Comme des détectives, Les scientifiques d'Argonne étudient les indices de la libération de carbone dans les régions de dégel du pergélisol, rassembler les indices pour créer des cartes détaillées afin de prédire l'impact de la hausse des températures mondiales sur les futures émissions de gaz à effet de serre.

Le dictionnaire Webster définit un cercle vicieux comme « une cause et un effet réciproques dans lesquels deux éléments ou plus s'intensifient et s'aggravent mutuellement, aggraver la situation."

La libération de carbone provenant du dégel des sols dans les régions de pergélisol représente précisément un tel cycle.

Les sols affectés par le pergélisol, où les températures souterraines restent inférieures au point de congélation pendant au moins deux années consécutives, contiennent de grandes quantités de carbone organique qui se décompose et pénètre dans l'atmosphère. Le taux de ces rejets s'est accéléré avec le changement climatique, car les régions se réchauffent rapidement et les sols de surface dégelent à de plus grandes profondeurs en été. La libération de carbone stocké sous forme de gaz à effet de serre (p. dioxyde de carbone et méthane) dans l'atmosphère provoque un réchauffement supplémentaire et plus d'émissions de carbone.

Pour aider à comprendre le cycle, les scientifiques doivent examiner attentivement le potentiel de ces stocks de carbone à accélérer les taux de réchauffement planétaire en mesurant la quantité de gaz à effet de serre émise par la décomposition du carbone du pergélisol. Une équipe de chercheurs dirigée par Julie Jastrow et Roser Matamala, écologistes terrestres du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), contribue à cet effort grâce à un ensemble intégré d'approches de recherche.

Leur travail, récemment publié dans Avancées scientifiques , axé sur la quantification de la quantité de carbone stockée dans les sols touchés par le pergélisol et, plus précisement, où il est stocké dans les couches du sol.

Parce que les sols contiennent plus des deux tiers du réservoir de carbone terrestre de la Terre, soit plus du double de la quantité de carbone présente dans l'atmosphère, ils jouent un rôle important dans le cycle mondial du carbone. Une grande partie du carbone dans les sols est de la matière organique formée à mesure que les matières végétales mortes se décomposent et que les débris microbiens s'accumulent sur des périodes allant de décennies à des milliers d'années.

L'équipe a utilisé des mégadonnées - un énorme volume de données qui augmente avec le temps - et des méthodes d'analyse géospatiale pour développer les premières cartes haute résolution du stockage et de la distribution du carbone dans le sol à plusieurs profondeurs pour les régions de pergélisol de l'hémisphère nord.

Comme des détectives, les analystes géospatiaux rassemblent et trient une montagne de données qui sont triées géographiquement, trouver les données les plus pertinentes et utiliser des techniques de visualisation et statistiques pour identifier et analyser les tendances. L'équipe a également identifié les conditions environnementales, telles que la température, précipitation, la topographie ou la végétation :mieux prévoir les quantités de carbone du sol dans les régions de pergélisol.

Leur travail de détective fournit une base de référence essentielle aux scientifiques qui développent les modèles du système terrestre utilisés pour prédire la quantité et le type d'émissions de gaz à effet de serre libérées lorsque les sols affectés par le pergélisol commencent à dégeler.

Les sols des régions de pergélisol retiennent plus de carbone organique que dans d'autres régions, car les matières organiques de surface se mélangent dans des couches plus profondes en raison des cycles fréquents de gel et de dégel - un processus appelé cryoturbation - et de l'enfouissement répété des dépôts de tourbe accumulés par les sédiments transportés par le vent et l'eau. Des facteurs climatiques supplémentaires aident à réduire les taux de décomposition et à préserver d'importants stocks de carbone organique dans ces systèmes pédologiques sur de longues périodes.

Dans l'air raréfié présent aux hautes latitudes et altitudes, là où se trouvent la plupart des sols touchés par le pergélisol, les extrêmes climatiques entraînent des augmentations de température plus importantes que dans d'autres parties du monde. Le pergélisol se réchauffe déjà, le dégel et la disparition de certaines portions de ces régions froides, mais le taux progressif de perte de pergélisol prédit par les futurs scénarios de réchauffement climatique pourrait libérer des gaz à effet de serre supplémentaires substantiels dans l'atmosphère avant et au-delà de la fin de ce siècle.

L'étude de cartographie du carbone, dirigée par Umakant Mishra, un scientifique géospatial d'Argonne maintenant avec Sandia National Laboratories - comprenait également de nombreux collaborateurs associés au Permafrost Carbon Network. Cette équipe internationale a collecté des données quantifiant le carbone dans des échantillons de sol prélevés sur plus de 2, 500 endroits différents à travers le nord circumpolaire, ou région de pergélisol arctique, et dans près de 200 endroits sur le plateau tibétain, la plus grande région de pergélisol de haute altitude aux latitudes inférieures.

Les mesures du carbone organique du sol utilisées pour produire des estimations circumpolaires antérieures ont été combinées à de grandes quantités de nouvelles données sur les sols fournies par des scientifiques du Canada, Russie, Corée du Sud et Suède. Les données ont été organisées par profondeur—0 à 1, 1 à 2, et 2 à 3 mètres—pour calculer les profils des stocks de carbone organique du sol à chaque emplacement échantillonné. Ces efforts de collaboration ont augmenté le nombre d'échantillons de 42 % à 69 % par rapport aux études précédentes, selon la profondeur.

L'équipe a ensuite compilé de nouvelles cartes haute résolution disponibles des facteurs environnementaux qui influencent la formation des sols et les a mises à l'échelle à une résolution uniforme de 250 mètres carrés. Corréler ces relations avec les cartes environnementales, ils ont généré des estimations des stocks organiques du sol pour les régions du nord circumpolaire et du pergélisol tibétain.

Une découverte importante suggère que plus de carbone se produit plus près de la surface - à moins d'un mètre - que les scientifiques ne le pensaient auparavant, rendre une plus grande partie du carbone de la région vulnérable au dégel, décomposition et libération à mesure que la température mondiale de l'air augmente, potentiellement alimenter le cycle de réchauffement.

Les chercheurs ont découvert que la répartition des stocks de carbone dans les deux régions de pergélisol dépend de relations complexes entre de multiples facteurs environnementaux. Température, précipitation, les propriétés topographiques et le type de végétation étaient des prédicteurs significatifs des stocks de carbone. L'analyse a également identifié la topographie comme un facteur majeur dans les incertitudes de prédiction; ces informations peuvent être utilisées pour établir des priorités là où des échantillons supplémentaires de profils de carbone du sol sont le plus nécessaires.

"Globalement, cette nouvelle image de la répartition des grandes quantités de carbone organique stocké dans les sols touchés par le pergélisol dans la plupart des régions terrestres les plus froides du monde contribuera à améliorer la capacité des modèles du système terrestre à prédire l'impact de la hausse des températures mondiales sur les futures émissions de gaz à effet de serre les gaz de ces régions en évolution rapide, " dit Jastrow.

L'étude, "Hétérogénéité spatiale et prédicteurs environnementaux des stocks de carbone organique du sol dans la région du pergélisol, " est publié dans Avancées scientifiques .