Onderzoeksproject P4S/251/CRISP (Onderzoeksactie P4S)
Context
Arctische permafrost bevat ongeveer 1500 miljard ton organische koolstof, wat neerkomt op ongeveer de helft van de wereldwijde bodemkoolstofvoorraden. Naar verwachting zal tegen het jaar 2100 tot 70% van deze permafrost nabij de oppervlakte gaan ontdooien. Naarmate de globale temperatuur stijgt, zal het permafrostgedeelte dat ontdooit (de actieve laag) toenemen in de diepte, waardoor bevroren organisch materiaal in toenemende mate beschikbaar komt voor microbiële afbraak en hydrologisch transport naar rivieren. Arctische rivieren voeren momenteel 25 tot 36 miljoen ton opgelost organisch koolstof (DOC) per jaar af naar de Noordelijke IJszee. Dit cijfer is waarschijnlijk een onderschatting omdat de meeste meetcampagnes worden stopgezet tijdens de herfst, en vallen volledig stil gedurende de winter. Hierdoor ontstaat er een systematisch gebrek aan gegevens van 6 tot 8 maanden ontstaat. Dit is problematisch omdat deze tussenseizoenen – het invriezen in de herfst en het breken van het ijs in de lente - goed zijn voor ongeveer 30% van de jaarlijkse DOC-afvoer. Bovendien zijn kleine stroomgebieden ondervertegenwoordigd omdat ze onder satellietresolutie vallen. Ze worden bijgevolg uitgesloten van de meeste fluxprognoses hoewel ze meer dan 99% van de Arctische riviersystemen vertegenwoordigen.
Een andere weinig begrepen factor is de vorming van taliks. Dit zijn stukken ondergrond die gedurende de hele winter onbevroren blijven en dus mogelijks de hydrologische connectiviteit en de DOC-afvoer naar rivieren tot ver na het typische dooiseizoen wel in stand kunnen houden. Hun impact op koolstofmobilisatie is grotendeels onbekend.
Doelstellingen
CRISP streeft twee complementaire doelstellingen na:
De eerste doelstelling is het kwantificeren van de DOC-afvoer via rivieren vanaf de late herfst tot het vroege voorjaar. Door autonome seismische instrumenten te installeren in het stroomgebied van de Panguingue rivier in het binnenland van Alaska (VS), poogt CRISP gedurende het gehele winterseizoen het debiet in te schatten van een klein stroomgebied. Dit zal gebeuren in combinatie met een hoge-resolutie geochemische karakterisering van de bronnen van opgeloste organisch koolstof.
In de tweede doelstelling poogt CRISP inzicht te krijgen in het tijdstip en de mechanismen waarmee taliks de uitvoer van DOC van de bodem naar rivieren versterken. Op de onderzoekslocatie Eight Mile Lake (Healy, Alaska) zullen seismische instrumenten worden ingegraven om de vorst-dooi-overgangen gedurende de winter en het voorjaar te meten. Bodemwatermonsters die tijdens seizoenen zullen worden genomen, kunnen onthullen hoe de vorming van taliks het traject en het tijdstip van koolstofmobilisatie beïnvloedt.
Methodologie
CRISP combineert seismologische en geochemische metingen. De seismische sensoren die gedurende een jaar langs de Panguingue-beek zullen worden geïnstalleerd, zullen continu achtergrondsruis registreren die wordt veroorzaakt door menselijke (wegen, auto’s) en natuurlijke (wind, oceaan, regen) bronnen. Door middel van een probabilistische analyse van de spectrale vermogensdichtheid (PPSD) van seismische ruis, een techniek waarbij de waarschijnlijkheidsdichtheid van seismische achtergrondruis over verschillende frequenties wordt weergegeven, kan de debietsvariatie van een rivier gedurende het hele jaar, inclusief rustige, bevroren winterse omstandigheden en hevige voorjaarshoogwater worden gemonitord. Rivierwatermonsters worden geanalyseerd op hoofd- en sporenelementen, DOC, strontiumisotopen (87Sr/86Sr) en waterisotopen (δ2H en δ18O) om de bronnen die bijdragen aan DOC in de rivier te identificeren en te kwantificeren.
Rond het Eight Mile Lake zullen seismische sensoren gedurende een jaar verschillende ondergrondse omstandigheden monitoren, van een relatief ondiepe permafrostgrens tot dieptes waar taliks aanwezig zijn. Analyse van de horizontale-verticale spectrale verhouding (HVSR) van omgevingsruis zal toelaten veranderingen in de seismische schuifgolfsnelheid te bepalen, die in rechtstreeks verband kunnen worden gebracht met het bevriezen en ontdooien van de bodem. Hierdoor wordt een continue monitoring van de diepte van het bevriezingsfront van de permafrost mogelijk. Het is uniek dat de seismische monitoring zal worden gecombineerd met continue registraties van bodemtemperatuur, watergehalte en elektrische geleidbaarheid, naast periodieke bemonstering van poriënwater op meerdere dieptes (DOC, 87Sr/86Sr, δ2H en δ18O) om het traject van DOC gedurende het hele jaar in kaart te brengen.
Geochemische analyses zullen worden uitgevoerd in de faciliteiten van de partner (UCLouvain).
Impact en Wetenschapsverspreiding
CRISP zal een uniek, hoogwaardig en volledig jaaropname opleveren van de DOC-afvoer die vanuit een klein stroomgebied in de Arctische permafrost via rivieren wordt weg getransporteerd. Hierdoor wordt het systematisch tekort in schattingen van koolstoffluxen in aardesysteemmodellen worden ingevuld. Het project zal meer inzicht verschaffen in de manier waarop permafrost ontdooit en hoe dit het tijdstip en de omvang van de koolstofoverdracht van land naar zee beïnvloedt. Informatie die momenteel ontbreekt in de inschattingen van permafrost prognoses.
CRISP zal een seismo-geochemische monitoringtoolkit demonstreren die in staat is om autonoom te functioneren onder Arctische winterse omstandigheden, en die potentieel in bredere context in de hele pan-Arctische regio kan worden ingezet.
Het unieke veldwerk in Alaska zal worden gerapporteerd via video's en blogs via de sociale mediakanalen van de Koninklijke Sterrenwacht van België, evenals via samenwerkingen met Belgische scholen, kunstenaars en publieke evenementen. Wetenschappelijke resultaten zullen worden verspreid via rapporten, conferenties en publicaties.
