Come detective, Gli scienziati di Argonne stanno studiando indizi dal rilascio di carbonio nelle regioni di permafrost in disgelo, mettendo insieme gli indizi per creare mappe dettagliate per prevedere l'impatto dell'aumento delle temperature globali sulle future emissioni di gas serra.

Il dizionario di Webster definisce un circolo vizioso come "una causa ed effetto reciproco in cui due o più elementi si intensificano e si aggravano a vicenda, peggiorando la situazione».

Il rilascio di carbonio dai terreni in disgelo nelle regioni del permafrost rappresenta proprio un ciclo del genere.

I suoli colpiti dal permafrost, dove le temperature del sottosuolo rimangono sotto lo zero per due o più anni consecutivi, contengono grandi quantità di carbonio organico che si decompone ed entra nell'atmosfera. Il tasso di tale rilascio è accelerato con il cambiamento climatico poiché le regioni si riscaldano rapidamente e i suoli superficiali si scongelano a profondità maggiori in estate. Il rilascio di carbonio immagazzinato come gas serra (ad es. anidride carbonica e metano) nell'atmosfera provoca un ulteriore riscaldamento e maggiori emissioni di carbonio.

Per aiutare a capire il ciclo, gli scienziati devono esaminare attentamente il potenziale di questi stock di carbonio per accelerare i tassi di riscaldamento globale misurando la quantità di gas serra emessa dal carbonio in decomposizione del permafrost. Un team di ricercatori guidati da Julie Jastrow e Roser Matamala, ecologi terrestri presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), sta contribuendo a tale sforzo attraverso un insieme integrato di approcci di ricerca.

Il loro lavoro, recentemente pubblicato in Progressi scientifici , focalizzato sulla quantificazione della quantità di carbonio immagazzinata nei suoli colpiti dal permafrost e, più specificamente, dove è immagazzinato negli strati del suolo.

Poiché i suoli contengono più di due terzi del pool di carbonio terrestre della Terra, più del doppio della quantità di carbonio presente nell'atmosfera, svolgono un ruolo significativo nel ciclo globale del carbonio. Gran parte del carbonio nei suoli è materia organica che si forma quando i materiali vegetali morti si decompongono e i detriti microbici si accumulano in periodi che vanno da decenni a migliaia di anni.

Il team ha utilizzato i big data, un enorme volume di dati che cresce con il tempo, e metodi di analisi geospaziale per sviluppare le prime mappe ad alta risoluzione dello stoccaggio e della distribuzione del carbonio nel suolo a più profondità per le regioni del permafrost nell'emisfero settentrionale.

Come detective, gli analisti geospaziali raccolgono e selezionano una montagna di dati che sono ordinati geograficamente, trovare i dati più rilevanti e utilizzare tecniche di visualizzazione e statistiche per identificare e analizzare le tendenze. Il team ha anche identificato quali condizioni ambientali, come la temperatura, precipitazione, topografia o vegetazione:meglio prevedere le quantità di carbonio del suolo nelle regioni del permafrost.

Il loro lavoro investigativo fornisce una linea di base fondamentale per gli scienziati che sviluppano i modelli del sistema terrestre utilizzati per prevedere la quantità e il tipo di emissioni di gas serra rilasciate quando i terreni colpiti dal permafrost iniziano a scongelarsi.

I suoli nelle regioni del permafrost trattengono più carbonio organico che in altre regioni poiché i materiali organici superficiali si mescolano in strati più profondi a causa di frequenti cicli di congelamento e scongelamento - un processo chiamato crioturbazione - e ripetute sepolture di depositi di torba accumulati da sedimenti trasportati dal vento e dall'acqua. Ulteriori fattori climatici aiutano a ridurre i tassi di decomposizione ea preservare grandi scorte di carbonio organico in questi sistemi di suolo per lunghi periodi.

Nell'aria rarefatta presente ad alte latitudini e altitudini, dove si trova la maggior parte dei suoli colpiti dal permafrost, gli estremi climatici portano a maggiori aumenti di temperatura che in altre parti del mondo. Il permafrost si sta già riscaldando, scongelandosi e scomparendo da alcune porzioni di queste regioni fredde, ma il tasso progressivo di perdita del permafrost previsto dai futuri scenari di riscaldamento climatico potrebbe rilasciare nell'atmosfera notevoli ulteriori gas serra prima e oltre la fine di questo secolo.

Lo studio sulla mappatura del carbonio, condotto da Umakant Mishra, uno scienziato geospaziale delle Argonne ora con i Sandia National Laboratories, includeva anche numerosi collaboratori associati al Permafrost Carbon Network. Questo team internazionale ha raccolto dati che quantificano il carbonio nei campioni di suolo raccolti da più di 2, 500 diverse località nel circumpolare settentrionale, o regione del permafrost artico, e in quasi 200 località dell'altopiano tibetano, la più grande regione di permafrost ad alta quota a latitudini più basse.

Le misurazioni del carbonio organico del suolo utilizzate per produrre stime circumpolari precedenti sono state combinate con grandi quantità di nuovi dati sul suolo forniti da scienziati canadesi, Russia, Corea del Sud e Svezia. I dati sono stati organizzati per profondità:da 0 a 1, 1 a 2, e da 2 a 3 metri, per calcolare i profili degli stock di carbonio organico del suolo in ciascuna posizione campionata. Questi sforzi collaborativi hanno aumentato il numero di campioni dal 42% al 69% rispetto a studi precedenti, a seconda della profondità.

Il team ha quindi compilato mappe ad alta risoluzione appena disponibili dei fattori ambientali che influenzano la formazione del suolo e le ha ridimensionate a una risoluzione uniforme di 250 metri quadrati. Correlando queste relazioni con le carte ambientali, hanno generato stime degli stock organici del suolo sia per le regioni circumpolari settentrionali che per le regioni del permafrost tibetano.

Una scoperta importante suggerisce che più carbonio si trova più vicino alla superficie, entro un metro, di quanto gli scienziati credessero in precedenza, rendere più vulnerabile allo scongelamento il carbonio della regione, decomposizione e rilascio con l'aumento della temperatura globale dell'aria, potenzialmente alimentando il ciclo di riscaldamento.

I ricercatori hanno scoperto che la distribuzione degli stock di carbonio in entrambe le regioni del permafrost dipende da complesse relazioni tra molteplici fattori ambientali. Temperatura, precipitazione, le proprietà topografiche e il tipo di vegetazione erano predittori significativi degli stock di carbonio. L'analisi ha anche individuato la topografia come un fattore importante nelle incertezze di previsione; queste informazioni possono essere utilizzate per stabilire le priorità dove sono maggiormente necessari ulteriori campioni di profili di carbonio del suolo.

"Globale, questa nuova immagine di come le grandi quantità di carbonio organico immagazzinate nei suoli colpiti dal permafrost sono distribuite in gran parte delle aree terrestri più fredde del mondo contribuirà a migliorare la capacità dei modelli del sistema Terra di prevedere l'impatto dell'aumento delle temperature globali sulle future emissioni di serra gas provenienti da queste regioni in rapido mutamento, " disse Jastrow.

Lo studio, "Eterogeneità spaziale e predittori ambientali degli stock di carbonio organico del suolo della regione del permafrost, " è pubblicato in Progressi scientifici .