulstoffet vil f.eks. komme ud som CO2 eller metan, og hvor meget kan planter og træer opveje noget af den ekstra kulstoffrigivelse.

Permafrostnedbrydning kan ske som gradvis optøning fra oven eller som pludseligt kollaps af den optøende jord. Begge processer frigiver kulstof til atmosfæren. Gradvis optøning fra toppen og nedad er resultatet af varmere lufttemperaturer, der får jorden til at tø op fra toppen og nedad, mens pludselig optøning sker pludseligt og uforudsigeligt.

Permafrost kan indeholde op til 80 % is. Hvis isen smelter – husk, at isen smelter, selv om jorden ikke gør det – kollapser jorden pludselig, og dybe lag bliver udsat for lufttemperaturen.

Den kollapserende jordbund kan efterlade landskabet med “termokarst”-søer, der er fyldt med smeltevand, regn og sne. Disse våde forhold kan fremme frigivelsen af den mere potente drivhusgas metan.

Thermokarstlandskab. Credit: A. Balser

I højlandet skaber naturlig dræning tørrere jordbundsforhold efter permafrostens optøning, hvilket fremskynder nedbrydningen af organisk materiale og frigør store mængder CO2. Den endelige virkning af kulstoffrigivelsen fra permafrost vil være stærkere, når en større procentdel af permafrostzonen tørrer ud efter optøning.

Hvilken del af landskabet, der bliver vådere eller tørrere efter optøning, afhænger af fordelingen af isen på jorden, men de nuværende ismålinger er kun sporadiske, og der er et presserende behov for bedre rumlig dækning og mere aktuelle målinger.

En anden vigtig faktor i kulstofbalancen i permafrostzonen er planternes kulstofoptagelse. Spørgsmålet er, hvor meget kulstoffrigivelse fra optøning af permafrost kan opvejes af øget plantevækst? Planter optager kulstof fra atmosfæren og bruger det til at vokse og opretholde deres stofskifte.

Varmere forhold i Arktis og alle de dermed forbundne ændringer stimulerer plantevæksten, hvilket betyder, at noget af det kulstof, der tilføres atmosfæren fra optøning af permafrost, optages ved at sætte skub i plantevæksten. Men det er uklart, hvor meget kulstof der vil blive opvejet af planterne, og det er uklart, hvor vedvarende denne proces er.

En forbedring af modelfremskrivningerne af permafrostkulstoffrigivelsen er afgørende for at bestemme den samlede indvirkning af optøende permafrost på det globale klima. Nylige resultater fra det canadiske Arktis viser, at permafrostens optøning sker meget tidligere, end forskerne forventede på baggrund af de nuværende modelfremskrivninger.

I øjeblikket tager modellerne kun højde for gradvis optøning fra toppen til bunden, men nye skøn viser, at pludselig optøning og kollapsende jordbund kan fordoble kulstoffrigivelsen fra permafrosten. En ting står klart: jo mindre temperaturen stiger i Arktis, jo mere permafrost vil forblive frosset, og jo mere kulstof vil forblive låst i permafrosten.

Methanhydrater

Ofte nævnes den potentielle fare i forbindelse med nedbrydning af metanhydrater, også kendt som “clathrater”, i samme åndedrag som permafrostens optøning. Det er metan “is”, der dannes ved lave temperaturer og højt tryk i marine sedimenter fra kontinentalranden eller i og under permafrost.

Metanhydrater, der er lagret under den østsibiriske arktiske sokkel (East Siberian Arctic Shelf, ESAS), et lavvandet kystområde i den nordlige del af Rusland, er særligt problematiske. Undersøgelser har antydet, at optøende permafrost frigør denne metan og lader den boble op og ud af havvandet. Dette har ført til forskning, der advarer om, at udslip af store mængder metan kan få “katastrofale konsekvenser for klimasystemet”, og til medierne, der rapporterer om en forestående “metantidsbombe”.

I en samtale med Dr. Carolyn Ruppel, chefforsker for US Geological Survey’s Gas Hydrates Project, fortæller hun mig, at metanhydrater fanger omkring en sjettedel af Jordens metankulstof, og at nogle af forekomsterne faktisk kan være ved at blive nedbrudt nu, hvor klimaet bliver varmere. Men, siger hun:

“Hvis den metan, der frigives under nedbrydningen af gashydrater, når ud i havet, vil den for det meste blive forbrugt af bakterier i vandsøjlen og ikke nå ud i atmosfæren. I permafrostområder er nedbrydende gashydrat normalt dybt begravet, så permafrostens optøning er den vigtigere bidragsyder til drivhusgasemissionerne.”

Mens der “kan være en betydelig metanlækage fra arktiske kontinentalsokler i områder med optøende undervands-permafrost”, siger Ruppel, “har undersøgelser vist, at flowhastighederne sandsynligvis er overvurderet, og at den mest sandsynlige kilde til den lækkende metan ikke er optøende gashydrater”. Hun tilføjer:

“Permafrost-associerede hydrater er ikke så udbredte og forekommer ofte dybere end de mere lavvandede metankilder, der lettere kan lække ud i atmosfæren.”

Så den seneste forskning tyder på, at en metanbombe fra optøende hydrater ikke er i sigte. Men for permafrost viser videnskaben, at optøningen allerede er i gang, og at det kulstof, der frigives, allerede vil bidrage til vores opvarmning af klimaet.