Permafrost

Permafrost is bodem- of onderwatersediment dat twee jaar of langer continu onder 0 °C blijft. De oudste permafrost was al ongeveer 700.000 jaar continu bevroren. Terwijl de ondiepste permafrost een verticale omvang van minder dan een meter heeft, is de diepste meer dan 1.500 meter. Op dezelfde manier kan het gebied van individuele permafrostzones beperkt zijn tot smalle bergtoppen of zich uitstrekken over uitgestrekte Arctische gebieden. De grond onder gletsjers en ijskappen wordt gewoonlijk niet gedefinieerd als permafrost, dus op het land bevindt de permafrost zich doorgaans onder een zogenaamde actieve grondlaag die bevriest en ontdooit, afhankelijk van het seizoen.

Ongeveer 15% van het noordelijk halfrond of 11% van het mondiale oppervlak wordt bedekt door permafrost, met een totale oppervlakte van ongeveer 18 miljoen km2. Dit omvat grote delen van Alaska, Canada, Groenland en Siberië. Het ligt ook in hoge berggebieden, met het Tibetaanse plateau als
prominent voorbeeld. Er bestaat slechts een minderheid van de permafrost op het zuidelijk halfrond,
waar deze beperkt is tot berghellingen zoals in de Andes van Patagonië, de Zuidelijke Alpen van Nieuw-Zeeland of de hoogste bergen van Antarctica.

Permafrost bevat grote hoeveelheden dode biomassa die zich gedurende millennia hebben opgehoopt zonder de kans te hebben gehad om volledig te ontbinden en hun koolstof vrij te geven, waardoor de toendrabodem een koolstofput wordt.[3] Terwijl de opwarming van de aarde het ecosysteem verwarmt, ontdooit de bevroren bodem en wordt deze warm genoeg om de ontbinding opnieuw te laten beginnen, waardoor de koolstofcyclus van de permafrost wordt versneld. Afhankelijk van de omstandigheden op het moment van dooi kan bij de ontbinding koolstofdioxide of methaan vrijkomen, en deze broeikasgasemissies fungeren als feedback over de klimaatverandering.

De uitstoot van het ontdooien van de permafrost zal een voldoende impact op het klimaat hebben om de mondiale koolstofbudgetten te beïnvloeden. Het is moeilijk om nauwkeurig te voorspellen hoeveel broeikasgassen de permafrost vrijgeeft, omdat de verschillende dooiprocessen nog steeds onzeker zijn. Er bestaat brede overeenstemming dat de emissies kleiner zullen zijn dan door de mens veroorzaakte emissies en niet groot genoeg om tot een op hol geslagen opwarming te leiden.,In plaats daarvan zijn de jaarlijkse permafrost-emissies waarschijnlijk vergelijkbaar met de mondiale emissies als gevolg van ontbossing, of met de jaarlijkse emissies van grote landen als Rusland, de Verenigde Staten of China.

Afgezien van de gevolgen voor het klimaat, brengt de dooi van permafrost meer risico's met zich mee. Vroeger bevroren grond bevat vaak genoeg ijs dat bij het ontdooien de hydraulische verzadiging plotseling wordt overschreden, waardoor de grond substantieel verschuift en zelfs volledig kan instorten. Veel gebouwen en andere infrastructuur zijn gebouwd op permafrost toen deze bevroren en stabiel was, en zijn dus kwetsbaar voor instorting als deze ontdooit. Schattingen wijzen erop dat tegen 2050 bijna 70% van deze infrastructuur in gevaar is, en dat de daaraan verbonden kosten in de tweede helft van de eeuw zouden kunnen oplopen tot tientallen biljoenen dollars. Bovendien zijn er tussen de 13.000 en 20.000 locaties besmet met giftig afval in de permafrosten in de natuurlijke kwikafzettingen die allemaal kunnen lekken en het milieu kunnen vervuilen naarmate de opwarming voortschrijdt. Ten slotte zijn er zorgen geuit over de mogelijkheid dat pathogene micro-organismen de dooi overleven en bijdragen aan toekomstige pandemieën. Dit wordt echter als onwaarschijnlijk beschouwd, en een wetenschappelijk onderzoek over dit onderwerp beschrijft de risico's als "over het algemeen laag

Classificatie en omvang

Permafrost is grond, gesteente of sediment dat langer dan twee opeenvolgende jaren bevroren is. In de praktijk betekent dit dat permafrost voorkomt bij een gemiddelde
jaarlijkse temperatuur van -2 °C of lager. In de koudste gebieden kan de diepte van continue permafrost meer dan 1.400 m bedragen. Het bevindt zich doorgaans onder de zogenaamde actieve laag, die jaarlijks bevriest en ontdooit, en kan dus de plantengroei ondersteunen, omdat de wortels alleen kunnen wortelen in de grond die ontdooid is. De dikte van de actieve laag wordt gemeten tijdens de maximale omvang aan het einde van de zomer, vanaf 2018
is de gemiddelde dikte op het noordelijk halfrond ~145 centimeter , maar er zijn aanzienlijke regionale verschillen. Noordoost-Siberië, Alaska en Groenland hebben de meest solide permafrost met de laagste omvang van de actieve laag (gemiddeld minder dan 50 centimeter en soms slechts 30 centimeter, terwijl Zuid-Noorwegen en het Mongoolse
Plateau de enige gebieden zijn waar de gemiddelde actieve laag dieper is dan 600 centimeter, met een record van 10 meter. De grens tussen de actieve laag en de permafrost zelf wordt soms de permafrosttabel genoemd.

Ongeveer 15% van het land op het noordelijk halfrond dat niet volledig bedekt is met ijs, ligt direct onder permafrost; 22% wordt gedefinieerd als onderdeel van een permafrostzone of -regio. Dit komt doordat slechts iets meer dan de helft van dit gebied wordt gedefinieerd als een continue permafrostzone, waarbij 90%–100% van het land onder permafrost ligt. Ongeveer 20% wordt in plaats daarvan gedefinieerd als discontinue permafrost, waarbij de dekking tussen 50% en 90% ligt. Tot slot bestaat de resterende <30% van de permafrostregio's uit gebieden met een dekking van 10%–50%, die worden gedefinieerd als sporadische permafrostzones, en enkele gebieden met geïsoleerde stukken permafrost die 10% of minder van hun gebied bedekken. Het grootste deel van dit gebied bevindt zich in Siberië, Noord-Canada, Alaska en Groenland. Onder de actieve laag worden de jaarlijkse temperatuurschommelingen van de permafrost kleiner met de diepte. De grootste diepte van permafrost vindt plaats vlak voor het punt waarop geothermische warmte een temperatuur boven het vriespunt handhaaft. Boven die ondergrens kan er permafrost zijn met een consistente jaarlijkse temperatuur of isothermische permafrost.

Continuïteit van de dekking

Permafrost vormt zich doorgaans in elk klimaat waar de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur lager is dan het vriespunt van water. Uitzonderingen zijn te vinden in vochtige boreale bossen, zoals in Noord-Scandinavië en het noordoostelijke deel van Europees Rusland ten westen van de Oeral, waar sneeuw als een isolerende deken fungeert. Vergletsjerde gebieden kunnen ook uitzonderingen zijn. Omdat alle gletsjers aan hun basis worden opgewarmd door geothermische warmte, kunnen gematigde gletsjers, die overal dicht bij het druksmeltpunt liggen, vloeibaar water hebben op de grens met de grond en zijn daarom vrij van onderliggende permafrost.

Permafrost temperatuurprofiel. Permafrost beslaat
de middelste zone, met de actieve laag erboven,
terwijl geothermische activiteit de onderste laag
boven het vriespunt houdt. De verticale lijn van 0 °C
geeft de gemiddelde jaartemperatuur aan die
cruciaal is voor de boven- en ondergrens van de
permafrostzone, terwijl de rode lijnen
seizoensgebonden temperatuurveranderingen en
seizoensgebonden temperatuurextremen
weergeven. Doorgetrokken gebogen lijnen
bovenaan tonen de seizoensgebonden maximum-
en minimumtemperaturen in de actieve laag, terwijl
de rode stippellijn het gemiddelde temperatuurprofiel
weergeeft met de bodemdiepte in een
permafrostgebied.

Fossiele koude afwijkingen in de geothermische gradiënt in gebieden waar zich tijdens het Pleistoceen diepe permafrost ontwikkelde, blijven tot enkele honderden meters bestaan.
Dit blijkt uit temperatuurmetingen in boorgaten in Noord-Amerika en Europa.

Discontinueerde permafrost

De temperatuur onder de grond varieert minder van seizoen tot seizoen dan de luchttemperatuur, waarbij de gemiddelde jaarlijkse temperaturen de neiging hebben om met de diepte toe te nemen vanwege de geothermische korstgradiënt. Dus als de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur slechts iets onder de 0 °C ligt, zal permafrost zich alleen vormen op plekken die beschut zijn meestal met een noordelijk of zuidelijk aspect, respectievelijk op het noordelijk en zuidelijk halfrond), waardoor discontinue permafrost ontstaat. Meestal zal permafrost discontinu blijven in een klimaat waar de gemiddelde jaarlijkse temperatuur van het bodemoppervlak tussen -5 en 0 °C ligt. In de eerder genoemde vochtige wintergebieden is er mogelijk zelfs geen discontinue permafrost tot -2 °C. Discontinue permafrost wordt vaak verder onderverdeeld in uitgebreide discontinue permafrost, waarbij de permafrost tussen de 50 en 90 procent van het landschap bedekt en gewoonlijk wordt aangetroffen in gebieden met gemiddelde jaarlijkse temperaturen tussen -2 en -4 °C, en sporadische permafrost, waarbij de permafrostbedekking minder dan 50 procent van het landschap bedraagt en gewoonlijk voorkomt bij gemiddelde jaarlijkse temperaturen tussen 0 en -2 °C.

Met een drilboor opgraven van ijsrijke
permafrost in Alaska

In de bodemkunde wordt de sporadische permafrostzone afgekort tot SPZ en de uitgebreide discontinue permafrostzone tot DPZ.
Uitzonderingen doen zich voor in het niet-bevroren Siberië en Alaska, waar de huidige diepte van de permafrost een overblijfsel is van de klimatologische omstandigheden tijdens de ijstijden, toen de winters tot 11 °C kouder waren dan die van nu.

In de bodemkunde wordt de sporadische permafrostzone afgekort tot SPZ en de uitgebreide discontinue permafrostzone tot DPZ. Uitzonderingen doen zich voor in het niet-bevroren Siberië en Alaska, waar de huidige diepte van de permafrost een overblijfsel is van de klimatologische omstandigheden tijdens de ijstijden, toen de winters tot 11 °C kouder
waren dan die van nu.

Continue permafrost

Bij gemiddelde jaarlijkse bodemoppervlaktemperaturen onder -5 ° C kan de invloed van aspect nooit voldoende zijn om de permafrost te ontdooien en vormt zich een zone van continue permafrost (afgekort tot CPZ). Een lijn van continue permafrost op het noordelijk halfrondvertegenwoordigt de meest zuidelijke grens waar land bedekt is met continue permafrost of gletsjerijs. De lijn van continue permafrost varieert over de hele wereld naar het noorden of zuiden als gevolg van regionale klimaatveranderingen.

Op het zuidelijk halfrond zou het grootste deel van de equivalente lijn binnen de Zuidelijke Oceaan vallen als daar land zou zijn. Het grootste deel van het Antarctische continent wordt bedekt door gletsjers, waaronder een groot deel van het terrein onderhevig is aan basaal smelten. Het blootgestelde land van Antarctica is substantieel onderliggend met permafrost, waarvan een deel onderhevig is aan opwarming en ontdooiing langs de kustlijn.

Locatie	Gebied
Qinghai-Tibetplateau	1,300,000 km²
Khangai-Altai-gebergte	1,000,000 km²
Brooks Range	263,000 km²
Siberische bergen	255,000 km²
Groenland	251,000 km²
Oeralgebergte	125,000 km²
Andes	100,000 km²
Rocky Mountains (VS en Canada)	100,000 km²
Alpen	80,000 km²
Fennoscandische bergen	75,000 km²
Overgebleven	<50,000 km²

Alpine permafrost

Een reeks hoogtes op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond is koud genoeg om permanent bevroren grond te ondersteunen: enkele van de bekendste voorbeelden zijn de Canadese Rockies, de Europese Alpen, de Himalaya en de Tien Shan. Over het algemeen is gebleken dat uitgebreide alpine permafrost een gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur
van -3 °C is vereist, hoewel dit kan variëren afhankelijk van de lokale topografie,
en sommige berggebieden staan erom bekend permafrost te ondersteunen bij -1 °C.
Het is ook mogelijk dat ondergrondse alpine permafrost bedekt is met warmere, vegetatie-ondersteunende grond.

Alpine permafrost is bijzonder moeilijk te bestuderen, en systematische onderzoeksinspanningen begonnen pas in de jaren 70. Bijgevolg blijven er onzekerheden bestaan over de geografie ervan. Nog in 2009 werd permafrost ontdekt in een nieuw gebied: de hoogste bergtop van Afrika, de Kilimanjaro (4.700 m boven zeeniveau en ongeveer 3° ten zuiden van de evenaar). In 2014 werd door een verzameling regionale schattingen van de omvang van de alpiene permafrost een wereldwijde omvang van 3.560.000 km2 vastgesteld. Toch was de alpiene permafrost in de Andes in 2014 nog niet volledig in kaart gebracht, hoewel de omvang ervan wel is gemodelleerd om de hoeveelheid water die in deze gebieden is opgeslagen te beoordelen.

Onderzeese permafrost

Onderzeese permafrost komt voor onder de zeebodem en bestaat in de continentale platen van de poolgebieden. Deze gebieden zijn gevormd tijdens de laatste ijstijd, toen een groter deel van het water op aarde werd vastgehouden in ijskappen op het land en toen de zeespiegel laag was. Toen de ijskappen smolten om weer zeewater te worden tijdens de terugtrekking van de gletsjers in het Holoceen, werd de kustpermafrost ondergedompelde platen onder relatief warme en zoute randomstandigheden, vergeleken met de oppervlaktepermafrost. Sindsdien hebben deze omstandigheden geleid tot de geleidelijke en voortdurende afname van de omvang van de onderzeese permafrost.

Niettemin blijft de aanwezigheid ervan een belangrijke overweging voor het ontwerp, de bouw en de exploitatie van kustfaciliteiten, structuren op de zeebodem, kunstmatige eilanden, onderzeese pijpleidingen en putten die worden geboord voor exploratie en productie. Onderzeese permafrost kan ook afzettingen van methaanclathraat bedekken, waarvan ooit werd gespeculeerd dat ze een belangrijk klimaatomslagpunt zouden vormen
in wat bekend stond als een clathraatkanonhypothese, maar waarvan nu niet langer wordt aangenomen dat ze een rol spelen in de voorspelde klimaatverandering.

Vroegere omvang van permafrost

Tijdens het laatste glaciale maximum bedekte continue permafrost een veel groter gebied dan nu, en besloeg het heel ijsvrij Europa tot ongeveer Szeged (zuidoostelijk Hongarije) en de Zee van Azov (toen droog land en Oost-Azië tot het huidige Changchun en Abashiri.
In Noord-Amerika bestond er slechts een extreem smalle strook permafrost ten zuiden van de ijskap op ongeveer de breedtegraad van New Jersey tot zuidelijk Iowa en noordelijk Missouri, maar permafrost was uitgebreider in de drogere westelijke regio's waar het zich uitstrekte tot de zuidelijke grens van Idaho en Oregon. Op het zuidelijk halfrond is er enig bewijs voor voormalige permafrost uit deze periode in centraal Otago en Argentijns Patagonië, maar was waarschijnlijk discontinu en is gerelateerd aan de toendra. Alpine permafrost kwam ook voor in de Drakensbergen tijdens glaciale maxima boven ongeveer 3.000 meter.

Veranderingen in de omvang en structuur van de
onderzeese permafrost tussen het laatste glaciale
maximum en nu.

Manifestaties

Basisdiepte

Permafrost strekt zich uit tot een basisdiepte waar geothermische warmte van de aarde en de gemiddelde jaarlijkse temperatuur aan het oppervlak een evenwichtstemperatuur van 0 °C bereiken. Deze basisdiepte van permafrost kan enorm variëren - het is minder dan een meter in de gebieden waar het het ondiepst is, maar bereikt 1.493 m in de noordelijke Lena- en Yana-rivierbekkens in Siberië. Berekeningen geven aan
dat de vormingstijd van permafrost aanzienlijk vertraagt na de eerste paar meter. Zo was er bijvoorbeeld meer dan een half miljoen jaar nodig om de diepe permafrost te vormen die onder Prudhoe Bay, Alaska
ligt, een periode die zich uitstrekt over verschillende glaciale en interglaciale cycli van het Pleistoceen.

De basisdiepte wordt beïnvloed door de onderliggende geologie, en met name door de thermische geleidbaarheid, die lager is voor permafrost in de bodem dan in het vaste gesteente. Een lagere geleidbaarheid zorgt ervoor dat de permafrost minder wordt beïnvloed door de geothermische gradiënt, wat de snelheid is van toenemende temperatuur met betrekking tot toenemende diepte in het binnenste van de aarde. Het treedt op omdat de interne thermische energie van de aarde wordt gegenereerd door radioactief verval van onstabiele isotopen en naar het oppervlak stroomt door geleiding met een snelheid van ~47 terawatt (TW). Buiten de grenzen van tektonische platen is dit equivalent aan een gemiddelde warmtestroom van 25–30 °C/km nabij het oppervlak.

Jaren	Permafrost diepte
1	4.4 m
350	79.9 m
3500	219.3 m
35000	461.4 m
100000	567.8 m
225000	626.5 m
775000	687.7 m
Tijd die nodig is voor de permafrost diepte te bereiken in Prudhoe Bay, Alaska

Massief grondijs

Wanneer het ijsgehalte van een permafrost 250 procent overschrijdt (ijs ten opzichte van droge grond qua massa), wordt het geclassificeerd als massief ijs. Massieve ijslichamen kunnen variëren in samenstelling, in elke denkbare gradatie van ijzige modder tot puur ijs. Massieve ijsbedden hebben een minimale dikte van ten minste 2 m en een korte diameter van ten minste 10 m.

Gelabeld voorbeeld van een enorme begraven ijslaag op Bylot Island, Canada.

Hoewel er vier categorieën ijs in de permafrost zijn – poriënijs, ijswiggen (ook wel aderijs genoemd), begraven oppervlakte-ijs en intrasedimentair (soms ook constitutioneel genoemd) ijs – zijn alleen de laatste twee doorgaans groot genoeg om te kwalificeren als massief grondijs. Deze twee typen komen gewoonlijk afzonderlijk voor, maar kunnen ook samen worden aangetroffen, zoals aan de kust van Tuktoyaktuk in het westelijke Arctische Canada, waar de restanten van de Laurentide-ijskap zich bevinden.

Begraven oppervlakte-ijs kan afkomstig zijn van sneeuw, bevroren meer- of zee-ijs, aufeis (gestrand rivier-ijs) en zelfs begraven gletsjerijs van de voormalige Pleistocene ijskappen. Deze laatste zijn van enorme waarde voor paleoglaciologisch onderzoek, maar zelfs in 2022 is de totale omvang en het volume van dergelijk begraven oud ijs onbekend. Opmerkelijke locaties met bekende oude ijsafzettingen zijn onder meer de vallei van de Yenisei-rivier in Siberië, Rusland, evenals Banks en Bylot Island in de Canadese Nunavut en Northwest Territories. Van sommige van de begraven restanten van de ijskap is bekend dat ze thermokarstmeren herbergen.

Intrasedimentair of constitutioneel ijs is in heel Canada op grote schaal waargenomen en bestudeerd. Het ontstaat wanneer ondergrondse wateren ter plekke bevriezen en wordt onderverdeeld in intrusief, injectie- en segregatie-ijs. Het laatste is het dominante type, gevormd na kristallisatiedifferentiatie in natte sedimenten, wat optreedt wanneer water naar het vriesfront migreert onder invloed van vanderwaalskrachten.
Dit is een langzaam proces, dat voornamelijk plaatsvindt in slib met een zoutgehalte van minder dan 20% van het zeewater: slibsedimenten met
een hoger zoutgehalte en kleisedimenten hebben daarentegen waterbeweging voorafgaand aan ijsvorming, gedomineerd door reologische processen. Het duurt dus tussen de 1 en 1000 jaar om in de bovenste 2,5 meter van kleisedimenten intrasedimentair ijs te vormen. Bij veensedimenten duurt het daarentegen tussen de 10 en 10.000 jaar en bij siltsedimenten tussen de 1.000 en 1.000.000 jaar.

Landvormen

Klifwand van een teruglopende dooival aan de zuidkust van Herschel Island binnen een kopwand van ongeveer 22 meter bij 1.300 meter.

Permafrostprocessen zoals thermische contractie die scheuren genereert die uiteindelijk ijswiggen worden en solifluctie – geleidelijke beweging van grond langs de helling terwijl deze herhaaldelijk bevriest en ontdooit – leiden vaak tot de vorming van grondpolygonen, ringen, treden en andere vormen van gepatroneerde grond die voorkomen in arctische, periglaciale en alpiene gebieden. In ijsrijke permafrostgebieden initieert het smelten
van grondijs thermokarstlandvormen zoals thermokarstmeren, dooidalingen, thermische erosiegeulen en actieve laagafscheidingen.

Een groep palsa's, van bovenaf gezien,
gevormd door de groei van ijslenzen

MPingos nabij Tuktoyaktuk,
Northwest Territories, Canada

Steenringen op Spitsbergen

Opvallend is dat ongewoon diepe permafrost in arctische heidevelden en moerassen vaak smeltwater aantrekt in warmere seizoenen, dat zich verzamelt en bevriest om ijslenzen te vormen, en de omliggende grond begint naar buiten te steken op een helling. Dit kan uiteindelijk resulteren in de vorming van grootschalige landvormen rond deze kern van permafrost, zoals palsas – lange (15–150 m, brede (10–30 m maar ondiepe (<1–6 m hoge veenheuvels – en de nog grotere pingo's, die 3–70 m hoog zijn en 30–1.000 m diameter kunnen zijn.

Krimpscheur (ijswig) veelhoeken op
Arctisch sediment.

Een ijswig is een scheur in de grond die
gevormd wordt door een smal of dun stuk ijs.

Solifluctie is waarbij een massa langs
een helling naar beneden beweegt

Ecologie

Alleen planten met ondiepe wortels kunnen overleven in de aanwezigheid van permafrost. Zwarte sparren tolereren beperkte wortelzones en domineren flora waar permafrost uitgebreid is. Op dezelfde manier hebben diersoorten die in holen en holen leven hun leefgebied beperkt door de permafrost, en deze beperkingen hebben ook een secundaire impact op interacties tussen soorten binnen het ecosysteem.

Terwijl permafrostgrond bevroren is, is deze niet volledig onherbergzaam voor micro-organismen, hoewel hun aantal sterk kan variëren, doorgaans van 1 tot 1000 miljoen per gram grond. De permafrostkoolstofcyclus (Arctische koolstofcyclus) houdt zich bezig met de overdracht van koolstof
van permafrostgronden naar terrestrische vegetatie en microben, naar de atmosfeer, terug naar de vegetatie en uiteindelijk terug naar permafrostgronden door begraving en sedimentatie als gevolg van cryogene processen. Een deel van deze koolstof wordt via de mondiale koolstofcyclus overgebracht naar de oceaan en andere delen van de wereld. De cyclus omvat de uitwisseling van koolstofdioxide en methaan tussen terrestrische componenten en de atmosfeer, evenals de overdracht van koolstof tussen land en water als methaan, opgeloste organische koolstof, opgeloste anorganische koolstof, deeltjesvormige anorganische koolstof en deeltjesvormige organische koolstof.

Scheuren die zich vormen aan de
randen van het permafrost
veengebied Storflaket in Zweden.

Polygonen en ijslenzen in het
Padjelanta Nationaal Park,
Zweden.

Een veenplateaucomplex ten zuiden van Fort Simpson,
Northwest Territories.

De meeste bacteriën en schimmels die in permafrost worden aangetroffen, kunnen niet in het laboratorium worden gekweekt, maar de identiteit van de micro-organismen kan worden onthuld door DNA-gebaseerde technieken. Zo onthulde analyse van 16S rRNA-genen uit laat-Pleistoceen permafrostmonsters in het Kolyma-laagland in Oost-Siberië acht phylotypes, die behoorden tot de phyla Actinomycetota en Pseudomonadota. "Muot-da-Barba-Peider", een alpiene permafrostlocatie in Oost-Zwitserland, bleek in 2016 een diverse microbiële gemeenschap te herbergen. Belangrijke bacteriegroepen omvatten de stammen Acidobacteriota, Actinomycetota, AD3, Bacteroidota, Chloroflexota, Gemmatimonadota, OD1, Nitrospirota, Planctomycetota, Pseudomonadota en Verrucomicrobiota, naast eukaryotische schimmels zoals Ascomycota, Basidiomycota en Zygomycota. Bij de momenteel levende soorten observeerden wetenschappers een verscheidenheid aan aanpassingen voor omstandigheden onder nul, waaronder gereduceerde en anaërobe metabolische processen.

Bouwen op permafrost

Er zijn slechts twee grote steden in de wereld gebouwd in gebieden met continue permafrost waar de bevroren grond een ononderbroken,
onder nul liggende laag vormt en beide liggen in Rusland, Norilsk in Krasnojarsk Krai en Yakutsk in de Republiek Sacha. Bouwen op permafrost is moeilijk omdat de hitte van het gebouw (of de pijpleiding) zich naar de grond kan verspreiden en deze kan ontdooien. Naarmate het ijsgehalte in water verandert, wordt het vermogen van de grond om structurele ondersteuning te bieden verzwakt, totdat het gebouw wordt gedestabiliseerd. Bijvoorbeeld, tijdens de bouw van de Trans-Siberische spoorlijn begon een stoommachinefabriekcomplex dat in 1901 was gebouwd binnen een maand na de ingebruikname om deze redenen af te brokkelen. Bovendien is er geen grondwater beschikbaar in een gebied dat onder permafrost ligt. Elke substantiële nederzetting of installatie moet een alternatieve regeling treffen om water te verkrijgen.

Een gebouw op verhoogde palen in de
permafrostzone.

Paalfunderingen in Jakoetsk, een stad met een
permanente permafrostlaag.

In Jakoetsk lopen bovengronds
stadsverwarmingsleidingen.

Een gebruikelijke oplossing is het plaatsen van funderingen op houten palen, een techniek die is ontwikkeld door de Sovjet-ingenieur Mikhail Kim in Norilsk. Door de opwarming veroorzaakte verandering van wrijving op de palen kan echter nog steeds beweging door kruip veroorzaken, zelfs als de grond bevroren blijft. Het Melnikov Permafrost Instituut in Jakoetsk ontdekte dat paalfunderingen tot 15 meter moesten reiken om het risico te voorkomen dat gebouwen zouden zinken. Op deze diepte verandert de temperatuur niet met de seizoenen en blijft op ongeveer -5 °C.

Twee andere benaderingen bouwen voort op een uitgestrekt grindpad meestal 1 à 2 m dik; of met behulp van watervrije ammoniak-warmtepijpen. Het Trans-Alaska Pipeline System maakt gebruik van warmtepijpen die in verticale steunen zijn ingebouwd om te voorkomen dat de pijpleiding wegzakt en de Qingzang-spoorweg in Tibet gebruikt verschillende methoden om de grond koel te houden, zowel in gebieden met vorstgevoelige grond. Permafrost heeft mogelijk speciale behuizingen nodig voor ondergrondse nutsvoorzieningen, utilidors genoemd.

Gevolgen van klimaatverandering

Verhoging van de actieve laagdikte

Wereldwijd is de permafrost tussen 2007 en 2016 met ongeveer 0,3 °C opgewarmd, waarbij een sterkere opwarming werd waargenomen in de continue permafrostzone ten opzichte van de discontinue zone. De waargenomen opwarming bedroeg tot 3 °C in delen van Noord-Alaska (begin jaren tachtig tot midden jaren 2000) en tot 2 °C in delen van het Russisch-Europese Noorden (1970–2020). Deze opwarming zorgt er
onvermijdelijk voor dat de permafrost ontdooit: de actieve laagdikte is in de 21e eeuw in het Europese en Russische Noordpoolgebied toegenomen en sinds de jaren negentig in hooggelegen gebieden in Europa en Azië. Tussen 2000 en 2018 was de gemiddelde dikte van de actieve laag toegenomen van ~127 cm (tot ~145 cm, met een gemiddeld jaarlijks tempo van ~0,65 cm.

Permafrost-koolstofcyclus

Naarmate de recente opwarming de actieve laag verdiept die onderhevig is aan dooi door
de permafrost, wordt voorheen opgeslagen koolstof blootgesteld aan biogene processen, waardoor het in de atmosfeer terechtkomt als koolstofdioxide en methaan. Omdat de koolstofuitstoot door de dooi van de permafrost bijdraagt aan dezelfde opwarming die
de dooi vergemakkelijkt, is het een bekend voorbeeld van een positieve feedback op klimaatverandering. De dooi van permafrost wordt soms beschouwd als een van de belangrijkste omslagpunten in het klimaatsysteem vanwege het optreden van lokale drempels en de effectieve onomkeerbaarheid ervan. Hoewel er zichzelf in stand houdende processen zijn die op lokale of regionale schaal van toepassing zijn, wordt er gedebatteerd over de vraag of dit voldoet aan de strikte definitie van een mondiaal omslagpunt, aangezien de dooi van de permafrost over het geheel genomen geleidelijk verloopt met de opwarming.

In het noordelijke circumpolaire gebied bevat de permafrost organisch materiaal dat overeenkomt met 1400 tot 1650 miljard ton pure koolstof, dat in de loop van duizenden jaren is opgebouwd. Deze hoeveelheid is gelijk aan bijna de helft van al het organische materiaal in alle bodems, en is ongeveer tweemaal het koolstofgehalte van de atmosfeer,
of ongeveer vier keer groter dan de menselijke uitstoot van koolstof tussen het begin van
de industriële revolutie en 2011. Verder wordt het grootste deel van deze koolstof (1.035 miljard ton) opgeslagen in wat wordt gedefinieerd als de permafrost aan de oppervlakte,
niet dieper dan 3 meter onder het oppervlak. Er wordt echter verwacht dat slechts een fractie van deze opgeslagen koolstof in de atmosfeer terechtkomt.

De exacte hoeveelheid koolstof die vrijkomt als gevolg van de opwarming in een bepaald permafrostgebied hangt af van de dooidiepte, het koolstofgehalte in de dooibodem, fysieke veranderingen in de omgeving en microbiële en vegetatieactiviteit in de bodem. Met name geven schattingen van de koolstofuitstoot alleen niet volledig de impact weer van de dooi van de permafrost op de klimaatverandering. Dit komt omdat koolstof kan vrijkomen via aërobe of anaërobe ademhaling, wat respectievelijk resulteert in de uitstoot van koolstofdioxide (CO2) of methaan (CH4). Terwijl methaan minder dan twaalf jaar in de atmosfeer blijft, is het aardopwarmingspotentieel ongeveer 80 keer groter dan dat van
CO2 over een periode van twintig jaar en ongeveer 28 keer groter over een periode
van honderd jaar.

Permafrost-veengebieden (een kleinere, koolstofrijke subset van permafrostgebieden) onder verschillende mate van opwarming van de aarde, en de daaruit voortvloeiende emissies als fractie van de antropogene emissies die nodig zijn om die mate van opwarming te veroorzaken.

Hoewel slechts een klein deel van de permafrostkoolstof in de atmosfeer terechtkomt als methaan, zullen deze emissies 40 tot 70% van de totale opwarming veroorzaken die wordt veroorzaakt door de dooi van de permafrost in de 21e eeuw. Een groot deel van de onzekerheid over de uiteindelijke omvang van de permafrost-methaanemissies wordt veroorzaakt door de moeilijkheid om rekening te houden met de recent ontdekte abrupte dooiprocessen, die vaak de hoeveelheid uitgestoten methaan vergroten ten opzichte van koolstofdioxide in vergelijking met de gebruikelijke geleidelijke dooiprocessen.

Door dooi veroorzaakte grondinstabiliteit

Naarmate het water wegvloeit of verdampt, verzwakt de bodemstructuur en wordt soms stroperig totdat deze weer op sterkte komt met een afnemend vochtgehalte. Een zichtbaar teken van degradatie van de permafrost is de willekeurige verplaatsing van bomen vanuit hun verticale oriëntatie in permafrostgebieden. Door de opwarming van de aarde zijn de verstoringen van de permafrosthelling en de sedimentaanvoer naar
fluviale systemen toegenomen, wat heeft geleid tot een uitzonderlijke toename van riviersediment. Aan de andere kant vergroot verstoring van voorheen harde grond de afvoer van waterreservoirs in noordelijke wetlands. Dit kan ze uitdrogen en het voortbestaan van planten en dieren die gewend zijn aan het wetland-ecosysteem in gevaar brengen

Permafrost ontdooit vijvers op veengebieden
in Hudson Bay, Canada in 2008.

Ernstige kusterosie aan de kust van de
Noordelijke IJszee in Alaska.

Ontdooien van permafrost op Herschel Island,
Canada,

In hoge bergen kan een groot deel van de structurele stabiliteit worden toegeschreven aan gletsjers en permafrost. Naarmate het klimaat warmer wordt, ontdooit de permafrost, waardoor de stabiliteit van de hellingen afneemt en de spanning toeneemt door de opbouw van poriewaterdruk,
wat uiteindelijk kan leiden tot het bezwijken van de helling en het vallen van steen. In de afgelopen eeuw zijn er steeds meer gevallen van falen van rotshellingen in berggebieden over de hele wereld geregistreerd, en sommige daarvan zijn toegeschreven aan de dooi van de permafrost als gevolg van de klimaatverandering. De aardverschuiving in Val Pola in 1987 in de Italiaanse Alpen waarbij 22 mensen om het leven kwamen, wordt als zo'n voorbeeld beschouwd. In 2002 vonden massale rots- en ijsdalingen tot 11,8 miljoen m3, aardbevingen tot 3,9 Richter, overstromingen tot 7,8 miljoen m3 water en snelle stroming van steenijs over grote afstanden tot 7,5 km op 60 meter hoogte plaats. m/s) werden toegeschreven aan de instabiliteit van de hellingen in de permafrost in de hoge bergen

Infrastructuur

Anno 2021 zijn er 1162 nederzettingen direct boven de permafrost in de Arctische gebieden,
waar naar schatting 5 miljoen mensen wonen.Verwacht wordt dat tegen 2050 de permafrostlaag onder 42% van deze nederzettingen zal ontdooien, waardoor al hun bevolkingsgroepen
momenteel 3,3 miljoen mensen zullen worden getroffen. Als gevolg daarvan wordt een breed scala aan infrastructuur in permafrostgebieden bedreigd door de dooi. Tegen 2050 loopt naar schatting bijna 70% van de mondiale infrastructuur in de permafrostgebieden een hoog risico op dooi van de permafrost. inclusief 30-50% van de kritieke infrastructuur.

Buiten het Noordpoolgebied heeft het Qinghai-Tibetplateau ook wel bekend als de Derde Pool ook een uitgebreid permafrostgebied. De opwarming gaat twee keer zo snel als het mondiale gemiddelde, en 40% ervan wordt al als ‘warme’ permafrost beschouwd, wat het bijzonder onstabiel maakt. Het Qinghai-Tibet Plateau heeft een bevolking van ruim 10 miljoen mensen.
Het dubbele van de bevolking van permafrostgebieden in het Noordpoolgebied – en meer dan
1-miljoen m2 aan gebouwen bevinden zich in het permafrostgebied, evenals 2.631 km aan elektriciteitsleidingen en 580 km aan elektriciteitskabels. spoorwegen.Er is ook 9.389 km aan wegen, en ongeveer 30% ervan lijdt al schade door de dooi van de permafrost.

Gedetailleerde kaart van de infrastructuur van het Qinghai-Tibetplateau die gevaar loopt door dooi van de permafrost

Vrijkomen van giftige verontreinigende stoffen

Gedurende een groot deel van de 20e eeuw geloofde men dat permafrost alles wat daar begraven lag voor onbepaalde tijd zou behouden, en dit maakte diepe permafrostgebieden tot populaire locaties voor de verwijdering van gevaarlijk afval. Op plaatsen zoals het Canadese olieveld Prudhoe Bay werden procedures ontwikkeld die de juiste' manier documenteerden om afval onder de permafrost te injecteren. Dit betekent dat er
vanaf 2023 ongeveer 4500 industriële faciliteiten in de permafrostgebieden in het Noordpoolgebied zijn waar gevaarlijke chemicaliën actief worden verwerkt of opgeslagen. Bovendien zijn er tussen de 13.000 en 20.000 locaties die zwaar vervuild zijn, waarvan 70% in Rusland, en hun vervuiling
zit momenteel vast in de permafrost.

Organochloorverbindingen en andere persistente organische verontreinigende stoffen zijn bijzonder zorgwekkend, vanwege hun potentieel om herhaaldelijk lokale gemeenschappen te bereiken nadat ze opnieuw zijn vrijgegeven door biomagnificatie in vissen. In het slechtste geval zouden toekomstige generaties geboren in het Noordpoolgebied het leven ingaan met een verzwakt immuunsysteem als gevolg van de ophoping van verontreinigende stoffen over de generaties heen.

Verdeling van giftige stoffen die zich momenteel op
verschillende permafrostlocaties in Alaska bevinden,
per sector. Het aantal vissenskeletten
vertegenwoordigt de toxiciteit van elke stof.

Grafische weergave van lekkages als gevolg van verschillende giftige gevaren veroorzaakt
door de dooi van voorheen stabiele permafrost.

Een opmerkelijk voorbeeld van de vervuilingsrisico's die verband houden met permafrost was de olieramp in Norilsk in 2020, veroorzaakt door het instorten van een opslagtank voor dieselbrandstof bij de thermische elektriciteitscentrale nr. 3 van Norilsk-Taimyr Energy. Daarbij werd 6.000 ton brandstof in het land gemorst en 15.000 ton in de bodem. water, waardoor Ambarnaya, Daldykan en vele kleinere rivieren op het Taimyr-schiereiland vervuild werden, en zelfs het Pyasino-meer bereiktexx, dat een cruciale waterbron is in het gebied. De noodtoestand op federaal niveau werd uitgeroepen. De gebeurtenis wordt beschreven als de op een na grootste olieramp in de moderne Russische geschiedenis.

Een ander probleem dat verband houdt met het ontdooien van permafrost is het vrijkomen van natuurlijke kwikafzettingen. Naar schatting 800.000 ton kwik is bevroren in de permafrostbodem. Volgens waarnemingen wordt ongeveer 70% ervan na de dooi eenvoudigweg opgenomen door de vegetatie. Kwikrijke bodems vormen ook een veel grotere bedreiging voor mens en milieu als ze ontdooien. in de buurt van rivieren. Hier door wordt het onveilig om vissen te eten.

Pathogene micro-organismen in bevroren omgevingen

Van bacteriën is bekend dat ze inactief kunnen blijven om ongunstige omstandigheden te overleven, en virussen zijn überhaupt niet metabolisch actief buiten de gastheercellen. Dit heeft tot bezorgdheid geleid dat het ontdooien van de permafrost voorheen onbekende micro-organismen zou kunnen bevrijden, die mogelijk mensen of belangrijk vee en gewassen kunnen infecteren, wat mogelijk kan resulteren in schadelijke epidemieën of pandemieën. Verder beweren sommige wetenschappers dat horizontale genoverdracht zou kunnen plaatsvinden tussen de oudere, voorheen bevroren bacteriën, en moderne bacteriën, en één uitkomst zou de introductie kunnen zijn van nieuwe antibioticaresistentiegenen in het genoom van de huidige pathogenen, waardoor wat naar verwachting al een grote bedreiging zal worden, nog verder wordt verergerd. moeilijke kwestie in de toekomst.

Tegelijkertijd lijken opmerkelijke ziekteverwekkers zoals griep en pokken niet te kunnen overleven als ze worden ontdooid, en andere wetenschappers beweren dat het risico dat oude micro-organismen zowel de dooi kunnen overleven als mensen kunnen bedreigen, niet wetenschappelijk plausibel is. Evenzo suggereert enig onderzoek dat de antimicrobiële resistentiecapaciteiten van oude bacteriën vergelijkbaar of zelfs inferieur zouden zijn aan moderne bacteriën.

Planten

In 2012 bewezen Russische onderzoekers dat permafrost kan dienen als een natuurlijke opslagplaats voor oude levensvormen door een monster van Silene stenophylla nieuw leven in te blazen uit 30.000 jaar oud weefsel gevonden in een eekhoornhol uit de ijstijd in de Siberische permafrost. Dit is het oudste plantenweefsel dat ooit nieuw leven is ingeblazen. De resulterende plant was vruchtbaar en produceerde witte bloemen en levensvatbare zaden. De studie toonde aan dat levend weefsel tienduizenden jaren lang ijsbehoud kan overleven.

Enkele van de oude amoebe
etende virussen zijn, Met de klok
mee vanaf de bovenkant:
Pandoravirus yedoma;
Pandoravirus-mammoet en
Megavirus-mammoet;
Cedratvirus lena;
Mammoetpithovirus; Mammoet-
megavirus; Pacmanvirus lupus.

Geschiedenis van het wetenschappelijk onderzoek

Tussen het midden van de 19e eeuw en het midden van de 20e eeuw werd het grootste deel van de literatuur over de fundamentele permafrostwetenschap en de technische aspecten van permafrost in het Russisch geschreven. Een van de vroegste schriftelijke rapporten waarin het bestaan van permafrost wordt beschreven, dateert uit 1684, toen de inspanningen voor het uitgraven van putten in Jakoetsk werden gehinderd door de aanwezigheid ervan. ) en Karl Ernst von Baer, een Baltisch-Duitse wetenschapper aan de Universiteit van Königsberg, en lid van de Sint-Petersburg Academie van Wetenschappen. Baer begon in 1838 met het publiceren van werken over permafrost en wordt vaak beschouwd als de 'grondlegger van het wetenschappelijk permafrostonderzoek'. Baer legde de basis voor de moderne permafrostterminologie door alle beschikbare gegevens over grondijs en permafrost te verzamelen en te analyseren.

Het is ook bekend dat Baer in 1843 's werelds eerste permafrost-leerboek heeft samengesteld, materialen voor de studie van het eeuwige grondijs, geschreven in zijn moedertaal. Het werd toen echter niet gedrukt en een Russische vertaling was pas in 1942 klaar. Men dacht dat het originele Duitse leerboek verloren was gegaan totdat het typoscript uit 1843 werd ontdekt in de bibliotheekarchieven van de Universiteit van Giessen. De tekst van 234 pagina's was online beschikbaar, met aanvullende kaarten, voorwoord en commentaar. Met name komt de zuidelijke grens van de permafrost in Eurazië, getekend in 1843, goed overeen met de werkelijke zuidelijke grens die door modern onderzoek is geverifieerd.

Vanaf 1942 verdiepte Siemon William Muller zich in de relevante Russische literatuur die in het bezit was van de Library of Congress en de US Geological Survey Library, zodat hij in 1943 de regering een technische veldgids en een technisch rapport over permafrost kon bezorgen. Dat rapport bedacht de Engelse term als een samentrekking van permanent bevroren grond, waarin werd beschouwd als een directe vertaling van de Russische term vechnaia merzlota (Russisch). In 1953 werd deze vertaling bekritiseerd door een andere USGS-onderzoeker Inna Poiré, omdat ze
geloofde dat de term onrealistische verwachtingen had gewekt over de stabiliteit ervan.

Zuidelijke grens van de permafrost in Eurazië
volgens Karl Ernst von Baer (1843)

Tussen 11 en 15 november 1963 vond de eerste internationale conferentie over Permafrost plaats op het terrein van de Purdue University in de Amerikaanse stad West Lafayette, Indiana. Er waren 285 deelnemers bij betrokken (waaronder ‘ingenieurs, fabrikanten en bouwers’ die naast de onderzoekers aanwezig waren) uit een reeks landen (Argentinië, Oostenrijk, Canada, Duitsland, Groot-Brittannië, Japan, Noorwegen, Polen, Zweden, Zwitserland, de VS en de Verenigde Staten). Sovjet-Unie). Dit markeerde het begin van moderne wetenschappelijke samenwerking op dit gebied. Conferenties blijven elke vijf jaar plaatsvinden. Tijdens de vierde conferentie in 1983 werd tijdens een speciale bijeenkomst tussen de deelnemende landen van de "Big Four" (VS, USSR, China en Canada) officieel de International Permafrost Association opgericht.

De afgelopen decennia heeft permafrostonderzoek meer aandacht dan ooit getrokken vanwege de rol ervan in de klimaatverandering. Als gevolg hiervan heeft er een enorme versnelling plaatsgevonden in de gepubliceerde wetenschappelijke literatuur. Rond 1990 werden er bijna geen artikelen vrijgegeven die de woorden permafrost en koolstof bevatten: in 2020 werden er elk jaar ongeveer 400 van dergelijke artikelen gepubliceerd.

Bronnen: https://nl.wikipedia.org/wiki/Permafrost, Wikipedia-en

Categorieën: Klimaat en klimaatverandering I Weer en klimaat A tot Z