miniaturadeimagen| El número anual de artículos de investigación científica publicados sobre el tema del carbono del permafrost ha crecido desde casi nada alrededor de 1990 a alrededor de 400 en 2020. El ciclo del carbono del permafrost o ciclo del carbono del Ártico es un subciclo del más amplio ciclo global del carbono. El permafrost se define como el material del subsuelo que permanece por debajo de 0 ° C (32 ° F) durante al menos dos años consecutivos. Debido a que los suelos de permafrost permanecen congelados durante largos períodos de tiempo, almacenan grandes cantidades de carbono y otros nutrientes dentro de su estructura congelada durante ese tiempo. El permafrost representa un gran reservorio de carbono, que a menudo fue descuidado en las investigaciones iniciales para determinar los reservorios globales de carbono terrestre. Sin embargo, desde principios de la década de 2000 se ha prestado mucha más atención al tema, con un enorme crecimiento tanto en la atención general como en la producción de investigación científica.
El ciclo del carbono del permafrost se ocupa de la transferencia de carbono desde los suelos de permafrost a la vegetación terrestre y a los microbios, a la atmósfera, de nuevo a la vegetación y, finalmente, de nuevo a los suelos de permafrost a través del entierro y la sedimentación debido a procesos criogénicos. Parte de este carbono se transfiere al océano y a otras partes del planeta a través del ciclo global del carbono. El ciclo incluye el intercambio de dióxido de carbono y metano entre los componentes terrestres y la atmósfera, así como la transferencia de carbono entre la tierra y el agua como metano, carbono orgánico disuelto, carbono inorgánico disuelto, carbono inorgánico particulado y carbono orgánico particulado.
Almacenamiento Los suelos, en general, son los mayores reservorios de carbono en los ecosistemas terrestres. Esto también es válido para los suelos del Ártico que tienen como base el permafrost. En 2003, Tarnocai et al. utilizaron la base de datos de suelos de latitudes medias y septentrionales para determinar las reservas de carbono en criosoles (suelos que contienen permafrost a dos metros de la superficie del suelo). Los suelos afectados por el permafrost cubren casi el 9% de la superficie terrestre de la Tierra, pero almacenan entre el 25 y el 50% del carbono orgánico del suelo. Estas estimaciones muestran que los suelos de permafrost constituyen un importante depósito de carbono. Estos suelos no sólo contienen grandes cantidades de carbono, sino que también lo secuestran a través de procesos criogénicos y de crioturbación.
Procesos El carbono no se produce en el permafrost. El carbono orgánico derivado de la vegetación terrestre debe incorporarse a la columna del suelo y posteriormente al permafrost para ser almacenado de manera efectiva. Debido a que el permafrost responde lentamente a los cambios climáticos, el almacenamiento de carbono elimina carbono de la atmósfera durante largos períodos de tiempo. Las técnicas de datación por radiocarbono revelan que el carbono dentro del permafrost suele tener miles de años. El almacenamiento de carbono en el permafrost es el resultado de dos procesos principales.
El primer proceso que captura carbono y lo almacena es el crecimiento singénico del permafrost. Este proceso es el resultado de una capa activa constante donde el espesor y el intercambio de energía entre el permafrost, la capa activa, la biósfera y la atmósfera, dan como resultado el aumento vertical de la elevación de la superficie del suelo. Esta agradación del suelo es el resultado de la sedimentación eólica o fluvial y/o la formación de turba. Las tasas de acumulación de turba son tan altas como 0,5 mm/año, mientras que la sedimentación puede causar un aumento de 0,7 mm/año. Los depósitos de limo gruesos resultantes de la abundante deposición de loess durante el último máximo glacial forman suelos espesos ricos en carbono conocidos como yedoma. A medida que ocurre este proceso, el suelo orgánico y mineral que se deposita se incorpora al permafrost a medida que la superficie del permafrost se eleva. El segundo proceso responsable de almacenar el carbono es la crioturbación, la mezcla del suelo debido a los ciclos de congelación y descongelación. La crioturbación mueve el carbono desde la superficie a las profundidades dentro del perfil del suelo. El levantamiento por helada es la forma más común de crioturbación. Con el tiempo, el carbono que se origina en la superficie se desplaza lo suficientemente profundo hacia la capa activa para incorporarse al permafrost. Cuando la crioturbación y la deposición de sedimentos actúan juntas, las tasas de almacenamiento de carbono aumentan. Estimaciones actuales miniaturadeimagen| Turberas de permafrost sometidas a distintos grados de calentamiento global y las emisiones resultantes como fracción de las emisiones antropogénicas necesarias para causar ese grado de calentamiento. Se estima que el inventario total de carbono orgánico del suelo (SOC=soil organic carbon) en la región de permafrost circumpolar del norte equivale a alrededor de 1.460–1.600 Pg. (1 Pg = 1 Gt = 10 15 g) Si se incluye el contenido de carbono de la meseta tibetana, es probable que los depósitos totales de carbono en el permafrost del hemisferio norte sean de alrededor de 1832 Gt. Esta estimación de la cantidad de carbono almacenado en los suelos de permafrost es más del doble de la cantidad que hay actualmente en la atmósfera.
La columna de suelo en los suelos de permafrost generalmente se divide en tres horizontes, 0-30 cm, 0–100 cm y 1–300 centímetro. El horizonte más superior (0–30 cm) contiene aproximadamente 200 Pg de carbono orgánico. El 0–100 cm horizonte contiene cerca de 500 Pg de carbono orgánico, y el horizonte 0–300 cm contiene aproximadamente 1024 Pg de carbono orgánico. Estas estimaciones duplicaron con creces las reservas de carbono conocidas anteriormente en los suelos de permafrost. Existen reservas de carbono adicionales en yedoma (400 Pg), depósitos de loess ricos en carbono que se encuentran en toda Siberia y en regiones aisladas de América del Norte, y en depósitos deltaicos (240 Pg) en todo el Ártico. Estos depósitos son generalmente más profundos que los 3 m investigados en los estudios tradicionales. Surgen muchas preocupaciones debido a la gran cantidad de carbono almacenado en los suelos de permafrost. Hasta hace poco, la cantidad de carbono presente en el permafrost no se tenía en cuenta en los modelos climáticos y los presupuestos globales de carbono.
Liberación de carbono del permafrost El carbono circula continuamente entre el suelo, la vegetación y la atmósfera. A medida que el cambio climático aumenta las temperaturas medias anuales del aire en todo el Ártico, extiende el deshielo del permafrost y profundiza la capa activa, exponiendo el carbono antiguo que ha estado almacenado durante décadas o milenios a procesos biogénicos que facilitan su entrada a la atmósfera. En general, se espera que el volumen de permafrost en los 3 m superiores del suelo disminuya aproximadamente un 25% cada 1 °C (1.8 °F) del calentamiento global. Fox-Kemper, B., H.T. Hewitt, C. Xiao, G. Aðalgeirsdóttir, S.S. Drijfhout, T.L. Edwards, N.R. Golledge, M. Hemer, R.E. Kopp, G. Krinner, A. Mix, D. Notz, S. Nowicki, I.S. Nurhati, L. Ruiz, J.-B. Sallée, A.B.A. Slangen, and Y. Yu, 2021: Chapter 9: Ocean, Cryosphere and Sea Level Change. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 1211–1362, doi:10.1017/9781009157896.011. Según el Sexto Informe de Evaluación del IPCC, hay un alto grado de confiabilidad de que el calentamiento global de las últimas décadas ha provocado aumentos generalizados de la temperatura del permafrost. El calentamiento observado fue de hasta 3 °C (5.4 °F) en partes del norte de Alaska (principios de la década de 1980 a mediados de la década de 2000) y hasta 2 °C (3.6 °F) en partes del norte europeo ruso (1970-2020), y el espesor de la capa activa ha aumentado en el Ártico europeo y ruso a lo largo del y en áreas de gran altitud en Europa y Asia desde la década de 1990. En Yukón, la zona de permafrost continuo podría haberse desplazado hacia los polos desde 1899, pero los registros precisos sólo se remontan a 30 años. Basándose en el alto grado de acuerdo entre las proyecciones de los modelos, la comprensión de los procesos fundamentales y la evidencia paleoclimática, es prácticamente seguro que la extensión y el volumen del permafrost seguirán reduciéndose a medida que el clima global se calienta.
izquierda|miniaturadeimagen| Una mayor precipitación estival aumenta la profundidad de la capa de permafrost sujeta a descongelación, en diferentes entornos de permafrost del Ártico. Las emisiones de carbono producidas por el deshielo del permafrost contribuyen al mismo calentamiento que facilita el deshielo, lo que lo convierte en una retroalimentación positiva del cambio climático. El calentamiento también intensifica el ciclo hidrológico en el Ártico, y las mayores cantidades de lluvia más cálida son otro factor que incrementa la profundidad del deshielo del permafrost. La cantidad de carbono que se liberará debido a las condiciones de calentamiento depende de la profundidad del descongelamiento, el contenido de carbono en el suelo descongelado, los cambios físicos en el medio ambiente y la actividad microbiana y vegetal en el suelo. La respiración microbiana es el proceso principal a través del cual el carbono antiguo del permafrost se reactiva y entra a la atmósfera. La tasa de descomposición microbiana en suelos orgánicos, incluido el permafrost descongelado, depende de controles ambientales, como la temperatura del suelo, la disponibilidad de humedad, la disponibilidad de nutrientes y la disponibilidad de oxígeno. En particular, concentraciones suficientes de óxidos de hierro en algunos suelos de permafrost pueden inhibir la respiración microbiana y prevenir la movilización de carbono: sin embargo, esta protección sólo dura hasta que el carbono se separa de los óxidos de hierro por bacterias reductoras de hierro, lo que es sólo una cuestión de tiempo en las condiciones típicas. Dependiendo del tipo de suelo, el óxido de hierro (III) puede aumentar la oxidación de metano a dióxido de carbono en el suelo, pero también puede amplificar la producción de metano por los acetótrofos: estos procesos del suelo aún no se comprenden completamente.
En conjunto, la probabilidad de que todo el depósito de carbono se movilice y entre en la atmósfera es baja, a pesar de los grandes volúmenes almacenados en el suelo. Aunque las temperaturas aumentaran, esto no implica una pérdida completa del permafrost ni la movilización de todo el depósito de carbono. Gran parte del suelo sustentado por el permafrost permanecerá congelado incluso si el aumento de las temperaturas aumenta la profundidad del deshielo o incrementa el termokarsting y la degradación del permafrost. Además, otros elementos como el hierro y el aluminio pueden adsorber parte del carbono del suelo movilizado antes de que llegue a la atmósfera, y son particularmente prominentes en las capas de arena mineral que a menudo recubren el permafrost. Por otra parte, una vez que el área de permafrost se descongele, no volverá a ser permafrost durante siglos, incluso si el aumento de temperatura se revirtiera, lo que lo convierte en uno de los ejemplos más conocidos de puntos de inflexión en el sistema climático.