Over uitgestrekte delen van de hoger gelegen delen van het noordelijk halfrond houdt bevroren grond miljarden tonnen koolstof vast.

Naarmate de temperatuur wereldwijd stijgt, neemt het risico toe dat deze “permafrost” ontdooit, waardoor de koolstof die er al zo lang ligt opgeslagen in de atmosfeer terecht kan komen.

De plotselinge dooi van de permafrost is een van de meest besproken “omslagpunten” die in een opwarmende wereld zouden kunnen worden overschreden. Onderzoek suggereert echter dat, hoewel deze dooi al aan de gang is, deze kan worden vertraagd door de klimaatverandering te beperken.

Wat echter onomkeerbaar is, is het ontsnappen van de koolstof die is – en wordt – uitgestoten. De koolstof die uit de permafrost vrijkomt, komt in de atmosfeer terecht en blijft daar, waardoor de opwarming van de aarde wordt verergerd.

Kortom, wat in het noordpoolgebied gebeurt, blijft niet in het noordpoolgebied.

Permafrost en het wereldklimaat

Permafrost is grond die gedurende ten minste twee opeenvolgende jaren bevroren is geweest. De dikte varieert van minder dan een meter tot meer dan een kilometer. Doorgaans bevindt het zich onder een “actieve laag” die elk jaar ontdooit en opnieuw bevriest.

Een opwarmend klimaat brengt deze eeuwig bevroren grond in gevaar. Als de temperatuur stijgt, ontdooit de permafrost – hij smelt niet.

Er is een eenvoudige analogie: vergelijk wat er gebeurt met een ijsblokje en een bevroren kip als ze uit de vriezer worden gehaald. Bij kamertemperatuur zal het ijsblokje gesmolten zijn en een plasje water achterlaten, maar de kip zal ontdooid zijn en een rauwe kip achterlaten. Uiteindelijk zal die kip beginnen te ontbinden.

Dit is precies wat er gebeurt met permafrost wanneer de temperaturen stijgen. Een kwart van de landmassa op het noordelijk halfrond is bedekt met permafrost, dat fungeert als de gigantische vriezer van de aarde en enorme hoeveelheden organisch materiaal bevroren houdt.

Globale permafrostkaart, International Permafrost Association. Credit: Brown, J., O.J. Ferrians, Jr., J.A. Heginbottom, and E.S. Melnikov, eds. 1997. Circum-Arctic map of permafrost and ground-ice conditions. Washington, DC: U.S. Geological Survey in samenwerking met de Circum-Pacific Council for Energy and Mineral Resources. Circum-Pacific Map Series CP-45, schaal 1:10.000.000, 1 blad.

Dit organisch materiaal omvat de overblijfselen van dode planten, dieren en microben die zich in de bodem hebben opgehoopt en duizenden jaren geleden tot permafrost zijn bevroren.

Permafrost inclusief oude botten (linkerafbeelding) en organisch materiaal (rechterafbeelding) in de permafrosttunnel bij Fox, Alaska. Credit: C. Schädel

De temperaturen in het noordpoolgebied zijn meer dan twee keer zo snel gestegen als het wereldgemiddelde. Dit heeft op veel plaatsen permafrost doen ontdooien en nieuw ontwaakte microben ertoe aangezet het organische materiaal af te breken, waarbij CO2 of methaan in de atmosfeer vrijkomt.

Beide gassen zijn broeikasgassen, maar methaan is 28-36 keer krachtiger dan CO2 over een eeuw. Er is echter meer CO2 dan methaan in de atmosfeer en methaan wordt geoxideerd tot CO2 op een tijdschaal van ongeveer een decennium. Het is dus de verandering in de atmosferische CO2-concentratie die er echt toe doet voor de klimaatverandering op lange termijn.

Koolstof vrijkomend uit permafrost

Dus, welke rol zal permafrost spelen in toekomstige koolstofemissies? En is er een omslagpunt dat tot snelle dooi kan leiden?

Wetenschappers schatten dat er ongeveer twee keer zoveel koolstof in de permafrost is opgeslagen als in de atmosfeer circuleert. Dit is ongeveer 1460 tot 1600 miljard ton koolstof.

Het grootste deel daarvan is momenteel bevroren en geconserveerd, maar als zelfs maar een klein deel in de atmosfeer vrijkomt, zouden de emissies waarschijnlijk groot zijn – mogelijk vergelijkbaar in omvang met het vrijkomen van koolstof uit andere milieufluxen, zoals ontbossing.

Dit zou nog steeds ongeveer een orde van grootte kleiner zijn dan de uitstoot door verbranding van fossiele brandstoffen aan het eind van deze eeuw. Niettemin versnelt elke extra molecule CO2 of methaan die aan de atmosfeer wordt toegevoegd de klimaatverandering en heeft dit gevolgen voor de hele planeet en haar klimaat.

Voor zover wij nu weten, is het vrijkomen van koolstof uit permafrost een geleidelijk en aanhoudend proces dat voortdurend koolstof aan de atmosfeer toevoegt – en zo de opwarming verder versterkt.

Als het organisch materiaal in permafrost eenmaal is afgebroken en CO2 en methaan heeft vrijgemaakt, is er geen weg meer terug. In die zin is de dooi van permafrost onomkeerbaar – en voldoet daarmee aan een van de voorwaarden van de definitie van een omslagpunt.

Recent onderzoek suggereert echter dat als de temperatuurstijging zou vertragen en stoppen, ook de dooi van permafrost zou vertragen – en mogelijk zou stoppen, waardoor verdere emissies zouden worden beperkt. Dit zou echter enige tijd vergen. Dooi van de permafrost is een beetje als een zware goederentrein – als hij eenmaal in beweging is, kan hij niet onmiddellijk worden gestopt. En zelfs na het afremmen zal hij nog een tijdje door blijven rijden. Onderzoek suggereert dat de uitstoot nog decennia tot eeuwen kan doorgaan, zelfs wanneer de permafrostdooi eenmaal is vertraagd.

Dit suggereert dat de permafrost als geheel niet zal zijn overgeschakeld naar een volledig nieuwe toestand – zoals het geval is bij sommige omslagpunten, zoals het smelten van de Groenlandse ijskap. Bijgevolg zou het mogelijk zijn verdere emissies te voorkomen indien de opwarming van de aarde een halt zou worden toegeroepen.

Maar zoals de zaken er nu voor staan, is op veel plaatsen in het Noordpoolgebied reeds dooi van de permafrost waargenomen. En zoals in het recente speciale rapport over de oceaan en de cryosfeer van de Intergouvernementele Werkgroep inzake klimaatverandering (IPCC) wordt opgemerkt, zal de opwarming deze eeuw leiden tot aanzienlijke emissies uit de permafrost:

“Tegen 2100 zal de oppervlakte van de permafrost nabij de oppervlakte afnemen met 2-66% voor RCP2.6 en met 30-99% voor RCP8.5. Dit zou kunnen leiden tot het vrijkomen van 10 tot 100 ton permafrost. Hierdoor zou voor RCP8.5 10 tot 100 gigaton koolstof in de vorm van CO2 en methaan in de atmosfeer kunnen vrijkomen, met het potentieel om de klimaatverandering te versnellen.”

Hoe kan zekerheid worden toegevoegd aan het vrijkomen van koolstof uit permafrost

De uiteindelijke bijdrage van permafrostkoolstof aan de klimaatverandering hangt af van diverse factoren: hoeveel van de koolstof zal vrijkomen als CO2 of methaan, bijvoorbeeld, en in hoeverre kunnen planten en bomen een deel van de extra vrijkomende koolstof compenseren.

Afbraak van permafrost kan zich voordoen als geleidelijke ontdooiing van bovenaf of als abrupte instorting van ontdooiende grond. Bij beide processen komt koolstof in de atmosfeer terecht. Geleidelijke top-down dooi is het resultaat van warmere luchttemperaturen waardoor de bodem van boven naar beneden ontdooit, terwijl abrupte dooi plotseling en onvoorspelbaar optreedt.

Permafrost kan tot 80% ijs bevatten. Als het ijs smelt – denk eraan dat het ijs smelt, ook al smelt de bodem niet – stort de bodem plotseling in en worden diepe lagen blootgesteld aan de luchttemperatuur.

Ineenstortende grond kan het landschap doorspekt achterlaten met “thermokarst” meren, gevuld met smeltwater, regen en sneeuw. Deze natte omstandigheden kunnen het vrijkomen van het sterkere broeikasgas methaan bevorderen.

Thermokarstlandschap. Credit: A. Balser

In hooglanden zorgt natuurlijke drainage voor drogere bodemomstandigheden na permafrostdooi, waardoor organisch materiaal sneller wordt afgebroken en grote hoeveelheden CO2 vrijkomen. Het uiteindelijke effect van het vrijkomen van koolstof uit permafrost zal sterker zijn wanneer een groter percentage van de permafrostzone na de dooi uitdroogt.

Welk deel van het landschap na de dooi natter of droger wordt, hangt af van de verspreiding van het grondijs, maar de huidige ijsmetingen zijn slechts sporadisch en een betere ruimtelijke dekking en actuelere metingen zijn dringend nodig.

Een andere belangrijke factor in de koolstofbalans van de permafrostzone is de koolstofopname door planten. De vraag is hoeveel koolstof die vrijkomt bij het ontdooien van de permafrost kan worden gecompenseerd door een toename van de plantengroei. Planten nemen koolstof op uit de atmosfeer en gebruiken die om te groeien en hun metabolisme in stand te houden.

Warmere omstandigheden in het noordpoolgebied en alle daarmee gepaard gaande veranderingen stimuleren de plantengroei, wat betekent dat een deel van de koolstof die door het ontdooien van de permafrost aan de atmosfeer wordt toegevoegd, wordt opgenomen door de stimulans van de plantengroei. Maar het is onduidelijk hoeveel koolstof door planten wordt gecompenseerd en het is onduidelijk hoe duurzaam dit proces is.

Verbetering van de modelprojecties van het vrijkomen van koolstof uit permafrost is van cruciaal belang voor het bepalen van de totale invloed van het ontdooien van permafrost op het mondiale klimaat. Recente resultaten uit het Canadese noordpoolgebied tonen aan dat de permafrost veel eerder ontdooit dan wetenschappers op grond van de huidige modelprojecties hadden verwacht.

Voorlopig houden modellen alleen rekening met geleidelijke top-down dooi, maar recente schattingen laten zien dat abrupte dooi en instortende bodem de koolstofuitstoot uit permafrost kunnen verdubbelen. Eén ding is duidelijk: hoe minder de temperatuur in het Noordpoolgebied stijgt, hoe meer permafrost bevroren zal blijven en hoe meer koolstof in de permafrost opgesloten zal blijven.

Methaanhydraten

Vaak in één adem genoemd met de dooi van permafrost is het potentiële gevaar van de afbraak van methaanhydraten, ook bekend als “clathraten”. Dit is methaanijs dat zich bij lage temperatuur en hoge druk vormt in mariene sedimenten aan de continentale rand of in en onder permafrost.

Bijzonder zorgwekkend zijn de methaanhydraten die zijn opgeslagen onder het Oost-Siberisch Arctisch Plat (ESAS), een ondiep kustgebied in het noorden van Rusland. Uit studies is gebleken dat ontdooiend permafrost dit methaan doet vrijkomen, waardoor het omhoog borrelt en uit het zeewater verdwijnt. Dit heeft geleid tot onderzoek waarin wordt gewaarschuwd dat het ontsnappen van grote hoeveelheden methaan “catastrofale gevolgen voor het klimaatsysteem” zou kunnen hebben en tot berichten in de media over een dreigende “methaan-tijdbom”.

In een gesprek met Dr. Carolyn Ruppel, hoofdwetenschapper van het Gas Hydrates Project van de US Geological Survey, vertelt ze me dat methaanhydraten ongeveer een zesde van de methaankoolstof van de aarde vasthouden en dat sommige afzettingen in feite nu al aan het degraderen zijn naarmate het klimaat opwarmt. Maar, zegt ze:

“Als het methaan dat vrijkomt bij de afbraak van gashydraten de oceaan bereikt, zou het voornamelijk worden verbruikt door bacteriën in de waterkolom en niet in de atmosfeer terechtkomen. In permafrostgebieden is het afbrekende gashydraat meestal diep begraven, zodat het ontdooien van permafrost de belangrijkste bijdrage levert aan de uitstoot van broeikasgassen.”

Terwijl er “mogelijk een aanzienlijke hoeveelheid methaan weglekt van het Arctisch continentaal plat in gebieden met ontdooiende permafrost onder de zeespiegel”, zegt Ruppel, “hebben studies aangetoond dat de fluxcijfers waarschijnlijk worden overschat en dat de meest waarschijnlijke bron van het weglekkende methaan niet het ontdooien van gashydraten is”. Ze voegt daaraan toe:

“Met permafrost geassocieerde hydraten zijn niet zo wijdverspreid en komen vaak dieper voor dan de ondiepere bronnen van methaan die gemakkelijker in de atmosfeer kunnen lekken.”

Dus, het laatste onderzoek suggereert dat een methaanbom uit ontdooiende hydraten niet aan de horizon ligt. Voor permafrost toont de wetenschap echter aan dat de dooi al aan de gang is en dat de koolstof die daarbij vrijkomt al bijdraagt aan ons opwarmende klimaat.