Hvilke drivhusgasser frigives, når den frosne jord tør op? Et varmere klima får mikroorganismerne i permafrosten til at prutte

I denne undersøgelse udforsker du hvilke drivhusgasser, der bliver frigivet, når mikroorganismer nedbryder plantedele og andet organisk materiale i et jordlag. Du laver en model af et jordlag i laboratoriet og påviser, at mikroorganismerne i jorden producerer carbondioxid og metan. Derefter fryser du dit jordlag – for at efterligne permafrost i naturen – og undersøger hvad der styrer gasproduktionen, når jorden tør op igen.  

I undersøgelsen dykker du ned i en vigtig selvforstærkende proces i klimasystemet: Et varmere klima gør, at frossen jord (permafrost) tør op. Når det sker, siver gas op fra jorden, fordi mikroorganismer starter nedbrydningen af organisk materiale, der kan have ligget gemt i den frosne jord i tusindvis af år. Disse gasser, der fungerer som drivhusgasser i atmosfæren, medfører et endnu varmere klima, og forstærker altså den oprindelige opvarmning.  

Overblik over undersøgelsen:

Du kan finde flere idéer til, hvordan du kan udvide undersøgelsen nederstpå siden.

Udstyr (pr. gruppe)

Udstyr til at lave et jordlag, der producerer drivhusgasser 

• Lufttæt bøtte (ca. 2300 ml) med gærlås (som kan holde til at komme i fryseren) 
• Ca. 8 – 9 dl jord fra en skov, have eller plantekrukke (gerne med højt indhold af rådne blade og andet findelt organisk materiale) 
• Ca. 8 – 9 dl organisk materiale, gerne råddent eller gammelt, eksempelvis finthakket overmoden frugt, grønsagsskræller, bioaffald, blade og halm. For at sikre et højt indhold af mikroorganismer i blandingen kan du med fordel tilsætte lidt kaninlort, kompost eller gæret halm (som laves ved at lægge halm i lidt vand ved stuetemperatur i et par uger). 
• Ca. 2 – 3 dl gammelt blomstervand (pga. højt indhold af mikroorganismer) eller almindeligt postevand 
  10 ml mættet kalkvand (calciumhydroxid, Ca(OH)2) eller vand til gærlåsen 
• En urinpose 
• En varm vindueskarm, et varmeskab (inkubator), en varmelampe, en sous vide (køkkenredskab), eller en radiator.

 
Udstyr til at påvise gasproduktion 

• Bøtten med jordblanding, som du har lavet, inkl. gærlås og urinpose 
• 10 ml mættet kalkvand i gærlåsen (samme som tidligere) 
• Datalogger med CO2-sensor (hvis du har) 
• Brandsikkert underlag, eventuelt en brandsikker handske 
• Tændstikker 
• Opvaskemiddel  
• Lille skål med vand 

Klik her for at se vejledning

Udstyr til at lave permafrost 

• Bøtten med jordblanding, som du har lavet, inkl. gærlås og urinpose 
• En fryser 

1. Lav et jordlag der producerer drivhusgas 

Bland jord, organisk materiale og mikroorganismer 

Først skal du lave en jordblanding, som er en model af et jordlag ude i naturen med højt indhold af organisk materiale og mikroorganismer.  

• Bland jord, finthakket gammelt bioaffald og andet organisk materiale i bøtten. 

• Tilsæt gerne lidt kompost, kaninlort eller gammelt blomstervand for at tilføre flere mikroorganismer til blandingen (flere end hvad der i forvejen findes i jorden og det organiske materiale). 

• Tilsæt gammelt blomstervand eller almindeligt postevand. Blandingen må gerne være fugtig, men ikke sjaskvåd. Rør rundt.

• Sæt låget på bøtten.

• Fjern kapslen fra gærlåsen. Sæt gærlåsen i det sorte hul i bøttens låg. Tjek at gærlåsen sidder godt fast, og at der ikke er utætheder.

• Fyld mættet kalkvand (eller postevand) op til stregerne i gærlåsen.
  • Man kan lave mættet kalkvand ved at blande 1 g Ca(OH)₂ i 500 ml demineraliseret vand, lade blandingen hvile 1 døgn og filtrere den. (Dette skal en lærer gøre for dig, da pulveret er stærkt ætsende.) 

• Stik slangen fra urinposen godt ned i gærlåsens hals. Tjek at slangen sidder godt fast. Gærlåsen skal sidde helt tæt omkring slangen. Der er et stykke tape på slangen, der skal hjælpe med dette. 

Stil blandingen på et lunt sted og vent på gasproduktion

Stil bøtten et lunt sted (mellem 18 og 37°C) for at give mikroorganismerne gode betingelser til at nedbryde det organiske materiale. Du kan for eksempel bruge en varm vindueskarm, et varmeskab (inkubator), en varmelampe, en sous vide (køkkenredskab) eller en radiator. Du behøver ikke at bruge en varmekilde, men så vil gasproduktionen være lidt langsommere. 

Vent på at nedbrydningen af plantematerialet starter, og på at der frigives gas fra jordlaget hen over de næste 2 – 8 uger. 

Vi anbefaler du har en fleksibel tidsplan, fordi man ikke præcist kan forudsige, hvornår blandingen begynder at producere gas. Starttidspunktet for gasproduktionen er afhængigt af temperaturen og jordblandingens sammensætning. Derfor er kaninlort eller blomstervand en god kickstarter til gasproduktionen. Når gasproduktionen først er startet, har du god tid til at udføre din undersøgelser, fordi gassen typisk vil blive ved med at frigives hen over nogle uger.  

Læs videre for at se, hvad du skal holde øje med undervejs. 

2. Påvisning af gasproduktion 

Overtryk i bøtten

Det første tegn på gasproduktion er, at der dannes overtryk i bøtten. Overtrykket ses ved, at vandsøjlen i gærlåsen presses opad, og at bøttens låg buler lidt op.  

PS: Et lille overtryk vil også kunne dannes ved opvarmning, fordi bøttens luftindhold udvides, når det bliver varmere. Du vil dog sandsynligvis se, at overtrykket bliver kraftigere, når gasproduktionen starter. 

Urinposen fyldes langsomt med gas 

Hold øje med hvornår urinposen for første gang udvides en lille smule. Det sker, når gas er begyndt at sive fra bøtten og ind i urinposen. Notér datoen. 

Lad bøtten stå indtil urinposen er helt fyldt med gas. (Dette kan tage ca. 2 uger fra du noterede datoen ovenover.) 

Påvisning af CO₂-gas med mættet kalkvand 

Hvis du tidligere fyldte mættet kalkvand i gærlåsen, skal du holde øje med, om der udfældes hvide partikler af calciumcarbonat i bunden af gærlåsen.  

Forklar hvorfor de hvide partikler af calciumcarbonat kan bruges til at påvise, at CO₂-gas produceres i din jordblanding. Brug gerne den kemiske ligning nedenunder:

Mættet kalkvand + carbondioxid → calciumcarbonat + vand

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Eventuel påvisning af CO₂-gas med en CO₂-sensor 

Vent til urinposen er fyldt op med gas. Gassen i posen skal række til både denne CO₂-test og den efterfølgende CH₄-test. Vi anbefaler, at du starter med at læse begge vejledninger og finder udstyr frem til begge tests, inden du går i gang. 

• Tænd en datalogger med en CO₂-sensor og læg den på bordet. Aflæs og notér CO₂-koncentrationen i rummet. 

• Fjern forsigtigt urinposens slange fra gærlåsen. Klem slangens åbning sammen med fingrene for ikke at miste gas fra urinposen (se billede).

• Hold slangens ende tæt op til CO₂-sensorens åbning. Løsn forsigtigt dit greb om slangens ende og stik den forsigtigt ind sensorens åbning. Med den anden hånd klemmer du let på urinposen for at sprøjte gas ind i sensorens åbning i nogle sekunder (se billede).

• Hvad er den maksimale CO₂-koncentration på displayet? Notér resultatet. 

• VIGTIGT: Husk ikke at tømme posen! Du skal bruge resten af gassen i næste test. Klem derfor sammen omkring slangens ende igen. Du kan også vælge at sætte slangen ned i gærlåsen igen. 

• Kan du på baggrund af resultatet konkludere, om din jordblanding har produceret CO₂? 

• Er resultatet i overensstemmelse med forrige test med mættet kalkvand? 

Påvisning af CH4-gas med sæbevand og en tændstik 

MÅ KUN UDFØRES UNDER TILSYN AF DIN LÆRER!

Du skal bruge gassen fra urinposen på samme måde som i ovenstående CO₂-test. 

Stå ved et brandsikkert underlag. 

Bland en god sjat opvaskemiddel i en lille skål med vand. Læg tændstikæsken klar på bordet. 

Sæt enden af slangen ned i skålen med sæbevand. Sprøjt gassen ud i sæbevandet ved at klemme på posen, så du danner skum af sæbebobler i skålen (se billede). 

Brug eventuelt en brandsikker handske. Stå ikke med bøjet hoved hen over skålen. Sæt langt hår op. Smøg ærmerne op på din trøje. 

Sæt meget forsigtigt en tændt tændstik til en af sæbeboblerne. Fjern hurtigt din hånd. Igen, stå ikke med bøjet hoved hen over skålen (se billede). 

Hvad observerer du? 

Kan du på baggrund af dine observationer konkludere, om jordblandingen har produceret CH₄? (Brug gerne oplysningen om at CO₂ ikke er brændbart, når du konkluderer). Vidste du i øvrigt, at CO₂ bruges til at slukke brande? 

Du kan sætte urinposens slange ned i gærlåsen igen, hvis du ønsker at følge den videre gasudvikling og gentage dine tests regelmæssigt. Få inspiration for neden på siden. 

Andre typer af drivhusgasser fra jordblandingen? 

Du har nu udført tre tests, som kan påvise tilstedeværelse af drivhusgasserne CO₂ og CH₄. To andre drivhusgasser, vanddamp (H₂O) og lattergas (N₂O), er måske også til stede i urinposen, men disse to gasser er sværere/umulige at identificere med det udstyr man har i et naturfagslokale.  

3. Fra almindelig jord til permafrost – og tilbage igen 

Stil blandingen i fryseren 

Når du er færdig med at påvise, at der dannes gasser i jordblandingen, er du klar til at stille bøtten i fryseren. Ved at stille bøtten i fryseren forvandler du din jordblanding til en jordlagstype, der findes på ca. 20% af Jordens landareal: Permafrost. 

Fjern gærlåsen fra låget. Luk hullet hvor gærlåsen sad med nogle stykker tape. 

Gem urinposen og gærlåsen til senere brug. 

Sæt bøtten i fryseren og lad den stå indtil blandingen er helt frosset – minimum et døgn, men bøtten må gerne stå i fryseren i længere tid. 

Optøning 

Du skal nu simulere en proces, der i øjeblikket sker mange steder på Jorden, især i Arktis: At permafrosten langsomt tør op. Permafrosten tør, fordi atmosfæren er blevet varmere som følge af en stigning i drivhusgasniveauet de sidste 150 år. 

Tag bøtten ud af fryseren. Fjern tapen fra lågets hul. Sæt gærlåsen i hullet, fyld med vand eller mættet kalkvand og tilslut urinposen på samme måde som tidligere. 

• Spørgsmål: Frigiver jordblandingen drivhusgasser, når den er frosset? 

• Spørgsmål: Hvad tror du, der sker i jordblandingen, når den tør op? Vil gasproduktionen starte igen? Hvilke ingredienser skal være til stede i jorden, for at gasproduktionen går i gang? 

• Spørgsmål: Hold øje med urinposen de næste 3 – 4 dage. Hvad observerer du? Prøv at komme med et bud på årsagerne til det, du observerer.

• Spørgsmål: Læs de to næste afsnit og diskutér om disse to forklaringsmodeller kan bruges til at forklare dine observationer. Kan du komme i tanke om andre mulige forklaringer?

Forsinkelse (responstid) 

Sandsynligvis er der ikke sket meget i bøtten eller urinposen efter nogle få dage. Dette kan skyldes, at mikroorganismerne enten er døde på grund af kulden, eller at de stadig er lidt ”groggy”, så de ikke producerer gas endnu. Derfor vil der være en forsinkelse i gasproduktionen, indtil mikroorganismerne kommer op i gear. Denne forsinkelse er et eksempel på det, vi kalder responstid  Der går altså noget tid, inden mikroorganismerne reagerer (eller responderer) på det varmere klima.

Naturlig tilgang af mikroorganismer 

Din bøtte er lukket med et låg, og vi siger, at bøtten er et lukket system. I et lukket system kan der ikke komme nye friske mikroorganismer ind udefra. Permafrost-lagene, der tør op ude i naturen, er modsat en del af et såkaldt åbent system, hvor mikroorganismer kan vandre på tværs af de forskellige jordlag.

Afslutning af undersøgelsen

Du kan vælge at afslutte dine undersøgelser i laboratoriet her, men du kan også vælge at udforske gasproduktionen efter optøning af bøtten. Få inspiration for neden på siden.

4. Arbejdsspørgsmål

Nedenfor får du mulighed for at arbejde med forskellige emner, som sætter dine egne undersøgelser ind i et bredere perspektiv. Du behøver ikke at svare på alle spørgsmål, men kan vælge dem, der passer bedst ind i jeres forløb. 

Permafrost som et stort lager af frossent kulstof 

I din jordblanding tilsatte du en stor andel plantemateriale for at efterligne et jordlag i permafrostområder. Forklar hvorfor der ofte er et stort indhold af planterester og andet organisk materiale i permafrost.

Hvad sker med organisk materiale, når et permafrostlag i naturen tør op? Hvilke gasser bliver frigivet og ”hvem” producerer gasserne? 

Forskere mener, at næsten 50% af alt det organiske kulstof, der findes i jordbunden på Jorden ligger gemt i permafrosten på den nordlige halvkugle. Kan du finde andre steder i verden hvor økosystemer har meget organisk kulstof bundet i jordlagene? Tegn en skitse over et kulstofkredsløb, du kender fra landjorden, f.eks. en skov eller en mose.  

Hvordan bliver det globale kulstofkredsløb påvirket af permafrostoptøning? Tegn evt. En skitse med pile, der viser, hvordan kulstoffet bevæger sig mellem landjord, atmosfæren og havet. Pilenes bredde kan angive, om transporten fra et sted til et andet er stor eller lille. 

Hvilken forskel gør det for kulstofkredsløbet om et CO2 -molekyle bliver optaget i en muslingeskal og bundet som kalk, eller bliver optaget af en mikroalges fotosyntese, som en del af f.eks. et sukkermolekyle? Hvor vil kulstoffet hurtigst blive sendt videre i kredsløbet? Kan du komme på andre eksempler, hvor kulstof bliver lagret naturligt i kortere eller længere tid. 

Permafrosten og dens forstærkende effekt på global opvarmning  

Jordens middeltemperatur er steget omkring 1°C siden industrialiseringen, og kaldes global opvarmning. Opvarmningen i Arktis har været omkring dobbelt så kraftig som det globale gennemsnit. Hvilke konsekvenser har denne opvarmning for permafrosten? 

Forklar hvordan drivhusgasudslip fra permafrost i Arktis kan påvirke hele klodens klima. Tegn eventuelt en skitse over drivhuseffekten.

Læs hvad vi mener med en selvforstærkende proces og tegn og forklar, hvordan permafrostoptøning bidrager til et varmere klima på Jorden. Når du er færdig, kan du sammenligne din skitse med dette diagram:

Brug dine egne ord til at forklare, hvorfor vi kalder dette for en selvforstærkende proces eller en positiv feedback-mekanisme.

Vil mere plantevækst og dermed mere fotosyntese, have en positiv eller negativ effekt på drivhusgasproduktionen i permafrostområder? Begrund dit svar.

Giv et eksempel på forhold i selve permafrostlaget, som påvirker, hvor hurtigt permafrosten reagerer på global opvarmning. Hvad betyder fx. vandindholdet i permafrosten?

Ekstra arbejdsspørgsmål: Permafrostens respons på et koldere klima

Forestil dig, at klimaet på Jorden blev koldere af en eller anden årsag, fx. fordi Jordens bane rundt om Solen ændrer sig en lille smule, så mindre solindstråling bliver opsuget af Jordens overflade.

Ville drivhusgasudslippet fra permafrosten blive større eller mindre, hvis det blev koldere?

Ville permafrosten forstærke eller dæmpe den oprindelige afkøling af klimaet?

Prøv at tegne et skitse, som du gjorde før, men hvor den oprindelige temperaturændring er til et koldere klima. Diskutér hvordan permafrosten kan have en selvforstærkende effekt også når klimaet bliver koldere.

Permafrostens selvforstærkende effekt på klimaforandringer er en vigtig brik for at forklare de store temperatursving mellem istider og mellemistider. Du kan lære mere om dette ved at lave denne undersøgelse

Idéer til videre undersøgelser

Ændrer gasproduktionen sig over tid? 

Du kan designe en undersøgelse, hvor du undersøger, om gasproduktionen ændrer sig hen over en periode på nogle uger. Beslut hvor ofte du vil gentage dine målinger, eksempelvis to gange om ugen i tre uger. Her er nogle idéer: 

• Er mængden af gas der produceres konstant hen over perioden? Eller er der perioder, hvor gasproduktionen går hurtigere? Eller langsommere? Find en metode til at måle hastigheden af gasproduktionen, altså mængden af gas, der produceres mellem hver gang, du måler. 

• Er gastypen den samme gennem hele perioden? Kan du påvise både CO₂ og CH₄ hver gang? Er der en ændring i mængden af kalk-bundfald i gærlåsen? Er den maksimale CO₂-koncentration den samme hver gang (måles med CO₂ sensor)? 

• Formulér en eller flere hypoteser som du vil teste. 

• Beskriv hvilke metoder du vil bruge for at teste din(e) hypotese(r). 

• Beskriv dine observationer og resultater.  

• Er hypoteserne bekræftet? Afkræftet? 

• Forklar dine resultater. Hvad er årsagerne til det, du har observeret? 

• Hvad er dine fejlkilder? Hvordan har de påvirket resultatet? 

• Hvad ville du gøre anderledes, hvis du skulle lave en lignende undersøgelse en anden gang?  Hvad tænker du, ville være interessant at undersøge videre? 

Betyder vandmængden noget? 

Sammen med andre grupper i din klasse kan du designe en undersøgelse, hvor I undersøger, om mængden af vand i jordblandingen har betydning for, hvornår gasproduktionen går i gang og hvilken type gas, der produceres. I undersøgelsen vil vandmængden være jeres variabel på tværs af forskellige bøtter. I bør sørge for, at indholdet i bøtterne er tæt på identisk – på nær vandmængden – og at alle bøtter står ved samme temperatur. 

• Efter hvor lang tid starter gasproduktionen, hvis jordblandingen er tør? Og våd? 

• Hvilke gastyper (og -mængder) kan du påvise under henholdsvis våde og tørre forhold? 

• Diskutér hvorfor undersøgelsen er relevant i klima-sammenhæng. 

• Kan du finde eksempler på, hvor på Jorden vi finder permafrost med henholdsvis højt og lavt vandindhold? 

• Betyder temperaturen ved optøning noget? 

Sammen med andre grupper i din klasse kan du designe en undersøgelse, hvor I undersøger, om permafrostens gasproduktion er afhængig af, hvor kraftig opvarmningen er efter, at I har taget bøtterne ud af fryseren. I undersøgelsen vil temperaturen være jeres variabel. I bør sørge for, at indholdet i bøtterne er identisk.  

Hvor lang tid går der, inden gasproduktionen går i gang, hvis en bøtte står lunt under f.eks. en lampe? Hvor lang tid går der, inden gasproduktionen går i gang, hvis en bøtte står koldt i f.eks. en kælder og tør langsomt op? Med andre ord: Er den mikrobielle responstid afhængig af, hvor kraftig opvarmningen er? 

Når bøtterne er tøet op, kan det være en god idé at tilføje friske mikroorganismer, fordi mange af de oprindelige vil være døde på grund af nedfrysningen. 

• Diskutér hvorfor denne type undersøgelse er relevant i klima-sammenhæng. 

Undersøgelsen er udviklet af Inger K. Seierstad ved Cirkus Naturligvis, Københavns Universitet, i samarbejde med ph.d.-studerende Laura H. Rasmussen og Lena Hermesdorf ved CENPERM, Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning, Københavns Universitet. Novo Nordisk Fonden har bidraget til finansieringen.