Permafrost
Permafrost is grond die minstens twee jaar achter elkaar constant op of onder het vriespunt blijft. Dat klinkt als een technische definitie, maar het gaat om enorme oppervlaktes: grofweg een kwart van het landoppervlak op het noordelijk halfrond ligt op zulke permanent bevroren bodem, van Siberië en Alaska tot delen van Canada en het Tibetaanse Hoogplateau. Het is geen ijslaag zoals een gletsjer, maar bevroren grond, steen en soms dikke lagen ijs die al duizenden jaren op hun plek zitten.
Een goede vergelijking is een diepvriezer die al tienduizenden jaren aanstaat. Alles wat erin ligt — plantenresten, botten van uitgestorven dieren, bacteriën — is als het ware gepauzeerd. Zodra de stroom uitvalt en de diepvriezer opwarmt, komt dat proces weer op gang: materiaal gaat ontdooien, verrotten en gassen afgeven. Precies dat gebeurt nu op grote schaal in het noordpoolgebied, met dit verschil dat niemand de deur zomaar weer dicht kan doen.
Wat is het precies?
Permafrost bestaat niet uit één uniforme bevroren massa. Bovenop ligt de actieve laag: een strook grond van meestal enkele decimeters tot ruim een meter dik die 's zomers ontdooit en 's winters weer bevriest. Planten wortelen in deze laag en dieren graven erin. Daaronder begint de permafrost zelf, die in delen van Siberië tot honderden meters diep kan zitten.
Binnen permafrostgebieden komen ook taliks voor: zakken onbevroren grond, bijvoorbeeld onder meren of rivieren, die het hele jaar door vloeibaar water bevatten omdat water de bodem er lokaal isoleert of verwarmt. Een bijzondere en kwetsbare vorm is yedoma: ijzige, zeer organisch-rijke permafrost die tijdens de laatste ijstijd is ontstaan in delen van Siberië en Alaska en voor wel tachtig procent uit ijs kan bestaan. Als yedoma ontdooit, zakt de grond niet geleidelijk maar kan hij letterlijk instorten, een verschijnsel dat thermokarst heet.
Wat permafrost klimatologisch relevant maakt, is de hoeveelheid organisch materiaal die erin opgeslagen ligt. Duizenden jaren aan dode planten en dieren zijn nooit volledig afgebroken omdat het te koud was voor bacteriën om hun werk te doen. Wetenschappers schatten dat er in permafrost wereldwijd ergens tussen de 1.400 en 1.700 miljard ton koolstof zit opgeslagen — ruwweg twee keer zoveel als er momenteel als CO2 in de hele atmosfeer aanwezig is. Dat is een schatting met een aanzienlijke onzekerheidsmarge, omdat niet elk stuk permafrost even goed in kaart is gebracht.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar permafrost draait niet om het “gebruiken” van een technologie, zoals bij zonnepanelen of batterijen, maar om het begrijpen en voorspellen van een natuurlijk systeem dat verandert onder invloed van klimaatopwarming. De inzet is drieledig.
Ten eerste willen klimaatwetenschappers weten hoeveel extra broeikasgas vrijkomt als permafrost ontdooit, en hoe snel. Bacteriën die weer actief worden, breken organisch materiaal af en produceren daarbij CO2 en, in zuurstofarme omstandigheden zoals onder water, methaan — een broeikasgas dat op korte termijn veel sterker opwarmt dan CO2. Dit proces zou een zichzelf versterkende terugkoppeling kunnen vormen: meer opwarming leidt tot meer ontdooiing, wat weer tot meer opwarming leidt. Hoe groot en hoe snel dit effect precies is, blijft een van de grotere onzekerheden in klimaatmodellen.
Ten tweede is er een directe, praktische reden: infrastructuur. Wegen, spoorlijnen, pijpleidingen, huizen en fabrieken in het noordpoolgebied zijn vaak gebouwd op de aanname dat de ondergrond stevig en bevroren blijft. Als die ondergrond verzakt, kunnen funderingen scheuren en gebouwen instorten.
Ten derde willen onderzoekers simpelweg beter begrijpen hoe dit systeem werkt, los van directe toepassingen: hoe taliks zich vormen, hoe snel thermokarstmeren groeien, en welke microben er in ontdooiend organisch materiaal actief worden.
Voorbeelden uit de praktijk
De Batagaika-krater in Jakoetië, Siberië, is een van de bekendste zichtbare voorbeelden van permafrostontdooiing. Deze megaslump — plaatselijk ook wel de "poort naar de onderwereld" genoemd — begon in de jaren zeventig als een kleine erosiegeul na ontbossing en is inmiddels uitgegroeid tot een kilometer lange, tientallen meters diepe krater die nog altijd groeit, waarbij duizenden jaren oude ijslagen zichtbaar worden.
Bij Norilsk, in Russisch Siberië, veroorzaakte een verzakkende fundering in mei 2020 een grote dieselolielekkage: een opslagtank van energiebedrijf Norilsk Nickel bezweek nadat de ondergrond, volgens onderzoek van het bedrijf en Russische autoriteiten, door jarenlange opwarming van de permafrost was verzwakt. Er kwam ongeveer 21.000 ton diesel in rivieren en de bodem terecht, een van de grootste olierampen ooit in het Russische noordpoolgebied.
Op het Jamal-schiereiland in Rusland zijn sinds 2014 tientallen grote kraters ontstaan die vermoedelijk het gevolg zijn van opgebouwde gasdruk (methaan) onder een verzwakkende, ontdooiende bovenlaag, die op een gegeven moment explosief vrijkomt. Het exacte mechanisme wordt nog onderzocht.
Aan de andere kant staat het Pleistocene Park bij Chersky in Siberië, opgezet door de Russische wetenschapper Sergey Zimov en later voortgezet door zijn zoon Nikita Zimov. Het experiment probeert met grote grazers zoals paarden, bizons en rendieren de sneeuwlaag in de winter aan te stampen, zodat de kou beter doordringt tot de bodem en permafrost trager ontdooit — een hypothese die nog wordt getest en waarvan de effectiviteit op grote schaal onzeker is.
Tot slot is de Trans-Alaska-pijpleiding, in gebruik sinds 1977, een voorbeeld van bouwen mét permafrost in plaats van ertegen: grote delen van de leiding lopen op verhoogde steunen met ingebouwde koelvinnen (thermosifons) die warmte uit de grond afvoeren, juist om te voorkomen dat de bodem eronder ontdooit en verzakt.
Hoe ver is de techniek?
Permafrostonderzoek is geen technologie die "klaar" moet worden ontwikkeld, maar een monitoringsveld dat al decennia loopt en steeds gedetailleerder wordt. Sinds de jaren negentig meten wetenschappers via een internationaal netwerk van boorgaten, gecoördineerd onder meer via het Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P), de temperatuur van permafrost op honderden locaties. Deze langjarige reeksen laten een consistente opwarmingstrend zien, al verschilt het tempo sterk per regio.
Het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) neemt de permafrost-koolstofterugkoppeling sinds enkele rapportagerondes mee in zijn klimaatscenario's, maar erkent expliciet dat de omvang en timing van deze terugkoppeling tot de grotere onzekerheden in de klimaatprojecties behoren. Schattingen van hoeveel extra opwarming permafrostontdooiing aan het einde van deze eeuw zou kunnen toevoegen, lopen in de wetenschappelijke literatuur uiteen, en modellen worden voortdurend bijgesteld naarmate er meer meetdata beschikbaar komt.
Belangrijke obstakels zijn de afgelegen ligging van veel meetlocaties, de hoge kosten van veldwerk in het noordpoolgebied, en de complexiteit van processen die zich deels ondergronds en onzichtbaar afspelen. Satellietwaarnemingen, zoals in het kader van NASA's ABoVE-onderzoeksprogramma (Arctic-Boreal Vulnerability Experiment), helpen om grotere gebieden te volgen, maar vervangen nog niet volledig het directe grondonderzoek.
Wie werken eraan?
De International Permafrost Association (IPA) fungeert als internationaal koepelorgaan dat onderzoekers wereldwijd verbindt en het GTN-P-monitoringnetwerk mede coördineert. In de Verenigde Staten is de University of Alaska Fairbanks een centrum van expertise, met onderzoekers als Vladimir Romanovsky die al decennia boorgatmetingen in Alaska en Siberië bijhoudt. Het Amerikaanse Woodwell Climate Research Center (voorheen Woods Hole Research Center) doet veel gepubliceerd onderzoek naar de permafrost-koolstofterugkoppeling.
In Rusland speelt het Melnikov Permafrost Institute in Jakoetsk een centrale rol, gezien de enorme oppervlakte aan Russische permafrost. Duitsland brengt via het Alfred Wegener Institute expertise in, onder meer over kustpermafrost en onderzee-permafrost. Noorwegen draagt bij via UNIS (University Centre in Svalbard) en is, samen met de andere Arctische staten, aangesloten bij het Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), dat overkoepelende rapportages publiceert over de staat van het noordpoolgebied.
Op landenniveau zijn Rusland, de Verenigde Staten (Alaska), Canada en Noorwegen de belangrijkste spelers vanwege hun permafrostgebieden, met China als opkomende onderzoekspartij vanwege het uitgestrekte permafrostgebied op het Tibetaanse Hoogplateau.