Methaan uit de Permafrost
Ko van Huissteden
vrije universiteit amsterdam faculty of earth and life sciences
Inhoud Methaan en permafrost: wat is het probleem? Onderzoek Vrije Universiteit in Siberië Een kijkje in het verleden Methaan uit Nederlandse permafrost? Conclusies
met dank aan: Trofim Maximov Sergey Karsanaev Alexander Kononov Tatjana Strioekova Ayal Maksimov Stanislav Ksenofontov Frans-Jan Parmentier Michiel van der Molen Han Dolman Maarten van Hardenbroek Roxana Petrescu Cinzia Berritella Nardy Kip Angela Gallagher Artjom Budishchev Yanjiao Mi Ron Lootens Onderzoeks financiering: NWO Darwin Center Europeese Unie FP6,7 programs Vrije Univeristeit Russian Fed. Bureau of Research
Positieve terugkoppeling door methaan Klimaatverandering
Methaan uit permafrost
Smelten permafrost
Het IPCC heeft dit niet opgenomen in de laatste klimaatprojecties vanwege de onzekerheden!
Positieve terugkoppeling door methaan
Globale temperatuur 2010 32o in de Siberische tundra
2o opwarming gemiddeld = 8o opwarming in de arctische gebieden
Klimaat als niet-lineair systeem
CO2→
tijd→
ijs klimaatsysteem
oceaan tijd→
atmosfeer
atmosfeer ijs
temperatuur→
oceaan
temperatuur→
CO2→
Lineair: reactie op verandering evenredig met de verandering
tijd→
tijd→
klimaatsysteem met terugkoppelingen
Niet Lineair: onevenredig sterke reacties; veranderingen in sprongen kleine verstoringen kunnen grote gevolgen hebben
Klimaat kan snel veranderen door positieve terugkoppelingen
temperatuur
Supersnelle klimaatverandering laatste IJstijd afgeleid uit IJskern Groenland
Voorbeeld: snelle klimaatverandering tijdens de laatste ijstijd Versterkt door o.a. veranderingen in zeestromingen
Positieve terugkoppeling door methaan
Permafrost: 24% van het landoppervlak Noordelijk halfrond permafrost bodems: 2 x zoveel koolstof als de atmosfeer opwarming: emissie van kooldioxide (CO2) en vooral methaan (CH4) Methaan = sterk broeikasgas 23 x zo sterk als CO2
Wat is permafrost? Permanent bevroren bodem Alleen 's zomers een opdooilaag Continue permafrost Discontinue permafrost
verticale doorsnede noord-zuid
Permafrost bodems zijn moerassig Door de bevroren ondergrond zakt het water niet weg
IJsrijke permafrost Permafrost bodems kunnen tot 90% ijs bevatten Onbevroren bodems hooguit 40% water!
Permafrost ijs: in het landschap
'IJswiggen': krimpscheuren opgevuld met ijs grootste bijdrage aan permafrost ijs
'Dooimeer' , Thermokarst meer
Dooimeren
Kytalyk
Chokhurdakh
Arctische laaglanden: veel dooimeren Actieve meren, inactief, gedraineerd Veel meren zijn ontstaan aan het einde van de laatste ijstijd
Waar komt het methaan vandaan? 1. Gashydraten: methaan in ijsvorm 2. Afbraak van organische stof uit de permafrost 3. Moerasgas
Waar komt het methaan vandaan? 1. Gashydraten: methaan en water in ijsvorm Voorwaarden: hoge druk, lage temperatuur: aan de onderkant van de permafrost op grotere diepte
Opwarming: permafrost verdwijnt, gashydraat wordt gas
Waar komt het methaan vandaan? 2 Oude organische stof in de permafrost bodem veenlagen, plantenresten, dode fauna - inclusief mammoeten!
permafrost bodem met organische stof en 30 000 jaar oude graswortels foto S.A. Zimov
Opwarming: permafrost smelt, snelle afbraak naar CO2 en CH4
Waar komt het methaan vandaan? 3. Moerasgas: evenwicht tussen productie en afbraak door bacteriën
methaan in de atmosfeer
CH4 CH
afbraak door methaan etende bacteriën
CH4 4
zuurstof aanwezig 4 CH
transport
productie door methaan vormende bacteriën uit organisch afval
compleet zuurstofloos
Balans van broeikasgas van moeras Opname CO2 door fotosynthese vegetatie Emissie CO2 door afbraak organische stof (respiratie)
Emissie CH4 door afbraak organische stof
CH4: 23-25 x sterker broeikasgas dan CO2
Onderzoeksstation Kytalyk
Kytalyk Yakutsk
Indigirka Laagland, NO Siberië Tundra vegetatie Permafrost
Gemiddelde jaartemperatuur -14.3oC Gemiddelde Juli 9.5oC Gemiddelde Januari -34.6oC
De reis
Meetmethoden Gasflux = hoeveelheid gas per vierkante meter per uur milligram / m2 /uur
concentratie methaan milligram / m3
Simpelste meetmethode: gesloten kamer
x x x x x tijd (minuten)
Luchtdichte kamer
Gasanalyse apparaat
helling van de lijn = flux
Meetmethoden Eddy Correlatie turbulente wervelingen in de luchtstroming: tijdsduur in microseconden
10 x per seconde een meting van: - verticale en horizontale windsnelheid - gasconcentratie (voor methaan kan dat pas sinds een paar jaar) Flux = statistische correlatie tussen verticale windsnelheid en gasconcentratie
Meetmethoden meteo mast meting windprofiel, temperatuur, luchtvochtigheid zonnestraling
Eddy correlatie mast: windsnelheid met sonic anemometer CO2 met infrarood gasanalyzer CH4 met tuneable diode laser
zonnepanelen
Resultaten Meeste methaan is moerasmethaan Riviervlakten zijn de grootste methaanbron In veenmos verdwijnt veel methaan Hoge methaan-emissies worden deels gecompenseerd door opname CO2 Smelten permafrost Ook oppervlakkig smelten van permafrost veroorzaakt hoge emissies van methaan en CO2
Herkomst methaan: moerasgas
Eddy correlatie metingen: sterke fluctuaties met windrichting
natte tundra met smeltende ijswiggen en poelen: meeste methaan e tor n
Waar komt het methaan vandaan? Transport: rol planten en bodem CO2
transport door planten
O2
transport door planten CH4 CH4
CH4 oxidatie
CH4 productie
Lage waterspiegel
Hoge waterspiegel
CH4 productie
Meer
Hoge methaan emissie
diffusie
hoge CH4 productie
CH4 productie
Lage methaan emissie
CO2
belletjes
diffusie
belletjes
CH4 oxidatie
O2
belletjes
CH4
Zuurstof O2
CH4
diffusie
CO2
De tundra is niet overal hetzelfde
Riviervlakte, Grassen, zegge, wollegras opdooilaag > 40 cm jaarlijks overstroomd
Droge tundra op 'yedoma' heuvels en plateaus opdooilaag 30 - 50 cm
ijswiggen
veenmos
Breek je benen tundra: Droge tundra met pollen wollegras
Droog/nat tundra op voormalige meerbodem opdooilaag 20-40 cm
zegge, wollegras in laagte 'palsa met dwergberk
Meetmethoden
Start metingen CO2 : April Zomercampagne: CO2, CH4 Einde metingen CO2: Oktober
Methaan fluxen (kamers) droge riviervlakte
natte riviervlakte
droge tundra
1 Er komt meer methaan uit de riviervlakte dan uit de tundra (bij dezelfde waterstand)
gemiddeld 7 x zoveel! 2 Sterke verschillen tussen de jaren 3 Lage fluxen uit veenmos vegetaties ondanks natte bodem
natte tundra
Riviervlakte is een 'hotspot'
O2
belletjes
hoge CH4 productie
diffusie
transport door planten
CH4 productie
Grassen, zegges, veel plantenmassa: veel productie van methaan snel transport
Hoge waterspiegel
Weinig methaan uit tundra: veenmos Een Nederlandse ontdekking (Micobiologie Radboud Univirsiteit): veenmos heeft symbiose met methaan-oxyderende bacteriën
fotosynthese CO2
CH4+O2
CH4
In Kytalyk aantoonbaar: Vegetaties met veenmos 50% lagere methaanflux dan vegetaties met zegge ± 30% van de tundra is begroeid met veenmos
CO2 fluxen meegerekend: evenwicht Hoge CH4 fluxen gecompenseerd door CO2 opname in vegetatie en bodem?
vo o
rl o
p
ig
e
m
ee
tr es
u
lt
at e
n
2 0
1
0
CH4
N B
CO2
Broeikasgasbalans van de tundra Methaan en CO2 metingen gecombineerd Netto CH4 gC.m-2.d-1 2004 2005 2006
0.04±0.03 0.02±0.02 0.02±0.02
Netto CO2 gC.m-2.d-1 -1.66±0.34 -1.61±0.64 -1.28±0.77
Negatieve broeikasgas balans: de tundra rond de meettoren neemt netto broeikasgas uit de atmosfeer op!
NB: dit geldt alleen voor het groeiseizoen Er zijn aanwijzingen voor hoge methaanemissies in het najaar
'Global Warming Potential' g CO2equivalent m-2 day-1 -4.71±1.57 -5.30±2.46 -4.08±2.91
CH4 emissie buiten groeiseizoen: onzekerheid Mastepanov et al., 2009 (Nature): tundra op Noord Groenland heeft hoge CH4 emissie in het najaar ontsnappen opgeslagen CH4 uit de opdooilaag tijdens bevriezen? Nog niet gemeten in Kytalyk vanwege logistieke problemen
Reactie moerassen op klimaat is ingewikkeld Warmer: hogere activiteit methaanbacteriën Natter: meer moeras Warmer: meer verdamping, drogere bodems, meer CO2 respiratie Warmer: meer opname CO2 door vegetatie Warmer: meer verdamping, drogere bodems, minder methaan Warmer: smelten permafrost, afvoer water beter, drogere bodems ........
Bodem uitstoot CO2
Netto opname CO2
fotosynthese opname CO2
Toekomstige broeikasgas balans tundra
lengte groeiseizoen
Neemt de vegetatie in de toekomst meer CO2 op? CO2 metingen vanaf 2003: jaren met langer groeiseizoen: de opname door planten neemt iets toe, ............maar de afbraak van organische stof in de bodem ook! CH4: onzeker, maar toename waarschijnlijk hogere temperatuur →methaanvormende bacteriën actiever meer neerslag → nattere bodem, minder oxidatie?
Zijnriviervlakten de grootste methaanbron?
Grote verschillen in waterstand per jaar Natte jaren: veel methaan ..... en de neerslag neemt toe, dus veel natte jaren
Effect van smeltende permafrost Poel met dode dwergberk
Palsa (ijslens) met dwergberk
Recente metingen: Hoge emissie van zowel CO2 en CH4
oprukkende zeggevegetatie
Ook oppervlakkig smelten van de permafrost veroorzaakt al meer broeikasgas!
Dankzij de koude oorlog weten we meer
Recent satellietbeeld 0.5 m resolutie
'Keyhole' spionage satellietbeeld 1977
lichte pixels in 1977 Keyhole beeld: Geen 'zwarte gaten', nu 3x zoveel als in 1977
Dooimeren Satellietbeelden 1977 en 2010 Actieve uitbreiding ± 20 m in 33 jaar
Dooimeren
Pionerswerk Katey Walther-Anthony (Alaska University):
Methaan emissie van meren is gemeten door bellen te tellen in het ijs Schatting: 50-100 Megaton methaan door smeltende permafrost
Ontwikkeling dooimeren Verdwijnende meren
Ontstaan dooimeren permafrost
niet bevroren grondwaterstroming mogelijk
Smith et al., 2005 Science 308
Dooimeren hebben niet het eeuwige leven - Drainage door: - contact met rivieren - grondwaterstroming bij smelten van de permafrost
Dooimeren in Nederland Hengelo, aanleg A1: 3 meerbodems boven elkaar, ouderdom tussen 28000 and 42000 jaar (midden laatste ijstijd) meersediment
veen, loess ± 40-42.000 met fossiele ijswig! rivierzand dooimeer lagen: klei, leem
- Veel organische stof is bewaard gebleven (niet omgezet in CO2 of CH4) - Siberische dooimeerafzettingen evenmin groot verlies aan organische stof
Conclusies Klimaatcatastrofe in Siberië? - De permafrost verandert echt - Dit versterkt de emissie van methaan en kooldioxide Zorgt dit voor een onbeheersbaar broeikaseffect? er zit een natuurlijke rem op het systeem maar we weten nog niet wanneer die gaat werken recent dooimeer in landbouwgrond bij Yakutsk
Behalve broeikasgassen: Smeltende permafrost heeft ook andere nare gevolgen
'Tipping elements' in the klimaatsysteem
Onderdelen van het systeem waar positieve terugkoppelingen drastische veranderingen kunnen veroorzaken
Conclusie Klimaat geeft aanleiding tot mediahypes en gebakken lucht daarom is klimaatonderzoek hard nodig ...en meten is nog steeds weten! Klimaatonderzoek levert niet aleen maar ongewenste kennis
