År 2019 seglar ett forskningsfartyg i Beauforthavet norr om Kanada. Men när data från skanningen av havsbottnen tickar in blir forskarna osäkra på om deras fartyg befinner sig på rätt plats.
Mätningarna visar nämligen ett helt annat underhavslandskap än bara nio år tidigare.
Då var havsbottnen i stort sett platt. Nu hittar de i stället ett enormt hål där – 24 meter djupt, 100 meter brett och mer än 200 meter långt.
En extra kontroll av deras gps visar att forskarna från Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) i Kalifornien är precis där de ska vara. Det är alltså inte positionen som har ändrats. Det är själva havsbottnen.
När forskarna senare går igenom alla data ser de att hålet är långt ifrån den enda förändringen. Överallt längs branten mot djuphavet norr om Kanada har det uppstått djupa hål, underliga småberg och stora skred.
Permafrosten drar sig tillbaka
I takt med den globala uppvärmningen har gränsen för permafrost på land (grått) dragit sig norrut med i genomsnitt en kilometer om året. Smältbrottet skapar stora problem, eftersom fast mark fort förvandlas till slam. Nu har ett forskningsfartyg (kryss) för första gången observerat att avsmältningen alltså även pågår på havsbottnen (ljusblått).
Maringeologen Charles K. Paull är ledaren för de forskare från MBARI, som var först att undersöka förändringarna av den arktiska havsbottnen.
Målet är först och främst att ta reda på hur smältande permafrost formar havsbottnen. Men studien är också en viktig pusselbit för att förstå ett av de allra största hoten mot liv på jorden.
Det råder kaos på havsbottnen
När sediment som slam, lera och sand är frusna året runt kallar forskarna det permafrost. Fenomenet uppstod i början av den senaste istiden för cirka 100 000 år sedan och har existerat i de arktiska regionerna sedan dess – även nere i havsbottnen.
Det kan tyckas lite märkligt att en havsbotten kan vara frysen, men det beror på att vattentemperaturen nära bottnen av Norra ishavet faktiskt är minus 1,4 grader.
Saltvatten har en lägre fryspunkt än färskvatten och havsbottnen är alltså frusen därför att vattnet nere i sedimentet är färskt och fryser vid noll grader, medan havsvattnet ovanför är salt och har en lägre fryspunkt.
-1,4 grader kallt bottenvatten håller permafrosten nedkyld i Norra ishavet.
För att kartlägga havsbottnen i Beauforthavet använde forskarna från MBARI en sonar, som mäter avstånd genom att skicka ut ljudvågor. Så snart ljudvågorna träffar något skickas de tillbaka mot sonaren och genom att mäta det returnerade ljudet går det att räkna ut avståndet till exempelvis en ubåt eller till havsbottnen.
Undersökningarna utfördes med en avancerad sonar, som sänder ut ett brett spektrum av ljudvågor och därmed kan kartlägga en stor del av havsbottnen på samma gång.
I det undersökta området var havsdjupet mellan 100 och 200 meter, vilket gav sonaren en precision på cirka två meter. Även om det låter som en stor felmarginal är det mer än tillräckligt för att upptäcka de otroliga förändringar på havsbottnen, som har uppkommit mellan det första försöket 2010 och det senaste 2019.
Olika typer av undervattensfarkoster har undersökt havsbottnen med bland annat sonarer och upptäckt stora förändringar i terrängen till följd av tinande permafrost.
Sonarmätningarna och efterföljande undersökningar med fjärrstyrda ubåtar resulterade i en översikt som visar tre radikala förändringar av havsbottnen.
Den mest markanta förändringen är de enorma hål som är upp till 20 meter djupa och mäter flera hundra meter på varje ledd. Dessutom var områden av havsbottnen täckta av underliga, meterhöga toppar, samt djupa ärr efter skred nedför branten mot djuphavet.
Mätningarna visar att förändringarna av havsbottnen uppstår därför att permafrosten smälter. Det ligger nära till hands att tro att avsmältningen beror på varmare havsvatten, men enligt Charles K. Paull och hans kolleger är det inte så det ligger till.
Isen smälter därför att det inifrån land flyter färskt grundvatten 200 kilometer under havsbottnen. Grundvattnets temperatur ligger precis över fryspunkten och är precis tillräckligt för att smälta block av fruset färskvatten i havsbottensedimentet.
När blocken smälter så kollapsar havsbottnen och bildar de djupa hålen.
Gammalt grundvatten löser upp havsbottnen
På land försvinner permafrosten på grund av global uppvärmning, men under vattnet går de processer som får havsbottnen att smälta ända tillbaka till den senaste istiden.
1. Skål har varit frusen i 100 000 år
I den kanadensiska delen av Beauforthavet är området mellan kusten och kanten till djuphavet format som en skål. Havsbottnen består bland annat av slam, som har varit fruset sedan början av den senaste istiden för 100 000 år sedan.
2. Grundvatten smälter sig fram
Inifrån land sipprar grundvatten ut 200 kilometer längs skålens undersida och stiger uppåt vid kanten av djuphavet. Vattnets temperatur ligger precis över fryspunkten och smälter bottenslammet, men fryser själv när det möter det -1,5 grader kalla havsvattnet.
3. Istoppar och djupa hål uppstår
Där grundvattnet stiger uppåt och fryser till, bildas det små toppar kallade pingor. På andra platser smälter block av is under havsbottnen, vilket skapar upp emot 20 meter djupa hål, medan tinat bottenslam glider ned längs branten mot djuphavet.
På branten ned mot djuphavet pågår ungefär samma process. När isen smälter, glider sedimentet eftersom det inte längre finns något som håller ihop det.
Men det är annorlunda med de märkliga topparna. De uppstår när det färska grundvattnet sipprar ända upp till havsbottnen, där det möter det iskalla havsvattnet och fryser till. Samma fenomen sker på land, där jordbackar med en kärna av is uppstår när grundvattnet i områden med permafrost stiger uppåt och fryser till is.
Backarna kallas pingor och i bland annat Sibirien och Alaska har processen förändrat landskapet helt och skapat pingor som är över 50 meter höga och flera kilometer breda.
Avsmältning orsakar kaos på land
Men medan antalet pingor på havsbottnen uppenbarligen ökar, så försvinner de på land och lämnar kvar hål som kallas pingoruiner. Orsaken är den globala uppvärmningen.
Klimatforskarna har nämligen både förutspått och nu observerat hur temperaturen i Arktis stiger upp emot fyra gånger så fort som i resten av världen – speciellt på vintern.
Fenomenet kallas arktisk förstärkning, vilket innebär att temperaturen i exempelvis norra Sibirien de senaste 25 åren har stigit med 0,2 grader om året och i dag är upp emot fem grader högre än i slutet av 1990-talet.
5 grader har temperaturen i norra Sibirien stigit under de senaste 20-25 åren.
Det får naturligt nog permafrosten att tina. Och konsekvenserna är dramatiska.
När permafrost försvinner så sker det uppifrån och ned. Det översta lagret smälter alltså först, medan det fortfarande finns is längre ned. Smältvattnet kan inte tränga ned i marken, så det översta jordlagret blir näst intill flytande.
Resultatet blir ofta ett lager tunnflytande slam, som lätt ger vika under vikten av ett hus, en bro eller en väg.
Men smältande permafrost skapar inte bara kaos för invånarna i Arktis – den kan bli ett problem för hela jordklotet.
Permafrosten innehåller nämligen stora mängder fryst växthusgas samt döda och begravda växtrester som kan frisätta ännu mer gas när bakterier sätter fart på förruttnelsen igen.
Enligt klimatforskarna är smältande permafrost en så kallad positiv återkopplingsmekanism för den globala uppvärmningen, eftersom växthusgaser frisätts när värmen smälter isen i marken. De gaserna får sedan jordens temperatur att öka ytterligare med konsekvensen att ännu mer permafrost smälter i en självförstärkande spiral.
Slam döljer klimatbomb
Det är oklart exakt hur mycket växthusgas i form av koldioxid och metan som har fångats i permafrosten på land.
Men forskarna bakom en rapport från FN:s klimatpanel som publicerades 2018 uppskattar att det motsvarar en dubblering av den mängd koldioxid som finns i atmosfären i dag, vilket vill säga cirka 410 ppm. Ppm betyder miljondelar och 410 ppm innebär att det finns 410 koldioxidmolekyler i varje miljon luftmolekyler.
En total nedbrytning av permafrosten skulle alltså släppa ut växthusgaser motsvarande ytterligare 800 ppm koldioxid, vilket skulle ge en sammanlagd mängd koldioxid på 1 200 ppm – och få den globala uppvärmningen att löpa amok.
Smältande permafrost gör skogsmarken flytande. Det leder till så kallade drunken trees, som kämpar för att få fotfäste.
Gasutsläppet från marken är dock långt mindre än det hot som gömmer sig på havsbottnen, för den innehåller mer än 100 000 år gammal is inkapslad i bottenslam.
Forskarna tror att det på många platser döljer sig enorma mängder så kallade gashydrater, som är fryst gas med isliknande struktur.
Gashydrater består huvudsakligen av metan, som är en betydligt mer potent växthusgas än koldioxid. Sett över en period på hundra år är metanets uppvärmningspotential faktiskt 27-30 gånger större än koldioxidens.
Det är inte så många forskare som på allvar befarar ett massivt utsläpp av metan från tinande gashydrater, men bland andra svenska och ryska forskare har visat att metanet redan har börjat befria sig från den smältande havsbottnen och ta sig upp i atmosfären.
I och med expeditionen i Beauforthavet har forskarna för första gången fått påtagliga bevis för att permafrosten även är på väg att smälta på havsbottnen.
Och även om de inte kan vända på den 100 000 år gamla processen, så ska nya expeditioner följa utvecklingen och avgöra hur nära permafrosten är en total kollaps.