In 2019 vaart een onderzoeksschip in de Beaufortzee ten noorden van Canada. Maar als de gegevens van de zeebodemscan binnen tikken, vragen de wetenschappers zich af of hun schip wel op de juiste plaats is.
In de metingen is er een heel ander onderwaterlandschap te zien dan nog maar negen jaar eerder.
Toen was de zeebodem op 140 meter diepte vrijwel vlak. Maar nu opent er zich een gigantisch gat – 24 meter diep, 100 meter breed en meer dan 200 meter lang.
Een gps-controle leert dat het team van het Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) in Californië precies op de juiste plek is. Het is dus niet de positie die anders is – het is de zeebodem zelf.
Bij het doornemen van de data zien de onderzoekers dat het gat niet de enige verandering is. Overal langs de helling naar de diepzee ten noorden van Canada zijn er diepe kuilen, vreemde bergjes en grote aardverschuivingen ontstaan.
Permafrost trekt zich terug
Naarmate de aarde opwarmt, trekt de grens van de permafrost op het land (grijs) zich gemiddeld 1 kilometer per jaar naar het noorden terug. De dooi veroorzaakt grote problemen, want vaste grond verandert in modder. Nu heeft een onderzoeksschip (kruis) waargenomen dat ook de zeebodem smelt (lichtblauw).
Marien geoloog Charles K. Paull leidt het MBARI-team dat een pioniersrol heeft gespeeld bij de studie van veranderingen in de Arctische zeebodem.
Het belangrijkste doel is te ontdekken hoe smeltende permafrost de zeebodem vormt. Maar de studie moet ook inzicht geven in een van de grootste bedreigingen voor het leven op aarde.
Chaos heerst op de zeebodem
Wanneer sedimenten als aarde, klei en zand het hele jaar bevroren zijn, spreken we van permafrost. Het verschijnsel is aan het begin van de laatste ijstijd ontstaan, rond de 100.000 jaar geleden.
Zelfs de zeebodem kan bevroren zijn – de watertemperatuur nabij de bodem van de Noordelijke IJszee bedraagt -1,4 °C.
Zout water heeft een lager vriespunt dan zoet water, dus de bodem van de zee is bevroren doordat het water onderin het sediment zoet is en bevriest bij 0 °C, terwijl het zeewater erboven zout is en een lager vriespunt heeft.
-1.4 °C koud grondwater houdt de permafrost koel in de Noordelijke IJszee.
Het MBARI-team bracht de bodem van de Beaufortzee in kaart met sonar, die afstanden meet door geluidsgolven uit te zenden. Als de geluidsgolven iets raken, worden ze teruggekaatst naar de sonar, en door het teruggekaatste geluid te meten kan de afstand tot bijvoorbeeld een onderzeeër of de zeebodem geschat worden.
De metingen werden uitgevoerd met een geavanceerd type sonar dat allerlei geluidsgolven uitzendt om een groot stuk zeebodem in één keer te kunnen karteren.
In het onderzoeksgebied was de zee 100 tot 200 meter diep, waarmee de sonar een nauwkeurigheid van circa 2 meter had. Dit lijkt een flinke foutmarge, maar het is genoeg om de grote veranderingen in de zeebodem op te sporen die zich voordeden tussen het eerste bezoek in 2010 en het meest recente in 2019.
Verschillende soorten onderzeeërs onderzoeken de zeebodem met sonar en andere apparatuur en ontdekken grote veranderingen door ontdooiende permafrost.
De sonarmetingen en later onderzoek met op afstand bestuurde onderzeeërs leverden een kaart op met drie radicale veranderingen van de zeebodem.
Het opvallendst waren enorme kuilen van 20 meter diep en honderden meters doorsnee. Bovendien waren delen van de zeebodem bezaaid met rare, metershoge pieken, en de helling naar de diepzee had diepe littekens van aardverschuivingen.
Uit de metingen blijkt dat de bodem zo verandert doordat de permafrost smelt. En je zou denken dat dit te wijten is aan warmer zeewater, maar volgens Charles K. Paull en collega’s is dat niet het geval.
Het ijs smelt doordat er 200 kilometer landinwaarts zoet grondwater onder de zeebodem stroomt. Het grondwater is net boven het vriespunt – genoeg om blokken bevroren zoet water in het sediment van de zeebodem te doen smelten.
Wanneer die blokken smelten, stort de zeebodem in en ontstaan er diepe kuilen.
Oud grondwater maakt zeebodem los
Op het land verdwijnt de permafrost door de opwarming van de aarde, maar het ijs in de zeebodem smelt door processen die teruggaan tot het einde van de laatste ijstijd.
1. Kom was 100.000 jaar bevroren
In het Canadese deel van de Beaufortzee heeft het gebied tussen de kust en de rand van de diepzee de vorm van een kom. De zeebodem bestaat uit modder, die bevroren is sinds het begin van de laatste ijstijd, meer dan 100.000 jaar geleden.
2. Grondwater smelt weg
Vanaf het land stroomt grondwater 200 km door de kom en het welt op aan de rand van de diepzee. Het water is net boven het vriespunt, waardoor de modder op de zeebodem smelt, maar het bevriest zelf als het op zeewater van -1,5 °C stuit.
3. IJspieken en diepe kuilen ontstaan
Waar grondwater opwelt en bevriest, vormen zich kleine pieken, pingo’s genoemd. Elders smelten blokken ijs onder de zeebodem, waardoor kuilen tot 20 meter diep ontstaan als ontdooide modder van de helling naar de diepzee glijdt.
Een dergelijk proces is aan het werk op de helling naar de diepzee toe. Als het ijs smelt, glijdt het sediment weg omdat er niets meer is dat het bijeenhoudt.
De rare pieken zijn een ander verhaal. Ze ontstaan wanneer zoet grondwater de zeebodem in sijpelt, waar het op ijskoud zeewater stuit en bevriest. Dit verschijnsel doet zich ook voor op het land, waar ijsheuvels ontstaan als het grondwater in permafrostgebieden stijgt en bevriest.
De heuvels noemen we pingo’s, en in Siberië en Alaska is het landschap er flink door veranderd: hier zijn pingo’s van 50 meter hoog en kilometers in doorsnee.
Dooi creëert chaos op het land
Terwijl het aantal pingo’s op de zeebodem lijkt toe te nemen, verdwijnen ze echter op het land, waar ‘pingoruïnes’ ontstaan. Oorzaak: de opwarming van de aarde.
In feite hebben klimaatonderzoekers al voorspeld – en nu waargenomen – dat de temperaturen in het Noordpoolgebied tot vier keer zo snel stijgen als in de rest van de wereld – vooral in de winter.
Het verschijnsel, Arctische versterking genoemd, betekent dat de temperaturen in het noorden van Siberië de afgelopen 25 jaar 0,2 °C per jaar zijn gestegen en nu tot 5 °C hoger liggen dan eind jaren 1990.
5 °C zijn de temperaturen in het noorden van Siberië de laatste 20-25 jaar gestegen.
Hierdoor ontdooit de permafrost op natuurlijke wijze, met enorme gevolgen.
Permafrost verdwijnt van boven naar beneden. Dus de bovenste laag smelt het eerst, terwijl eronder ijs blijft liggen. Het smeltwater kan niet weg en de bovenste bodemlaag wordt bijna vloeibaar.
Het resultaat is vaak een laag dunne modder die makkelijk meegeeft onder het gewicht van een huis, brug of weg.
Maar het smelten van de permafrost veroorzaakt niet alleen chaos voor de mensen in het Noordpoolgebied – het kan een probleem zijn voor de hele planeet.
Dit komt doordat permafrost heel veel bevroren broeikasgas bevat, en ook rotte planten, die nog meer gas afgeven zodra bacteriën ermee aan de slag kunnen.
Volgens klimaatwetenschappers is het smelten van permafrost een zogeheten positief terugkoppelingsmechanisme voor de opwarming van de aarde, want als bodemijs smelt, komt er broeikasgas vrij. Door al dat gas stijgt de temperatuur van de planeet nog verder, met als gevolg dat nog meer permafrost smelt, in een zichzelf versterkende spiraal.
Klimaatbom in de modder
Hoeveel broeikasgas in de vorm van CO2 en methaan, CH4, er precies in de permafrost op het land vastzit, is onzeker.
Maar wetenschappers die een speciaal rapport hebben geschreven voor het VN-panel voor Klimaatverandering dat in 2018 verscheen, schatten dat de hoeveelheden overeenkomen met tweemaal het huidige CO2 in de atmosfeer van circa 410 ppm (deeltjes per miljoen: 410 moleculen CO2 op 1 miljoen moleculen lucht).
Een totale afbraak van de permafrost zou dus broeikasgassen uitstoten die overeenkomen met een extra 800 ppm CO2, waardoor het totaal in de atmosfeer zou uitkomen op 1200 ppm CO2 en de opwarming van de aarde op hol zou slaan.
Smeltende permafrost maakt de bosbodem vloeibaar. Het resultaat zijn de zogeheten drunken trees, die houvast zoeken.
Vanaf het land lekt er echter stukken minder gas weg dan potentieel vanaf de zeebodem, die meer dan 100.000 jaar oud ijs bevat dat in modder is ingekapseld.
Volgens wetenschappers zijn op veel plaatsen enorme hoeveelheden aanwezig van wat ze gashydraat noemen: bevroren gas met een ijsachtige structuur.
Gashydraat bestaat hoofdzakelijk uit methaan, een veel krachtiger broeikasgas dan CO2. Over een periode van 100 jaar is het opwarmend vermogen van methaan zelfs 27-30 keer zo groot als dat van CO2.
Niet dat de wetenschappers heel bang zijn dat er gigantische ladingen methaan vrijkomen uit ontdooiende gashydraten, maar onder andere Zweedse en Russische onderzoekers hebben aangetoond dat het methaan al begint los te smelten uit de zeebodem en in de atmosfeer ontsnapt.
Met de Beaufortzee-expeditie hebben onderzoekers nu bewezen dat permafrost ook op de zeebodem aan het smelten is.
En al kunnen ze het 100.000 jaar oude proces niet omkeren, nieuwe expedities zullen de voortgang volgen en vaststellen hoe dichtbij de permafrostinstorting is.