Sibirya, Alaska ve Kanada'nın kuzey bölgelerinde, toprağın yüzeyinin birkaç metre altında yıl boyunca hiç çözülmeyen donmuş katmanlar bulunur. Bu donmuş topraklara permafrost ya da kalıcı donmuş toprak adı verilir. Bir toprağın permafrost sayılabilmesi için en az iki yıl boyunca kesintisiz olarak sıfır derecenin altında kalması gerekir. Ancak permafrost bölgelerinin büyük bölümü, binlerce, hatta yüz binlerce yıldır donmuş durumdadır. Kuzey yarımkürenin kara yüzeyinin yaklaşık beşte birinin altında permafrost bulunduğu tahmin edilmektedir.

Permafrost bölgelerinde toprağın yalnızca en üst katmanı yaz aylarında çözülür. Bu katmana etkin katman adı verilir ve kalınlığı birkaç on santimetreden birkaç metreye kadar değişebilir. Bitkiler, bu ince katmanda kök salarak kısa yaz mevsimi boyunca büyür. Etkin katmanın altında ise toprak, kaya ve buzdan oluşan donmuş katmanlar uzanır. Bazı bölgelerde permafrostun kalınlığı yüzlerce metreye ulaşır. Sibirya'nın bazı kesimlerinde ise bir kilometreyi aşan permafrost katmanları bulunmaktadır.

Permafrost, geçmişin eşsiz bir arşividir. Donmuş topraklar, içlerinde bulunan canlı kalıntılarını adeta bir buzdolabı gibi koruyarak binlerce yıl boyunca bozulmadan saklayabilir. Sibirya'da bulunan bazı mamut kalıntıları, kaslarıyla, derileriyle ve hatta midelerindeki son yedikleri bitkilerle birlikte korunmuş olarak bulunmuştur. Buz çağında yaşamış mağara aslanı yavruları, kurtlar ve atlar gibi pek çok hayvanın kalıntıları da permafrostta şaşırtıcı biçimde iyi korunmuş olarak keşfedilmiştir. Bu buluntular, bilim insanlarına geçmiş ekosistemler hakkında değerli bilgiler sağlamaktadır.

Permafrostun belki de en önemli özelliği, içinde büyük miktarda karbon saklamasıdır. Binlerce yıl boyunca bu bölgelerde yaşamış bitkilerin ve hayvanların kalıntıları, donmuş toprakta tam olarak ayrışamadan birikmiştir. Soğuk koşullar, bu organik maddeleri ayrıştıracak mikroorganizmaların etkinliğini neredeyse tamamen durdurmuştur. Bilim insanları, dünya genelindeki permafrost bölgelerinde depolanan karbonun, bugün atmosferde bulunan karbonun yaklaşık iki katı kadar olduğunu tahmin etmektedir.

İklim değişikliği, bu donmuş karbon deposu için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Kuzey Kutbu bölgesi, dünyanın geri kalanına göre yaklaşık üç ila dört kat daha hızlı ısınmaktadır. Bu ısınma, permafrostun yavaş yavaş çözülmesine yol açmaktadır. Permafrost çözüldüğünde, binlerce yıldır donmuş hâlde bekleyen organik maddeler mikroorganizmalar tarafından ayrıştırılmaya başlanır. Bu ayrışma sonucunda atmosfere karbondioksit ve metan salınır. Oksijenin bulunmadığı ıslak ortamlarda gerçekleşen ayrışma, karbondioksitten çok daha güçlü bir sera gazı olan metan üretir.

Bu durum, iklim bilimcilerin en çok kaygılandığı geri besleme döngülerinden birini oluşturur. Isınma permafrostu çözer, çözülen permafrost sera gazları salar, bu gazlar da ısınmayı daha da artırır. Bu döngü, insan kaynaklı salınımlara ek olarak ısınmayı hızlandırabilir. Ancak bu sürecin ne kadar hızlı gerçekleşeceği ve ne kadar sera gazı salınacağı konusunda hâlâ önemli belirsizlikler bulunmaktadır. Bilim insanları, permafrost karbonunun salınımının ani bir patlama biçiminde değil, on yıllar ve yüzyıllar boyunca sürecek aşamalı bir süreç biçiminde gerçekleşmesinin daha olası olduğunu düşünmektedir.

Permafrostun çözülmesi, bölgede yaşayan insanlar için de somut sorunlar yaratmaktadır. Permafrost bölgelerindeki binalar, yollar, demiryolları ve boru hatları, donmuş toprağın sağlamlığına güvenilerek inşa edilmiştir. Toprak çözüldüğünde zemin yumuşar ve çöker. Bu durum, binalarda çatlaklara, yolların bozulmasına ve boru hatlarının hasar görmesine yol açar. Sibirya'daki bazı kentlerde, permafrostun çözülmesi nedeniyle pek çok binanın hasar gördüğü bildirilmiştir. Kuzey kıyılarındaki bazı köyler ise permafrostun çözülmesi ve kıyı erozyonu nedeniyle taşınmak zorunda kalmıştır.

Permafrostun çözülmesi, yeryüzünde de belirgin izler bırakır. Toprağın içindeki buz kütleleri eridiğinde, yüzeyde çökmeler ve çukurlar oluşur. Bu çukurlar zamanla suyla dolarak sığ göllere dönüşebilir. Sibirya'da son yıllarda ortaya çıkan ve onlarca metre derinliğe ulaşan bazı dev kraterlerin, çözülen permafrostun altında biriken metan gazının basıncıyla patlamasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu kraterler, permafrost bölgelerinde yaşanan hızlı değişimlerin çarpıcı göstergeleri olarak dikkat çekmektedir.

Bazı bilim insanları, permafrostun çözülmesinin uzun süredir donmuş hâlde bekleyen mikroorganizmaları da canlandırabileceğine dikkat çekmektedir. Araştırmacılar, binlerce yıllık permafrost örneklerinden canlı bakteriler ve hatta laboratuvar ortamında yeniden etkinleşebilen eski virüsler elde etmiştir. Bu virüslerin büyük çoğunluğu yalnızca amip gibi tek hücreli canlıları enfekte eder ve insanlar için bir tehdit oluşturmaz. Ancak bu bulgular, permafrostun çözülmesinin henüz tam olarak anlaşılamamış başka sonuçları da olabileceğini düşündürmektedir.

Permafrost, uzak ve soğuk bölgelerde bulunmasına karşın bütün gezegeni ilgilendiren bir sorundur. Donmuş toprakların geleceği, büyük ölçüde küresel ısınmanın ne ölçüde sınırlandırılabileceğine bağlıdır. Bu sessiz donmuş dünyalar, iklim sisteminin ne kadar karmaşık ve birbirine bağlı olduğunu bir kez daha hatırlatır.