Ancaman Baru Pemanasan Global: Bom Karbon Permafrost Arktik

Saat Arktik memanas, pertumbuhan sungai dapat melepaskan emisi karbon yang setara dengan emisi jutaan kendaraan.

Temuan terbaru dari Dartmouth mengungkapkan bukti-bukti inovatif bahwa lapisan es Arktik secara signifikan mempengaruhi sistem sungai di wilayah tersebut. Penelitian ini, dipublikasikan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasionalmenyoroti bagaimana permafrost—lapisan tanah padat yang tetap membeku setidaknya selama dua tahun—menyebabkan sungai-sungai di Arktik mengalir melalui lembah-lembah yang lebih sempit dan dangkal dibandingkan sungai-sungai di wilayah selatan.

Namun lapisan es juga merupakan reservoir karbon dalam jumlah besar yang semakin rapuh. Ketika perubahan iklim melemahkan lapisan es Arktik, para peneliti menghitungnya setiap 1,8 derajat Fahrenheit (1 derajat Celsius) Pemanasan global dapat melepaskan karbon sebanyak 35 juta mobil per tahun karena perluasan saluran air di kutub dan memicu pencairan tanah.

Dinamika Lanskap dan Motivasi Penelitian

“Seluruh permukaan bumi berada dalam tarik menarik antara proses seperti lereng bukit yang memperhalus lanskap dan kekuatan seperti sungai yang membelahnya,” kata penulis pertama Joanmarie Del Vecchio, yang memimpin penelitian sebagai Neukom Postdoctoral Fellow di Dartmouth dengan penasihat dan rekan penulis studi Marisa Palucis, asisten profesor ilmu bumi, dan profesor teknik Colin Meyer.

“Kami memahami fisika pada tingkat fundamental, namun ketika segala sesuatunya mulai membeku dan mencair, sulit untuk memprediksi pihak mana yang akan menang,” kata Del Vecchio. “Jika daerah perbukitan menang, mereka akan mengubur semua karbon yang terperangkap di dalam tanah. Namun jika keadaan menjadi hangat dan saluran sungai tiba-tiba mulai memanas, kita akan melihat sejumlah besar karbon terlepas ke atmosfer. Hal ini kemungkinan besar akan menciptakan umpan balik pemanasan yang mengarah pada pelepasan lebih banyak gas rumah kaca.”

Para peneliti mulai memahami mengapa daerah aliran sungai Arktik – total wilayah drainase sungai dan saluran air yang terhubung dengannya – cenderung memiliki lebih sedikit daerah aliran sungai dibandingkan daerah aliran sungai di iklim yang lebih hangat, yang dapat memiliki anak-anak sungai yang luas yang tersebar di seluruh lanskap. Del Vecchio, yang sekarang menjadi peneliti tamu di Dartmouth dan asisten profesor di College of William and Mary, menyusun penelitian ini pada tahun 2019 saat melakukan kerja lapangan di Alaska. Ia mendaki bukit dari tempat kerjanya di tepi sungai dan melihat pemandangan lereng gunung terjal yang tidak terputus oleh sungai atau aliran sungai kecil.

“Tampaknya lereng bukitlah yang menang dan salurannya kalah,” kata Del Vecchio. “Kami ingin menguji apakah suhulah yang mempengaruhi lanskap ini. Kami sangat beruntung memiliki jumlah data permukaan dan ketinggian digital yang dihasilkan dalam beberapa tahun terakhir. Kami tidak dapat melakukan penelitian ini beberapa tahun yang lalu.”

Temuan dan Analisis Studi

Para peneliti meneliti kedalaman, topografi, dan kondisi tanah di lebih dari 69.000 daerah aliran sungai di Belahan Bumi Utara – mulai dari Tropic of Cancer hingga Kutub Utara – menggunakan data satelit dan iklim. Mereka mengukur persentase lahan yang ditempati oleh setiap jaringan saluran sungai di dalam daerah aliran sungainya, serta kecuraman lembah sungai.

Empat puluh tujuh persen wilayah sungai yang dianalisis terbentuk oleh lapisan es. Dibandingkan dengan daerah aliran sungai yang beriklim sedang, lembah sungai di wilayah ini lebih dalam dan curam, dan sekitar 20% lebih sedikit lanskap di sekitarnya yang ditempati oleh saluran. Kesamaan ini terjadi meskipun ada perbedaan dalam sejarah glasial, latar belakang kecuraman topografi, curah hujan tahunan, dan faktor lain yang mungkin menentukan daya tarik air dan tanah, lapor para peneliti. Cekungan sungai Arktik terbentuk oleh satu kesamaan yaitu lapisan es.

“Tidak peduli bagaimana kita membaginya, wilayah dengan saluran sungai yang lebih besar dan lebih banyak akan menjadi lebih hangat dengan suhu rata-rata yang lebih tinggi dan lapisan es yang lebih sedikit,” kata Del Vecchio. “Anda membutuhkan lebih banyak air untuk membuat lembah di daerah yang terdapat lapisan es.”

Kekuatan lapisan es dalam membatasi jejak sungai di Kutub Utara juga memungkinkan sungai menyimpan sejumlah besar karbon di bumi yang membeku, menurut penelitian tersebut. Untuk memperkirakan karbon yang akan dilepaskan dari daerah aliran sungai ini akibat perubahan iklim, para peneliti menggabungkan jumlah karbon yang tersimpan di lapisan es dengan erosi tanah yang disebabkan oleh pencairan tanah dan tersapu oleh aliran sungai Arktik.

Dampak Perubahan Iklim dan Kekhawatiran di Masa Depan

Penelitian menunjukkan bahwa suhu di Kutub Utara telah menghangat lebih dari 3,6 derajat Fahrenheit (2 derajat Celcius) di atas suhu pra-industri, atau kira-kira sejak tahun 1850, kata Del Vecchio. Para ilmuwan memperkirakan bahwa pencairan lapisan es Arktik secara bertahap dapat melepaskan antara 22 miliar hingga 432 miliar ton karbon dioksida pada tahun 2100 jika emisi gas rumah kaca saat ini dapat dikendalikan – dan sebanyak 550 miliar ton jika tidak, katanya. Badan Energi Internasional memperkirakan bahwa konsumsi energi pada tahun 2022 melepaskan lebih dari 36 miliar ton karbon dioksida ke atmosfer, yang merupakan angka tertinggi sepanjang masa.

Arktik telah beradaptasi dengan cuaca dingin begitu lama sehingga para ilmuwan tidak tahu berapa banyak, atau seberapa cepat, karbon akan dilepaskan jika lapisan es mencair dalam skala waktu yang dipercepat, kata Palucis, yang kelompok penelitiannya menggunakan Arktik sebagai proksi. . Untuk Mars untuk mempelajari proses permukaan Planet Merah. “Meskipun Arktik pernah mengalami pemanasan di masa lalu, hal yang menakutkan adalah betapa cepatnya pemanasan saat ini. “Lanskap harus merespons dengan cepat dan ini bisa menimbulkan trauma,” katanya.

Palucis mengenang perjalanan penelitiannya ke Kutub Utara ketika dia melihat bongkahan batuan dasar seukuran bangunan kecil yang putus dari tebing. Penyebab retaknya adalah aliran kecil air yang merembes ke dalam batuan dan melemahkannya.

“Ini adalah lanskap yang beradaptasi dengan kondisi yang lebih dingin, jadi ketika Anda mengubahnya, sedikit saja air yang mengalir melalui bebatuan sudah cukup untuk menyebabkan perubahan besar,” kata Palucis.

“Pemahaman kita tentang lanskap Arktik kurang lebih sama dengan pemahaman kita tentang lanskap beriklim sedang 100 tahun lalu,” ujarnya. “Studi ini merupakan langkah awal yang penting untuk menunjukkan bahwa model dan teori yang kami miliki mengenai daerah aliran sungai beriklim sedang tidak dapat diterapkan di wilayah kutub. Ini adalah serangkaian pintu baru yang harus dilalui untuk memahami lanskap ini.”

Inti sedimen yang dikumpulkan dari Arktik telah menunjukkan limpasan tanah dan simpanan karbon yang luas sekitar 10.000 tahun yang lalu, yang mengindikasikan wilayah yang jauh lebih hangat dibandingkan saat ini, kata Del Vecchio. Saat ini, wilayah seperti Pennsylvania dan Amerika Serikat Atlantik Tengah yang terletak tepat di sebelah selatan gletser Zaman Es yang terjauh menandakan masa depan Arktik modern.

“Kami memiliki beberapa bukti dari masa lalu bahwa banyak sedimen yang terlepas ke laut selama pemanasan,” kata Del Vecchio. “Dan sekarang kami memiliki gambaran dari makalah kami yang menunjukkan bahwa Arktik akan memiliki lebih banyak saluran air seiring dengan meningkatnya suhu. Namun semua itu tidak sama dengan mengatakan, 'Inilah yang terjadi jika Anda memotret pemandangan dingin dan menaikkan suhunya dengan sangat cepat.' Saya rasa kita tidak tahu bagaimana hal itu akan berubah.”

Referensi: “Luasnya tutupan es menentukan kepadatan drainase di Arktik” oleh Joanmarie Del Vecchio, Marisa C. Palucis dan Colin R. Meyer, 1 Februari 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2307072120

Studi ini didanai oleh National Science Foundation, Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional, Kantor Penelitian Angkatan Darat, dan Institut Sains Komputasi Neukom.