Methaan uit de Permafrost

Transcriptie

1 Methaan uit de Permafrost Ko van Huissteden vrije universiteit amsterdam faculty of earth and life sciences

2

3 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

4 Positieve terugkoppeling door methaan Klimaatverandering Methaan uit permafrost Smelten permafrost Het IPCC heeft dit niet opgenomen in de laatste klimaatprojecties vanwege de onzekerheden!

5 Positieve terugkoppeling door methaan Globale temperatuur o in de Siberische tundra 2o opwarming gemiddeld = 8o opwarming in de arctische gebieden

6 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

7 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

8 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

9 Wat is permafrost? Permanent bevroren bodem Alleen 's zomers een opdooilaag Continue permafrost Discontinue permafrost verticale doorsnede noord-zuid

10 Permafrost bodems zijn moerassig Door de bevroren ondergrond zakt het water niet weg

11 IJsrijke permafrost Permafrost bodems kunnen tot 90% ijs bevatten Onbevroren bodems hooguit 40% water!

12 Permafrost ijs: in het landschap 'IJswiggen': krimpscheuren opgevuld met ijs grootste bijdrage aan permafrost ijs 'Dooimeer', Thermokarst meer

13 Dooimeren Kytalyk Chokhurdakh Arctische laaglanden: veel dooimeren Actieve meren, inactief, gedraineerd Veel meren zijn ontstaan aan het einde van de laatste ijstijd

14 Waar komt het methaan vandaan? 1. Gashydraten: methaan in ijsvorm 2. Afbraak van organische stof uit de permafrost 3. Moerasgas

15 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

16 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 jaar oude graswortels foto S.A. Zimov Opwarming: permafrost smelt, snelle afbraak naar CO2 en CH4

17 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

18 Balans van broeikasgas van moeras Opname CO2 door fotosynthese vegetatie Emissie CO2 door afbraak organische stof (respiratie) Emissie CH4 door afbraak organische stof CH4: x sterker broeikasgas dan CO2

19 Onderzoeksstation Kytalyk Kytalyk Yakutsk Indigirka Laagland, NO Siberië Tundra vegetatie Permafrost Gemiddelde jaartemperatuur -14.3oC Gemiddelde Juli 9.5oC Gemiddelde Januari -34.6oC

20 De reis

21 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

22 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

23 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

24 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

25 Herkomst methaan: moerasgas Eddy correlatie metingen: sterke fluctuaties met windrichting natte tundra met smeltende ijswiggen en poelen: meeste methaan e tor n

26 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

27 De tundra is niet overal hetzelfde Riviervlakte, Grassen, zegge, wollegras opdooilaag > 40 cm jaarlijks overstroomd Droge tundra op 'yedoma' heuvels en plateaus opdooilaag cm ijswiggen veenmos Breek je benen tundra: Droge tundra met pollen wollegras Droog/nat tundra op voormalige meerbodem opdooilaag cm zegge, wollegras in laagte 'palsa met dwergberk

28 Meetmethoden Start metingen CO2 : April Zomercampagne: CO2, CH4 Einde metingen CO2: Oktober

29 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

30 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

31 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

32 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 CH4 N B CO2

33 Broeikasgasbalans van de tundra Methaan en CO2 metingen gecombineerd Netto CH4 gc.m-2.d ± ± ±0.02 Netto CO2 gc.m-2.d ± ± ±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 ± ± ±2.91

34 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

35 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...

36 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?

37 Zijnriviervlakten de grootste methaanbron? Grote verschillen in waterstand per jaar Natte jaren: veel methaan... en de neerslag neemt toe, dus veel natte jaren

38 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!

39 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

40 Dooimeren Satellietbeelden 1977 en 2010 Actieve uitbreiding ± 20 m in 33 jaar

41 Dooimeren Pionerswerk Katey Walther-Anthony (Alaska University): Methaan emissie van meren is gemeten door bellen te tellen in het ijs Schatting: Megaton methaan door smeltende permafrost

42 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

43 Dooimeren in Nederland Hengelo, aanleg A1: 3 meerbodems boven elkaar, ouderdom tussen and jaar (midden laatste ijstijd) meersediment veen, loess ± 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

44 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

45 'Tipping elements' in the klimaatsysteem Onderdelen van het systeem waar positieve terugkoppelingen drastische veranderingen kunnen veroorzaken

46 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