Förlusten av arktiska permafrostavlagringar genom kusterosion kan förstärka klimatuppvärmningen via växthuseffekten. En studie med sedimentprover från Okhotskhavet på Rysslands östkust ledd av AWI-forskare visade att förlusten av arktisk permafrost i slutet av den senaste istiden ledde till upprepade plötsliga ökningar av koldioxidkoncentrationen i atmosfären.

I dag, den exakta storleken på den framtida ökningen av koncentrationerna av växthusgaser är fortfarande okänd. Detta beror delvis på att koldioxid inte bara produceras av människor som bränner gas, kol och olja; det kan också hitta sin väg in i atmosfären som ett resultat av naturliga miljöprocesser. Den positiva återkopplingen mellan uppvärmning och utsläpp av ständigt ökande mängder koldioxid från naturliga källor är ett särskilt hot. För att möjliggöra en bättre bedömning av om, och hur, sådan utveckling är möjlig, klimatforskare studerar rekord från det förflutna för att hitta bevis för dessa händelser.

Forskare från Alfred Wegener Institute Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) tillsammans med kollegor från Köpenhamn och Zürich har nu hittat bevis på detta fenomen för de arktiska permafrostområdena. Som författarna rapporterar i tidskriften Naturkommunikation , genom sina undersökningar längs kusten av Okhotsksjön i östra Ryssland, de kunde visa att för flera tusen år sedan, stora mängder koldioxid släpptes ut från arktisk permafrost på grund av en snabb höjning av havsnivån. Permafrost är mark som förblir frusen året runt ner till djup på upp till flera hundra meter. Vissa områden har varit frusna sedan den senaste istiden 20, 000 år sedan eller ännu längre. Som en gigantisk frys, permafrostjordar bevarar enorma mängder död biomassa, främst växtrester. När permafrosten tinar, bakterier börjar bryta ner den gamla biomassan, och deras ämnesomsättning frigör växthusgaserna koldioxid och metan.

Vi vet nu att omkring 11, 500, 14, 600 och 16, 500 år sedan, betydande och plötsliga ökningar av koldioxidhalten i atmosfären inträffade, men orsakerna till dessa tre snabba fluktuationer är fortfarande dåligt förstådda. För att undersöka orsakerna, en grupp forskare ledda av AWI-geologerna Dr. Maria Winterfeld och Prof Dr. Gesine Mollenhauer begav sig till Okhotskhavet. "Ursprungligen, vi antog att vid den tiden, den väldiga floden Amur förde med sig enorma mängder växtmaterial från inlandet, vilka mikroorganismer i vattnet som sedan bröts ner till koldioxid. Så vi samlade sedimentprover från havsbotten, som vi sedan analyserade." Fynden var överraskande:Djupt i sedimentet, forskarna hittade bevis på växtrester som hade avsatts på havsbotten. Dessa var flera tusen år äldre än de omgivande fyndigheterna, vilket gjorde det klart att de måste ha sitt ursprung i extremt gammal permafrost som av någon anledning plötsligt hade tinat. Särskilt stora mängder av dessa växtrester spolades ut i havet 11, 500, 14, 600 och 16, 500 år sedan. Men amurens utsläppshastighet var inte nämnvärt högre vid dessa tillfällen.

Gesine Mollenhauer och hennes team hittade lösningen på detta pussel när de tittade på förändringarna i havsnivån sedan den senaste istiden. Cirka 11, 500 och 14, 600 år sedan, särskilt intensiv avsmältning av inlandsisarna ledde till så kallade smältvattenpulser – och varje gång, havsnivån steg med upp till 20 meter inom några århundraden. "Vi antar att detta resulterade i en allvarlig erosion av permafrostkusten i Okhotskhavet och norra Stilla havet - ett fenomen som vi kan observera i Arktis idag." Detta gjorde att stora mängder flera tusen år gamla växtrester kunde komma in i havet, varav en del bröts ner till koldioxid av bakterier eller avsattes på havsbotten.

För att avgöra om sådan permafrosterosion verkligen kunde ha varit en nyckelfaktor för ökningar av den globala koldioxidkoncentrationen, AWI-kollegan Dr Peter Köhler använde en datormodell för att simulera den globala kolcykeln. Genom att uppskatta arean av permafrost som gick förlorad till havet vid den tiden, han fick uppgifter om den troliga mängden koldioxid som släpps ut. Resultaten öppnar ögonen—11, 500 och 14, 600 år sedan, erosion av arktisk permafrost bidrog troligen till cirka 50 procent av koldioxidökningen, och 16, 500 år sedan till ungefär en fjärdedel.

AWI-teamet har därmed avslöjat en process som kan bli verklighet i framtiden. I dag, Arktis permafrostkust eroderar kraftigt eftersom regionen värms upp snabbt – på vissa ställen, kusten går tillbaka med en hastighet av 20 meter per år. Gesine Mollenhauer säger, "Våra resultat visar att denna kusterosion är en viktig process, men hittills, det har inte beaktats tillräckligt i klimatmodeller. Sådana effekter måste inkluderas i framtida modeller."