Permafrosten tør. hvad ved vi om bidraget til det globale drivhusgasbudget?

Transkript

1 Bo ELBERLING Dr. scient., ph.d. og professor i miljøgeokemi ved Institut for Geografi og Geologi,Københavns Universitet samt ved Universitetscentret på Svalbard. Permafrosten tør hvad ved vi om bidraget til det globale drivhusgasbudget? Permafrosten i Nordøstgrønland tør omkring 1 cm om året. Modelsimuleringer tyder på, at yderligere cm vil tø de næste 70 år. Det er velkendt, at der kan frigives både kuldioxid (CO 2 ) og metan (CH 4 ) når permafrostlag tør. Nye forskningsresultater dokumenterer, at permafrost under optøning kan give anledning til en overraskende høj produktion og potentiel frigivelse af både CO 2 og CH 4, men også lattergas (N 2 O), som regnes for en 300 gange kraftigere drivhusgas i atmosfæren end CO Permafrostens karakteristika Permafrost er jordlag og sedimenter (aflejringer), som forbliver frosne mere end 2 år i træk. Aktivlaget er den øverste del af jordmiljøet, som tør hver sommer. I arktiske områder med såkaldt kontinuerlig permafrost kan tykkelsen af permafrosten være flere hundrede meter. Permafrosten indeholder store mængder af organisk stof, fordi puljen er opbygget over flere tusinde år. Puljen kan være særdeles stor, hvor gamle overfladelag med organisk materiale er blevet begravet af vind- eller vandaflejrede sedimenter. På den måde kan overfladenære lag med tiden blive en del af permafrosten. Dertil kommer, at puljen af organisk stof kun langsomt omsættes under de generelt kolde forhold i Arktis. Når permafrostlag tør, er det veldokumenteret, at organisk stof kan omsættes, og kulstof kan frigives som både kuldioxid og metan. Men undersøgelser af kvælstof (herunder lattergas) mangler derimod, bl.a. fordi tidligere studier har vist, at kvælstofomsætningen er ganske ringe i aktivlaget, men hvad med i permafrosten? Figur 1. Permafrostens udbredelse på den nordlige halvkugle. G R Ø N H V E R D A G 2 /

2 2A: Her ses sporadisk permafrost som en isoleret mindre bakke fra det nordlige Norge 2B. Kontinuerlig permafrost fra kærområder i Zackenberg i Nordøstgrønland Permafrostens udbredelse og typer Permafrost er udbredt, hvor den årlige middeltemperatur ligger under smeltepunktet i mindst to år i træk. I praksis betyder det en gennemsnitlig årlig lufttemperatur på omkring 2 C eller koldere. På den nordlige halvkugle svarer det til, at omkring 25 % af alle landområder er mere eller mindre præget af permafrost. Størstedelen af dette areal findes i det nordlige Alaska, Sibirien, Grønland og Canada (figur 1). Men permafrost findes også på større bjerge i hele verden som f.eks. Mount Kenya, Kilimanjaro, Ruwenzori og på højsletterne i Tibet. 3 hovedtyper Det findes mindst tre hovedtyper af permafrost: sporadisk, diskontinuerlig og kontinuerlig permafrost. Disse typer er defineret ud fra hvor meget permafrost, der befinder sig i et givet stort område. Sporadisk permafrost findes i områder, som egentligt er for varme til at have permafrost, men hvor lokale forhold medfører, at der alligevel findes isolerede områder med permafrost. Sådanne områder findes typisk knyttet til lavbundsjorde, f.eks. kær og findes udbredt i bl.a. Nordskandinavien (Billede 2A). Diskontinuerlig permafrost er områder med udbredt permafrost, men som er afbrudt af områder, hvor der ingen permafrost er. Områderne med diskontinuerlig permafrost har en typisk jordtemperatur mellem -2 og -6 C. Kontinuerlig permafrost er karakteriseret af store og sammenhængende områder med permafrost. Jordtemperaturen for områder som har kontinuerlig permafrost er typisk lavere end -6 C. Den kontinuerlige permafrost findes under vidt forskellige vegetationstyper. Billede 2B og C viser dels et eksempel på våd og frodig vegetation ved Zackenberg i Nordøstgrønland og dels et eksempel på mere golde forhold i det nordlige Grønland. Tykke forekomster af permafrost findes bl.a. i Nordgrønland. Den nedre grænse for permafrosten er betinget af den geotermiske opvarmning (varme fra jordens indre). Vegetation og landskaber Områder med permafrost er desuden kendetegnet ved særlige landskabsformer, som er betinget af fryse-tø-processer. I det følgende er to mere almindelige former beskrevet. Hvor terrænet hælder, vil der ofte findes flydejord (såkaldte solifluktionslober) dannet ved en kombination af frosthævning og efterfølgende optøning af det øverste jordlag, som så kan flyde ned over lavereliggende frosne lag. I mere flade områder findes bl.a. polygonjorde, en landskabsform hvor jordoverfladen er domineret af et geometrisk og oftest polygonalt (mangekantet) mønster. Denne landskabsform skyldes en opsprækning af det øverste jordlag ved udtørring, hurtig afkøling eller uensartet ophvælvning af jordoverfladen og kendes også fra Danmark som fossile rester fra tidligere istider, der i dag er fyldt op med sedimenter. Zackenberg i Nordøstgrønland Det er en flot oplevelse at nærme sig den grønlandske østkyst fra luften. Området, der adskiller havet og Indlandsisen, domineres af stejle og nøgne fjelde samt gletschere. Først lige inden man lander ved Zackenberg, dukker et mosaikagtigt landskab op bestående af både lavtliggende og fugtige kær, store ensartede tundraflader og helt vegetationsfrie afblæsningsflader. Denne rumlige variation afspejler landskabets morfologi og alder, G R Ø N H V E R D A G 2 /

3 2C. Kontinuerlig permafrost fra områder næsten uden vegetation ved Citronen fjord i Nordgrønland. Borearbejdet ved Zackenberg i Nordøstgrønland sommeren jordmiljøets udgangsmateriale, klimaet, herunder eksponering af sol, sne og vand, og ikke mindst planternes tilpasning til de givne miljøbetingelser. I Zackenberg kan man skelne mellem mindst 20 forskellige vegetationstyper, hvoraf mindst 10 kan skelnes på satellitbilleder. Højt oppe på Zackenbergfjeldet er planterne stort set fraværende, og jordbundsudviklingen tilsvarende begrænset. Puljen af kulstof og andre næringsstoffer i jorden er her betinget af et ringe input af organisk stof. På den mere jævne tundra dominerer den arktiske plante grønlandsk fjeldsimmer (dryas, også kendt som rypelyng) på de tørre og eksponerede dele, de såkaldte afblæsningsflader, mens kantlyng dominerer i de mere fugtige områder med et beskyttende snelag om vinteren. I lavninger og områder nedstrøms for permanente snefaner vil der være mere vådt store dele af sommeren, og her dominerer bl.a. kæruld. Kombinationen af et højt vandindhold og højtliggende permafrost betyder, at der her ofte opstår iltfattige forhold i jordmiljøet. Organisk stof i denne iltfattige zone omsættes derfor kun langsomt og ufuldstændigt, så der dannes tørv. I alle dele af landskabet frigives kuldioxid fra jordmiljøet til atmosfæren. Herfra forbruges det til at indbygge kulstof i planter (via fotosyntesen). I de våde områder frigives desuden metan. Hvor hurtigt tør permafrosten? Hastigheden, hvormed permafrosten tør, kan vi vurdere ud fra observationer. I Zackenberg er tykkelsen af aktivlaget blevet målt ved vækstsæsonens afslutning siden Disse målinger viser, at aktivlagets tykkelse i gennemsnit øges med 0,9 cm per år. Denne forøgelse er kun et minimumsbud på hvor tykt et lag af permafrosten som tør. Det skyldes at permafrosten også består af is, som smelter ved en optøning hvilket betyder at aktivlaget og optøet permafrostlag falder sammen efter optøning. Et bud på, hvor hurtigt permafrosten vil tø i fremtiden, kan fås ved at nedskalere de modelforudsigelser omkring klimaudviklingen, som Danmarks Meteorologiske Institut (DMI) har lavet for hele Grønland til området omkring Zackenberg. Disse modelresultater forudsiger, at middeltemperaturen om sommeren i 2080 er mindst 2-3 grader varmere end i dag. På baggrund af ovenstående prognoser, jordspecifikke karakteristika samt observerede jordtemperaturer og vandindhold har vi ved hjælp af en svensk model (CoupModel) beregnet, at tykkelsen af aktivlaget i Zackenbergområdet maximalt vil øges med cm de næste 70 år. Variationen cm knytter sig til, at en øget optøning er bestemt af jordtype, herunder i særlig grad variationer i vandindholdet, samt hvor meget lufttemperaturen stiger i fremtiden. Den maksimale optøning forventes i de tørreste jordtyper. Når hastigheden af permafrostens optøning bliver mindre ved en fortsat opvarmning skyldes det, at der skal mere og mere varme til at tø dybere og dybere permafrostlag op. Øget kulstofomsætning og frigivelse af kuldioxid (CO 2 ) For at kunne vurdere, hvordan en fremtidig optøning af permafrosten påvirker omsætningen af kulstof i jordmiljøet, er der indsamlet borekerner fra permafrostlag. Disse er efterfølgende blevet inkuberet, dvs. opbevaret i lukkede rør under konstant temperatur (2-5 C) og tryk samtidig med, at frigivelsen af bl.a. CO 2 løbende er målt. Det viser sig, at optøede permafrostprøver fra Zackenberg er lige så gode til at frigive CO 2 som jordlagene i aktivlaget. Dele af permafrosten kan tilsyneladende frigive store mængder CO 2 under optøning, formentlig fordi den indehol- G R Ø N H V E R D A G 1 /

4 Aktivlagets tykkelse måles i kærområde vha nedstik, august 2008 Hvor vandløb eroderer sig ned i landskabet, er der nem adgang til permafrostlag. der begravede overfladelag og planter, der med tiden er blevet begravet af f.eks. vindaflejrede sedimenter. Men også i våde dele af landskabet er kulstof ophobet og kan omsættes så snart miljøforholdene er gunstige. Ved at måle frigivelsen af CO 2 som funktion af vandindhold og temperatur i jordprøver i laboratoriet er der opnået et detaljeret kendskab til sammenhængen mellem ændringer i vandindhold og temperatur og så produktionen af CO 2. Ved derefter at tage udgangspunkt i konkrete klimaforudsigelser er det muligt at forudsige, hvor hurtigt den organiske pulje vil blive omsat, samt frigivelsen af CO 2 under en given optøning. Resultaterne viser, at den nuværende frigivelsesrate fra permafrostlag er meget begrænset i forhold til den mængde CO 2, som produceres i aktivlaget. Men resultaterne viser også, at CO 2 produktionen i permafrosten i fremtiden (frem til 2080) kan stige med en faktor 3-5 og alene øge den samlede CO 2 frigivelse fra jordoverfladen med omkring 50 %. Det er uklart, i hvilket omfang denne øgede CO 2 produktion vil kunne modsvares af et øget kulstofoptag i en øget plantevækst i Arktis. Mere nedbør øger metanfrigivelsen (CH 4 ) Klimaforandringer handler ikke kun om temperatur. I områder, hvor nedbørsmængderne forventes at stige, vil dele af landskabet blive mere eller mindre vandmættet. Nogle planter er tilpasset sådanne forhold og vil trives, men omsætningen af kulstof i jorden vil ske langsomt og ufuldstændigt. Det betyder, at frigivelsen af CH 4 vil stige. CH 4 er en 25 gange kraftigere drivhusgas end kuldioxid. Vores målinger viser, at den potentielle produktion af CH 4 i den øverste del af permafrosten er overraskende stor, og markant større end i bunden af aktivlaget. En væsentlig grund til denne overraskende høje produktion af både CO 2 og CH 4 fra permafrostlag er et højt indhold af opløst kulstof, som frigives og omsættes, når isen i permafrosten smelter. Øget kvælstofomsætning og frigivelse af lattergas (N 2 O) Kvælstof (N) anses i mange arktiske økosystemer for at være en begrænsende faktor for plantevæksten. Det kom derfor som en overraskelse, at smeltevand fra permafrostlag kan indeholde betydelig mere opløst N end jordvand fra aktivlaget i Zackenberg. Især er indholdet af ammonium (NH 4 +) højt. Dette kan nedbrydes til nitrat og er en velkendt kilde til produktion af lattergas. For at undersøge lattergasproduktion og potentiel frigivelse, hvor jordlag drænes hver sommer, men vandmættes igen med smeltevand fra overliggende lag næste år, sattes et manipuleringsforsøg i gang. Disse forhold giver nemlig basis for omdannelsen af ammonium til nitrat og nitrat videre til lattergas. Forsøget viser, at når en permafrostprøve tør, produceres der i størrelsesordenen 0,8 μg N 2 O i timen per kilo jord. Men når kernen i stedet for drænes og efter en uge vandmættes igen med det samme vand, så stiger den samlede frigivelse af N 2 O fra permafrostkernen med en faktor 20. Det bringer frigivelsen af N 2 O op i samme størrelsesordenen, som er målt i mange ikke arktiske landbrugsjorder og er markant højere end tidligere målt i arktiske områder. Konklusionen og fremtidige undersøgelser Denne artikel tager udgangspunkt i data, som viser, at permafrostlag i dag er under optøning, og at optøningen sker med op til 1 cm om året. Permafrosten består både af organisk-holdige jordlag, vand og luft. I jordlagene er der ophobet uomsat kulstof primært rester fra planter. Desuden findes der i samme lag mikroorganismer, der G R Ø N H V E R D A G 1 /

5 Zackenbergelven er den største flod i området og giver anledning til flotte erosionsskrænter. Billedet viser en anden markant optøning af permafrost end den, som er direkte knyttet til en opvarmning. Langs kysten og i tilknytning til større floder ses nemlig en markant udvaskning af tidligere frosne lag, og der findes i dag stort set ingen viden om, hvilke rolle sedimenter og næringsstoffer, som vaskes ud til havet, spiller i de marine miljøer. 16 har overlevet nedfrysning og er klar til at omsætte kulstoffet ved en optøning. Omsætningen ses ved en øget frigivelse af kuldioxid (CO 2 ), hvis der er ilt tilstede og som metan (CH 4 ), hvis der ikke er ilt tilstede. Forholdet mellem CO 2 og CH 4 er vigtigt, fordi CH 4 er en 25 gange kraftigere drivhusgas end CO 2, selvom der er tale om samme mængder af kulstof. Problemstillingen kompliceres af, at CH 4 kan omdannes til CO 2. Fremtidige undersøgelser skal bl.a. tage udgangspunkt i optøningsforsøg af lag fra både permafrosten og aktivlaget. Ilt i aktivlaget vil nemlig kunne bidrage til at CH 4 omdannes til CO 2. De indledende undersøgelser tyder på, at mikroorganismer i aktivlaget er effektive til at omsætte både kulstof og kvælstof, som er ophobet i permafrosten, men at mindre end halvdelen af den mængde CH 4 og N 2 O, som dannes i nyoptøet permafrost, vil kunne frigives til atmosfæren. I forbindelse med et studenterkursus ved Zackenberg og på Svalbard sommeren 2008 blev der udtaget permafrostkerner til nærmere analyse. Det er disse kerner, som nu giver anledning til helt ny viden om permafrosten. Ideen bag et kombineret forskningsprojekt og universitetskursus er udviklet i samarbejde med Professor Hanne H. Christiansen fra UNIS, Universitetet på Svalbard. Projektet blev samfinansieret af Nordisk Ministerråds Arktiske Samarbejdsprogram , det norske og danske forskningsråd, UNIS samt Zackenberg Research Station. Tak til GeoBasis for adgang til klimadata, og tak til Jørgen Hollesen og Birger Ulf Hansen for input til artiklen. Bo Elberling be@geo.ku.dk G R Ø N H V EER D A G 21 /