Relatie klimaatverandering en permafrostdegradatie

Eduard Koster, professor in geomorfologie, schreef voor geografie.nl deze bijdrage. Een inleidend doch inhoudelijk verhaal over het voorkomen van permafrost en de mogelijk effecten van ‘climate change’ op de degradatie van de permafrost en daaraan gerelateerde emissie van broeikasgassen. Er zijn nog veel onzekerheden, toch proberen de media er iedere keer weer alarmverhalen van te maken.

De permafrost smelt door opwarming van de aarde, zo werd in diverse media dramatisch bericht. Dat gebeurt inderdaad al jaren, stelt Eduard Koster, emeritus professor in de geomorfologie aan de Universiteit Utrecht. En ook komen daarbij inderdaad broeikasgassen vrij. Het is vandaag de dag niet meer alarmerend dan een aantal jaar geleden, maar zorgwekkend is het zeker. Koster legt uit hoe dit smelten gemeten wordt, wat het proces van degradatie inhoudt en wat de gevolgen ervan zijn.

De degradatie (smelten) van permafrost in periglaciale gebieden op aarde is een proces van geleidelijke maar onafwendbare aard. Hoewel dit proces al decennia lang bekend is, wordt op grond van recente onderzoekingen verondersteld dat het in versterkte mate kan leiden tot het vrijkomen van grote hoeveelheden broeikasgassen, zoals CO2 en CH4.

Stijgende temperatuur

Permafrost betekent eigenlijk ‘permanent bevroren’. Het is een verschijnsel in (sub)arctische gebieden, waarbij de ondergrond nooit ontdooit. De permafrost op aarde is enorm: 23 tot 25 procent van het landoppervlak van het Noordelijk Halfrond bestaat uit permafrostzones. Afhankelijk van de ‘landbedekkingsgraad’ wordt gesproken over continue (90-100 procent van het landoppervlak), discontinue (50-90 procent) en sporadische (10-50 procent) of geïsoleerde (0-10 procent) permafrost.

Door klimaatverandering en opwarming van de aarde begint de permafrost op sommige plekken toch te ontdooien. Het internationale klimaatpanel IPCC concludeerde al in 1996 dat temperatuurmetingen in permafrostgebieden in Alaska, Canada, Rusland en China bijna allemaal een toename laten zien van 2 - 4 graden Celsius gedurende de twintigste eeuw. Vanaf het bodemoppervlak neemt de bodemtemperatuur gestaag toe. Seizoenveranderingen in de temperatuur werken door tot op een diepte van 15 tot 10 meter.

In verband met olie-exploratie zijn in de periode 1970-1990 talloze boringen gedaan in de permafrostgebieden van de ‘Alaskan Arctic Coastal Plain’. Routinematig zijn hierbij ook bodemtemperaturen gemeten. Ook daar is op praktisch alle plaatsen in de bovenste 100 meter van de permafrost een hogere temperatuur gemeten, als reactie op de luchttemperatuurverandering van minstens 2 graden Celsius gedurende de laatste eeuw. Soortgelijke waarnemingen zijn gedaan langs het 1300 kilometer lange traject van de Trans-Alaska oliepijpleiding van de havenplaats Valdez in het zuiden naar Prudhoe Bay aan de Beaufort Sea in het noorden. Als gevolg daarvan zijn thermokarstverschijnselen op diverse plaatsen ontwikkeld. Met argusogen worden deze temperatuurmetingen gevolgd omdat aanvullende maatregelen nodig kunnen zijn om te voorkomen dat de ondergrond, waarin de  pijpleidingen gefundeerd zijn, gaat afsmelten.

Buffer- en opdooilaag

De interactie tussen de atmosfeer en de permafrost vindt plaats via een ‘bufferlaag’ (figuur 1). Alle factoren in deze bufferlaag zijn direct of indirect afhankelijk van het klimaat. Door de complexe interactie tussen deze factoren is het ingewikkeld om te voorspellen welke reactie de permafrost zal vertonen bij toekomstige verandering van temperatuur en neerslag.

Het IPCC (1996/2001) haalt scenariostudies aan, die een afname van het permafrostareaal met circa 16 tot 6 procent in de 21e eeuw ‘voorspellen’. Overigens, in het geval van grote permafrostdiktes tot vele honderden meters moet rekening gehouden worden met gemodelleerde ‘response’-tijden van vele eeuwen tot millennia (figuur 2). Dit laat onverlet dat een toename van de dikte van de seizoengebonden ‘opdooilaag’ en het ontdooien van de permafrost tot dieptes van enkele tientallen meters in een tijdsbestek van jaren tot enkele decennia kan verlopen met directe gevolgen voor de stabiliteit van de bodem. Geprojecteerde afnames in het permafrostareaal, voornamelijk ten gevolge van het afsmelten van de zuidelijke delen van de zones van sporadische en discontinue (ondiepe en relatief warme) permafrost, komen uit op waardes van zo’n 15, 20 en meer dan 20 procent afname van de permafrost voor tijdstippen rond respectievelijk 2030, 2050 en 2080 (French, 2007; Proceedings van de International Conferences on Permafrost (ICOP 2016 en eerder).

Niet alleen rondom de polen, maar ook in hooggebergten vindt dit proces van degradatie van de permafrost plaats. Bijvoorbeeld in de Europese Alpen, waar ook een teruggang in alpiene gletsjers plaatsvindt (Haeberli & Beniston, 1998). 4 tot 6 procent van Zwitserland kent permafrostcondities, met name in de zuidelijke helft van het land op een hoogte van meer dan 2000 meter. Het betreft overwegend relatief ondiepe, discontinue tot sporadische gebergtepermafrost met een temperatuur dicht nabij het smeltpunt en als zodanig zeer gevoelig voor temperatuurveranderingen. Door het smelten van de permafrost neemt de stabiliteit van hellingen af waardoor de kans op bergstortingen, puinlawines en modderstromen sterk toeneemt. Op 15 juli 2003, werd dit wel heel pregnant geïllustreerd door de noodzaak voor het eerst in de geschiedenis de Matterhorn af te sluiten voor toeristen en bergbeklimmers vanwege het gevaar van afstortend puin, dat losgeraakt was op een hoogte van 3400 m door het smelten van bodemijs in de helling. Het gevaar was zelfs zo acuut dat met behulp van helikopters in allerijl tientallen klimmers geëvacueerd moesten worden. Regionale klimaatmodellen wijzen uit dat de benedengrens van de (relatief warme) permafrost in de Alpen waarschijnlijk enkele honderden meters zal stijgen in de 21e eeuw.

Broeikasgassen

Naast deze stabiliteitsproblemen (thermokarst) is permafrostdegradatie ook van grote invloed op het vrijkomen van broeikasgassen als CO2 en CH4 uit toendragebieden. In recente studies (Jorien Vonk et al. in Biogeosciences 12, 7129-7167 (2015), Nature 520, 171-179 (April 2015);  Nature Climate Change 7, 6-7 (Jan. 2017)) wordt niet alleen bericht over de gigantische hoeveelheden organische koolstof in terrestrische permafrost, maar wordt ook duidelijk gemaakt dat de potentiële emissie van broeikasgassen enorm is. Echter, over de snelheid waarmee het smelten van de permafrost en daaraan gerelateerde emissie van organische koolstof  kan plaatsvinden bestaat nog veel onduidelijkheid.

Tot slot, een ander fenomeen dat van invloed is op permafrostontwikkeling is het veelvuldig optreden van grote bosbranden in boreale bossen. De US National Interagency Fire Center bericht dat jaarlijks vele tienduizenden vierkante kilometer bos afbranden in Alaska en Noord- Canada. Het jaarlijks optredende bosbrandareaal neemt de laatste decennia sterk toe, naar aangenomen wordt als gevolg van klimaatverandering. Bosbrand leidt tot verdikking van de opdooilaag en kan op plaatsen waar de permafrost dun is  binnen enkele tientallen jaren leiden tot het geheel verdwijnen van de permafrost.

BRONNEN

• ACIA (2004), Arctic Climate Impact Assessment Cambridge University Press.
• French, H.M. (2007), The Periglacial Environment.  J.Wiley & Sons.
• Haeberli, W. & M. Beniston (1998), Climate change and its impacts on glaciers and permafrost in the Alps. Ambio 27, 258-265.
• Lachenbruch, A.H. & B.Vaughn Marshall (1986), Changing climate: Geothermal evidence from permafrost in the Alaskan Arctic. Science 234, 689-696.