Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory machten sich daran, eine der größten Unsicherheiten darüber anzugehen, wie kohlenstoffreicher Permafrostboden auf das allmähliche Absinken der Landoberfläche bei steigenden Temperaturen reagieren wird. Mithilfe einer leistungsstarken Computersimulation fand das Forscherteam heraus, dass es unwahrscheinlich ist, dass Bodensenkungen in Zukunft zu zügellosem Auftauen führen werden.
Diese dauerhaft gefrorene Landschaft in der arktischen Tundra, die seit Tausenden von Jahren riesige Mengen an Kohlenstoff eingeschlossen hat, läuft Gefahr aufzutauen und Treibhausgase in die Atmosphäre freizusetzen.
Der Zwischenstaatliche Ausschuss der Vereinten Nationen für Klimaänderungen hat die Möglichkeit einer Bodenabsenkung, die zu einer Rückkopplungsschleife führen könnte, die ein schnelles Tauwetter auslösen könnte, als ein großes Problem in den kommenden Jahrzehnten identifiziert. Beschleunigtes Auftauen, das durch ungleichmäßige Landabsenkung verursacht wird, wurde in kleineren Maßstäben über kürzere Zeiträume beobachtet, aber die Einschätzungen des IPCC waren unsicher, was langfristig passieren könnte.
Hier kam das ORNL mit seinem Advanced Terrestrial Simulator (ATS) ins Spiel, einem hochgenauen, auf Physik basierenden Modell der Hydrologie der Region, das von detaillierten, realen Messungen gespeist wird, um Wissenschaftlern zu helfen, die Entwicklung des Landes zu verstehen.
Sie fanden heraus, dass, obwohl der Boden weiter absinken wird, wenn große Eisvorkommen schmelzen, das ungleichmäßige Absinken auch zu einer trockeneren Landschaft führt und die Beschleunigung des Prozesses bis zum Ende des Jahrhunderts begrenzt, wie in beschrieben Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Eine verbesserte Entwässerung führt über einen Zeitraum von Jahrzehnten zu einer trockeneren Landschaft, und der Prozess wird dann selbstbegrenzend“, sagte Scott Painter, der die Watershed Systems Modeling Group am ORNL leitet.
Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf eine große Region der Tundra, die durch Eiskeile gekennzeichnet ist – lange Eisstücke, die die Oberfläche aufbrechen und sich unter der Erde erstrecken, um polygonale Formen in der arktischen Landschaft zu erzeugen. Die Kryo-Hydrologie-Simulationen basierten auf Messungen, die in der polygonalen Tundra gesammelt wurden.
Das ATS wurde zuerst für das vom ORNL geleitete NGEE Arctic-Projekt des Energieministeriums entwickelt, das sich auf Beobachtungen, Experimente und Modellierung der in der Region ablaufenden Umweltprozesse konzentrierte, um Klimavorhersagen zu verbessern.
„Wir haben uns die Mikrotopographie angesehen, die durch diese Eiskeile im Untergrund verursacht wird, und wie das den Wasserfluss steuert“, sagte Painter. „Unsere ist die erste Fähigkeit, die Auswirkungen einer sich verändernden Mikrotopographie zu erfassen und in Klimamodellen darzustellen.“
Painter fügte hinzu, dass das Team ein hohes Maß an Vertrauen in das Modell hat, da es für NGEE Arctic entwickelt und anhand der realen Beobachtungen des Projekts bewertet wurde.
Er merkte an, dass die meisten Modelle, einschließlich der ORNL-Modelle, darin übereinstimmen, dass sie im Allgemeinen große Mengen an Kohlenstoffschmelze in der Arktis prognostizieren, wenn die Temperaturen steigen. „Aber hier haben wir festgestellt, dass einer der besorgniserregendsten Prozesse, dieses außer Kontrolle geratene Auftauen aufgrund von Senkungen, wahrscheinlich nicht über einen langen Zeitraum stattfinden wird.“
Die Studie wies auf andere Auswirkungen einer austrocknenden Landschaft hin. „Da die polygonale Tundra sehr trocken wird, könnte dies bis zum Jahr 2100 ökologische Auswirkungen auf Zugvögel haben, die diese Ökosysteme als Brutplätze nutzen“, sagte Painter.
Andere Wissenschaftler, die an der Studie mitarbeiten, sind Ethan Coon vom ORNL; Ahmad Jan, früher beim ORNL und jetzt beim NOAA-verbundenen Office of Water Prediction; und Julie Jastrow vom Argonne National Laboratory.
Die Forschung wurde von NGEE Arctic, das vom Biological and Environmental Research Program des DOE Office of Science gesponsert und vom ORNL geleitet wird, und dem Environmental System Science Program des BER in Argonne unterstützt. NGEE Arctic unterstützte die ursprüngliche Entwicklung von ATS sowie die jüngsten Verbesserungen zur Einbeziehung von Senkungen in das Modell.