Des pics enneigés s'élèvent dans une direction; la toundra marécageuse s'étend sur l'autre. Les têtes floues des plantes à longue tige se balancent dans le vent, entrecoupé de bleuets des tourbières. C'est le lac Eight Mile en Alaska, où la ville la plus proche a une population d'un peu plus de mille personnes.

Des chercheurs soutenus par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie se rendent ici et dans d'autres endroits éloignés pour étudier comment le pergélisol – un sol gelé pendant plusieurs années consécutives – dégèle. Parce que les sols des systèmes de haute latitude où cela se produit stockent presque deux fois plus de carbone que l'atmosphère entière, comprendre le processus de dégel est essentiel pour modéliser les écosystèmes terrestres et le climat. L'amélioration des modèles du système terrestre peut aider les scientifiques à mieux comprendre l'étendue et les effets probables des futurs changements climatiques.

Le congélateur de la Terre

Les couches profondes du pergélisol agissent comme la glacière du monde, emprisonnant les matières organiques telles que les plantes et les animaux morts de la dégradation pendant des milliers d'années. Les températures froides et le sol gorgé d'eau ralentissent la décomposition jusqu'à l'arrêt.

Mais aujourd'hui, l'Arctique se réchauffe à un rythme qui ne s'est pas produit depuis trois millions d'années. S'élevant à un rythme deux fois plus rapide que le reste de la Terre, la température moyenne de l'Arctique pourrait augmenter jusqu'à 14 ° F entre 2081 et 2100.

Ce réchauffement pourrait faire fondre le pergélisol beaucoup plus rapidement et plus largement que jamais auparavant. Selon le rythme et l'ampleur du changement climatique, l'Arctique pourrait perdre 30 à 70 pour cent de son pergélisol au cours du prochain siècle.

La matière organique du pergélisol dégelé peut se décomposer rapidement. En tant que bactéries, champignons, et d'autres petits organismes décomposent la matière, ils libèrent les gaz à effet de serre dioxyde de carbone et méthane. Chaque augmentation de 1 degré C (1,8 degré F) des températures mondiales moyennes pourrait entraîner un dégel du pergélisol suffisant pour libérer l'équivalent d'un an et demi d'émissions de dioxyde de carbone d'origine humaine. Les gaz à effet de serre du pergélisol dégelé entraîneraient davantage de changements climatiques, ce qui pourrait alors conduire à plus de dégel du pergélisol - un cycle d'auto-renforcement.

"C'est le point de basculement le plus important, " dit Jizhong Zhou, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) et professeur à l'Université de l'Oklahoma.

Une collaboration enrichissante

Alors que les chercheurs comprennent pourquoi le pergélisol est important, de nombreuses questions restent sans réponse. Même les modèles qui ont des informations détaillées sur la terre, océan, et les processus atmosphériques manquent de suffisamment de détails sur l'Arctique.

C'est là qu'intervient la recherche sur le terrain et en laboratoire. Avant 2012, les chercheurs sur le pergélisol et les modélisateurs climatiques travaillaient généralement séparément. Mais grâce au projet Next-Generation Ecosystem Experiments Arctic (NGEE Arctic), équipes du siège du DOE, les laboratoires nationaux du DOE, et universités réunies domaine, laboratoire, et des chercheurs en modélisation pour partager leurs besoins et leur expertise.

"C'est un niveau de dynamique et d'interactions que nous n'avons tout simplement pas eu dans le passé, " a déclaré Stan Wullschleger, Directeur du NGEE Arctic et chercheur au Oak Ridge National Laboratory. « [Ces collaborations] permettent d'avoir une approche beaucoup plus informée, discussion plus riche sur la façon dont le champ, laboratoire, et les scientifiques de la modélisation peuvent interagir."

Recherche dans un paysage brutal

L'étude du pergélisol est loin d'être facile. Lorsque les températures chutent de plus de 20 degrés en dessous de zéro, les fils deviennent si cassants qu'une simple bousculade les fait craquer. Parce que les courtes journées d'hiver rendent les panneaux solaires inutiles, les chercheurs doivent transporter des batteries de la taille d'une voiture pour alimenter leurs instruments. Mais les données essentielles fournies par ces études en valent la peine.

Un type majeur d'étude sur le terrain permet aux scientifiques d'étudier comment la température affecte le taux de dégel. Pour simuler la réaction d'un écosystème de pergélisol à des étés et des hivers plus chauds, les chercheurs créent un écosystème en miniature. Pour imiter les conditions estivales, ils utilisent des serres à toit ouvert qui réchauffent l'air. Pour les conditions hivernales, ils dressent des clôtures là où la neige s'accumule, réchauffer le sol comme une couette isolant un lit.

Bien qu'il semble que l'été affecterait le plus le pergélisol, c'est en fait le réchauffement hivernal qui provoque le dégel. Une étude majeure soutenue par l'Office of Science a révélé que bien que les conditions estivales n'aient pas réchauffé le sol, le réchauffement de l'hiver a augmenté les températures du sol de 3-5° F. Après seulement trois ans, ces changements ont conduit à une augmentation de 45 pour cent de la respiration, le processus qui produit du dioxyde de carbone. Il y a eu quelques augmentations de la croissance des plantes et de l'absorption de dioxyde de carbone, mais ce n'était pas assez pour compenser les sorties.

Les changements dans le mouvement de l'eau pourraient également accélérer le dégel. Actuellement, des cales de glace constituent un cinquième de la couche supérieure du pergélisol. Ces cales de glace sont si fondamentales pour le paysage que lorsqu'elles fondent, le sol s'effondre en fait. Les déplacements qui en résultent peuvent relier les auges et les lacs à tel point qu'ils s'écoulent, transformer la distribution de l'eau de l'écosystème.

Une étude de NGEE Arctic a révélé que des augmentations de température aussi faibles que 9 ° F peuvent provoquer l'effondrement des cales de glace dans les 15 à 20 ans. Et il n'est pas nécessaire qu'il s'agisse de changements de température moyenne – un été inhabituellement chaud peut déclencher le processus.

"C'est une transformation qui ne se défait pas facilement. Certainement pas de notre vivant, " a déclaré Sue Natali, un chercheur sur le pergélisol au Woods Hole Research Center.

De retour au labo

Regarder le paysage changer est éclairant, mais le travail sur le terrain ne peut à lui seul décrire les processus sous-jacents. Ramener des échantillons au laboratoire permet aux chercheurs d'isoler des variables spécifiques.

Étant donné que la fonte des coins de glace pourrait entraîner des changements majeurs dans la distribution de l'eau, il est essentiel de savoir comment la décomposition peut varier en fonction du niveau d'eau du sol. Une étude NGEE Arctic a découvert des différences substantielles entre la décomposition dans les sols secs avec de l'oxygène (aérobie) et les sols gorgés d'eau qui n'ont pas d'oxygène (anaérobie). Les chercheurs ont découvert que sec, les sols aérobies dégagent deux fois plus de dioxyde de carbone et de méthane après dégel que les sols gorgés d'eau, les anaérobies ont fait après décongélation.

Microbes, comme les bactéries et les champignons, sont un autre axe majeur de la recherche en laboratoire. Diverses études ont examiné lesquels de ces minuscules organismes sont les plus courants dans le pergélisol avant et après le dégel et ont comparé la différence entre les microbes dans différentes couches. Une étude soutenue par l'Office of Science a révélé qu'après seulement 18 mois de réchauffement, la respiration des microbes qui produit du dioxyde de carbone a augmenté de 38 pour cent.

Les modèles climatiques rassemblent tout

Ces observations sur le terrain et en laboratoire rendent les modèles climatiques plus précis que jamais. En réalité, les modèles de première génération n'incluaient pas du tout le pergélisol.

« La prise de conscience que les modèles manquaient du plus grand réservoir de carbone a été un véritable moteur de ce que nous avons fait depuis lors, " a déclaré Charlie Koven, un modélisateur climatique LBNL.

Les chercheurs utilisent des données de terrain et de laboratoire pour aider les modèles à refléter le monde réel aussi fidèlement que possible. Pour augmenter la spécificité, ils alimentent des données telles que la température du sol, taux de décongélation, et le mouvement de l'eau directement dans les modèles. Pour tester la précision, les chercheurs exécutent le modèle dans certaines conditions, puis comparent les résultats à des expériences du monde réel menées dans des conditions comparables.

En utilisant une grande partie de ces données, un modèle climatique soutenu par l'Office of Science montre que si le changement climatique se poursuit à son rythme actuel, la moitié du pergélisol mondial pourrait fondre d'ici la fin du siècle.

Le prochain défi consiste à intégrer des données microbiennes complexes dans des modèles informatiques qui contiennent déjà des millions de lignes de code.

Que les chercheurs mesurent la neige dans certains des endroits les plus brutaux de la Terre, dégeler le sol en laboratoire, ou en examinant un écran d'ordinateur, chacun contribue à notre compréhension des vastes réserves de carbone de l'Arctique.

"[NGEE Arctic] était et continue d'être un excellent exemple de la façon dont les laboratoires nationaux peuvent interagir, ", a déclaré Wullschleger. "Ce genre d'[approche] accélère vraiment l'amélioration des modèles climatiques."