Across vast swaths of the northern hemisphere’s higher reaches, frozen ground holds billions of tonnes of carbon.

W miarę wzrostu globalnych temperatur ta wieczna zmarzlina jest narażona na coraz większe ryzyko rozmrożenia, potencjalnie uwalniając długo przechowywany węgiel do atmosfery.

Gwałtowne rozmrożenie wiecznej zmarzliny jest jednym z najczęściej omawianych „punktów krytycznych”, które mogą zostać przekroczone w ocieplającym się świecie. Badania sugerują jednak, że choć rozmarzanie to już trwa, można je spowolnić dzięki łagodzeniu zmian klimatu.

Yet, what is irreversible is the escape of the carbon that has been – and is being – emitted. Węgiel uwalniany z wiecznej zmarzliny trafia do atmosfery i tam pozostaje, pogłębiając globalne ocieplenie.

W skrócie, to, co dzieje się w Arktyce, nie pozostaje w Arktyce.

Permafrost i globalny klimat

Permafrost to grunt, który został zamrożony przez co najmniej dwa kolejne lata. Jej grubość waha się od mniej niż jednego metra do ponad kilometra. Zazwyczaj znajduje się pod „warstwą aktywną”, która co roku rozmraża się i ponownie zamarza.

Ocieplający się klimat stanowi zagrożenie dla tej wiecznie zamarzniętej ziemi. Kiedy temperatury rosną, wieczna zmarzlina rozmarza – nie topi się.

Jest prosta analogia: porównaj, co dzieje się z kostką lodu i zamrożonym kurczakiem po wyjęciu ich z zamrażarki. W temperaturze pokojowej, pierwszy będzie się topić, pozostawiając mały basen wody, ale kurczak będzie rozmrożone, pozostawiając surowego kurczaka. W końcu ten kurczak zacznie się rozkładać.

To jest dokładnie to, co dzieje się z wieczną zmarzliną, gdy temperatury rosną. Jedna czwarta powierzchni półkuli północnej jest pokryta wieczną zmarzliną, która działa jak gigantyczna zamrażarka Ziemi i utrzymuje w stanie zamrożenia ogromne ilości materii organicznej.

Global permafrost map, 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 Cooperation with the Circum-Pacific Council for Energy and Mineral Resources. Circum-Pacific Map Series CP-45, skala 1:10 000 000, 1 arkusz.

Ten materiał organiczny obejmuje pozostałości martwych roślin, zwierząt i mikrobów, które zgromadziły się w glebie i zostały zamrożone w wiecznej zmarzlinie tysiące lat temu.

Permafrost, w tym starożytne kości (lewe zdjęcie) i materiał organiczny (prawe zdjęcie) w tunelu Permafrost w pobliżu Fox, Alaska. Credit: C. Schädel

Arktyczne temperatury rosną ponad dwukrotnie szybciej niż średnia globalna. Spowodowało to rozmrożenie wiecznej zmarzliny w wielu miejscach i wyzwoliło nowo obudzone mikroby do rozkładu materiału organicznego, uwalniając tym samym CO2 lub metan do atmosfery.

Oba gazy są gazami cieplarnianymi, ale metan jest 28-36 razy silniejszy niż CO2 w ciągu stulecia. Jednak w atmosferze jest więcej CO2 niż metanu, a metan jest utleniany do CO2 w skali czasowej około dekady. Zatem to zmiana stężenia atmosferycznego CO2 ma znaczenie dla długoterminowej zmiany klimatu.

Uwalnianie węgla z wiecznej zmarzliny

Jaką zatem rolę odegra wieczna zmarzlina w przyszłych emisjach dwutlenku węgla? I czy istnieje punkt krytyczny, który mógłby wywołać gwałtowne rozmrożenie?

Naukowcy szacują, że w wiecznej zmarzlinie zmagazynowane jest około dwa razy więcej węgla niż krąży w atmosferze. Jest to około 1460 mld-1600 mld ton węgla.

Większość z niego jest obecnie zamrożona i zachowana, ale jeśli nawet niewielka jego część zostanie uwolniona do atmosfery, emisje będą prawdopodobnie duże – potencjalnie podobne pod względem wielkości do uwolnienia węgla z innych strumieni środowiskowych, takich jak wylesianie.

To wciąż byłoby o rząd wielkości mniejsze niż emisje ze spalania paliw kopalnych do końca tego stulecia. Niemniej jednak każda dodatkowa cząsteczka CO2 lub metanu dodana do atmosfery przyspiesza zmiany klimatyczne i wpływa na całą planetę i jej klimat.

Według naszej obecnej wiedzy, uwalnianie węgla z wiecznej zmarzliny jest stopniowym i trwałym procesem, który nieustannie dodaje węgiel do atmosfery – w ten sposób jeszcze bardziej wzmacniając ocieplenie.

Gdy materia organiczna w wiecznej zmarzlinie ulegnie rozkładowi i uwolni CO2 i metan, nie ma możliwości odzyskania jej z powrotem. W tym sensie rozmarzanie wiecznej zmarzliny jest nieodwracalne – spełnia jeden z warunków definicji punktu krytycznego.

Jednakże ostatnie badania sugerują, że gdyby wzrost temperatury został spowolniony i zatrzymany, rozmarzanie wiecznej zmarzliny również uległoby spowolnieniu – i potencjalnie zatrzymaniu, co ograniczyłoby dalsze emisje. Niemniej jednak, zajmie to trochę czasu. Odwilż wiecznej zmarzliny jest trochę jak ciężki pociąg towarowy – kiedy już ruszy, nie da się go natychmiast zatrzymać. A nawet po zaciągnięciu hamulców będzie się jeszcze przez jakiś czas toczył dalej. Badania sugerują, że emisje mogą trwać od dziesięcioleci do stuleci, nawet gdy rozmarzanie wiecznej zmarzliny ulegnie spowolnieniu.

Sugeruje to, że wieczna zmarzlina jako całość nie przejdzie w zupełnie nowy stan – jak ma to miejsce w przypadku niektórych punktów krytycznych, takich jak topnienie pokrywy lodowej Grenlandii. W rezultacie możliwe byłoby zapobieżenie dalszym emisjom, gdyby globalne ocieplenie zostało zatrzymane.

Ale w obecnej sytuacji odwilż wiecznej zmarzliny została już zaobserwowana w wielu miejscach w Arktyce. Zmian Klimatu (IPCC) wskazuje, że ocieplenie w tym stuleciu spowoduje znaczne emisje z wiecznej zmarzliny:

„Do 2100 r. obszar wiecznej zmarzliny przypowierzchniowej zmniejszy się o 2-66% dla RCP2.6 i 30-99% dla RCP8.5. To może uwolnić od 10s do 100s gigaton węgla w postaci CO2 i metanu do atmosfery dla RCP8.5, z potencjałem do przyspieszenia zmian klimatycznych.”

Jak dodać pewność do uwalniania węgla z wiecznej zmarzliny

Ostateczny udział węgla z wiecznej zmarzliny w zmianach klimatu zależy od wielu czynników: ile z tego węgla ukaże się na przykład jako CO2 lub metan, i na ile rośliny i drzewa mogą zrównoważyć niektóre z dodatkowych uwolnień węgla.

Degradacja wiecznej zmarzliny może zachodzić jako stopniowe rozmarzanie górne lub jako gwałtowne zapadanie się rozmarzającej gleby. Oba procesy uwalniają węgiel do atmosfery. Stopniowa odwilż z góry na dół jest wynikiem ocieplenia temperatury powietrza, które powoduje rozmrażanie gleby z góry na dół, natomiast gwałtowna odwilż następuje nagle i nieprzewidywalnie.

Permafroza może zawierać do 80% lodu. Jeśli lód się stopi – pamiętaj, że lód topi się, mimo że gleba nie – ziemia nagle się zapada i głębokie warstwy zostają wystawione na działanie temperatury powietrza.

Załamujący się grunt może pozostawić krajobraz naznaczony jeziorami „termokrasowymi”, wypełnionymi wodą z roztopów, deszczu i śniegu. Te wilgotne warunki mogą sprzyjać uwalnianiu silniejszego gazu cieplarnianego – metanu.

Thermokarstowy krajobraz. Credit: A. Balser

Na wyżynach, naturalny drenaż tworzy bardziej suche warunki glebowe po rozmarznięciu wiecznej zmarzliny, przyspieszając w ten sposób rozkład materii organicznej i uwalniając duże ilości CO2. Ostateczny wpływ uwalniania węgla z wiecznej zmarzliny będzie silniejszy, gdy większy procent strefy wiecznej zmarzliny wyschnie po odwilży.

Jaka część krajobrazu stanie się bardziej wilgotna lub sucha po odwilży zależy od rozmieszczenia lodu gruntowego, ale obecne pomiary lodu są sporadyczne i pilnie potrzebne jest lepsze pokrycie przestrzenne i bardziej aktualne pomiary.

Innym ważnym czynnikiem w bilansie węgla w strefie wiecznej zmarzliny jest pobór węgla przez rośliny. Pytanie brzmi, jak bardzo uwalnianie węgla z rozmarzającej wiecznej zmarzliny może być zrównoważone przez zwiększony wzrost roślin? Rośliny pobierają węgiel z atmosfery i wykorzystują go do wzrostu i utrzymania swojego metabolizmu.

Cieplejsze warunki w Arktyce i wszystkie związane z tym zmiany stymulują wzrost roślin, co oznacza, że część węgla dodanego do atmosfery z rozmrażania wiecznej zmarzliny jest pobierana przez impuls do wzrostu roślin. Ale nie jest jasne, ile węgla zostanie skompensowane przez rośliny i nie jest jasne, jak trwały jest ten proces.

Poprawa prognoz modelowych dotyczących uwalniania węgla z wiecznej zmarzliny ma kluczowe znaczenie dla określenia ogólnego wpływu rozmarzania wiecznej zmarzliny na globalny klimat. Ostatnie wyniki z kanadyjskiej Arktyki pokazują, że odwilż wiecznej zmarzliny następuje dużo wcześniej niż naukowcy się spodziewali, biorąc pod uwagę obecne prognozy modelowe.

Na razie modele uwzględniają jedynie stopniowe topnienie, ale ostatnie szacunki pokazują, że gwałtowne rozmrożenie i zapadanie się gleby może podwoić uwalnianie węgla z wiecznej zmarzliny. Jedno jest pewne: im mniej wzrośnie temperatura w Arktyce, tym więcej wiecznej zmarzliny pozostanie zamrożone i tym więcej węgla pozostanie w niej zamknięte.

Wodorany metanu

Często wymieniane w tym samym tekście co rozmarzanie wiecznej zmarzliny jest potencjalne niebezpieczeństwo związane z rozpadem hydratów metanu, znanych również jako „klatraty”. Jest to „lód” metanowy, który tworzy się w niskich temperaturach i wysokich ciśnieniach w osadach morskich z marginesu kontynentalnego lub w i pod wieczną zmarzliną.

Szczególne obawy budzą hydraty metanu zgromadzone pod Wschodniosyberyjskim Szelfem Arktycznym (ESAS), płytkim regionem przybrzeżnym na północy Rosji. Badania sugerują, że rozmrażająca się wieczna zmarzlina uwalnia ten metan, pozwalając mu unosić się i wypływać z wody morskiej. Doprowadziło to do badań ostrzegających, że ulatnianie się dużych ilości metanu może mieć „katastrofalne skutki dla systemu klimatycznego” i doniesień medialnych o zbliżającej się „metanowej bombie zegarowej”.

W rozmowie z dr Carolyn Ruppel, głównym naukowcem Projektu Hydratów Gazowych US Geological Survey, mówi mi ona, że hydraty metanu zatrzymują około jednej szóstej metanu węgla na Ziemi i że niektóre złoża mogą w rzeczywistości ulegać degradacji teraz, gdy klimat się ociepla. Ale, ona mówi:

„Jeśli metan uwolniony podczas degradacji hydratów gazowych dotrze do oceanu, to w większości zostanie skonsumowany przez bakterie w słupie wody i nie dotrze do atmosfery. W obszarach wiecznej zmarzliny, degradujące się hydraty gazowe są zazwyczaj głęboko zakopane, więc rozmarzanie zmarzliny jest ważniejszym czynnikiem przyczyniającym się do emisji gazów cieplarnianych.”

Choć „może dochodzić do znacznych wycieków metanu z arktycznych szelfów kontynentalnych w obszarach rozmarzającej podmorskiej zmarzliny”, mówi Ruppel, „badania wykazały, że wskaźniki strumienia są prawdopodobnie przeszacowane, a najbardziej prawdopodobnym źródłem wyciekającego metanu nie są rozmarzające hydraty gazowe”. Dodaje:

„Hydraty związane z wieczną zmarzliną nie są tak rozpowszechnione i często występują głębiej niż płytsze źródła metanu, które łatwiej mogą wyciekać do atmosfery.”

Więc najnowsze badania sugerują, że bomba metanowa z rozmrażających się hydratów nie jest na horyzoncie. Jednak w przypadku wiecznej zmarzliny nauka pokazuje, że odwilż już trwa, a uwalniany przez nią węgiel będzie już przyczyniał się do ocieplenia naszego klimatu.

.