Arktída sa otepľuje niekoľkokrát rýchlejšie ako zvyšok zemegule. Toto arktické zosilnenie rýchlo mení hydrometeorologické podmienky, čo má dôsledky pre studené suchozemské a vodné ekosystémy. Permafrost, definovaný ako pôda alebo hornina zamrznutá minimálne dva po sebe nasledujúce roky, pokrýva v severnej hemisfére približne 14 miliónov km². Tieto permafrostom postihnuté pôdy obsahujú obrovské zásoby organického uhlíka, odhadované na 1 100 až 1 500 Pg, čo je približne dvojnásobok množstva v predindustriálnej atmosfére. Okrem toho subakvatický permafrost na arktickom šelfovom dne uchováva ďalších 2 800 Pg uhlíka.

Chladné a zamrznuté podmienky v permafroste spomaľujú rozklad organickej hmoty. So stúpajúcimi teplotami sa táto organická hmota môže uvoľňovať do atmosféry ako CO₂ alebo CH₄, skleníkové plyny zosilňujúce klimatické zmeny. Hoci čisté toky uhlíka z permafrostu v súčasnosti nie sú veľmi výrazné, súčasná rýchlosť otepľovania a rozmrazovania je bezprecedentná za posledných niekoľko tisíc rokov, čo naznačuje možnú zmenu v budúcnosti. Reformácia roztopeného permafrostového uhlíka je extrémne pomalý proces, čo robí tieto zmeny prakticky ireverzibilnými na ľudských (viacdekádnych) časových škálach. Preto sa permafrostový systém navrhuje ako preklopný prvok v zemskom systéme. Preklopný prvok je zložka zemského systému, ktorá je náchylná na bod zlomu, čo je kritický prah, za ktorým sa systém reorganizuje, často náhle a/alebo ireverzibilne.

Rozmrazovanie permafrostu môže prebiehať postupne, ako prehlbovanie aktívnej vrstvy, alebo lokálne, náhlou deformáciou povrchu (termokras) spôsobenou topením nadbytočného ľadu v pôde. Termokras často vedie k vzniku termokrasových jazier alebo retrográdnych zosuvov roztopenej pôdy (RTS). Tieto náhle procesy rozmrazovania, hoci v súčasnosti nie sú zahrnuté vo všetkých modeloch, môžu viesť k významnému uvoľňovaniu skleníkových plynov a sú považované za lokálne preklopné prvky v rámci permafrostového systému.

Arktické jazerá, mnohé z nich termokrasové, zohrávajú dôležitú úlohu v uhlíkovom cykle, pričom uvoľňujú CO₂ a CH₄ z rozkladajúcej sa organickej hmoty. Pozorovania zmien v jazere naznačujú skôr postupné ako náhle prechody. Celkovo sa plocha otvorenej vody v Arktíde zvyšuje aj znižuje, s tendenciou k menšej celkovej ploche, čo signalizuje regionálne vysychanie. Analýza časových radov hladín jazernej vody naznačuje, že hydrológia jazier sa v regiónoch permafrostu mení. Známkou znižujúcej sa odolnosti systému môže byť zvýšená časová autokorelácia hladiny jazernej vody, čo je predzvesť možného posunu k inému stavu. Tieto pozorovania sú zatiaľ primárne dostupné pre väčšie, ľadovcami formované jazerá, zatiaľ čo menšie termokrasové jazerá vyžadujú satelitné dáta s vyšším rozlíšením.

Pozorovanie Zeme (EO) je užitočné na monitorovanie prebiehajúcich zmien v permafroste a sladkovodných systémoch, najmä extrémnych udalostí a narušení, ktoré môžu byť indikátormi možného bodu zlomu. Extrémne udalosti ako vlny horúčav, povodne a požiare môžu spustiť náhle rozmrazovanie permafrostu. Monitorovanie z kozmu, napriek súčasným limitáciám rozlíšenia a oblačnosti, sa zlepšuje s novými satelitmi ako Copernicus Sentinel-1C. Pri analýze zmien vodnej plochy z družíc je dôležité oddelene posudzovať jazerá od záplavových oblastí.

Modelové simulácie naznačujú, že zmeny v hydrológii permafrostu môžu mať významné účinky na hydroklímu v trópoch a subtrópoch, ovplyvňujúc iné potenciálne preklopné prvky, ako je amazonský dažďový prales alebo vegetácia Sahelu. Hoci sa v klimatickej odpovedi nezistili jasné prahové hodnoty alebo náhle zmeny, ani postupné zmeny v klíme nemusia viesť k nelineárnym zmenám v emisiách CO₂ a CH₄ kvôli nelinearitám v ekosystémovej odpovedi. Hoci uvoľňovanie uhlíka z permafrostu simulované existujúcimi modelmi je skôr postupné, existencia viacerých stabilných stavov v permafrostových systémoch naznačuje možnosť lokálneho preklápania ekosystémov a zásob uhlíka v pôde, aj keď skôr na storočných ako dekádnych časových škálach. Zostáva otázka, či Arktída bude v budúcnosti suchšia alebo vlhšia, a táto zmena vo vlhkosti je dôležitá pre hydrometeorologické zmeny ďaleko za Arktídou.

Na záver, hoci pan-arktické uvoľňovanie uhlíka sa zatiaľ javí ako postupné, existuje možnosť lokálnych preklopných bodov a zmien režimu, najmä v hydrologických systémoch jazier. Neustále monitorovanie pomocou Pozorovania Zeme a vylepšené modely sú kľúčové na pochopenie týchto dynamík a určenie, či permafrostový systém môže ako celok dosiahnuť nelineárnu odpoveď. JaroR

Článok publikovaný  v časopise Surveys in Geophysics

Slovník kľúčových pojmov

• Aktívna vrstva: Vrstva pôdy nad permafrostom, ktorá každoročne sezónne zamŕza a rozmŕza.
• Arktické zosilnenie: Fenomén, pri ktorom sa Arktída otepľuje oveľa rýchlejšie ako globálny priemer.
• Biogeofyzikálne spätné väzby: Interakcie medzi biologickými a fyzikálnymi zložkami Zemského systému, ktoré môžu ovplyvniť klímu.
• Časová autokorelácia (TAC): Miera korelácie medzi hodnotami v časovom rade s časovým oneskorením; používa sa na identifikáciu skorých varovných signálov blížiacich sa zmien režimu.
• Nezvratnosť: Stav, v ktorom je zotavenie systému z narušeného stavu v dôsledku prirodzených procesov podstatne pomalšie ako časový rámec záujmu.
• Permafrost: Zem (pôda alebo hornina), ktorá zostáva zamrznutá (pri teplote 0°C alebo nižšej) najmenej dva po sebe nasledujúce roky.
• Prelomový bod (Tipping Point): Kritická prahová hodnota, za ktorou malá zmena vo vonkajšej sile môže viesť k rozsiahle, často náhlej a nezvratnej zmene v systéme.
• Prelomový prvok (Tipping Element): Veľká zložka Zemského systému, ktorá je náchylná na prelomový bod.
• Retrográdne termické zosuvy (RTS): Typ termokarstového útvaru charakterizovaný zlyhaním svahu spôsobeným topením pôdneho ľadu, čo vedie k odlesnenej jazvovej ploche.
• SAR (Synthetic Aperture Radar): Typ radaru, ktorý sa používa v zemskom pozorovaní a poskytuje obrázky s vysokým rozlíšením povrchu Zeme, neovplyvnené oblačnosťou.
• SWI (Superfine Water Index): Index odvodený z multispektrálnych dát na odhad percentuálneho pokrytia povrchovou vodou.
• Talik: Vrstva nezamrznutej pôdy v permafrostovej oblasti, ktorá pretrváva po celý rok; často sa nachádza pod jazerami alebo riekami.
• Termokarst: Proces topenia permafrostu vedúci k poklesu povrchu a vzniku nepravidelného terénu, ako sú termokarstové jazerá a depresie.
• Zemské pozorovanie (EO): Zber a analýza informácií o Zemi pomocou diaľkového snímania, najmä zo satelitov.