Nästan en fjärdedel av landet på norra halvklotet, uppgår till cirka 9 miljoner kvadratkilometer, är skiktad med permafrost—jord, sediment, och stenar som är frusna fast i flera år i taget. Stora sträckor av permafrost finns i Alaska, Sibirien, och kanadensiska Arktis, där ihållande minusgrader har hållit kol, i form av ruttnade bitar av växter och djur, låst i marken.

Forskare uppskattar att mer än 1, 400 gigaton kol är fångade i jordens permafrost. När de globala temperaturerna stiger, och permafrosten tinar, denna frusna reservoar skulle potentiellt kunna fly ut i atmosfären som koldioxid och metan, avsevärt förstärker klimatförändringen. Dock, lite är känt om permafrostens stabilitet, idag eller förr.

Nu geologer vid MIT, Boston College, och på andra håll har rekonstruerat permafrostens historia under de senaste 1,5 miljoner åren. Forskarna analyserade grottavlagringar på platser i västra Kanada och fann bevis för att, mellan 1,5 miljoner och 400, 000 år sedan, permafrost var benägen att tina, även på höga arktiska breddgrader. Sedan dess, dock, upptining av permafrost har begränsats till subarktiska regioner.

Resultaten, publiceras i Vetenskapens framsteg , tyder på att planetens permafrost skiftade till ett mer stabilt tillstånd under de senaste 400, 000 år, och har varit mindre mottaglig för upptining sedan dess. I detta mer stabila tillstånd, Permafrost har troligen behållit mycket av kolet som den har byggt upp under denna tid, har små möjligheter att gradvis släppa den.

"Stabiliteten för de senaste 400, 000 år kan faktiskt arbeta emot oss, genom att det har tillåtit kol att stadigt ackumuleras i permafrost under denna tid. Smältning nu kan leda till avsevärt större utsläpp av kol till atmosfären än tidigare, " säger studiens medförfattare David McGee, docent vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap.

McGees medförfattare är Ben Hardt och Irit Tal vid MIT; Nicole Biller-Celander, Jeremy Shakun, och Corinne Wong vid Boston College; Alberto Reyes vid University of Alberta; Bernard Lauriol vid University of Ottawa; och Derek Ford vid McMaster University.

Staplad uppvärmning

Perioder av tidigare uppvärmning anses vara interglaciala perioder, eller tider mellan globala istider. Dessa geologiskt korta fönster kan värma permafrosten tillräckligt för att tina. Tecken på forntida permafrosttining kan ses i stalagmiter och andra mineralavlagringar som lämnats efter när vattnet rör sig genom marken och in i grottor. Dessa grottor, särskilt på höga arktiska breddgrader, är ofta avlägsna och svåråtkomliga, och som resultat, det har varit lite känt om permafrostens historia, och dess tidigare stabilitet i uppvärmande klimat.

Dock, under 2013, forskare vid Oxford University kunde ta prov på grottavlagringar från några få platser i Sibirien; deras analys antydde att upptining av permafrost var utbredd i hela Sibirien före 400, 000 år sedan. Sedan dess, resultaten visade ett mycket reducerat intervall av permafrostupptining.

Shakun och Biller-Celander undrade om trenden mot en mer stabil permafrost var global, och försökte genomföra liknande studier i Kanada för att rekonstruera permafrosthistorien där. De knöt samman med banbrytande grottforskare Lauriol och Ford, som gav prover på grottavlagringar som de samlat in under åren från tre distinkta permafrostregioner:södra kanadensiska Klippiga bergen, Nahanni nationalpark i nordvästra territorierna, och norra Yukon.

Totalt, laget fick 74 prover av speleothems, eller delar av stalagmiter, stalaktiter, och flytstenar, från minst fem grottor i varje region, representerar olika grottdjup, geometrier, och glacialhistorier. Varje provtagen grotta var belägen på exponerade sluttningar som troligen var de första delarna av permafrostlandskapet som tinade upp med uppvärmningen.

Proverna flögs till MIT, där McGee och hans labb använde exakta geokronologiska tekniker för att bestämma åldern på varje provs lager, varje lager återspeglar en period av permafrostupptining.

"Varje speleothem avsattes med tiden som staplade trafikkottar, " säger McGee. "Vi började med det yttersta, yngsta lagren hittills den senaste tiden då permafrosten tinade."

Arktiskt skifte

McGee och hans kollegor använde tekniker för uran/torium geokronologi för att datera lagren av varje speleothem. Dateringstekniken bygger på den naturliga sönderfallsprocessen av uran till dess dotterisotop, torium 230, och det faktum att uran är lösligt i vatten, medan torium inte är det.

"I klipporna ovanför grottan, som vatten sipprar igenom, de samlar uran och lämnar torium efter sig, " McGee förklarar. "När det vattnet kommer till stalagmitytan och fälls ut vid tidpunkten noll, du har uran, och inget torium. Sedan gradvis, uran sönderfaller och producerar torium."

Teamet borrade ut små mängder från varje prov och löste upp dem genom olika kemiska steg för att isolera uran och torium. Sedan körde de de två elementen genom en masspektrometer för att mäta deras mängder, förhållandet som de använde för att beräkna ett visst lagers ålder.

Från deras analys, forskarna observerade att prover som samlats in från Yukon och de yttersta platserna i norr hade prover som inte var yngre än 400, 000 år gammal, tyder på att upptining av permafrost inte har inträffat på dessa platser sedan dess.

"Det kan ha varit lite grund tö, men när det gäller att hela stenen ovanför grottan tinas, som inte har hänt de senaste 400, 000 år, och var mycket vanligare innan dess, " säger McGee.

Resultaten tyder på att jordens permafrost var mycket mindre stabil före 400, 000 år sedan och var mer benägen att tina, även under interglaciala perioder när nivåerna av temperatur och atmosfärisk koldioxid var i nivå med moderna nivåer, som annat arbete har visat.

"För att se dessa bevis på ett mycket mindre stabilt Arktis före 400, 000 år sedan, föreslår även under liknande förhållanden, Arktis kan vara en helt annan plats, " säger McGee. "Det väcker frågor för mig om vad som fick Arktis att förvandlas till detta mer stabila tillstånd, och vad kan få den att flytta ur den."