Cos'è Permafrost?

Permafrost si riferisce a qualsiasi terreno, sia suolo, sedimenti o roccia, che rimane a o sotto 0°C (32°F) per almeno due anni consecutivi. Si tratta di una caratteristica distintiva delle regioni polari e subpolari e si basa circa il 24% della superficie terrestre esposta nell’emisfero settentrionale.

Il permafrost può essere classificato in tre tipi principali basati sulla sua distribuzione spaziale:

  • Permafrost continuo:[] Questo tipo copre oltre il 90% del paesaggio in alte regioni artiche e rimane congelato quasi ovunque sotto la superficie.
  • Permafrost continuo:[] Trovato in zone subartiche e boreali, questo permafrost è patchy, con aree di terra congelata e non congelata mescolate.
  • Permafrost speradico:[] Occurs in tasche isolate dove le condizioni locali permettono il congelamento del terreno, spesso influenzato da microclimi e copertura vegetativa.

Lo spessore del permafrost varia ampiamente, da un metro o due in regioni più calde a più di 1.000 metri in alcune zone siberiane. All'interno di questo strato congelato, il ghiaccio esiste in varie forme, tra cui lenti di ghiaccio massiccio, il ghiaccio segregato e il ghiaccio di poro. Queste strutture di ghiaccio sono parte integrante delle proprietà fisiche del permafrost e influenzano come risponde al riscaldamento. Inoltre, il permafrost spesso contiene grandi quantità di resti congelati e congelati da anni di materiale organico.

Sopra il permafrost si trova lo strato attivo [], una zona di superficie che si scioglie durante i mesi estivi e si congela in inverno. Lo spessore dello strato attivo varia da pochi centimetri nell'alto artico a diversi metri nelle regioni subartiche più calde. Questo strato di scongelamento stagionale è vitale perché supporta la maggior parte degli ecosistemi terrestri artici, la crescita vegetale ospitante e le temperature di gas.

La piscina globale del carbonio di Permafrost

Uno degli aspetti più critici del permafrost è il suo ruolo di un enorme serbatoio di carbonio. Oltre decine di migliaia di anni, piante morte, animali e altri materiali organici accumulati in terreni freddi e alopati. In queste condizioni anaerobiche e gelate, la decomposizione rallentava drammaticamente, permettendo al carbonio organico di essere immagazzinato in terreni congelati.

Gli scienziati stimano che le regioni del permafrost settentrionale contengono approssimativamente 1,460 a 1.600 gigatons (Gt) di carbonio organico[]. Per mettere questo in prospettiva, questa quantità è circa il doppio del carbonio attualmente presente nell’atmosfera, che è di circa 850 Gt di anidride carbonica (CO2) in termini di contenuto di carbonio.

Alcuni tipi di formazione geologica, come ad esempio i depositi di Yedoma], ospitano concentrazioni particolarmente elevate di materia organica. Yedoma è permafrost ricco di ghiaccio che si è formato durante l'epoca Pleistocene, principalmente in Siberia e Alaska, e contiene fino al 30% di carbonio organico terra in peso.

Il potenziale rilascio di questo antico carbonio all'atmosfera presenta un rischio significativo: le temperature globali si innalzano a causa delle attività umane, dei permafrost thaws, permettendo ai microbi di accedere a materiali organici precedentemente congelati, che portano alla decomposizione e all'emissione di gas serra, principalmente diossido di carbonio e metano, alimentando così un ulteriore riscaldamento.

Permafrost Thaw e Greenhouse Gas Release

La permafrost thaw non si verifica uniformemente in tutte le regioni o nel tempo. Può verificarsi gradualmente, con lo strato attivo che si approfondisce più decenni, o bruscamente a causa di disturbi fisici. I processi di esplosione includono la formazione di termokarst, dove il ghiaccio terra si scioglie causando il crollo della superficie, l'erosione, e la sottospesa.

I gas serra rilasciati durante la permafrost thaw dipendono fortemente dalle condizioni ambientali locali, in particolare dalla disponibilità di ossigeno:

  • Condizioni aerobiche: In terreni ben disegnati, ricchi di ossigeno, si trovano in zone di superficie tosate, la respirazione microbiale produce anidride carbonica (CO2). Il CO2 è un gas serra significativo, contribuendo al riscaldamento atmosferico ma è meno potente per molecola rispetto al metano.
  • Condizioni anaerobiche: In ambienti a poro di ossigeno, come laghetti, zone umide o laghi termokarst, i microbi producono metano (CH4) tramite decomposizione anaerobica. Il metano è un gas serra molto più potente, con un potenziale di riscaldamento globale di circa 28 volte maggiore di CO2 su un orizzonte di 100 anni su 80.

La ricerca recente indica che le regioni permafrost potrebbero rilasciare approssimativamente 20 a 30 gigatoni di carbonio[[ entro l'anno 2100 sotto scenari ad alta emissione. Questa release è significativa perché potrebbe aggiungere sostanzialmente alle emissioni di gas serra antropogenico, complicando gli sforzi per soddisfare obiettivi climatici internazionali come quelli fissati dall'Accordo di Parigi.

Clima Feedback Loops Involving Permafrost

I loop di feedback sono meccanismi in cui un primo cambiamento di sistema innesca ulteriori cambiamenti che amplificano (risposte positive) o diminuiscono (risposte negative) l’effetto originale. Permafrost thaw innesca molteplici loop di feedback positivi che amplificano il riscaldamento globale, rendendolo un componente critico del sistema climatico terrestre.

Carbon-Climate Feedback

Il ciclo di feedback più diretto comporta emissioni di carbonio da permafrost di scongelamento. Come i terreni congelati si scioglieno, i microbi abbatteno il carbonio organico, rilasciando CO2 e CH4 nell'atmosfera. Questi gas serra intrappolano più calore, causando ulteriore riscaldamento. Questo riscaldamento accelera il permafrost thaw, rilasciando ancora più carbonio, creando un ciclo di auto-rimboschimento.

Feedback di Albedo

Albedo si riferisce alla frazione di radiazione solare riflessa dalla superficie terrestre. Neve e ghiaccio hanno albedo alto, riflettendo la maggior parte della luce solare in entrata, che aiuta a mantenere le regioni polari fresco. Quando permafrost tie, il paesaggio spesso passa da tundra brillante e innevata coperto a superfici più scure come terreno nudo, arbusti, o acqua aperta.

Feedback idrologico

La permafrost altera profondamente l'idrologia locale e regionale, creando feedback complessi. La fusione del ghiaccio terra provoca sottospecie di terra (termokarst), spesso formando nuovi stagni e laghi. Questi corpi idrici non solo hanno albedo basso, assorbendo più emissioni solari, ma possono anche diventare fonti significative di emissioni di metano.

Feedback microbiologico

Il permafrost di Thawing reagisce a comunità microbiche antiche che sono state dormienti per millenni. Questi microbi riprendono la decomposizione della materia organica, accelerando la produzione di nutrienti e di gas serra. Il rilascio di sostanze nutritive come azoto e fosforo può stimolare la crescita delle piante, potenzialmente fornendo un lavandino di carbonio a breve termine conosciuto come "effetto di fertilizzazione".

Impatto sul clima globale e sugli ecosistemi

I loop di feedback innescati da permafrost thaw hanno conseguenze di vasta portata che si estendono oltre gli aumenti di temperatura, che interessano gli ecosistemi, le infrastrutture e le comunità umane.

  • Accelerazione dell'amplificazione artica: La regione artica sta riscaldando quasi quattro volte il tasso medio globale, un fenomeno noto come amplificazione artica. Permafrost thaw contribuisce significativamente a questa accelerazione liberando gas serra e alterando le proprietà superficiali.
  • Cambi agli ecosistemi terrestri: Come degradi del permafrost, gli ecosistemi della tundra possono passare in arbusti o foreste boreali in alcune aree. Queste vegetazione cambiano habitat e la disponibilità alimentare per la fauna selvatica nativa, tra cui caribù, volpi artiche e uccelli migratori.
  • Sistemi di acque reflue:[ Il permafrost di Thawing aumenta la consegna di sedimenti e nutrienti a fiumi e laghi, impatti ecosistemi acquatici. I carichi di sedimenti elevati possono ridurre la chiarezza dell'acqua, mentre gli afflusso di nutrienti possono portare all'eutrofizzazione, alterando le reti di cibo.
  • erosione costiera:[[] Le coste permafrost, che costituiscono circa il 34% della costa globale nelle regioni artiche, stanno erodendo a tassi senza precedenti – fino a 20 metri all'anno in alcune località.

Ricerca e Monitoraggio del Permafrost

Considerato il ruolo critico del permafrost nel clima globale, gli sforzi di ricerca e monitoraggio robusti sono essenziali per comprendere le sue dinamiche e prevedere i cambiamenti futuri, che richiedono l'integrazione di metodologie multiple e cooperazione internazionale.

Osservazioni satellitari

La vegetazione del satellite fornisce dati preziosi per il monitoraggio del permafrost thaw su grandi e spesso inaccessibili regioni. Strumenti a bordo della NASA Suomi NPP, del Copernicus Sentinel-1 e dei satelliti Sentinel-2, e il prossimo NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) utilizza l'imaging termico, l'interferometria radar e i sensori ottici per rilevare i cambiamenti nella superficie terrestre

Studi sul campo

Nonostante i progressi compiuti nel telerilevamento, le osservazioni basate sul suolo rimangono vitali. Gli scienziati esercitano borehole per ottenere profili di temperatura attraverso strati permafrost e installano strumenti come camere del flusso di gas del suolo per misurare le emissioni di gas serra direttamente.

Modelli futuri scenari

I modelli del sistema terrestre incorporano sempre più dinamiche di carbonio permafrost per migliorare le proiezioni climatiche. Questi modelli simulano processi complessi, tra cui il trasferimento di calore del suolo, cambiamenti idrologici, decomposizione microbica e bruscamente eventi di thaw. Nonostante i progressi, le incertezze significative rimangono a causa dell'eterogeneità dei paesaggi permafrost e dei dati osservazionali limitati.

Implicazioni educative

Permafrost è un caso esemplare di studio per gli educatori che intendono insegnare scienza del sistema terrestre, meccanismi di feedback del clima e l'alfabetizzazione ambientale, offrendo un contesto tangibile per esplorare processi interconnessi in tutta la criosfera, la biosfera, l'atmosfera e l'idrosfera.

  • I sistemi pensano:[] Gli studenti possono imparare come i cambiamenti in una componente del sistema terrestre, come il suolo congelato, si verificano attraverso gli altri, illustrando la complessità e la interconnessione dei processi climatici.
  • Carbon cycle dynamics:[] Le lezioni possono concentrarsi sulla distinzione tra stock di carbonio (carbonio temperato) e flussi (carbon Exchange), e le diverse scadenze di tempo di rilascio di carbonio naturale contro umano.
  • Valutazione del rischio e dell'incertezza:[] Sfruttando perché gli scienziati utilizzano scenari e modelli probabilistici aiuta gli studenti a comprendere le sfide di prevedere gli stati climatici futuri e l'importanza di approcci precauzionali all'azione climatica.

Le attività manuali possono migliorare il coinvolgimento e la comprensione. Ad esempio, la costruzione di semplici esperimenti di thaw-box per osservare il congelamento del suolo e il deturpamento, analizzando i dataset della temperatura del foro, o interpretando le immagini satellitari che permettono agli studenti di avere esperienza pratica.

Conclusioni

Il permafrost è molto più di una reliquia congelata dell’ultima Era glaciale; è una componente dinamica e attiva del sistema climatico terrestre. Memorizzando immense quantità di carbonio organico, il permafrost rappresenta una potenziale fonte di gas serra che potrebbe esacerbare significativamente il riscaldamento globale se rilasciato.

Mentre l'esatta tempistica e la grandezza del rilascio di carbonio permafrost rimangono incerte, la traiettoria è chiara: il riscaldamento antropogenico continua a accelerare e amplificare gli impatti del cambiamento climatico.