AI brengt verborgen bevriezingsfase van Arctische bodem in kaart

Als de herfst overgaat in winter, bevriest de Arctische bodem niet in één keer. In plaats daarvan blijft de grond dagen tot weken rond het vriespunt hangen, in een fase die onderzoekers het 'nulgordijn' noemen. In die periode blijven bodembacteriën actief en stoten ze broeikasgassen uit. Een team onder leiding van NASA heeft nu voor het eerst met behulp van kunstmatige intelligentie in kaart gebracht waar en hoe lang dit verschijnsel precies duurt, over het hele Arctische gebied.

Waarom bevriest de grond niet meteen door?

Het nulgordijn-effect werkt volgens hetzelfde principe als een glas ijswater dat op temperatuur blijft zolang er nog ijsklontjes in drijven. In het voorjaar houdt smeltend ijs de bodemtemperatuur op het vriespunt, omdat binnenkomende warmte eerst het ijs laat smelten voordat de temperatuur verder stijgt. In de herfst gebeurt het omgekeerde: bevriezend water in de bodem geeft warmte af, waardoor de grond een tijd lang niet verder afkoelt. Deze bijna-vriespunt-omstandigheden zijn precies gunstig genoeg voor microben om actief te blijven. Zij zetten organisch materiaal om en stoten daarbij kooldioxide en methaan uit.

Dat is relevant, want de permafrost in het noordpoolgebied bevat naar schatting 1,9 biljoen ton organische koolstof. Dat is bijna twee keer zoveel als er momenteel in de hele atmosfeer van de aarde zit. Naarmate permafrost verder ontdooit en het nulgordijn langer aanhoudt, kan een groter deel van die koolstofvoorraad alsnog als broeikasgas de lucht in gaan.

Een AI-systeem dat metingen sinds 1891 combineert

Voor het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports, bouwden de wetenschappers een AI-systeem genaamd GeoCryoAI. Dit model combineert satellietwaarnemingen, klimaatmodellen en veldmetingen die teruggaan tot het jaar 1891, om voor het eerst gedetailleerde kaarten van het nulgordijn-effect over het hele Arctische gebied te maken. Zulke aardobservatie op grote schaal was tot nu toe niet mogelijk, omdat losse metingen te versnipperd waren om een compleet beeld te vormen.

Uit de kaarten blijkt dat de dooiperiode in het voorjaar doorgaans veel langer duurt dan de bevriezingsperiode in het najaar. Ook blijkt dat gebieden met een hoger vochtgehalte in de bodem een langduriger nulgordijn-effect kennen, omdat er simpelweg meer water aanwezig is dat moet bevriezen of ontdooien.

Vooruitblik: nauwkeurigere klimaatvoorspellingen

De onderzoekers ontwierpen GeoCryoAI zodat het systeem ook overweg kan met data van de NISAR-missie, een gezamenlijk project van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en de Indiase evenknie ISRO. Deze satelliet gebruikt synthetische-apertuurradar om veranderingen in bevroren landschappen nauwkeurig te volgen, ook door bewolking heen. Daarmee moeten wetenschappers beter kunnen volgen hoe het Arctische gebied reageert op de opwarming van de aarde, en preciezere voorspellingen kunnen doen over toekomstige uitstoot van broeikasgassen uit de permafrost.