Elissa Schuett knielt diep in de modderige puinhopen van ingestorte Alaska-toendra naar de overblijfselen van een grot waar ze afgelopen zomer in kon staan. Vandaag is het weg, opgeslokt door de gapende muil die bekend staat als een thermokarst die naar buiten blijft marcheren terwijl het land snel smelt.
Thermokarst-storingen treden op wanneer permafrost - een laag bevroren grond in de poolgebieden van de aarde - ontdooit en onstabiel wordt. Hoewel de gebeurtenissen van nature in het Noordpoolgebied plaatsvinden, vermoeden veel wetenschappers dat de stijgende temperaturen in het noorden ervoor zorgen dat er meer van deze kenmerken ontstaan. Door luchtfoto's uit 1985 te vergelijken met recente foto's: 'We kunnen nu met enige zekerheid zeggen ... dat er op sommige locaties [twee] vijf tot vijf keer meer van deze functies zijn dan in de vroege jaren tachtig', zegt William Bowden, een aquatisch ecoloog aan de Universiteit van Vermont.
Dat is de reden waarom Bowden, zijn onderzoeksassistent Schuett, en anderen op Toolik Field Station, een universiteit van Alaska, Fairbanks, onderzoeksfaciliteit 150 mijl ten noorden van de poolcirkel in het noorden van Alaska, de impact van thermokarsten op het milieu bestuderen. Hun werk past in een lange traditie van onderzoek naar klimaatverandering in Toolik, dat sinds de oprichting in 1975 een ongerept laboratorium heeft opgeleverd om te bestuderen hoe een warmere wereld het land en de waterwegen van het Noordpoolgebied zal transformeren.
Volgens Norman Marcotte van Canada's Natural Sciences and Engineering Research Council is begrip van klimaat- en milieuverandering het internationale probleem van het Noordpoolonderzoek. Onderzoeksstations zoals Toolik spelen een sleutelrol bij het vastleggen van langetermijngegevens en het onderzoeken van problemen in het veld, zegt hij per e-mail, en Canada heeft plannen om een Arctisch onderzoeksstation te ontwikkelen met veel dezelfde elementen als Toolik.
Hoewel veel van het onderzoek in het Noordpoolgebied gericht is op het observeren van het milieu, "kunnen we bij Toolik dieper ingaan" en "bestuderen wat eigenlijk al deze processen beheert", zegt Toolik mede-oprichter John Hobbie, een senior wetenschapper bij de Ecosystems Centrum van het Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts.
Het is ook 'de enige plek in Noord-Amerika waar we een geavanceerd beeld kunnen zien of krijgen van hoe klimaatverandering ecosystemen kan beïnvloeden', voegt hij eraan toe.
En in veel opzichten is klimaatverandering al begonnen met het hervormen van dit dichotom fragiel en winterhard land. Tussen 1966 en 1995 stegen de Arctische temperaturen met 0, 7 graden Celsius per decennium, een trend die "Noord-Alaska op de hete stoel zet", zegt Syndonia Bret-Harte, wetenschappelijk directeur van Toolik. Het Noordpoolgebied warmt sneller op dan zelfs de tropische gebieden van de wereld: de lente komt eerder aan, de herfst komt later aan, en de temperatuur van de permafrost in veel gebieden, waaronder Toolik, hangt gevaarlijk dicht bij het kantelpunt van nul graden Celsius. Dat is wanneer de bevroren grond die de toendra zijn ruggengraat geeft, kan afbrokkelen.
Nieuwe thermokarsten in Alaska kunnen ook laten zien hoe opwarming stromen of meren kan veranderen, omdat deze kenmerken zich vaak in de buurt van water voordoen. Toen in 2003 een thermokarst werd ontdekt in de buurt van de Toolik-rivier, vonden Bowden en collega's dat het zoveel sediment in de rivier was verdreven dat het water 40 kilometer stroomafwaarts modderig werd. Hij en zijn collega's rapporteerden ook in juni 2008 in het Journal of Geophysical Researcht dat ammonium, nitraat en fosfor die door die ineenstorting worden uitgestoten na verloop van tijd "de structuur en functie van de rivier aanzienlijk zullen veranderen."
Voor Bowden en andere Toolik-onderzoekers waren dergelijke observaties bekend. Tussen 1983 en 2004 zagen ze hoe drastisch fosfor een rivier kon herstructureren in een experiment op de Kuparuk-rivier in de buurt van Toolik - 'volgens Hobbie' het best bestudeerde stroomgebied in het hele Noordpoolgebied '. In dat experiment voegden wetenschappers elke zomer kleine hoeveelheden fosfor, een voedingsstof die veel voorkomt in kunstmest en residentiële en industriële vervuiling, toe aan de rivier. Na acht jaar breidde mos zich uit in de rivier, verdringde het andere plantensoorten en veroorzaakte een groei in bepaalde soorten insecten. Over het algemeen nam de productiviteit in de rivier een hoge vlucht. Dit onderzoek kan vooraf voorspellen wat er gebeurt wanneer permafrost smelt en voedingsstoffen in de lucht en water worden vrijgemaakt.
Op het land hebben Toolik-onderzoekers ook kunstmest toegevoegd aan verschillende soorten toendra. In een experiment dat sinds 1989 actief is, heeft senior wetenschapper Gaius Shaver van het Ecosystems-centrum ontdekt dat op tussentoendra enkele bladverliezende struiken, zoals dwergberk, kunnen profiteren van de instroom van stikstof en fosfor door in overvloed te groeien en de soortenrijkdom te verminderen. Toolik-wetenschappers zijn ook gericht op de reden waarom het Noordpoolgebied groener lijkt te worden, legt Bret-Harte uit. Het kan te wijten zijn aan meer struiken: ongeveer 12.000 jaar geleden, toen het klimaat warmer was, domineerden struiken het landschap, zei ze.
Hoewel deze polaire verschuivingen misschien geïsoleerd lijken van de rest van de wereld, kan een smeltend noordpoolgebied de klimaatverandering versnellen. Bret-Harte wijst erop dat Arctische landmassa's - inclusief de boreale bossen - bijna 40 procent van 's werelds koolstof in de bodem bevatten, maar slechts een zesde van het landoppervlak van de aarde uitmaken. Als de koolstof die in de bodem is opgesloten, vrijkomt door het smelten van permafrost, zou ze de concentratie koolstofdioxide, een belangrijk broeikasgas, in het milieu meer dan kunnen verdubbelen.
Bowden van de Universiteit van Vermont gelooft dat er "sterk bewijs" is dat koolstof en methaan kunnen worden vrijgelaten tijdens thermokarstevenementen en kunnen bijdragen aan opwarming. Hij zoekt financiering om te onderzoeken hoe thermokarsten de Arctische ecosystemen in het algemeen zullen beïnvloeden. Een thermokarst die een piek in sedimenten in waterwegen veroorzaakt, kan bijvoorbeeld planten verstikken, viskieuwen verstoppen en uiteindelijk een cascade van effecten veroorzaken die helemaal door het voedselweb stromen.
"Het is geen horrorverhaal - het is niet alsof dit geen natuurlijk proces is, " waarschuwt Bowden. "Maar ik denk dat er sterk bewijs is dat [menselijke] invloeden die op enige afstand van het Noordpoolgebied liggen, deze secundaire effecten hebben ... die potentieel zeer belangrijk zullen zijn bij het structureren van het uiterlijk en het gedrag van het Noordpoollandschap in de toekomst."
