Deze zomer zal Alex Anesio drie weken doorbrengen omringd door duizenden gaten in een Arctische ijskap. Hij en zijn team kamperen mijlen van de dichtstbijzijnde nederzetting, omgeven door een landschap dat is verscheurd door enorme, onstabiele spleten. De enige manier om in of uit te gaan is per helikopter. Het soundscape van de wetenschappers zal worden gereduceerd tot het kraken van stijgijzers over het ijs, de stroom van ijsstromen en af en toe een kreun van een massieve ijskap die zich opnieuw regelt.
gerelateerde inhoud
- Bevestigd: zowel Antarctica als Groenland verliezen ijs
"Het is alsof je op een andere planeet bent", zegt Anesio, een biogeochemist aan de Universiteit van Bristol in Engeland, die ongeveer 15 jaar in het Noordpoolgebied heeft gewerkt. "Het enige dat je om je heen ziet is ijs."
Hij en zijn team zullen weken doorbrengen op dit geïsoleerde stuk van de Groenlandse ijskap om plassen te controleren die mogelijk het klimaat van de aarde kunnen manipuleren.
Cyroconietgatdiameters variëren in grootte van ongeveer de breedte van een potlood tot die van een vuilnisbakdeksel. (Joseph Cook) Het vermogen om te sleutelen aan het klimaat van onze planeet staat niet los van de poolplassen. Microben in deze kleine poelen, en genesteld in sedimenten met waterbodems die kilometers onder de Antarctische ijskap zijn begraven, kunnen de mogelijkheid bieden om de wereldwijde koolstofcyclus en het klimaat ernstig te veranderen. En onderzoekers zijn pas onlangs begonnen met het navigeren door deze minuscule werelden.
De plassen die Anesio bestudeert, worden cryoconite-gaten genoemd - 'cryo' betekent ijs en 'conite' betekent 'stof'. Ze ontstaan wanneer stapels door de wind geblazen puin zich vestigen op het witte, reflecterende oppervlak van een gletsjer of ijskap. Donkerder dan de sneeuw en het ijs, dit puin absorbeert meer warmte van de zon dan zijn omgeving en zorgt ervoor dat het ijs eronder smelt in cilindrische gaten tot ongeveer een voet diep.
Wetenschappers dachten ooit dat deze gaten verstoken waren van leven. Maar onderzoekers ontdekken nu dat ze eigenlijk complexe ecosystemen van microben zoals bacteriën, algen en virussen bevatten.
Miljoenen van deze gaten, meestal variërend van de breedte van een potlood tot de breedte van een vuilnisbakdeksel, pockmark ijskappen in een Zwitsers kaasachtig patroon over de hele wereld. Het team van Anesio heeft geschat dat de oppervlakte van deze gaten globaal ongeveer 9.000 vierkante mijl bedraagt. Dat is iets kleiner dan de staat New Hampshire.
Terwijl deze donkere, scummy ecosystemen zich over het ijs uitbreiden, kunnen ze ervoor zorgen dat wat anders een reflecterend, koelend oppervlak zou zijn, steeds meer warmte van de zon opneemt. Dit zou het smelten van de Groenlandse ijskap kunnen versnellen, meldde het team in maart in het tijdschrift Geochemical Perspective Letters .
Maar het team van Anesio heeft ook ontdekt dat organismen in deze gaten een verkoelend effect op de planeet kunnen hebben door actief koolzuurgas uit de atmosfeer te zuigen door fotosynthese. Wanneer de micro-organismen genoeg van dit broeikasgas uit de atmosfeer halen, gedragen de gaten zich zelfs als koolstofputten.
Of deze gaten de planeet helpen af te koelen of te verwarmen valt nog te bezien. Maar omdat een warmer klimaat meer gaten creëert, lijkt de balans te kantelen naar een netto opwarming in plaats van een verkoelend effect op de atmosfeer.
Anesio en zijn team zullen deze zomer werken om de chemische en fysische eigenschappen van deze gaten in ondraaglijke details te volgen om beter te begrijpen hoe ze het ijsgedrag en het veranderende klimaat van de aarde kunnen beïnvloeden.
Wanneer voldoende stof zich ophoopt op een ijskap, smelten de cryoconietgaten samen en veranderen in meren, zoals deze in Groenland. (Joseph Cook) Het idee dat micro-organismen kunnen leven op gletsjers en ijskappen - laat staan gedijen op wereldschaal - is nog relatief nieuw voor de wetenschap. Tot het einde van de jaren negentig beschouwden onderzoekers ijs op beide polen over het algemeen als min of meer steriele omgevingen.
"Als je naar een gletsjer of een ijskap kijkt, zie je niets dat je aanwijzingen kan geven of er leven is", zegt Jemma Wadham, een collega van Anesio aan de Universiteit van Bristol. Biologen hadden pas echt ijskoude omgevingen bestudeerd tot het einde van de jaren 1990, toen het eerste bewijs van microbieel leven verscheen.
Het eerdere gebrek aan interesse was niet vanwege technologische beperkingen, legt Wadham uit. Het enige dat nodig zou zijn geweest om het leven te vinden zou zijn geweest om smeltwater voor een gletsjer te verzamelen en te zoeken naar tekenen van actieve micro-organismen. "Niemand had dat gedaan", zegt Wadham. "Dat klinkt een beetje gek, maar ik denk dat dat is hoe dingen soms evolueren."
Sinds de jaren '90 is er een golf van onderzoek naar microben die op het oppervlak van of onder gletsjers en ijskappen leven. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers vastgesteld dat deze microben verre van sluimerend zijn. In feite heeft het team van Anesio in een onderzoek uit 2009 gemeld dat microben in sommige cryoconite-gaten net zo biologisch actief zijn als die in warmere bodems tot in het zuiden van de Middellandse Zee.
"Dat was echt verrassend gezien de lage temperatuur en de lage voedingsomstandigheden [van de omgeving]", zegt Joseph Cook, een onderzoeker van cryoconite-gaten aan de Universiteit van Sheffield, die niet bij dat onderzoek betrokken was.
In de loop van een jaar kon deze activiteit cumulatief tot een geschatte 63.000 imperiale tonnen koolstofdioxide opzuigen, meldde het team van Anesio in de krant van 2009. Dat is vergelijkbaar met de uitstoot van ongeveer 13.500 auto's in een bepaald jaar, zegt hij.
"[Anesio's studie] was echt de eerste poging om de hoeveelheid koolstof te kwantificeren die in en uit deze systemen ging, wat een enorme stap was en erg belangrijk, " zegt Cook.
Alex Anesio en zijn team slapen in tenten op het ijs tijdens hun veldstudies. Een deel van het ijs onder de tent smelt, maar de tent gedraagt zich dan als een isolator en houdt het grootste deel van de basis bevroren, zegt Anesio. (Chris Bellas) De bevindingen van Anesio waren niet noodzakelijkerwijs wat je zou verwachten van een zoetwaterlichaam. De meeste vijvers en meren geven in het algemeen meer koolstofdioxide af in de atmosfeer door de ontbinding van organisch materiaal dan ze absorberen door fotosynthese.
Dit komt omdat de meeste vijvers en meren in bossen liggen en een gestage stroom van dierlijke en plantaardige overblijfselen ontvangen uit die bossen door grondwater. Als gevolg hiervan bevatten vijvers en meren vaak veel afbreekbaar materiaal en vindt afbraak vaak vaker plaats dan fotosynthese, legt Anesio uit.
Cryoconite-gaten daarentegen zijn geïsoleerd van bossen - soms tientallen honderden kilometers - en ontvangen het grootste deel van hun organisch materiaal door vlekken van in de lucht zwevend puin. Er is niet zoveel materiaal om af te breken, dus fotosynthetiserende organismen hebben de neiging om te domineren, zegt Anesio.
Het kost echter niet veel om dat scenario om te draaien. Als het sediment in de gaten te dik wordt, kan zonlicht de bodem niet bereiken. Dit beperkt de fotosynthese en de snelheid van ontbinding begint het over te nemen.
"Al deze dynamieken zijn erg afhankelijk van de ijsbeweging en de verlichting van het ijs, " zegt Anesio. Dit kan van dag tot dag en van seizoen tot seizoen veranderen. "Soms heb je veel smelten en verdeel je de korrels opnieuw in dunnere lagen, of soms hopen ze zich op in bepaalde delen van de gletsjer."
Het team van Anesio zal proberen de vraag aan te pakken hoe deze gaten in de loop van de tijd veranderen door naast hen te slapen en hun activiteit dag in dag uit te volgen deze zomer.
Het geluid van stijgijzers en stromend water zijn een van de enige geluiden die je in deze omgeving hoort, zegt Anesio. (Chris Bellas) Reis naar het andere einde van de wereld vanaf het veld van Anesio, en je zult een ander kenmerk van gletsjers vinden die een belangrijke rol kunnen spelen in het klimaat op aarde: massieve meren, begraven onder maximaal 2, 5 mijl Antarctisch ijs.
Deze verborgen meren, sommige vergelijkbaar in grootte met de Grote Meren van Noord-Amerika, hebben de afgelopen jaren om verschillende redenen de aandacht getrokken van onderzoekers zoals Anesio en Wadham. Ten eerste bevatten deze meren water dat al miljoenen jaren gevangen zit en extreem leven herbergt dat nooit is blootgesteld aan menselijke invloeden.
De meren slaan mogelijk ook grote hoeveelheden van het krachtige broeikasgas methaan op, bevroren in een vorm die methaanhydraten wordt genoemd. Als de ijskappen van Antarctica instorten, zou het deze hydraten blootleggen en onder water zetten met zeewater terwijl de oceaan over delen van het continent spoelde. De gedestabiliseerde hydraten zouden methaangasbellen worden en de atmosfeer verwarmen, meldden Wadham en collega's in een studie gepubliceerd in Nature in 2012.
Met behulp van radar- en satellietbeelden in de lucht hebben onderzoekers de afgelopen 50 jaar meer dan 400 van deze zogenaamde subglaciale meren onder de Antarctische ijskap gelokaliseerd. Maar het was pas in 2013 dat een ambitieus, internationaal team van onderzoekers voor het eerst een boorgat door bijna een halve mijl ijs boorde naar het oppervlak van een van deze meren.
Ze hebben met succes opnieuw geboord in 2015 op een nabijgelegen locatie en bereikten voor het eerst de aardzone van een ijskap. De aardingszone is een gebied waar een ijskap contact met land verliest en in zee drijft.
Sediment- en watermonsters die onderzoekers uit de aardzone hebben verzameld, geven het team nieuwe inzichten in de stabiliteit van de West-Antarctische ijskap en het potentieel om de zeespiegel wereldwijd te verhogen als deze instort. Het team zal ook de microbiële activiteit in deze sedimenten meten om de rol van deze begraven microben in de wereldwijde koolstofcyclus beter te begrijpen.
Slawek Tulaczyk, een onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, een van de leidende wetenschappers in deze mijlpaalprestaties, beschrijft de spanning van het wachten op hun apparatuur om in 2013 op hun boorlocatie te arriveren, na meer dan vijf jaar planning met ongeveer 50 internationale medewerkers.
De onderzoekers zorgden ervoor dat hun apparatuur - cumulatief met een gewicht van ongeveer 300.000 pond - binnen 12 zeecontainers over 800 mijl ijskap reisde om de subglaciale Lake Whillans in het zuidwesten van Antarctica te bereiken. Whillans was ondieper dan andere subglaciale meren en bood onderzoekers een behoorlijke kans op succes vanwege de relatieve toegankelijkheid ervan in vergelijking met andere meren begraven onder kilometers ijs.
Het duurde twee weken voordat vrachtwagenchauffeurs de apparatuur - deels extreem delicaat - naar de boorlocatie brachten. Het enige wat de wetenschappers konden doen, was wachten op het McMurdo Research Station en luisteren terwijl de vrachtwagenchauffeurs binnenkwamen met hun rapporten.
"We hoorden enkele horrorverhalen, " zegt Tulaczyk, waarin ze uitlegden dat de chauffeurs binnenkwamen om defecte items te melden en om extra lasbenodigdheden vroegen. Gelukkig was de meeste schade geïsoleerd aan de transportcontainers en niet aan de inhoud ervan.
"Toen we binnen vlogen, overleefde wat in de containers zat, goed genoeg voor ons om het te gebruiken, maar de containers zelf waren behoorlijk in elkaar geslagen en zagen eruit alsof ze veel hebben meegemaakt, " zegt Tulaczyk.
Tulaczyk en collega's hebben iets genaamd een heetwateroefening opgezet om toegang te krijgen tot Lake Whillans. In de loop van 24 uur hebben de onderzoekers een gat geboord met een diameter van ongeveer een voet door heet water krachtig naar beneden te pompen en te circuleren zodat, naarmate het dieper werd, het gat niet in zichzelf bevroor.
Zodra ze met succes het oppervlak van het meer hadden bereikt, stuurden de onderzoekers sondes door het gat om gegevens en monsters te verzamelen. Maar ze moesten dit voorzichtig en netjes doen. Als ze hun apparatuur verontreinigden, liepen ze het risico moderne microben te verzamelen die hun bevindingen zouden verwarren en een anders ongerepte habitat aantasten.
Tot hun opwinding en opluchting heeft het team bewijs gevonden van microben die in het water leven, zegt Tulaczyk. Er waren momenten geweest waarop het team zich zorgen maakte dat ze jaren van planning hadden doorkruist en miljoenen dollars hadden uitgegeven om een levenloze leegte te bereiken.
Hun bevindingen ondersteunen het idee dat grote hoeveelheden microbieel afgeleide methaanhydraten onder de Antarctische ijskap zouden kunnen zitten. De microben zouden dit methaan kunnen produceren door oude bossen en ander organisch materiaal onder het ijs af te breken, zoals Wadham, Anesio, Tulaczyk en collega's in hun natuurrapport van 2012 hebben voorgesteld.
Onderzoekers die cryoconietgaten bestuderen, moeten soms schone pakken dragen om besmetting van hun microbiële monsters te voorkomen. (Alex Anesio) Met behulp van schattingen op basis van metingen van sedimenten verzameld onder de Groenlandse ijskap - een vergelijkbare maar veel dunnere analoog aan de Antarctische ijskap - berekende het team dat er onder het Antarctische ijs maar liefst 3, 9 miljoen imperiale tonnen methaan verborgen konden zijn.
Gezien de potentie van methaan als broeikasgas, zou dit een probleem kunnen zijn voor de atmosfeer van de aarde als een groot deel van de ijskap zou wegsmelten. En volgens schattingen van onderzoekers van de Universiteit van Massachusetts, Amherst en Pennsylvania State University, zou dit tegen het einde van de eeuw kunnen gebeuren.
Martin Siegert, een glacioloog aan het Imperial College in Londen, maakte deel uit van het team dat in 1996 voor het eerst een subglaciaal meer beschreef. Hij zegt dat schattingen van hoeveel methaan onder het Antarctische ijs zitten theoretisch aannemelijk zijn.
De onderzoekers zouden echter de microbiële activiteit in natte sedimenten onder de ijskappen moeten meten om hun hypothese te bevestigen, zegt Siegert. "Het is vrij eenvoudig, het soort wetenschap dat je moet doen, de moeilijkheid is om daar te komen en het boren van heet water."
Zelfs als de schattingen van de ijskap die tegen het einde van de eeuw instortte correct waren, zou het waarschijnlijk veel langer duren dan dat voordat methaanhydraten in de atmosfeer detecteerbaar worden, zegt Alexey Portnov, een onderzoeker aan het Noordpoolgebied Universiteit van Tromsø in Noorwegen. Portnov bestudeert de overblijfselen van methaanhydraten die aan het einde van de laatste ijstijd in het Noordpoolgebied zijn blootgesteld, evenals methaanhydraten die vandaag uit de Noordpoolpermafrost worden ontdooid. Hij zegt dat zelfs als methaanhydraten onder de Antarctische ijskap zouden rusten en ze destabiliseren en methaan door het zeewater naar de oppervlakte zouden borrelen, het honderden jaren zou duren voordat deze methaanreserves een waarneembare invloed op het mondiale klimaat zouden hebben.
"De ijskap stort de laatste jaren steeds sneller in, " zegt Portnov. "Maar toch, het zal behoorlijk wat tijd kosten om de hoeveelheid methaan uit die gashydraten te krijgen om het klimaat op de een of andere manier te veranderen."
Ondertussen, methaan hydraten ontdooien uit permafrost en langs ondiepe zeebodem ruggen al vrijgeven van dit broeikasgas in de atmosfeer met aanzienlijke snelheden, zegt Portnov. IJskappen zijn slechts een van de vele bevroren methaanwinkels die worden ontdooid.
De volgende stap voor het subglaciale methaanhydraatwerk zal zijn om meer geld binnen te halen voor een nieuwe boorexpeditie naar een dieper meer. Eerdere inspanningen - zoals de inspanningen van miljoenen dollars om in Lake Ellsworth in 2012 te boren - zijn mislukt. Dus, voordat onderzoekers proberen toegang te krijgen tot diepere meren met bestaande apparatuur, moeten onderzoekers en ingenieurs samenwerken om nieuwe technieken voor diepere projecten te ontwikkelen.
"We moeten er gewoon komen en de monsters nemen", zegt Wadham. "Dat is een van de uitdagingen van de komende twee decennia."
Grote stukken cryoconiet - of ijsstof - bedekken de Groenlandse ijskap en andere gletsjers over de hele wereld, waardoor hun oppervlak donkerder wordt en ze warmte van de zon absorberen. (Joseph Cook) Hoewel gletsjers en ijskappen fysiek grote voorraden begraven methaanhydraten kunnen verstoppen of koolstofdioxide uit de atmosfeer kunnen trekken door miljoenen kleine gaten, gaan hun effecten veel verder dan hun fysieke voetafdruk.
Wanneer cryoconietgaten bijvoorbeeld diep genoeg smelten om de bodem van een gletsjer af te voeren, kan hun inhoud uiteindelijk de oceaan bereiken en voedingsstoffen doorspoelen naar het mariene ecosysteem. Dit kan grootschalige algenbloei veroorzaken die kooldioxide uit de atmosfeer kan trekken in verhoudingen die aanzienlijk groter zijn dan wat de microben in die gaten naar beneden kunnen trekken, zegt Anesio.
"Dat zou een veel sterkere wereldwijde impact hebben omdat koolstoffixatie in de oceaan een enorme impact heeft op de wereldwijde koolstofcyclus, " zegt hij.
Hoewel een volledig beeld van hoe gletsjermicroben het klimaat op aarde beïnvloeden jaren weg is, gaan Anesio en zijn collega-poolonderzoekers door. Omgaan met technologische problemen en ruwe omgevingen betekent vaak dat hun doorbraken passen en beginnen. Maar het zijn de uitdagingen, zowel intellectueel als fysiek, die de wetenschappers naar deze bevroren landschappen trekken.
"Het is gewoon zo mooi om daar te zijn, het is geweldig", zegt Anesio. “De afmetingen en de schaal van dingen zijn zo groot, de rivieren en het water en de vorm van het ijs. Ik kijk er echt naar uit om daarheen te gaan. ”
Cook, aan de Universiteit van Sheffield, is het daarmee eens. Hij vindt velden met cryoconite-gaten zo ver als het oog kan zien een behoorlijk opvallend beeld.
"Kijkend in de cryoconite-gaten is vreemd mooi, " zegt Cook. “Het is heel sereen en het is ongelooflijk om iets te zien dat zo simpel is dat het soort van de ongelooflijke complexiteit van wat er gaande is, tegenspreekt. Het is een beetje hypnotisch. '
Het boorgat bij Lake Whillans, waarvoor coördinatie nodig was tussen ongeveer 50 medewerkers van over de hele wereld. (JT Thomas)
