Os picos nevados sobem em uma direção; a tundra pantanosa se espalha pelo outro. Cabeças difusas de plantas de caule longo balançam com o vento, intercalado com mirtilos do pântano. Este é o Eight Mile Lake do Alasca, onde a cidade mais próxima tem uma população de pouco mais de mil pessoas.

Pesquisadores apoiados pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia estão visitando aqui e outros locais remotos para estudar como o permafrost - solo que está congelado por vários anos consecutivos - descongela. Porque os solos em sistemas de alta latitude onde isso acontece armazenam quase duas vezes mais carbono do que toda a atmosfera, descobrir o processo de degelo é essencial para modelar os ecossistemas terrestres e o clima. Melhorar os modelos do sistema terrestre pode ajudar os cientistas a entender melhor a extensão provável e os efeitos das mudanças climáticas futuras.

O Freezer da Terra

As camadas profundas do Permafrost agem como a caixa de gelo do mundo, protegendo a matéria orgânica, como plantas mortas e animais da degradação por milhares de anos. As baixas temperaturas e o solo encharcado retarda a decomposição até quase parar.

Mas hoje o Ártico está se aquecendo em um ritmo que não ocorria nos últimos três milhões de anos. Aumentando a uma taxa duas vezes mais rápida que o resto da Terra, a temperatura média do Ártico pode aumentar em até 14 ° F entre 2081 e 2100.

Esse aquecimento pode causar o degelo do permafrost muito mais rápido e extensivamente do que nunca. Dependendo da taxa e extensão das mudanças climáticas, o Ártico pode perder de 30 a 70 por cento de seu permafrost no próximo século.

A matéria orgânica no permafrost descongelado pode se decompor rapidamente. Como bactérias, fungos, e outros minúsculos organismos decompõem a matéria, eles liberam os gases de efeito estufa dióxido de carbono e metano. Cada aumento de 1 grau C (1,8 grau F) nas temperaturas globais médias pode resultar no degelo do permafrost o suficiente para liberar o equivalente a um ano e meio de emissões de dióxido de carbono causadas pelo homem. Gases de efeito estufa do permafrost descongelado levariam a mais mudanças climáticas, que então poderia levar a mais descongelamento do permafrost - um ciclo de auto-reforço.

"Este é o ponto de inflexão mais importante, "disse Jizhong Zhou, pesquisador do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) e professor da University of Oklahoma.

Uma colaboração gratificante

Embora os pesquisadores entendam por que o permafrost é importante, muitas perguntas permanecem sem resposta. Mesmo os modelos que têm informações detalhadas sobre a terra, oceano, e os processos atmosféricos carecem de detalhes suficientes sobre o Ártico.

É aí que entra a pesquisa de campo e de laboratório. Antes de 2012, pesquisadores de permafrost e modeladores de clima geralmente trabalharam separadamente. Mas, por meio do projeto Ártico de Experimentos de Ecossistema de Próxima Geração (NGEE Ártico), equipes da sede do DOE, Laboratórios nacionais DOE, e universidades reuniram campo, laboratório, e modelagem de pesquisadores para compartilhar suas necessidades e conhecimentos.

"Este é um nível de dinâmica e interações que simplesmente não tínhamos no passado, "disse Stan Wullschleger, Diretor do NGEE Arctic e pesquisador do Oak Ridge National Laboratory. "[Essas colaborações] tornam muito mais informada, discussão mais rica sobre como o campo, laboratório, e cientistas modeladores podem interagir. "

Pesquisa em uma paisagem brutal

Estudar o permafrost está longe de ser fácil. Quando as temperaturas despencam mais de 20 graus abaixo de zero, os fios tornam-se tão frágeis que um mero empurrão os racha. Porque os dias curtos de inverno tornam os painéis solares inúteis, os pesquisadores precisam carregar baterias do tamanho de um carro para alimentar seus instrumentos. Mas os dados essenciais que esses estudos fornecem fazem tudo valer a pena.

Um grande tipo de estudo de campo permite que os cientistas investiguem como a temperatura afeta a taxa de degelo. Para simular como um ecossistema permafrost reagiria a verões mais quentes e invernos, pesquisadores criam ecossistema em miniatura. Para imitar as condições do verão, eles usam estufas abertas que aquecem o ar. Para condições de inverno, eles montam cercas onde a neve se acumula, aquecendo o solo como um edredom isolando uma cama.

Embora pareça que o verão afetaria mais o permafrost, na verdade, é o aquecimento do inverno que causa o degelo. Um grande estudo apoiado pelo Office of Science descobriu que, embora as condições do verão não aquecessem o solo, o aquecimento do inverno aumentou as temperaturas do solo em 3-5 ° F. Depois de apenas três anos, essas mudanças levaram a um aumento de 45 por cento na respiração, o processo que produz dióxido de carbono. Houve alguns aumentos no crescimento das plantas e absorção de dióxido de carbono, mas não foi o suficiente para compensar os lançamentos.

Mudanças no movimento da água também podem acelerar o descongelamento. Atualmente, fatias de gelo constituem um quinto da camada superior do permafrost. Essas cunhas de gelo são tão fundamentais para a paisagem que, quando derretem, o solo realmente desaba. As mudanças resultantes podem conectar vales e lagos tanto que drenam, transformando a distribuição de água do ecossistema.

Um estudo da NGEE Arctic descobriu que aumentos de temperatura de até 9 ° F podem fazer com que as cunhas de gelo desmoronem em 15 a 20 anos. E não precisam ser mudanças na temperatura média - um verão excepcionalmente quente pode dar o pontapé inicial no processo.

"É uma transformação que não pode ser desfeita facilmente. Certamente não durante a nossa vida, "disse Sue Natali, pesquisador do permafrost no Woods Hole Research Center.

De volta ao laboratório

Observar a mudança da paisagem é esclarecedor, mas o trabalho de campo sozinho não pode descrever os processos subjacentes. Trazer amostras de volta para o laboratório permite que os pesquisadores isolem variáveis ​​específicas.

Como as cunhas de gelo derretidas podem causar grandes mudanças na distribuição da água, é essencial saber como a decomposição pode variar dependendo do nível de água do solo. Um estudo do NGEE Arctic descobriu diferenças substanciais entre a decomposição em solos secos com oxigênio (aeróbio) e solos alagados que não têm oxigênio (anaeróbico). Os pesquisadores descobriram que seca, solos aeróbios liberaram duas vezes mais dióxido de carbono e metano após o descongelamento do que alagados, os anaeróbicos, após o descongelamento.

Micróbios, como bactérias e fungos, são outro grande foco da pesquisa de laboratório. Vários estudos examinaram quais desses minúsculos organismos são mais comuns no permafrost antes e depois do descongelamento e compararam a diferença entre os micróbios em diferentes camadas. Um estudo apoiado pelo Office of Science descobriu que depois de apenas 18 meses de aquecimento, a respiração dos micróbios que produz dióxido de carbono aumentou 38%.

Modelos climáticos unem tudo

Essas observações de campo e de laboratório estão tornando os modelos climáticos mais precisos do que nunca. Na verdade, os modelos da primeira geração não incluíam permafrost.

"A percepção de que os modelos não tinham o maior reservatório de carbono foi um fator real do que fizemos desde então, "disse Charlie Koven, um modelador climático LBNL.

Os pesquisadores usam dados de campo e de laboratório para ajudar os modelos a refletir o mundo real o mais fielmente possível. Para aumentar a especificidade, eles alimentam dados como temperatura do solo, taxas de descongelamento, e o movimento da água diretamente nos modelos. Para testar a precisão, os pesquisadores executam o modelo com certas condições e, em seguida, comparam os resultados com experimentos do mundo real conduzidos em condições comparáveis.

Usando muitos desses dados, um modelo climático apoiado pelo Office of Science mostra que, se a mudança climática continuar no ritmo atual, metade do permafrost do mundo pode descongelar até o final do século.

O próximo desafio é integrar dados microbianos complexos em modelos de computador que já possuem milhões de linhas de código.

Se os pesquisadores estão medindo neve em alguns dos lugares mais brutais da Terra, descongelar o solo em um laboratório, ou examinando uma tela de computador, cada um contribui para a nossa compreensão das vastas reservas de carbono do Ártico.

"[NGEE Arctic] foi e continua a ser um grande exemplo de como os laboratórios nacionais podem interagir, "disse Wullschleger." Este tipo de abordagem realmente acelera a melhoria dos modelos climáticos. "