Northumbria University ska spela en ledande roll i en stor studie för att bedöma den globala uppvärmningens långsiktiga inverkan på Sibiriens tinande permafrost.

Permafrost är frusen mark som lagrar stora mängder fossilt kol. Med tanke på att permafrost innehåller dubbelt så mycket kol som atmosfären, och att nästan en fjärdedel av norra halvklotet är täckt av permafrost, denna frusna mark spelar en viktig roll för att stabilisera klimatförändringarna.

Upptining av permafrost anses vara ett av de viktigaste klimattippande elementen som skulle leda till långsiktiga oåterkalleliga förändringar i det globala klimatet. Dock, dagens värmande globala temperaturer innebär att permafrosten börjar tina och släpper ut växthusgaser i atmosfären.

Northumbria University är hem för ett team av världsledande akademiker som specialiserat sig på att rekonstruera klimat- och miljöförändringar genom årtusenden. De har tilldelats ett Leverhulme Trust Research Project Grant på £489, 000 för att rekonstruera Sibiriens klimat under de senaste 500 till 800 tusen åren och uppskatta det långsiktiga ödet för Sibiriens permafrost under dagens stigande temperaturer.

Forskarna kommer att arbeta i samarbete med experter från Tysklands Alfred Wegener Institute Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) i Potsdam.

Rekordhöga 38 grader rapporterades i östra Sibirien i juni 2020. Detta ledde till ett aldrig tidigare skådat antal skogsbränder i regionen, släpper ut ytterligare kol i atmosfären. Kopplingarna mellan skogsbränder och permafroststabilitet är komplexa, men bevis tyder på att upptining och nedbrytning av permafrost har tredubblats de senaste åren som svar på fler och hetare bränder.

Den fyraåriga studien kommer att bedöma hur Sibiriens permafrost expanderade och minskade som svar på det förflutnas förändrade klimat, och vilken roll de kalla glaciala och varmare interglaciala perioderna spelar.

Studien kommer att vara den första som kollektivt kombinerar arkiven av permafrost-is, grottavlagringar och kräftdjursfossiler för att rekonstruera tidigare temperaturer och regional klimathistoria. Tidigare studier har endast granskat dessa arkiv individuellt.

Permafrost-is härstammar från, och bevarar, atmosfärisk nederbörd, vilket betyder att den håller rekord av vinter- och sommartemperaturer. Sammansättningen av de gamla permafrost-isproverna kommer att göra det möjligt för forskarna att dechiffrera klimatförhållandena vid den tidpunkt då isen bildades. På liknande sätt, grottavlagringar kan informera om de långsiktiga medeltemperaturförändringarna, och kräftdjursfossiler berättar historien om sommartemperaturen, var och en innehåller ett viktigt klimatarkiv.

Forskarna hoppas att den helhetssyn som erhållits genom att kombinera fynden från vart och ett av dessa arkiv kommer att ge nya insikter om hur temperaturerna förändrades, som kan hjälpa till att avslöja säsongsvariationer i det förflutna.

Teamet har hittat flera webbplatser som de beskriver som att de har stora löften att förse dem med de viktiga prover och data de behöver från grottor, is- och sjöavlagringar.

De kommer att använda små grunda sjöar och permafrost-is från den arktiska kusten, från Batagay Megaslump och Mamontova Gora-platsen i centrala Yakutia; Botovskaya-grottan i södra Sibirien; och den hittills ostuderade Kirensk Karst-regionen, mer än 500 mil nordost om Bajkalsjön.

Grottor har avgörande bevis på tidigare miljöförhållanden. Karbonatformationer som kallas speleothems kan bara växa när vatten rinner in i grottan från jorden ovanför. Som i permafrost är allt vatten fruset, detta betyder att speleothems bara kunde ha vuxit vid en tidpunkt då klimatet var varmare och landet ovanför grottan inte var fruset.

Fossilerna av små räkliknande varelser, känd som ostracods, lovar också forskargruppen mycket. Med en storlek på bara 0,5 till 2 mm, ostracods lever bara några månader på sommaren och bygger ett karbonatskal som liknar musslor. De fossiliserade karbonatskalen från grunda dammar i permafrostregionen kommer att ge forskare ett arkiv med data om temperaturerna vid den tidpunkt då de bildades.

Tack vare en nyligen genomförd investering i ett masspektrometrilabb vid Institutionen för geografi och miljövetenskap i Northumbria, forskarna kommer att använda en metod känd som klumpad isotop geotermometri för att extrahera detaljer om isotopsammansättningen av de fossiliserade karbonatskalen och rekonstruera norra Sibiriens sommartemperaturer under årtusenden. Liknande, teamet kommer att använda speleothems för att utforska den långsiktiga temperaturutvecklingen under interglaciala perioder.

Dr Sebastian Breitenbach, Rektors seniorstipendiat vid Northumbria Universitys institution för geografi och miljövetenskap sa:"Den sibiriska permafrosten bildades huvudsakligen, men inte uteslutande, under kalla perioder, känd som istider eller glacialer, under de senaste två miljoner åren, medan åtminstone en del av permafrosten tinades under varma stadier, känd som interglacialer.

"Om vi ​​tittar på temperaturerna i Sibirien idag, vi ser att de varierar med upp till 90 grader över året, från -60 på vintern upp till cirka 30 grader på sommaren. Dock, vi måste se denna säsongsbetonade amplitud i proxy. Var förändringen i temperatur alltid densamma som vi känner den idag, eller var det annorlunda förr? Hur mycket varmare var de senaste somrarna, hur olika vintrarna?

"Vi vet att sättet permafrost reagerar på klimatförändringar och långsiktiga klimatkontroller verkar vara mer komplext än att bara reagera på varmare eller kallare temperaturer. Vi tror därför att om vi kan tillhandahålla bevis på samspelet mellan temperatur och nederbörd på en säsongsbunden skala, vi kan svara på den avgörande frågan om tidigare permafrostbildning och -nedbrytning kan tillskrivas specifika klimatförhållanden eller säsongsmönster.

"Denna studie kommer att göra det möjligt för oss att rekonstruera klimatförhållandena och förhoppningsvis skapa en ny förståelse för huruvida den tidigare formationen, och särskilt försämring, av permafrost kan tillskrivas specifika temperaturer eller säsongsmönster."

Dr Hanno Meyer, Chef för den stabila isotopanläggningen vid AWI Potsdam och expert för isotopbaserad permafrostpaleoklimatologi sa:"Kombinationen av flera isotopsignaler från flera klimatarkiv över östra Sibirien erbjuder en spännande möjlighet att reda ut tidigare klimatdynamik på olika tidsmässiga och rumsliga skalor för båda glacialer och interglacialer.

"Kombinera denna paleoklimatinformation med geologiska bevis på permafrostbildning, stabilitet eller nedbrytning kommer att hjälpa oss att identifiera potentiella trösklar i olika klimatparametrar som var ansvariga för permafrostsystemets svar på tidigare klimatförändringar. Denna kunskap kommer att hjälpa oss att uppskatta de framtida effekterna av den globala uppvärmningen på permafrosten i östra Sibirien och konsekvenserna för lokala samhällen samt återkopplingsmekanismen till det globala klimatsystemet."

Dr Breitenbach tillade:"Med installationen av vårt nya masspektrometrilabb, Northumbria blir ett av bara fyra universitet i England som kan genomföra de detaljerade klumpade isotoptesterna som krävs för att rekonstruera dessa temperaturförhållanden. Vi är mycket glada över att börja använda vår nya utrustning och etablera Northumbria som ett ledande centrum för geotermometri och karbonatforskning."