I Betel, Alaska, väggarna spricker, hus rasar, och huvudvägen ser ut som en barn-berg-och-dalbana. I kuststaden Kongiganak, sjunkande kyrkogårdar hindrar Alaskabor från att begrava sina döda i marken. Byn Shishmaref, ligger på en ö fem miles från västra Alaskas fastland, har urholkat så mycket att man överväger en total omlokalisering. Dessa samhällen plågas av permafrost som tinar.

Permafrost är mark som förblir frusen i två eller flera år i följd. Den består av sten, jord, sediment, och varierande mängd is som binder samman elementen. En del permafrost har varit frusen i tiotals eller hundratusentals år.

Finns under ett lager jord, permafrosten kan vara från tre fot till 4, 900 fot tjock. Den lagrar de kolbaserade resterna av växter och djur som frös innan de kunde bryta ner. Forskare uppskattar att världens permafrost rymmer 1, 500 miljarder ton kol, nästan dubbelt så mycket kol som för närvarande finns i atmosfären.

Tyvärr, när permafrosten värms upp och tinar, det släpper ut koldioxid och metan i atmosfären. När den globala termostaten stiger, permafrost, istället för att lagra kol, kan bli en betydande källa till utsläpp av planetvärme.

Permafrosten tinar redan på vissa ställen, och om problemet sprider sig, Forskare oroar sig för att det kan initiera en skenande process av global uppvärmning.

Det uppvärmande Arktis

Permafrost täcker cirka 24 procent av den exponerade landmassan på norra halvklotet - cirka 9 miljoner kvadratkilometer. Det finns på höga breddgrader och höga höjder, främst i Sibirien, den tibetanska platån, Alaska, norra Kanada, Grönland, delar av Skandinavien och Ryssland. Kontinentalsocklarna under Ishavet, som exponerades under den senaste istiden, innehåller även permafrost.

Dock, polar- och höghöjdsregioner är några av de mest klimatkänsliga platserna på planeten. Arktis värms dubbelt så snabbt som resten av planeten, med en temperaturförändringshastighet som inte har observerats under åtminstone de senaste 2, 000 år, enligt National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). 2016, årliga genomsnittliga yttemperaturer var 3,5 grader Celsius varmare än de var i början av 1900-talet. Det året, permafrosttemperaturerna i Arktis var de varmaste som någonsin registrerats.

I Alaska, permafrosttemperaturerna har värmts upp så mycket som 2˚C under de senaste decennierna. En nyligen genomförd studie visar att för varje temperaturökning på 1˚C, 1,5 miljoner kvadratkilometer permafrost kan gå förlorad genom upptining.

När permafrosten tinar

O. Roger Andersson, en biolog vid Earth Institutes Lamont-Doherty Earth Observatory, förklarade varför permafrost släpper ut kol när det tinar.

Det "aktiva lagret" av jord ovanpå permafrosten, som kan vara två till 13 fot djup, tinar varje sommar och kan upprätthålla växtlivet. Detta lager frigör kol från rötterna på växter som andas ut CO2, och från mikrober i jorden. Vissa mikrober bryter ner det organiska materialet till CO2. andra, kallas archaea, producera metan istället, när förhållandena är anaeroba – när jorden är mättad med vatten eller inget syre är tillgängligt. Metan är 20 till 30 gånger mer potent än koldioxid när det gäller att förvärra den globala uppvärmningen, men det förblir i atmosfären kortare tid.

När permafrosten tinar, det aktiva lagret fördjupas. Mikroberna blir aktiva och växtrötter kan tränga längre ner, vilket leder till produktion av mer CO2. Mängden metan som genereras beror på hur mättad marken är.

Forskare vet inte de relativa andelarna av koldioxid- och metanutsläpp som kan bli resultatet av storskalig upptining av permafrost, sa Andersson, eftersom detta aldrig har hänt i mänsklighetens historia. Dock, forskning på det övre lagret av tundran (trädlösa slätter som ligger över permafrosten) tyder på att de genomsnittliga koldioxidutsläppen är cirka 50 gånger högre än de för metan.

"Och vi vet att för varje 10 grader Celsius som jorden värms upp, CO2-utsläppen kommer att fördubblas, sa Andersson.

En studie från 2017 uppskattade att om den globala temperaturen stiger 1,5˚C över 1861 års nivåer, tinande permafrost kan frigöra 68 till 508 gigaton kol. Utan att ta hänsyn till mänsklig aktivitet, enbart detta kol skulle öka den globala temperaturen med 0,13 till 1,69˚C till 2300. Eftersom vi kanske redan har låst in 1,5˚C uppvärmning över förindustriella nivåer, denna mängd ytterligare uppvärmning kan resultera i katastrofala effekter av klimatförändringarna.

Även om ett varmare Arktis skulle kunna stödja fler växter, och växter absorberar koldioxid genom fotosyntes, den nya tillväxten beräknas kompensera endast cirka 20 procent av permafrostens kolutsläpp.

Vad skyddar permafrost

En sak som skyddar permafrosten från klimatförändringarnas effekter är torv, den delvis förmultnade vegetationen som samlas i vattenmättade miljöer utan syre. Finns i stora delar av det låga Arktis, torv kan ligga över eller omsluta hela det aktiva lagret eller frysas som permafrost.

Ben Gaglioti, en postdoktorand forskare vid Lamont-Doherty Earth Observatory, studerade sjösedimentrekord i norra Alaska för att fastställa hur mycket kol permafrosten släppte ut som svar på uppvärmningsperioder i slutet av den senaste istiden. Det visar sig att permafrosten var mycket känsligare – vilket betyder att den släppte ut mer kol – under tidigare uppvärmningshändelser, med gradvis mindre respons över tiden. Under de senaste 150 årens uppvärmning, det har varit relativt lite respons.

"Vår hypotes är att ansamlingen av organiskt material eller torv i vattendelaren har skett på grund av ett relativt varmt och stabilt klimat sedan istiden, sade Gaglioti. Den där torven, som började samlas runt 13, 000 år sedan, gör ett bra jobb med att isolera den underliggande marken från upptining, så vi tror att det buffrar permafrosten."

Gagliotis modeller visar att känsligheten hos den underliggande permafrosten är starkt beroende av torvens tjocklek. "Den underliggande permafrostens öde vilar på vissa sätt på torvlagrets stabilitet, " han sa.

En oåterkallelig cykel?

Skogsbränder kan dra tillbaka torven och göra permafrosten mer känslig för klimatförändringar – och de förväntas öka i tundraregioner, sa Gaglioti. Varmare och torrare somrar gör växtligheten mer brännbar. Varmare temperaturer orsakar också fler åskväder och blixtnedslag som kan utlösa skogsbränder.

Bränder släpper inte bara ut CO2 när de brinner; efteråt, den svärtade marken absorberar mer solstrålning och värms ytterligare. Och när elden tar bort torven och växtligheten som skuggar marken, landskapet kan bli för väldränerat för att återskapa torven.

Många forskare är oroade över att upptining av permafrost kan vara en tipppunkt som utlöser en irreversibel cykel:När permafrost släpper ut sitt kol som CO2 eller metan, det kommer att påskynda uppvärmningen, som då kommer att fälla ut mer permafrosttining, och så vidare. Det kommer inte att finnas något människor kan göra för att stoppa det.

De regioner där permafrosten är frusen året runt flyttar redan norrut; och i vissa områden, tundran fryser nu senare på hösten, ger mer tid för mikrober att bryta ner organiskt material och för växter att andas.

Effekterna av upptinande permafrost

När isen i permafrosten smälter, marken blir instabil och kan rasa, orsakar sten och jordskred, översvämningar och kusterosion.

Marken har kollapsat 280 fot djupt i vissa delar av Sibirien. Den böjande jorden kan skada byggnader, vägar, kraftledningar och annan infrastruktur.

Det kan också skada naturliga ekosystem. Thermokarstsjöar – fördjupningar som bildades när tinande permafrost kollapsade och fylldes med smältvatten – är viktiga för vilda djur och ger vatten till lokalsamhällen. Men om den underliggande permafrosten fortsätter att tina, sjöar och våtmarker kan dräneras helt, förstöra dessa biologiskt viktiga resurser.

Som sediment från jordskred leriga bäckar och sjöar, de påverkar växtlivet vid basen av näringskedjan och potentiellt alla varelser som är beroende av det. Förändringar i landskapet kan förändra caribous häcknings- och migrationsmönster. Och när Arktis värms upp, bävrar rör sig norrut. Deras dammar svämmar över nya områden, skapar myriga sträckor som gör att mer varmt vatten kan tina permafrosten ytterligare.

Upptining av permafrost kan frigöra mer än koldioxidutsläpp. 2016, en ung pojke dog och dussintals lades in på sjukhus efter att ha drabbats av mjältbrand på Yamalhalvön i Sibirien. En mjältbrandssmittad renkadaver som frös 75 år tidigare blev blottad när permafrosten tinade. Mjältbrandssporer kom in i marken och vattnet, och så småningom matförsörjningen, infekterar människorna.

Människor och djur och deras sjukdomar har varit frusna i permafrosten i hundratals år, men bakterier och virus kan överleva i permafrost i hundratusentals år – forskare återupplivade nyligen 30, 000 år gammalt virus som infekterar amöbor. Sjukdomar som spanska sjukan, smittkoppor eller pesten som har utplånats kan vara frusen i permafrosten. När Arktis värms upp, mer aktivitet, som att bryta efter sällsynta jordartsmetaller eller ädla metaller, kan potentiellt få oss i kontakt med dem igen.

Att bygga på permafrost är problematiskt, inte bara för att marken är instabil, men eftersom värmen från byggnader och rör i sig kan värma permafrosten. Konstruktioner måste byggas på träpålar eller baseras på tjocka grusdynor. Vatten- och avloppsledningar ska placeras ovan mark. Vissa Bethel-vägar och flygplatsbanor är utrustade med vätskefyllda rör som överför värme från permafrosten, och sjukhuset har installerat maskiner som håller marken ständigt nedkyld.

I Inuvik, en stad i nordvästra Kanada, forskare experimenterar med nya varianter av pålar för att stabilisera byggnader, men de har ännu inte hittat en perfekt lösning. De säger att det är svårt att veta vad som kommer att fungera bäst eftersom ingen i Arktis någonsin har upplevt den takt av permafrostförändringar som sker idag.

Många frågor återstår

Medan den senaste mellanstatliga panelen för klimatförändringars rapport erkände att permafrosten värms upp, dess klimatmodeller tog inte hänsyn till dessa utsläpp när de gjorde klimatprognoser.

Det beror på att till slut, hur mycket planeten värms upp av tinande permafrost beror på hur mycket kol som släpps ut, hur snabbt, och om det är i form av CO2 eller metan. Men för att få en bättre förståelse för detta fenomen och för att kunna göra mer exakta klimatprognoser, forskare måste bättre kunna bedöma permafrostens sårbarhet för upptining och dess många konsekvenser för Arktis och planeten.

"Vetenskaplig forskning är så viktig för att förstå, ", sa Anderson. "Vi kan helt enkelt inte förutsäga från vad som redan är känt eftersom vi aldrig tidigare har tinat upp permafrost i denna utsträckning. Det är bara genom mer noggrann vetenskaplig forskning som vi kan svara på dessa frågor."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.