Nowe badania o wiecznej zmarzlinie: emisje zmarzłego gruntu mogą nas mocno zaskoczyć

Wieczna zmarzlina na dalekiej północy zaczyna mięknąć, a naukowcy sygnalizują, że ilość gazów cieplarnianych z tych terenów może być znacznie większa, niż dotąd zakładano.

Najchłodniejsze rejony Arktyki i subarktyki długo uchodziły za gigantyczny sejf, w którym uwięziono węgiel na tysiące lat. Teraz ten sejf powoli się otwiera. Zamarznięty do tej pory grunt – tzw. wieczna zmarzlina, czyli permafrost – topnieje, a znajdujące się w nim mikroorganizmy budzą się do życia. Nowe badania sugerują, że „menu” tych mikrobów jest bogatsze, niż sądzono, co może wywołać dodatkową falę emisji dwutlenku węgla i metanu.

Permafrost – tykająca bomba węglowa pod naszymi stopami

Wieczna zmarzlina to grunt, który pozostaje zamarznięty co najmniej przez dwa kolejne lata, często przez całe stulecia. Występuje głównie na północy Rosji, Kanady, Alaski, w rejonach arktycznych oraz w wysokich górach. W tym zamarzniętym podłożu przez tysiące lat gromadziły się resztki roślin, korzeni, mchu i innych szczątków organicznych. Z czasem stworzyły one olbrzymie magazyny węgla.

Naukowcy szacują, że w wiecznej zmarzlinie znajduje się ponad dwa razy więcej węgla niż obecnie w całej atmosferze. Dopóki grunt pozostaje zamarznięty, ten węgiel jest względnie bezpieczny. Problem zaczyna się wtedy, gdy lód topnieje.

Permafrost to jeden z największych naturalnych magazynów węgla na Ziemi. Gdy się rozmraża, uruchamia procesy, które mogą przyspieszyć ocieplenie klimatu bez udziału dodatkowych emisji z fabryk, samochodów i elektrowni.

Wraz z ocieplaniem się klimatu kolejne warstwy zmarzliny rozmarzają. Budzące się do życia bakterie i inne drobnoustroje zaczynają rozkładać dawno obumarłą materię organiczną. Produkt uboczny tego procesu to gazy cieplarniane: dwutlenek węgla (CO₂) i metan (CH₄). Ten drugi jest szczególnie kłopotliwy, ponieważ w krótkiej skali czasowej ogrzewa planetę wielokrotnie silniej niż CO₂.

Głodniejsze mikroby, większy problem

Dotychczasowe modele klimatyczne uwzględniały emisje z rozmarzającego permafrostu, ale oparte były na założeniu, że część węgla pozostanie dla mikrobów „nie do ruszenia”. Chodziło o związki uznawane za trudniejsze do rozłożenia, między innymi bogate w tzw. polifenole – to m.in. substancje znane z herbaty, kawy czy czerwonego wina, które w naturze pełnią funkcję ochronną w roślinach.

Zespół badaczy z Uniwersytetu Kolorado pokazał, że to założenie może być błędne. Naukowcy sprawdzili, jak mikroorganizmy z gleb przypominających wieczną zmarzlinę radzą sobie z polifenolami przy braku tlenu, czyli w warunkach typowych dla rozmarzającego, nasiąkniętego wodą gruntu.

Nowe dane wskazują, że część węgla, którą do tej pory uznawano za trwałą i „nietykalną”, w rzeczywistości może zostać zamieniona w gazy cieplarniane przez wyspecjalizowane mikroorganizmy.

Badacze porównują to do spiżarni pełnej różnych przekąsek. Wcześniejsze modele zakładały, że mikroby zjedzą głównie „bełty, pizze i chipsy” – czyli łatwo dostępne, proste związki organiczne. Polifenole miały być jak „ostra, dziwna potrawa”, której organizmy nie lubią i zostawią ją w spokoju. Z nowych badań wynika, że część mikroorganizmów świetnie radzi sobie z taką ostrą „kuchnią” i chętnie sięga po te złożone związki.

Dlaczego polifenole stały się tak ważne

Polifenole to szeroka grupa związków chemicznych obecnych w roślinach. Mają one właściwości antyoksydacyjne i bywają reklamowane jako korzystne dla zdrowia. Z punktu widzenia klimatu ważne jest co innego: przez długi czas sądzono, że w glebie potrafią blokować aktywność enzymów, które rozkładają materię organiczną. Innymi słowy – miały utrudniać mikrobom dostęp do części węgla.

Nowe wyniki pokazują, że mikroorganizmy potrafią „przegryźć się” nawet przez takie bariery. Co więcej, robią to w warunkach pozbawionych tlenu, czyli właśnie tam, gdzie rozmraża się nasiąknięty wodą permafrost. To oznacza, że proces emisji może być intensywniejszy i dłuższy w czasie, niż zakładały dotychczasowe scenariusze.

Dlaczego to zmienia gry plan dotyczący klimatu

Jeżeli mikroby są w stanie rozłożyć większą część zmagazynowanego węgla, to liczba ton CO₂ i CH₄, które trafią do atmosfery do końca wieku, rośnie. Dotychczasowe szacunki sugerowały, że emisje z permafrostu do 2100 roku mogą dorównać obecnym emisjom dużych, uprzemysłowionych państw.

Najnowsze wyniki wskazują, że ta „ukryta” część węgla, dotąd uznawana za bezpieczną, może istotnie zwiększyć ten bilans, choć dokładne wartości wciąż trzeba doprecyzować.

Naukowcy podkreślają, że potrzebne są kolejne eksperymenty, obejmujące różne typy gleb, różne temperatury i warunki wilgotności. Chodzi o to, by lepiej wbudować te procesy w modele klimatyczne, z których korzystają m.in. Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC) i rządy planujące swoje polityki energetyczne.

Pomysł na „zatrzaśnięcie” węgla w zmarzlinie traci sens

W tle badań nad permafrostem rozwijał się inny, teoretyczny pomysł: czy da się wzmocnić naturalne blokady enzymatyczne w glebie, by zatrzymać więcej węgla pod ziemią? Koncepcja zakładała, że dodanie polifenoli do rozmarzającej zmarzliny mogłoby „spowolnić” mikroorganizmy i ograniczyć emisje.

Nowe ustalenia stawiają taki scenariusz pod dużym znakiem zapytania. Jeśli mikroby traktują polifenole jak kolejne źródło energii, dosypywanie ich do gleby może wręcz zwiększyć tempo procesów biologicznych i przyspieszyć uwalnianie węgla do atmosfery.

Strategie polegające na sztucznym „usypianiu” mikrobów w permafrostu za pomocą dodatkowych substancji mogą nie tylko nie zadziałać, ale nawet podkręcić skalę problemu.

W praktyce oznacza to, że nadzieje na prostą techniczną sztuczkę, która zamknie węgiel w wiecznej zmarzlinie, stają się coraz bardziej złudne. Zamiast kombinować z chemią w arktycznych glebach, naukowcy wskazują na inną drogę: ograniczenie emisji z paliw kopalnych i zatrzymanie dalszego ocieplania planety.

Permafrost w szerszym łańcuchu sprzężeń zwrotnych

Rozmarzający grunt to jedno z tzw. sprzężeń zwrotnych w systemie klimatycznym. Oznacza to, że ocieplenie uruchamia proces, który z kolei wzmacnia ocieplenie. W przypadku permafrostu schemat wygląda tak:

• wzrost temperatury topi wieczną zmarzlinę,
• mikroorganizmy rozkładają więcej materii organicznej,
• do atmosfery trafia dodatkowy CO₂ i CH₄,
• to jeszcze bardziej podnosi średnią temperaturę,
• kolejne warstwy zmarzliny zaczynają się rozmrażać.

Permafrost nie jest tu jedynym elementem. Z ociepleniem wiąże się także np. topnienie lodu morskiego w Arktyce, co zmienia albedo, czyli zdolność powierzchni do odbijania promieniowania słonecznego. Mniej lodu oznacza więcej ciemnej wody, która pochłania energię i dalej przyspiesza ogrzewanie rejonu polarnego. Razem tworzy to system naczyń połączonych.

Najważniejsze gazy z rozmarzającej zmarzliny

Co z tego wynika dla polityki klimatycznej

Dla decydentów wnioski z tych badań są dość niewygodne. Permafrost może w przyszłości stać się dużym, trudnym do opanowania źródłem gazów cieplarnianych, a człowiek nie będzie w stanie po prostu „zakręcić kurka”. W przeciwieństwie do elektrowni czy samochodu, rozmarzającej gleby nie da się łatwo zatrzymać, gdy proces już się rozkręci.

W przeszłości część analiz klimatycznych traktowała emisje z permafrostu jako mniej istotne w porównaniu z przemysłem i energetyką. Teraz coraz częściej mówi się, że te naturalne emisje trzeba uwzględniać z większą uwagą, bo w przyszłości mogą utrudnić realizację celów takich jak ograniczenie ocieplenia do 1,5 lub 2 stopni Celsjusza.

Dlaczego wciąż liczy się każda tona CO₂

W obliczu informacji o trudno kontrolowalnych procesach w Arktyce pojawia się czasem bezradność: skoro natura i tak „dopali” emisje, po co redukować te ludzkie? Nauka odpowiada na to dość jasno: im mniej dodatkowego ciepła w systemie klimatycznym, tym wolniej uruchamiają się takie mechanizmy jak topnienie zmarzliny.

Im szybciej ograniczymy spalanie węgla, ropy i gazu, tym większa szansa, że część węgla z permafrostu pozostanie na dłużej pod ziemią, zamiast trafić do atmosfery.

Każda obniżka emisji z energetyki, transportu czy rolnictwa zmniejsza ryzyko przekroczenia progów, po których przyroda zaczyna sama napędzać dalsze ocieplenie. Permafrost to jedno z miejsc, gdzie takie progi mogą czaić się bliżej, niż do tej pory zakładano.

Jak rozumieć skomplikowany język badań o zmarzlinie

Tematy związane z permafrostem są często opisane specjalistycznym językiem, pełnym nazw związków chemicznych i procesów biologicznych. W praktyce chodzi o trzy proste rzeczy: ile węgla jest pod ziemią, jak szybko mikroorganizmy są w stanie go „zjeść” oraz w jakiej postaci trafi on do powietrza. Nowe prace z Uniwersytetu Kolorado dotyczą tego środkowego elementu: pokazują, że dieta mikrobów jest bogatsza, niż dotąd sądzono.

Dla przeciętnego odbiorcy użyteczne może być też skojarzenie permafrostu z wielkim, naturalnym składowiskiem resztek roślinnych. Jeśli temperatura pozostaje niska, to składowisko jest zamknięte. Jeśli rośnie, zaczyna się proces powolnego „kompostowania”, a gaz wydobywający się z tego procesu to właśnie CO₂ i CH₄. Badanie polifenoli pokazuje, że ten kompost może być aktywniejszy, bardziej „pracujący”, niż wynikało z prostych modeli.