De opwarming van de aarde heeft grote gevolgen voor de permafrost in Canada en Siberië: de altijd bevroren ondergrond ontdooit. Bacteriën kunnen de ontdooide bodem, die grotendeels bestaat uit halfvergane organische resten, omzetten in het broeikasgas CO2. Dr. Jorien Vonk, aard- en klimaatwetenschapper aan de Vrije Universiteit Amsterdam, leidt een Europees onderzoeksproject dat de gevolgen hiervan in kaart brengt. Samen met twee promovendi en een postdoc. Het project gaat vijf jaar duren en er is 1,5 miljoen euro mee gemoeid.

Afgelopen zomer is het wetenschappelijk team voor het eerst op veldexpeditie geweest. Op het programma stonden het Keelplateau en een gebied in het uiterste noordwesten voor de kust van Yukon op Herschel Island in Canada. Volgend jaar zomer staat Noordoost-Siberië op het programma. Vonk: „Dooiende permafrost is op deze locaties het duidelijkst te zien.”

De expedities vinden meestal in de zomer plaats, omdat het dan dooit. „We kunnen daardoor gemakkelijker monsters van ontdooide permafrost verzamelen”, legt Vonk uit.

Vriezer

Promovendus Dirk Jong maakt deel uit van Vonks team. In een laboratorium van de Vrije Universiteit doet hij onderzoek aan de monsters die hij afgelopen zomer nam op Herschel Island in het uiterste noordwesten van Canada. „Hier ligt voor jaren onderzoeksmateriaal ingevroren”, zegt Jong terwijl hij de deur van de vriezer opendoet.

Permafrost bestaat uit een mengsel van ijs, plantenresten, dode dieren en andere bodemafzettingen. De samenstelling kan per gebied behoorlijk verschillen, weet Vonk. „Op sommige plekken bedraagt het gehalte aan ijs 60 tot 80 procent, terwijl er elders slechts bevroren poriewater in de bodem zit. Zowel de samenstelling als het gehalte ijs heeft invloed op de dooisnelheid.”

Het meeste organische materiaal bevindt zich in de bodems van Noord-Canada en Siberië. De wetenschappers onderzoeken hoeveel daarvan vrijkomt bij een abrupte dooi van permafrost. De hamvraag is: Hoeveel CO2 komt hierdoor ten slotte in de atmosfeer terecht?

Naar schatting zou er twee keer zo veel CO2 kunnen ontstaan door verrotting van al het organische materiaal in de permafrost, als er zich nu in de atmosfeer bevindt. Thans bedraagt het gehalte aan CO2 400 ppm (aantal deeltjes per miljoen luchtdeeltjes), wanneer alle permafrost ontdooit zou er dus nog eens 800 ppm bijkomen.

In de praktijk zal dat nooit gebeuren, verwacht Vonk. „Veel organisch materiaal is ‘over de datum’ en daarom niet interessant voor microben.” Ze schat dat er tussen de 5 en maximaal 40 procent kan worden omgezet. „Daarin zit een forse onzekerheid, omdat het permafrostgebied ontzettend groot is. We weten er simpelweg nog te weinig van.”

Satelliet

Hoeveel permafrost er als gevolg van de klimaatverandering al is ontdooid, weet Vonk ook niet. „Dat is moeilijk vast te stellen. Het gebied van permafrost beslaat een kwart van het noordelijk halfrond. En omdat permafrost onder de grond zit, kun je het dooien niet meten met satellieten zoals het smelten van zee-ijs.” Ook is het onderzoek naar het dooien van de permafrost vrij recent opgestart. „Wetenschappers zijn pas halverwege de jaren tachtig van de vorige eeuw met grondmetingen begonnen.”

Hoe en hoe snel de permafrost in een bepaald gebied dooit, hangt daarnaast sterk af van de samenstelling van de bodem, legt Vonk uit. „Veenpermafrost ontdooit veel langzamer en gelijkmatiger dan een permafrostbodem die rijk is aan zand, silt of klei. De laatste bevat minder organisch materiaal, dat bovendien met horten en stoten verdwijnt.”

Middeleeuwen

Het dooien van permafrost is van alle tijden, weet Vonk. „Gedurende de middeleeuwen zijn er warme perioden geweest waarbij de toplaag ontdooide en later weer bevroor. Dat is goed te zien bij boringen. Lagen die toen ontdooiden en daarna weer bevroren, hebben een andere structuur.”

In gebieden waar de temperatuur ’s zomers tot boven het vriespunt stijgt, ontdooit de bovenlaag elk jaar. Dat is de zogenoemde opdooilaag. „Hoe diep de dooi doordringt, hangt af van tal van factoren: hoe warm het ’s zomers is, welke vegetatie er groeit, de waterhuishouding van de bodem, hoeveel sneeuw erop ligt en hoelang die blijft liggen, de weersomstandigheden in de zomer en de gemiddelde temperatuursstijging”, legt Vonk uit.

De jaarlijkse opdooilaag kan per gebied sterk variëren: van enkele centimeters tot meters. Gemiddeld bedraagt deze enkele tientallen centimeters.

Door klimaatverandering verschuiven bovendien de seizoenen. De dooi treedt soms weken eerder in en de vorst keert pas weken later terug. Daardoor dringt de dooi elk jaar een paar centimeters dieper door. Vonk: „Hoe langer de jaarlijkse dooi aanhoudt, des te dikker de opdooilaag.”

De permanent bevroren ondergrond is in ieder geval nog altijd een stuk dikker dan de jaarlijkse opdooilaag. „In Noord-Europa, Noord-Canada en Alaska is de vorstlaag over het algemeen enkele tientallen meters dik. Maar bij de Russische stad Jakoetsk in het noordoosten van Siberië is het zo koud dat de permafrost daar met gemak honderden meters dik is”, weet Vonk.

Bodemtemperatuur

De temperaturen in de bevroren lagen kunnen overigens per gebied sterk verschillen. In Alaska zijn er plekken waar de bodemtemperatuur tussen de -5 en de -9 graden Celsius bedraagt, terwijl die op andere locaties slechts een paar graden of enkele tienden van graden onder het vriespunt ligt. Op plaatsen in Noordwest-Canada en Noorwegen schommelt de bodemtemperatuur voortdurend rond het vriespunt. „Hier is de grond het gevoeligst voor temperatuursstijging”, aldus Vonk.

Ondanks de opwarming verwacht zij niet dat alle permafrost zal ontdooien. „Daar is de ondergrondse vriezer simpelweg te groot voor.” Wel voorspelt ze dat de permafrostgrens steeds verder naar het noorden opschuift.

Talik

Sinds de start van de bodemmetingen is de temperatuur met enkele tienden tot maximaal 2 graden Celsius gestegen. Wetenschappers hebben vastgesteld dat de dooi van permafrost 20 procent sneller verloopt dan aanvankelijk werd aangenomen.

Wanneer de jaarlijkse dooi maar diep genoeg de grond indringt, blijft er ’s winters een onbevroren laag aanwezig. Dat heet een ”talik”. In deze tussenlaag blijven microben actief; ze genereren voortdurend warmte. Vonk: „Dit is een van de versnellende processen waar we nu een beter inzicht in hebben.” Het verschijnsel ”talik” komt alleen voor op plekken waar de permafrost die in de zomer is ontdooid ’s winters niet meer bevriest.

De hoeveelheid neerslag is een belangrijke factor bij het ontstaan van een ”talik”. Vanwege klimaatverandering valt er meer sneeuw. Door de isolerende werking van sneeuw kan de kou ’s winters moeilijker de grond indringen. Maar het omgekeerde is volgens Vonk ook mogelijk wanneer de sneeuw in het smeltseizoen langer blijft liggen.

In kaart

Ondanks al het wetenschappelijke onderzoek blijft het dus bijzonder lastig om een eenduidig model te ontwikkelen voor het ontdooien van de permafrost. Met haar team tracht Vonk de hoeveelheid organisch materiaal die op bepaalde plekken vrijkomt in kaart te brengen. „Van een aantal plekken weten we hoeveel daarvan wordt omgezet in CO2, maar er komt nog steeds veel nattevingerwerk bij kijken.”

Vonk merkt ook op dat er bij dooi het sterke broeikasgas methaan vrijkomt. „Maar dat zijn geringe hoeveelheden.” De hoeveelheid CO2 in de atmosfeer als gevolg van de ontdooiende permafrost is volgens Vonk nu ook nog verwaarloosbaar.

Trend

Het VN-klimaatpanel IPCC heeft de effecten van deze extra broeikasgassen nog niet meeberekend in zijn laatste rapport. Hierdoor kunnen de klimaatdoelen van Parijs uit 2015 –om de temperatuursstijging onder de 2 graden Celsius te houden– mogelijk nieteens worden gehaald. Naar verwachting zal in het jaar 2100 een kwart van alle broeikasgassen afkomstig zijn uit ontdooide permafrost. „Tenminste, als de huidige trend doorzet”, nuanceert Vonk. „Misschien treden er later terugkoppelingsmechanismen in werking waar we nu geen weet van hebben.”

Feit is dat het IPCC in zijn laatste alarmerende rapport uit 2013 geen rekening heeft gehouden met extra uitstoot van CO2 uit permafrost. Vonk is een van de experts die up-to-date informatie aanleveren over de factoren die bijdragen aan de opwarming van de aarde. Ze droeg bij aan de jongste zogeheten Swiparapportage (Swipa staat voor: Snow, Water, Ice Permafrost in the Arctic). De bijdrage zal worden gebruikt voor een volgend IPCC-rapport.

Tijdens het schrijven van het IPCC-rapport uit 2013 was deze kennis over de permafrost nog niet beschikbaar. „Die kon dus niet worden meegewogen in het klimaatakkoord van Parijs in 2015. Maar we weten nu wel dat we nog minder CO2 mogen uitstoten om de klimaatdoelen überhaupt te kunnen halen.”

Landschap als gatenkaas

Het onderzoek naar de abrupte dooi wordt gedaan in zogeheten ”thaw slumps”, ook wel dooikraters genoemd. Dit zijn grote gaten van tientallen voetbalvelden groot en tientallen meters diep. De laatste decennia zijn er honderden van deze gaten bijgekomen. Van bovenaf ziet het landschap eruit als gatenkaas. Dr. Jorien Vonk, aard- en klimaatwetenschapper aan de Vrije Universiteit Amsterdam, doet onderzoek naar het ontstaan van deze dooikraters.

In het Canadese poolgebied zakt de bodem als een plumpudding in elkaar. Tot groot verdriet van de lokale Inuitbevolking. Door de opwarming smelt de wereld letterlijk onder hun voeten weg. Huizen storten in, omdat de fundering rust op de permafrost. Vonk: „Het is te vergelijken met lasagne die je uit de vriezer haalt. De bodem dooit als geheel.”

Als mogelijke oorzaken van abrupte dooi noemt Vonk organische verstoringen in de bovenlaag: „Een waterstroompje, aanleg van een weg of een plek in de permafrost die wat dunner is, kan de oorzaak zijn van een gat. Maar ook een dooiende ijswig of een verstoring in de vegetatie waardoor er minder isolatie tegen warmte is, kan het begin van zo’n dooikrater zijn.”

Maar de belangrijkste oorzaak is de wereldwijde temperatuursstijging. Hierdoor smelt het zee-ijs en warmt het water op. „Daarom dooit permafrost aan de kustgebieden veel sneller dan landinwaarts”, verklaart Vonk.