I stora delar av norra halvklotets höglänta områden finns miljarder ton kol i den frusna marken.

I takt med att de globala temperaturerna stiger löper denna ”permafrost”-mark allt större risk att tina upp och eventuellt släppa ut sitt länge bevarade kol i atmosfären.

En bruten permafrosttining är en av de mest frekvent diskuterade ”tipping points” som skulle kunna överskridas i en uppvärmd värld. Forskning tyder dock på att även om denna upptining redan pågår kan den bromsas med hjälp av åtgärder för att mildra klimatförändringarna.

Det som är oåterkalleligt är dock att det kol som har släppts ut – och släpps ut – inte kan återställas. Det kol som frigörs från permafrosten går ut i atmosfären och stannar där, vilket förvärrar den globala uppvärmningen.

Kort sagt, det som händer i Arktis stannar inte i Arktis.

Permafrost och det globala klimatet

Permafrost är mark som har varit frusen i minst två år i följd. Dess tjocklek varierar från mindre än en meter till mer än en kilometer. Vanligtvis ligger den under ett ”aktivt lager” som tinar och fryser igen varje år.

Ett varmare klimat gör att denna ständigt frusna mark är i fara. När temperaturen stiger tinar permafrosten – den smälter inte.

Det finns en enkel analogi: jämför vad som händer med en isbit och en frusen kyckling när de tas ut ur frysen. Vid rumstemperatur kommer den förstnämnda att ha smält och lämna en liten vattenpöl, men kycklingen kommer att ha tinats upp och lämna en rå kyckling. Så småningom kommer den kycklingen att börja sönderfalla.

Det är precis vad som händer med permafrosten när temperaturen stiger. En fjärdedel av landmassan på norra halvklotet ligger under permafrost, som fungerar som jordens gigantiska frysbox och håller enorma mängder organiskt material fruset.

Global permafrost map, International Permafrost Association. Källa: Brown, J., O.J. Ferrians, Jr., J.A. Heginbottom och E.S. Melnikov, eds. 1997. Circum-Arctic map of permafrost and ground-ice conditions. Washington, DC: U.S. Geological Survey i samarbete med Circum-Pacific Council for Energy and Mineral Resources. Circum-Pacific Map Series CP-45, skala 1:10 000 000, 1 ark.

Detta organiska material omfattar resterna av döda växter, djur och mikrober som ackumulerats i marken och frusits till permafrost för tusentals år sedan.

Permafrost inklusive forntida ben (vänstra bilden) och organiskt material (högra bilden) i permafrosttunneln nära Fox, Alaska. Credit: C. Schädel

Arktiska temperaturer har ökat mer än dubbelt så snabbt som det globala genomsnittet. Detta har lett till att permafrosten har tinat på många platser och utlöst nyvaknade mikrober som bryter ner det organiska materialet och därmed släpper ut koldioxid eller metan i atmosfären.

Båda gaserna är växthusgaser, men metan är 28-36 gånger mer potent än koldioxid under ett århundrade. Det finns dock mer koldioxid än metan i atmosfären och metan oxideras till koldioxid på tidsskalor på ungefär ett decennium. Det är alltså förändringen i atmosfärens CO2-koncentration som verkligen spelar roll för den långsiktiga klimatförändringen.

Koldioxidutsläpp från permafrost

Så, vilken roll kommer permafrosten att spela för framtida koldioxidutsläpp? Och finns det en tipping point som kan utlösa snabb upptining?

Vetenskapsmännen uppskattar att det finns ungefär dubbelt så mycket kol lagrat i permafrosten som det som cirkulerar i atmosfären. Detta är ungefär 1460-1600 miljarder ton kol.

Det mesta av det är för närvarande fruset och bevarat, men om ens en liten del av det frigörs i atmosfären skulle utsläppen troligen bli stora – potentiellt i samma storleksordning som koldioxidutsläpp från andra miljöflöden, t.ex. avskogning.

Detta skulle fortfarande vara ungefär en storleksordning mindre än utsläppen från förbränning av fossila bränslen i slutet av detta århundrade. Ändå påskyndar varje ytterligare koldioxid- eller metanmolekyl som tillförs atmosfären klimatförändringen och påverkar hela planeten och dess klimat.

Enligt vår nuvarande kunskap är frigörandet av kol från permafrost en gradvis och ihållande process som kontinuerligt tillför kol till atmosfären – och därmed förstärker uppvärmningen ytterligare.

När det organiska materialet i permafrosten bryts ned och släpper ut koldioxid och metan finns det ingen möjlighet att få tillbaka det. I denna mening är permafrostens upptining oåterkallelig – vilket uppfyller ett av villkoren i definitionen av en tipping point.

Ny forskning tyder dock på att om temperaturökningen skulle avta och upphöra, skulle även permafrostens upptining avta – och eventuellt upphöra, vilket skulle begränsa ytterligare utsläpp. Detta skulle dock ta tid. Permafrostens upptining är lite som ett tungt godståg – när det väl sätter sig i rörelse kan det inte stoppas omedelbart. Och även efter att ha bromsat kommer det att fortsätta att rulla framåt ett tag. Forskning tyder på att utsläppen kan fortsätta i årtionden till århundraden även när permafrostens upptining har avtagit.

Detta tyder på att permafrosten som helhet inte kommer att ha övergått till ett helt nytt tillstånd – vilket är fallet med vissa tipping points, som t.ex. avsmältningen av Grönlands istäcke. Därför skulle det vara möjligt att förhindra ytterligare utsläpp om den globala uppvärmningen stoppades.

Men i dagsläget har man redan observerat att permafrosten tinar på många platser i Arktis. Och som det påpekas i den senaste specialrapporten om havet och kryosfären från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC) kommer uppvärmningen under detta århundrade att leda till betydande utsläpp från permafrosten:

”Fram till 2100 kommer den ytnära permafrostarealen att minska med 2-66 % för RCP2.6 och 30-99 % för RCP8.5. Detta kan frigöra 10 till 100 gigaton kol i form av koldioxid och metan till atmosfären för RCP8.5, vilket kan påskynda klimatförändringen.”

Hur man kan lägga till säkerhet till permafrostkolutsläpp

Det slutliga bidraget från permafrostkolet till klimatförändringarna beror på en rad olika faktorer: hur mycket av kolet kommer att komma ut som koldioxid eller metan, till exempel, och hur mycket kan växter och träd kompensera för en del av det ytterligare kolutsläppet.

Permafrostens nedbrytning kan ske som en gradvis uppåtriktad upptining eller som en plötslig kollaps av den tynande jorden. Båda processerna frigör kol till atmosfären. Gradvis upptining uppifrån och ner är resultatet av att varmare lufttemperaturer gör att marken tinar uppifrån och ner, medan plötslig upptining sker plötsligt och oförutsägbart.

Permafrost kan innehålla upp till 80 % is. Om isen smälter – kom ihåg att isen smälter även om marken inte gör det – kollapsar marken plötsligt och djupa lager exponeras för lufttemperaturen.

Den kollapsande marken kan lämna landskapet prickat av ”termokarst”-sjöar, fyllda med smältvatten, regn och snö. Dessa fuktiga förhållanden kan främja frigörandet av den mer potenta växthusgasen metan.

Thermokarstlandskap. Credit: A. Balser

I höglandet skapar naturlig dränering torrare markförhållanden efter att permafrosten tinat upp, vilket påskyndar nedbrytningen av organiskt material och frigör stora mängder koldioxid. Den slutliga effekten av koldioxidutsläpp från permafrost kommer att bli starkare när en större andel av permafrostzonen torkar ut efter upptining.

Vilken andel av landskapet som kommer att bli fuktigare eller torrare efter upptining beror på fördelningen av markis, men nuvarande ismätningar är endast sporadiska och bättre rumslig täckning och mer aktuella mätningar behövs snarast.

En annan viktig faktor i permafrostzonens kolbalans är växternas kolupptag. Frågan är hur mycket koldioxidutsläpp från tinande permafrost som kan kompenseras av ökad växttillväxt. Växter tar upp kol från atmosfären och använder det för att växa och upprätthålla sin ämnesomsättning.

Varmare förhållanden i Arktis och alla dess tillhörande förändringar stimulerar växttillväxten, vilket innebär att en del av det kol som tillförs atmosfären från tinande permafrost tas upp genom att växttillväxten stimuleras. Men det är oklart hur mycket kol som kompenseras av växterna och det är oklart hur varaktig denna process är.

Att förbättra modellprognoserna av permafrostens koldioxidutsläpp är avgörande för att fastställa den totala effekten av tinande permafrost på det globala klimatet. Nya resultat från det kanadensiska Arktis visar att permafrostens upptining sker mycket tidigare än vad forskarna förväntade sig med tanke på de nuvarande modellprognoserna.

För tillfället tar modellerna endast hänsyn till gradvis uppåtriktad upptining, men nya uppskattningar visar att plötslig upptining och kollapsande jordmån skulle kunna fördubbla kolfrigörelsen från permafrosten. En sak är klar: ju mindre temperaturen ökar i Arktis, desto mer permafrost kommer att förbli frusen och desto mer kol kommer att förbli inlåst i permafrosten.

Metanhydrater

Ofta nämns i samma andetag som permafrostens upptining den potentiella faran som är förknippad med nedbrytningen av metanhydrater, även kända som ”klatrater”. Detta är metan ”is” som bildas vid låga temperaturer och höga tryck i marina sediment från kontinentalmarginalen eller i och under permafrost.

Metanhydrater som lagras under East Siberian Arctic Shelf (ESAS), ett grunt kustområde i norra Ryssland, är av särskilt intresse. Studier har visat att tinande permafrost frigör denna metan och låter den bubbla upp och ut ur havsvattnet. Detta har lett till att forskningen har varnat för att stora mängder metan skulle kunna få ”katastrofala konsekvenser för klimatsystemet” och till att medierna har rapporterat om en förestående ”metantidsbomb”.

I ett samtal med dr Carolyn Ruppel, chefsforskare för US Geological Survey’s Gas Hydrates Project, berättar hon att metanhydrater fångar upp ungefär en sjättedel av jordens metankol och att vissa fyndigheter faktiskt kan vara på väg att brytas ned nu när klimatet blir varmare. Men hon säger:

”Om den metan som frigörs vid nedbrytning av gashydrater når havet skulle den till största delen förbrukas av bakterier i vattenpelaren och inte nå atmosfären. I permafrostområden är den nedbrytande gashydraten vanligtvis djupt begravd, så upptiningen av permafrosten är den viktigare bidragsgivaren till utsläppen av växthusgaser.”

Men även om det ”kan förekomma ett betydande metanläckage från arktiska kontinentalsocklar i områden med tinande undervattenspermafrost”, säger Ruppel, ”har studier visat att flödeshastigheterna troligen överskattas och att den mest sannolika källan till det läckande metanet inte är tinande gashydrater”. Hon tillägger:

”Permafrostassocierade hydrater är inte så utbredda och förekommer ofta djupare än de ytligare metankällorna som lättare kan läcka ut i atmosfären.”

Den senaste forskningen tyder alltså på att en metanbomb från tinande hydrater inte är i sikte. När det gäller permafrost visar dock vetenskapen att upptining redan pågår och att det kol som frigörs redan kommer att bidra till vårt uppvärmda klimat.