Model iklim global menunjukkan bagaimana lapisan es Arktik akan merespons pemanasan global
Arktik memanas dengan sangat cepat akibat pemanasan global – dengan konsekuensi yang serius. Lapisan es yang tersebar luas di wilayah ini, dimana tanah saat ini menyimpan karbon dua kali lebih banyak dibandingkan atmosfer, sedang mencair. Para ilmuwan menggunakan model iklim yang semakin rinci untuk menyelidiki dampaknya terhadap iklim global dan masukan penting apa yang perlu dipertimbangkan.
Pada tahun 1827, pedagang Rusia Fyodor Shergin mencoba menggali sumur di halaman belakang rumahnya di Yakutsk, Siberia. Tapi bukannya air cair, yang dia temukan hanyalah tanah beku. Shergin menyerah pada kedalaman 15 meter. Beberapa saat kemudian, para ilmuwan menjadi tertarik dan membujuk Shergin untuk terus menggali. Setelah sepuluh tahun, tambang tersebut telah mencapai kedalaman 116 meter saat ini, dan Yakutsk dikenal sebagai tempat lahirnya ilmu pengetahuan permafrost.
Tanah yang membeku secara permanen, atau permafrost, merupakan peninggalan zaman es terakhir. Suhu tanah ini berada di bawah titik beku setidaknya selama dua tahun berturut-turut – terlepas dari apakah tanah tersebut terdiri dari gambut, batuan kasar atau berbutir halus, atau mengandung es atau tidak. Sebagian besar lapisan es ditemukan di belahan bumi utara, yang menutupi sekitar seperempat permukaan tanah, terutama di utara Lingkaran Arktik. Di Skandinavia, kedalamannya mencapai 20 meter, hingga beberapa ratus meter di Alaska, dan hingga 1500 meter di Siberia – menjelaskan dengan baik mengapa Shergin kesulitan menemukan air cair di halaman rumahnya.
Di permukaan permafrost terdapat apa yang disebut lapisan aktif, yang mencair di musim panas dan memungkinkan tanaman tumbuh: padang rumput, hutan, atau lahan basah dengan kolam dan danau. Di beberapa daerah, lanskapnya menyerupai mosaik, seolah-olah tak terhitung banyaknya poligon yang disusun dengan susah payah. Struktur ini tercipta dari kedalaman selama musim dingin Arktik, ketika tanah beku berkontraksi dan retak. Retakan ini terisi air lelehan selama musim semi, yang kemudian membeku membentuk irisan es, menciptakan pola geometris yang menakjubkan di permukaan.
Mulai dari zaman es hingga pemanasan global
Bentang alam ini sedang berubah: Pengukuran menunjukkan bahwa dalam beberapa dekade terakhir, suhu di Arktik telah memanas jauh lebih cepat dibandingkan rata-rata bumi. Akibatnya, lapisan es mulai mencair hingga ke lapisan yang lebih dalam. Dampaknya antara lain penurunan permukaan tanah dan erosi. Banyak danau yang menghilang karena airnya kini dapat mengalir, sementara kolam-kolam baru terbentuk di cekungan yang ditinggalkan oleh tenggelamnya tanah, dan yang lainnya bergabung membentuk danau-danau karena es yang membatasinya hilang. Bentang alam yang dilintasi oleh perairan dan lapisan es yang kendur dikenal di kalangan ahli sebagai Thermokarst – bagian pertama dari kata tersebut menggambarkan penyebabnya, yang kedua adalah tampilan bergerigi dari struktur ini.
Mencairnya lapisan es tidak hanya mengubah wajah Arktik, namun juga berdampak pada iklim bumi. Hal ini karena permafrost menyimpan karbon dalam jumlah besar – tanah di wilayah permafrost menyimpan karbon dua kali lebih banyak dibandingkan atmosfer. Itu diperbaiki dalam bentuk tanaman mati, yang pembusukannya dicegah oleh suhu rendah dan oksigen rendah. Saat lapisan es mencair, mikroorganisme mulai menguraikan material tersebut. Ini menghasilkan gas rumah kaca: karbon dioksida (CO2) atau metana, yang memiliki efek pemanasan sekitar 28 kali lipat dibandingkan CO2 dalam jangka waktu 100 tahun. Gas-gas ini juga keluar dari kolam dan danau, tempat banyak karbon juga terurai.
Oleh karena itu, para peneliti iklim mencoba memahami bagaimana reaksi Arktik terhadap kenaikan suhu: Apakah Arktik akan melepaskan simpanan karbonnya yang besar ke atmosfer, dan jika ya, kapan dan dalam bentuk apa? Di Institut Meteorologi Max Planck (MPI-M), para peneliti sedang menyelidiki proses di Arktik. Victor Brovkin, yang lahir dan besar di Yakutsk, tidak jauh dari tambang Shergin, memimpin kelompok kerja interaksi -Iklim-Biosfer di MPI-M dan merupakan salah satu ketua kelompok kerja -Dinamika Karbon di Arktik dari Cluster of Excellence Iklim, Perubahan Iklim dan Masyarakat (CLICCS) di Universitas Hamburg.
Lebih kering atau lebih basah: keduanya mempunyai konsekuensi
Sampai saat ini, para peneliti prihatin dengan pertanyaan apakah karbon yang tersimpan di dalam tanah akan keluar dalam bentuk CO2 atau dalam bentuk metana, yang mempunyai potensi pemanasan lebih kuat. Jawabannya antara lain bergantung pada apakah Arktik akan menjadi lebih basah atau lebih kering di masa depan. Hal ini disebabkan karena pada tanah kering, mikroorganisme menguraikan bahan tanaman dengan bantuan oksigen sehingga menghasilkan CO2 dalam prosesnya. Sebaliknya, pada tanah yang tergenang air, oksigen jarang atau tidak ada, sehingga metana dihasilkan ketika bahan organik terurai.
Namun, masih belum jelas apakah Arktik menjadi lebih kering atau basah. Simulasi dengan model sistem Bumi (ESM) menunjukkan peningkatan curah hujan di wilayah ini di masa depan – yang dapat menyebabkan kondisi permukaan yang lebih basah dan membantu mempertahankan kepadatan tinggi badan air permukaan dan wilayah dengan tanah yang tergenang air. Namun demikian, ada juga argumen yang mendukung pengeringan lanskap permafrost di masa depan. Oleh karena itu, pencairan lapisan es akan menurunkan permukaan air dan membuat air lebih mudah mengalir, sehingga menyebabkan tanah mengering dalam jangka panjang.
Peneliti MPI-M Philipp de Vrese dan rekan-rekannya menggunakan model iklim gabungan MPI-ESM untuk menunjukkan dampaknya terhadap emisi metana di Arktik. Menurut temuan mereka, di wilayah Arktik yang lebih basah dengan tutupan lahan basah yang luas, lebih banyak metana sebenarnya akan dilepaskan di beberapa tempat – namun tidak di semua tempat. Hal ini karena penguapan air dari tanah lembab mendinginkan permukaan tanah sehingga menghambat produktivitas tanaman dan produksi metana. Sebaliknya, kelembapan tanah yang lebih sedikit menghasilkan lebih sedikit awan. Akibatnya, semakin banyak radiasi matahari yang mencapai permukaan tanah, sehingga memperkuat pemanasan lokal. Pertumbuhan tanaman terstimulasi dan lebih banyak substrat tersedia bagi mikroorganisme, sehingga meningkatkan produksi metana. Para ilmuwan CLICCS baru-baru ini menunjukkan bahwa hal ini juga menjadi penyebab meningkatnya emisi metana dari kolam. Oleh karena itu, logika sederhana bahwa fluks metana meningkat di Arktik yang basah dan menurun di Arktik yang kering belum tentu benar.
Memahami dampak global
Dampak semua ini terhadap iklim global hanya dapat dipahami jika, selain siklus karbon, interaksi langsung dengan atmosfer juga turut diperhitungkan: Jika tutupan awan di Kutub Utara benar-benar berkurang dan jika wilayah lintang tinggi memanas. , gradien suhu antara daerah tropis dan Arktik akan menurun. Menurut simulasi, hal ini dapat mempengaruhi pola curah hujan di dekat khatulistiwa, sehingga menyebabkan emisi metana dari lahan basah tropis. Ini sudah menjadi sumber alami metana terbesar saat ini dan dapat melepaskan lebih banyak lagi gas metana ke atmosfer di masa depan. “Sungguh menakjubkan bahwa proses yang terbatas secara spasial bisa mempunyai konsekuensi yang luas,” kata Philipp de Vrese.
Para ilmuwan berhutang budi pada model mereka sehingga konsekuensi-konsekuensi ini telah terungkap. “Pemodelan sistem bumi memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan global. Hal ini memungkinkan kita membandingkan berbagai skenario dan membuat proyeksi untuk masa depan,” kata pemimpin kelompok Victor Brovkin. Pemodelan juga mengungkapkan evolusi erosi permafrost pesisir di masa depan, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian yang dilakukan oleh kelompok kerja MPI-M – Biogeokimia Laut: Di pantai Arktik, gelombang dan peningkatan suhu menghilangkan material dari pencairan lapisan es – saat ini retraksi pantai sekitar setengah meter per tahun, yang menurut perhitungan kemungkinan akan meningkat dua atau tiga kali lipat pada akhir abad ini. Hal ini tidak hanya mengancam masyarakat pesisir, namun juga mempunyai dampak lebih lanjut terhadap siklus karbon laut: Karbon yang terkandung dalam material yang terkikis berakhir di laut, dan kemudian terurai. Akibatnya, CO2 Kandungan CO di permukaan laut meningkat, sehingga memperlambat serapan CO di lautan2 dari atmosfer. “Samudra Arktik menyerap CO dalam jumlah yang relatif besar2 dibandingkan dengan ukurannya,” kata peneliti iklim CLICCS David Nielsen. “Tetapi model sistem bumi belum mampu mensimulasikan penyerapan karbon dengan tepat.” Jika dampak erosi permafrost pesisir diperhitungkan, Samudera Arktik bagian dalam dapat menyerap antara sembilan dan 19 persen lebih sedikit CO2. Meningkatnya CO2 Kandungan air laut akibat erosi juga membuat lautan semakin asam sehingga mengancam kesehatan ekosistem laut.
Tantangan untuk pemodelan
Apakah, kapan dan dalam bentuk apa Arktik akan melepaskan simpanan karbonnya yang besar ke atmosfer, dan apa dampaknya, merupakan pertanyaan kompleks yang hanya dapat dipahami dengan model sistem Bumi. Namun: “Saat ini terdapat kesenjangan antara skala spasial di mana proses terkait berlangsung dan resolusi model sistem Bumi,” kata Victor Brovkin. Hal ini karena dalam model grid ditempatkan di atas permukaan bumi, sehingga variabel yang disimulasikan, seperti suhu, curah hujan atau fluks karbon, berada pada skala kilometer hingga 100 km. Namun, banyak karakteristik lanskap yang relevan bersifat heterogen pada skala yang lebih halus, terkadang dalam skala meter.
Untuk memperhitungkan keragaman lingkungan Arktik, MPI-M telah bekerja sama dengan Institut Biogeokimia Max Planck di Jena dan perusahaan Austria b.geos dalam proyek -Q-Arctic yang didanai oleh Dewan Riset Eropa. Tim mengumpulkan data pengamatan di lokasi dan satelit untuk mengidentifikasi properti lanskap yang relevan. Pada saat yang sama, mereka berupaya untuk memanfaatkan informasi ini dalam model sistem Bumi ICON: Karakteristik fitur lanskap dapat ditentukan dalam setiap elemen grid, berdasarkan topografi, sifat tanah, dan sebaran vegetasi. Hal ini, misalnya, memungkinkan model untuk menentukan berapa persentase sel grid yang ditutupi oleh lahan basah dalam simulasi iklim. Hasil pertama yang diperoleh dengan pendekatan ini cukup menjanjikan: representasi badan air permukaan skala kecil dan tanah tergenang air dalam sel grid sudah meningkatkan hasil pemodelan.
Namun seperti yang pernah dilakukan Shergin, para ilmuwan masih berupaya menggali lebih dalam. Pendekatan untuk mengatasi heterogenitas skala sub-grid saat ini terbatas pada proses fisik di dan di bawah permukaan tanah. Langkah selanjutnya adalah merepresentasikan proses biogeokimia dan biofisik pada tingkat detail yang sama. Hingga saat ini, banyak penelitian mengenai wilayah permafrost yang berpusat pada emisi karbon dari pencairan tanah. Melalui penelitian mereka, kelompok Brovkin bertujuan untuk memperluas fokus ini dan dengan demikian memperdalam pemahaman mereka tentang bagaimana umpan balik biogeokimia dan biogeofisika di lanskap permafrost bekerja sama untuk mempengaruhi iklim bumi.
de Vrese, P., Beckebanze, L., Galera, L., Hall, D., Kleinen, T., Kutzbach, L., Rehder, Z. & Brovkin, V .
Sensitivitas CH Arktik4 emisi terhadap kebasahan lanskap berkurang karena masukan atmosfer.
Nielsen, D., Chegini, F., März, J., Brune, S., Mathis, M., Dobrynin, M., Baehr, J., Brovkin, V. & Ilyina, T .
Nielsen, D., Pieper, P., Barkhordarian, A., Overduin, P., Ilyina, T., Brovkin, V., Baehr, J. & Dobrynin, M.
