Som detektiver, Argonne-forskare studerar ledtrådar från utsläpp av kol i upptinande permafrostregioner, sammanföra ledtrådarna för att skapa detaljerade kartor för att förutsäga effekten av stigande globala temperaturer på framtida utsläpp av växthusgaser.

Webster's Dictionary definierar en ond cirkel som "en ömsesidig orsak och verkan där två eller flera element intensifierar och förvärrar varandra, förvärrar situationen."

Utsläpp av kol från tinande jordar i permafrostregioner representerar just en sådan cykel.

Permafrostpåverkade jordar – där underjordiska temperaturer förblir under fryspunkten i två eller flera år i rad – innehåller enorma mängder organiskt kol som sönderfaller och kommer in i atmosfären. Hastigheten för sådana utsläpp har accelererat med klimatförändringarna eftersom regionerna snabbt blir varmare och ytjordar tinar till större djup på sommaren. Utsläpp av lagrat kol som växthusgaser (t.ex. koldioxid och metan) ut i atmosfären orsakar ytterligare uppvärmning och mer koldioxidutsläpp.

För att hjälpa till att förstå cykeln, forskare måste noggrant undersöka potentialen för dessa kollager att påskynda den globala uppvärmningen genom att mäta hur mycket av växthusgaserna som släpps ut från sönderfallande permafrostkol. Ett team av forskare ledda av Julie Jastrow och Roser Matamala, terrestra ekologer vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, bidrar till detta arbete genom en integrerad uppsättning forskningsmetoder.

Deras arbete, nyligen publicerad i Vetenskapens framsteg , fokuserat på att kvantifiera hur mycket kol som lagras i permafrostpåverkade jordar och, mer specifikt, där den förvaras i jordlagren.

Eftersom jordar innehåller mer än två tredjedelar av jordens markbundna kolpool – mer än dubbelt så mycket kol som finns i atmosfären – spelar de en betydande roll i den globala kolcykeln. Mycket av kolet i jordar är organiskt material som bildas när döda växtmaterial sönderfaller och mikrobiellt skräp ackumuleras under perioder som sträcker sig från decennier till tusentals år.

Teamet använde big data – en enorm mängd data som växer med tiden – och geospatiala analysmetoder för att utveckla de första högupplösta kartorna över markens kollagring och distribution på flera djup för permafrostregioner på norra halvklotet.

Som detektiver, geospatiala analytiker samlar in och plockar igenom ett berg av data som är sorterade geografiskt, hitta de mest relevanta uppgifterna och använda visualisering och statistiska tekniker för att identifiera och analysera trender. Teamet identifierade också vilka miljöförhållanden - såsom temperatur, nederbörd, topografi eller vegetation – förutsäger bäst markens kolmängder i permafrostregioner.

Deras detektivarbete ger en baslinje som är avgörande för forskare som utvecklar jordsystemmodellerna som används för att förutsäga mängden och typen av växthusgasutsläpp som släpps ut när permafrostpåverkad jord börjar tina.

Jordar i permafrostregioner behåller mer organiskt kol än i andra regioner eftersom organiskt material på ytan blandas i djupare lager på grund av frekventa frysnings- och upptiningscykler - en process som kallas kryoturbation - och upprepad nedgrävning av ackumulerade torvavlagringar av vind- och vattentransporterade sediment. Ytterligare klimatfaktorer hjälper till att minska nedbrytningshastigheten och bevara stora lager av organiskt kol i dessa jordsystem under långa perioder.

I den förtorkade luften som finns på höga breddgrader och höjder, där de flesta permafrostpåverkade jordarna förekommer, extrema klimat leder till större temperaturökningar än i andra delar av världen. Permafrosten värms redan, tinar och försvinner från vissa delar av dessa kalla områden, men den progressiva hastigheten för permafrostförlust som förutspås av framtida klimatuppvärmningsscenarier kan släppa ut avsevärda ytterligare växthusgaser till atmosfären före och efter slutet av detta århundrade.

Kolkartläggningsstudien - ledd av Umakant Mishra, en geospatial forskare från Argonne nu med Sandia National Laboratories – inkluderade också ett flertal samarbetspartners associerade med Permafrost Carbon Network. Detta internationella team samlade in data som kvantifierar kol i jordprover som samlats in från mer än 2, 500 olika platser över den norra cirkumpolären, eller arktisk permafrostregion, och på nästan 200 platser över den tibetanska platån – den största permafrostregionen på hög höjd på lägre breddgrader.

Mätningar av organiskt kol i marken som använts för att producera tidigare cirkumpolära uppskattningar kombinerades med stora mängder ny markdata från forskare från Kanada, Ryssland, Sydkorea och Sverige. Uppgifterna var organiserade efter djup—0 till 1, 1 till 2, och 2 till 3 meter - för att beräkna profiler av markens organiskt kolförråd på varje provplats. Dessa samarbeten ökade antalet prover med 42 % – till 69 % – jämfört med tidigare studier, beroende på djup.

Teamet sammanställde sedan nyligen tillgängliga högupplösta kartor över miljöfaktorer som påverkar markbildningen och skalade dem till en enhetlig upplösning på 250 kvadratmeter. Att korrelera dessa relationer med miljökartorna, de genererade uppskattningar av markens organiska bestånd för både de nordliga cirkumpolära och tibetanska permafrostregionerna.

Ett viktigt fynd tyder på att mer kol förekommer närmare ytan - inom en meter - än vad forskare tidigare trodde, göra mer av regionens kol sårbart för upptining, sönderdelning och frigöring när den globala lufttemperaturen stiger, potentiellt matar uppvärmningscykeln.

Forskarna fann att fördelningen av kollager i båda permafrostregionerna beror på komplexa samband mellan flera miljöfaktorer. Temperatur, nederbörd, topografiska egenskaper och vegetationstyp var signifikanta prediktorer för kolförråd. Analysen pekade också ut topografi som en viktig faktor i förutsägelseosäkerheter; denna information kan användas för att prioritera var ytterligare prover av markens kolprofiler behövs som mest.

"Övergripande, denna nya bild av hur de enorma mängderna organiskt kol som lagras i permafrostpåverkade jordar är fördelade över stora delar av världens kallaste landområden kommer att bidra till att förbättra möjligheten för jordsystemmodeller att förutsäga effekten av stigande globala temperaturer på framtida utsläpp av växthus. gaser från dessa snabbt föränderliga regioner, sa Jastrow.

Studien, "Spatial heterogenitet och miljöprediktorer för permafrostregionens organiskt kollager, " publiceras i Vetenskapens framsteg .