När temperaturen stiger i Arktis, permafrost, eller frusen mark, håller på att tina. Som det gör, växthusgaser som fångas i den släpps ut i atmosfären i form av koldioxid och metan, leder till tidigare underskattade problem med havsförsurning och potentiell kvicksilverförgiftning.

Ungefär en fjärdedel av regionen är täckt av permafrost, som är jord, sediment eller sten som varit frusen i minst två år. Med sin reträtt, kolet som frigörs skulle kunna bidra väsentligt till den globala uppvärmningen.

"Vi kallar det den sovande jätten i den globala kolcykeln, sa professor Örjan Gustafsson, miljövetare vid Stockholms universitet. "Det tas inte riktigt med i klimatmodeller."

Prof. Gustafsson och hans kollegor försöker fastställa exakt vad permafrost består av, hur snabbt det värms och vad händer när det tinar. Att göra detta, de borrar i tre typer av permafrost runt östra Sibiriska havet som en del av ett projekt som kallas CC-Top.

Förutom den vanligaste typen som finns i jord på land, de kommer också att titta på kolhaltig permafrost som bildade cirka 50, 000 år sedan kallades Yedoma, och en annan typ som hittades under havsbotten i grunda kusthyllor som översvämmades när havsnivån steg med cirka 11, 650 år sedan. "(Denna) undervattenspermafrost är den mest sårbara av de tre så det är projektets huvudfokus, " sa prof. Gustafsson.

Forskarna har jämfört temperaturerna för permafrost på land och under vatten. Cirka 10, 000 år sedan, temperaturen för båda permafrosttyperna var cirka -18˚C. De fann att permafrosten på marken nu har värmts upp till cirka -10˚C men under havet har den nått 0˚C. "Det var förvånande, "Jag hade ingen aning om att undervattenspermafrosten tinade så snabbt, sa professor Gustafsson."

Havsförsurning

De har också undersökt vad som händer när tinad permafrost från land når havet. En del av det frigjorda kolet reagerar med vatten och bildar kolsyra - samma gas som finns i kolsyrat vatten. Även om det är en svag syra, Prof. Gustafsson och hans kollegor fann att det bidrar väsentligt till försurningen av Ishavet. Detta påverkar den marina biologiska mångfalden. Surt vatten, till exempel, löser upp karbonatskeletten hos organismer som plankton.

Teamets resultat pekar på mycket högre nivåer av havsförsurning än den som förutspåddes av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) i sin rapport som publicerades 2014, som till stor del beaktade effekten av antropogena koldioxidutsläpp.

"Försurning kan vara 100 gånger allvarligare, Professor Gustafsson sa. "Havsförsurning med permafrostkol från land är en ny mekanism som vi inte hade tänkt så mycket på, och vi tyckte inte att det var så starkt."

Nästa, teamet planerar att undersöka metanet som flyr från undervattens permafrost. I många delar av Arktis, koncentrationen av gasen i havsvatten är hög men forskarna är inte riktigt säkra på dess källa. Det kan vara resultatet av upptining av permafrostjord eller metanhydrater – fast metan begravd under vattnet. Eller så kan den komma från naturgas mycket djupare ner som når ytan genom sprickor i permafrosten när den smälter.

"Vi måste verkligen förstå det för att förutsäga hur metanutsläpp kommer att utvecklas under de kommande decennierna eller århundradena, sade prof. Gustafsson.

Upptining av permafrost är redan ett växande problem för de som bor i regionen som upplever dess effekter. I kustområden, där det är särskilt benäget att tina, byggnader konstruerade på permafrost kollapsar eller skadas på grund av tining medan vägar spricker. Utsläpp av kol och organiskt material kommer sannolikt också att ha en inverkan på det vilda djur som samhällen är beroende av för mat.

Dr Hugues Lantuit, en forskare vid Alfred-Wegener Institute i Potsdam, Tyskland, och hans kollegor är intresserade av vad som händer med kol och andra ämnen som sipprar ut från permafrosten i dessa kustområden som en del av ett projekt som kallas Nunataryuk. De kommer att utföra fältarbete i Ryssland, Svalbard, Grönland, Kanada och Alaska.

Projektet involverar lokala samhällen i deras arbete. I Aklavik, en by på Yukon -kusten i Kanada, till exempel, teamet konsulterar inuitsamhällen för att hitta relevanta webbplatser för sin forskning, såsom områden där det finns gott om fisk eller där erosion är uttalad.

Genom möten, forskarna får insikt i lokala frågor som kan tas upp i sin forskning. På Svalbard, till exempel, där kusten är stenig, Tina permafrost påverkar mestadels infrastrukturen på land medan kusterosion är mer ett problem i Ryssland och Nordamerika. På samma gång, lokalbefolkningen kan lära sig vetenskapliga tekniker av forskare. "Det är verkligen en lärorik erfarenhet på båda sidor, " sa Dr Lantuit.

Uppehälle

Vissa samhällen är oroliga över klimatförändringarnas effekter på vilda djur, som de är beroende av för sitt uppehälle. Ett av projektets mål är därför att undersöka utsläpp av organiskt material från tinande permafrost till Ishavet. "Detta har en direkt inverkan på fiskpopulationen men vi förstår inte exakt hur, " sa Dr Lantuit.

Teamet försöker ta reda på om upptining av permafrost kommer att göra havet grumligt genom att släppa ut sediment i vattnet, vilket gör att mindre ljus kan tränga in. Detta kan resultera i färre fiskar eftersom algerna och växterna som de är beroende av för mat inte kan fotosyntes i mörkt vatten. Alternativt det kan ha en positiv effekt. "Mer kol kan också betyda mer näringsämnen, så stor festtid för mikroorganismer, växtplankton och potentiellt fisk, " sa Dr Lantuit.

Upptining av permafrost är också ett hälsoproblem eftersom det förväntas frigöra föroreningar och patogener. I en studie publicerad tidigare i år, medlemmar i teamet fann att permafrost innehåller mer kvicksilver än någon annan källa på planeten när den tidigare ansågs innehålla en obetydlig mängd. Eftersom kvicksilver är ett gift, det kan få allvarliga hälsokonsekvenser, allt från nedsatt minne till synproblem om det kommer ut. "Nu försöker vi kvantifiera utsläpp av kvicksilver och se vilka regioner som är mottagliga, " sa Dr Lantuit.

Så småningom, laget hoppas kunna komma med lösningar för att hantera effekterna av upptining av permafrost. De utvecklar modeller som borde hjälpa. I ett projekt, de tittar på vad som skulle hända om permafrost var källan till ett utbrott av mjältbrand – en bakterie som kan infektera huden, lungor och tarmar. De skapar också modeller för att förutsäga skador på infrastrukturen.

Förbättringar är redan på gång. Nunataryuk-forskare har arbetat med att utveckla byggnader som bättre kan motstå tinande permafrost genom att få samhällen i Nordamerika och Ryssland att utbyta strategier. I Nordamerika, till exempel, det fanns en tendens att bygga lätta konstruktioner av trä eller metall, medan byggnader är gjorda av betong i Ryssland.

"Det finns ett steg mot att använda en del av kunskapen på båda sidor för att skapa ny och bättre infrastruktur, " sa Dr Lantuit. "Vi har nu 40 till 50 år av uppvärmning i vissa områden så vi kan verkligen se vad som fungerar och vad som inte fungerar."