Climatic forcing of terrestrial methane gas escape through permafrost in Svalbard

Frigjøring av metan fra det aktive laget over permafrosten er kjent som en potensielt skadelig klimagasskilde. Derimot har vi liten forståelse for hvordan dypere metankilder i og under permafrosten kan nå atmosfæren. Opptining av permafrost og isbreer er to klimadrevne prosesser som kan forårsake dette. I vårt prosjekt overvåket vi derfor permafrosten og isbreene på Svalbard. Vi har funnet ut at grunnvann som beveger seg dypt under permafrosten enten i dalbunnen eller under isbreene kan bære svært høye konsentrasjoner av metan. Mengden grunnvann som strømmer til landoverflaten hvert år er derfor svært viktig. Prosjektet har kartlagt alle grunnvannskilder som inneholder metan på Midt-Svalbard (6300 km2). Vi fant ett eller flere aktive kilder på 94 steder og estimerte utslipp opp til 270 tonn per år. Dersom det er representativt for hele Svalbards landområde, tilsvarer de totale utslippene 10 % av utslippene knyttet til Norges olje- og gassektor. Glaciale kilder er de klart vanligste (84 %) og finnes for det meste nær fronten av isbreer som trekker seg tilbake. Vi har også observert meget store metanutslipp i front av en fremskridende isbre og på havbunnen foran flere marint terminerende isbreer. Numerisk modellering av disse ulike grunnvannskildene har påvist veldig lange (tusenvis av år) opphold under permafrosten i dalbunnen i motsetning til korte (dager) opphold under breer. Kontinuerlig overvåkning ved begge typer grunnvannskilder har vist hvordan de fysiske forholdene ved utspringene er viktig for å regulere mengden gass som frigis til atmosfæren. Kilder som ender i innsjøer opplever signifikante tap av metan før gassen har en mulighet til å entre atmosfæren. De som springer ut under turbulente forhold, som eksempelvis i form av en bekk eller elv, viser mye høyere utslippsrater. På de viktigste stedene domineres utslippet av gassbobler som dannes etter fall i vanntrykket. Dette betyr at det er mindre tid tilgjengelig for fjerning fordi boblene stiger raskt til overflaten. Mikrobiell analyse av kildene viser at en stor andel av mikroorganismene som lever nær utslippssonene benytter metan som en energikilde og bidrar dermed til å redusere metanutslippene. Andre mikroorganismer er assosiert med produksjon av metan, men bevisene tyder på at de mest aktive og rikeligste mikroorganismene er assosiert med metanfjerning. Våre geokjemiske målinger indikerer at mesteparten av metanet er geologisk opphav. Men i Adventdalen og Fulmardalen er gassen mikrobiell opphav. Det er ikke klart hvorfor fordelingen av gasskilder varierer slik. Vi mistenker imidlertid at det meste av det biogene metanet har vært fanget under permafrosten i flere tusen år. Hovedbekymringen når det gjelder klimaendringer er at utslippet av metan foran tilbaketrekkende isbreer vil øke raskt fordi mer bresmelting vil øke grunnvannstrykket. Siden det antas at mesteparten av gassen har samlet seg under permafrosten gjennom tusenvis av år, vil utslippene etter hvert avta. Imidlertid antas det også at den nåværende gassutslippshastigheten er svært lav sammenlignet med det totale gassvolumet. Dette er fordi permafrost foreløpig forblir en effektiv tetning. Tilbaketrekkende isbreer er derfor hovedproblemet fordi de avslører nytt land der permafrost ennå ikke har dannet seg, eller hvor det er mye tynnere.

1) We have put Svalbard "on the map" with respect to the research being undertaken to understand methane emission from permafrost landscapes. This has occurred in tandem with a similar development of research into sea floor gas emissions from Svalbard's coastal and continental shelf environments. We have demonstrated that Svalbard's methane emissions are quite unlike those in other well-studied parts of the Arctic due to its high relief periglacial landscape, rapid climate warming and ongoing isostatic uplift. 2) We have identified novel microorganisms responsible for methane removal and we have identified that potential important microorganisms usually encountered in the deep sea may be sampled far more easily on foot at seepages in lowland Svalbard permafrost. 3) Future research impact linked to the above will involve the integration of terrestrial and marine methane dynamics, a process we have already begun via our publications describing methane in Svalbard fjords and will continue via our next publications and grant applications. We will therefore help foster an interdisciplinary understanding of changes in regional methane dynamics as a consequence of climate change. 3) The Project owners (UNIS) have embedded CLIMAGAS research into its teaching and learning, further adding to the unique opportunities we can offer to the next generation of Arctic scientists. 4) The project reached tens of thousands of visitors to Svalbard Museum due to the exhibition led by Hanne Christiansen, which ran throughout the Easter and summer tourist seasons during the post-covid "more business than usual" return of tourism to Svalbard. 5) The research has the potential to influence the Longyearbyen community's ongoing search for an alternative energy supply. The gas resource beneath the permafrost could provide local energy for some time, but the politics of its utilisation are very difficult to navigate. We are discussing the best way of improving our dialogue with relevant stakeholders whilst also trying to quantify and explain the risk of leaving the methane to escape to the atmosphere via natural processes responding to further climate change.

The release of methane from beneath retreating glaciers and thawing permafrost is a major source of uncertainty in the prediction of future greenhouse gas emissions from the Arctic. Presently we have no basis for predicting these fluxes on account of major uncertainty in the integrated physical, chemical and biological processes that govern how methane is produced, stored and released from these environments. There is great urgency to understand these processes in cases where methane can avoid oxidation or consumption by methanotrophic bacteria. Such removal processes are extremely effective in the case of methane diffusing through the sea floor or the soil's active layer, but we have found that they can be almost completely ineffective in some of the terrestrial groundwater springs of Svalbard and Greenland. Our project faces challenges linked to the observation of processes occurring beneath Arctic glaciers and permafrost. We will therefore use our exceptional data resources from the Adventdalen area, where the sub-surface environment has already been characterised to 900m depth. We will also employ new field techniques developed through pilot research to further quantify the system. These will then be incorporated into a groundwater biogeochemistry model with the capacity to predict methane emissons at the ground surface under current and future conditions. We will draw significant, international research attention to Svalbard, by establishing a "super-site" in the immediate vicinity of Longyearbyen. Here, the rich history of research, mining and polar exploration will greatly facilitate stakeholder engagement. We expect interest from engineers seeking the safe management or exploitation of permafrost methane emissions, Earth scientists seeking improved understanding of Arctic carbon cycling and greenhouse gas dynamics, and policy makers trying to balance poorly known, highly variable natural emissions with more controllable anthropogenic emissions.