Het ijzingwekkende lot van permafrost

Klimaat De toendra ontdooit. Dat komt door klimaatverandering. Maar wat weten we eigenlijk van permafrost?

De toendra in West-Siberië.
De toendra in West-Siberië. Foto Getty Images

Soms is het niet meer dan een bijzin in het klimaatnieuws. „Door de opwarming van de aarde ontdooien op het noordelijk halfrond uitgestrekte gebieden met permafrost steeds dieper” (NRC, 20 februari 2020). „Een man zoekt naar vrijgekomen mammoetslagtanden in dooiende permafrost” (de Volkskrant, 30 augustus 2019). Een term die een zweem van broeikasgasdreiging met zich meedraagt. Maar tegelijkertijd blijft het een verschijnsel op afstand. Onzichtbaar, onder de grond. Wat is permafrost nu precies? Wat is er méér over te zeggen dan dat het ontdooit, dat er fossielen inzitten en broeikasgassen uitkomen?

Veel, bewijst aardwetenschapper Ko van Huissteden (67) in zijn net verschenen, ruim 500 pagina’s tellende boek Thawing permafrost. Daarin belicht hij het onderwerp van allerlei kanten – van vegetatie tot klimaat, van verleden tot toekomst.

Al ruim dertig jaar houdt Van Huissteden zich met permafrostonderzoek bezig. Vijftien zomers deed hij veldwerk op de toendra in Siberië, en zag daar met eigen ogen de veranderingen in het landschap. „Oud genoeg om door eigen ervaring te zien hoe snel natuur en klimaat achteruit gaan”, staat er in zijn Twitterbiografie. Sinds een paar maanden is hij met emeritaat bij de Vrije Universiteit, maar nog vrijwel wekelijks trekt hij het veld in om in Nederlandse veengebieden metingen te doen aan uitstoot van CO2 en CH4 (methaan), met zelfontwikkelde apparatuur. „Eigenlijk had ik die apparatuur ook naar Siberië willen exporteren, maar dat was te veel gedoe met allerlei papierwerk.”

Er zijn ook permafrostbodems die nauwelijks ijs bevatten

Ko van Huissteden aardwetenschapper

„Toen ik promoveerde, in 1990, was het vooral iets van het verleden – onderzoekers keken naar sporen van permafrost in het landschap, en naar fossielen die erin bewaard waren gebleven”, vertelt Van Huissteden tijdens een gesprek in de botanische tuin van de VU. „Maar sindsdien is de nadruk meer op de toekomst komen te liggen.” Een gesprek in zeven inzichten.

Permafrost smelt niet, maar ontdooit

Vrijwel iedere permafrostonderzoeker heeft de fout weleens gemaakt: praten over ‘smeltend permafrost’ in plaats van ‘ontdooiend permafrost’. Toch is alleen dat laatste juist. „Smelten betekent dat iets verandert van een vaste stof in een vloeistof. Dan zou de bodem dus opeens vloeibaar worden. Dat is niet zo. Het ijs dat in de bodem zit smelt weliswaar, maar er zijn ook permafrostbodems die nauwelijks ijs bevatten.” De definitie van permafrost is: alle grond die voor ten minste twee opeenvolgende jaren kouder dan 0 graden Celsius is. Er is ook een zogeheten ‘actieve laag’: het bovenste deel (variërend van enkele centimeters tot enkele meters diep) ontdooit in de zomer. Dat zorgt ervoor dat er überhaupt nog planten kunnen wortelen. Van Huissteden: „Permafrost is dus niet zo permanent bevroren als je zou denken.”

Uit permafrost komt CO2 vrij, methaan én lachgas

Als het over opwarming door ontdooiend permafrost gaat, ligt de focus vaak op methaan (CH4) – een broeikasgas dat ongeveer 28 keer zo sterk is als CO2, en dat bijvoorbeeld ook vrijkomt uit mest. Van Huissteden: „Een groot deel van de Siberische toendra bestaat uit moeras. Als bacteriën plantenresten en ander organisch materiaal verteren in zo’n met water verzadigde bodem, dus onder zuurstofloze omstandigheden, ontstaat er moerasgas. En dat bestaat grotendeels uit methaan.” Door opwarming kunnen er dooimeren ontstaan, waar methaanbacteriën hun gang kunnen gaan en methaan in grote hoeveelheden vrijkomt. Soms gaat het daarbij om organisch materiaal dat al duizenden jaren in de bodem lag opgeslagen.

De laatste jaren wordt steeds duidelijker dat permafrost ook een belangrijk reservoir is voor twee andere broeikasgassen: CO2 en lachgas (N2O). Van Huissteden: „Koolstofdioxide speelt vooral een belangrijke rol in drogere gebieden. Bijvoorbeeld in meer reliëfrijke delen van de toendra, waar er geen moerasvorming plaatsvindt. En lachgas – dat als broeikasgas ruim 250 keer zo sterk is als CO2 – komt vooral vrij uit kale bodems.

Modelleren blijft moeilijk

We begrijpen steeds meer van de interactie tussen ecosystemen, permafrost en klimaat, zegt Van Huissteden. Maar het blijft lastig rekenen aan permafrost. Allereerst omdat soms niet eens bekend is hoeveel jaarrond bevroren ondergrond er eigenlijk is. De ruimtelijke verspreiding is weliswaar in kaart te brengen met satellietbeelden, maar daarmee weet je nog niet tot hoe diep de bevroren bodem zich uitstrekt. Van Huissteden: „Een permafrostlaag kan soms wel een kilometer dik zijn, maar de precieze dikte kun je het beste vaststellen met boringen. En die zijn nu eenmaal niet overal makkelijk te zetten.”

Ook is de interactie tussen permafrost en het ecosysteem ingewikkeld. Dat geldt bijvoorbeeld voor vegetatie. Van Huissteden: „Vegetatie heeft een isolerende werking, en zorgt ervoor dat de bodem in de zomer niet te veel opwarmt. Dat zag je ook op luchtfoto’s van het gebied waar wij veldwerk deden: op de plekken waar olifantspaadjes ontstonden door ons veelvuldig heen-en-weergewandel, ontdooide de permafrost veel sneller.”

Maar ontdooiende permafrost kan ook zorgen voor een extra dik vegetatiedek, doordat planten profiteren van de extra vrijgekomen voedingsstoffen. „Daarbij geldt wel dat alleen diepwortelende planten, zoals zegges, er baat van hebben”, zegt Van Huissteden. „Je krijgt dus een veranderende vegetatiesamenstelling.”

Een andere factor is de dikte van het sneeuwdek. Van Huissteden: „Klimaatverandering is sowieso nadelig voor permafrost, vanwege de hogere temperaturen. Maar als er ook meer sneeuw valt in de winter, dan kan dat funest zijn. In de maandenlange poolnacht fungeert die dikke sneeuwlaag als isolatie, waardoor de permafrost niet kan aangroeien.” In Nature Scientific Reports stond in maart jongstleden een artikel over paarden, wisenten en rendieren, die in Siberië worden ingezet om ’s winters de sneeuw aan te stampen, zodat de isolerende laag dunner wordt.

Permafrost beïnvloedt onze infrastructuur

Bouwen op permafrost brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee. Het bevriezen en ontdooien van de actieve laag kan ervoor zorgen dat huizen of wegen gaan verzakken. Er zijn voorbeelden bekend van begraafplaatsen waar op kerkhoven de lijken de grond uitkwamen.

Van Huissteden: „Acht jaar geleden was ik op een internationaal permafrostcongres, waar werd verteld dat 40 procent van de schade aan olie- en gasleidingen in Rusland werd veroorzaakt door ontdooiende permafrost. Dat is zorgelijk, want kapotte leidingen met aardgas vergroten de methaanuitstoot.”

Nederland leek vroeger op Siberië

Tijdens de laatste ijstijd in Nederland, pakweg 116.000 tot 12.000 jaar geleden, was Nederland een uitgestrekte toendra. Van Huissteden: „Uit stuifmeelonderzoek weten we dat er toen planten groeiden als alsem, dwergbek en mossen.” De ondergrond bestond uit een continue permafrostlaag, en het landschap was minder vlak dan je zou verwachten: her en der lagen tientallen meters hoge pingo’s, heuvels met een kern van ijs, die ontstonden door bevriezend grondwater dat uitzette en de grond omhoog duwde.

Luchtfoto van Siberië vlak bij de Noordelijke IJszee Foto Getty Images

Van Huissteden: „Het mooie is dat je heel veel van die aan permafrost gerelateerde landschapsvormen nog kunt terugzien in het landschap. Veel ronde meren, vooral in het oosten en noorden van Nederland, zijn in feite pingoruïnes.” Een voorbeeld is het Twentse Lutterzand. Zelf promoveerde Van Huissteden op Twentse rivierafzettingen uit de laatste ijstijd. „De A1 werd toen, eind jaren tachtig net aangelegd en je zag prachtige ijswiggen en afzettingen van dooimeren in het zand, op de plek waar nu een viaduct is. Ze hadden er een glazen wand in plaats van een betonnen wand tegenaan moeten zetten.”

Toekomstige dooi zal heel snel verlopen

Begin februari stond er in Nature Geosciences een bericht dat permafrostmodellen te veel uitgaan van een geleidelijke dooi, terwijl abrupte, grootschalige processen als landverschuivingen die voor snelle, versterkte dooi kunnen zorgen nog te weinig worden meegenomen. Dat zou betekenen dat permafrostdooi nog sneller kan verlopen dan nu al het geval is. Van Huissteden: „Als je modellen van het toekomstige dooitempo bekijkt, dan ligt dat minstens 2,4 zo hoog als aan het einde van de laatste ijstijd. Het huidige tempo is onzeker omdat het moeilijk in kaart te brengen is – al is er inmiddels veel literatuur die lokaal snelle dooi rapporteert. In Siberië vindt er bijvoorbeeld veel dooi plaats in de buurt van de Noordelijke IJszee. Die warmt snel op nu er steeds minder ijsschotsen op drijven – die hadden een verkoelend effect omdat ze ’s zomers zonlicht weerkaatsten. En de permafrost in de buurt van de zee warmt daardoor nu ook op.

„Hoe snel de dooi precies zal verlopen is nog altijd onbekend. Maar in een van de zwartste klimaatscenario’s – waarbij de poolgebieden rond 2100 zo’n 8 tot 10 graden Celsius zullen zijn opgewarmd – zijn we aan het eind van deze eeuw nagenoeg alle permafrost kwijt.”

Er bestaan ook permafrostvulkanen

Eind 2014 ontdekten geologen op het Russische schiereiland Jamal een tot dan toe onbekend permafrostverschijnsel, schrijft Van Huissteden in zijn boek: een krater van zo’n 30 meter doorsnee en 50 meter diep, omringd door een ring van opgeworpen sediment. In de krater werden hoge concentraties methaan gemeten, wat het aannemelijk maakte dat er een gasexplosie had plaatsgevonden. „In de wijde omtrek was er geen sprake van menselijke activiteit, dus er werd al snel uitgegaan van een natuurlijke oorzaak.” In de periode erna werden er meer van deze merkwaardige kraters ontdekt. En wat opviel: op oude satellietbeelden hadden ze eruit gezien als pingo’s. Maar op de plek van de vermeende ijsheuvels restten nu alleen nog gapende gaten.

Niemand heeft ooit gezien dat zo’n explosie plaatsvond

Ko van Huissteden

Vermoedelijk is er methaan door de honderden meters dikke permafrostlaag omhooggesijpeld en heeft daar voor een soort vulkaanexplosie gezorgd – ‘cryovulkanisme’ noemt Van Huissteden het, ijzig vulkanisme.

Bij het ontstaan spelen mogelijk methaanhydraten een rol: een licht ontvlambare mix van gas en ijs. Juist aan de onderkant van een permafrostbodem ontstaan zulke hydraten, omdat gas uit gasvelden richting oppervlak borrelt en daar tegen de ondoordringbare permafrostlaag stuit. Zodoende bouwt de hoeveelheid gas zich op, tot het zich alsnog een weg naar boven weet te banen – bijvoorbeeld op een zwakke plek in de steeds dunner wordende permafrostlaag. Van Huissteden: „Niemand heeft ooit gezien dat zo’n explosie plaatsvond, het blijft dus gissen naar het precieze mechanisme.”

En zo geeft permafrost geleidelijk zijn geheimen prijs. Soms in vrij letterlijke zin, want in die jaarrond bevroren ondergrond zijn ook allerlei fossiele mammoeten en andere dieren bewaard. Eind 2019 ontdekten geologen uit Jakoetsk bijvoorbeeld nog een hondenpuppy uit het einde van de laatste ijstijd. Die functie van permafrost, als vrieskist voor fossielen, krijgt de laatste jaren ook steeds meer aandacht. Toch heeft Van Huissteden dat aspect in zijn boek buiten beschouwing gelaten. „Dat is weer een andere tak van sport – ik heb me beperkt tot de fysische en de ecologische aspecten. En tijdens mijn veldwerk in Siberië heb ik al die jaren eigenlijk maar met één diersoort te maken gehad: de mug.”

Beluister ook de podcast: Kan de aarde zonder permafrost?