Wat is de invloed van methaanemissies in Siberië op het klimaat?

De bijdrage van de totale permafrost-koolstof terugkoppeling (CO2 en methaan) tot het jaar 2100 zal naar schatting 0.15 tot 0.3 graden bijdragen aan de opwarming van het klimaat. Dat is minder dan onze emissies uit fossiele brandstoffen, maar een flink deel van het verschil tussen de huidige globale temperatuur en de maximaal 1.5 - 2 graden opwarming van het klimaatakkoord van Parijs. De emissies uit permafrost zijn niet te beheersen, zolang de temperatuur in de permafrostbodem toeneemt en er meer organische stof tot broeikasgas omgezet wordt. Als we meer fossiele brandstoffen verstoken, komen er ook meer broeikasgassen uit ontdooiende permafrost, en maken we het onszelf moeilijker om de klimaatcrisis te beheersen.

#permafrost #methaan

Permafrost-koolstof terugkoppeling

Methaan (CH4) is een sterk broeikasgas (28x zo sterk als CO2 gerekend over 100 jaar [1]). Overigens ontstaat er veel meer CO2 dan methaan bij ontdooien van permafrost. In schattingen van de hoeveelheid broeikasgas uit ontdooiende permafrost worden CO2 en methaan vaak samen genomen als 'permafrost carbon emissions' [2] vanwege het koolstofatoom in beide gassen. Waar komt het methaan precies vandaan? Er zijn drie belangrijke bronnen: de moerassige ecosystemen in veengebieden en toendra's van Siberië, fossiel organisch materiaal in permafrost, en gasreservoirs op grotere diepte in de permafrost [3]. Verschillende geologische en biologische processen spelen een rol bij het vrijkomen van methaan uit deze bronnen. Dat maakt het moeilijk om met metingen en modellen goede schattingen van de hoeveelheid methaan te maken. Het meeste methaan ontstaat doordat methaanbacteriën onder zuurstofloze omstandigheden in de ontdooiende bodem organische stof afbreken. De snelheid waarmee permafrost ontdooit hangt af van de mate waarin het klimaat opwarmt. Bij iedere graad opwarming verdwijnt 4 miljoen vierkante kilometer permafrost [4]. Als we de opwarming van het klimaat tot 2 graden weten te beperken ontdooit op den duur 40% van alle permafrost. De opwarming vanaf het pre-industriële tijdperk tot nu heeft al tot een verlies van 3.4 miljoen vierkante kilometer permafrost geleid, een gebied zo groot als India. De bijdrage van de totale permafrost-koolstof terugkoppeling (CO2 en methaan) tot het jaar 2100 zal naar schatting 0.15 tot 0.3 graden bijdragen aan de opwarming van het klimaat [2]. Dat is een flink deel van het verschil tussen de huidige globale temperatuur en de maximaal 1.5 tot 2 graden opwarming van het klimaatakkoord van Parijs [5]. Die opwarming wordt veroorzaakt door de omzetting van 130 - 160 gigaton (miljard kilogram) organisch koolstof uit permafrost in CO2 en methaan [2]. Dat is minder dan onze emissies uit fossiele brandstoffen. Maar de emissies uit permafrost zijn niet te beheersen, zolang de temperatuur in de permafrostbodem toeneemt en er meer organische stof tot broeikasgas omgezet wordt. Als we meer fossiele brandstoffen verstoken, komen er ook meer broeikasgassen uit ontdooiende permafrost, en maken we het onszelf moeilijker om de klimaatcrisis te beheersen.

Permafrost map

Figuur 1. Verbreiding van permafrost op het noordelijk halfrond, met onderscheid in verschillende permafrost-zones (continu: overal is permafrost aanwezig; geïsoleerd: alleen op enkele plaatsen), Gebaseerd op de permafrost kaart van de International Permafrost Association, https://ipa.arcticportal.org/products/gtn-p/ipa-permafrost-map

Hoe meten we permafrost-koolstof?

Onderzoek in permafrostgebieden is niet simpel. Siberië is uitgestrekt, dun bevolkt en moeilijk toegankelijk. Er zijn maar enkele onderzoeksstations in de Siberische permafrostgebieden. Buiten de grote steden in het zuiden zijn er nauwelijks wegen. Transport gaat met kleine vliegtuigen, bootjes, of in de winter, met vrachtwagens over het rivierijs. Onderzoeksapparatuur erheen krijgen is veel administratief werk. Dankzij de inzet van Russische collega-onderzoekers is er toch veel gezamenlijk wetenschappelijk onderzoek van de grond gekomen. Het gebruik van aardobservatie-satellieten zoals de Europese Sentinel-satellieten is onmisbaar. Het ontdooien van permafrost heeft niet alleen invloed op de uitstoot van broeikasgassen, maar ook op ecosystemen en landschap (Figuur 2). Omdat de permafrost vaak veel ijs bevat (tot wel 90%) ontstaan er verzakkingen en aardverschuivingen [6]. Als bijvoorbeeld een ijslaag in de permafrost smelt, zakt de grond die daar bovenop lag in. In de meer vlakke gebieden wordt de bodem moerassiger en worden poelen en meren gevormd: dooimeren [7]. De permafrost onder dooimeren kan tot tientallen meters diepte ontdooien. Permafrost bevat ongeveer 1330 tot 1580 gigaton (miljard kilo) organisch koolstof, bija 2 keer zoveel als er aan C in CO2 en CH4 in de atmosfeer zit [2]. Zolang die organische stof goed bevroren blijft, gebeurt er niet veel, maar zodra het ontdooit kunnen bacteriën het afbreken. Veel organische stof uit de permafrost komt in een nat, zuurstofloos milieu terecht, doordat er poelen ontstaan. Methaanbacteriën zetten onder deze omstandigheden organische stof om in methaan [3]; deze bacteriën zijn vaak ook aan koude omstandigheden aangepast . Een ander, sterker broeikasgas dat ook vrij komt bij afbraak van organische stof is lachgas (N2O, 265 keer sterker dan CO2) [8]. In alle uitgestrekte moerasgebieden en meren in Siberië wordt methaan geproduceerd, en dat gaat sneller naarmate de temperatuur hoger is, omdat bacteriën actiever zijn bij hogere temperaturen. Als methaan zich in de winter onder het ijs op meren verzamelt, en je hakt een gat in het ijs met een vlammetje erbij, kan dat spectaculaire plaatjes van vlammen boven het ijs opleveren. Sommige gebieden worden drassig, maar op andere plaatsen kunnen aardverschuivingen en erosie van de permafrost juist tot droogte leiden, doordat het water sneller afgevoerd wordt [9]. In dat geval wordt de organische stof vooral omgezet in CO2. Wat er precies gebeurt hangt af van plaatselijke omstandigheden. Die sterke afhankelijkheid van plaatselijke omstandigheden maakt het zo moeilijk om in te schatten hoeveel methaan en CO2 er uiteindelijk in de atmosfeer terecht komt. De modellen waarmee schattingen berekend worden, kunnen eigenlijk alleen de diffuse emissie van methaan uit moerasbodems berekenen [10]. Modellen waarin de ingewikkelde processen van erosie en vorming van meren verwerkt worden, staan nog maar in de kinderschoenen [3]. In theorie zou een warmer klimaat, als gevolg van extra plantengroei, de opname van CO2 kunnen stimuleren in koude gebieden. Maar in de praktijk valt dat tegen: de verhoogde opname van CO2 wordt gecompenseerd door meer uitstoot uit de bodem vanwege die hogere temperaturen [11]. Bovendien vergroten drogere en warmere zomers ook de kans op bos- en toendra-branden. In veenlagen blijft het vuur lang doorsmeulen [12]. Ook dat is een bron van methaan. Permafrost vormt als het ware een deksel van ijs op het methaan (aardgas) dat uit diepere aardlagen omhoog sijpelt [13]. Hoe dikker dat deksel is, en hoe minder barsten erin door dooi, hoe beter de afdichting.

Permafrost aardverschuiving

Figuur 2: Aardverschuivingen door ontdooiende permafrost aan de oever van een dooimeer. Foto door J. van Huissteden, locatie Kytalyk Research Station, Chokurdagh, Noordoost Siberië

De methaankraters

In de permafrost zelf komen ook gasreservoirs voor, vooral in oude meer- en rivierafzettingen. Door bevriezingsprocessen in de bodem kan dat methaan flink onder druk staan [3]. Het meeste methaan hoopt zich op onderin de permafrost, vaak in de vorm van methaan-ijs (methaanhydraat). Lang is er van uit gegaan dat die diepere gasconcentraties op tientallen tot honderden meters voorlopig niet in de atmosfeer terecht zouden komen. De indrukwekkende methaankraters die in West-Siberië aangetroffen zijn (Figuur 3), waren daarom een onaangename verassing. Het gas uit deze kraters is afkomstig van gasreservoirs in de permafrost op tientallen meters diepte in de permafrost. In West-Siberië, waar de kraters sinds 2014 ontstonden [14], gaat de opwarming van de permafrost het hardst, en dringt dieper door. Permafrost hoeft namelijk niet compleet te ontdooien om gas door te laten; ook onder de nul graden kan water vloeibaar worden, vooral als er zout in de bodem zit, zoals in West-Siberië. Een wat hogere temperatuur kan dan leiden tot gedeeltelijk ontdooien van ijs, en meer migratie van gas uit de diepte. Bovendien liggen in West-Siberië op grotere diepte onder de permafrost veel gasvelden. Vooralsnog veroorzaakt dit 'cryovulkanisme' maar een klein deel van de totale methaan-emissie uit de Siberische permafrost. Overigens is dit niet de belangrijkste ontsnappingsroute van methaan uit de diepere ondergrond. Op veel plaatsen zijn pluimen van gasbellen in meren en rivieren ontdekt waar gas van grotere diepte ontsnapt [13]. Hoeveel gas er zich in en onder de permafrost bevindt is niet goed bekend [4]. Op de bodem van de ondiepe randzeeën van de Arctische Oceaan ten noorden Siberië komt ook permafrost voor. Dat is een overblijfsel uit de ijstijd, toen de zeespiegel veel lager stond. De onderzeese permafrost is bewaard gebleven doordat het bodemwater van de zee nauwelijks warmer was dan het vriespunt. Maar ook uit de onderzeese permafrost komt methaan. Doordat de de zee ten noorden van Siberië in de zomer steeds langer ijsvrij is, wordt het water er warmer. De methaan-emissie uit de onderzeese permafrost kan daardoor ook toenemen [15].

Permafrost methaankrater

Figuur 3: Recent (2020) ontdekte methaankrater in West Siberië. https://edition.cnn.com/2020/09/04/world/craters-tundra-siberia-trnd-scn/index.html

Het gevaar van gasinstallaties

Tenslotte zorgt ontdooiende permafrost voor meer methaan-lekkages uit fossiele brandstofwinning. Gasinstallaties zijn kwetsbaar voor verzakkingen door ontdooiende permafrost; zeker zo'n 20% van de incidenten langs het West-Siberische pijplijn-netwerk hangt hiermee samen [16]. Het is erg ongelukkig dat president Trump grote permafrostgebieden in Alaska heeft vrijgegeven voor olie- en gasboringen, en tegelijk regelgeving om gaslekkages te voorkomen heeft opgeheven. Dooi van permafrost is niet alleen iets van nu. Het is veel vaker voorgekomen in het ijstijden-tijdvak, vooral aan het einde van een ijstijd. Ook toen heeft de emissie van CO2 en methaan uit permafrostgebieden de opwarming aan het einde van de ijstijd versterkt [17]. Het leidde ook toen op grote schaal tot verstoring van de bodem. Ook in de Nederlandse bodem vinden we daar sporen van. Wat er nu met de permafrost staat te gebeuren gaat echter veel sneller dan toen: het oppervlak aan permafrost zal nu minstens 2.5 keer sneller afnemen [3].

Hoe kwam dit artikel tot stand?

Dit antwoord is geschreven door Ko van Huissteden.
Reviewer: Monique Heijmans
Redacteur: Noor den Hartog

[1] IPCC (2013) Climate Change (2013): The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9781107415324

[2] Schuur EA, McGuire AD, Schadel C, Grosse G, Harden JW, Hayes DJ, Hugelius G, Koven CD, Kuhry P, Lawrence DM, Natali SM, Olefeldt D, Romanovsky VE, Schaefer K, Turetsky MR, Treat CC, Vonk JE (2015): Climate change and the permafrost carbon feedback. Nature 520 (7546):171-179. doi:10.1038/nature14338

[3] Van Huissteden, J. (2020): Thawing Permafrost.Permafrost carbon in a warming Arctic. Springer Nature, 508 p.10. doi:1007/978-3-030-31379-1

[4] Chadburn SE, Burke E, Cox P, Friedlingstein P, Hugelius G, Westermann S (2017) An observation-based constraint on permafrost loss as a function of global warming. Nature Climate Change 7 (5):340 https://doi.org/10.1038/nclimate3262

[5] Osborn T, Jones P, (2020) Global Temperature Record. Climatic Research Unit School of Environmental Sciences, University of East Anglia. https://sites.uea.ac.uk/documents/421974/1295957/CRU-Info+sheet+1-2020.pdf/537e7c57-a746-0af2-5e7e-da3348cff961, geraadpleegd 26/11/2020 https://sites.uea.ac.uk/documents/421974/1295957/CRU-Info+sheet+1-2020.pdf/537e7c57-a746-0af2-5e7e-da3348cff961

[6] Lewkowicz AG, Way RG (2019): Extremes of summer climate trigger thousands of thermokarst landslides in a High Arctic environment. Nature Communications 10 (1):1329. doi:10.1038/s41467-019-09314-7

[7] Walter KM, Zimov SA, Chanton JP, Verbyla D, Chapin FS, 3rd (2006): Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming. Nature 443 (7107):71-75. doi:10.1038/nature05040.

[8] Abbott BW, Jones JB (2015): Permafrost collapse alters soil carbon stocks, respiration, CH 4, and N2O in upland tundra. Global change biology 21 (12):4570-4587 https://doi.org/10.1111/gcb.13069

[9] Liljedahl AK, Boike J, Daanen RP, Fedorov AN, Frost GV, Grosse G, Hinzman LD, Iijma Y, Jorgenson JC, Matveyeva N, Necsoiu M, Raynolds MK, Romanovsky VE, Schulla J, Tape KD, Walker DA, Wilson CJ, Yabuki H, Zona D (2016): Pan-Arctic ice-wedge degradation in warming permafrost and its influence on tundra hydrology. Nature Geoscience 9 (4):312-318. doi:10.1038/ngeo2674

[10] Parmentier FW, Zhang W, Mi Y, Zhu X, van Huissteden J, Hayes DJ, Zhuang Q, Christensen TR, McGuire AD (2015) Rising methane emissions from northern wetlands associated with sea ice decline. Geophys Res Lett 42 (17):7214-7222. doi:10.1002/2015GL065013

[11] Parmentier F, Van Der Molen M, Van Huissteden J, Karsanaev S, Kononov A, Suzdalov D, Maximov T, Dolman A (2011): Longer growing seasons do not increase net carbon uptake in the northeastern Siberian tundra. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 116 (G4) https://doi.org/10.1029/2011JG001653

[12] Witze, A. (2020). The Arctic is burning like never before-and that’s bad news for climate change. Nature, 585(7825), 336-337. https://doi.org/10.1038/d41586-020-02568-y

[13] Walter Anthony KM, Anthony P, Grosse G, Chanton J (2012): Geologic methane seeps along boundaries of Arctic permafrost thaw and melting glaciers. Nature Geoscience 5 (6):419-426. doi:10.1038/ngeo1480

[14] Leibman MO, Kizyakov AI, Plekhanov AV, Streletskaya ID (2014) :New permafrost feature–deep crater in Central Yamal (West Siberia, Russia) as a response to local climate fluctuations. Environment Sustainability 4:68-80 https://doi.org/10.24057/2071-9388-2014-7-4-68-79

[15] Shakhova N, Semiletov I, Salyuk A, Yusupov V, Kosmach D, Gustafsson Ö (2010): Extensive methane venting to the atmosphere from sediments of the East Siberian Arctic Shelf. Science 327 (5970):1246-1250 DOI: 10.1126/science.1182221

[16] Anisimov O, Reneva S (2006) Permafrost and changing climate: the Russian perspective. AMBIO: A Journal of the Human Environment 35 (4):169-176 https://doi.org/10.1579/0044-7447(2006)35[169:PACCTR]2.0.CO;2

[17] Walter KM, Edwards ME, Grosse G, Zimov SA, Chapin FS, 3rd (2007):Thermokarst lakes as a source of atmospheric CH4 during the last deglaciation. Science 318 (5850):633-636. doi:10.1126/science.1142924