Az éghajlatváltozás következtében az Arktisz különösen gyorsan melegszik, ami súlyos következményekkel jár. A régióban elterjedt permafroszt, amelynek talaja jelenleg kétszer annyi szenet tárol, mint a légkör, egyre nagyobb mértékben olvad. A tudósok egyre részletesebb klímamodellek segítségével vizsgálják, hogy ez mit jelent a globális éghajlatra nézve, és milyen figyelemreméltó visszacsatolási mechanizmusokat kell figyelembe venniük.
Az örökfagy rejtélye
1827-ben Fjodor Sergin orosz kereskedő kutat próbált ásni jakutszki házának udvarán Szibériában. Folyékony víz helyett azonban csak fagyott talajt talált. Sergin 15 méteres mélységben feladta, de később tudósok érdeklődtek a jelenség iránt, és meggyőzték őt, hogy folytassa az ásást. Tíz év elteltével a kút elérte jelenlegi 116 méteres mélységét, és Jakutszk a permafroszt-kutatás bölcsőjévé vált.
Az örökké fagyott talaj, vagyis a permafroszt, az utolsó jégkorszakok emléke. Ezeknek a talajoknak a hőmérséklete legalább két egymást követő évben a fagypont alatt van – függetlenül attól, hogy tőzegből, durva- vagy finomszemcsés kőzetből állnak, vagy tartalmaznak-e jeget.
A permafroszt többsége az északi féltekén található, ahol a szárazföldi felszín mintegy negyedét fedi le, főként az Északi-sarkkörön túl. Skandináviában 20 méteres, Alaszkában több száz méteres, Szibériában pedig akár 1500 méteres mélységet is elér – ami jól megmagyarázza, miért volt Serginnek annyi gondja a folyékony víz megtalálásával az udvarán.
A permafroszt felszínén található az úgynevezett aktív réteg, amely nyáron felolvad, és lehetővé teszi a növények növekedését: füves területek, erdők, vagy tavakkal és mocsarakkal tarkított vizes élőhelyek jönnek létre. Egyes területeken a táj mozaikra emlékeztet, mintha számtalan sokszöget fektettek volna gondosan egymás mellé. Ezt a szerkezetet a hideg sarkvidéki tél során a mélységből hozza létre a fagyott talaj, amikor összehúzódik és megrepedezik. Ezek a repedések tavasszal olvadékvízzel telnek meg, ami aztán jéggé fagyva éket alkot, létrehozva a felszín lenyűgöző geometriai mintázatát.
A jégkorszakoktól a globális felmelegedésig
Ezek a tájak változnak: a mérések azt mutatják, hogy az elmúlt évtizedekben az Arktisz jelentősen gyorsabban melegedett, mint a Föld átlagosan. Ennek következtében a permafroszt mélyebb rétegei is olvadni kezdenek. A következmények közé tartozik a talajsüllyedés és az erózió.
Sok tó eltűnik, mert a víz most már elfolyhat, miközben az elmerülő talaj által hagyott mélyedésekben új tavak keletkeznek, mások pedig összeolvadnak, mert hiányzik a jég, amely korábban elválasztotta őket. A víztömegekkel és süllyedő permafroszttal átszőtt tájat a szakértők termokarsztnak nevezik – a szó első része az okot, a második része ezen képződmények szaggatott megjelenését írja le.
A permafroszt olvadása nemcsak az Arktisz arcát változtatja meg, hanem a Föld éghajlatára is hatással van. Ennek oka, hogy a permafroszt hatalmas mennyiségű szenet tárol – a permafroszt régió talajai körülbelül kétszer annyit, mint a légkör. Ez elhalt növények formájában van megkötve, amelyek bomlását az alacsony hőmérséklet és az alacsony oxigéntartalom akadályozza meg.
Amikor a permafroszt olvadni kezd, a mikroorganizmusok elkezdik lebontani az anyagot. Ez üvegházhatású gázokat termel: szén-dioxidot (CO2) vagy metánt, amely körülbelül 28-szor erősebb melegítő hatással bír, mint a CO2 100 éves időtávon. Ezek a gázok a tavakból is kiszabadulnak, ahol szintén sok szén bomlik le.
Az éghajlatkutatók ezért próbálják megérteni, hogyan fog reagálni az Arktisz az emelkedő hőmérsékletekre: Szabadítja-e fel nagy szénkészleteit a légkörbe, és ha igen, mikor és milyen formában? A Max Planck Meteorológiai Intézet (MPI-M) kutatói vizsgálják a sarkvidéki folyamatokat. Victor Brovkin, aki Jakutszkban született és nőtt fel, nem messze Sergin bányájától, az MPI-M „Éghajlat-Bioszféra kölcsönhatások” munkacsoportjának vezetője.
Szárazabb vagy nedvesebb: mindkettőnek van következménye
A közelmúltig a kutatókat az a kérdés foglalkoztatta, hogy a talajban tárolt szén CO2 vagy metán formájában szökik-e el, utóbbi még erősebb felmelegedési potenciállal rendelkezik. A válasz többek között attól függ, hogy az Arktisz a jövőben nedvesebb vagy szárazabb lesz-e. Ennek oka, hogy száraz talajokban a mikroorganizmusok oxigén segítségével bontják le a növényi anyagot, miközben CO2 keletkezik. Vízborításos talajokban viszont az oxigén ritka vagy hiányzik, így a szerves anyag bomlásakor metán termelődik.
Azonban még nem tisztázott, hogy az Arktisz szárazabbá vagy nedvesebbé válik-e. A Földrendszer-modellekkel (ESM) végzett szimulációk növekvő csapadékmennyiséget mutatnak a régióban a jövőben – ami nedvesebb körülményeket eredményezhet a felszínen, és segíthet fenntartani a felszíni víztömegek és a vízzel telített talajok nagy sűrűségét.
Ennek ellenére vannak érvek a permafroszt tájak jövőbeni kiszáradása mellett is. E szerint a permafroszt olvadása csökkentené a talajvízszintet és lehetővé tenné a víz könnyebb elfolyását, ami hosszú távon a talaj kiszáradását okozná.
Az MPI-M kutatója, Philipp de Vrese és kollégái az MPI-ESM klímamodellt használták annak bemutatására, hogy ez mit jelenthet a metánkibocsátásra az Arktiszon. Megállapításaik szerint egy nedvesebb Arktiszon, kiterjedt mocsaras területekkel, bizonyos helyeken valóban több metán szabadulna fel – de nem mindenhol. Ennek oka, hogy a nedves talajokból elpárolgó víz hűti a szárazföldi felszínt, ami gátolja a növények produktivitását és a metántermelést.
Ezzel szemben kevesebb talajnedvesség kevesebb felhőt eredményez. Ennek következtében több napsugárzás éri el a szárazföldi felszínt, felerősítve a helyi felmelegedést. A növények növekedése serkentődik, és több szubsztrát válik elérhetővé a mikroorganizmusok számára, növelve a metántermelést. A CLICCS tudósai nemrégiben kimutatták, hogy ez az oka a tavakból származó növekvő metánkibocsátásnak is. Ezért az az egyszerű logika, miszerint a metánáramok nedves Arktiszon növekednek, száraz Arktiszon pedig csökkennek, nem feltétlenül helytálló.
A globális hatások megértése
Mindezt a globális éghajlatra vonatkozóan csak akkor érthetjük meg, ha a szénciklus mellett a légkörrel való közvetlen kölcsönhatásokat is figyelembe vesszük: Ha az Arktisz feletti felhőtakaró valóban csökkenne, és ha a magas szélességi fokok felmelegednének, a trópusok és az Arktisz közötti hőmérsékleti gradiens csökkenne.
A szimulációk szerint ez hatással lehetne az Egyenlítőhöz közeli csapadékmintázatokra, így a trópusi vizes élőhelyekről származó metánkibocsátásra is. Ezek már ma is a metán legnagyobb természetes forrásai, és a jövőben még többet juttathatnak a légkörbe. „Valóban meghökkentő, hogy egy térben korlátozott folyamatnak ilyen messzemenő következményei lennének” – mondja Philipp de Vrese.
A tudósok modelljeiknek köszönhetik, hogy ezek a következmények feltárásra kerültek. „A Földrendszer-modellezés globális kérdésekre ad választ. Lehetővé teszi számunkra, hogy különböző forgatókönyveket hasonlítsunk össze és előrejelzéseket készítsünk a jövőre nézve” – mondja Victor Brovkin csoportvezető.
A modellezés feltárta a part menti permafroszt eróziójának jövőbeni alakulását is, ahogy az MPI-M „Óceáni Biogeokémia” munkacsoportjának munkája is mutatja: Az arktikus parton a hullámok és a növekvő hőmérséklet anyagot távolítanak el az olvadó permafrosztból – jelenleg évente körülbelül fél méteres partvonal-visszahúzódásról van szó, ami a számítások szerint az évszázad végére várhatóan megduplázódik vagy megháromszorozódik.
Ez nemcsak a parti közösségeket fenyegeti, hanem további hatással van az óceáni szénciklusra is: Az erodált anyagban lévő szén az óceánba kerül, ahol lebomlik. Ennek eredményeként növekszik a CO2-tartalom az óceán felszínén, ami lelassítja a CO2 óceáni felvételét a légkörből. „Az Északi-sarkvidéki-óceán viszonylag nagy mennyiségű CO2-t nyel el méretéhez képest” – mondja David Nielsen CLICCS klímakutató. „De a Földrendszer-modellek még nem tudták teljesen pontosan szimulálni ezt a szénelnyelőt.”
Ha figyelembe vesszük a part menti permafroszt eróziójának hatását, a belső Arktikus-óceán kilenc-tizenkilenc százalékkal kevesebb CO2-t nyelhet el. Az erózió következtében a tengervíz növekvő CO2-tartalma savasabbá is teszi az óceánt, ami veszélyezteti a tengeri ökoszisztémák egészségét.
Kihívások a modellezésben
Az, hogy az Arktisz mikor és milyen formában bocsátja ki nagy szénkészleteit a légkörbe, és milyen hatásai lesznek ennek, komplex kérdések, amelyek csak Földrendszer-modellekkel érthetők meg. Azonban: „Jelenleg rés van a releváns folyamatok térbeli skálája és a Földrendszer-modellek felbontása között” – mondja Victor Brovkin.
Ennek oka, hogy a modellekben a Föld felszínére helyezett rács, így a szimulált változók, mint a hőmérséklet, a csapadék vagy a szénáramok, kilométeres vagy 100 kilométeres skálán vannak. Azonban számos releváns tájképi jellemző sokkal finomabb, néha méteres skálán heterogén.
Az arktikus környezetek gazdag sokféleségének figyelembevételéhez az MPI-M a jénai Max Planck Biogeokémiai Intézettel és az osztrák b.geos céggel együttműködve a „Q-Arctic” projektben egyesítette erőit. A csapat megfigyelési adatokat gyűjt helyszíneken és műholdakról a releváns tájképi tulajdonságok azonosítása céljából.
Ugyanakkor dolgoznak azon, hogyan lehetne ezeket az információkat felhasználni az ICON Földrendszer-modellben: A rácselemeken belül jellegzetes tájképi jellemzők definiálhatók a domborzati viszonyok, a talajtulajdonságok és a növényzet eloszlása alapján. Ez például lehetővé teszi a modell számára, hogy meghatározza, a rács cellájának hány százalékát borítják vizes élőhelyek a szimulált éghajlat alatt. Az ezzel a megközelítéssel kapott első eredmények ígéretesek: a kisméretű felszíni víztömegek és a vízzel telített talajok ábrázolása a rács celláján belül már javítja a modellezési eredményeket.
Ám akárcsak Sergin egykor, a tudósok is még mélyebbre ásnak. A részleges rácsfelbontású heterogenitás kezelésére vonatkozó megközelítés jelenleg a fizikai folyamatokra korlátozódik a szárazföldi felszínen és alatta. A következő lépés az, hogy a biogeokémiai és biofizikai folyamatokat is hasonló részletességgel ábrázolják.
Eddig a permafroszt régióval kapcsolatos kutatások nagy része az olvadó talajokból származó szénkibocsátásra összpontosított. Brovkin csoportjának kutatása célja, hogy szélesítse ezt a fókuszt, és ezáltal elmélyítse annak megértését, hogyan működnek együtt a biogeokémiai és biofizikai visszacsatolások a permafroszt tájakon a Föld éghajlatának befolyásolásában.
Forrás: https://phys.org/news/2025-01-permafrost-climate-arctic-response-global.html
