Permafrost: toch niet zo permanent

In de eerste aflevering van Klimaatjagers bezoekt Bernice Notenboom Alaska. Een logische keuze voor het begin van de serie: de klimaatverandering in het Noordpoolgebied is de spreekwoordelijke kanarie in de kolenmijn. Juist het Noordpoolgebied wordt sterk geraakt door de wereldwijde opwarming. Dit uit zich onder meer in een sterke afname van het zomer zee-ijs in de Noordelijke IJszee en de afname van het landijs op Groenland (waarover meer in een latere uitzending).

In de laatste decennia vinden er ook drastische veranderingen plaats in de omvang en dikte van de permafrostlaag op het Noordelijk Halfrond. Wetenschappers onderzoeken deze veranderingen en houden zich bezig met de potentiële gevolgen. Met name de grote hoeveelheden broeikasgassen die bij het ontdooien van permafrost vrij kunnen komen, leiden tot bezorgdheid. Wat is permafrost, en kunnen eventuele veranderingen in de permafrostbedekking klimaatverandering versnellen?

Veel van de huidige permafrost is ontstaan gedurende de laatste ijstijd, soms zelfs nog eerder, toen grote delen van het Noordelijk Halfrond bedekt waren onder een kilometersdikke laag ijs. Deze permafrost is gedeeltelijk behouden gebleven gedurende het Holoceen.

Ook onder de zeebodem kan permafrost aanwezig zijn. Die heeft zich dan meestal gevormd tijdens de laatste ijstijd, toen het zeeniveau drastisch lager was en grote delen van het continentaal plat blootgesteld werden aan de koude poollucht. De permafrostlaag bevat een schat aan informatie over flora en fauna uit deze vroegere tijden. Dankzij de kou zijn veel resten van planten en dieren, die vroeger veel voorkwamen in deze gebieden, goed geconserveerd. Regelmatig worden zo overblijfselen van mammoeten, wolharige neushoorns, en – zelfs – kamelen (een soort die zich oorspronkelijk in Noord-Amerika heeft ontwikkeld) uit de permafrost naar boven gehaald.

Permafrost is echter ook een gevoelige indicator van klimaatverandering. Veranderingen in de dikte of de omvang van de permafrost worden voornamelijk veroorzaakt door veranderingen in de luchttemperatuur en door veranderingen van de isolerende sneeuwlaag in de winter. Boorkernen in diepere permafrostlagen kunnen bovendien iets vertellen over het temperatuursverloop in de afgelopen honderd jaar. Temperatuurmetingen in boorgaten verzameld in het hele Arctische gebied laten over het algemeen een signaal van opwarming zien dat zich vanaf de tweede helft van de vorige eeuw heeft ingezet.

Onderzoeker Vladimir Romanovsky van het Amerikaanse Permafrost Research Center meet de temperaturen in de permafrost van Alaska tot op grote diepte. Volgens hem warmt de permafrost significant en snel op en dringt de warmte ook steeds dieper door, voornamelijk door de warmere en langere zomers. Een studie van boorgattemperaturen in Noord Alaska laat zien dat sinds de jaren tachtig de temperatuur daar met maar liefst twee tot drie graden is toegenomen. In 2012 zijn recordtemperaturen gemeten diep in de permafrost van Noord-Alaska, waar eind jaren zeventig metingen begonnen.

Indirect wijzen waargenomen veranderingen in toendravegetatie, bebossing en het aantal meren ook op een opwarming van de ondergrond. De omvang van permafrostgebieden verandert hierdoor. In Noord-Amerika en Rusland verplaatst de zuidelijke grens van het permafrostgebied zich noordwaarts als gevolg van de opwarming sinds de Kleine IJstijd (een relatief koude periode die plaatsvond tussen de zestiende en negentiende eeuw). Ook op het Tibetaanse Plateau is de omvang en dikte van de permafrost sterk veranderd in de laatste tientallen jaren. 

Het ontdooien van de permafrost heeft ingrijpende gevolgen voor het landschap en ecosystemen. Met name op plaatsen waar veel ijs in de grond zit, worden gebieden steeds meer onderhevig aan verzakkingen, waardoor een chaotisch terrein ontstaat met veel heuveltjes en kuilen. De heuveltjes drogen uit, terwijl in de depressies meertjes ontstaan. Dit verschijnsel wordt thermokarst genoemd, en heeft naast grote ecologische gevolgen onder meer ook gevolgen voor infrastructuur en bebouwing.

Dit proces is ook vaak te herkennen aan bossen waar veel bomen schots en scheef staan als gevolg van verzakkingen, men spreekt dan wel van dronken bossen. De opwarming leidt ook tot een dikkere actieve laag, wat op hellingen kan zorgen voor aardverschuivingen. Aan zee kan afname van de permafrost zorgen voor een instabiele kustlijn met sterke kusterosie als gevolg waarvan hele gemeenschappen bedreigd worden. Dit proces wordt versterkt door het verdwijnen van zee-ijs, waardoor golven sterker worden.

De toendrabodem zit vol organisch materiaal: dode planten- en dierenresten die lange tijd bevroren zijn geweest. Zodoende bevat de permafrost een enorm reservoir aan koolstof. Wetenschappers wijzen erop dat potentieel het grootste gevaar van de ontdooiende permafrost het vrijkomen van grote hoeveelheden koolstof is.

Wanneer de permafrost ontdooit, zal ook het organische materiaal erin ontdooien. Het kan dan door bacteriën worden afgebroken. Bij die afbraak kan koolstof in grote hoeveelheden vrijkomen in de vorm van broeikasgassen: methaan (CH4) of koolstofdioxide (CO2). Welk van deze broeikasgassen ontstaat is afhankelijk van lokale omstandigheden. Wanneer er voldoende zuurstof in de bodem is, ontstaat CO2, anders is dat methaan. Methaan is een broeikasgas dat warmte zo'n 25 maal effectiever vasthoudt dan CO2.

In veel meertjes op de toendra kun je dit methaan in de zomer naar boven zien bubbelen. De toendra's in het Arctische gebied zijn bezaaid met dit soort meertjes. Methaan blijft ongeveer twaalf jaar in de atmosfeer en breekt dan af tot CO2. Het kost de aarde duizenden jaren CO2 weer naar pre-industriële niveaus terug te dringen door opname in de zogeheten lange koolstofcyclus.

Recente metingen in delen van Siberië laten zien dat veel grotere hoeveelheden methaan vrijkomen van land en zeebodem dan eerdere schattingen aangaven. Het vrijkomen hiervan kan leiden tot een versterking van het broeikaseffect en dus leiden tot extra opwarming. Dat heet een positieve feedback: een zichzelf versterkend mechanisme. In hoeverre en in welke mate dit proces al in gang is gezet is nog onzeker; veel permafrostonderzoek richt zich ook juist daarom hierop.

Dr. Jan Wuite is glacioloog.

Belangrijke vragen zijn hoeveel koolstof er in de grond ligt opgeslagen dat op korte termijn vrij kan komen, in welke vorm dit vrij komt (als CO2 of als methaan) en hoe snel, en hoe je van bijvoorbeeld metingen van individuele meertjes komt tot schattingen voor de gehele toendra. Om deze vragen te beantwoorden nemen wetenschappers zoals Ben Abbott van de Universiteit van Alaska, (Fairbanks, VS) in de uitzending proefmonsters van de permafrost.

Abbotts onderzoek laat zien dat het duizenden jaren duurt om de grote hoeveelheid organisch materiaal in de bodem op te bouwen, maar dat het in enkele jaren tot decennia vrij kan komen. Hij waarschuwt dat de verwachte opwarming van twee tot vijf graden deze eeuw zal leiden tot een zeer snelle en abrupte verandering van het ecosysteem. Volgens Abbott is het niet meer de vraag óf het permafrostgebied het klimaatsysteem gaat beïnvloeden, maar wanneer en in welke mate.

De concentratie methaan in de atmosfeer is sinds de industriële revolutie sterk gestegen. Volgens de World Meteorological Organization (WMO) bereikte de concentratie methaan in 2011 een nieuw record met een niveau dat ongeveer 2,5 keer hoger ligt dan de preïndustriële waarde. Die toename wordt overigens voornamelijk toegeschreven aan menselijke bronnen, zoals veeteelt, rijstvelden en verbranding van biomassa. Vanaf midden jaren tachtig tot aan het begin van deze eeuw leek de toename van methaan langzaam te stagneren. In de afgelopen jaren is de stijging echter weer toegenomen, maar het is onzeker waar die door veroorzaakt wordt.

Wetenschappers van NASA noemen in Klimaatjagers de hoge methaanconcentraties die zij op sommige locaties in het Arctische gebied vanuit een vliegtuig meten verontrustend. Tot op heden is echter nog niet aangetoond dat recent vrijgekomen broeikasgassen uit de Arctische toendra een significante bijdrage leveren aan het globale budget. Duidelijk is wel dat de hoeveelheid methaan die vrij zou kunnen komen uit de permafrost voldoende is om de atmosferische concentratie aanzienlijk te verhogen, met een forse opwarming als logisch gevolg.

Het is voor het huidige klimaatbeleid van groot belang beter te kunnen bepalen hoe de permafrost zich zal gaan gedragen in een warmere wereld en hoeveel broeikasgassen er mogelijk vrij zullen komen. Wanneer dit grote hoeveelheden zijn, zou dat naast ecologische ook grote economische gevolgen kunnen hebben.

Experts verwachten dat in de nabije toekomst significante hoeveelheden broeikasgassen vrij zullen komen door het ontdooien van de permafrost op land en onder zee. De gemiddelde verwachting is dat de hoeveelheid koolstof die deze eeuw vrijkomt uit de permafrost te vergelijken zal zijn met de hoeveelheid die vrijkomt door ontbossing. Maar doordat veel in de vorm van methaan zal zijn, kunnen de gevolgen voor het klimaat veel groter uitpakken.

Voorlopig zal de bijdrage van de ontdooiende toendra's echter nog sterk ondergeschikt zijn aan de hoeveelheid die vrijkomt bij het verbranden van fossiele brandstoffen. De opwarming door broeikasgassen uit fossiele brandstoffen bepaalt uiteindelijk mede de snelheid waarmee de permafrost ontdooit en zelf broeikasgassen gaat uitstoten en zo de klimaatverandering zal versterken. Hoever we precies van dat kantelpunt afzitten is voorlopig nog moeilijk te zeggen, maar wanneer deze slapende reus eenmaal wakker wordt, is zij moeilijk nog onder controle te houden.