Je leest:

Methaan uit permafrost en meren

Methaan uit permafrost en meren

Permafrost gebieden worden een bron van het broeikasgas methaan als de oppervlakte ontdooit door temperatuurstijging. Daar staat tegenover dat planten harder gaan groeien en meer koolstof vastleggen. Een weinig bekende bron van methaan zijn meren in Arctische gebieden. Uit deze meren borrelt fossiel methaan omhoog afkomstig uit diepe permafrost lagen van vele duizenden jaren oud waardoor de opwarming van de aarde versneld kan worden.

Eindeloze permafrost

Permafrost is bevroren grond met dood gras, mos en andere planten. Het beslaat een enorm oppervlak, van de kust van de poolzee in het noorden tot aan de boomgrens in het zuiden. Permafrost is onder andere te vinden in Alaska, Canada, Scandinavië en Siberië en kan meer dan 200 meter dik worden.

Permafrost op het noordelijk halfrond. Bron: Hugo Ahlenius, UNEP/GRID-Arendal

De laatste decennia beginnen er echter veranderingen op te treden, vooral aan de grenzen van de eeuwig bevroren grond. De bovenste laag bevat veel plantenresten en juist deze bovenste laag is het meest gevoelig voor opwarming. Als de plantenresten ontdooien beginnen ze te rotten. Als dat gebeurt waar er lucht bij kan komen (oxidatie) ontstaat het broeikasgas koolstofdioxide (CO2). Koolstofdioxide is het meest bekende broeikasgas, dat veel vrijkomt bij vulkanen, het verbranden van fossiele brandstoffen en de cementindustrie.

Wanneer plantenresten echter onder water ontdooien, zetten bacteriën de plantenresten langzaam om in methaan (CH4) en dat is een 20-25 maal sterker broeikasgas is dan koolstofdioxide. Methaan komt verder nog vrij uit rijstvelden, veeteelt (scheten en mest van dieren) en methaanhydraten op de zeebodem. In de uitgestrekte toendra’s van Alaska en Siberië is ‘s zomers na het smelten van de sneeuw veel water aanwezig en er komt daardoor veel methaan vrij. Het landschap verandert ’s zomers in een zompige, van muggen vergeven vlakte, die bezaaid is met meren. W.F. Hermans geeft hier een prachtige, zij het sombere indruk van in zijn boek ’Nooit meer slapen’.

Satellietbeeld van Arctische toendra in Jakoetië, noordoost Siberië. Bron: Google Earth

In het algemeen is de uitstoot van broeikasgassen uit de toendra kleiner dan wat de planten door hun groei vastleggen. Verscheidene wetenschappers wijzen erop dat planten in permafrostgebieden zelfs beter gaan groeien bij klimaatverandering doordat het groeiseizoen langer is en er meer water en voedingstoffen beschikbaar zijn voor de planten. Er wordt daardoor netto koolstof vastgelegd, omdat er meer plantenresten bijkomen dan wegrotten: de dode planten vormen laag op laag een dik pakket van veen.

Onder andere in het zuiden en westen van Siberië gaan zowel het smelten van de permafrost als het aangroeien van veen sneller omdat het daar warmer is en het groeiseizoen dus langer is. Dat stellen Wladimir Bleuten en Wiebe Borren in hun kennislinkartikel “West-Siberisch veen vertráágt klimaatverandering”. In noordelijke gebieden gaan de hierboven genoemde processen langzamer, omdat ’s zomers alleen de bovenste halve meter grond ontdooit en ’s winters de grond elk jaar weer helemaal tot aan de oppervlakte bevriest. Er is daardoor een groot deel van het jaar waarin er zo goed als niets gebeurt, maar in de zomer kunnen Arctische gebieden netto broeikasgas produceren.

Dat er nog veel zaken onduidelijk zijn rond het vrijkomen van methaan uit de toendra blijkt uit recent onderzoek van Mikhail Mastepanov en consorten. Zij ontdekten een tot op heden onbekende piek in methaanuitstoot vlak voordat de grond in de winter weer bevriest. Er komt daarbij plotseling veel methaan vrij. De gemeten waarden zijn gedurende één tot twee weken zo’n tien maal hoger dan gemiddelde waarden in de zomer. Dit zou betekenen dat permafrost gebieden toch een grotere rol spelen in wereldwijde methaanuitstoot dan tot nu toe gedacht werd.

Meer meren

Het is niet alleen de grond die ontdooit, signaleerde Sergei Kirpotin (wetenschapper aan de Universiteit van Tomsk) drie jaar geleden. Er komen ook steeds grotere en steeds meer ontdooide meren voor. Op het noordelijk halfrond beslaan meren naar schatting zo’n 1 miljoen vierkante kilometer (een gebied zo groot als Frankrijk en Spanje samen).

Arctische meren zijn vaak niet helemaal bevroren tot aan de bodem. Het ijs kan soms wel meer dan een meter dik worden. Het onbevroren water is relatief warm, en de bodem rond het meer kan daardoor niet helemaal bevriezen. Plantenresten die daar in de grond zitten kunnen dus langzaam blijven rotten. Ook wanneer een meer ontdooit of als een nieuw meer begint te vormen, kan methaangas gevormd worden dat rechtstreeks in de atmosfeer terecht komt. Vooral in het voorjaar komt een grote puls methaan vrij vanonder het smeltende en scheurende ijs.

Wetenschapper Katey Walker ontsteekt ontsnappend methaan uit een ‘hotspot’. Bron: University of Alaska, Fairbanks.

Katey Walter, die in 2005 promoveerde op methaanemissies uit Arctische meren, schat dat noordelijke meren zo’n 24.2 ± 10.5 Tg methaan per jaar uitstoten, ongeveer 6% van de methaanuitstoot wereldwijd. Zij zag op sommige plaatsen dat methaan zó hard uit de dooiende permafrost naar boven borrelde dat het oppervlak ‘s winters niet kon bevriezen (zie link naar filmpjes). Zulke ’hotspots’ stoten vaak methaan uit van ontdooide stukken onder de permafrost van waaruit methaan via allerlei kieren en spleten in de bevroren grond kan ontsnappen.

Methaan dat op deze manier wordt uitgestoten kan koolstof bevatten dat meer dan 35.000 jaar geleden is opgeslagen. Ook in kleinere, minder spectaculaire bellen komt methaan vrij uit meren, vooral in de lente als het ijs in de meren smelt. De koolstof van dit methaan is niet zo oud, maar kan nog steeds enkele duizenden jaar oud zijn. Op deze manier wordt er dus fossiel koolstof uitgestoten naar de atmosfeer.

Hoeveel methaan er precies vrijkomst is erg moeilijk te schatten omdat de methaanuitstoot per meer erg variabel is. Dit heeft te maken met de hoeveelheid plantenresten die beschikbaar is, de diepte van het meer, de watertemperatuur en de chemische samenstelling van het water. Daar komt bovendien nog bij dat veel Arctische meren heel erg lastig bereikbaar zijn voor wetenschappelijk onderzoek, vooral in Siberië.

De aanpak van Walter en haar team is als volgt: ze bezoeken de bevroren meren in de winter. Ze vegen dan een aantal banen vrij van sneeuw en ze tellen vervolgens hoeveel bellen er in het ijs te zien zijn. De bellen bevatten namelijk methaan die onder het ijs gevangen zijn en opgesloten zijn in het ijs. Het is ook mogelijk om methaan te meten als er geen ijs is. Je kunt dan bellen vangen met enorme trechters of door de hoeveelheid methaan te bepalen die in het water is opgelost.

Uiteindelijk krijg je zo een schatting van de hoeveelheid methaan die geproduceerd is in een meer. Met behulp van satellietbeelden berekenen Walter en haar team vervolgens wat de totale oppervlakte meren in het Arctische gebied is en ze extrapoleren de gegevens naar wereldschaal. Hoewel het team van Walter zoveel mogelijk meren in zoveel mogelijk verschillende gebieden probeert te bezoeken, blijft het lastig om nauwkeurige schattingen te maken. Misschien is de uitstoot in feite maar de helft, misschien wel het dubbele.

De wereldwijde gemiddelde concentratie van methaan in de atmosfeer. Bron: NOAA

Wereldwijd is het aandeel methaan in de atmosfeer in de periode 1997-2006 ongeveer constant gebleven. Een mogelijke verklaring voor deze tien jaar lange stabilisering heeft onderzoeker F. Sherwood Rowland, Nobelprijswinnaar in Chemie. Zijn team vermoedt dat dit komt door grootschalige reparaties aan pijpleidingen en opslagplaatsen van aardgas (methaan) die jaren lang in erbarmelijke staat waren en enorme hoeveelheden methaan lekten. Doordat onder andere de Verenigde Staten en Rusland begonnen met de reparaties namen lekkages als belangrijke bron van methaan af sinds 1997. De uitstoot door andere bronnen zoals wetlands en rijstvelden bleef echter toenemen, zodat concentraties in de atmosfeer gelijk bleven tot 2006.

Nu de belangrijkste lekkages verholpen zijn, is de stijging de laatste twee jaar echter weer sneller. Dat maakte NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), een van Amerika’s toonaangevende onderzoeksinstituten, in april 2008 bekend. Als oorzaken noemt NOAA dat 2007 een bovengemiddeld warm jaar was in Siberië, een toename in de veestapel (koeien laten veel scheten!) en de methaanuitstoot uit rijstvelden. NOAA durft nog niet zeggen of de huidige snelle stijging ook een trend over langere termijn is.

Methaan in het verleden

Tijdens de warme periodes in het verleden nam het methaangehalte in de atmosfeer snel toe. Dit is gebleken door het gehalte aan methaan in luchtbellen uit boorkernen van de ijskappen van Groenland en Antarctica te meten. Bij iedere opwarmingsfase wordt ook een methaanpiek gevonden. De oorzaak is niet precies bekend, maar de toendra gebieden op het noordelijk halfrond zijn een mogelijkheid.

Het verband tussen warme periodes en pieken in de methaanconcentratie in de atmosfeer, gebaseerd op gasconcentraties en stabiele isotopen in ijskernen.

Een andere verklaring voor de methaanpieken in warme periodes is het vrijkomen van methaan uit hydraten op de zeebodem. Al bij geringe opwarming van het zeewater kunnen methaanhydraten (opgeslagen in ijskristallen) in gasvorm overgaan en de atmosfeer bereiken. Er zijn aanwijzingen dat dit proces zich eerder heeft voorgedaan, bijvoorbeeld 55 miljoen jaar geleden tijdens het ‘Paleoceen-Eoceen Thermische Maximum’.

Tijdens deze extreem warme periode waren de poolkappen gesmolten en was de oppervlakte van de Arctische Oceaan minstens 22 ºC. Als methaan uit hydraten vrijkomt, zullen de gevolgen enorm zijn, want er zit naar schatting zo’n 32.000 gigaton methaan opgeslagen. Dit is maar liefst een miljoen keer zoveel als alle methaan in de atmosfeer van het noordelijke ecosysteem.

Om een antwoord te vinden op de vraag waar het methaan in het verleden precies vandaan kwam, heeft Walter opnieuw naar meren gekeken. Bij de datering van veel grote toendrameren bleek namelijk dat een groot deel van die meren tijdens de opwarming aan het eind van de laatste ijstijd is ontstaan. Dat is ook het moment, ongeveer 9 tot 11,5 duizend jaar geleden, dat er een sterke stijging van methaan in ijskernen is gemeten. Gebaseerd op de huidige metingen van methaan uit toendra-meren zou zo’n 33-87% van die toename verklaard kunnen worden.

Toekomst

De huidige toestand van het verdwijnen van de permafrost is een van de beste indicatoren voor de staat van het klimaat op het noordelijk halfrond. De permafrost zal niet van de een op de andere dag volledig verdwijnen en waarschijnlijk ook niet de komende honderd jaar, zoals sommige klimaatmodellen voorspellen. Wel zal tegen het einde van deze eeuw de Russische permafrost die de afgelopen 10.000 jaar heeft gevormd op grote schaal beginnen te dooien, aangenomen dat de temperatuur op aarde blijft stijgen. Het vrijkomen van fossiel koolstof in de vorm van methaan uit meren is hier een voorbode van.

Boren in de bodem van Siberische meertjes om terug te kijken in het verleden. Bron: Frans-Jan Parmentier

Om een goed beeld te krijgen van de smeltende permafrost moeten we dus dieper kijken dan de eerste centimeters. Echter, de permafrost gebieden zijn ontzettend uitgestrekt en vaak erg moeilijk te bereiken. Boren in diepere permafrostlagen is daarom duur en goede apparatuur is vaak moeilijk te vinden en te transporteren. Daarom kunnen rekenmodellen gebruikt worden om een schatting te krijgen, maar daarvoor zijn gegevens nodig van ontwikkelingen over 20 tot 30 jaar. En gegevens over ontsnappend methaan uit dooiende permafrost zijn er pas vanaf 2004. Er is dus veel meer onderzoek nodig.

Duidelijk is wel dat we waarschijnlijk aan het begin staan van een langzaam proces dat grondige effecten zal hebben op ecosystemen, mensen, infrastructuur en de koolstofcyclus. Voorbeelden hiervan zijn het verschuiven van de leefgebieden van dieren- en plantensoorten en het veranderen van het moment waarop planten beginnen te groeien of dieren jongen krijgen. Er zullen gebieden verdwijnen en beschikbaar komen voor landbouw, jacht en visserij. Tenslotte moet er steeds meer rekening gehouden worden met verzakkingen van huizen, wegen en pijpleidingen die op de permafrost gebouwd zijn. De uitstoot van methaan uit de permafrost kan dit hele proces versnellen!

Schade aan verwarmde gebouwen die verzakken wanneer de permafrost waarop ze gebouwd zijn smelt. Bron: Cary McLeod

Bronnen

  • Walter et al., 2007. Thermokarst lakes as a source of atmospheric CH4 during the last deglaciation. Science 318: 633-636.
  • Van der Molen et al., 2007. The growing season greenhouse gas balance of a continental tundra site in the Indigirka lowlands, NE Siberia. Biogeosciences 4: 985-1003.
  • Rigby et al., 2008. Renewed growth of atmospheric methane. Geophysical Research Letters 35: L22805, doi:10.1029/2008GL036037.
  • Mastepanov et al., 2008 Large tundra methane burst during onset of freezing. Nature 456: 628-630.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 december 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE