Ως permafrost ορίζεται το παγωμένο έδαφος, το οποίο διατηρείται σε θερμοκρασία μικρότερη ή ίση του μηδενός για τουλάχιστον δύο χρόνια. Το μεγαλύτερο μέρος του σημερινού permafrost σχηματίστηκε κατά τη διάρκεια της τελευταίας εποχής των παγετώνων, τα τελευταία εκατό χιλιάδες χρόνια. Οι ζώνες αυτές καλύπτουν περίπου το 25% του εδάφους στο βόρειο ημισφαίριο με πλέον χαρακτηριστικές περιοχές στη Σιβηρία, το βόρειο Καναδά, την Αλάσκα και τη Γροιλανδία και το μεγαλύτερο μέρος της Ανταρκτικής.
Τα σημεία εμφάνισης καθώς και το πάχος του μόνιμα παγωμένου εδάφους ελέγχονται από παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική ισορροπία και τη ροή θερμότητας στο εσωτερικό του, όπως η θερμοκρασία αέρα, το χιόνι, το ηλιακό φως και η βλάστηση. Στις περιοχές permafrost το επιφανειακό στρώμα εδάφους που παγώνει κατά τη χειμερινή περίοδο και λιώνει το καλοκαίρι ονομάζεται ενεργό στρώμα και έχει πάχος που κυμαίνεται μεταξύ 0.3-4 m. Το ενεργό στρώμα αποτελεί πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη φυτικών και ζωικών κοινοτήτων.
Η ύπαρξη του permafrost αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τις υδρολογικές συνθήκες μιας περιοχής. Μεταξύ των ζωνών εμφάνισης του permafrost αναπτύσσεται υπόγεια υδροφορία, ενώ χαρακτηριστικά είναι τα “talik”, που αναφέρονται σε ένα στρώμα ή σώμα μόνιμα μη παγωμένου εδάφους εντός μιας περιοχής του permafrost και σχηματίζονται κάτω από επιφανειακά υδάτινα σώματα λόγω της υψηλής θερμοχωρητικότητας του νερού και της επίδρασης του τελευταίου στο ισοζύγιο ενέργειας της επιφάνειας του στρώματος.
Επιστημονικές μελέτες αποδεικνύουν ότι η πρόσφατη αύξηση της θερμοκρασίας στις αρκτικές και ορεινές περιοχές έχει οδηγήσει σε θερμότερο permafrost και βαθύτερα ενεργά στρώματα. Μάλιστα υποστηρίζεται ότι η αύξηση αυτή παρουσιάζει διπλάσιο ρυθμό από το μέσο παγκόσμιο ρυθμό αύξησης. Η παρακολούθηση της κατάστασης και της υποβάθμισης του permafrost αποτελεί αρμοδιότητα του Παγκόσμιου Δικτύου για το Permafrost (GTN-P). Ειδικότερα, το δίκτυο TSP διεξάγει μετρήσεις θερμοκρασίας του permafrost σε πολλαπλά βάθη σε 860 γεωτρήσεις, τα αποτελέσματα των οποίων καταδεικνύουν στατιστικά σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας στα ανώτερα 20 m του permafrost από το 2008. Ακόμη, το δίκτυο CALM μετρά το πάχος του ενεργού στρώματος (ALT) σε 260 θέσεις, μεταβλητή που παρουσιάζει μεγαλύτερη ανομοιογένεια, όπως προκύπτει από τις μετρήσεις, με ορισμένες τοποθεσίες να δείχνουν αυξήσεις και άλλες να μην παρουσιάζουν καμιά τάση.
Στην προσπάθεια εκτίμησης της μελλοντική κατάστασης και απομείωσης του permafrost έχουν αναπτυχθεί ποικίλα μοντέλα προσομοίωσης που μπορεί να παρουσιάζουν διακυμάνσεις μεταξύ τους, λόγω των διαφορετικών διεργασιών που προσομοιώνουν, ωστόσο όλα συμφωνούν στο ότι στο μέλλον θα υπάρξει υποβάθμιση του του permafrost. Οι προβλέψεις των μοντέλων προσομοίωσης δείχνουν αύξηση του πάχους του ενεργού στρώματος και μείωση στη χωρική εξάπλωση/κατανομή του permafrost. Η μέση απώλεια του permafrost μέχρι το 2100 εκτιμάται ότι θα κυμαίνεται από 23% - 52%.
Η μείωση του permafrost συνδέεται με πολλαπλές επιδράσεις στο περιβάλλον. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η έκταση του μόνιμα παγωμένου εδάφους σε μια περιοχή διαδραματίζει βασικό ρόλο στην ισορροπία και τις αλληλεπιδράσεις επιφανειακών και υπογείων υδάτων. Λεκάνες απορροής που καλύπτονται από permafrost έχουν μικρότερη ικανότητα αποθήκευσης και, επομένως, χαμηλότερη χειμερινή ροή βάσης και υψηλότερη μέγιστη ροή το καλοκαίρι. Η ελάττωση του permafrost έχει αποδειχθεί ότι εξομαλύνει την εποχική κατανομή της απορροής σε επίπεδο λεκάνης απορροής, η οποία επηρεάζει σημαντικά τη δυναμική των υπογείων υδάτων και τον όγκο των υδάτινων αποθεμάτων.
Αξιοσημείωτο είναι ακόμη το γεγονός ότι το permafrost περιέχει περίπου 1.672 Gt άνθρακα με τη μορφή παγωμένης και δεσμευμένης οργανικής ύλης. Αν το permafrost λιώσει, το ίδιο θα συμβεί και με την οργανική ύλη η οποία στη συνέχεια θα αποσυντεθεί ενδεχομένως απελευθερώνοντας μεγάλες ποσότητες CO2 και CH4 στην ατμόσφαιρα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα εδάφη στις βόρειες περιοχές υπολογίζεται ότι αποτελούν το ένα τέταρτο με ένα τρίτο της συνολικής δεξαμενής αποθήκευσης άνθρακα του εδάφους της Γης και ότι το ήμισυ της κατεψυγμένης οργανικής ύλης βρίσκεται στα ανώτερα 3 m του permafrost, γίνεται εύκολα αντιληπτό το μέγεθος των ποσοτήτων άνθρακα για το οποίο γίνεται λόγος. Οι εκτιμώμενες αθροιστικές εκπομπές από το λιώσιμο του permafrost ως το 2100 κυμαίνονται από 85 έως 120 Gt C.
Συνοπτικά, ο κύκλος ανατροφοδότησης permafrost-άνθρακα εξελίσσεται σε τέσσερα στάδια: α) αύξηση θερμοκρασίας και μείωση permafrost, β) απελευθέρωση CO2 και CH4 από την τήξη του permafrost, γ) ενίσχυση της αύξησης της θερμοκρασίας του πλανήτη λόγω αερίων θερμοκηπίου, δ) περαιτέρω μείωση του permafrost. Αυτή η κυκλική διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη στις χρονικές κλίμακες του ανθρώπου, ενώ ενέργειες αύξησης πρασίνου μπορούν να επιτύχουν μόνο μερική αντιστάθμιση του φαινομένου.
Σε ορεινές περιοχές με έντονο ανάγλυφο το λιώσιμο του permafrost αυξάνει τον κίνδυνο πτώσης βράχων και κατολισθήσεων, αλλά και διάβρωσης χαλαρών εδαφικών σχηματισμών που συγκρατούνταν από τη συγκολλητική του δράση. Τα χαλαρά και σαθρά στρώματα (talus) που συγκρατούνται από το παγωμένο έδαφος σε ορεινές ζώνες permafrost μπορούν να σχηματίσουν «παγετώνες πετρωμάτων» (rock glaciers), με ταχύτητες που κυμαίνονται από μερικά εκατοστά έως αρκετά μέτρα ανά έτος. Τέλος, η καταστροφή υποδομών, οικισμών και τα συνεπαγόμενα κόστη αποκατάστασης συγκαταλέγονται στις επιπτώσεις της τήξης του permafrost, οι οποίες στο σύνολό τους εγείρουν ολοένα και περισσότερο το ενδιαφέρον των ερευνητών.
