Cime innevate si alzano in una direzione; la tundra paludosa si estende dall'altra parte. Teste pelose di piante dal gambo lungo ondeggiano al vento, intervallati da mirtilli di palude. Questo è l'Eight Mile Lake dell'Alaska, dove la città più vicina ha una popolazione di poco più di mille persone.

I ricercatori supportati dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia stanno visitando qui e in altri luoghi remoti per studiare come si scioglie il permafrost, il suolo congelato per più anni consecutivi. Poiché i suoli nei sistemi ad alta latitudine, dove ciò accade, immagazzinano quasi il doppio di carbonio rispetto all'intera atmosfera, capire il processo di scongelamento è essenziale per modellare gli ecosistemi terrestri e il clima. Il miglioramento dei modelli del sistema Terra può aiutare gli scienziati a comprendere meglio la probabile portata e gli effetti dei futuri cambiamenti climatici.

Il congelatore della Terra

Gli strati profondi del permafrost agiscono come la ghiacciaia del mondo, bloccando la materia organica come piante e animali morti dal degrado per migliaia di anni. Le temperature fredde e il terreno impregnato d'acqua rallentano la decomposizione fino a fermarsi.

Ma oggi l'Artico si sta riscaldando a un ritmo che non si verificava negli ultimi tre milioni di anni. Salendo a una velocità doppia rispetto al resto della Terra, la temperatura media dell'Artico potrebbe aumentare fino a 14° F tra il 2081 e il 2100.

Questo riscaldamento potrebbe causare lo scongelamento del permafrost molto più velocemente e in modo più esteso che mai. A seconda della velocità e dell'entità del cambiamento climatico, l'Artico potrebbe perdere dal 30 al 70 percento del suo permafrost nel prossimo secolo.

La materia organica nel permafrost scongelato può decomporsi rapidamente. Come batteri, fungo, e altri minuscoli organismi scompongono la materia, rilasciano i gas serra anidride carbonica e metano. Ogni aumento di 1 grado C (1,8 gradi F) delle temperature medie globali potrebbe provocare lo scioglimento del permafrost abbastanza da rilasciare un anno e mezzo di emissioni di anidride carbonica prodotte dall'uomo. I gas serra del permafrost scongelato porterebbero a maggiori cambiamenti climatici, che quindi potrebbe portare a un maggiore disgelo del permafrost, un ciclo auto-rinforzante.

"Questo è il punto di svolta più importante, " disse Jizhong Zhou, ricercatore al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) e professore all'Università dell'Oklahoma.

Una collaborazione gratificante

Mentre i ricercatori capiscono perché il permafrost è importante, molte domande rimangono senza risposta. Anche i modelli che hanno informazioni approfondite sulla terra, oceano, e i processi atmosferici mancano di dettagli sufficienti sull'Artico.

È qui che entrano in gioco la ricerca sul campo e in laboratorio. Prima del 2012, i ricercatori del permafrost e i modellisti del clima di solito lavoravano separatamente. Ma attraverso il progetto Next-Generation Ecosystem Experiments Arctic (NGEE Arctic), squadre dalla sede del DOE, laboratori nazionali DOE, e le università hanno riunito campo, laboratorio, e modellare i ricercatori per condividere le loro esigenze e competenze.

"Questo è un livello di dinamiche e interazioni che non abbiamo avuto in passato, " disse Stan Wullschleger, Direttore di NGEE Arctic e ricercatore presso l'Oak Ridge National Laboratory. "[Queste collaborazioni] rendono molto più informato, discussione più ricca su come campo, laboratorio, e i modellisti possono interagire."

Ricerca in un paesaggio brutale

Studiare il permafrost è tutt'altro che facile. Quando le temperature scendono di oltre 20 gradi sotto zero, i fili diventano così fragili che un semplice urto li spezza. Perché le brevi giornate invernali rendono inutili i pannelli solari, i ricercatori devono trasportare batterie delle dimensioni di un'auto per alimentare i loro strumenti. Ma i dati essenziali forniti da questi studi rendono tutto questo utile.

Uno dei principali tipi di studio sul campo consente agli scienziati di indagare su come la temperatura influenzi la velocità di scongelamento. Per simulare come reagirebbe un ecosistema di permafrost sia alle estati più calde che agli inverni, i ricercatori creano ecosistemi in miniatura. Per imitare le condizioni estive, usano serre a cielo aperto che riscaldano l'aria. Per le condizioni invernali, mettono steccati dove si accumula la neve, riscaldando il terreno come un piumino isolante un letto.

Anche se sembra che l'estate colpisca maggiormente il permafrost, in realtà è il riscaldamento invernale che provoca lo scongelamento. Un importante studio supportato dall'Office of Science ha scoperto che sebbene le condizioni estive non riscaldassero il suolo, il riscaldamento invernale ha aumentato le temperature del suolo di 3-5° F. Dopo soli tre anni, questi cambiamenti hanno portato ad un aumento del 45 percento della respirazione, il processo che produce anidride carbonica. Ci sono stati alcuni aumenti nella crescita delle piante e nell'assorbimento di anidride carbonica, ma non era abbastanza per compensare i rilasci.

Anche i cambiamenti nel movimento dell'acqua potrebbero accelerare lo scongelamento. Attualmente, cunei di ghiaccio costituiscono un quinto dello strato superiore di permafrost. Questi cunei di ghiaccio sono così fondamentali per il paesaggio che quando si sciolgono, il terreno in realtà crolla. Gli spostamenti risultanti possono collegare trogoli e laghi così tanto da drenare, trasformare la distribuzione idrica dell'ecosistema.

Uno studio di NGEE Arctic ha scoperto che un aumento della temperatura di soli 9° F può causare il crollo dei cunei di ghiaccio entro 15-20 anni. E non devono essere cambiamenti nella temperatura media:un'estate insolitamente calda può dare il via al processo.

"È una trasformazione che non è facilmente annullabile. Certamente non nella nostra vita, " ha detto Sue Natali, un ricercatore sul permafrost presso il Woods Hole Research Center.

Di nuovo al laboratorio

Guardare il cambiamento del paesaggio è illuminante, ma il lavoro sul campo da solo non può descrivere i processi sottostanti. Riportare i campioni in laboratorio consente ai ricercatori di isolare variabili specifiche.

Poiché lo scioglimento dei cunei di ghiaccio potrebbe causare grandi cambiamenti nella distribuzione dell'acqua, è fondamentale sapere come può variare la decomposizione a seconda del livello dell'acqua del suolo. Uno studio NGEE Arctic ha scoperto differenze sostanziali tra la decomposizione in suoli secchi con ossigeno (aerobico) e suoli impregnati d'acqua che non hanno ossigeno (anaerobico). I ricercatori hanno scoperto che secco, i terreni aerobici rilasciano il doppio di anidride carbonica e metano dopo lo scongelamento rispetto a quelli impregnati d'acqua, quelli anaerobici hanno fatto dopo lo scongelamento.

microbi, come batteri e funghi, sono un altro obiettivo importante della ricerca di laboratorio. Vari studi hanno esaminato quali di questi minuscoli organismi sono più comuni nel permafrost prima e dopo lo scongelamento e hanno confrontato la differenza tra i microbi nei diversi strati. Uno studio supportato dall'Office of Science ha scoperto che dopo soli 18 mesi di riscaldamento, la respirazione dei microbi che produce anidride carbonica è aumentata del 38%.

I modelli climatici mettono tutto insieme

Queste osservazioni sul campo e in laboratorio stanno rendendo i modelli climatici più accurati che mai. Infatti, i modelli di prima generazione non includevano affatto il permafrost.

"La consapevolezza che ai modelli mancava il più grande pool di carbonio è stato un vero fattore trainante di ciò che abbiamo fatto da allora, " ha detto Charlie Koven, un modellatore climatico LBNL.

I ricercatori utilizzano i dati sul campo e di laboratorio per aiutare i modelli a riflettere il mondo reale il più fedelmente possibile. Per aumentare la specificità, forniscono dati come la temperatura del suolo, tassi di scongelamento, e il movimento dell'acqua direttamente nei modelli. Per testare la precisione, i ricercatori eseguono il modello con determinate condizioni e quindi confrontano i risultati con esperimenti del mondo reale condotti in condizioni comparabili.

Utilizzando molti di questi dati, un modello climatico supportato dall'Office of Science mostra che se il cambiamento climatico continua al ritmo attuale, metà del permafrost mondiale potrebbe scongelarsi entro la fine del secolo.

La prossima sfida è integrare dati microbici complessi in modelli informatici che hanno già milioni di righe di codice.

Sia che i ricercatori stiano misurando la neve in alcuni dei luoghi più brutali della Terra, scongelamento del terreno in laboratorio, o esaminando lo schermo di un computer, ognuno contribuisce alla nostra comprensione delle vaste riserve di carbonio dell'Artico.

"[NGEE Arctic] è stato e continua ad essere un ottimo esempio di come i laboratori nazionali possono interagire, " ha detto Wullschleger. "Questo tipo di [approccio] accelera davvero il miglioramento dei modelli climatici".