Avhandling om permafrosthydrologi ger kunskap om framtida Forsmark

Hur påverkas yt- och grundvatten i ett landskap täckt av permafrost, och hur skulle vattnet i Forsmark påverkas av permafrost? Det har Emma Johansson studerat vilket resulterat i en doktorsavhandling.

En av de viktigaste frågorna i SKB:s analyser av säkerheten för Kärnbränsleförvaret efter förslutning är hur säkerheten på lång sikt påverkas av kallare förhållanden med inlandsis och permafrost. Ser man tillbaka på den föregående glaciationscykeln på drygt 100 000 år var marken istäckt eller ständigt frusen under mer än hälften av tiden. Forskarna vet i dag att hydrologi, vattnets omsättning i landskapet, är starkt kopplat till klimatet. Men hydrologi i kalla klimat är lite av ett oskrivet blad och det finns allmänt sett ganska stora kunskapsluckor. Därför har Emma Johansson, hydrolog på SKB, studerat hur hydrologin i ett avrinningsområde påverkas av kallt klimat med permafrost.

Förhållandena för forskning på Grönland är ofta besvärliga men det har inte hindrat Emma Johansson som varit på plats flera gånger per år för att installera mätutrustning och samla in data. Foto: Tobias Lindborg.

Förhållandena för forskning på Grönland är ofta besvärliga men det har inte hindrat Emma Johansson som varit på plats flera gånger per år för att installera mätutrustning och samla in data. Foto: Tobias Lindborg.

Studier av ytliga processer

SKB har tillsammans med forskare från Sverige, Finland och Kanada under flera år studerat hydrologi under en inlandsis och nere i berget genom ett större forskningsprojekt på Grönland, Greenland Analogue Project (GAP). Men minst lika viktigt är att få ökad kunskap om de processer som äger rum närmare markytan. Det är på markytan ett eventuellt utsläpp av radioaktiva ämnen skulle få effekter i form av en stråldos. Inom forskningsprojektet GRASP, Greenland Analogue Surface Project, har Emma Johansson, studerat just de ytliga förhållandena för vattentransport inom och mellan olika ekosystem. Fokus i avhandlingen har varit att studera utbytet mellan ytligt och djupt grundvatten, som i permafrostmiljöer skiljer sig en hel del från grundvattenutbytet i tempererade områden.

Hennes forskning kan delas in i två delar. Inledningsvis utgick hon från de befintliga datamodeller som beskriver hydrologin i Forsmark i dag. Hon utsatte modellerna för extrema förhållanden, allt från dagens tempererade klimat till extremt kalla klimat för att se hur grundvattenströmningarna påverkades av förändringar i landskapet och i utbredning av permafrost. Här såg hon till exempel hur strömningsmönstren under vissa typer av sjöar, så kallade talikar, förändrades vid olika klimat. En talik är ett ofruset område i permafrosten.

Permafrost bromsar hydrologin

Resultaten visade att permafrosten orsakade större förändringar i hydrologin än man kunnat ana. Grundvattenflödets storlek och riktning påverkades tydligt; det som under tempererade förhållande varit utströmningsområden för djupt grundvatten kunde bli inströmningsområden vid kallare klimat.

– I Forsmark i dag kan vi se många flödesvägar i jord och berg, både snabba och långsamma och djupa och ytliga, där grundvatten från djupet och ytan omsätts. Men när det blir permafrost i ett landskap bromsas drivkraften i flödet, och allt sker mycket långsammare. Vid djup permafrost sker utbytet mellan djupet och ytan endast under de större ofrusna sjöarna, talikarna, förklarar Emma Johansson.

Detta blev också tydligt i den andra delen av hennes forskningsprojekt. Där har hon helt fokuserat på de hydrologiska förhållandena på Grönland. I ett område framför inlandsisens kant har hydrologiska och hydrogeologiska mätningar genomförts både i jordlagren och i en större talik, The Two boat lake.

Tack vare ett djupt borrhål mitt i sjön har interaktionen mellan sjön och grundvattnet i det ofrusna systemet under permafrosten studerats. Hon har även analyserat områdets vattenbalans och dess förändringar i tid och rum.

– En stor del av jobbet har varit att samla in och ta hem data från Grönland, och sedan analysera dem. Jag har byggt upp en hydrologisk modell över grundvattenströmningarna i området på Grönland och visat att man i en sådan modell måste ta hänsyn till såväl avdunstning som hydrologiska processer både i berget och vid markytan för att i modellen kunna återskapa det vi mäter.

Ger kunskap om Forsmark

För SKB:s del har Emma Johanssons arbete betytt mycket, framför allt i förståelsen för vilken betydelse permafrost kan ha vid slutförvaring av använt kärnbränsle.

– Vi har fått mer information om vilka hydrologiska processer som är viktiga vid olika klimat. Den kunskapen kan vi överföra till förhållandena i Forsmark för att bättre beskriva vad som händer i berget och vid markytan på lång sikt. Så resultaten från min forskning går direkt in i säkerhetsanalysarbetet och gör att vi får en bättre förståelse för de processer som påverkar transporten och omfördelningen av olika ämnen i landskapet, förklarar Emma Johansson.

En stor del av arbetet har genomförts på plats på Grönland. Under den mest intensiva perioden har Emma besökt Grönland flera gånger per år för att installera och kontrollera mätutrustningen samt ta hand om mätdata.

– Jag gillar kombinationen av att arbeta i fält och samla in mina egna data som jag analyserar och sedan använder i datormodeller. Det är alldeles för många modellörer som ser verkligheten genom en datorskärm. Att samla in sina egna data ger en extra dimension till modellerandet och det är först när man exponerar sina modeller för riktiga data som man får ett kvitto på att modellen är relevant, förklarar Emma.

Mätdata görs tillgängligt för fler

Det är inte bara SKB som får nytta av Emmas arbete. I skenet av dagens klimatförändringar är det många andra forskare som också studerar grundvattenflöden vid permafrost. Ofta stöter de på samma problem, nämligen att det saknas kunskap om hur grundvattenflödet ser ut i dag och hur det förändras utifrån naturliga klimatförändringar. Där kan Emmas forskning ge ett välkommet bidrag.

– En svårighet med att studera dessa processer är också att det ofta saknas data. Det är svårt rent praktiskt att få data från istäckta områden eftersom utrustningen ofta fryser sönder och det finns ingen som bor i närheten som kan kontrollera installationerna. Men nu har vi samlat in ett stort material med mätdata från Grönland, och det har vi gjort tillgängligt för andra forskare, berättar Emma Johansson som kan bekräfta att det redan finns forskare som tagit sig an materialet för egna analyser.