Deep ice-Rich permafrost and Its Carbon Vulnerability

Arctic landscapes, especially those underlain by permafrost, are threatened by climate warming and may degrade in different ways, including active layer deepening, thermal erosion, and development of thermokarst features. In Siberian and Alaskan late Pleistocene ice-rich Yedoma permafrost, rapid and deep thaw processes cause surface subsidence due to loss of ground ice (Ulrich et al., 2014) and may mobilize deep organic carbon. With thawing, currently freeze-locked organic matter can be remobilized and contribute to the carbon-climate feedback, a process of global significance if formerly inactive, old carbon is re-introduced into the active carbon cycle as greenhouse gases, which accelerate warming and inducing more permafrost thaw and carbon release. Yedoma permafrost, which is widespread in Siberia and Alaska, is estimated to presently store between 83±12 and 129±30 Gt frozen organic carbon (Strauss et al., 2017). During the last glacial period Yedoma deposits potentially stored about 657 ± 97 Gt (Strauss et al., 2017). Focusing on the estimates for the present and including deposits in degradation features, such as thermokarst lakes and basins, we found ~398 gigatons thaw-susceptible carbon in the Yedoma domain. This is more than 25% of the frozen carbon of the permafrost area, while the Yedoma domain is covering only 7% of the permafrost region. We suggest that greenhouse gas release from the Yedoma domain is orders of magnitudes lower than current human-caused emissions, but will be a persistent source that increases in the future. Based on incubation experiments, up to 10% of the Yedoma carbon is considered especially decomposable and may be released upon thaw (Schädel et al., 2014). In conclusion, the substantial amount of ground ice in Yedoma makes this type of permafrost deposit highly vulnerable to disturbances such as thermokarst and thermo-erosion processes and as a result, mobilization of permafrost carbon is expected to increase under future climate warming. Our results underline the need of accounting for Yedoma domain carbon stocks, as well as rapid thaw processes like thermokarst, in next generation Earth-System-Models for a more complete representation of the permafrost-carbon feedback. References: Schädel, C., Schuur, E.A.G., Bracho, R., Elberling, B., Knoblauch, C., Lee, H., Luo, Y.Q., Shaver, G.R. and Turetsky, M.R., 2014. Circumpolar assessment of permafrost C quality and its vulnerability over time using long-term incubation data. Global Change Biology, 20(2): 641-652, doi:10.1111/gcb.12417. Strauss, J., Schirrmeister, L., Grosse, G., Fortier, D., Hugelius, G., Knoblauch, C., Romanovsky, V., Schädel, C., Schneider von Deimling, T., Schuur, E.A.G., Shmelev, D., Ulrich, M. and Veremeeva, A., 2017. Deep Yedoma permafrost: A synthesis of depositional characteristics and carbon vulnerability. Earth-Science Reviews, under review. Ulrich, M., Grosse, G., Strauss, J. and Schirrmeister, L., 2014. Quantifying wedge-ice volumes in Yedoma and thermokarst basin deposits. Permafrost and Periglacial Processes, 25(3): 151–161, doi:10.1002/ppp.181

Deep ice-rich permafrost: Final report of the Yedoma Action Group

Permafrost landscapes are threatened by climate warming and degrade in different ways. This includes near surface processes such as active layer deepening, as well as extensive processes like thermal erosion, and development of thermokarst features. In the Siberian and North American late Pleistocene ice-rich yedoma, permafrost thaw processes cause surface subsidence of several tens of metres due to loss of ground ice. With thawing, currently freeze-locked organic matter can be mobilized and contribute to the carbon-climate feedback, which is a process of global significance if formerly inactive, fossil carbon is re-introduced into the active carbon cycle

The Yedoma Region: A Synthesis of Circum-Arctic Distribution and Thickness (Action Group Report)

Vast regions of Arctic Siberia, Alaska, and the Yukon Territory are covered by ice-rich silts penetrated by large ice wedges, resulting from syngenetic sedimentation and freezing. Because of fast incorporation of organic material into permafrost during sedimentation, Yedoma deposits include low-degraded organic matter. Moreover, ice-rich permafrost deposits like Yedoma are especially prone to degradation triggered by climate changes or human activity. When Yedoma deposits degrade, large amounts of sequestered carbon as well as other nutrients are released, which is of global significancefor the climate system

Permafrost im Arktischen Permafrost – Pandoras Gefrierschrank?

Die Arktis wird oft als Eiswüste betrachtet. Doch sie ist die Klimaanlage der Erde. Denn Eis und Schnee reflektieren Sonnenstrahlen. Und Permafrost – mindestens zwei Jahre infolge gefrorener Boden – speichert Kohlenstoff in Form von fossilen Tier- und Pflanzenresten. Taut der Permafrost, wird dieser Kohlenstoff als Treibhausgas in die Atmosphäre freigesetzt. Dies führt zu weiterer Erwärmung und weiterem Tauen – ein Teufelskreis. Um dessen Ausmaß zu erforschen, habe ich Menge und Qualität des Kohlenstoffs im Permafrost untersucht. Ich fand zweimal so viel Kohlenstoff wie in allen Pflanzen der gesamten Erde. Daraus konnte ich ermitteln, dass das Tauen von Permafrost bis zum Jahr 2300 einen globalen Temperaturanstieg von 0,4°C bewirken könnte. Bezogen auf die vom Weltklimarat beschlossene maximale Gesamterwärmung von 1,5°C wäre dies bereits mehr als ein Viertel. Dies zeigt, dass es höchste Zeit ist, den Faktor Permafrost in den Fokus von Klimaforschung und Klimapolitik mit einzubeziehen

Permafrost: Pandoras Gefrierschrank?

Wussten Sie, dass Permafrost, definiert als mindestens 2 Jahre in Folge gefrorener Boden, rund ein Viertel der Landfläche der Nordhalbkugel einnimmt? Deutschland würde mehr als 64 Mal hineinpassen. Dazu kommt noch submariner Permafrost der arktischen Schelfmeere. Dieser submarine Permafrost wurde während der letzten Eiszeit tiefgefroren, als die heutigen Schelfbereiche wegen des viel tiefer liegenden Meeresspiegels zur Landfläche gehörten. Doch was ist so besonders an Permafrost? Es wird geschätzt, dass schmelzendes Bodeneis aus tauendem Permafrost einen relativ kleinen Einfluss auf den Meeresspiegel hat. Etwa 10 cm Meeresspiegelanstieg seien möglich, wenn das komplette Bodeneis des Permafrosts ins Meer gelänge. Dies scheint also nicht die globale Bedeutung des Permafrosts zu rechtfertigen. Die Forschung der letzten Jahre macht deutlich, dass tauender Permafrost nicht nur eine Begleiterscheinung des Klimawandels ist, sondern auch ein Schwungrad dessen sein kann. Denn Permafrost speichert fossilen Kohlenstoff, bestehend aus Tier- und Pflanzenresten. In dieser natürlichen Gefriertruhe sind etwa 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff, so viel wie derzeit in der Atmosphäre, eingefroren. In den kalten, aber saisonal auftauenden Böden darüber noch einmal fast genauso viel. Taut der Permafrost, wird ein Teil dieses Kohlenstoffs von Mikroorganismen abgebaut und als Treibhausgas freigesetzt. Dies führt zu weiterer Erwärmung, welches in einem positiven Rückkopplungsprozess nicht nur zu weiterem Permafrostauen führt, sondern auch Gletscher schmelzen lässt. So kann tauender Permafrost indirekt doch wieder einen Einfluss auf den Meeresspiegel haben. Kontrovers diskutiert wird die Folge von tauendem submarinen Permafrost. Hier berichten Kolleginnen und Kollegen von sehr großen Methanentgasungen. Eine Auswirkung von submarinem Permafrosttauen kann das Anzapfen derzeit stabiler Methan-Gas-Hydrate sein. Eine AWI-Studie zu terrestrischem Permafrost zeigt, dass die Permafrostregion zu einer Erwärmung der Erde von bis zu 0,4°Celsius beitragen könnte. Für den ein oder anderen mag sich das nach nicht viel anhören, aber im Vergleich zu den auf der Pariser Klimakonferenz 2015 vereinbarten 1,5°C ist das bereits mehr als ein Viertel dessen. Und dabei ist der Beitrag des Permafrosts noch nicht einmal in den dem IPCC zugrunde liegenden Modellen einbezogen. Die Notwendigkeit, Permafrost künftig in Klimamodellierung und Politik zu berücksichtigen, liegt damit auf der Hand. Schon heute zieht sich Permafrost nachweisbar aus einigen Regionen, wie Westsibirien oder im borealen Kanada, zurück. Eine Erwärmung des Permafrosts ist eng verknüpft mit der Erosion der Küstenbereiche der Permafrostregion, die rund 34 Prozent der Küstenlinie der Erde stellen. Hier nehmen Erosionsraten zu, denn steigende Lufttemperaturen und steigende Meeresspiegel destabilisieren diese Bereiche. Hinzu kommt der durch schwindendes Meereis verlängerte Zeitraum der erodierenden Brandung. Erosionsraten von 20 Meter pro Jahr sind beobachtet worden und lassen Küstenforscher und Bauingenieure aufhorchen. Sogar im Inland sind solche Erosionsraten an Flüssen möglich. Die Erosion hat einen Einfluss auf die aquatischen Ökosysteme, denn durch sie wird Bodenmaterial sowie auch die im Boden gespeicherten Nähstoffe dem Wasser zugeführt. Somit sind in vielen aquatischen Ökosystemen der Permafrostregion erhöhte Nährstoffeinträge und Trübung der Gewässer durch Schwebfracht zu messen. Die Instabilität der Permafrost-Küsten hat so auch sehr direkte Auswirkungen auf Menschen. Fisch- und Jagdgründe werden beeinflusst und Straßen, Häuser und Schienen beschädigt, was bis hin zur Umsiedlung ganzer Dörfer führen kann, und einmalige archäologische Fundstätten werden einfach ins Meer gespült. Bleibt noch die Beantwortung der Titelfrage, nach Pandoras Gefrierschrank: Der Kohlenstoffvorrat des Permafrosts wird klimarelevant, wenn dieser durch Tauen und Ufererosion „geöffnet“ wird. Erst einmal geöffnet, wird aber nicht alles sofort freigesetzt. Pandoras Büchse war nach Öffnung nicht mehr zu beeinflussen. Der Teufelskreis durch degradierenden Permafrost vermutlich schon, indem wir Menschen unsere Treibhausgasemissionen reduzieren. Und hier startet Ihr Beitrag

Organic carbon in ice-rich permafrost: Characteristics, quantity, and availability

-----------------German version below----------------- Permafrost, defined as ground that is frozen for at least two consecutive years, is a distinct feature of the terrestrial unglaciated Arctic. It covers approximately one quarter of the land area of the Northern Hemisphere (23,000,000 km²). Arctic landscapes, especially those underlain by permafrost, are threatened by climate warming and may degrade in different ways, including active layer deepening, thermal erosion, and development of rapid thaw features. In Siberian and Alaskan late Pleistocene ice-rich Yedoma permafrost, rapid and deep thaw processes (called thermokarst) can mobilize deep organic carbon (below 3 m depth) by surface subsidence due to loss of ground ice. Increased permafrost thaw could cause a feedback loop of global significance if its stored frozen organic carbon is re-introduced into the active carbon cycle as greenhouse gases, which accelerate warming and inducing more permafrost thaw and carbon release. To assess this concern, the major objective of the thesis was to enhance the understanding of the origin of Yedoma as well as to assess the associated organic carbon pool size and carbon quality (concerning degradability). The key research questions were: - How did Yedoma deposits accumulate? - How much organic carbon is stored in the Yedoma region? - What is the susceptibility of the Yedoma region's carbon for future decomposition? To address these three research questions, an interdisciplinary approach, including detailed field studies and sampling in Siberia and Alaska as well as methods of sedimentology, organic biogeochemistry, remote sensing, statistical analyses, and computational modeling were applied. To provide a panarctic context, this thesis additionally includes results both from a newly compiled northern circumpolar carbon database and from a model assessment of carbon fluxes in a warming Arctic. The Yedoma samples show a homogeneous grain-size composition. All samples were poorly sorted with a multi-modal grain-size distribution, indicating various (re-) transport processes. This contradicts the popular pure loess deposition hypothesis for the origin of Yedoma permafrost. The absence of large-scale grinding processes via glaciers and ice sheets in northeast Siberian lowlands, processes which are necessary to create loess as material source, suggests the polygenetic origin of Yedoma deposits. Based on the largest available data set of the key parameters, including organic carbon content, bulk density, ground ice content, and deposit volume (thickness and coverage) from Siberian and Alaskan study sites, this thesis further shows that deep frozen organic carbon in the Yedoma region consists of two distinct major reservoirs, Yedoma deposits and thermokarst deposits (formed in thaw-lake basins). Yedoma deposits contain ~80 Gt and thermokarst deposits ~130 Gt organic carbon, or a total of ~210 Gt. Depending on the approach used for calculating uncertainty, the range for the total Yedoma region carbon store is ±75 % and ±20 % for conservative single and multiple bootstrapping calculations, respectively. Despite the fact that these findings reduce the Yedoma region carbon pool by nearly a factor of two compared to previous estimates, this frozen organic carbon is still capable of inducing a permafrost carbon feedback to climate warming. The complete northern circumpolar permafrost region contains between 1100 and 1500 Gt organic carbon, of which ~60 % is perennially frozen and decoupled from the short-term carbon cycle. When thawed and re-introduced into the active carbon cycle, the organic matter qualities become relevant. Furthermore, results from investigations into Yedoma and thermokarst organic matter quality studies showed that Yedoma and thermokarst organic matter exhibit no depth-dependent quality trend. This is evidence that after freezing, the ancient organic matter is preserved in a state of constant quality. The applied alkane and fatty-acid-based biomarker proxies including the carbon-preference and the higher-land-plant-fatty-acid indices show a broad range of organic matter quality and thus no significantly different qualities of the organic matter stored in thermokarst deposits compared to Yedoma deposits. This lack of quality differences shows that the organic matter biodegradability depends on different decomposition trajectories and the previous decomposition/incorporation history. Finally, the fate of the organic matter has been assessed by implementing deep carbon pools and thermokarst processes in a permafrost carbon model. Under various warming scenarios for the northern circumpolar permafrost region, model results show a carbon release from permafrost regions of up to ~140 Gt and ~310 Gt by the years 2100 and 2300, respectively. The additional warming caused by the carbon release from newly-thawed permafrost contributes 0.03 to 0.14°C by the year 2100. The model simulations predict that a further increase by the 23rd century will add 0.4°C to global mean surface air temperatures. In conclusion, Yedoma deposit formation during the late Pleistocene was dominated by water-related (alluvial/fluvial/lacustrine) as well as aeolian processes under periglacial conditions. The circum-arctic permafrost region, including the Yedoma region, contains a substantial amount of currently frozen organic carbon. The carbon of the Yedoma region is well-preserved and therefore available for decomposition after thaw. A missing quality-depth trend shows that permafrost preserves the quality of ancient organic matter. When the organic matter is mobilized by deep degradation processes, the northern permafrost region may add up to 0.4°C to the global warming by the year 2300. -----------------German version----------------- Permafrost, definiert als mehr als zwei aufeinander folgende Jahre gefrorenes Bodenmaterial, ist eines der prägenden Merkmale der unvergletscherten arktischen Landgebiete. Verursacht durch extrem kalte Wintertemperaturen und geringe Schneebedeckung nimmt das Permafrost-Verbreitungsgebiet mit ~23.000.000 km² rund ein Viertel der Landfläche der Nordhemisphäre ein. Von Permafrost unterlagerte arktische Landschaften sind besonders anfällig hinsichtlich einer Erwärmung des Klimas. Verglichen mit der globalen Mitteltemperatur prognostizieren Klimamodelle für die Arktis einen doppelt so starken Anstieg der Temperatur. In einer sich erwärmenden Arktis bewirken Störungen des thermisch-hydrologischen Gleichgewichts eine Degradation von Permafrost und Veränderungen des Oberflächenreliefs. Diese Störungen können zum Beispiel zu einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht, zu thermisch bedingter Erosion sowie zu schneller Oberflächenabsenkung und Thermokarst führen. Im Verbreitungsgebiet der spätpleistozänen eisreichen Permafrost-Ablagerungen Sibiriens und Alaskas, bezeichnet als Yedoma, können Thermokarstprozesse auch mehr als 3 m tiefe organischen Kohlenstoffspeicher verfügbar machen, wenn durch schmelzendes Grundeis und Schmelzwasserdrainage die Oberfläche abgesenkt wird. So kann das Tauen von Permafrost eine globale Bedeutung entwickeln, indem vorher eingefrorener Kohlenstoff wieder dem aktiven Kohlenstoffkreislauf zugeführt wird. Dies kann durch Treibhausgasfreisetzung aus Permafrost zu einer sich selbst verstärkenden weiteren Erwärmung und somit zu fortschreitendem Tauen mit weiterer Kohlenstofffreisetzung führen. Diesen Prozess nennt man Permafrost-Kohlenstoff Rückkopplung. Um das Verständnis der Permafrostkohlenstoffdynamik grundlegend zu verbessern, wurde in dieser Doktorarbeit die Entstehung der Yedoma-Ablagerungen eingeschlossen des darin gespeicherten organischen Kohlenstoffs untersucht. Die konkreten Forschungsfragen der Arbeit sind: - Wie wurden die Yedoma-Sedimente abgelagert? - Wie viel Kohlenstoff ist in der Yedoma Region gespeichert? - Wie ist die Anfälligkeit dieses Kohlenstoffs für eine Degradation in der Zukunft? Um die oben genannten drei Forschungsfragen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt. In Sibirien und Alaska wurden detaillierte Felduntersuchungen durchgeführt und Methoden der Sedimentologie, der organischen Biogeochemie, der Fernerkundung sowie der statistischen Analyse und computergestützten Modellierung angewendet. Um diese Ergebnisse in den panarktische Kontext zu setzen, enthält diese Doktorarbeit ebenfalls Ergebnisse einer Studie, welche auf Grundlage einer neu zusammengestellten Datenbank den gesamten Kohlen-stoff des arktischen Permafrosts abschätzt. Eine Modellierungsstudie ergänzt die Arbeit bezüglich einer Abschätzung der Kohlenstoffflüsse der Permafrostregion und deren Einfluss auf die globale Erwärmung. Die Ergebnisse zur Yedoma-Entstehung zeigen, dass die Korngrößenverteilungen dieser Ablagerungen, tiefenabhängig betrachtet, sehr homogen sind. Alle gemessenen Korngrößenverteilungen sind schlecht sortiert. Dies deutet auf eine Vielzahl von Transportprozessen hin und widerspricht der populären Hypothese einer reinen Löß-Ablagerung. Interpretiert im Kontext mit der Abwesenheit von Gletschern sowie Eisschilden, als Ausgangsgebiete von Löß-Ablagerungen, in den sibirischen Tiefländern des Spätpleistozäns, zeigt diese Arbeit, dass Yedoma-Ablagerungen polygenetischen Ursprungs sind. Basierend auf dem größten verfügbaren Datensatz der Schlüsselparameter Kohlenstoffgehalt, Lagerungsdichte, Grundeis und Volumen der Ablagerungen von über 20 Untersuchungsgebieten in Sibirien und Alaska zeigt diese Arbeit mit Yedoma- und Thermokarstablagerungen zwei wesentliche Kohlenstoffspeicher der Yedoma Region auf. Yedoma-Ablagerungen enthalten ~80 Gt und Thermokarstablagerungen ~130 Gt organischen Kohlenstoffs, was einer Gesamtmenge von ~210 Gt organischen Kohlenstoffs entspricht. Abhängig vom gewählten Ansatz der Fehlerberechnung liegt der Unsicherheitsbereich dieser Quantitätsabschätzung bei ±75 % (einfaches Bootstrapping) oder ±20 % (wiederholtes Bootstrapping). Obwohl diese Zahlen die bisherigen Berechnungen des Yedoma-Region-Kohlenstoffspeichers vorhergehender Studien halbieren, stellen 210 Gt organischen Kohlenstoffs noch immer einen großen Kohlenstoffspeicher dar, der eine positive Rückkopplung zur globalen Klimaerwärmung bewirken könnte. Die gesamte Permafrostregion beinhaltet zwischen 1100 und 1500 Gt Kohlenstoff, wovon ~60 % dauerhaft gefroren und somit dem derzeitigen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind. Wenn dieser Kohlenstoff freigesetzt wird, ist ein weiterer Faktor, die Kohlenstoffqualität, relevant. Die Untersuchungen zur Kohlenstoffqualität zeigen keinen tiefenabhängigen Trend in Yedoma- und Thermokarstablagerungen. Dies belegt, dass nach dem Einfrieren die fossile organische Substanz konserviert wurde. Die genutzten Biomarkerdaten, z.B. der 'carbon preference' Index und der 'higher land plant fatty acid' Index zeigen sowohl für Yedoma- als auch für Thermokarstablagerungen keine signifikanten Unterschiede der Kohlenstoffqualität. Das bedeutet, dass der Kohlenstoffabbau nach dem Auftauen von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist. Dazu gehören verschiedene Abbauwege oder schon vor dem Einfrieren geschehener Abbau. Um die Bedeutung des aufgetauten Kohlenstoffs abzuschätzen, wurden Thermokarstprozesse in ein Permafrost-Kohlenstoff-Modell einbezogen. Unter Berücksichtigung verschiedener Erwärmungsszenarien könnte die zirkumarktische Permafrostregion bis zum Jahr 2100 ~140 Gt Kohlenstoff und bis 2300 ~310 Gt in die Atmosphäre freisetzen. Dies entspricht einer Erwärmung der mittleren globalen Oberflächentemperatur von ~0,03 bis ~0,14°C bis 2100 und bis zu ~0,4°C bis 2300. Zusammenfassend stellt diese Dissertation heraus, dass die Yedoma-Ablagerungen während des Spätpleistozäns durch eine Kombination verschiedener aquatischer (alluviale, fluviale, lakustrine) sowie äolische Prozesse entstanden sind. Die zirkumarktische Region, inklusive der Yedoma Region, beinhaltet eine erhebliche Menge an derzeit eingefrorenem organischen Kohlenstoffs. Dieser Kohlenstoff ist gut erhalten und damit nach dem Auftauen für den mikrobiellen Abbau verfügbar. Eine fehlende Tiefenabhängigkeit der Kohlenstoffqualität zeigt, dass Permafrost die Qualität zum Einfrierzeitpunkt bewahrt. Wenn auch der tiefliegende organische Kohlenstoff durch Thermokarstprozesse verfügbar gemacht wird, kann die Permafrostregion bis zum Jahr 2300 bis zu 0,4°C zur mittleren globalen Oberflächentemperatur beitragen

Es taut! Der arktische Permafrost im Klimawandel

Vortrag am Hermann-von-Helmholtz-Gymnasium Potsdam mit Vorstellung am des Alfred-Wegener-Instituts zu Berufs- und Studienorientierung de Schüler:innen, sowie Einblick in die aktuelle Permafrost- und Arktisforschung