Como detetives, Os cientistas de Argonne estão estudando pistas da liberação de carbono nas regiões de degelo do permafrost, juntando as pistas para criar mapas detalhados para prever o impacto do aumento das temperaturas globais nas futuras emissões de gases de efeito estufa.

O Dicionário Webster define um ciclo vicioso como "uma causa e efeito recíprocos em que dois ou mais elementos se intensificam e agravam mutuamente, piorando a situação. "

A liberação de carbono do degelo de solos em regiões de permafrost representa exatamente esse ciclo.

Solos afetados pelo permafrost - onde as temperaturas subterrâneas permanecem abaixo de zero por dois ou mais anos consecutivos - contêm grandes quantidades de carbono orgânico que se decompõe e entra na atmosfera. A taxa de liberação acelerou com a mudança climática, à medida que as regiões se aquecem rapidamente e os solos superficiais descongelam a profundidades maiores no verão. A liberação de carbono armazenado como gases de efeito estufa (por exemplo, dióxido de carbono e metano) na atmosfera causa aquecimento e mais emissões de carbono.

Para ajudar a entender o ciclo, os cientistas precisam examinar cuidadosamente o potencial desses estoques de carbono para acelerar as taxas de aquecimento global medindo quanto dos gases do efeito estufa são emitidos pela decomposição do carbono do permafrost. Uma equipe de pesquisadores liderada por Julie Jastrow e Roser Matamala, ecologistas terrestres do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), está contribuindo para esse esforço por meio de um conjunto integrado de abordagens de pesquisa.

Trabalho deles, publicado recentemente em Avanços da Ciência , focado na quantificação de quanto carbono é armazenado em solos afetados pelo permafrost e, mais especificamente, onde é armazenado nas camadas do solo.

Como os solos contêm mais de dois terços do reservatório de carbono terrestre da Terra - mais do que o dobro da quantidade de carbono presente na atmosfera - eles desempenham um papel significativo no ciclo global do carbono. Muito do carbono nos solos é matéria orgânica formada à medida que os materiais das plantas mortas se decompõem e os detritos microbianos se acumulam em períodos que variam de décadas a milhares de anos.

A equipe empregou big data - um grande volume de dados que cresce com o tempo - e métodos de análise geoespacial para desenvolver os primeiros mapas de alta resolução de armazenamento e distribuição de carbono no solo em várias profundidades para regiões de permafrost no hemisfério norte.

Como detetives, analistas geoespaciais reúnem e selecionam uma montanha de dados que são classificados geograficamente, encontrar os dados mais relevantes e usar técnicas de visualização e estatísticas para identificar e analisar tendências. A equipe também identificou quais condições ambientais, como temperatura, precipitação, topografia ou vegetação - melhor prever as quantidades de carbono do solo em regiões de permafrost.

Seu trabalho de detetive fornece uma linha de base crítica para os cientistas que desenvolvem os modelos do sistema terrestre usados ​​para prever a quantidade e o tipo de emissões de gases de efeito estufa liberadas quando os solos afetados pelo permafrost começam a degelar.

Os solos nas regiões de permafrost retêm mais carbono orgânico do que em outras regiões, pois os materiais orgânicos da superfície se misturam em camadas mais profundas devido aos ciclos frequentes de congelamento e descongelamento - um processo chamado crioturbação - e enterramento repetido de depósitos de turfa acumulados por sedimentos transportados pelo vento e pela água. Fatores climáticos adicionais ajudam a reduzir as taxas de decomposição e preservar grandes estoques de carbono orgânico nesses sistemas de solo por longos períodos.

No ar rarefeito presente em altas latitudes e altitudes, onde ocorre a maioria dos solos afetados pelo permafrost, extremos climáticos levam a maiores aumentos de temperatura do que em outras partes do mundo. Permafrost já está esquentando, descongelamento e desaparecimento de algumas porções dessas regiões frias, mas a taxa progressiva de perda do permafrost prevista por cenários futuros de aquecimento climático poderia liberar gases de efeito estufa adicionais substanciais para a atmosfera antes e depois do final deste século.

O estudo de mapeamento de carbono - liderado por Umakant Mishra, um cientista geoespacial de Argonne agora no Sandia National Laboratories - também incluiu vários colaboradores associados à Rede de Carbono Permafrost. Esta equipe internacional reuniu dados quantificando o carbono em amostras de solo coletadas em mais de 2, 500 locais diferentes em todo o circumpolar norte, ou região permafrost ártica, e em quase 200 locais em todo o planalto tibetano - a maior região de permafrost de alta altitude em latitudes mais baixas.

As medições de carbono orgânico do solo usadas para produzir estimativas circumpolares anteriores foram combinadas com grandes quantidades de novos dados de solo fornecidos por cientistas do Canadá, Rússia, Coreia do Sul e Suécia. Os dados foram organizados por profundidade - 0 a 1, 1 a 2, e 2 a 3 metros - para calcular perfis de estoques de carbono orgânico do solo em cada local amostrado. Esses esforços colaborativos aumentaram os números da amostra em 42% - para 69% - em comparação com estudos anteriores, dependendo da profundidade.

A equipe então compilou mapas de alta resolução recentemente disponíveis de fatores ambientais que influenciam a formação do solo e os dimensionou para uma resolução uniforme de 250 metros quadrados. Correlacionando essas relações com os mapas ambientais, eles geraram estimativas de estoques orgânicos do solo para as regiões permafrost circumpolar setentrional e tibetana.

Uma descoberta importante sugere que mais carbono ocorre mais perto da superfície - dentro de um metro - do que os cientistas acreditavam anteriormente, tornando mais do carbono da região vulnerável ao degelo, decomposição e liberação conforme a temperatura global do ar aumenta, potencialmente alimentando o ciclo de aquecimento.

Os pesquisadores descobriram que a distribuição dos estoques de carbono em ambas as regiões de permafrost depende de relações complexas entre vários fatores ambientais. Temperatura, precipitação, propriedades topográficas e tipo de vegetação foram preditores significativos de estoques de carbono. A análise também apontou a topografia como um fator importante nas incertezas da previsão; esta informação pode ser usada para priorizar onde amostras adicionais de perfis de carbono do solo são mais necessárias.

"Geral, esta nova imagem de como as vastas quantidades de carbono orgânico armazenado em solos afetados pelo permafrost são distribuídas por muitas das áreas de terra mais frias do mundo ajudará a melhorar a capacidade dos modelos do sistema terrestre de prever o impacto do aumento da temperatura global nas futuras emissões de gases de efeito estufa gases dessas regiões em rápida mudança, "disse Jastrow.

O estudo, "Heterogeneidade espacial e preditores ambientais dos estoques de carbono orgânico do solo da região do permafrost, "é publicado em Avanços da Ciência .