Jumlah gas metana yang keluar dari tanah selama periode dingin yang panjang di Arktik setiap tahun dan memasuki atmosfer Bumi kemungkinan jauh lebih tinggi daripada yang diperkirakan oleh model siklus karbon saat ini, menyimpulkan sebuah studi baru utama yang dipimpin oleh Universitas Negeri San Diego dan termasuk para ilmuwan dari Laboratorium Jet Propulsion NASA, Pasadena, California.

Studi ini termasuk tim yang terdiri dari ahli ekologi Walter Oechel (SDSU dan Universitas Terbuka, Milton Keynes, Inggris) dan Donatella Zona (SDSU dan Universitas Sheffield, Inggris) dan ilmuwan dari JPL; Universitas Harvard, Cambridge, Massachusetts; Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional, Boulder, Colorado; dan Universitas Montana, Missoula. Tim menemukan bahwa jauh lebih banyak metana yang keluar dari tundra Arktik selama bulan-bulan dingin ketika permukaan tanah beku (umumnya dari September hingga Mei), dan dari dataran tinggi tundra, daripada asumsi yang berlaku dan model siklus karbon yang sebelumnya diasumsikan. Faktanya, mereka menemukan bahwa setidaknya setengah dari emisi metana tahunan terjadi pada bulan-bulan dingin, dan bahwa tundra dataran tinggi yang lebih kering dapat menjadi penghasil metana yang lebih besar daripada tundra basah. Temuan ini menantang asumsi kritis dalam model iklim global saat ini. Hasilnya diterbitkan minggu ini di Prosiding National Academy of Sciences.

Metana adalah gas rumah kaca yang kuat yang berkontribusi terhadap pemanasan atmosfer, dan sekitar 25 kali lebih kuat per molekul daripada karbon dioksida selama periode 100 tahun. Metana yang terperangkap dalam tundra Arktik terutama berasal dari penguraian mikroba bahan organik di tanah yang mencair secara musiman. Metana ini secara alami merembes keluar dari tanah sepanjang tahun, tetapi para ilmuwan khawatir bahwa perubahan iklim dapat menyebabkan pelepasan emisi yang lebih besar dari bahan organik yang saat ini distabilkan dalam lapisan tanah yang dalam dan beku yang disebut permafrost.

Selama beberapa dekade terakhir, para ilmuwan telah menggunakan instrumen khusus untuk secara akurat mengukur emisi metana di Kutub Utara dan memasukkan hasilnya ke dalam model iklim global. Namun, hampir semua pengukuran ini telah diperoleh selama musim panas yang pendek di Kutub Utara. Periode dingin yang panjang dan brutal di kawasan itu, yang menyumbang antara 70 dan 80 persen tahun ini, sebagian besar “diabaikan dan diabaikan,” menurut Oechel. Sebagian besar peneliti, katanya, mengira bahwa karena tanah membeku selama bulan-bulan dingin, emisi metana praktis untuk musim dingin.

“Hampir semua model iklim mengasumsikan tidak ada atau sangat sedikit emisi metana ketika tanah beku,” kata Oechel. “Asumsi itu salah.”

Air yang terperangkap di tanah tidak membeku sepenuhnya bahkan di bawah 32 derajat Fahrenheit (0 derajat Celcius), jelasnya. Lapisan atas tanah, yang dikenal sebagai lapisan aktif, mencair di musim panas dan mengisi ulang di musim dingin, dan mengalami semacam efek sandwich ketika membeku. Ketika suhu tepat di sekitar 32 derajat Fahrenheit – yang disebut “tirai nol” – bagian atas dan bawah lapisan aktif mulai membeku, sementara bagian tengahnya tetap terisolasi. Mikroorganisme di lapisan tengah yang tidak beku ini terus memecah bahan organik dan memancarkan metana berbulan-bulan ke periode dingin Arktik setiap tahun.

Seberapa banyak metana yang dipancarkan selama musim dingin Arktik? Untuk mengetahuinya, Oechel dan Zona mengawasi peningkatan lima menara sampel untuk memungkinkan mereka beroperasi terus menerus sepanjang tahun di atas Lingkaran Arktik di Alaska. Para peneliti mencatat emisi metana dari situs-situs ini selama dua siklus musim panas-musim gugur-musim dingin antara Juni 2013 dan Januari 2015. Tugas yang sulit membutuhkan instrumen yang sangat khusus yang harus beroperasi secara kontinu dan mandiri melalui dingin yang ekstrem selama berbulan-bulan pada suatu waktu. Mereka mengembangkan sistem de-icing yang menghilangkan bias dalam pengukuran dan itu hanya diaktifkan ketika diperlukan untuk mempertahankan pengoperasian instrumen hingga minus 40 derajat Fahrenheit (minus 40 derajat Celcius).

Setelah menganalisis data, tim peneliti menemukan sebagian besar emisi metana selama musim dingin diamati ketika suhu melayang di dekat nol tirai.

“Ini sangat relevan untuk ekosistem Kutub Utara, karena periode nol tirai berlanjut dari September hingga akhir Desember, berlangsung selama atau lebih lama dari seluruh musim panas,” kata Zona, penulis pertama studi tersebut. “Hasil ini berlawanan dengan apa yang diasumsikan oleh para pemodel, yaitu mayoritas emisi metana terjadi selama bulan-bulan musim panas yang hangat sementara kontribusi metana musim dingin hampir nol.”

Yang mengejutkan, para peneliti juga menemukan bahwa selama musim dingin yang mereka pelajari, emisi metana relatif lebih tinggi di lokasi tundra kering dan kering daripada di lokasi lahan basah, bertentangan dengan asumsi lain tentang emisi metana Arktik. Dataran tinggi Tundra sebelumnya dianggap sebagai kontributor yang dapat diabaikan dari metana, Zona mengatakan, menambahkan bahwa pembekuan permukaan menghambat oksidasi metana, menghasilkan emisi metana bersih yang signifikan selama musim gugur dan musim dingin. Tumbuhan bertindak seperti cerobong asap, memfasilitasi pelarian melalui lapisan beku ke atmosfer. Emisi tahunan tertinggi diamati di lokasi dataran tinggi di kaki Pegunungan Brooks, tempat tanah yang hangat dan lapisan aktif yang dalam menghasilkan tingkat produksi metana yang tinggi.

Untuk melengkapi dan memverifikasi studi di lapangan, John Kimball dari University of Montana dan timnya menggunakan pengukuran sensor gelombang mikro dari instrumen AMSR-E di atas satelit Aqua NASA untuk mengembangkan peta regional penutup air permukaan, termasuk waktu, luas dan durasi banjir musiman dan pengeringan lahan basah di kawasan itu.

“Kami dapat menggunakan data satelit untuk menunjukkan bahwa daerah tundra dataran tinggi yang tampaknya merupakan sumber metana yang lebih besar dari instrumen darat, merupakan lebih dari setengah dari semua tundra di Alaska,” kata Kimball.

Akhirnya, untuk menguji apakah pengambilan sampel spesifik lokasi mereka mewakili emisi metana di seluruh Kutub Utara, para peneliti membandingkan hasilnya dengan pengukuran yang dicatat selama penerbangan pesawat di wilayah yang dibuat oleh Karbon NASA di Eksperimen Kerentanan Waduk Kutub Utara (CARVE).

“Penerbangan CARVE dirancang untuk mencakup sebanyak mungkin tahun ini,” kata Kepala Investigator CARVE Charles Miller dari JPL. “Itu adalah pekerjaan yang menantang, melibatkan ratusan jam terbang dalam kondisi sulit.”

Data dari situs SDSU selaras dengan pengukuran pesawat skala besar, kata Zona.

“Pengukuran pesawat CARVE metana atmosfer menunjukkan bahwa area besar tundra Arktik dan hutan boreal terus memancarkan metana ke atmosfer dengan kecepatan tinggi, jauh setelah permukaan tanah membeku,” kata Róisín Commane dari Universitas Harvard, yang membantu memperoleh dan menganalisis pesawat. data.

Oechel dan Zona menekankan pentingnya bagi pemodel untuk memiliki data dasar yang baik tentang emisi metana dan untuk menyesuaikan model mereka dengan memperhitungkan emisi metana musim dingin Kutub Utara serta kontribusi daerah non-lahan basah, termasuk dataran tinggi tundra.

“Sekarang saatnya untuk bekerja lebih dekat dengan pemodel iklim dan memastikan pengamatan ini digunakan untuk meningkatkan prediksi model, dan memperbaiki prediksi kami tentang anggaran metana global,” kata Zona.

Sangat penting, tambah Oechel, bagi model untuk mendapatkan hasil metana yang benar karena gas merupakan pendorong utama pemanasan atmosfer. “Jika Anda tidak memiliki mekanisme yang benar, Anda tidak akan dapat membuat prediksi ke masa depan berdasarkan kondisi iklim yang diantisipasi,” katanya.

Steven Wofsy dari Universitas Harvard menambahkan, “Sekarang kami tahu betapa pentingnya musim dingin bagi anggaran metana, kami bekerja untuk menentukan tren jangka panjang dalam emisi rumah kaca dari tundra dan sensitivitasnya terhadap pemanasan musim dingin.”