Bellen in de toendra

Langzaam zakt een blok grond van de oever in het meer. De dwergberken en de witte pluimen van het wollgras verdwijnen onder water. Bellen stijgen op. In de oever is het ijs in de bodem te zien: glimmend, nat. Nog even en het volgende blok zakt het meer in. Het meer wordt ieder jaar groter en slokt steeds meer toendra op....

Deze meren zijn een signaal: het gevolg van de sterke klimaatveranderingen die zich in het hoge noorden voordoen ten gevolge van het broeikaseffect. De bewoners van de toendra, rendierhouders en hun kuddes, zullen hun leefwijze hieraan aan te moeten passen. Maar dat is niet het enige. De opwarming van de tundra kan het broeikaseffect versterken door versterkte vorming van het broeikasgas methaan.

Inhoud.

Methaan.

Methaan: bekend van de gaskraan en scheikundeles, chemische formule CH₄. Aardgas en moerasgas bestaan voor het grootste deel uit methaan. Methaan is een 'broeikasgas', het draagt net als koolzuurgas (CO₂) bij aan de opwarming van de aarde. Methaan is ruwweg 23 x zo effectief als koolzuurgas, het meest bekende broeikasgas. Net als CO₂ neemt het de laatste eeuw sterk toe in de atmosfeer, deels door menselijk toedoen.  Gaslekken en de landbouw zijn belangrijke methaanbronnen.  Veel methaan komt uit rijstvelden, dat zijn eigenlijk kunstmatige moerassen. Van nature ontstaat moerasgas doordat bacterien organische stof - bijvoorbeeld resten van dode planten - verteren. Dat gebeurt alleen onder strikt zuurstofloze omstandigheden, zoals die in een met water verzadigde moerasbodem heersen. Meer over de vorming van methaan in moerassen vind je hier.

Belangrijke moerasgebieden zijn te vinden in het hoge noorden van Europa,  Siberie en Amerika. In deze gebieden is de bodem permanent bevroren: op enige diepte bevindt zich ijs in de bodem. Dit heet permafrost. Allen de bovenste decimeters van de bodem ontdooien iedere zomer. Omdat het water niet weg kan zakken door het ijs in de bodem ,wordt het vooral in vlakke gebieden nat, met veel moeras.

Vooral in het Noorden van Rusland, Siberie, Canada en Alaska strekken zich gigantische moerasgebieden uit die geheel of gedeeltelijk op een permafrost-bodem liggen. Deze moerasgebieden produceren ook grote hoeveelheden moerasgas of methaan.

Versterking van het broeikaseffect door methaan.

Vorming van moerasgas is sterk gevoelig voor warmte: methaan bacterien produceren meer methaan bij een lekker temperatuurtje. Dat betekent dat de opwarming van de aarde door het broeikaseffect zou kunnen leiden tot meer methaan, dus meer meer broeikaseffect, nog hogere temperaturen, nog meer methaan..... enzovoort. Een zichzelf versterkende, positieve terugkoppeling in het broekaseffect.

Dooi op de tundra: meer methaan.

Er zijn in de noordelijke permafrost moerassen twee belangrijke bronnen van methaan.

De eerste is de methaan bron van alle moerassen: omzetting van dode plantenresten in de moerasbodem. Door fotosynthese wordt plantenmateriaal geproduceerd. Een deel daarvan komt via de plantenwortels en hun uitscheidingsproducten in de natte, met water verzadigde moerasbodem terecht. Dit plantenmateriaal wordt weer afgebroken door de methaan bacterien. Ruwweg 1 tot 2 procent van de plantaardige productie in moerassen wordt omgezet in methaan. Deze methaanbron is op verschillende manieren gevoelig voor temperatuur:

• De methaanbacterien gaan de warmte sneller produceren;

• De permafrost dooit,  daardoor wordt de bodemlaag waarin methaan geproduceerd kan worden ook dikker;

• De planten gaan door het langere groeiseizoen meer organisch afval produceren

De tweede bron is methaan, dat in het permafrost ijs opgesloten zit. Dat methaan is vaak aanwezig in de vorm van methaan hydraat, of clathraat, een ijsachtige substantie.  In clathraat zijn de methaanmoleculen opgesloten in een soort kooi van watermoleculen. Clathraat ontstaat bij lage temperatuur en hoge druk. Bij opwarming of drukverlaging wordt het instabiel en komt het methaan vrij. Clathraat komt zowel in permafrost ijs als in diepzee afzettingen voor.

Als het klimaat opwarmt, gaat het permafrost ijs ontdooien en komt dit methaan ook in de atmosfeer terecht. Bovendien zit er in permafrost ijs ook veel organische stof dat weer door de methaan bacterien omgezet wordt in methaan.  Bij het ontdooien van permafrost ontstaan meren inde tundra: dooimeren of thermokarst meren. Russische onderzoekers hebben aangetoond dat er in dergelijke meren veel methaan vrij kan komen uit de opdooiende permafrost.

Onderzoek in Siberie

De Vrije Universiteit, en de Wageningen Universiteit doen samen met Russiche onderzoekers van de Russiche Akademie voor Wetenschappen onderzoek naar de broeikasgassen uit de tundra. De tundra kan onder normale omstandigeheden zowel broeikasgassen uitstoten of opnemen. Koolzuurgas wordt vastgelegd door planten en veen in de tundrabodem, methaan kan eruit vrijkomen. Hier zijn meetopstellingen te zien in de Oost-Siberische tundra bij de Indigyrka rivier. Deze meetopstellingen worden gebruikt voor het meten van de fluxen van koolzuurgas en methaan uit de toendra bodem en staan in een reservaat van het Wereld Natuur Fonds, het Kytalyk reservaat

Methaan in het verleden

Dat er bij klimaatopwarming inderdaad veel meer methaan geproduceerd wordt door moerassen, kun je zien door naar het verleden te kijken: de ijstijden.. Tijdens de laatste ijstijd vond soms snelle opwarming van het klimaat plaats., waarna het weer geleidelijk afkoelde. Dergelijke opwarming-afkoelingsfasen worden naar de ontdekkers Dansgaard-Oescher cycli genoemd.

Tijdens de opwarmingsfasen nam het methaan gehalte in de atmosfeer ook snel toe. Dit is gebleken door het gehalte aan methaan in luchtbelletjes uit boorkernen in de ijskappen van Groenland en Antarctica te meten. Bij iedere opwarmingsfase wordt ook een methaan piek gevonden. De oorzaak is niet precies bekend, maar er wordt gedacht aan de toendra gebieden op het Noordelijk halfrond.

Vooral in het middendeel van de laatste ijstijd moeten er uitgestrekte natte gebieden zijn geweest, die zich uitstrekten van de rand van de ijskappen tot veel verder zuidelijk dan nu. Ook in Nederland vinden we veel afzettingen die op de aanwezigheid van een moerassige toendra wijzen. Dit zijn afzettingen van een toendra rivier met een moerassige riviervlakte, in een bouwput bij Hengelo(Ov).

Resultaten van computermodellen wijzen uit dat die toendra gebieden inderdaad in staat moeten zijn geweest om voldoende methaan te produceren. Hier een modelsimulatie van de methaan productie van toendra gebieden in Nederland tijdens de ijstijd. Deze simulatie is gebaseerd op een klimaatmodel en een model voor koolzuurgas en methaanproductie van moerasbodems, PEATLAND. 

Uit de ijskernen blijkt, dat de hoeveelheid methaan die door opwarming in de atmosfeer terecht kwam beperkt bleef. De positieve terugkoppeling opwarming - methaan toename - verdere opwarming werd dus op een gegeven moment gestopt.

Maar het is niet gezegd dat dat nu ook weer gebeurt.  De omstandigheden zijn anders. Het koolzuurgas gehalte in de atmosfeer is twee keer zo hoog als het ooit geweest is in de ijstijden, en we staan voor een snelle en vergaande opwarming van het klimaat.

Bovendien is er een alternatieve theorie die de methaanpieken in de opwarmingsfasen in de ijstijd kan verklaren. Op de zeebodem in de diepzee bevinden zich grote hoeveelheden methaan-ijs (methaan hydraten of clathraten). Al door geringe opwarming van het zeewater kan dat methaan-ijs in gasvorm overgaan en de atmosfeer bereiken.

Er zijn aanwijzingen dat dit proces zich eerder heeft voorgedaan, zowel tijdens de ijstijden als daarvoor. 55 miljoen jaar geleden heeft zich een sterke opwarming van de aarde voorgedaan (het  Late Paleocene Thermal Maximum), dat aan het massal vrijkomen van methaan uit clathraat op de zeebodem wordt geweten.  Als dit nu ook gebeurt, kan een flinke versterking van het broeikaseffect het resultaat zijn.