Frossen jord - den ubekendte klimafaktor

Efterhånden som klimaforandringer gør kloden varmere, tør den ellers permanent frosne jord i de arktiske egne. Det gælder store dele af Grønland, Canada, Sibirien og Alaska.

I eksempelvis Grønland kan det komme til at betyde, at det solide fundament, som den frosne jord udgør, forsvinder under bygninger, rørledninger og veje, så de kommer til at bule op i landskabet med efterfølgende problemer for infrastrukturen og samfundet som helhed.

Men det er ikke kun grønlandske ingeniører, der skal slås med effekterne af den optøende jord. Det skal vi potentielt set allesammen.

Gemt i permafrosten ligger nemlig flere tusinde år gamle mikroorganismer, der bare venter på at blive sluppet fri af deres frosne dvale.

Når det sker, frigives der store mængder drivhusgasser, som kan få stor indflydelse på fremtidens klima.

CENPERM skal løse gåden om den frosne jord

Drivhusgasser fra arktiske mikroorganismer lyder måske ikke af så meget. Men da 25 procent af klodens nordlige halvkugles landjord er permanent frossen, repræsenterer den tilfrosne jord et kæmpe reservoir af organisk stof, der potentielt kan omsættes af de drivhusgas-producerende mikroorganismer.

Effekten af mikroorganismerne på det globale klima er i det store hele ubekendt, da der er mange samspillende faktorer i Arktis, der skal tages højde for, før den samlede drivhusgasudledning kan beregnes. Derfor er mikroorganismernes betydning i dag heller ikke inddraget i de klimamodeller, der bruges til at forudsige, hvordan den globale opvarmning kommer til at forløbe fremover.

Men gåden er ved at blive løst.

Center for Permafrost (CENPERM) ved Københavns Universitet skal med 60 millioner kroner fra Danmarks Grundforskningsfond blandt andet belyse, hvor store mængder drivhusgasser arktiske mikroorganismer vil udlede, hvis permafrosten fortsætter med at tø.

Således har CENPERM sat sig det mål at finde en af de sidste brikker, som mangler i det store puslespil om verdens fremtidige klima.

»Vores viden er for øjeblikket meget begrænset med hensyn til, hvad der kommer til at ske på langt sigt, når globale klimaændringers optøen af permafrosten skubber til den nuværende balance mellem jordmiljøet, planterne og mikroorganismerne i Arktis. Et af de store spørgsmål er, i hvilket omfang en øget mikrobiel frigivelse af drivhusgasser vil blive modsvaret af et øget kulstofoptag af planter i Arktis« fortæller centerleder, professor Bo Elberling fra Center for Permafrost.

Mikroorganismerne vågner

Centralt i forståelsen af permafrostens mulige bidrag til den globale opvarmning ligger mikroorganismernes metabolisme – altså deres forbrænding eller omsætning af næringsstoffer.

Når mikroorganismerne tør op og bliver aktive, kaster de sig med det samme over organisk materiale som eksempelvis rester fra græs, planter og rødder, der også har været fanget i den flere tusinde år gamle frosne grav.

Under nedbrydningen af det organiske materiale danner mikroorganismerne blandt andet drivhusgasserne kuldioxid og metan. Samtidig formerer de sig og bliver til flere.

Jo mere permafrosten tør, des flere mikroorganismer vågner, og des mere drivhusgas frigives der i atmosfæren fra det engang frosne landskab. Og det er den vej, tingene går – mod tø.

»Gennem de seneste 10 år har vi set en generel optøning af permafrosten i det arktiske område. Samtidig kan vi konstatere, at hver eneste prøve, vi undersøger i laboratoriet, begynder at frigive CO2 umiddelbart efter optøning. Det er et tegn på, at en mikrobiel nedbrydning af organisk stof er begyndt. En af de helt store udfordringer for CENPERM bliver at opskalere de processer, vi kan se i laboratoriet, så vi kan forstå, hvordan de har indflydelse i landskabsstørrelse,« fortæller Bo Elberling.

Planter spiller også ind

CENPERM huser 40 geografer, planteøkologer, mikrobiologer, miljøkemikere med flere, som frem til 2017 skal foretage en lang række undersøgelser i både Grønland og hjemme i laboratoriet i København.

Undersøgelserne inkluderer alt fra genetiske studier af mikroorganismer i permafrosten og deres livscyklus til kortlægning af geografien i de arktiske områder og indsamling af data for, hvor meget organisk materiale der i det hele taget er til stede i den permafrosne jord.

Forskerne skal ydermere kigge på, hvordan planterne kommer til at reagere på den nye situation, hvor næringsstoffer kan blive frigivet fra permafrosten og rent faktisk skabe gode vækstbetingelser.

Planterne har også stor betydning for den samlede frigivelse af drivhusgasser fra Arktis, da de optager kuldioxid som en del af deres vækst. Dermed kan flere planter optage en større del af den drivhusgas, som mikroorganismerne frigiver.

Forskellige forskere skal stykke billedet sammen

Resultaterne af alle undersøgelserne vil gøre forskerne i stand til at danne sig et samlet overblik over, hvordan mikroorganismer i en jord-plante sammenhæng har indflydelse på en større skala, og hvordan landskabet samlet set reagerer på optøningen.

Det er dog kun muligt, når forskere fra forskellige videnskabelige grene arbejder sammen, og resultater fra undersøgelser af mikroorganismer i laboratoriet bliver taget med i forståelsen af samspillet med planterne. Optøningens indvirkning på de individuelle planter skal så inddrages i en bedre forståelse af lokale økosystemer, der skal samles til en komplet forståelse af det tøende Arktis som helhed.

»Vi har lavet CENPERM for at samle forskellige videnskaber under samme tag. Vi er for det første nødt til at forstå, hvilke mikroorganismer der findes i permafrosten, og hvor hurtigt de kan omsætte organisk materiale. Derfor arbejder mikrobiologerne blandt andet med at isolere DNA fra permafrosten.«

»Samtidig konkurrerer mikroorganismerne med planterne om næringsstoffer. Det er et samspil, der er tæt koblet til forskellige plantesamfund. Endelig er der variationer i landskabet, der afgør, om jorder er tørre eller våde. Det bestemmer eksempelvis, hvilke planter der dominerer hvor, og om mikroorganismer nedbryder organisk materiale til kuldioxid eller den meget kraftigere drivhusgas metan. Her er det så planteøkologer og geografer, der arbejder tæt sammen,« siger Bo Elberling.

Centerlederens egen baggrund er en kandidatgrad i hydrogeologi, en ph.d. i biogeokemi samt en doktorgrad i miljøgeokemi.

Forskerne er gået på jagt – væbnet med avanceret udstyr

Center for Permafrost blev officielt åbnet 1. juni 2012 og allerede én måned efter blev en intensiv feltkampagne i Grønland skudt i gang. Den omfattede opstilling af snehegnsforsøg med manipuleret opvarmning og plantedække, borekampagne på 3 lokaliteter i Nordøstgrønland, indsamling af sedimentkerner fra fjorde, undersøgelser af sæsonbestemte forskelle i CO2 og CH4-udveksling mellem jordoverfladen og atmosfæren, studier af mikroorganismer på den grønlandske indlandsis og meget mere.

Herudover blev det første år - 2012 - af deres seks år lange bevillingsperiode brugt på at komme på plads i nye lokaler og ansætte de mange mennesker, der skal være en del af centret.

Forskerne laver undersøgelser i flere end 10 områder i Grønland - fra nord til syd, fra kyst til Indlandsisen og fra dalbund til bjergtop. Disse mange områder og gradienter er helt afgørende for at kunne bringe ny indsigt på en lokalitet ind i et større billede og dermed få et dækkende billede af hele det arktiske område.

Koordineringen mellem de mange ansatte og forsøg står Bo Elberling for. Men det er alt andet end et topstyret center, han organiserer.

»Center for Permafrost er kendetegnet ved, at vi prøver at dele ansvaret ud. Vi har en meget flad struktur og stor tillid til hinanden. Det er en kultur, der skal opbygges, hvor folk føler, at de er en del af et center og en fælles ambition. Desuden giver vores bevilling os mulighed for at bringe dyrt udstyr med i felten – i mange tilfælde for første gang. Endelig er det håbet, at alle føler, at de får mulighed for at sætte deres egen forskning ind i et større billede. Jeg tror, det er en del af den motivation, der får folk til at knokle løs hver eneste dag,« siger Bo Elberling.

Her på Videnskab.dk holder vi løbende øje med de resultater, der kommer ud af Center for Permafrost.