Trapped Greenhouse Gas in Permafrost Active Layer

Abstract

북반구 고위도 지역의 영구동토는 지난 빙하기 이후 퇴적되어 온 유기물들이 급격히 얼어붙어 분해되지 않은 상태로 저장되어 있다고 알려져 있다. 최근 지구 온난화로 인해 특히 표면 근처 영구동토 층에 저장되어 있던 유기물이 분해될 수 있고 유기물을 구성하던 탄소는 온실기체 형태로 대기 중에 방출될 것이다. 그러나 이러한 현상을 지구 탄소 순환 모델에 포함시키기에는 아직 온실기체 방출량 추정에 불확실성이 높다. 영구동토 지역의 온실기체 방출을 단순히 짧은 기간 동안의 표면 측정 결과에서 추정한다면, 실제 그 지역의 방출 기여도를 과소 또는 과대 평가할 가능성이 있다. 선행연구들에서 지표 아래에 저장되어 있던 유기물의 분해로 인해 생성된 온실기체가 표면 쪽 토양이 얼어붙은 상태에서 기체 투과성이 낮아져 땅 속에 일시적으로 갇혀 있을 수 있다는 보고가 있었다. 이렇게 갇혀 있던 기체들이 토양 층이 다시 녹아 기체 투과성이 회복되면서 급격히 대기 중으로 이동하면, 표면 관측에서 환경 조건에서 예상되는 온실기체 생성을 능가하는 온실기체 방출량이 일시적으로 관찰될 수 있다. 그럼에도 이전의 연구들은 이 같은 이상 방출 현상의 원인이 될 수 있는 땅 속 온실기체 분포 상황에 대해서는 충분히 관심을 가지지 않았다. 이 연구에서는 겨울철 얼어 있는 토양의 온실기체 농도 프로파일이 봄철 토양 표면이 녹으며 나타나는 그러한 일시적인 방출량 증가에 선행한다고 가정하였다. 이를 확인하기 위하여, 2013년 이른 봄 알래스카의 땅이 아직 녹기 전에 위도와 식생이 서로 다른 다섯 곳의 사이트에서 90 센티미터 길이의 코어 샘플을 채취하였다. 샘플에 대해 이산화탄소, 메탄, 그리고 다른 토양 성분들을 약 5에서 10 센티미터 간격으로 측정하여 수직 프로파일로 그려보았다. 흥미롭게도 두 개의 메탄 프로파일에서 특정 깊이의 메탄 함량이 다른 깊이보다 훨씬 높아지는 모양이 관찰되었다. 이것은 앞서 언급한 기체 갇힘 현상의 결과로 나타났을 것이라 생각하였고, 본 연구에서는 편의 상 메탄 피크 라고 부르기로 하였다. 이러한 메탄 피크 형성에는 토양 층의 온도 역전 현상이 기여하였을 것이다. 토양이 표면부터 얼 때, 상대적으로 따뜻하게 유지된 땅 속 환경에서 미생물 활동이 촉진되어 메탄이 생성될 수 있었을 것이고, 얼어붙은 표면 탓에 생성된 메탄 기체의 방출은 방해를 받아 겨울 내내 땅속에 높은 농도로 남아 있을 수 있었을 것이다. 이렇게 갇혀 있는 메탄이 영구동토 지역 토양 층의 얕은 깊이에 존재할 경우 이듬해 봄 또는 여름철 주변 토양이 녹으면서 쉽게 대기 중으로 방출되거나 산화되어 버릴 수 있을 것이다. 반면에 갇힌 메탄이 더 깊은 곳에 위치하여 이듬해 여름 토양이 최대로 녹는 깊이(활동층 두께)가 갇혀 있는 곳까지 도달하지 못한다면, 토양이 더 깊이 녹을 때까지 여러 해 동안 갇힌 채로 남아 있을 수도 있을 것이다. 이러한 결과들을 생각해 볼 때, 영구동토 지대에서 나타나는 온실기체 방출 현상은 갇힌 메탄의 존재에 의해 더욱 복잡해질 수 있다.

Permafrost at high northern latitudes is thought to contain a substantial amount of organic carbon that has accumulated since the last glacial period. Under warming conditions, greenhouse gas (GHG) emission to the atmosphere will inevitably occur through the decomposition of the stored carbon especially in near-surface permafrost. However, significant uncertainties still remain in incorporating this phenomenon into global carbon cycle models due to lack of robust estimation of the GHG emission. If the GHG efflux is merely extrapolated from surface measurements for a short period, the amount of GHG might be under- or overestimated. Previous studies suggested that a gas impermeable surface present during winter can temporarily hinder the emission of GHG formed at the subsurface. Such accumulated GHG can generate anomalously high efflux when it is outgassed all at once by seasonal thaw of the surface active layer. Nevertheless, previous research has relied on observation at the surface without sufficient consideration of the subsurface process. This study hypothesized that gas concentration profiles of winter soil columns would show a transition state of subsurface trapped gas before spring release. To confirm this, five 90 cm-long soil cores were drilled at various latitudes and vegetation sites in Alaska during early spring of 2013, when the ground was still frozen and snow-covered. Vertical profiles of CO2, CH4, and other soil properties were analyzed within 5–10-cm depth resolutions. Interestingly, two CH4 profiles revealed high concentrations (up to 416 µmolCH4 L-1soil) at certain depths implying frustrated GHG transport to the surface, named CH4 peaks. Temperature inversion in late autumn may promote the formation of such CH4 peaks. That is, relatively warm underground conditions encourage microbial activity and the upper frozen layer inhibits upward transport of produced CH4. The trapped CH4 at shallow depths can be either released to the atmosphere or oxidized within soil columns as the temperature rise defrosts the surrounding matrix. In contrast, the CH4 peak in the deeper layer might be preserved for several years depending on the maximum thaw depth in the coming years. Taking these findings into consideration, estimation of GHG efflux from permafrost soil columns can be complicated by the existence of trapped CH4.