Snöiga toppar reser sig i en riktning; mysig tundra sprider sig över den andra. Luddiga huvuden av långskaftade växter vajar i vinden, varvat med myrblåbär. Detta är Alaskas Eight Mile Lake, där den närmaste staden har en befolkning på drygt tusen personer.

Forskare som stöds av Department of Energy's Office of Science besöker här och andra avlägsna platser för att studera hur permafrost - jord som frysts i flera år i rad - tinar. Eftersom jordar i system på hög latitud där detta händer lagrar nästan dubbelt så mycket kol som hela atmosfären, Att ta reda på upptiningsprocessen är avgörande för att modellera terrestra ekosystem och klimat. Att förbättra jordens systemmodeller kan hjälpa forskare att bättre förstå den sannolika omfattningen och effekterna av framtida klimatförändringar.

Jordens frys

Permafrostens djupa lager fungerar som världens iskista, låsa bort organiskt material som döda växter och djur från nedbrytning i tusentals år. De kalla temperaturerna och den vattensjuka marken bromsar nedbrytningen till nästan stopp.

Men idag värmer Arktis i en takt som inte har inträffat de senaste tre miljoner åren. stiger dubbelt så snabbt som resten av jorden, Arktis medeltemperatur kan öka med så mycket som 14°F mellan 2081 och 2100.

Denna uppvärmning kan få permafrosten att tina mycket snabbare och mer omfattande än någonsin tidigare. Beroende på takten och omfattningen av klimatförändringarna, Arktis kan förlora 30 till 70 procent av sin permafrost under nästa århundrade.

Organiskt material i tinad permafrost kan sönderfalla snabbt. Som bakterier, svampar, och andra små organismer bryter ner saken, de frigör växthusgaserna koldioxid och metan. Varje 1 grad C (1,8 grader F) ökning av den genomsnittliga globala temperaturen kan resultera i att permafrosten tinar tillräckligt mycket för att den släpper ut ett och ett halvt år av mänskligt skapade koldioxidutsläpp. Växthusgaser från den tinade permafrosten skulle leda till mer klimatförändringar, vilket då kan leda till mer upptining av permafrosten-en självförstärkande cykel.

"Detta är den viktigaste tipppunkten, "sa Jizhong Zhou, en forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) och professor vid University of Oklahoma.

Ett givande samarbete

Medan forskare förstår varför permafrost är viktigt, många frågor förblir obesvarade. Även modeller som har djupgående information om mark, hav, och atmosfäriska processer saknar tillräckligt med detaljer om Arktis.

Det är där fält- och laboratorieforskning kommer in. Före 2012, Permafrostforskare och klimatmodellerare arbetade vanligtvis separat. Men genom projektet Next Generation Ecosystem Experiments Arctic (NGEE Arctic), team från DOE:s högkvarter, DOE nationella laboratorier, och universitet förenade fält, laboratorium, och modellera forskare för att dela med sig av sina behov och expertis.

"Det här är en nivå av dynamik och interaktioner som vi bara inte har haft tidigare, sade Stan Wullschleger, NGEE arktisk chef och forskare vid Oak Ridge National Laboratory. "[Dessa samarbeten] ger en mycket mer informerad, rikare diskussion om hur området, laboratorium, och modellforskare kan interagera. "

Forskning i ett brutalt landskap

Att studera permafrost är långt ifrån lätt. När temperaturen sjunker mer än 20 minusgrader, ledningar blir så spröda att bara ett tryck knäcker dem. Eftersom korta vinterdagar gör solpaneler värdelösa, forskare måste dra runt batterier i bilstorlek för att driva sina instrument. Men de väsentliga data som dessa studier ger gör det hela värt besväret.

En stor typ av fältstudier gör det möjligt för forskare att undersöka hur temperaturen påverkar upptiningstakten. För att simulera hur ett permafrostekosystem skulle reagera på både varmare somrar och vintrar, forskare skapar ekosystem i miniatyr. För att efterlikna sommarförhållandena, de använder växthus med öppen topp som värmer luften. För vinterförhållanden, de sätter upp staket där snö hopar sig, värmer marken som en täcke som isolerar en säng.

Även om det verkar som om sommaren skulle påverka permafrosten mest, det är faktiskt vinteruppvärmningen som orsakar upptining. En stor studie som stöds av Office of Science fann att även om sommarförhållandena inte värmde jorden, vinteruppvärmningen ökade marktemperaturen med 3-5°F. Efter bara tre år, dessa förändringar ledde till en ökning av andningen med 45 procent, processen som producerar koldioxid. Det var vissa ökningar i växttillväxt och upptag av koldioxid, men det räckte inte tillnärmelsevis för att kompensera för utgivningarna.

Förändringar i vattenrörelser kan också påskynda upptining. För närvarande, isskilar utgör en femtedel av det övre lagret av permafrost. Dessa iskilar är så grundläggande för landskapet att när de smälter, marken kollapsar faktiskt. De resulterande skiften kan ansluta tråg och sjöar så mycket att de rinner ut, omvandling av ekosystemets vattenfördelning.

En studie gjord av NGEE Arctic fann att temperaturökningar på så lite som 9°F kan göra att iskilar gror in sig inom 15 till 20 år. Och det behöver inte vara förändringar i medeltemperaturen – en ovanligt varm sommar kan kickstarta processen.

"Det är en förvandling som inte lätt kan ångras. Absolut inte under vår livstid, sa Sue Natali, en permafrostforskare vid Woods Hole Research Center.

Tillbaka på labbet

Att se landskapsförändringen är upplysande, men fältarbete ensamt kan inte beskriva de underliggande processerna. Genom att ta med prover tillbaka till laboratoriet kan forskare isolera specifika variabler.

Eftersom smältande iskilar kan orsaka stora förändringar i vattenfördelningen, Det är viktigt att veta hur sönderdelningen kan variera beroende på jordens vattennivå. En NGEE Arctic -studie upptäckte betydande skillnader mellan sönderdelning i torr jord med syre (aerob) och vattentät jord som inte har syre (anaerob). Forskare fann att torr, aeroba jordar släpper ut dubbelt så mycket koldioxid och metan efter upptining än vattentäppta, anaeroba gjorde efter upptining.

Mikrober, som bakterier och svampar, är ett annat stort fokus för labbforskning. Olika studier har undersökt vilka av dessa små organismer som är vanligast i permafrost före och efter upptining och jämfört skillnaden mellan mikrober i olika lager. En studie som stöds av Office of Science fann att efter bara 18 månaders uppvärmning, mikrobernas andning som producerar koldioxid ökade med 38 procent.

Klimatmodeller Samla allt

Dessa fält- och laboratorieobservationer gör klimatmodeller mer exakta än någonsin tidigare. Faktiskt, den första generationens modeller inkluderade inte permafrost alls.

"Insikten om att modellerna saknade den enskilt största koldioxidpoolen var en verklig drivkraft för vad vi har gjort sedan dess, sa Charlie Koven, en LBNL klimatmodellerare.

Forskare använder fält- och laboratoriedata för att hjälpa modeller att spegla den verkliga världen så nära som möjligt. För att öka specificiteten, de matar data som marktemperatur, upptiningshastigheter, och vattenrörelse direkt i modeller. För att testa noggrannheten, forskare kör modellen med vissa villkor och jämför sedan resultaten med verkliga experiment utförda under jämförbara förhållanden.

Genom att använda mycket av denna data, en klimatmodell som stöds av Office of Science visar att om klimatförändringarna fortsätter i sin nuvarande takt, hälften av världens permafrost kunde tina upp i slutet av seklet.

Nästa utmaning är att integrera komplexa mikrobiell data i datormodeller som redan har miljontals rader kod.

Huruvida forskare mäter snö på några av de mest brutala platserna på jorden, upptining av jord i ett laboratorium, eller granska en datorskärm, var och en bidrar till vår förståelse av Arktis stora koldioxidlager.

"[NGEE Arctic] var och fortsätter att vara ett bra exempel på hur de nationella labben kan interagera, "sa Wullschleger." Den här typen av [tillvägagångssätt] påskyndar verkligen förbättringen av klimatmodeller. "