David Cook, en nyligen pensionerad Argonne-meteorolog, utför underhåll på ett virvelkorrelationsflödesmättorn, drivs av det DOE-finansierade programmet Atmospheric Radiation Measurement (ARM), i Utqiavik, Alaska. Tornet exemplifierar en av flera typer av instrumentering som används för att generera data i denna studie. Kredit:Argonne National Laboratory/Ryan Sullivan
Permafrost, den perennt frusna undergrunden i jordens nordligaste regioner, har samlat in och lagrat växt- och djurmaterial sedan långt före den senaste istiden. Nedbrytningen av en del av detta organiska material frigör naturligt koldioxid (CO 2 ) i atmosfären året runt, där det absorberas av växttillväxt under de varmare månaderna.
Denna region, kallas den norra permafrostregionen, är svårt att studera, och experiment finns det få och långt emellan jämfört med de på varmare och mindre avlägsna platser. Dock, en ny syntes som innehåller datauppsättningar som samlats in från mer än 100 arktiska studieplatser av dussintals institutioner, inklusive U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory, tyder på att när den globala temperaturen stiger, nedbrytningen av organiskt material i permafrostmark under vintermånaderna kan vara betydligt större än man tidigare trott. De nya siffrorna indikerar ett utsläpp av CO 2 som vida överstiger motsvarande sommarupptag.
Ännu viktigare, när man modellerar kolbalansen med hjälp av den stora insamlingen av data, forskarna fann att CO 2 frigörs av permafrostjord på vintern skulle kunna öka med 41 procent till år 2100 om utsläppen av växthusgaser som orsakas av människor fortsätter i sin nuvarande takt.
Studien, publiceras i Naturens klimatförändringar den senaste oktober, är den mest omfattande studien om detta fenomen hittills. Det belyser behovet av mer forskning om permafrostregionens netto CO 2 utsläpp, och det visar den betydande inverkan dessa utsläpp kan ha på växthuseffekten och den globala uppvärmningen.
Studien sammanför en kombination av mätningar på fältet och laboratoriebaserade studier – eller jordinkubationer – som de som utfördes vid Argonne. För att bättre förstå hur framtida uppvärmning kan påverka CO 2 utsläpp i permafrostregioner, Argonne-forskarna tog prov på en mängd olika permafrostjordar och övervakade CO 2 utsläpp vid en rad laboratoriekontrollerade temperaturer över och under fryspunkten som efterliknar typiska arktiska förhållanden. Forskarna ville identifiera hur olika markegenskaper eller andra faktorer påverkar nedbrytningshastigheten och CO 2 utsläpp från frusna och tinande jordar – information som kan bidra till att förbättra klimat- och jordsystemmodeller.
"Klimat- och jordsystemmodeller behandlar ofta dessa vinterpermafrost CO 2 utsläpp som obetydliga eller till och med obefintliga, sade Roser Matamala, en forskare vid Argonnes division Environmental Science och en bidragsgivare till studien. "Men den här studien, med sin stora mängd data som sträcker sig över flera säsonger, visar att vinterandningen är betydande och betydande. Studien bör övertyga modellbyggare om att detta flöde av vintertid kol till atmosfären inte längre kan förbises. Den är inte liten, och det måste beaktas."
Den norra permafrostregionen täcker cirka 15 procent av jordens landyta, sträcker sig från Ishavets kustlinje genom stora delar av Alaska, norra Kanada och norra Eurasien. Den ständigt frusna jorden i dessa regioner innehåller mer kol än vad människor någonsin har släppt ut, och ungefär en tredjedel av kolet som lagras i all jordens jord finns i denna region.
Under sommaren, växter vars rötter växer i tinad jord ovanför den perennt frusna underjorden absorberar CO 2 när de fotosyntetiseras. På samma gång, mikrober frigör CO 2 ut i atmosfären när de aktivt bryter ned organiskt material i marken. På vintern, när ytjorden och den underliggande permafrosten båda är frusna, sönderfallshastigheten och mängden CO 2 återvände till atmosfären sjunker avsevärt. Än, en liten mängd mikrobiell aktivitet fortsätter att bryta ner en del av det organiska materialet som finns i tunna, ofrusna vattenfilmer som omger jordpartiklar, släpper ut mindre mängder CO 2 . I åratal, denna balans tippades mot större absorption snarare än frisättning av CO 2 , men denna studie indikerar att förlusten av CO 2 från permafrostjordar till atmosfären över hela året är nu större än dess upptag under sommaren.
"Arktiska jordar har behållit oproportionerligt stora mängder organiskt material eftersom frusna förhållanden i hög grad bromsar mikrobiellt sönderfall av döda växtrötter och löv, ", sa Argonne markforskare och studiebidragsgivare Julie Jastrow. "Men precis som mat i frysfacket i ett kylskåp kommer att förstöras snabbare än i en frys, temperaturen på säsongsfrusna jordar och permafrost påverkar mängden mikrobiell aktivitet och nedbrytning."
Enligt Argonne-forskarna, mikrobiell aktivitet kan öka exponentiellt när stigande globala temperaturer värmer upp permafrosten till nivåer strax under fryspunkten. Redan innan permafrosten tinar, accelerationen i mikrobiell aktivitet i permafrostjord orsakar acceleration av dess CO 2 utsläpp.
Baserat på dessa resultat och uppskalning över hela Arktis, författarna uppskattar att cirka 1,7 miljarder ton CO 2 släpps under nuvarande vintersäsonger, men att endast 1 miljard metriska ton skulle tas upp av fotosyntesen under sommarmånaderna.
Datormodeller visade också att om människor skulle minska sina egna utsläpp till och med minimalt, vinter CO 2 Utsläppen i permafrostregionen skulle fortfarande öka med 17 procent till år 2100.
